【正文】 了具有高密度、大容量、可靠性高、糾錯(cuò)能力和安全防偽性強(qiáng)等特點(diǎn)的二維條碼，拓寬了條碼的應(yīng)用領(lǐng)域 [5]。近年來，我國(guó)的條碼事業(yè)發(fā)展迅速，條碼技術(shù)在商品零售、物品追蹤、控制庫(kù)存、記錄時(shí)間和出勤、監(jiān)視生產(chǎn)過程、質(zhì)量控制、檢進(jìn)檢出、分類、訂單輸入等方面已得到了廣泛的應(yīng)用 [7][8]。因其具有輸入速度快、準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，條碼技術(shù)己被廣泛地應(yīng)用在商業(yè)流通、倉(cāng)儲(chǔ)、醫(yī)療衛(wèi)生、圖書情報(bào)、郵政、鐵路、交通運(yùn)輸、生產(chǎn)自動(dòng)化管理等領(lǐng)域，在當(dāng)今的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中占有重要的地位 [4]。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。創(chuàng)新的識(shí)讀算法與獨(dú)自設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)共同構(gòu)成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二維條碼識(shí)讀終端。論文在條碼圖像預(yù)處理方面的創(chuàng)新性工作包括：其一，提出了一種基于模糊推理的小波域圖像融合規(guī)則并設(shè)計(jì)了依據(jù)該規(guī)則進(jìn)行圖像融合的圖像增強(qiáng)算法，解決了實(shí)際應(yīng)用中因條碼圖像中的某些局部的對(duì)比度極低而難以正確解碼的問題；其二，提出了一種先用小波分析估計(jì)光照分布來消除光照不均的影響再用大津法進(jìn)行二值化的方法，解決了工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)的由于光照不均或背景過于復(fù)雜造成圖像二值化效果差而影響解碼的問題。 二維條碼識(shí)讀技術(shù)及其應(yīng)用研究 中文摘要 二維條碼具有密度高、信息量大、可靠性高、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、可表示多種信息、保密防偽性好、使用成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。論文，針對(duì) Data Matrix 等二維條碼識(shí)讀中的圖像預(yù)處理及條碼定位等關(guān)鍵技術(shù)，提出了多個(gè)核心算法，又輔以條碼識(shí)讀必須的幾何變換、譯碼 和糾錯(cuò)等算法，形成了一套完整的二維條碼識(shí)讀算法，并將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。該終端的硬件平臺(tái)包括以高性能浮點(diǎn) DSPTMS320C6713 為核心的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和以 FPGA 為控制中心的圖像采集子系統(tǒng)，而其軟件設(shè)計(jì)則基于上述創(chuàng)新性的條碼圖像預(yù)處理和條碼定位算法。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。它自 20 世紀(jì) 40 年代的美國(guó)發(fā)起， 70～ 80 年代開始在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用 [2][3]。 1988 年我國(guó)成立了“中國(guó)物品編碼中心”，并于 1991年 4 月 19 日正式申請(qǐng)加入了國(guó)際編碼組織 EAN 協(xié)會(huì) [6]。因此人們迫切希望發(fā)明一種新的條碼，除具有普通條碼的優(yōu)點(diǎn)外，同時(shí)具有信息容量大、可靠性高、保密防偽性強(qiáng)、易于制作、成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于受信息容量的限制，一維條碼只能充當(dāng)物品的代碼，而不能含有更多的物品信息，所以一維條碼的應(yīng)用不得不依賴數(shù)據(jù)庫(kù)的存在。二維條碼除具有一維條碼的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有密度高、信息量大、可靠性高、可表示各種文字和圖像、保密防偽性強(qiáng)、使用成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[9][10]。因此，普通的一維條碼在使用過程中僅作為識(shí)別信息，它的意義是通過在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相應(yīng)的信息而實(shí)現(xiàn)的，由此，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)表現(xiàn)出很強(qiáng)的依賴。一維條碼的應(yīng)用可以提高信息錄入的速度，減少差錯(cuò)率，但同時(shí)也具有數(shù)據(jù)容量小、只能表達(dá)字母和數(shù)字、空間利用率較低、依賴相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)、保密性能不高、污損后可讀性差等缺點(diǎn)。它在水平和垂直方向上存儲(chǔ)信息，是一種高密度編碼，比普通一維條碼信息容量高幾十倍以上。同時(shí)它還具有條碼符號(hào)形狀、大小可變的特點(diǎn)。 典型的二維條碼碼制 二維條碼可以分為堆疊式二維條碼和矩陣式二維條碼。有代表性的堆疊式二維條碼有： Code 16K、 Code 4 PDF417 等。具有代表性的矩陣式二維條碼有： Data Matrix、 Maxi Code、 QR Code、漢信碼等。 Data Matrix 碼?，F(xiàn)在的 Data Matrix 碼主要以對(duì) ECC200 碼的研究與應(yīng)用為主， ECC000140 的應(yīng)用很少，所以本文中，除特殊說明外，Data Matrix 碼均特指 ECC200 碼。 Maxi Code 符號(hào)由緊密相連的多行六 邊形模塊和位于符號(hào)中央位置的定位圖形（三個(gè)黑色同心圓）組成，每個(gè)符號(hào)由 884 個(gè)六邊形模塊組成，分 33 層圍繞著中央定位圖形，每一層最多包含 30 個(gè)模塊。它由編碼區(qū)和包括尋像圖形、分隔符、定位圖形和校正圖形在內(nèi)的功能圖形組成。 PDF(Portable Data File)意思是“便攜數(shù)據(jù)文件”。其最小行數(shù)為 3，最大行數(shù)為 90。它是目前漢字編碼效率最高的二維條碼，且支持全部 GB 18030 字符集漢字以及 未來的擴(kuò)展。美國(guó)、德國(guó)、日本、墨西哥、埃及、哥倫比亞、巴林、新加坡、菲律賓、南非、加拿大等國(guó)，不僅已將二維條碼技術(shù)應(yīng)用于公安、外交、軍事等部門對(duì)各類證件的管理，而且 也將二維條碼應(yīng)用于海關(guān)、稅務(wù)等部門對(duì)各類報(bào)表和票據(jù)的管理，商業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)炔块T對(duì)商品及貨物運(yùn)輸?shù)墓芾?，郵政部門對(duì)郵政包裹的管理，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)I(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化管理等。而漢信碼的研發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)二維條碼標(biāo)準(zhǔn)零的突破，必將有力地推動(dòng)二維條碼在我國(guó)的應(yīng)用。 國(guó)際上，二維條碼標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 與國(guó)際電工委員會(huì) IEC 成立的第 1 聯(lián)合委員會(huì) JTC1 的第 31 分委員會(huì)，即自動(dòng)識(shí)別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)分委員會(huì)（ ISO/IEC/JTC1/SC31）負(fù)責(zé)組織制定。另外，國(guó)際自動(dòng)識(shí)別制造商協(xié)會(huì)（ AIM）、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ ANSI）也已完成了 PDF417， QR Code， Code 49， Code 16K， Code One 等碼制的符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。 Data Matrix 的發(fā)展和應(yīng)用 Data Matrix 是現(xiàn)有條碼中信息密度最大的一種，由于 Data Matrix 是點(diǎn)陣式的符號(hào)結(jié)構(gòu)，因此它可以被印刷得非常小，整個(gè)符號(hào)最小可以小到 平方英寸以內(nèi)，是目前一維與二維條碼中尺寸最小的，非常適合在各種實(shí)體產(chǎn)品上或電路板的 零組件上進(jìn)行印刷、點(diǎn)陣刻印或激光刻印等。 著名的通用 CPU廠商 AMD和 Intel公司在其開發(fā)的各系列 CPU背面印制 Data Matrix二維條碼，采用 Data Matrix 條碼保存芯片信息。 著名手機(jī)生產(chǎn)公司，芬蘭的 Nokia 公司在其全系列的手機(jī)及其配件 (充電器、電池、耳機(jī)等 )均采用 Data Matrix 二維條碼作為產(chǎn)品標(biāo)識(shí)。 由此可以看出， Data Matrix 二維條碼技術(shù)作為一種先進(jìn)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在國(guó)內(nèi)發(fā)展的條件已逐步成熟，逐漸開始在實(shí)際生活和生產(chǎn)中得到應(yīng)用，發(fā)展前景十分廣闊，在中國(guó)大 行其道指日可待。 身 份識(shí)別方面的應(yīng)用。香港 97 回歸后，香港居民新發(fā)放的特區(qū)護(hù)照上用的就是 PDF417 技術(shù)。 文件和表格應(yīng)用。美國(guó)鋼管公司在各地?fù)碛胁煌N類的管道需要維護(hù)。 二維條碼技術(shù)與其它自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的比較 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是 指不使用鍵盤，即可將信息數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入計(jì)算機(jī)、微處理器、邏輯控制器等信息系統(tǒng)的技術(shù)。磁卡使用磁條記錄信息，磁條就是一層薄薄的由定向排列的鐵性氧化粒子組成的材料（也稱為涂料），用樹脂粘合在一起并粘在諸如紙或塑料這樣的非磁性基片上。 接觸式 IC 卡使用存儲(chǔ)器芯片存儲(chǔ)信息，存儲(chǔ)容量大；存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可讀寫；屬于接觸式識(shí)讀，通過電路接口讀寫信息；具有數(shù)據(jù)保密性和智能性；有一定的抗環(huán)境污染和抗干擾能力；使用壽命長(zhǎng)，但成本較高。射頻識(shí)別標(biāo)簽基本上是 一種標(biāo)簽形式，將特殊的信息編碼進(jìn)電子標(biāo)簽，并將標(biāo)簽粘貼于需要識(shí)別或追蹤的物品上，如貨架、汽車、動(dòng)物等。其缺點(diǎn)是成本高，而且一 般不能隨意扔掉，而多數(shù)條碼掃描壽命結(jié)束時(shí)即可扔掉。這類產(chǎn)品比較便宜，有很好的性價(jià)比。 上述的三種識(shí)讀器被廣泛應(yīng)用于條碼的識(shí)讀，其中前兩種識(shí)讀器 均屬于掃描式識(shí)讀，被廣泛應(yīng)用于一維條碼及堆疊式二維條碼的識(shí)讀，但是對(duì)于 Data Matrix 等矩陣式二維條碼則無能為力。二維條碼識(shí)讀器的制造長(zhǎng)期被個(gè)別國(guó)外廠商所壟斷。 (3)識(shí)讀功能有局限性。 針對(duì)上面的問題，本文研究二維條碼識(shí)讀及應(yīng)用技術(shù)并開發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品，形成一套基 于DSP 的成本低廉、適應(yīng)性好、性能良好的二維條碼識(shí)讀終端，可在同一硬件平臺(tái)上快速準(zhǔn)確地完成多種二維條碼和一維條碼的自動(dòng)識(shí)讀，達(dá)到或超過國(guó)外同類產(chǎn)品性能，有利于提高我國(guó)在條碼方面的競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)我國(guó)乃至世界的信息化水平，提高社會(huì)管理效率和經(jīng)濟(jì)效益。此外，本文還設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的基于 DSP 的高速二維條碼識(shí)讀終端。 本文創(chuàng)新點(diǎn)如下： 規(guī)則進(jìn)行圖像融合的圖像增強(qiáng)算法以及一種先用小波分析估計(jì)光照分布來消除光照不均的影響再用大津法進(jìn)行二值化的方法： *提出了一種基于模糊推理的小波域圖像融合規(guī)則并設(shè)計(jì)了依據(jù)該規(guī)則進(jìn)行圖像融合的圖像增強(qiáng)算法，解決了實(shí)際應(yīng)用中因條碼圖像中的某些局部對(duì)比度極低而難以正確解碼的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于模糊推理的小波域圖像融合規(guī)則更加有效的融合了源圖像的信息，具有更好的魯棒性，尤其在源圖像受到噪聲污染的情況下，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。 在條碼定位方面，本文提出了一種基于 Gabor 濾波和 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 DataMatrix 二維條碼區(qū)域提取方法 (GFBPNN)以及一種基于邊緣跟蹤和 Radon變換相結(jié)合的 Data Matrix條碼精定位方法： *提出了基于 Gabor 濾波和 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二維條碼區(qū)域提取方法 (GFBPNN)，解決了復(fù)雜背景下，完整準(zhǔn)確地提取條碼區(qū)域的難題，克服了通過版面分析來提取條碼區(qū)域的方法存在的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)體難以選擇和虛警率比較高的缺點(diǎn)。該方法利用邊緣跟蹤檢 測(cè)“ L”形尋邊區(qū)外邊緣并僅在沿“ L”形尋邊區(qū)頂端和右端短邊緣的方向附近 177。 本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的基于 DSP 的高速二維條碼識(shí)讀終端。 *在硬件方面，由于二維條碼的識(shí)讀過程中包含大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，所以為了保證條碼識(shí)讀的精度、成功率和速度，本文創(chuàng)新性地以德州儀器（ TexasInstruments， TI）公司的TMS320C6000 系列 的主頻僅為 225MHz 的浮點(diǎn) DSP： TMS320C6713 為核心處理器。 論文的內(nèi)容安排 第二章概括介紹二維條碼識(shí)讀技術(shù)。 第六章給出了基于 DSP 的嵌入式二維條碼識(shí)讀終端的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及與國(guó)外同類產(chǎn)品的性能比較。識(shí)讀過程可分為圖像采集、圖像預(yù)處理、條碼定位及解碼等幾個(gè)主要步驟。 掃描式圖像采集 掃描式條碼識(shí)讀方法多用于一維條碼識(shí)讀。其基本構(gòu)成如圖 21 所 示。 攝像式圖像采集 攝像式識(shí)讀方式是通過光學(xué)透鏡將條碼成像在半導(dǎo)體傳感器上，再通過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換或直接數(shù)字化得到數(shù)字圖像并輸出，經(jīng)后續(xù)圖像處理操作，包括預(yù)處理、條碼定位、失真校正 等，得到二維條碼攜帶的信息并譯碼，最終完成二維條碼圖像的采集和識(shí)讀工作。攝像式圖像采集的應(yīng)用中絕大多數(shù)采用技術(shù)較為成熟的 CCD，少數(shù)采用了 CMOS 器件。但其信號(hào)特性是模擬輸出，必須加入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，加上 CCD 本身要用時(shí)序和放大電路來驅(qū)動(dòng)，所以硬件開銷很大，電路復(fù)雜，成本很高，且價(jià)格下降的空間已經(jīng)很小。缺點(diǎn)是像質(zhì)一般（感光像素間的漏電流比較大），感光速度較慢。本文所提出的二維條碼自動(dòng)識(shí)讀終端就選用了基于 CMOS 傳感器的攝像頭。 對(duì)比度增強(qiáng) 對(duì)比度增強(qiáng)是通過改變二維條碼圖像像素的灰度，擴(kuò)展圖像灰度的動(dòng)態(tài)范圍，使圖像明暗更加分明，改善視覺效果，也有利于機(jī)器對(duì)圖像亮區(qū)域和暗區(qū)域的區(qū) 分和識(shí)別，直接影響到機(jī)器能否正確區(qū)分出二維條碼的黑白模塊從而正確識(shí)讀，在一定程度上決定了識(shí)讀器所能適應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境。其關(guān)鍵是根據(jù)增強(qiáng)要求設(shè)計(jì)映射規(guī)則或稱變換函數(shù)。直方圖修正主要包括直方圖均衡化和直方圖規(guī)定化兩種。 圖像去噪 圖像去噪，顧名思義，就是去除圖像中的噪聲。而圖像去噪要求既消除噪聲又盡量保持圖像 的細(xì)節(jié)，由于此處的圖像噪聲主要表現(xiàn)為脈沖噪聲，所以本文選用中值濾波去除圖像噪聲，可克服低通 高通濾波去噪的缺點(diǎn)，具體細(xì)節(jié)將在第 節(jié)中詳細(xì)介紹。但圖像 的光照分布往往會(huì)影響閾值的選取，尤其是光照不均的情況下，閾值選取比較困難。故本文提出基于小波分解和大津法結(jié)合的圖像二值化方法，具體將在第 節(jié)詳細(xì)介紹。二維條碼定位分為兩步：粗定位和精定位。上述的操作只是一個(gè)通用的流程，具體的實(shí)現(xiàn)是與各種二維條碼的編碼規(guī)則密切相關(guān)的，不同碼制的二維條碼有不同的解碼方法。 二維條碼識(shí)讀系統(tǒng) 二維條碼識(shí)讀系統(tǒng)分類 二維條碼識(shí)讀系統(tǒng)可以按照識(shí)讀原理、工作方式、工作距離、設(shè)備功能、設(shè)備移動(dòng)性等方面分類。 按設(shè)備功能分類，可 分為：識(shí)讀器，不具備信息管理、大容量信息存儲(chǔ)功能的識(shí)讀設(shè)備；數(shù)據(jù)采集器，除了可以識(shí)讀二維條碼，還具有信息存儲(chǔ)、信息管理功能的識(shí)讀設(shè)備。 景深 景深是指二維條碼識(shí)讀系統(tǒng)讀取距離的范圍，與能夠識(shí)讀的條碼符號(hào)最小模塊尺寸以及識(shí)讀設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)。 其他技術(shù)指標(biāo) 其他技術(shù)指標(biāo)涉及識(shí)讀系統(tǒng)的工作環(huán)境、安裝要求等方面的參數(shù)。而識(shí)讀終端的軟件設(shè)計(jì)則基于本文所提出的創(chuàng)新性的圖像預(yù)處理和條碼定位算法。 本章小結(jié) 本章概要介紹了二維條碼識(shí)讀技術(shù)，包括二維條碼圖像的采集技術(shù)、條碼圖像預(yù)處理技術(shù)、條碼定位與解碼技術(shù)等，并簡(jiǎn)要介紹了 二維條碼識(shí)讀系統(tǒng)的分類和主要技術(shù)指標(biāo)。 灰度變換 直接灰度變換是一種最簡(jiǎn)單、有效的對(duì)比度增強(qiáng)方法，它是將原圖像灰度函數(shù) f (x, y)經(jīng)過一個(gè)變換函數(shù) g =T[ f]轉(zhuǎn)換為一個(gè)新的灰度函數(shù) g (x, y)。 假設(shè)原圖像灰度函數(shù)為 f (x, y)，灰度分布范圍為 [a ,b]，增強(qiáng)后的圖像灰度函數(shù)為 g (x, y)，灰度范圍為 [a 39