【正文】 了具有高密度、大容量、可靠性高、糾錯能力和安全防偽性強等特點的二維條碼，拓寬了條碼的應(yīng)用領(lǐng)域 [5]。近年來，我國的條碼事業(yè)發(fā)展迅速，條碼技術(shù)在商品零售、物品追蹤、控制庫存、記錄時間和出勤、監(jiān)視生產(chǎn)過程、質(zhì)量控制、檢進檢出、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、準確度高、可靠性強等優(yōu)點，條碼技術(shù)己被廣泛地應(yīng)用在商業(yè)流通、倉儲、醫(yī)療衛(wèi)生、圖書情報、郵政、鐵路、交通運輸、生產(chǎn)自動化管理等領(lǐng)域，在當(dāng)今的自動識別技術(shù)中占有重要的地位 [4]。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。創(chuàng)新的識讀算法與獨自設(shè)計的硬件平臺共同構(gòu)成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的二維條碼識讀終端。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)計了依據(jù)該規(guī)則進行圖像融合的圖像增強算法，解決了實際應(yīng)用中因條碼圖像中的某些局部的對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光照分布來消除光照不均的影響再用大津法進行二值化的方法，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、糾錯能力強、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。論文，針對 Data Matrix 等二維條碼識讀中的圖像預(yù)處理及條碼定位等關(guān)鍵技術(shù)，提出了多個核心算法，又輔以條碼識讀必須的幾何變換、譯碼 和糾錯等算法，形成了一套完整的二維條碼識讀算法，并將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計。該終端的硬件平臺包括以高性能浮點 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 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。它自 20 世紀 40 年代的美國發(fā)起， 70～ 80 年代開始在國際上得到廣泛應(yīng)用 [2][3]。 1988 年我國成立了“中國物品編碼中心”，并于 1991年 4 月 19 日正式申請加入了國際編碼組織 EAN 協(xié)會 [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)點外，同時具有信息容量大、可靠性高、保密防偽性強、易于制作、成本低等優(yōu)點。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)庫的存在。二維條碼除具有一維條碼的優(yōu)點以外，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、使用成本低廉等優(yōu)點[9][10]。因此，普通的一維條碼在使用過程中僅作為識別信息，它的意義是通過在計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的信息而實現(xiàn)的，由此，它對網(wǎng)絡(luò)資源和后臺數(shù)據(jù)庫表現(xiàn)出很強的依賴。一維條碼的應(yīng)用可以提高信息錄入的速度，減少差錯率，但同時也具有數(shù)據(jù)容量小、只能表達字母和數(shù)字、空間利用率較低、依賴相關(guān)數(shù)據(jù)庫、保密性能不高、污損后可讀性差等缺點。它在水平和垂直方向上存儲信息，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。同時它還具有條碼符號形狀、大小可變的特點。 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。現(xiàn)在的 Data Matrix 碼主要以對 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 符號由緊密相連的多行六 邊形模塊和位于符號中央位置的定位圖形（三個黑色同心圓）組成，每個符號由 884 個六邊形模塊組成，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 未來的擴展。美國、德國、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，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)等部門對各類報表和票據(jù)的管理，商業(yè)、交通運輸?shù)炔块T對商品及貨物運輸?shù)墓芾恚]政部門對郵政包裹的管理，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)I(yè)生產(chǎn)線的自動化管理等。而漢信碼的研發(fā)成功，實現(xiàn)了我國自主知識產(chǎn)權(quán)二維條碼標準零的突破，必將有力地推動二維條碼在我國的應(yīng)用。 國際上，二維條碼標準技術(shù)國際標準由國際標準化組織 ISO 與國際電工委員會 IEC 成立的第 1 聯(lián)合委員會 JTC1 的第 31 分委員會，即自動識別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)分委員會（ ISO/IEC/JTC1/SC31）負責(zé)組織制定。另外，國際自動識別制造商協(xié)會（ AIM）、美國標準化協(xié)會（ ANSI）也已完成了 PDF417， QR Code， Code 49， Code 16K， Code One 等碼制的符號標準。 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 是點陣式的符號結(jié)構(gòu)，因此它可以被印刷得非常小，整個符號最小可以小到 平方英寸以內(nèi)，是目前一維與二維條碼中尺寸最小的，非常適合在各種實體產(chǎn)品上或電路板的 零組件上進行印刷、點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。 著名手機生產(chǎn)公司，芬蘭的 Nokia 公司在其全系列的手機及其配件 (充電器、電池、耳機等 )均采用 Data Matrix 二維條碼作為產(chǎn)品標識。 由此可以看出， Data Matrix 二維條碼技術(shù)作為一種先進的自動識別技術(shù)，在國內(nèi)發(fā)展的條件已逐步成熟，逐漸開始在實際生活和生產(chǎn)中得到應(yīng)用，發(fā)展前景十分廣闊，在中國大 行其道指日可待。 身 份識別方面的應(yīng)用。香港 97 回歸后，香港居民新發(fā)放的特區(qū)護照上用的就是 PDF417 技術(shù)。 文件和表格應(yīng)用。美國鋼管公司在各地擁有不同種類的管道需要維護。 二維條碼技術(shù)與其它自動識別技術(shù)的比較 自動識別技術(shù)是 指不使用鍵盤，即可將信息數(shù)據(jù)自動輸入計算機、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 卡使用存儲器芯片存儲信息，存儲容量大；存儲的數(shù)據(jù)可讀寫；屬于接觸式識讀，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，但成本較高。射頻識別標簽基本上是 一種標簽形式，將特殊的信息編碼進電子標簽，并將標簽粘貼于需要識別或追蹤的物品上，如貨架、汽車、動物等。其缺點是成本高，而且一 般不能隨意扔掉，而多數(shù)條碼掃描壽命結(jié)束時即可扔掉。這類產(chǎn)品比較便宜，有很好的性價比。 上述的三種識讀器被廣泛應(yīng)用于條碼的識讀，其中前兩種識讀器 均屬于掃描式識讀，被廣泛應(yīng)用于一維條碼及堆疊式二維條碼的識讀，但是對于 Data Matrix 等矩陣式二維條碼則無能為力。二維條碼識讀器的制造長期被個別國外廠商所壟斷。 (3)識讀功能有局限性。 針對上面的問題，本文研究二維條碼識讀及應(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讀終端，可在同一硬件平臺上快速準確地完成多種二維條碼和一維條碼的自動識讀，達到或超過國外同類產(chǎn)品性能，有利于提高我國在條碼方面的競爭力，推動我國乃至世界的信息化水平，提高社會管理效率和經(jīng)濟效益。此外，本文還設(shè)計并實現(xiàn)了一種新型的基于 DSP 的高速二維條碼識讀終端。 本文創(chuàng)新點如下： 規(guī)則進行圖像融合的圖像增強算法以及一種先用小波分析估計光照分布來消除光照不均的影響再用大津法進行二值化的方法： *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)計了依據(jù)該規(guī)則進行圖像融合的圖像增強算法，解決了實際應(yīng)用中因條碼圖像中的某些局部對比度極低而難以正確解碼的問題。實驗結(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。該方法利用邊緣跟蹤檢 測“ 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)計并實現(xiàn)了一種新型的基于 DSP 的高速二維條碼識讀終端。 *在硬件方面，由于二維條碼的識讀過程中包含大量的浮點運算，所以為了保證條碼識讀的精度、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 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讀技術(shù)。 第六章給出了基于 DSP 的嵌入式二維條碼識讀終端的實驗結(jié)果及與國外同類產(chǎn)品的性能比較。識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主要步驟。 掃描式圖像采集 掃描式條碼識讀方法多用于一維條碼識讀。其基本構(gòu)成如圖 21 所 示。 攝像式圖像采集 攝像式識讀方式是通過光學(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 本身要用時序和放大電路來驅(qū)動，所以硬件開銷很大，電路復(fù)雜，成本很高，且價格下降的空間已經(jīng)很小。缺點是像質(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識讀終端就選用了基于 CMOS 傳感器的攝像頭。 對比度增強 對比度增強是通過改變二維條碼圖像像素的灰度，擴展圖像灰度的動態(tài)范圍，使圖像明暗更加分明，改善視覺效果，也有利于機器對圖像亮區(qū)域和暗區(qū)域的區(qū) 分和識別，直接影響到機器能否正確區(qū)分出二維條碼的黑白模塊從而正確識讀，在一定程度上決定了識讀器所能適應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境。其關(guān)鍵是根據(jù)增強要求設(shè)計映射規(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，具體細節(jié)將在第 節(jié)中詳細介紹。但圖像 的光照分布往往會影響閾值的選取，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通用的流程，具體的實現(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。 二維條碼識讀系統(tǒng) 二維條碼識讀系統(tǒng)分類 二維條碼識讀系統(tǒng)可以按照識讀原理、工作方式、工作距離、設(shè)備功能、設(shè)備移動性等方面分類。 按設(shè)備功能分類，可 分為：識讀器，不具備信息管理、大容量信息存儲功能的識讀設(shè)備；數(shù)據(jù)采集器，除了可以識讀二維條碼，還具有信息存儲、信息管理功能的識讀設(shè)備。 景深 景深是指二維條碼識讀系統(tǒng)讀取距離的范圍，與能夠識讀的條碼符號最小模塊尺寸以及識讀設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)有關(guān)。 其他技術(shù)指標 其他技術(shù)指標涉及識讀系統(tǒng)的工作環(huán)境、安裝要求等方面的參數(shù)。而識讀終端的軟件設(shè)計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，并簡要介紹了 二維條碼識讀系統(tǒng)的分類和主要技術(shù)指標。 灰度變換 直接灰度變換是一種最簡單、有效的對比度增強方法，它是將原圖像灰度函數(shù) f (x, y)經(jīng)過一個變換函數(shù) g =T[ f]轉(zhuǎn)換為一個新的灰度函數(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]，增強后的圖像灰度函數(shù)為 g (x, y)，灰度范圍為 [a 39