【正文】 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。 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(biāo)。 其他技術(shù)指標(biāo) 其他技術(shù)指標(biāo)涉及識讀系統(tǒng)的工作環(huán)境、安裝要求等方面的參數(shù)。 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。上述的操作只是一個通用的流程，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。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。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。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。 對比度增強(qiáng) 對比度增強(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)器對圖像亮區(qū)域和暗區(qū)域的區(qū) 分和識別，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。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。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。其基本構(gòu)成如圖 21 所 示。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。 論文的內(nèi)容安排 第二章概括介紹二維條碼識讀技術(shù)。 本文創(chuàng)新性地設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種新型的基于 DSP 的高速二維條碼識讀終端。 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)。 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比度極低而難以正確解碼的問題。 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(zhǔn)確地完成多種二維條碼和一維條碼的自動識讀，達(dá)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(jì)效益。二維條碼識讀器的制造長期被個別國外廠商所壟斷。這類產(chǎn)品比較便宜，有很好的性價比。射頻識別標(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)簽粘貼于需要識別或追蹤的物品上，如貨架、汽車、動物等。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。美國鋼管公司在各地?fù)碛胁煌N類的管道需要維護(hù)。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)。 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(shí)際生活和生產(chǎn)中得到應(yīng)用，發(fā)展前景十分廣闊，在中國大 行其道指日可待。 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。另外，國際自動識別制造商協(xié)會（ AIM）、美國標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。而漢信碼的研發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)了我國自主知識產(chǎn)權(quán)二維條碼標(biāo)準(zhǔn)零的突破，必將有力地推動二維條碼在我國的應(yīng)用。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。 PDF(Portable Data File)意思是“便攜數(shù)據(jù)文件”。 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。 Data Matrix 碼。有代表性的堆疊式二維條碼有： Code 16K、 Code 4 PDF417 等。同時它還具有條碼符號形狀、大小可變的特點(diǎn)。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(dá)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(diǎn)。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)。它自 20 世紀(jì) 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]。該終端的硬件平臺包括以高性能浮點(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。 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(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)。創(chuàng)新的識讀算法與獨(dú)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。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、倉儲、醫(yī)療衛(wèi)生、圖書情報、郵政、鐵路、交通運(yùn)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]。于是為了滿足人們的這種需求，編碼專家在 80 年代末發(fā)明了具有高密度、大容量、可靠性高、糾錯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]。 一維條碼簡介 一維條碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對應(yīng)的字符組成的標(biāo)記，這些條和空組成的數(shù)據(jù)表達(dá)一定的信息，并能夠用特定的設(shè)備識讀，轉(zhuǎn)換成與計算機(jī)兼容的二進(jìn)制和十進(jìn)制信息[11]。圖 11 給出了幾種常見的一維碼。表 11 給出了二維條碼與一維條碼的比較。 矩陣式二維條碼是在一個矩形空間通過黑、白像素在矩陣中的不同分布進(jìn)行編碼。 Data Matrix 碼是一種矩陣式二維條碼，由美國國際資料公司的Dennis Priddy 和 Robert 發(fā)明，其發(fā)展的構(gòu)想是希望在較小的條碼標(biāo)簽上存入更多的資料量。 QR Code。因?yàn)榻M成條碼的每一個條碼字符都是由 4 個條和 4 個空共 17 個模塊構(gòu)成，故稱為 PDF417 碼。此外，它還具有信息容量大、密度高、抗畸變、抗污損能力強(qiáng)等特點(diǎn)，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。 接下來將從二維條碼的標(biāo)準(zhǔn)化，以及矩陣式和堆疊式這兩種二維條碼各自具有代表性的 Data Matrix 和 PDF417 的應(yīng)用現(xiàn)狀來詳細(xì)介紹二維條碼的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。我國的二維條碼標(biāo)準(zhǔn)化工作起步較晚，但已取得了一定的進(jìn)展。兩大顯卡公司 ATI 和 Nvidia 公司的部分顯示芯片 (GPU)也采用了同樣的技術(shù)。 PDF417 的發(fā)展和應(yīng)用 作為成熟的條碼技術(shù)， PDF417 條碼已經(jīng)或者正在被許多政府部門、工業(yè)團(tuán)體所采納。 貨運(yùn)運(yùn)輸方面的應(yīng)用。為了跟蹤每根管子，他們將管子的各種信息編成一個 PDF417 條碼，制成標(biāo)簽后貼在管子上。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)可讀寫，即具有現(xiàn)場改變數(shù)據(jù)的 能力；數(shù)據(jù)存儲量能滿足大多數(shù)需要，便于使用，成本低廉；還具有一定的數(shù)據(jù)安全性；能粘附于許多不同規(guī)格和形式的基材上；這些優(yōu)點(diǎn)使之在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如信用卡、銀行 ATM 卡、機(jī)票、公共汽車票、自動售貨卡、會員卡、現(xiàn)金卡（如電話磁卡）等。射頻識別標(biāo)簽?zāi)軌蛟谌藛T、地點(diǎn)、物品和動物上使用，其適用領(lǐng)域包括物料跟蹤、運(yùn)載工具和貨架識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場合，由于射頻識別標(biāo)簽具有可讀寫能力，對于需要頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場合尤為適用。 帶光柵的激光識讀器：可以閱讀一維條碼和線性堆疊式二維條碼。盡管國內(nèi)也有少數(shù)幾家公司或者研究機(jī)構(gòu)也研發(fā)類似的二維條碼的識讀設(shè)備，但是識讀設(shè)備的識讀率、識讀速 度等性能尚與國外的同類產(chǎn)品有很大的差距。因此對二維條碼的識讀技術(shù)及其應(yīng)用的研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和使用價值。該算法通過融合多幅條碼信息互補(bǔ)的條碼圖像來增強(qiáng)圖像，使圖像信息完 整清晰以利于解碼。 GFBPNN 首先由不同尺度不同方向的 Gabor濾波器對圖像進(jìn)行濾波提取其紋理特征；再進(jìn)行特征變換，使所得特征具有尺度和旋轉(zhuǎn)不變性；然后利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照前述 特征對像素進(jìn)行分類；最后經(jīng)過形態(tài)學(xué)后處理提取 Data Matrix 條碼區(qū)域。該終端的硬件平臺包括以高性能浮點(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)。 第三章詳細(xì)介紹二維條碼圖像預(yù)處理過程中的核心算法，包括圖像對比度增強(qiáng)、圖像去噪和圖像二值化等。 二維條碼圖像采集 二維條碼圖像采集有兩種方式：掃描式和攝像式。 掃描系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)及探測器即光電轉(zhuǎn)換器件組成，完成對條碼符 號的光學(xué)掃描，并通過光電探測器將條碼條空圖案的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 CCD（電荷耦合器件）技術(shù)是一種傳統(tǒng)的圖像 /數(shù)字光電耦合器件，目前已 經(jīng)廣泛應(yīng)用。但在圖像采集和轉(zhuǎn)換方面， CMOS 可以和大規(guī)模邏輯陣列技術(shù)（ FPGA）或高速嵌入式微處理器（ ARM 或 DSP）配合使用，從而能夠滿足圖像采集和信號傳輸?shù)囊?。一般情況下，對比度增強(qiáng)主要可以通過直接灰度變換和直方圖修正兩大類方法來實(shí)現(xiàn)。上述兩大類對比度增強(qiáng)方法都是建立在圖像質(zhì)量不是太差，黑白像素的灰度值之間存在一定差別的前提下的，大多數(shù)情況下可以奏效。 圖像二值化 圖像二值化，顧名思義，就是將灰度圖像上的所有像素分為兩類：黑像素和白像素。 條碼定位與解碼 條碼定位是二維條碼識讀中的關(guān)鍵一環(huán)，是進(jìn)行正確解碼的前提條件。 具體的條碼定位及解碼方法都是隨條碼碼制不同而各異的。 按設(shè)備移動性分類，可分為：固定式識讀系統(tǒng)，其工作場合固定，不便于移動，例如工廠自動化識讀設(shè)備、門禁系統(tǒng)的臺式識讀設(shè)備；便攜式，較為輕便，適合在各種工作場合下使用，例如手持終端、無線型終端、無線掌上電腦等。如工作溫度、存儲溫度、相對濕度、跌落規(guī)格、密封標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境光抗擾度等。最后介紹了本文所設(shè)計實(shí)現(xiàn)的二維條碼自動識讀終端的情況，具體情況見第 5 章。,b39。 當(dāng)采集到的圖像整體亮度過暗或過亮，使圖像灰度動態(tài)范圍過小造成圖像模糊不清，沒有灰度層次感時，可采用一個線性單值函數(shù)，對圖像灰度作線 性變換，擴(kuò)展其動態(tài)范圍，從而有效地增強(qiáng)圖像對比度，改善視覺效果。系統(tǒng)具體描述將在第 5章詳細(xì)介紹。 識讀速度 二維條碼識讀系統(tǒng)每秒鐘能夠識讀條碼的個數(shù)。 按工作距離分類，可分為：接觸式識讀系統(tǒng)，包括卡槽式條碼掃描器等；非接觸式識讀系統(tǒng)，包括 CCD/CMOS 識讀器，激光識讀器等。 條碼的解碼則是對已經(jīng)確定位置的條碼進(jìn)行幾何校正、信息提取、碼流糾錯、碼流譯碼等操作最終得到二維條碼中存儲的信息。而局部閾值法處理光照不均或背景十分復(fù)雜的圖像時效果比全局閾值法好，但計算量大且存在塊效應(yīng)，效果仍不理想。此時，如果再采用高通濾波銳化邊緣，則之前殘留的噪聲也同時被加強(qiáng)了，去噪效果不好。直方圖反映了圖像灰度分布的統(tǒng)計特征，直方圖修正就是以直方圖作為變換的依據(jù)，使變換后的直方圖成為期望的形狀，來實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。故二維條碼圖像預(yù)處理操作主要包括圖像對比度增強(qiáng)、圖像去噪和圖像二值化三步。其優(yōu)點(diǎn)是，單塊芯片就能完成數(shù)字化圖像的輸出，硬件 開銷非常少，成本低。 光學(xué)成像方式又有兩種，分別對應(yīng)不同的半導(dǎo)體傳感器：一種是面陣 CCD；另一種是 CMOS。 掃描式識讀的基本原理為：由光源發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射到條碼符號上，反射回來的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在光電轉(zhuǎn)換器上，使之產(chǎn)生電信號， 信號經(jīng)過電路放大后產(chǎn)生一模擬電壓，它與照射到條碼符號上被反射回來的光強(qiáng)成正比，再經(jīng)過濾波、整形，形成與模擬信號對應(yīng)的方波信號，經(jīng)譯碼器解釋為計算機(jī)可以識別的數(shù)字信號。 第二章二維條碼識讀技術(shù) 二維條碼識讀是通過獲取載體上的圖像信息，譯碼得到二維條碼符號承載的信息的過程。 *在軟件方面，本文所開發(fā)的二維條碼識讀終端上運(yùn)行的識讀軟件是基于上述提出的創(chuàng)新性的圖像預(yù)處理和條碼定位核心算法而自主開發(fā)的，并將針對多種不同碼制的一維條碼和二