【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(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(lèi)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(shí)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(lèi)，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。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。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(duì)比度增強(qiáng) 對(duì)比度增強(qiáng)是通過(guò)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(jué)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。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(shí)讀過(guò)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。 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)。 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(guò)版面分析來(lái)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(jì)光照分布來(lái)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(wèn)題。 針對(duì)上面的問(wèn)題，本文研究二維條碼識(shí)讀及應(yīng)用技術(shù)并開(kāi)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(guò)國(guó)外同類(lèi)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。二維條碼識(shí)讀器的制造長(zhǎng)期被個(gè)別國(guó)外廠(chǎng)商所壟斷。這類(lèi)產(chǎn)品比較便宜，有很好的性?xún)r(jià)比。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(chē)、動(dòng)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(chēng)為涂料），用樹(shù)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(guó)鋼管公司在各地?fù)碛胁煌N類(lèi)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(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(kāi)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。 著名的通用 CPU廠(chǎng)商 AMD和 Intel公司在其開(kāi)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(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)。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。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(lái)的擴(kuò)展。 PDF(Portable Data File)意思是“便攜數(shù)據(jù)文件”。 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。 Data Matrix 碼。有代表性的堆疊式二維條碼有： Code 16K、 Code 4 PDF417 等。同時(shí)它還具有條碼符號(hào)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(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(lài)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)。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(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)。它自 20 世紀(jì) 40 年代的美國(guó)發(fā)起， 70～ 80 年代開(kāi)始在國(guó)際上得到廣泛應(yīng)用 [2][3]。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。 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)。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。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(shū)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]。于是為了滿(mǎn)足人們的這種需求，編碼專(zhuān)家在 80 年代末發(fā)明了具有高密度、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]。 一維條碼簡(jiǎn)介 一維條碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對(duì)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(shí)讀，轉(zhuǎn)換成與計(jì)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(jiàn)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(gè)矩形空間通過(guò)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(guó)國(guó)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(gè)條碼字符都是由 4 個(gè)條和 4 個(gè)空共 17 個(gè)模塊構(gòu)成，故稱(chēng)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(guó)際先進(jìn)水平。 接下來(lái)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(lái)詳細(xì)介紹二維條碼的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。我國(guó)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(mén)、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(gè) 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(xiě)，即具有現(xiàn)場(chǎng)改變數(shù)據(jù)的 能力；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量能滿(mǎn)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(chē)票、自動(dòng)售貨卡、會(huì)員卡、現(xiàn)金卡（如電話(huà)磁卡）等。射頻識(shí)別標(biāo)簽?zāi)軌蛟谌藛T、地點(diǎn)、物品和動(dòng)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(shí)別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場(chǎng)合，由于射頻識(shí)別標(biāo)簽具有可讀寫(xiě)能力，對(duì)于需要頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場(chǎng)合尤為適用。 帶光柵的激光識(shí)讀器：可以閱讀一維條碼和線(xiàn)性堆疊式二維條碼。盡管?chē)?guó)內(nèi)也有少數(shù)幾家公司或者研究機(jī)構(gòu)也研發(fā)類(lèi)似的二維條碼的識(shí)讀設(shè)備，但是識(shí)讀設(shè)備的識(shí)讀率、識(shí)讀速 度等性能尚與國(guó)外的同類(lèi)產(chǎn)品有很大的差距。因此對(duì)二維條碼的識(shí)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(jià)值。該算法通過(guò)融合多幅條碼信息互補(bǔ)的條碼圖像來(lái)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(duì)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(duì)像素進(jìn)行分類(lèi)；最后經(jīng)過(guò)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(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)。 第三章詳細(xì)介紹二維條碼圖像預(yù)處理過(guò)程中的核心算法，包括圖像對(duì)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(cè)器即光電轉(zhuǎn)換器件組成，完成對(duì)條碼符 號(hào)的光學(xué)掃描，并通過(guò)光電探測(cè)器將條碼條空?qǐng)D案的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 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(mǎn)足圖像采集和信號(hào)傳輸?shù)囊?。一般情況下，對(duì)比度增強(qiáng)主要可以通過(guò)直接灰度變換和直方圖修正兩大類(lèi)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。上述兩大類(lèi)對(duì)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(lèi)：黑像素和白像素。 條碼定位與解碼 條碼定位是二維條碼識(shí)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(dòng)性分類(lèi)，可分為：固定式識(shí)讀系統(tǒng)，其工作場(chǎng)合固定，不便于移動(dòng)，例如工廠(chǎng)自動(dòng)化識(shí)讀設(shè)備、門(mén)禁系統(tǒng)的臺(tái)式識(shí)讀設(shè)備；便攜式，較為輕便，適合在各種工作場(chǎng)合下使用，例如手持終端、無(wú)線(xiàn)型終端、無(wú)線(xiàn)掌上電腦等。如工作溫度、存儲(chǔ)溫度、相對(duì)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(jì)實(shí)現(xiàn)的二維條碼自動(dòng)識(shí)讀終端的情況，具體情況見(jiàn)第 5 章。,b39。 當(dāng)采集到的圖像整體亮度過(guò)暗或過(guò)亮，使圖像灰度動(dòng)態(tài)范圍過(guò)小造成圖像模糊不清，沒(méi)有灰度層次感時(shí)，可采用一個(gè)線(xiàn)性單值函數(shù)，對(duì)圖像灰度作線(xiàn) 性變換，擴(kuò)展其動(dòng)態(tài)范圍，從而有效地增強(qiáng)圖像對(duì)比度，改善視覺(jué)效果。系統(tǒng)具體描述將在第 5章詳細(xì)介紹。 識(shí)讀速度 二維條碼識(shí)讀系統(tǒng)每秒鐘能夠識(shí)讀條碼的個(gè)數(shù)。 按工作距離分類(lèi)，可分為：接觸式識(shí)讀系統(tǒng)，包括卡槽式條碼掃描器等；非接觸式識(shí)讀系統(tǒng)，包括 CCD/CMOS 識(shí)讀器，激光識(shí)讀器等。 條碼的解碼則是對(duì)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(cuò)、碼流譯碼等操作最終得到二維條碼中存儲(chǔ)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(shí)效果比全局閾值法好，但計(jì)算量大且存在塊效應(yīng)，效果仍不理想。此時(shí)，如果再采用高通濾波銳化邊緣，則之前殘留的噪聲也同時(shí)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(jì)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(lái)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(duì)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(kāi)銷(xiāo)非常少，成本低。 光學(xué)成像方式又有兩種，分別對(duì)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(shí)讀的基本原理為：由光源發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)照射到條碼符號(hào)上，反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像在光電轉(zhuǎn)換器上，使之產(chǎn)生電信號(hào)， 信號(hào)經(jīng)過(guò)電路放大后產(chǎn)生一模擬電壓，它與照射到條碼符號(hào)上被反射回來(lái)的光強(qiáng)成正比，再經(jīng)過(guò)濾波、整形，形成與模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)，經(jīng)譯碼器解釋為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。 第二章二維條碼識(shí)讀技術(shù) 二維條碼識(shí)讀是通過(guò)獲取載體上的圖像信息，譯碼得到二維條碼符號(hào)承載的信息的過(guò)程。 *在軟件方面，本文所開(kāi)發(fā)的二維條碼識(shí)讀終端上運(yùn)行的識(shí)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(kāi)發(fā)的，并將針對(duì)多種不同碼制的一維條碼和二