【正文】 (2)分段線性變換 分段線性變換是將原圖像灰度分布區(qū)間 [a, b]分隔成兩段或多段分別進(jìn)行線性變換，從而 突出用戶感興趣的目標(biāo)或灰度范圍，相對(duì)抑制用戶不感興趣的灰度范圍，使感。,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)線性單值函數(shù)，對(duì)圖像灰度作線 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。即 g (x ,y) =T [f (x ,y)] （ 31） 直接灰度變換可使圖像灰度動(dòng)態(tài)范圍加大，擴(kuò)展圖像對(duì)比度，使圖像清晰、特征更加明顯 [27]。 圖像對(duì)比度增強(qiáng) 常用的圖像對(duì)比度增強(qiáng)方法 圖像對(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方法完成 [26]。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。系統(tǒng)具體描述將在第 5章詳細(xì)介紹。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，能同時(shí)快速準(zhǔn)確地識(shí)讀 Data Matrix、 PDF41 Code39 及 Code128 等多種二維條碼和一維條碼。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)。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。 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)。 分辨率在景深范圍內(nèi)可識(shí)讀的二維條碼符號(hào)的最小模塊尺寸。 通訊接口 二維條碼識(shí)讀系統(tǒng)中的通訊接口主要用于將譯碼后的數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般有以下幾種： RS232， RS485，通用網(wǎng)絡(luò)接口， ，紅外線，藍(lán)牙等。 按設(shè)備移動(dòng)性分類，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)，例如工廠自動(dòng)化識(shí)讀設(shè)備、門禁系統(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)線型終端、無(wú)線掌上電腦等。 按工作距離分類，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。 按識(shí)讀原理分類，可分為：激光式識(shí)讀系統(tǒng)，使用時(shí)將掃描線對(duì)準(zhǔn)條碼，由光柵部件完成掃描，可識(shí)讀堆疊式二維條碼； CCD/CMOS 成像式識(shí)讀系統(tǒng)，采用 CCD/CMOS 成像方式獲取條碼圖像后進(jìn)行 圖像處理和譯碼，可識(shí)讀矩陣式和堆疊式二維條碼。所以本文就以 Data Matrix 為例，提出了相應(yīng)的定位算法，并對(duì)其解碼方法進(jìn)行了介紹，詳見(jiàn)第 4 章。 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。 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。粗定位就是在復(fù)雜的背景中，提取出大概的條碼區(qū)域?yàn)橄乱徊骄ㄎ蛔鰷?zhǔn)備；而精定位則是要找到條碼的精確位置以便于后續(xù)步驟中對(duì)條碼進(jìn)行幾何校正和譯碼。在不同的圖像中，條碼的大小，位置和方向都是不同的，加之實(shí)際應(yīng)用中圖像背景很復(fù)雜，使得精確確定條碼的位置和形態(tài)成了一件非常困難的事。 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。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。目前常用的閾值選取方法包括：大津法、最大熵法、最小錯(cuò)誤概率法、迭代閾值法和局部閾值法等，第 節(jié)將會(huì)一一予以詳細(xì)介紹。圖像二值化的關(guān)鍵是選取區(qū)分黑白像素的灰度閾值，灰度值大于等于閾值的像素為白像素，灰度值小于閾值的像素為黑像素。 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。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。圖像獲取過(guò)程中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲是不可避免的，為了提高后續(xù)條碼的識(shí)別工作的準(zhǔn)確性，在預(yù)處理階段進(jìn)行去噪處理是必要的。針對(duì)這種情況，本文提出了一種利用圖像融合的 方法對(duì)條碼圖像進(jìn)行增強(qiáng)的方案，將在第 節(jié)中詳細(xì)介紹。上述兩大類對(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。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)。根據(jù)變換函數(shù)的不同，常用的直接灰度變換方法包括：線性變換、分段線性變換和非 線性變換等。直接灰度變換可使圖像灰度動(dòng)態(tài)范圍加大，擴(kuò)展圖像對(duì)比度，使圖像清晰、特征更加明顯。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方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。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。 條碼圖像預(yù)處理 二維條碼主要通過(guò)各模塊的黑白來(lái)表示相應(yīng)信息，而攝像式獲取的二維 條碼圖像難免會(huì)出現(xiàn)對(duì)比度不高、噪聲較大、以及光照不均等問(wèn)題造成像素黑白不明產(chǎn)生誤判，尤其在工業(yè)應(yīng)用中，問(wèn)題更加嚴(yán)重。目前，國(guó)際上開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品正在逐步采用該項(xiàng)技術(shù)。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(hào)傳輸?shù)囊?。其?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)銷非常少，成本低。 CMOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)。 CCD 的優(yōu)點(diǎn)是像質(zhì)好，感光速度快，有許多高分辨率的芯片供選擇。 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。 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。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度看，攝像式技術(shù)既能采集矩陣式二維條碼圖像，也能采集堆疊式二維條碼和一維條碼圖像，采用此方式將是一個(gè)必然的趨勢(shì)。 碼字生成及譯碼部分則完成將信號(hào)整形部分輸出的方波信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制序列，按照碼制規(guī)則轉(zhuǎn)換為相應(yīng)碼字并譯碼。 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)。 掃描式識(shí)讀的基本原理為：由光源發(fā)出的光線經(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)。因?yàn)槎询B式二維條碼可視為由多行一維條碼堆疊而成，所以對(duì)于二維條碼，掃描式識(shí)讀可以也僅能用于堆疊式二維條碼的識(shí)讀。所以為了實(shí)現(xiàn)二維條碼識(shí)讀終端的通用性，本文主要研究攝像式識(shí)讀技術(shù)，對(duì)掃描式識(shí)讀方式僅進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 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。 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。 第七章對(duì)本文工作進(jìn)行總結(jié)，并給出未來(lái)工作展望。 第五章詳細(xì)介紹了基于 DSP 的嵌入式二維條碼識(shí)讀終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 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。 *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維條碼的譯碼算法整合到一起，能同時(shí)快速準(zhǔn)確地識(shí)讀 Data Matrix、 PDF41 Code39 及Code128 等多種二維條碼和一維條碼。該處理器的使用保證了數(shù)據(jù)處理的精度，大大提高了條碼識(shí)讀成功的概率。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，能同時(shí)快速準(zhǔn)確地識(shí)讀 Data Matrix、 PDF41 Code39 及 Code128 等多種二維條碼和一維條碼，其識(shí)讀速度和精準(zhǔn)度均達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和國(guó)際先進(jìn)水平。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)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文所提出的條碼精定位算法能夠準(zhǔn)確定位 Data Matrix 條碼，且計(jì)算量大大減小，克服了單純依靠 Hough 變換或 Radon 變換進(jìn)行定位時(shí)計(jì)算量過(guò)大的缺點(diǎn)。 176。 *提出了一種基于邊緣跟蹤和 Radon 變換相結(jié)合的 Data Matrix 條碼定位方法，克服了利用 Hough 變換或 Radon 變換檢測(cè)直線邊緣實(shí)現(xiàn) Data Matrix 條碼定位的方法難以在計(jì)算量和定位精度之間取得平衡的缺點(diǎn)。 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；最后經(jīng)過(guò)形態(tài)學(xué)后處理提取 Data Matrix 條碼區(qū)域。實(shí)驗(yàn)表明，這一方法能夠有效消除光照不均的影響，取得使用全局閾值法無(wú)法達(dá)到的二值化效果，同時(shí)又可以避免采用局部閾值法可能會(huì)出現(xiàn)的塊效應(yīng)，具有較好的性能和實(shí)用性，計(jì)算量的增加也是完全可以接受的。 *提出了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，解決了工業(yè)應(yīng) 用中出現(xiàn)的由于光照不均或背景過(guò)于復(fù)雜造成圖像二值化效果差而影響解碼的問(wèn)題。該規(guī)則保留了現(xiàn)有小波域圖像融合規(guī)則融合圖像清晰的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又引入了模糊推理，解決了圖像融合中的不確定性問(wèn)題，克服了現(xiàn)有規(guī)則存在的信息不完全和易受噪聲干擾的缺點(diǎn)。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。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，可以在不同環(huán)境條件下快速準(zhǔn)確地 完成 Data Matrix、 PDF41 Code39 及 Code128 等多種二維條碼和一維條碼自動(dòng)識(shí)讀任務(wù)，其識(shí)讀速度和精準(zhǔn)度均達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和國(guó)際先進(jìn)水平。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)。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 ，輔以條碼識(shí)讀所必須的幾何變換、譯碼和糾錯(cuò)等算法，形成了一套完整的二維條碼自動(dòng)識(shí)讀算法，并將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能有效完成二維條碼自動(dòng)識(shí)讀任務(wù)。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。以 Data Matrix 條碼為例，不同版本的符號(hào) (最大的 144x144 符號(hào)比 10x10大百倍 )，要用不同范圍的景深，而采用自動(dòng)對(duì)焦裝置可以實(shí)現(xiàn)可變景深，但會(huì)造成造價(jià)過(guò)于昂貴，可靠性降低。對(duì)光照不均、幾何畸變、形變、散焦模糊等狀況下的條碼圖像識(shí)讀率不高。盡管是一個(gè)圖像采集器，由于各碼制識(shí)讀方法的專用性，不能達(dá)到一種硬件多種使用的目的。盡管國(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)外的同類產(chǎn)品有很大的差距。 (l)使用專用設(shè)備，造價(jià)高 (一萬(wàn)元左右 )，且加密性受限于制造商。攝像式識(shí)讀器卻可以用于所有一維及二維條碼的識(shí)讀，但目前基于圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺(jué)的攝像式二維條碼識(shí)讀器處于發(fā)展階段，產(chǎn)品本身有很大的局限性，且被少數(shù)國(guó)外企業(yè)壟斷。 攝像式識(shí)讀器 (Image Reader)：采用攝像方式將條碼圖像攝取后進(jìn)行分析和譯碼，可閱讀一維條碼和所有類型的二維條碼，是一種高端設(shè)備。 帶光柵的激光識(shí)讀器：可以閱讀一維條碼和線性堆疊式二維條碼。 論文的主要內(nèi)容 課題的提出和意義 目前在國(guó)際上，條碼識(shí)讀設(shè)備是讀取各類條碼的主要設(shè)備，隨著二維條碼的推廣，社會(huì)對(duì)條碼識(shí)讀器的需求也越來(lái)越多，常見(jiàn)的條碼識(shí)讀器類型 [24][25]有： 線性 CCD 和線性圖像式識(shí)讀器 (Linear Imager)：可閱讀一維條碼和線性堆疊式二維條碼 (如 PDF417)，在閱讀二維條碼時(shí)候需要沿條碼的垂直方向掃過(guò)整個(gè)條碼，可稱之為“掃動(dòng)式閱讀”。表 12 給出了二維條碼與磁卡、IC 卡和射頻識(shí)別等技術(shù)的對(duì)比。其他應(yīng)用包括自動(dòng)存儲(chǔ)和補(bǔ)充、工具識(shí)別、人員監(jiān)控、包裹和行李分類、車輛監(jiān)控和貨架識(shí)別。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。射頻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不局限于視線，識(shí)別距離比光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)，射頻識(shí)別卡具有可讀寫(xiě)能力，可攜帶大量的數(shù)據(jù)，難以偽造和具有智能等。接觸式 IC 卡應(yīng)用廣泛，如公共電話卡、現(xiàn)金卡、會(huì)員卡等等。另外其抗污染和抗干擾的 能力較差，使用壽命短。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(dòng)售貨卡、會(huì)員卡、現(xiàn)金卡（如電話磁卡）等。 磁卡識(shí)別技術(shù)應(yīng)用了物理學(xué)和磁力學(xué)的基本原理。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信