【正文】 ..........131 第一章緒論 條碼技術(shù)是在計(jì)算機(jī)應(yīng)用實(shí)踐中形成的一種集編碼、印刷、識(shí)別、數(shù)據(jù)采集和處理于一體的新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù) [1]。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 關(guān)鍵詞：二維條碼、條碼識(shí)讀、 Data Matrix、 DSP 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本 人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。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。除了上述兩方面識(shí)讀算法的創(chuàng)新外，論文還設(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。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(wèn)題；其二，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。論文工作深入地研究了二維條碼識(shí)讀技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于 DSP 的二維條碼識(shí)讀終端。 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)。近年來(lái)，二維條碼識(shí)別技術(shù)與射頻識(shí)別（ RFID）等自動(dòng)識(shí)別技術(shù)一樣，在國(guó)防、海關(guān)、稅務(wù)、公共安全、交通運(yùn)輸、郵政、醫(yī)療等許多領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用。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)。論文在條碼定位方面的創(chuàng)新也有兩點(diǎn)：其一，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；其二，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條碼定位難以在計(jì)算量和定位精度之間取得平衡的缺點(diǎn)。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。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，論文工作研制的二維條碼識(shí)讀終端能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)讀生產(chǎn)線上的 Data Matrix、 PDF417 等二維條碼以及 Code3 Code128 等一維條碼，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。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(guò)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(guò)的材料。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。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]。在當(dāng)代社會(huì)，條碼技術(shù)已經(jīng)深入人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫⑴c EDI 和集裝箱技術(shù)共同 成為國(guó)際貿(mào)易的三大標(biāo)準(zhǔn)貿(mào)易方式 [5]。 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]。但是，隨著現(xiàn)代的發(fā)展和高新技術(shù)的進(jìn)步，信息量出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，人們迫切需 要用條碼在有限的幾何空間內(nèi)表示更多的信息來(lái)滿(mǎn)足千變?nèi)f化的信息需要。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)。 條碼技 術(shù)介紹 條碼分為一維條碼和二維條碼。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(lài)數(shù)據(jù)庫(kù)的存在。另外，一維條碼表示漢字和圖像信息幾乎是不可能的，在很多場(chǎng)合的應(yīng)用效率很低。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]。一維條碼只在一個(gè)方向上表達(dá)信息，一般是在水平方向，垂直方向的高度通常是為了便于閱讀器的對(duì)準(zhǔn)。因此，普通的一維條碼在使用過(guò)程中僅作為識(shí)別信息，它的意義是通過(guò)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(lài)。目前，國(guó)際廣泛使用的條碼種類(lèi)有 EAN、 UPC 碼 (商品條碼，用于在世界 范圍內(nèi)唯一標(biāo)識(shí)一種商品，我們?cè)诔兄凶畛Ｒ?jiàn)的就是這種條碼 )、 Code39 碼、Code128 碼、 Code93 碼、交叉 25 碼 (在物流管理中應(yīng)用較多 )、 Codebar 碼 (多用于醫(yī)療、圖書(shū)領(lǐng)域 )等。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)。 二維條碼簡(jiǎn)介及與一維條碼的區(qū)別 二維條碼技術(shù)的研究是近些年來(lái)興起的，它的興起主要是解決傳統(tǒng)一維條碼信息容量低，糾錯(cuò)能力弱，在很多情況下使用受限的缺點(diǎn) [12]。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。二維條碼可加密，具有很高的保密性，且糾錯(cuò)能力很強(qiáng)，當(dāng)糾錯(cuò)等級(jí)提高時(shí)污損 50%依然可以完整讀出信息。同時(shí)它還具有條碼符號(hào)形狀、大小可變的特點(diǎn)。二維條碼作為一種全新的自動(dòng)識(shí)別和信息載體技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)性和可靠性正被越來(lái)越多的人們所了解和認(rèn)知。 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。它在編碼設(shè)計(jì)、校驗(yàn)原理、識(shí)讀方式等方面繼承了一維條碼的一些特點(diǎn)，識(shí)讀設(shè)備與條碼印刷與一維條碼技術(shù)兼容。有代表性的堆疊式二維條碼有： Code 16K、 Code 4 PDF417 等。在矩陣相應(yīng)元素位置上，用點(diǎn)（方點(diǎn)、圓點(diǎn)或其他形狀）的出現(xiàn)表示二進(jìn)制“ 1”，點(diǎn)的不出現(xiàn)表示二進(jìn)制的“ 0” ，點(diǎn)的排列組合確定了矩陣式二維條碼所代表的意義 [1823]。具有代表性的矩陣式二維條碼有： Data Matrix、 Maxi Code、 QR Code、漢信碼等。下面將分別予以簡(jiǎn)略介紹。 Data Matrix 碼。 Data Matrix 條碼有兩種類(lèi)型即 ECC000140 和 ECC200?，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(shuō)明外，Data Matrix 碼均特指 ECC200 碼。 Maxi Code 最初又稱(chēng)為 UPS Code，是一種有美國(guó) UPS 快遞公司專(zhuān)門(mén)為郵件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用二維條碼，后由美國(guó)自動(dòng)識(shí)別協(xié)會(huì)制定了統(tǒng)一的符號(hào)規(guī)格，正式稱(chēng)為Maxi Code，也稱(chēng) USSMaxi Code(Uniform SymbologySpecificationMaxi Code)。 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。 QR Code 是由日本 Denso 公司研制的一種矩陣式二維條碼，它除了具有信息量大、可靠性高、可表示圖像及多種文字信息、保密防偽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有能高速全方位識(shí)讀、能有效表示漢字等主要特點(diǎn)。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。 PDF417 碼。 PDF(Portable Data File)意思是“便攜數(shù)據(jù)文件”。 PDF417 碼是一種多層、可變長(zhǎng)度、具有高容量和錯(cuò)誤糾錯(cuò)能力的堆疊式二維條碼。其最小行數(shù)為 3，最大行數(shù)為 90。 漢信碼。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。每個(gè)漢信碼符號(hào)是由正方形模塊組成的一個(gè)正方形陣列構(gòu)成，包括信息編碼區(qū)和功能圖形區(qū)，其中功能圖形區(qū)包括尋像圖形、尋像圖形分隔區(qū)與校正圖形。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(mén)對(duì)各類(lèi)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(mén)對(duì)各類(lèi)報(bào)表和票據(jù)的管理，商業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)炔块T(mén)對(duì)商品及貨物運(yùn)輸?shù)墓芾?，郵政部門(mén)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。目前，二維條碼技術(shù)已在我國(guó)的汽車(chē)行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、醫(yī)療急救服務(wù)卡、涉外專(zhuān)利案件收費(fèi)、珠寶玉石飾品管理、高速公路收費(fèi)管理及銀行匯票上得到了應(yīng)用。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。 二維條碼的標(biāo)準(zhǔn)化 二維條碼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)兩大方面。 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。系統(tǒng)一致性方面的標(biāo)準(zhǔn)已完成二維條碼符號(hào)印制質(zhì)量的檢驗(yàn)（ ISO/IEC 15415）、二維條碼識(shí)讀器測(cè)試規(guī)范 （ ISO/IEC 154262）。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)。中國(guó)物品編碼中心已于 20xx 年 3 月制定完成了二維條碼標(biāo)準(zhǔn)體系，給出了我國(guó)二維條碼標(biāo)準(zhǔn)體系的總體框架，以作為規(guī)劃、計(jì)劃我國(guó)二維條碼技術(shù)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和依據(jù)，并隨著我國(guó)二維條碼技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展對(duì)其進(jìn)行 不斷的更新和充實(shí)。 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?xún)?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。這一切都使得 Data Matrix 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛 [22]。 著名的通用 CPU廠商 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。 德津豐根、仙童、摩托羅拉、德州儀器等一些著名的芯片公司采用 DataMatrix 條碼標(biāo)識(shí)其芯片信息。 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)。 Data Matrix 二維條碼作為一種全新的二維條碼技術(shù)在我國(guó)還處于研究和推廣狀態(tài)，各種相關(guān)配套設(shè)施都還沒(méi)有到位，目前的應(yīng)用范圍還很狹隘，僅限于在少數(shù)電子、汽車(chē)等行業(yè)的企 業(yè)流水線中使用。 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。TCIF(美國(guó)電信工業(yè)論壇 )將 PDF417 條碼作為重要電訊產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)。 身 份識(shí)別方面的應(yīng)用。美國(guó)亞利桑那州等二十多個(gè)州的駕駛證、美國(guó)軍人證、軍人醫(yī)療證等幾年前就已采用了 PDF417 技術(shù)。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)。 AIAG/ODETTE(北美和歐洲汽車(chē)組織 )將 PDF417 條碼選定為EDI(電子數(shù)據(jù)交換 )標(biāo)準(zhǔn)。 文件和表格應(yīng)用。墨西哥也將 PDF417 條碼應(yīng)用在報(bào)關(guān)單據(jù)與證件上，從而防止仿造及犯罪。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)。當(dāng)管子移走或安裝時(shí)，操作員掃描條碼標(biāo)簽，數(shù)據(jù)庫(kù)信息得到及時(shí)更新。 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(pán)，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)。除了條碼技術(shù)以外，常用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)還包括：磁卡識(shí)別技術(shù)、接觸式 IC 卡識(shí)別技術(shù)及射頻識(shí)別技術(shù)等等。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。磁卡識(shí)別技術(shù)是接觸式識(shí)讀，它