【正文】 與條碼有 3 點不同：一是其數據可作部分讀寫操作而條碼技術只能讀不能寫；二是相同面積上的編碼容量比一維條碼大，但比二維條碼??；三是對于物品逐一標示成本比條碼高，而且由于接觸性識讀造成靈活性差，而條碼技術屬于非接觸性識讀，靈活性好。 接觸式 IC 卡使用存儲器芯片存儲信息，存儲容量大；存儲的數據可讀寫；屬于接觸式識讀，通過電路接口讀寫信息；具有數據保密性和智能性；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（ Radio Frequency Identification,RFID）技術的基本原理是電磁理論。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。目前，最流行的應用是在交通運輸（汽車和貨箱身份驗證）、路橋收費、保安（進出控制）、自動生產和動物標簽等方面。其缺點是成本高，而且一 般不能隨意扔掉，而多數條碼掃描壽命結束時即可扔掉。作為常用的自動識別技術，這幾種技術在一定程度上具有可替代性，但由于二維條碼具有的一些顯著優(yōu)點，也使其具有較大的市場競爭力。這類產品比較便宜，有很好的性價比。閱讀二維條碼時將光線對準條碼，由光柵元件完成垂直掃描，不需要手工移動。 上述的三種識讀器被廣泛應用于條碼的識讀，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。具體表現在以下幾個方面。二維條碼識讀器的制造長期被個別國外廠商所壟斷。 (2)通用性差。 (3)識讀功能有局限性。 (4)使用不便。 針對上面的問題，本文研究二維條碼識讀及應用技術并開發(fā)出相應產品，形成一套基 于DSP 的成本低廉、適應性好、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濟效益。 主要工作和創(chuàng)新點 論文深入地研究了二維條碼技術，設計并實現了基于 DSP 的二維條碼識讀終端。此外，本文還設計并實現了一種新型的基于 DSP 的高速二維條碼識讀終端。而識讀終端的軟件設計則基于上述提出的創(chuàng)新性的圖像預處理和條碼定位算法。 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)則并設計了依據該規(guī)則進行圖像融合的圖像增強算法，解決了實際應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。由于融合規(guī)則的設計對融合效果的好壞至關重要，本文提出了一種基于模糊推理的小波域圖像融合規(guī)則。實驗結果證明，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。該方法首先利用小波分解提取條碼圖像的低頻信息估計物體表面光照的近似分布；然后用圖像函數除以得到的近似光照分布函數消除光照不均的影響；最后再用大津法計算全局閾值并實現二值化。 在條碼定位方面，本文提出了一種基于 Gabor 濾波和 BP 神經網絡的 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變換相結合的 Data Matrix條碼精定位方法： *提出了基于 Gabor 濾波和 BP 神經網絡的二維條碼區(qū)域提取方法 (GFBPNN)，解決了復雜背景下，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)學結構體難以選擇和虛警率比較高的缺點。實驗結果證明，本文提出的 GFBPNN 方法，可以很好地提取出復雜背景下的 Data Matrix 條碼區(qū)域，且具有旋轉不變性和尺度不變性，比前述通過版面分析提取條碼區(qū)域的方法具有更高的準確性和魯棒性。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。 的角度范圍內進行 Radon 變換即可完成條碼精定位，可大大減小計算量。 本文創(chuàng)新性地設計并實現了一種新型的基于 DSP 的高速二維條碼識讀終端。而識讀終端的軟件設計則基于上述提出的創(chuàng)新性的圖像預處理和條碼定位算法。 *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。同時由于浮點 DSP 進行浮點運算時的速度優(yōu)勢，系統(tǒng)所需要的芯片主頻大大降低，降低了輔助電路設計生產的難度，減小了硬件開銷，也削減了成本。 論文的內容安排 第二章概括介紹二維條碼識讀技術。 第四章以 Data Matrix 為例詳細介紹條碼區(qū)域提取即粗定位和精定位等條碼定位過程中的核心算法以及條碼的幾何校正和譯碼過程，包括條碼幾何校正、條碼映射數據區(qū)的二進制位圖生成、碼流提取、碼流糾錯和碼流譯碼。 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果及與國外同類產品的性能比較。 本章小結 本章介紹了條碼技術、二維條碼與一維條碼的區(qū)別、典型的二維條碼碼制，二維條碼與其它自動識別技術的比較以及二維條碼的發(fā)展狀況；闡述了課題的提出和意義，進而提出了一套成本低廉、適應性好、性能良好的二維條碼識讀算法及相應的識讀系統(tǒng)，該系統(tǒng)將攝像頭采集的條碼圖像通過所提出的二維條碼識讀算法進行識讀，可以在不同環(huán)境條件下快速準確地完成 Data Matrix、 PDF41 Code39 及 Code128 等多種二維條碼和一維條碼自動識讀任務，其識讀速度和精準度均達到國內領先和國際先進水平。識讀過程可分為圖像采集、圖像預處理、條碼定位及解碼等幾個主要步驟。堆疊式二維條碼可以采用掃描式和攝像式兩種方式進行識讀；而矩陣式二維條碼由于其基本單元為模塊（正方形、圓形、六邊形等），只能采用攝像式識讀方法 進行識讀。 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。掃描式識讀器逐行對堆疊式二維條碼掃描，將獲得的各行信息組合起來，完成堆疊式二維條碼的圖像采集。其基本構成如圖 21 所 示。 信號整形部分由信號放大、濾波、波形整形組成，它的功能在于將條碼的光電掃描信號處理成為標準電位的方波信號，其高低電平的寬度和條碼符號的條空尺寸相對應。 攝像式圖像采集 攝像式識讀方式是通過光學透鏡將條碼成像在半導體傳感器上，再通過模 /數轉換或直接數字化得到數字圖像并輸出，經后續(xù)圖像處理操作，包括預處理、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。所以本文主要研究攝像式識讀器，后面所介紹的所有識讀技術均針對攝像式識讀方式。攝像式圖像采集的應用中絕大多數采用技術較為成熟的 CCD，少數采用了 CMOS 器件。其基本原理是利用光學鏡頭成像，將圖像信息轉化為時序光電信號，實現 A/D 轉換為數字信號。但其信號特性是模擬輸出，必須加入模數轉換電路，加上 CCD 本身要用時序和放大電路來驅動，所以硬件開銷很大，電路復雜，成本很高，且價格下降的空間已經很小。與 CCD 一樣，是一種光電耦合器件，但其時序電路和 A/D 轉換是集成在芯片上的，無需輔助電路實現。缺點是像質一般（感光像素間的漏電流比較大），感光速度較慢。近年來 CMOS 技術發(fā)展很快，圖像質量與分辨率都有非常大的提高，并且性價比越來越高。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。為了解決上述問題，需要采用一些數字圖像處理的手段如對比度增強、圖像去噪、消除光照影響并二值化等對條碼圖像進行預處理以將這些問題對條碼識讀帶來的嚴重影響降到最小。 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的應用環(huán)境。 直接灰度變換是一種點操作，根據原始圖像中每個像素的灰度值，按照某種映射規(guī)則，將其轉化為另一灰度值，來達到圖像增強的目的。其關鍵是根據增強要求設計映射規(guī)則或稱變換函數。 直方圖修正方法是以概率論為基礎的圖像增強方法。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。但如遇到環(huán)境極其惡劣，造成局部對比度極低，使得原本黑白分明的像素在圖像上無法分辨甚至毫無差別時，這兩類方法就無能為力了。 圖像去噪 圖像去噪，顧名思義，就是去除圖像中的噪聲。噪聲多體現為高頻干擾，因此為了抑制噪聲，最簡單的便是選用線性低通濾波，但由于邊緣輪廓中同樣含有大量高頻信息，所以在低通濾波濾除噪聲的同時，也必然使邊界變模糊。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。二維條碼是通過各模塊的黑白來分別代表“ 1”“ 0”信息的，要正確識讀二維條碼就必須正確區(qū)分像素的黑白，因此能否正確地將圖像二值化，直接影響到識讀正確與否。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。 但大津法、最大熵法、最小錯誤概率法和迭代閾值法都屬于全局閾值法，使用單一閾值對整幅圖像進行二值化，對于光照不均或背景十分復雜的圖像效果不好。故本文提出基于小波分解和大津法結合的圖像二值化方法，具體將在第 節(jié)詳細介紹。簡單說來，條碼定位就是要在包含條碼的圖像中，準確找到二維條碼的位置。二維條碼定位分為兩步：粗定位和精定位。由于各種不同碼制的二維條碼符號有 著不同的形狀特征，具有各自不同的尋像圖形和定位圖形，所以具體的條碼定位方法也是隨著碼制的不同而不同的。上述的操作只是一個通用的流程，具體的實現是與各種二維條碼的編碼規(guī)則密切相關的，不同碼制的二維條碼有不同的解碼方法。而 Data Matrix 條碼是一種很具有代表性的二維條碼，其最大特點就是“小”，信息容量大、密度高，被廣泛用于標示集成電路、藥品 等小件物品，在制造業(yè)的流水線生產過程中應用也很普遍，但在國內的研究和應用還比較少。 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、設備功能、設備移動性等方面分類。 按工作方式分類，可分為：在線式識讀系統(tǒng)，主要由光電掃描頭、光電轉換器和譯碼器組成，需要與計算機即時通信，通過串口、并口或 USB 等接口將掃描后的信息傳回計算機，不能脫離計算機使用；嵌入式識讀系統(tǒng)，以嵌入式微處理器為核心，具有數據存儲、信息處理、通信傳輸等功能，可以脫離計算機進行條碼掃描、識讀、信息的采集和處理，可編程。 按設備功能分類，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備；數據采集器，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備。 二維條碼識讀系統(tǒng)的主要技術指標 二維條碼識讀系統(tǒng)的主要技術指標包括： 可識讀的碼制 通常二維條碼識讀系統(tǒng)的識讀碼制包括 Code3 Code128 等一維條碼和 PDF41 Data Matrix 等二維條碼。 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備的光學系統(tǒng)有關。首讀率 識讀系統(tǒng)對一組條碼進行一次性識讀，其中能夠正確識讀的概率。 其他技術指標 其他技術指標涉及識讀系統(tǒng)的工作環(huán)境、安裝要求等方面的參數。 本文所設計實現的二維條碼識讀系統(tǒng) 本文創(chuàng)新性地設計并實現了一種新型的基于 DSP 的高速二維條碼識讀終端。而識讀終端的軟件設計則基于本文所提出的創(chuàng)新性的圖像預處理和條碼定位算法。其最大圖像分辨率為 752*480，配備 RS232 接口與計算機通信，景深為 5~15cm，最小可分辯模塊寬度可達 3mil，識讀速度可達每秒 10 次以上，最高可達每秒 60 次，首讀率在 98%以上，達到了國內領先和國際先進水平。 本章小結 本章概要介紹了二維條碼識讀技術，包括二維條碼圖像的采集技術、條碼圖像預處理技術、條碼定位與解碼技術等，并簡要介紹了 二維條碼識讀系統(tǒng)的分類和主要技術指標。 第三章 二維條碼圖像預處理 二維條碼圖像預處理操作主要包括圖像對比度增強、圖像去噪和圖像二值化三步。 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 f (x, y)經過一個變換函數 g =T[ f]轉換為一個新的灰度函數 g (x, y)。根據變換函數的形式，灰度變換可分為： (1) 線性變換。 假設原圖像灰度函數為 f (x, y)，灰度分布范圍為 [a ,b]，增強后的圖像灰度函數為 g (x, y)，灰度范圍為 [a 39。]，則 （ 32） 圖 31 為線性變換示意圖，圖 32 則為變換前后對比圖