二維碼識(shí)別的圖像預(yù)處理

1、河北大學(xué)工商學(xué)院2016屆學(xué)年論文（課程設(shè)計(jì)）二維碼識(shí)別的圖像預(yù)處理摘要針對目前迅速發(fā)展的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，二維碼作為此技術(shù)最底層的信息存儲(chǔ)載體之一，承載著它自己的優(yōu)勢（低成本、高存儲(chǔ)密度、超高速識(shí)讀、較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力等），將在信息識(shí)別領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文針對于二維碼識(shí)別的譯碼技術(shù)，通過深入研究其存在的不足及缺點(diǎn)，對其核心 RS 譯碼算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改善其性能。二維碼的核心技術(shù)包括二維碼圖像預(yù)處理技術(shù)，編解碼算法及糾錯(cuò)控制技術(shù)，加密技術(shù)等。本文探討了二維碼圖像的預(yù)處理技術(shù)，包括濾波去噪、邊緣檢測、定位矯正等內(nèi)容。關(guān)鍵詞 ：自動(dòng)識(shí)別技術(shù)；圖像預(yù)處理；去噪聲；邊緣檢測Qr code identif

2、ication of image p reprocessingABSTRACTWith the rapid development of sensor network technology, the two-dimensional code is one of the automatic identification technology, carrycots own advantages (low cost, high storage density, ultra-high-speed reading, strong correction capability, etc.), which w

3、ill play a pivotal role and become a new driving force of China's economic growth. This paper, with the core technology in the two-dimensional code, stud in-depth of its shortcomings and weaknesses, optimizes and improves for its core algorithmic, nonperformance. The core technology of the two-d

4、imensional code, includes the two-dimensional code image ore-processing, encoding and decoding algorithms and error correction control technology, encryption technology. This paper first discusses the two-dimensional code image teleprocessing, and finds reasonable processing algorithms, including of

5、 the filter denouncing, edge detection, orientation correction.Keywords: Automatic identification technology；processing；remove noise；boundary目錄第1章緒論11.二維碼技術(shù)研究現(xiàn)狀11.2本課題的研究意義1第2章二維碼識(shí)別技術(shù)中的圖像預(yù)處理技術(shù)22.1二維碼技術(shù)概述22.2二維碼圖像的降噪實(shí)現(xiàn)6總結(jié)9參考文獻(xiàn)10101緒論隨著我國信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)逐步成熟起來，它將成為我 們生產(chǎn)生活中不可或缺的一門重要技術(shù)。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基

6、礎(chǔ)， 能夠自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)交換的一門新興技術(shù)。它可 以實(shí)現(xiàn)與任何信息管理系統(tǒng)的連接，準(zhǔn)確高效的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、查詢、更改等 功能。二維碼識(shí)別技術(shù)作為此技術(shù)之一，其核心技術(shù)的研究發(fā)展將對自動(dòng)識(shí)別技 術(shù)起著重要作用。1.二維碼技術(shù)研究現(xiàn)狀二維碼技術(shù)是目前國內(nèi)外正在迅速發(fā)展的技術(shù)，從 1999 年日本最先出現(xiàn)的二 維碼相關(guān)技術(shù)的發(fā)展到現(xiàn)在，二維碼目前已經(jīng)廣泛的被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，極大地 改善了人們的生活，同時(shí)也促進(jìn)了社會(huì)現(xiàn)代化的發(fā)展。目前在國外尤其是日韓等 國，手機(jī)二維碼已經(jīng)發(fā)展到一定的成熟階段，而且它已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在人們生 產(chǎn)生活的各個(gè)方面1。在 2007 年，日本最大的

7、航空公司日航就已經(jīng)推廣使用了二維碼移動(dòng)票務(wù)業(yè) 務(wù)2。同時(shí)二維碼電子憑證類業(yè)務(wù)的應(yīng)用讓移動(dòng)商務(wù)切實(shí)融入到消費(fèi)者的日常生活中，大大的節(jié)省了物流費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)了物品信息的實(shí)時(shí)追蹤，不但促進(jìn)了日本移動(dòng)電子商務(wù)的發(fā)展，同時(shí)也為日本運(yùn)營商帶來了極大的利潤空間。 然而在我國，高端手機(jī)、智能手機(jī)的普及率相當(dāng)?shù)?，而且能夠拍照攝像的手 機(jī)有限且像素低，帶有微距相機(jī)的幾乎沒有，支持二維碼識(shí)別技術(shù)的手機(jī)普及率 更低，因此我國手機(jī)二維碼技術(shù)的發(fā)展仍然還有很長的一段路要走，仍有許多問 題需要解決3。1.2本課題的研究意義我國由于對于二維碼的核心技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)掌握還不是 很成熟，其應(yīng)用發(fā)展還有很長的路要走。突破二維碼的核心技

8、術(shù)將是我國技術(shù)人 員重點(diǎn)研究內(nèi)容，最終實(shí)現(xiàn)二維碼在我國各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，從而會(huì)推動(dòng)信息 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在世界技術(shù)領(lǐng)域中的發(fā)展。 2二維碼識(shí)別技術(shù)中的圖像預(yù)處理技術(shù)2.1二維碼技術(shù)概述隨著第三次世界信息化浪潮的興起，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”成為了新一代信息 技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的核心名詞2。 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)領(lǐng)域涉及廣泛，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)將作為其最底層的核心技術(shù)，起 著重要的基礎(chǔ)作用。日前我們最多應(yīng)用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要包括二維碼和射頻識(shí) 別技術(shù)兩種。因此二維碼技術(shù)作為自動(dòng)識(shí)別技術(shù)之一，也作為現(xiàn)代發(fā)展迅速的物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的底層技術(shù)之一，將對高度發(fā)展的信息化社會(huì)起著舉足輕重的作用。2.1.1二維碼技術(shù)

9、的發(fā)展從上個(gè)世紀(jì)七十年代起，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，條碼技術(shù)作為一門重要的信息 標(biāo)識(shí)和信息采集技術(shù)，在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。條碼技術(shù)是目前應(yīng)用最廣 的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)之一。隨著社會(huì)需求的不斷提高及應(yīng)用的不斷拓深，條碼技術(shù)正處于一個(gè)良好的創(chuàng)新發(fā)展時(shí)期，是商品交易、產(chǎn)品追溯、物流追蹤等領(lǐng)域的重要 信息支撐技術(shù)4。 它解決了計(jì)算機(jī)采集物品信息困難的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的準(zhǔn)確 高效識(shí)讀的功能。它實(shí)現(xiàn)了物流和信息流的同步傳輸，對當(dāng)時(shí)快速發(fā)展的社會(huì)生 產(chǎn)生活發(fā)揮了重要作用，促進(jìn)了信息技術(shù)的發(fā)展。 但是隨著現(xiàn)在高速信息化、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，一維條碼的信息存儲(chǔ)量遠(yuǎn)不 能滿足現(xiàn)在社會(huì)發(fā)展的需要。因而致力于自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的

10、科研人們通過不斷的努力，研究出了高密度、超高速識(shí)讀、強(qiáng)大存儲(chǔ)容量及抗干擾強(qiáng)的二維條碼技術(shù)。 1970 年 Interface Mechanisms 公司開發(fā)出了“二維碼”之后，二維碼技術(shù)的應(yīng) 用逐步邁向了成熟。美國的 Symbol 公司是目前世界上最大的條碼設(shè)備生產(chǎn)商，其 產(chǎn)品的銷售額占據(jù)了國際份額的一半以上4。二維碼識(shí)別技術(shù)的出現(xiàn)是整個(gè)條碼歷 史上一個(gè)重要的里程碑，它從本質(zhì)上提高了條碼技術(shù)水平，拓寬了條碼的應(yīng)用范 圍，給社會(huì)的生產(chǎn)生活帶了極大的便利。以條碼技術(shù)為核心的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)已經(jīng) 成為國際信息化建設(shè)中的重要部分，是推動(dòng)國際經(jīng)濟(jì)發(fā)展，增強(qiáng)競爭力的重要技 術(shù)手段。 對于二維條碼技術(shù)的研究我國

11、才剛剛起步，二維碼條 碼的使用在我國仍處于初步階段，未來幾年二維碼技術(shù)的應(yīng)用推廣對我國還是一個(gè)值得挑戰(zhàn)的課題。但是我們相信隨著現(xiàn)在信息化自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，二維碼技術(shù)越來越被關(guān)注，其相關(guān)的技術(shù)也會(huì)日趨成熟，將推動(dòng)信息化社會(huì)的進(jìn)步。2.1.2二維碼簡介二維碼是利用某種特定的幾何圖形按一定的分布規(guī)則在二維方向上排列的黑 白相間的圖形進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)信息5。二維條碼技術(shù)大大降低了對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的依賴，依靠條碼標(biāo)簽本身它只能表示字母和數(shù)字信息不能表達(dá) 其他信息（例如漢字、圖像等），且空間編碼的利用率低，尤其是條碼圖像遭到破 損后不能被識(shí)讀，造成信息丟失。二維碼除了表示基本的英文、漢字、數(shù)字信息 外

12、，還可以存儲(chǔ)聲音、指紋、照片及圖像等各種信息。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用在 交通運(yùn)輸、物流追蹤、商場打折優(yōu)惠、超市結(jié)賬、醫(yī)療保險(xiǎn)及政府管理等各個(gè)領(lǐng)域6。2.1.3常用二維碼介紹國際上的二維碼種類繁多，不同的二維碼都有不同的編碼規(guī)則。目前的二維條碼主要有美國 Symbol 公司開發(fā)的 Maxi Code、日本 Defensive 公司開發(fā)的一種 二維條碼QR 碼、美國 Ci Matrix 公司開發(fā)的 Data Matrix 碼以及由美國 UPS 公 司開發(fā)的 PDF417 碼等三種7。下面就QR碼、PDF417碼及Data Matrix 碼作簡要介紹。 一、QR 碼“QR”是快速響應(yīng)（Quick Respo

13、nse）的縮寫。QR 碼能存 儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)信息，包括對文字、網(wǎng)址鏈接和其他類型的數(shù)據(jù)等，同時(shí)還可以與 加密技術(shù)融合提高信息的安全性8。它除了具有一般二維碼的良好特點(diǎn)之外，還 有如下的優(yōu)點(diǎn)：超高速識(shí)讀且保密防偽性強(qiáng)；360 度全方位識(shí)讀；能夠較好地表示 日本漢字，中文漢字等信息。它采用某種特定的數(shù)據(jù)壓縮模式以此來提高漢字表 示效率及信息的存儲(chǔ)容量9。 QR 碼的信息容量：表示數(shù)字達(dá) 7,089 字；各種中英文字母 4,296 字；二進(jìn)位 數(shù)(8bit)最多 2,953 位；日文漢字最多可達(dá) 1,817 字；中文漢字最多 984 字10。 QR 碼的碼圖結(jié)構(gòu)如下圖 2.2。QR 碼呈現(xiàn)正方形，僅有

14、黑白兩種顏色。深色模塊表示二進(jìn)中的“1”，淺色模 塊表示二進(jìn)制中的“0”。在周圍 4 個(gè)角上的其中 3 個(gè)像回字的正方形圖案， 它們是進(jìn)行 QR 碼圖像進(jìn)行譯碼定位的標(biāo)志圖形，使用者無需完全對準(zhǔn)，掃描器無 論以怎樣的方位掃描此圖像，其數(shù)據(jù)信息仍可被準(zhǔn)確識(shí)讀。整個(gè) QR 碼圖像由編碼 區(qū)域和不同種類的功能圖形構(gòu)成。功能圖形包括位置探測圖形(尋像圖形)、分隔符、 定位圖形和校正圖形，它們都不用于數(shù)據(jù)編碼。 2、 Data Matrix 碼 Data Matrix 由美國國際資料公司(International Data Matrix，簡稱 ID Matrix)在 1989 年發(fā)明。Data-Mat

15、rix 二維條碼也是一種矩陣式二維碼，其主要的思想是能夠 在較小的條碼空間內(nèi)存儲(chǔ)更多的信息容量。Data Matrix 碼的尺寸可以根據(jù)所需承載 信息量的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是其區(qū)別與其他二維碼的最主要的特點(diǎn)。它的尺寸變 化范圍可以從 1.3×10 6 變化到 0.009m2 大小，是目前所有二維條碼中體積最小的 11。因而 Data Matrix 碼更加適用在小零件的標(biāo)識(shí)上，其可以直接印制在電路板的 微小零件上。下圖 2.3 為印制在機(jī)械零件上的 Data Matrix 碼標(biāo)識(shí)。Data Matrix 碼有兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)類型：ECC000-140 與 ECC200，ECC000-140

16、 標(biāo)準(zhǔn)具有四種不同等級的糾錯(cuò)能力，而 ECC200 則利用 Reed-Solomon 譯碼算法產(chǎn) 生伴隨多項(xiàng)式，計(jì)算出錯(cuò)誤位置多項(xiàng)式和錯(cuò)誤值，其尺寸大小可以根據(jù)要求印制成不同體積大小的標(biāo)簽，但采用的糾錯(cuò)碼字序列應(yīng)與其大小匹配，由于其譯碼算 法較為簡單，所以采用 ECC200 標(biāo)準(zhǔn)的 Data Matrix 碼較為常見12。 Data Matrix 碼字符號(hào)的信息編碼區(qū)由排列整齊的正方形深淺色模塊組成。數(shù)據(jù) 編碼區(qū)的周圍是位置探測圖形，探測圖形的四周則是碼的安全空白區(qū)，探測圖形 由一個(gè)模塊寬度構(gòu)成，是數(shù)據(jù)區(qū)域的邊界部分，其中的兩條鄰邊為暗實(shí)線，構(gòu)成 一個(gè) L 型的邊界線，用來限定其物理的大小尺寸

17、、矯正定位及防止符號(hào)失真。另 外的兩條鄰邊由相互交替的深色和淺色模塊構(gòu)成，主要用來限定碼圖符號(hào)的單元 結(jié)構(gòu)，也有助于確定其物理尺寸及防止圖像失真13。 三、PDF417 碼 PDF417 主要是應(yīng)用于包裹的傳遞及文件資料的標(biāo)識(shí)14。PDF417 不僅能 夠檢測信息中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，還能將破損的二維碼圖像中存儲(chǔ)的信息恢復(fù)出來，尤其當(dāng)破損率達(dá)到 35%仍能恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息。它除了有二維碼的一般特點(diǎn)外，還有 保密防偽性能好，能夠利用多項(xiàng)加密技術(shù)進(jìn)行多重防偽，譯碼可靠性能高，誤碼率不超過千萬分之一，糾錯(cuò)能力強(qiáng)及條碼形狀可變的特點(diǎn)，其可以根據(jù)載體大小 及實(shí)際需求進(jìn)行形狀的變換。2.1.4二維碼與 RFID 技

18、術(shù)比較此兩種技術(shù)目前是物聯(lián)網(wǎng)感知識(shí)別技術(shù)中最 重要的技術(shù)。無線射頻識(shí)別技術(shù)也是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，也是物聯(lián)網(wǎng)感知層最 重要的技術(shù)之一。RFID 技術(shù)的發(fā)展也越來越受到人們的關(guān)注。 總的來說，它們各自有其優(yōu)缺點(diǎn)。二維碼標(biāo)簽印制后其存儲(chǔ)的信息無法修改， 但其低成本的優(yōu)勢使其在低利潤的零售行業(yè)廣泛應(yīng)用，而射頻設(shè)別技術(shù)其存儲(chǔ)容 量較大，可以多次擦除再寫，讀寫距離遠(yuǎn)可以實(shí)現(xiàn)無線通信，但其成本較高，應(yīng)用領(lǐng)域沒有大的進(jìn)展。因此無論是現(xiàn)在還是將來這兩種技術(shù)都將長期共存，誰也取代不了誰，它們將共同推動(dòng)我國自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)將在我國的各個(gè)行業(yè)的不同領(lǐng)域共同發(fā)揮作用。2.1.5二維碼的識(shí)讀二維碼的識(shí)讀系統(tǒng)是整

19、個(gè)二維碼識(shí)別技術(shù) 的核心15，主要包括光學(xué)處理系統(tǒng)、圖像傳感器、圖像處理系統(tǒng)、及計(jì)算機(jī)技術(shù) 部分，除外還有一些外圍的接口電路、存儲(chǔ)器等。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求可靠性能高，且有高效準(zhǔn)確的識(shí)讀率。2.2二維碼圖像的降噪實(shí)現(xiàn)當(dāng)我們利用傳感器及其他識(shí)別設(shè)備在獲取圖像信息的過程中都無可避免的會(huì) 引入噪聲，數(shù)字圖像的噪聲主要來源于圖像獲取和傳輸過程中。我們知道存在的 噪聲種類很多，比如一般常見的有高斯噪聲、脈沖噪聲、均勻分布噪聲等，針對 不同的噪聲有不同的處理方法。因而對于二維碼圖像中存在的噪聲將選擇不同的 去除噪聲的方法。本文主要介紹了有利于二維圖像噪聲消除的幾種噪聲處理方法， 主要有空域?yàn)V波、頻域?yàn)V波、時(shí)域

20、濾波等。其中空域?yàn)V波經(jīng)常采用的有中值濾波、 均值濾波等，頻域?yàn)V波常見的有高斯濾波、巴特沃斯濾波等。 中值濾波： 中值濾波是順序統(tǒng)計(jì)濾波方法的一個(gè)重要分類，它是最常用的。順序統(tǒng)計(jì)濾 波器是一種非線性的空域?yàn)V波，他們的響應(yīng)取決于濾波器包圍的圖像區(qū)域中像素 點(diǎn)的排序，然后依照統(tǒng)計(jì)排序的結(jié)果來決定中心像素的值，因而濾波器在任意點(diǎn)的響應(yīng)都是由其排序方式?jīng)Q定的18。 。 從圖 2.8 可以看出，3*3窗口的中值濾波比 5*5窗口的中值濾波有較好的效果。 因而針對于不同的像素值選擇合適的中值濾波窗口，得到的濾波效果將會(huì)不同。圖 2.9 折線圖表示了不同濾波方法與誤碼率之間的關(guān)系，對于可以看出較低 的像素圖像

21、，5*5 十字形的濾波效果優(yōu)于其他的兩種方法。碼圖像的畸變矯正畸變矯正是數(shù)字圖像形態(tài)變換中的一個(gè)重要部分。二維碼圖像信息在識(shí)別掃 描的過程中很容易發(fā)生圖像的幾何畸變失真，例如旋轉(zhuǎn)、平移、縮放，相似變換 等，將導(dǎo)致圖像信息無法正確的被識(shí)讀。因而作為數(shù)字圖像處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，必然要對圖像進(jìn)行矯正定位。一般較為常見的畸變有梯形、桶形、枕形畸變等。 一般消除畸變有兩種基本的方法：一種是預(yù)畸變法，即采用與畸變方式相反 的掃描方法，來抵消預(yù)計(jì)的圖像畸變。另一種就是后校驗(yàn)矯正方法，其理論是選 擇特定的多項(xiàng)式曲線在二維方向上與每條畸變線進(jìn)行擬合，然后求出矯正函數(shù)， 再利用其實(shí)現(xiàn)圖像的矯正19。 二維碼圖像一

22、般采用 Radon 線性變換，獲得圖像的輪廓邊界信息（角度、斜 率等）。針對于二維碼圖像的梯形畸變，一般采用多項(xiàng)式矯正的方法，同時(shí)與雙線 性插值方法進(jìn)行結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)圖像的矯正定位，獲得定位準(zhǔn)確的二維碼圖像。 下圖 2.13 為漢信碼幾何矯正結(jié)果。3總結(jié)主要講解了針對于二維碼數(shù)字圖像，其預(yù)處理技術(shù)中的幾個(gè)重要步驟。 二維碼圖像作為較為簡單（只有黑、白像素）的數(shù)字圖像之一，必然會(huì)利用圖像 處理的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行二維碼信息的預(yù)處理。圖像預(yù)處理技術(shù)是二維碼感知識(shí)別技 術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，只有合適選擇相應(yīng)的圖像處理技術(shù)才能有利于更好的獲取二 維碼圖像中的數(shù)據(jù)信息。本章重點(diǎn)介紹幾種處理過程包含有：二維碼灰度圖像的 二值化算法，用于將二維碼變換成像素值只有“0”和“255”兩個(gè)像素值的二值圖像； 用于輪廓提取和特征識(shí)別的邊緣檢測技術(shù)，主要采用 Lobes 檢測算子和 Radon 變換進(jìn)行處理；還有采用中值濾波等對二維碼圖像掃描傳輸過