侯阿臨， 馮 源， 焦松林， 郭云飛， 王樂樂

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012; 2.長(zhǎng)春大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021）

0 引 言

近幾年，隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，條形碼的應(yīng)用越來越廣泛。特別是在票據(jù)條碼印刷、食品藥品條碼印刷方面一維條碼越來越難以滿足要求。一維條碼由于對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)過分依賴而很難進(jìn)行深入的推廣應(yīng)用。QR碼即快速反應(yīng)的意思，來自英文“Quick Response”的縮寫[1]。QR碼比傳統(tǒng)的條碼能存儲(chǔ)更多的信息，不再需要像掃描傳統(tǒng)條碼一樣直線對(duì)準(zhǔn)掃描器。使用紅外光增強(qiáng)攝像頭取代了這方面的工作，直接對(duì)相機(jī)采集到的圖像中QR碼圖像進(jìn)行軟件識(shí)別，所以降低了對(duì)反射角度的要求。然而QR碼作為二維條碼的一種，它具有高密度、大容量糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能高效地體現(xiàn)出漢字的特點(diǎn)，因此在我國(guó)有廣泛的應(yīng)用前景[2]。在實(shí)際應(yīng)用中要對(duì)QR碼圖像進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、識(shí)別、檢測(cè)等工作，其中的過程引入一定規(guī)模的噪聲，使之應(yīng)用有了一定的限制，尤其給圖像的識(shí)別造成了一定的難度。二維條碼的識(shí)別是集機(jī)器視覺和模式識(shí)別、圖像處理技術(shù)于一體的智能系統(tǒng)，是一個(gè)重要的研究課題。我們對(duì)QR碼圖像識(shí)別的預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行深入研究，通過改進(jìn)濾波技術(shù)、增加定位塊檢測(cè)和定位校正等關(guān)鍵技術(shù)，有效提高二維條碼譯碼的實(shí)用性、可靠性。

文中以工業(yè)相機(jī)采集的QR碼圖像為例，討論QR碼的圖像處理與識(shí)別方法。

1 QR碼的圖像處理

QR碼是由日本Denso公司于1994年9月研制的一種矩陣二維條碼符號(hào)，每個(gè)QR碼符號(hào)由正方形模塊組成的一個(gè)正方形陣列構(gòu)成，由編碼區(qū)域和包括尋像圖形、定位圖形和校正圖形等功能圖形組成，其符號(hào)大小由版本決定。QR碼符號(hào)共有40種版本，分別為版本1、版本2…版本40[3]。版本l的規(guī)格為21模塊×21模塊，版本2的規(guī)格為25模塊×25模塊，依此類推，每一版本比前一版本每一邊增加4個(gè)模塊，直到版本40，其規(guī)格為177模塊×177模塊（模塊指每一個(gè)黑色或白色小正方形）[4]。

每個(gè)QR碼都是由正方形模塊組成的一個(gè)正方形陣列構(gòu)成，分為編碼區(qū)和功能區(qū)，功能區(qū)不能用于數(shù)據(jù)編碼，符號(hào)的周圍為空白區(qū)[5]。QR碼的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 QR碼結(jié)構(gòu)

1.1 QR碼圖像處理的軟件流程圖

在過去的幾年里，學(xué)者們對(duì)QR碼已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，但是在速度上的提高不是很大。文中根據(jù)QR碼圖形特點(diǎn)，結(jié)合圖像的定位方法，提出一種快速檢測(cè)QR碼的算法。

QR碼圖像處理流程主要包括圖像的尋像圖形檢測(cè)、圖像定位以及識(shí)別圖像，如圖2所示。

圖2 QR碼圖像處理流程

1.2 圖像的采集

QR碼圖像如圖3所示。

圖3 QR碼圖像

在圖像處理過程中，圖像的采集是首要的步驟。文中采用工業(yè)用單色攝像頭對(duì)QR碼圖像進(jìn)行采集，采集到QR碼圖像為二維灰度圖像，見圖3（a）。

1.3 圖像的二值化

圖像的二值化關(guān)鍵在于閾值的選取。二值化閾值方法主要有直方圖雙峰法、微分直方圖法、最大類間方差法。在文中的QR碼識(shí)別系統(tǒng)中，采集原圖像后，做出直方圖，再將直方圖經(jīng)過平滑后，呈現(xiàn)出明顯的雙峰特性[6]。這樣，使用簡(jiǎn)單的直方圖雙峰法就可以快速地確定圖像的二值化閾值，處理結(jié)果見圖3（b）。

1.4 游程編碼——形成圖形組件

游程編碼是將信源符號(hào)中的相同字符轉(zhuǎn)換成一個(gè)計(jì)數(shù)字段，再加上一個(gè)重復(fù)字符標(biāo)志。這種方法對(duì)于二值圖像最為有效，所以在這里采用游程編碼這種方法。將圖像轉(zhuǎn)化為一串串由黑白相間的像素組成的碼流，相鄰行的碼流間有關(guān)聯(lián)的碼流劃分為同一個(gè)組件，從頭掃描圖像，這樣掃描下去，有關(guān)聯(lián)即為同一組件，這樣就把整個(gè)圖像的所有組成圖形顯示出來，而且速度較快。

1.5 濾波

做QR碼圖像的直方圖，即x軸方向投影，將邊緣處投影點(diǎn)數(shù)小于整幅圖像像素點(diǎn)數(shù)1%的部分用濾波器濾除掉，以得到一幅去噪后的圖像，便于下一步定位尋像圖形。

1.6 位置探測(cè)圖形

圖形本身的特征信息有一種包含關(guān)系在里面，圖形中心小塊與整個(gè)尋像圖形之比為9∶49，將符合此特征的區(qū)域確定為尋像圖形。找到尋像圖形以后，按此規(guī)則繼續(xù)找到余下的2個(gè)尋像圖形，3個(gè)尋像圖形位置的確定就完成了整個(gè)QR碼圖像的定位，根據(jù)校正圖形和定位圖形建立取樣網(wǎng)格[7]。A點(diǎn)為左結(jié)合點(diǎn)，B點(diǎn)為右結(jié)合點(diǎn)，兩點(diǎn)間的距離一定。

位置探測(cè)圖形如圖4所示。

圖4 位置探測(cè)圖形掃描

2 QR碼的解碼

由于在QR碼符號(hào)中可能存在污損，導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤，因此在譯碼前，對(duì)得到的數(shù)據(jù)需進(jìn)行糾錯(cuò)，有了糾錯(cuò)，大大提高了QR碼的可識(shí)讀性。通常QR碼采用 Reed2 Solomon對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)。Reed2 Solomon碼是一種擴(kuò)展的非二進(jìn)制BCH碼，在伽羅華域中進(jìn)行運(yùn)算[8]。

QR碼解碼基本流程大致有以下幾個(gè)步驟:

1）識(shí)讀格式。先進(jìn)行格式的提取，再提取版本信息，最后提取識(shí)別糾錯(cuò)等級(jí)和掩模圖形。

2）去掩模。用掩模圖形對(duì)矩陣中的編碼區(qū)域進(jìn)行異或處理[9]。

3）碼字提取。從數(shù)據(jù)矩陣中，按照數(shù)據(jù)模板的排列方式，將0，1數(shù)據(jù)提取出來，得到數(shù)據(jù)碼字流和糾錯(cuò)碼字流，便于下一步進(jìn)行RS糾錯(cuò)。

4）RS糾錯(cuò)。確定符號(hào)碼字，并根據(jù)符號(hào)版本和糾錯(cuò)等級(jí)需求，將碼字序列重新按塊排列。應(yīng)用檢測(cè)和糾錯(cuò)譯碼程序，糾正替代錯(cuò)誤與拒讀錯(cuò)誤，直到規(guī)定的糾錯(cuò)容量。接著重新組配數(shù)據(jù)塊序列，恢復(fù)原始信息的位流，并將數(shù)據(jù)流分成若干塊，對(duì)每一段譯碼[10]。二進(jìn)制譯碼算法只需要找出錯(cuò)誤位置，在這里主要使用BM迭代算法，迭代過程表見表1。

表1 迭代過程表

以下舉例說明此算法。

表1中σ（i）為錯(cuò)誤位置多項(xiàng)式，di為i+1與i步之間的差值，Li為σ（i）的次數(shù)。BM算法能夠快速根據(jù)伴隨多項(xiàng)式s求出錯(cuò)誤位置多項(xiàng)式。當(dāng)位置多項(xiàng)式根為α5，α14，那么說明發(fā)生錯(cuò)誤位置為α14，α5，即錯(cuò)誤發(fā)生在x14和x5上面。

5）數(shù)據(jù)解碼:對(duì)糾錯(cuò)后的數(shù)據(jù)按照使用的模式信息進(jìn)行解碼，得出數(shù)據(jù)字符并輸出結(jié)果。

QR碼圖像識(shí)別如圖5所示。

圖5 QR碼圖像識(shí)別

3 結(jié) 語

通過對(duì)圖像的濾波、二值化、編碼等進(jìn)行圖像預(yù)處理，將游程編碼方法用于二值化的圖像，進(jìn)行QR碼圖像中組件圖形的選取，從實(shí)質(zhì)上解決了圖像處理的速度問題，也提高了圖像處理的質(zhì)量，正是由于速度的提高，使其在工程現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用成為可能，在條形碼檢測(cè)領(lǐng)域具有實(shí)用價(jià)值。

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