張姍姍 邱紫欣 李 強 黃新國 鐘云飛 白永利 彭 楠

1. 湖南工業(yè)大學(xué) 包裝與材料工程學(xué)院 湖南 株洲 412007

2. 常德金鵬印務(wù)有限公司 湖南 常德 415006

二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向）上分布的、黑白相間的圖形，可記錄圖片、網(wǎng)址等各類信息數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)的不同工作流程中，如物流、制造、交通、安防、票證等行業(yè)[1-5]。隨著二維碼應(yīng)用越來越廣泛，二維碼的印刷質(zhì)量越來越受到人們的重視，國家也制定了相關(guān)的國家標準[6-7]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對二維碼印刷質(zhì)量研究主要集中在漏印、印刷位置偏移、顏色對比度不夠、印刷墨色不均等印刷缺陷的識別和檢測方法上[8-12]。鮮有進行對二維碼印刷質(zhì)量問題、印刷質(zhì)量參數(shù)及質(zhì)量等級進行定量分析，如印刷故障導(dǎo)致的二維碼灰度變化與質(zhì)量參數(shù)的定量關(guān)系，相關(guān)的國家標準也沒有給出定義[13-15]。因此，二維碼印刷質(zhì)量控制缺少參考依據(jù)，無法滿足二維碼印刷質(zhì)量標準化和數(shù)據(jù)化管理的需要。本研究依據(jù)國家標準GB/T 23704—2017《二維條碼符號印制質(zhì)量的檢驗》[6]和GB/T 18284—2000《快速響應(yīng)矩陣碼》[7]，分別對二維碼的符號反差、調(diào)制比、軸向不一致、網(wǎng)格不一致等印刷質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)[8-10]的影響因素進行研究。

1 二維碼印刷質(zhì)量參數(shù)

1.1 參考譯碼

參考譯碼是用來衡量二維碼是否可以被識別，是否可以被讀出信息的關(guān)鍵參數(shù)。一般采用碼制規(guī)范規(guī)定的參考譯碼算法分析，其結(jié)果只有可讀取與不可讀取兩種，若不能用參考譯碼算法讀取則參考譯碼等級為0，反之為4。

1.2 符號反差

符號反差是二維碼灰度圖像中的最高反射率與最低反射率之差，計算公式為

其中：SC為符號反差；

Rmax為灰度圖像的最大反射率；

Rmin為最小反射率。

符號反差是衡量二維碼圖像深淺模塊顏色差異的關(guān)鍵參數(shù)，能反映深淺模塊的反射狀態(tài)差異是否足夠明顯，若差異小將影響二維碼的讀識。

1.3 調(diào)制比

調(diào)制比是用來衡量深淺模塊的反射率一致性的參數(shù)，它受到印刷增量、承印物的光學(xué)特征以及印刷的不均勻性等因數(shù)的影響。調(diào)制比過小，就會增加深淺模塊錯誤識別的可能性。調(diào)制比的計算公式為

其中：MOD為調(diào)制比；

GT為整體閾值，一般選用最大反射率Rmax與最小反射率Rmin的平均值；

R為與整體閾值最接近模塊的反射率。

1.4 軸向不一致

二維碼的每個模塊在理想狀態(tài)下應(yīng)整齊地排列在一個正方形中，但實際印刷后總會有偏差。軸向不一致是衡量軸向尺寸即橫軸與豎軸模塊尺寸差異量的參數(shù)。采集到的二維碼圖像經(jīng)過預(yù)處理后，確定每個模塊的位置，再通過各個模塊的位置，計算相鄰模塊的平均軸向間距，并根據(jù)式（3）計算軸向不一致。

其中：AN表示軸向不一致；

XAVG和YAVG表示二維碼相鄰模塊X軸和Y軸的平均軸向間距。

1.5 網(wǎng)格不一致

網(wǎng)格不一致是衡量網(wǎng)格交叉位置偏離于理想位置的最大矢量偏差的參數(shù)。網(wǎng)格交叉位置可通過使用參考譯碼算法對給定的二值化圖像進行處理得出。對其檢測時，首先依據(jù)二維碼的版本號確定該二維碼是否具有校正圖形。若二維碼版本號為1，該二維碼不存在校正圖形，則根據(jù)位置探測圖像劃分為3個區(qū)域。若二維碼版本號大于1，則根據(jù)二維碼的校正圖形和位置探測圖形，將二維碼劃分為若干個區(qū)域。確定每個區(qū)域的實際中心位置，將其與標準版本號二維碼的校正圖形和位置探測圖形的中心位置進行比較，找出位置偏移量最大的點，計算其偏移距離d，并將d代入式（4）計算網(wǎng)格不一致。

其中：GN為網(wǎng)格不一致；

X為單個模塊尺寸。

2 實驗方案

2.1 制作二維碼測試樣本

為了滿足二維碼印刷質(zhì)量參數(shù)的分析要求，本研究設(shè)計和印制了一系列灰度變化和軸向幾何變化的二維碼測試樣本。圖1所示是灰度范圍55%～100%、間隔5%的二維碼樣本。圖2所示是邊長30 mm、縱向偏移量-10 ～10 mm、間隔2 mm的軸向明顯變形樣本。圖3所示是邊長40 mm、橫向偏移量0～1.8 mm、間隔0.2 mm的軸向細微變形樣本。

圖1 灰度變化的二維碼測試樣本Fig. 1 Samples of QR code with varying shades of color

圖2 軸向明顯變形的二維碼測試樣本Fig. 2 QR code samples with obvious axial deformation

圖3 軸向細微變形的二維碼測試樣本Fig. 3 Samples of QR code with slight axial deformation

2.2 印刷二維碼圖像的采集

首先，根據(jù)國家標準GB/T 23704—2017 《二維條碼符號印制質(zhì)量的檢驗》中對印刷二維碼圖像采集的要求[6]，搭建如圖4所示的二維碼采集平臺：在攝影箱內(nèi)壁安裝相互成90°的4個LED光源，分布于檢測區(qū)正上方的圓周上，其高度使照明光與待檢測平面成45°入射到檢測區(qū)中央，形成均勻的照亮檢測區(qū)；再在箱頂開孔放置相機，其鏡頭光軸與檢測區(qū)平面垂直并穿過檢測區(qū)中心；然后將印制的二維碼測試樣本，放入攝影箱圖像采集中心，使其所放置的區(qū)域與光照均勻區(qū)域重合，再采集二維碼圖像。

圖4 圖像采集裝置的剖面圖Fig. 4 Sectional view of image acquisition device

2.3 印刷二維碼圖像的處理分析

首先，對采集的二維碼圖像進行灰度化、去噪、二值化、區(qū)域提取和旋轉(zhuǎn)校正等處理[11-15]，然后根據(jù)國家標準計算符號反差、調(diào)制比、軸向不一致、網(wǎng)格不一致等參數(shù)，并通過譯碼程序進行參考譯碼處理，最后分析灰度變化和幾何變化對二維碼印刷質(zhì)量參數(shù)的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 參考譯碼

本研究采用符合國家標準的ZXing二維碼識別算法分析印刷二維碼的參考譯碼質(zhì)量[16]。經(jīng)檢測，若待檢測的二維碼可被識別、解碼成功，則該二維碼的符號等級為4；若解碼未能成功，則符號等級為1。本研究中設(shè)置的所有二維碼樣本均可被識別，等級都為4。

3.2 符號反差

本研究計算圖1所示不同灰度值樣本的最高反射率與最低反射率，并代入式（1）計算符號反差，再根據(jù)國家標準分級，實驗結(jié)果如表1所示。由表1可知，灰度值越大，二維碼的符號反差越大，印刷質(zhì)量也越好。當(dāng)灰度值小于75%時，二維碼的符號反差分級小于3，不滿足二維碼印刷質(zhì)量要求。當(dāng)灰度值達到80%時；二維碼的符號反差分級為3，符合二維碼印刷質(zhì)量要求。當(dāng)灰度值達到90%及以上時，二維碼的符號反差分級達到4，印刷質(zhì)量最好。

表1 符號反差結(jié)果分析Table 1 Analysis of sign contrast results

3.3 調(diào)制比

本研究采用圖1所示的二維碼樣本，計算模塊反射率R值和整體閾值GT，再代入式 （2）計算調(diào)制比，根據(jù)國家標準進行分級，實驗結(jié)果如表2所示。調(diào)制比與符號反差并無必然的聯(lián)系，符號反差大的并不意味著調(diào)制比大，反之亦然。調(diào)制比參數(shù)等級的高低與二維碼印刷均勻與否密不可分。由于本研究所采用的二維碼為同一印刷設(shè)備同時印制，故樣本均勻性相差不大，符號等級均維持在3～4級，質(zhì)量較為良好。

表2 調(diào)制比結(jié)果分析Table 2 Analysis of modulation ratio results

3.4 軸向不一致

影響軸向不一致的因素主要是印刷過程中二維碼圖像的軸向變形。本研究根據(jù)圖2所示樣本計算二維碼圖像的軸向距離，并代入式（3）計算軸向不一致，再根據(jù)國家標準進行分級，結(jié)果如表3所示。軸向伸縮量絕對值越大，軸向不一致越大，等級越低，質(zhì)量越差，反之越好。本研究中邊長為30 mm的二維碼，當(dāng)其軸向伸縮量在-2～2 mm時，等級為4，該軸向不一致表現(xiàn)優(yōu)秀。

表3 軸向不一致的結(jié)果分析Table 3 Analysis of axial inconsistency results

3.5 網(wǎng)格不一致

本研究對圖3所示二維碼樣本進行網(wǎng)格不一致分析，實驗結(jié)果如表4所示。由表可知，隨著二維碼的軸向伸縮量變大，二維碼的網(wǎng)格不一致逐漸增大，同時通過國家標準分級，得知分級的等級越低，圖像質(zhì)量越差。由此可見，二維碼的軸向變形對二維碼的軸向不一致以及網(wǎng)格不一致均有影響，將二維碼的橫向變形控制在0.8 mm以內(nèi)，其網(wǎng)格不一致的參數(shù)等級為4，質(zhì)量合格。對比軸向不一致，網(wǎng)格不一致比軸向不一致在參數(shù)等級上表現(xiàn)得更加敏感。

表4 網(wǎng)格不一致結(jié)果分析Table 4 Analysis of grid inconsistency results

4 結(jié)論

本研究首先制作了符合國家標準的印刷二維碼圖像采集平臺，并采集了一系列灰度變化和軸向幾何變化的二維碼測試圖像，建立了印刷二維碼圖像的標準化預(yù)處理流程，即灰度化、去噪、二值化處理，通過計算灰度變化和軸向幾何變化二維碼的符號反差、調(diào)制比、軸向不一致和網(wǎng)格不一致的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)，分析灰度變化和軸向幾何變化對印刷二維碼質(zhì)量的影響。實驗結(jié)果表明，當(dāng)二維碼灰度值大于90%時，符號反差等級可達到4?；叶茸兓瘜φ{(diào)制比影響較小，只要二維碼灰度一致性較好，調(diào)制比等級均維持在3～4級。軸向變形是影響軸向不一致和網(wǎng)格不一致的關(guān)鍵因素，軸向伸縮量在-2～2 mm才能保證邊長大于30 mm的二維碼軸向不一致分級達到4，軸向變形小于0.8 mm才能保證邊長大于40 mm的二維碼網(wǎng)格不一致分級達到4。本研究結(jié)果可為二維碼印刷質(zhì)量參數(shù)評價及質(zhì)量分級評價提供定量分析標準，為二維碼印刷質(zhì)量的精準控制提供參考。