二维条码识读技术及其应用研究毕业.doc

二维条码识读技术及其应用研究中文摘要二维条码具有密度高、信息量大、可靠性高、纠错能力强、可表示多种信息、保密防伪性好、使用成本低廉等诸多优点。近年来，二维条码识别技术与射频识别（RFID）等自动识别技术一样，在国防、海关、税务、公共安全、交通运输、邮政、医疗等许多领域获得了非常广泛的应用。论文工作深入地研究了二维条码识读技术，设计并实现了基于DSP的二维条码识读终端。论文，针对Data Matrix等二维条码识读中的图像预处理及条码定位等关键技术，提出了多个核心算法，又辅以条码识读必须的几何变换、译码和纠错等算法，形成了一套完整的二维条码识读算法，并将其应用于产品设计。论文在条码图像预处理方面的创新性工作包括：其一，提出了一种基于模糊推理的小波域图像融合规则并设计了依据该规则进行图像融合的图像增强算法，解决了实际应用中因条码图像中的某些局部的对比度极低而难以正确解码的问题；其二，提出了一种先用小波分析估计光照分布来消除光照不均的影响再用大津法进行二值化的方法，解决了工业应用中出现的由于光照不均或背景过于复杂造成图像二值化效果差而影响解码的问题。论文在条码定位方面的创新也有两点：其一，提出了基于Gabor滤波和BP神经网络的二维条码区域提取方法(GF-BPNN)，解决了复杂背景下，完整准确地提取条码区域的难题；其二，提出了一种基于边缘跟踪和Radon变换相结合的Data Matrix条码定位方法，克服了利用Hough变换或Radon变换检测直线边缘实现Data Matrix条码定位难以在计算量和定位精度之间取得平衡的缺点。除了上述两方面识读算法的创新外，论文还设计并实现了一种新型的基于DSP的高速二维条码识读终端。该终端的硬件平台包括以高性能浮点DSPTMS320C6713为核心的数据处理子系统和以FPGA为控制中心的图像采集子系统，而其软件设计则基于上述创新性的条码图像预处理和条码定位算法。创新的识读算法与独自设计的硬件平台共同构成了具有自主知识产权的二维条码识读终端。工业生产现场应用实验表明，论文工作研制的二维条码识读终端能够快速准确地识读生产线上的Data Matrix、PDF417等二维条码以及Code39、Code128等一维条码，识读速度和精准度均达到国内领先和国际先进水平。关键词：二维条码、条码识读、Data Matrix、DSP毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目录第一章绪论.11.1条码技术介绍.11.1.1一维条码简介.21.1.2二维条码简介及与一维条码的区别.31.2典型的二维条码码制.41.3二维条码技术的发展和应用现状.71.3.1二维条码的标准化.71.3.2 Data Matrix的发展和应用.81.3.3 PDF417的发展和应用.91.4二维条码技术与其它自动识别技术的比较.101.5论文的主要内容.121.5.1课题的提出和意义.121.5.2主要工作和创新点.131.5.3论文的内容安排.151.6本章小结.15第二章二维条码识读技术.172.1二维条码图像采集.172.1.1扫描式图像采集.172.1.2摄像式图像采集.182.2条码图像预处理.192.2.1对比度增强.192.2.2图像去噪.202.2.3图像二值化.202.3条码定位与解码.202.4二维条码识读系统.212.4.1二维条码识读系统分类.212.4.2二维条码识读系统的主要技术指标.22-2.4.3本文所设计实现的二维条码识读系统.222.5本章小结.23第三章二维条码图像预处理.253.1图像对比度增强.253.1.1常用的图像对比度增强方法.253.1.2基于图像融合的条码图像对比度增强.303.2图像去噪.383.3图像二值化.393.3.1常用的图像二值化方法.393.3.2基于小波分解和大津法的图像二值化方法.423.4本章小结.49第四章 Data Matrix条码定位与解码.514.1 Data Matrix条码符号简介.514.2 Data Matrix条码区域提取.534.2.1现有条码区域提取方法.534.2.2基于Gabor滤波和BP神经网络的条码区域提取方法.544.3 Data Matrix条码精定位.614.3.1边缘检测.624.3.2边缘跟踪和角点检测.634.3.3 Radon变换及顶点坐标计算.664.3.4实验结果.684.4条码图像几何校正.694.4.1生成坐标变换矩阵.694.4.2图像校正.724.5 Data Matrix条码译码.744.5.1生成映射数据区的二进制位图.744.5.2提取码流.774.5.3码流纠错.814.5.4码流译码.884.6本章小结.89第五章 基于DSP的嵌入式二维条码识读终端的设计与实现.915.1终端概述.91-5.2终端硬件系统设计.935.2.1 TMS320C6713简介.945.2.2硬件主要模块设计及实现.965.3终端软件系统设计.1065.3.1图像预处理.1085.3.2条码区域提取.1085.3.3条码精定位.1095.3.4条码解码.1095.4本章小结.109第六章 实验结果.1116.1实验环境及方法.1116.2识读性能及与国外同类产品的比较.1126.3本章小结.115第七章 总结和展望.1177.1论文工作总结.1177.2未来工作展望.119参考文献.121发表论文和科研情况说明.127致谢.131第一章绪论条码技术是在计算机应用实践中形成的一种集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一体的新兴的自动识别技术1。它自20世纪40年代的美国发起，7080年代开始在国际上得到广泛应用23。因其具有输入速度快、准确度高、可靠性强等优点，条码技术己被广泛地应用在商业流通、仓储、医疗卫生、图书情报、邮政、铁路、交通运输、生产自动化管理等领域，在当今的自动识别技术中占有重要的地位4。在当代社会，条码技术已经深入人们日常生活的方方面面，并与EDI和集装箱技术共同成为国际贸易的三大标准贸易方式5。我国于70年代末到80年代初开始研究，并在部分行业完善了条码管理系统，如邮电、银行、图书馆、交通运输及各大企事业单位等。1988年我国成立了“中国物品编码中心”，并于1991年4月19日正式申请加入了国际编码组织EAN协会6。近年来，我国的条码事业发展迅速，条码技术在商品零售、物品追踪、控制库存、记录时间和出勤、监视生产过程、质量控制、检进检出、分类、订单输入等方面已得到了广泛的应用78。但是，随着现代的发展和高新技术的进步，信息量出现爆炸式增长，人们迫切需要用条码在有限的几何空间内表示更多的信息来满足千变万化的信息需要。我们日常见到的印刷在商品包装上的条码是普通的一维条码，这些一维条码由于受到信息容量的限制和使用时对数据库的依赖，在某些场合使用十分不方便，而且效率很低。因此人们迫切希望发明一种新的条码，除具有普通条码的优点外，同时具有信息容量大、可靠性高、保密防伪性强、易于制作、成本低等优点。于是为了满足人们的这种需求，编码专家在80年代末发明了具有高密度、大容量、可靠性高、纠错能力和安全防伪性强等特点的二维条码，拓宽了条码的应用领域5。1.1条码技术介绍条码分为一维条码和二维条码。一维条码是指通常所说的传统条码，包括39码、ITF码、EAN码和UPC码等。由于受信息容量的限制，一维条码只能充当物品的代码，而不能含有更多的物品信息，所以一维条码的应用不得不依赖数据库的存在。在没有数据库和网络的情况下，一维条码的应用受到了很大的限制有时甚至变得毫无意义。另外，一维条码表示汉字和图像信息几乎是不可能的，在很多场合的应用效率很低。为了解决传统条码所存在的问题，出现了二维条码技术，并且得到了广泛的应用，国内不少公司也纷纷推广自己研制的二维码，为二维码的发展起到了重要的促进作用。二维条码除具有一维条码的优点以外，还具有密度高、信息量大、可靠性高、可表示各种文字和图像、保密防伪性强、使用成本低廉等优点910。1.1.1一维条码简介一维条码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记，这些条和空组成的数据表达一定的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信息11。一维条码只在一个方向上表达信息，一般是在水平方向，垂直方向的高度通常是为了便于阅读器的对准。通常对于每一种物品，它的编码是唯一的，对于普通的一维条码来说，还要通过数据库建立条码与商品信息的对应关系，当条码的数据传到计算机上时，由计算机上的应用程序对数据进行操作和处理。因此，普通的一维条码在使用过程中仅作为识别信息，它的意义是通过在计算机系统的数据库中提取相应的信息而实现的，由此，它对网络资源和后台数据库表现出很强的依赖。世界上约有225种以上的一维条码，每种一维条码都有自己的一套编码规格，规定每个字母(可能是文字或数字或文数字)是由几个线条(Bar)及几个空白(Space)组成，以及字母的排列。目前，国际广泛使用的条码种类有EAN、UPC码(商品条码，用于在世界范围内唯一标识一种商品，我们在超市中最常见的就是这种条码)、Code39码、Code128码、Code93码、交叉25码(在物流管理中应用较多)、Codebar码(多用于医疗、图书领域)等。其中，EAN码是当今世界上广为使用的商品条码，已成为电子数据交换(EDI)的基础；UPC码主要为美国和加拿大使用；在血库、图书馆和照像馆的业务中，Codebar码被广泛使用；Code39码和Code128码为国内企业自定义码制，可以根据需要确定条码的长度和信息，主要应用于工业生产线领域、图书管理等；Code93码与Code39码类似但密度较大，可用来替代Code39码。一维条码的应用可以提高信息录入的速度，减少差错率，但同时也具有数据容量小、只能表达字母和数字、空间利用率较低、依赖相关数据库、保密性能不高、污损后可读性差等缺点。图1-1给出了几种常见的一维码。1.1.2二维条码简介及与一维条码的区别二维条码技术的研究是近些年来兴起的，它的兴起主要是解决传统一维条码信息容量低，纠错能力弱，在很多情况下使用受限的缺点12。二维条码是在二维空间上由具有特殊结构的几何图形元素按一定规律和顺序组合成的图形，巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息13。它在水平和垂直方向上存储信息，是一种高密度编码，比普通一维条码信息容量高几十倍以上。二维条码的编码范围非常广泛，它不仅可以像一维条码那样保存英文、数字等符号信息，还可以保存中文、图片、声音、指纹、签字等多种数据类型14。二维条码可加密，具有很高的保密性，且纠错能力很强，当纠错等级提高时污损50%依然可以完整读出信息。二维条码可以用扫描仪扫描或用摄像头直接读取，无需像一维条码那样需要后台数据库支持，使用起来十分方便。同时它还具有条码符号形状、大小可变的特点。表1-1给出了二维条码与一维条码的比较。二维条码作为一种全新的自动识别和信息载体技术，其经济性和可靠性正被越来越多的人们所了解和认知。目前，国外先进发达国家已将此项技术广泛应用于国防、海关、税务、公共安全、交通运输等信息自动携带、传递、防伪领域15-17。1.2典型的二维条码码制二维条码可以分为堆叠式二维条码和矩阵式二维条码。1.堆叠式二维条码堆叠式二维条码形态上是由多行短截的一维条码堆叠而成，其编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要将一维条码堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。有代表性的堆叠式二维条码有：Code 16K、Code 49、PDF417等。2.矩阵式二维码矩阵式二维条码是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表的意义18-23。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维条码有：Data Matrix、Maxi Code、QR Code、汉信码等。图1-2给出了几种常见的二维条码。下面将分别予以简略介绍。(a)PDF417(b)MAXI CODE(c)QR Code(d)Data Matrix(e)汉信码等。1、Data Matrix码。Data Matrix码是一种矩阵式二维条码，由美国国际资料公司的Dennis Priddy和Robert S.Cymbalski发明，其发展的构想是希望在较小的条码标签上存入更多的资料量。Data Matrix条码有两种类型即ECC000-140和ECC200。ECC000-140具有几种不同等级的卷积错误纠正功能，而ECC200则通过Reed-Solomon算法利用生成多项式计算错误纠正码，不同尺寸的ECC200符号应用不同数量的错误纠正码。现在的Data Matrix码主要以对ECC200码的研究与应用为主，ECC000-140的应用很少，所以本文中，除特殊说明外，Data Matrix码均特指ECC200码。2、Maxi Code码。Maxi Code最初又称为UPS Code，是一种有美国UPS快递公司专门为邮件系统设计的专用二维条码，后由美国自动识别协会制定了统一的符号规格，正式称为Maxi Code，也称USS-Maxi Code(Uniform SymbologySpecification-Maxi Code)。Maxi Code条码是一种固定尺寸、具有高容量和纠错能力的矩阵式二维条码，共有7种模式（包括两种作废模式），可表示全部ASCII字符和扩展ASCII字符。Maxi Code符号由紧密相连的多行六边形模块和位于符号中央位置的定位图形（三个黑色同心圆）组成，每个符号由884个六边形模块组成，分33层围绕着中央定位图形，每一层最多包含30个模块。3、QR Code。QR Code是由日本Denso公司研制的一种矩阵式二维条码，它除了具有信息量大、可靠性高、可表示图像及多种文字信息、保密防伪性强等优点外，还具有能高速全方位识读、能有效表示汉字等主要特点。每个QR码符号由名义上的正方形模块构成，组成一个正方形阵列。它由编码区和包括寻像图形、分隔符、定位图形和校正图形在内的功能图形组成。符号四周有空白区包围。4、PDF417码。PDF417码是由美国Symbol Technologies公司的美籍华人王寅君博士发明的。PDF(Portable Data File)意思是“便携数据文件”。因为组成条码的每一个条码字符都是由4个条和4个空共17个模块构成，故称为PDF417码。PDF417码是一种多层、可变长度、具有高容量和错误纠错能力的堆叠式二维条码。其条码符号是一个多行结构，符号的四周为空白区，上下空白区之间为多行结构，每行数据符号字符数相同，行与行左右对齐直接衔接。其最小行数为3，最大行数为90。每一个PDF417符号可以表示高达1108个字节、或1850个ASCII字符或2710个数字的信息。5、汉信码。汉信码是由中国物品编码中心牵头，于2005年研发完成的我国拥有完全自主知识产权的新型二维条码，是我国“十五”重要技术标准研究专项二维条码新码制开发与关键技术标准研究课题的研究成果。它是目前汉字编码效率最高的二维条码，且支持全部GB 18030字符集汉字以及未来的扩展。此外，它还具有信息容量大、密度高、抗畸变、抗污损能力强等特点，达到了国际先进水平。每个汉信码符号是由正方形模块组成的一个正方形阵列构成，包括信息编码区和功能图形区，其中功能图形区包括寻像图形、寻像图形分隔区与校正图形。1.3二维条码技术的发展和应用现状二维条码作为一种高容量信息存储、传递和识别的技术，自诞生之日起就得到了世界上许多国家的关注。美国、德国、日本、墨西哥、埃及、哥伦比亚、巴林、新加坡、菲律宾、南非、加拿大等国，不仅已将二维条码技术应用于公安、外交、军事等部门对各类证件的管理，而且也将二维条码应用于海关、税务等部门对各类报表和票据的管理，商业、交通运输等部门对商品及货物运输的管理，邮政部门对邮政包裹的管理，工业生产领域对工业生产线的自动化管理等。我国对二维条码技术的研究开始于1993年。目前，二维条码技术已在我国的汽车行业自动化生产线、医疗急救服务卡、涉外专利案件收费、珠宝玉石饰品管理、高速公路收费管理及银行汇票上得到了应用。1999年3月在北京举行的全国人大第九届三次全体会议和全国政协第九届三次会议期间，在随行人员证件、记者证、旁听证上成功地应用了二维条码技术，引起了与会代表和新闻界的极大关注。而汉信码的研发成功，实现了我国自主知识产权二维条码标准零的突破，必将有力地推动二维条码在我国的应用。接下来将从二维条码的标准化，以及矩阵式和堆叠式这两种二维条码各自具有代表性的Data Matrix和PDF417的应用现状来详细介绍二维条码的发展和应用现状。1.3.1二维条码的标准化二维条码相关标准包括技术标准与应用标准两大方面。其中技术标准包括码制标准、系统一致性标准等几个方面。国际上，二维条码标准技术国际标准由国际标准化组织ISO与国际电工委员会IEC成立的第1联合委员会JTC1的第31分委员会，即自动识别与数据采集技术分委员会（ISO/IEC/JTC1/SC31）负责组织制定。目前，已完成PDF417，QR Code，Maxi Code，Data Matrix等二维条码码制标准的制定，另有Aztec Code等码制标准正在研究制定中。系统一致性方面的标准已完成二维条码符号印制质量的检验（ISO/IEC 15415）、二维条码识读器测试规范（ISO/IEC 15426-2）。二维条码的应用标准由ISO相关应用领域标准化委员会负责组织制定，如包装标签二维条码应用标准由国际标准化组织ISO包装标准化技术委员会（TC122）负责制定，目前已完成包装标签标准的制定。另外，国际自动识别制造商协会（AIM）、美国标准化协会（ANSI）也已完成了PDF417，QR Code，Code 49，Code 16K，Code One等码制的符号标准。我国的二维条码标准化工作起步较晚，但已取得了一定的进展。中国物品编码中心已于2003年3月制定完成了二维条码标准体系，给出了我国二维条码标准体系的总体框架，以作为规划、计划我国二维条码技术与应用标准的基础和依据，并随着我国二维条码技术的广泛应用和发展对其进行不断的更新和充实。目前，在消化国外相关技术资料的基础上，中国物品编码中心已经制定了3个二维条码的国家标准：GB/T 17172-1997四一七条码，GB/T 18284-2000快速响应矩阵码与汉信码国家标准。1.3.2 Data Matrix的发展和应用Data Matrix是现有条码中信息密度最大的一种，由于Data Matrix是点阵式的符号结构，因此它可以被印刷得非常小，整个符号最小可以小到0.0002平方英寸以内，是目前一维与二维条码中尺寸最小的，非常适合在各种实体产品上或电路板的零组件上进行印刷、点阵刻印或激光刻印等。加之Data Matrix二维条码具有很强的纠错能力，因此很适合应用在条码容易受损的场所，例如印在暴露于高热、化学清洁剂、机械剥蚀等特殊环境的零件上。这一切都使得Data Matrix的应用领域非常广泛22。国外在Data Matrix方面投入研发较早，技术也相当成熟，就目前国外应用来看，主要应用于电子、机械等制造业的产品和生产过程中，举例如下：1、在美国的波音、麦道公司，采用Data Matrix二维条码刻在精密的机器零件上面用于识别零件信息，由于其刻印技术可以使Data Matrix条码在零件表面保留很长时间不