1、北京郵電大學 碩士學位論文 維條碼QR碼的分析和編解碼設計 姓名：許輝 申請學位級別：碩士 專業：軟件工程 指導教師：宋茂強20071101二維條碼QR碼的分析和編解碼設計摘要隨著信息技術的發展，條碼在更多的領域中得到了廣泛的應 用，大大提高了各行業的生產工作效率。條碼識別是以條碼理論、 光電技術、計算機技術和通信技術為基礎的綜合性技術，是信息 數據自動輸入、識別的重要方法。本設計的主要任務是在研究二維條碼的碼制標準的基礎上， 實現對二維條碼QR碼的高速采集與識別。本文簡要介紹了條碼的各種碼制與應用現狀，詳細分析了 QR碼的基本特點、符號結構；在條碼圖像識別方面，研究了對 釆集的條碼圖像進行預

2、處理的方法，即：對圖像進行整形。運用 圖像校正、二值化、去噪、邊緣檢測、Hough變換、圖像旋轉等 多種圖像處理方法實現條碼圖像的預處理、條碼定位、條碼分割 和數據提取。對預處理后的條碼圖像進行譯碼，設計了 QR碼的 解碼和Reed-Solomon糾錯算法，并在手機軟件中加以應用。經實際檢測，結果表明該譯碼算法能夠實現手機在一般光線 下拍攝的QR碼的正確解譯。關鍵詞：二維條碼快速響應碼條碼識別二值化ANALYSIS OF 2D BAR CODE-QR CODE AND DESIGH OF ITS CODING AND DECODINGABSTRACTWith the development o

3、f information technologies, barcodes have been widely used in more fields, and greatly improve work efficiency of industries. The bar code recognition technology, which is based on barcode theory, photo-electricity technologies, computer technologies and communication technologies, is an important a

4、pproach to automatic input and recognition.The main tasks of this design are to acquire and identify image of QR Code in high speed, based on the research on international symbology specification of QR Code.In this paper, the types and application states of barcode are introduced first, then QR Code

5、s basic characteristics, symbol structure. In the aspect of bar code image recognition, the paper researches on the preprocessing, the image collected, namely, the reform of image. Uses image binarization, image denoising, edge detection, Hough transform, and image rotation etc. to complete the prep

6、rocessing, localization, segmentation and data extraction of bar codes. This will ground for the correct decoding afterwards.Then decode the bar-code image after preprocessing, research on decoding algorithms the application of the Reed-Solomon Error Correction Algorithm to QR code. And get the text

7、 information which QR code represents.According to the results of the experiments, this decoding arithmetic can identify the ordinary pictures which are taken by the cell phone and implement to decode QR code correctly. Besides, it is possible to transplant the software to the cell phone.KEY WORDS:

8、Two-Dimension Barcode, QR Code, Bar code recognition, Binarization獨創性(或創新性)聲明本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。 盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外，論文中不包含其他人 已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京郵電大學或其他教育機構的學位 或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。本人簽名：日期： 09,.關于論文使用授權的說明學位論文作者完全

9、了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規定，即：研究 生在校攻讀學位期間論文工作的知識產權單位屬北京郵電大學。學校有權保留并向國 家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許學位論文被査閱和借閱；學校可以 公布學位論文的全部或部分內容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯 編學位論文。本學位論文不屬于保密范圍，適用本授權書，本人簽名： $導 日期：說,.崢導師簽名:日期：/.乙欽北京郵電大學碩士學位論文 第一章緒論1.1課題研究背景條形碼技術是集條碼理論、光電技術、計算機技術、通信技術等技術于一體的綜 合性技術，起源于20世紀40年代，它具有輸入速度快、可靠性髙、釆集信息量大、 成本

10、低等特點，近年來發展十分迅速，在國際上廣泛應用于商品流通、物流倉儲、信 息服務等各個領域，極大地提高了生產效率。近幾年，另一個廣泛得到普及的領域就是手機。自90年代初以來，無線移動技 術和市場應用得到飛速發展和成功。從尋呼機到目前3G手機的面市，中國人已經習 慣了手中的移動手機不停地變化移動通信發展的焦點已經由用戶數量的增長，轉為 業務量和新業務的增長：由技術驅動轉為業務驅動。在激烈的市場競爭中，越來越成 熟的手機用戶不僅注重手機硬件的外觀，更注重手機所賦予的強大功能。以上兩個普及領域催生了一個新的需求：即將二維碼和手機結合起來，利用手機 作為讀取設備，實現條碼識別。目前國際ISO標準已經有多

11、種條形碼，其中應用最廣泛的有PDF417、Date Matrix、QR碼等。QR碼是矩陣式二維條形碼的代表，它除了具有一維條碼和其它二 維條碼所具有的信息容量大、可靠性高等特點外，還具有全方位識讀、能有效表示中、 英、簡、繁、日、韓等文字、超高速識讀以及超強的糾錯能力和抗干擾能力等特性。 適合于我國的國情以及漢字編碼的特點，綜上，QR碼在手機中的應用有著良好的前景和潛力，它將有效地推動移動增值業 務的快速增長，有助于提高移動用戶的ARPU值，有利于為我國信息產業的發展和經 濟建設帶來社會及經濟效益。1.2條型碼的起源與發展北京郵電大學碩士學位論文隨著計算機、信息及通訊技術的發展，信息的處理能力

12、、儲存能力、傳輸通訊能 力曰益強大。全面、有效的信息采集和輸入幾乎成為所有信息系統的關鍵。條碼自動 識別技術就是在這樣的環境下應運而生。作為一種有效的識別工具，它具有輸入速度 快、可靠性高、釆集信息量大、成本低等特點，能夠節省開支、改進業務操作。因此, 自從出現以來，受到各個領域的廣泛關注，并且快速應用到工業、商業、國防、交通 運輸、醫療衛生、郵電等各個領域。早在上世紀40年代后期，美國喬伍德蘭德(Joe Wood Land)和貝尼西爾佛 (BeaySilver)兩位工程師就開始研究用代碼表示食品項目，稱為“公牛眼”代碼。靶的 同心環由圓條和空白繪成,在原理上同后來的條碼符號很接近，遺憾的是當

13、時的商品經 濟還不十分發達，而且工藝上也沒有達到印制這種代碼的水平。20年后，喬伍德蘭德作 為IBM公司的工程師成為北美地區的統一代碼UPC條碼的奠基人。吉拉德費伊 塞爾(Girad Feissel)等人于1959年申請了一項專利，將數字09中的每個數字用七段平 行條表示。但是這種代碼機器難以閱讀，人讀起來也不方便。不過,這一構想促進了條 碼碼制的產生與發展。不久布林克爾(EfBrinker)將條碼標識應用在有軌電車 上。60年代后期，西爾韋尼亞(Sylvania)發明了一種被北美鐵路系統所采納的條碼系統。 這兩項發明可以說是條碼技術最早期的應用。1970年美國超級市場AdHoc委員會制定了通

14、用商品代碼UPC碼(Universal Product Code),首先在雜貨零售業中試用，為以后該碼制的廣泛釆用奠定了基礎。次年， 布萊西公司研制出“布萊西碼”及相應的自動識別系統，用于庫存驗算。這是條碼技術 第一次在倉庫管理系統中應用。1972年,莫那奇馬金(Monarch Marking)等人研制出庫 德巴碼(Codabar)，后來被廣泛應用于血庫、圖書館、包裹的跟蹤管理等。至此美國的 條碼技術進入了新的發展階段。美國統一代碼委員會(Uniform Code Council Inc簡稱UCC)于1973年建立了 UPC 條碼系統，并全面實現了該條碼編碼以及其所標識的商品編碼的標準化。同年

15、，食品雜 貨業把UPC碼作為該行業的通用標準碼制，為條碼技術在商業流通銷售領域里的廣泛 應用，起到了積極的推動作用。1974年，Intemiec公司的戴維阿利爾(Davide Allair)博士 推出39碼，很快被美國國防部所采納，作為軍用條碼碼制。39碼是第一個字母、數字式 的條碼，后來廣泛應用于政府、藥物、工業領域。我國的郵政系統的EMS單上也使 用了三九碼，北京郵電大學碩士學位論文 1976年美國和加拿大在超級市場上成功地使用了 UPC系統，這給人們以很大的 鼓舞，尤其是歐洲人對此產生了很大的興趣。次年，歐洲共同體在UPC條碼的基礎上，開發出與UPC碼兼容的歐洲物品編碼系統(Europe

16、an Article Numbering System ), 簡稱EAN碼，并簽署了歐洲物品編碼協議備忘錄，正式成立了歐洲物品編碼協會 (European Article Numbering Association).簡稱 EAN。直到 1981 年，由于 EAN 組織 已發展成為一個國際性組織，被稱為國際物品編碼協會(International Article Numbering Association). 089600070田 1-2 UPC-E 圖 14 BAN-869012341lllllllllllill 圖 1-1 UPC-Apiiiiiig0123467892116困 1-3 E

17、AI13 |l_llll_lll_閥丨111A B C D *1 2 3 圖1-5三;llliiHIDIIIa 0 0 0 8 0 0田1-6庫德巴碼 圖1 一1至圖丨_6給出了幾種條碼樣本，這些條碼均在一個方向上通過“條”和 “空”的不同寬度以及不同位置的排列組合來存儲信息，稱為一維條碼。維條碼的出現提髙了工作效率，改善了人們的生活和工作環境。但隨著應用領 域的不斷擴展，傳統的_維條碼漸漸顯現出了它的局限：首先，由于信息容量的限制，它僅僅作為一種標識數據，而不能被描述。必須通 過連接數據庫才能明確條碼所表達的信息，在沒有數據庫或者不便聯網的地方，一維 條碼的使用就發揮不了任何作用。例如：目前

18、在國內應用比較成熟的EAN碼 6901010101098的標識，我們只能通過與數據庫連接并找到對應信息后，才知道它是 中國廣東健力寶公司的聽裝飲料。其次，由于信息密度的限制,現代高新技術發展中越來越多的微小型產品的出現， 例如半導體器件、計算機芯片、醫療藥品等，逐漸暴露出傳統一維條碼的弱點：一維 條碼只在水平方向上攜帶信息，垂直方向上不攜賚信息。垂直方向的冗余僅僅是為了 如下目的：一是為了保證局部損壞的條碼能正確識別；二是使掃描容易完成。另外，一維條碼只能表達字母和數字，而不能表達漢字和圖像。然而，在信息化北京郵電大學碩士學位論文急速發展的過程中，迫切要求用條碼直接表示大量信息，不需要事先建立

19、數據庫，用 以直接保存文字、圖像甚至聲音等信息。二維條碼是為了解決一維條碼無法解決的問題而產生的。它除具備一維條碼的優 點外，突破了一維條碼的限制，具有如下特點： 1)信息密度大。二維條碼是在水平和垂直兩個方向的二維空間上存儲信息的符號，通常情況下其 密度是一維條碼的幾十到幾百倍。 2)編碼范圍廣不僅可以存儲數字、字符，還可以存儲多種語言文字、圖片（如照片、指紋等)、 聲音等信息。糾錯能力強。二維條碼引入錯誤糾正機制。這種糾錯機制使得二維條碼因污染、破壞引起局部 損壞時，照樣可以正確得到識讀。保密性能好。可以用加密算法對圖像信息加密后，再用二維條碼表示。識別二維條碼時，用相 應的解密算法，就可

20、以恢復原來的圖像，這樣便可以防止各種證件、卡片等的偽造。 一維條形碼和二維條形碼的比較如表1 一1所示：表1-1 一維條形碼和二維條形碼的比較條形碼類型維條形碼二維條形碼信息密度與容量信息密度低、容量小信息密度髙、容量大錯誤校驗及糾錯能力可通過校驗碼校驗、無糾錯能力 損污后可讀性差有校驗及糾錯能力，并可根據實際 應用設置不同的安全等級，等級高 時損污50%仍可讀取完整信息。垂直方向攜帶的信息不攜帶，垂直方向的冗余是為了 識讀方便攜帶信息。引入糾錯機制，可用于 恢復丟失的信息用途用于對“物品”的標識用于對“物品”的描述數據類型僅為英文、數字及簡單符號凡可以數字化的信息，包括英文、 中文、數字、符

21、號、圖象等北京郵電大學碩士學位論文 對數據庫及通訊網絡 的依賴多數應用場合必須依賴數據庫及 通訊網絡可不依賴數據庫及通訊網絡而單 獨存在識讀方法線性掃描識讀.堆積式：線性掃描或圖像掃描 矩陣式：僅能用圖像掃描國外對二維條碼技術的研究始于20世紀80年代末。1卯7年符號設計專家戴維 阿利爾（David Allais)博士提出了一種稱為Code49的二維條碼，開創了進行二維條 碼研究的先河。特德威廉斯(Ted Williams)于1988年推出Codel6K碼，Symbol公司 于1991年正式推出PDF417碼，美國國際資料公司（IpternationalDataMatrix)1989年 發明D

22、ata Matrix碼。DENSO公司于1994年9月研制QR碼這些二維條碼的密度 都比傳統的一維條碼有了較大的提高，如PDF417的信息密度是一維條碼Code39的 20多倍。在二維條碼標準化研究方面，國際自動識別制造商協會（AIM、美國標準 化協會（ANSI)已完成了 PDF417, QR, Code 49, Code 16K, Code One 等碼制的 符號標準.圖1 一7至圖1 一 11給出了幾種二維條碼樣本：HiW田 1-7 Codel6K 碼田 1-8 PDF 碼圖 1-9 Code49 碼圖 1-10 DM 碼.田 1-11 QR 碼在應用方面，美國、德國、日本、墨西哥、埃及、

23、哥倫比亞、巴林、新加坡、菲 律賓、南非、加拿大等國，不僅已將二維條碼技術應用于公安、外交、軍事等部門對 各類證件的管理，而且也將二維條碼應用于海關、稅務等部門對各類報表和票據的管 理，商業、交通運輸等部門對商品及貨物運輸的管理，郵政部門對郵政包裹的管理， 工業生產領域對工業生產線的自動化管理。1.3國內研究應用現狀我國對二維條碼技術的研究始于1993年。中國物品編碼中心對幾種常用的二維 條碼PDF417, QR碼，Data Matrix, Code 49, Code 16K等技術規范進行了翻譯和 跟蹤研究，并制定了兩個二維條碼的國家標準：GB/T17172-1997四一七條碼GB/T 1828

24、4-2000快速響應矩陣碼。國內的一些企業也提出了自主研發的二維條碼。如： 深圳矽感科技的CM緊密矩陣碼(Compact Matrix Code)、GM網格矩陣碼(Grid Matrix Code)以及上海龍貝科技的“龍貝碼”，它們的多項技術指標超過國際上現有的同類 碼制，整體技術達到國際先進水平，實用性強，并且已在民航等領域得到了實際的應用供.為加快二維條碼在我國的研究及應用，中國物品編碼中心與各地分支機構進行了 許多二維條碼的應用試點工作。1999年3月在北京舉行的全國人大第九屆三次全體會 議和全國政協第九屆三次會議期間，在隨行人員證件、記者證、旁聽證上成功地應用 了二維條碼技術，引起了與

25、會代表和新聞界的極大關注；在專利收費、郵政管理、財 政管理、暫住人口管理、部隊倉庫管理上的應用等，都取得了很好的效果。目前，我 國香港特別行政區已將二維條碼應用在特別行政區的護照上：我國的汽車行業自動化 生產線、醫療急救服務卡、涉外專利案件收費、珠寶玉石飾品管理及銀行匯票上也已 取得了良好的應用；由于二維條碼信息容量大，對主系統和網絡依賴性能低，保密防偽性能好，并且 成本低，壽命長，適合我國人口眾多、經濟發展不平衡、計算機建設還很不完善的國 情。隨著信息技術和現代化管理的發展，人們對其認識的提高、理解的加深以及人們 對產品不同需求的增加，二維條碼技術在我國有著更加廣闊的發展前景。1.4本文的結

26、構本文內容包括研究典型條碼的編碼技術、QR碼二維條碼的圖像識別方法，結合 了條碼中的ReedSolomon糾錯技術，實現了 QR碼在手機中的應用。 本文的組織結構如下：第一章：緒論。介紹條碼技術的起源、發展，現狀和前景。第二章：條形碼相關技術綜述。分別闡述了典型一維條碼和二維條碼的編碼理北京郵電大學碩士學位論文論，為后面的研究提供了理論基礎。對一維條碼、二維條碼以及其它自動識別技術加 以比較。第三章：介紹了二維條碼圖像的預處理過程。包括圖像的灰度化、中值濾波、 二值化、定位與分割以及圖像的旋轉。第四章：研究QR碼的編解碼理論及實現。介紹Reed-Solomon糾錯在QR碼中 的應用，并結合前面

27、所介紹的圖像識別方法，設計QR碼解碼系統。第五章：對本文的主要工作進行總結，并展望了二維條碼的發展前景和進一步的 工作。第二章相關技術概述2.1 一維條碼國際上公認的一維條形碼主要有EAN以及UPC兩種。UPC (Uniform Product Code),由美國和加拿大共同組織的“統一編碼委員會” Universal Code Council, UCC通過，作為美、加產品統一的標識符號，EAN (European Article Numbering),由歐共體的“歐洲物品編碼協會” European Article Numbering Association,吸取了 UPC的經驗而確定的物品

28、標識符號，與UPC 兼容。該協會已于拐77年改為“國際物品編碼協會”（IAN)我國于1988年成立“中國物品編碼中心并于1991年加入EAN。 我國主要釆用的編碼標準為EAN,我們也就針對EAN碼進行研究。標準版商品條碼所表示的代碼由由前綴碼、制造廠商代碼、商品標識代碼和校驗 碼組成（13位數字）組成，其結構如圖2-1所示：3C13X12XH 110X9X6X7X6X5X4X3X2XI酋費碼F1F2F31造 r 代瑪 M1M2M3M4商品代瑪I1I2I3I4 校驗瑪C 圖2-1 EAN-13結構我國的國別代碼為690695。廠商識別代碼由EAN在各國的分支機構分配督理, 我國由“中國物品編碼中

29、心”統一分配企業代碼。產品代碼由制造商根據規定自己編 制。校驗碼為了校驗代碼的正確性。北京郵電大學碩士學位論文 標準版商品條碼所表示的代碼由由前綴碼、制造廠商代碼、商品標識代碼和校驗 碼組成（13位數字）組成，其結構如圖2-2所示：困2-2 EAN-13構成左側空白：無任何印刷符號，空白處位于條形碼符號左側，用以提示閱讀，準備 掃描。當兩個條碼相距較近時，有助于對它們加以區分。左側空白不少于9個模塊（一 般11個模塊)。前置符：國家代碼的第一位。用以判斷左側數據符的奇偶位。起始符：條形碼符號的第一位符號，用于識別條形碼符號的開始。由3個模塊組左側數據符：位于中間分隔符左側，表示一定信息的條形碼

30、字符，由42個模塊 組成（6位)。中間分隔符：（主要用于EAN碼）位于條形碼中間位置的條與空，用來區分左、 右側數據符，由5個模塊組成。右側數據符：位于中間分隔符右側，表示一定信息的條形碼字符，由35個模塊 組成（5位)。條碼校驗符：表示校驗碼的條形碼字符，用以校驗條形碼符號的正確與否，根據 條碼所表示的字符信息按一定的校驗規則生成。由7個模塊組成(1位)。終止符：條形碼符號的最后一位符號。用于識別條形碼符號的結束。由3個模塊 組成。右側空白：無任何印刷符號，空白處位于條形碼符號右側，用以提示終止掃描。 右側空白一般7個模塊。注：條形碼是由一組規則排列的條、空以及對應的字符組成的標記。 “條”

31、指對光線反射率較低的部分。由1 一4個模塊組成。表示二進制的“1”。 “空”指對光線反射率較高的部分。由1_4個模塊組成。表示二進制的“0”。 構成條形碼的基本單位是模塊(0.33mm),是指條碼中最窄的條或空。 構成條形碼的一個條或空稱為一個單元一個單元包含的模塊數由編碼方式決EAN碼的所有單元由一個或多個模塊組成：（另一些碼制，如39碼中，所有單 元只有兩種寬度，即寬單元和窄單元，其中的窄單元即為一個模塊。）EAN條形碼字符包括09共10個數字字符。每個字符由兩個條和兩個空組成， 共7個模塊。因此EAN碼是一種（72)碼。它所對應的10個字符有3種編碼方式：左側數 據符奇排列、左側數據符偶

32、排列、右側數據符偶排列。因此，這10個字符具有30種 編碼，其對應的編碼圖案也有30種，EAN碼是由二進制所表示的。它的左側數據符有奇偶性，其奇偶性排列取決于 前置符。比如中國的國別碼為690695,其前置符為6。則左側數據符的排列為： OEEEOO。如表2 1所示：表2-1左側數據符奇偶排列組合方式前置符左側數據符奇偶排列組合方式00 0 0 0 0 010 0 E 0 E E20 0 E E 0 E30 0 E E E 040 E 0 0 E E50 E E 0 0 E6OEEEOO北京郵電大學碩士學位論文7一j0 E 0 E 0 E |8 s0 E 0 E E 0 |1 9 0 E E

33、0 E 0 iEAN-13編碼如表22所示：表2-2 EAN-13編碼字符值！左側數據符 i右側數據符 1奇排列 |偶排列偶排列 丨0oooiioi ！010011111100101001100101100111100110 I20010011 I0011011110110030111101 j0100001100001040100011001110110111005011000101110011001110 |601011110000101101000070111011 i00100011000100 j80110111 I0001001100100090001011 ！0010111111

34、0100起始符101 丨中間分隔符01010終止符1012.1. 4校驗碼的計算為防止條形碼的臟污或者殘缺等原因而導致的誤讀，確保商品條形碼正確性，根 據條形碼字符的數值按一定的數學算法計算出校驗碼。計算步驟如下： 設條形碼數字碼為Xi(i=l,2，3-13)從第二位開始，將所有偶數位的數字代碼求和，將和乘以3，得出N1;從第三位開始，將所有奇數位的數字求和，得出N2;imtN1+N2=N3；N3 mod 10=N4北京郵電大學碩士學位論文 (5)以10為模，取余數N4的補碼。即得到校驗位C.如聽華健力寶飲料的條形碼為6901010101098,其中690代表我國EAN組織， 1010代表廣東

35、健力寶公司，10109是聽裝飲料的商品代碼*這樣的編碼方式就保證了 無論在何時何地，6901010101098就唯一對應該種商品。 其校驗碼計算如下： Nl=3 (9+1 + 1 + 1 + 1+9) =66 N2=6N3=N1+N2=72 N4=2C=io-2=8縮短版商品條碼由8位數字組成（EAN8，與EAN-13碼相比，EAN-8碼沒有 制造廠商代碼，僅有前綴碼、商品項目代碼和校驗碼。條形碼符號是圖形化的編碼符號，對條形碼符號的識讀就是要借助一定的專用設 備，將條形碼符號中含有的編碼信息轉換成計算機可識別的數字信息。目前市場上常用的條形碼設備是光電識讀器,它由條形碼掃描器、放大整形電路、

36、 譯碼接口電路以及計算機系統等組成。如圖2-3所示：圖2-3 識讀設備構成TaEil條形瑪符號北京郵電大學碩士學位論文掃描系統由光學系統及探測器即光電轉換器（一般采用光電二極管、三極管等） 組成。它完成對條形碼符號的光學掃描，并通過光電探測器，將條形碼條空圖案的光 信號轉換成為模擬電信號。信號整形部分由信號放大、濾波，波形整形組成。它的功能在于將條形碼的光電 掃描信號處理成為標準電位的矩形脈沖電信號，其髙低電平的寬度和條形碼符號的條 空尺寸相對應。譯碼部分一般由嵌入式微處理器組成。它的功能就是對條形碼的矩形波信號進行 譯碼，其結果通過接口電路輸出到條碼應用系統中的數據終端。掃描識讀時，由掃描器

37、光源發出的光束照射在條形碼符號上，深色的條吸收光， 淺色的空將光反射回掃描器。反射光經光學系統釆集并投射在光電轉換器上，被轉變 成電信號。由于考慮到使用者安全，要求光源放射的能量較小。從光電轉換器輸出的 電信號須送放大器放大。為了避免由于條形碼中的污點等而導致信號錯誤，在放大電 路后需作整形,整形后成為一串矩形脈沖信號，脈沖的高低分別代表相應的空、條； 脈沖的寬度代表相應條、空的寬度。整形后的脈沖信號被送入譯碼器，由譯碼器按照 條形碼的編、譯碼規則進行譯碼，給出條形碼符號所表示的信息，然后將譯碼后的信 息傳送給一部手持式終端機、個人電腦、控制器或計算機主機。條形碼的這種傳統譯碼方式通常是通過專

38、用的條形碼識讀設備進行的，有時候識 讀設備由于環境以及操作上的失誤會導致譯碼錯誤（如：采用譯碼器譯碼必須保證掃 描線的傾斜角度不能太大，否則不能譯碼)，并且識讀設備并不是通用的，某一種識 讀設備只能識讀一種或幾種條形碼，所以存在一定的兼容性問題。如果能夠用計算機實現條形碼的軟件譯碼，則不存在上述問題，將會節約硬件設 備的開銷，并且可以根據需要增加可譯碼的條形碼種類。如圖像式條碼識讀器，先用 掃描儀或是攝像頭條形碼保存為位圖后，送到嵌入式計算機系統中進行處理。包括圖 像處理、解碼、糾錯、譯碼等。它不僅能識讀一維碼以及堆疊式二維碼，還可以識別 光電識別器無法識讀的矩陣式二維碼。因此，圖像方式在條碼

39、采集中的應用，將是一 個必然的趨勢。2.2 二維條碼北京郵電大學碩士學位論文 一維條形碼出現后，在各個行業得到了廣泛的應用，極大的提高了數據采集和信 息處理的速度，提高了工作效率.然而，隨著應用領域的不斷擴展，傳統的一維條碼 逐漸顯露出它的局限性。二維條碼的誕生解決了一維條碼無法解決的問題。它繼承了 一維條碼成本低、方便容易生成等特點，拓展了條碼的應用領域，成時代的新寵二維條碼的分類根據二維碼的編碼原理以及結構差異，可分為堆疊式（或排式）二維條形碼和矩 陣式二維條形碼兩類。堆疊式二維條形碼的編碼原理是建立在一維條形碼的基礎之上的。它以線條來組 合空間，由多行短截的一維條碼堆疊而成。其編碼設計、

40、校驗原理、識讀方式與一維 條形碼兼容。但由于行數的增加，行的鑒別、譯碼算法與一維條形碼又不盡相同。矩陣式二維條形碼以點來組合空間，以矩陣的形式組成，在矩陣相應元素位置上 用點的出現表示二進制“1”，空的出現表示二進制“0”，由點的排列組合確定代碼表 示的含義。矩陣式條形碼是建立在計算機圖像處理技術、組合編碼原理等基礎上的一 種新形圖形識讀處理的編碼方式。目前國際ISO標準已經有多種條形碼，其中應用最廣泛的有PDF417、Date Matrix、QR碼等。PDF417是堆疊式二維條形碼的代表，而QR碼是矩陣式二維條形 碼的代表。P0F417 碼PDF417碼是由留美華人王寅君等人（美國符號科技公

41、司，Symbol Technologies, Inc)發明的，于1991年正式推出PDF即Portable Data File (便攜數據文件），因 為組成條碼的每一符號字符都是由4個條和4個空構成，每個條或空由1-6個模塊組 成。這4個條和4個空的總模塊數為17,所以稱417碼或PDF417碼。每個PDF417符號由空白區包圍的一系列層（ROW)組成，層數為3-90,每層由一 個起始符、一個左層指示符、1-30個數據字符、右層指示符以及終止符組成。如圖 2-4所示：符 liii田 2-4 PDF417碼PDF417條碼最大的優勢在于其龐大的數據容量和極強的糾錯能力. 每一個PDF417碼的儲

42、存量可高達1,108個字節，如果將數字壓縮則可存放至 個字節。由于PDF417碼的容量較大，除了可將數字、字符等進行編碼外,還可 將人體的特征如指紋、視網膜掃瞄、及照片等個人記錄儲存在條形碼中.PDF417條碼具有一個顯著的優點便是糾錯能力強，它釆用了目前世界上最先進的 R-S (Reed-Solomon)碼進行糾錯譯碼。這種糾錯技術，不僅可以有效地防止譯碼錯 誤，提高譯碼的速度及可靠性：而且可以將由于條碼符號破損、沾污等丟失的信息破 譯出來。糾錯能力分為8級，級別越高，糾正能力越強。PDF417碼是二維條形碼的美國標準和歐盟標準。我國也已經制定了 PDF417碼的 國家標準GB/T17172

43、1997. Data Matrix碼Data Matrix 原名 Data code,由美國國際資料公司（International Data Matrix, 簡稱IDMatrix)于1989年發明。Data Matrix是一種矩陣式二維條碼，其發展的構 想是希望在校小的條碼標簽上存入更多的信息量。Data Matrix的最小尺寸是目前所 有條碼中最小的，能在25平方ram面積上編碼30個數字，特別適用于小零件的標識， 如標示集成電路、藥品等小件物品。同時由于Data Matrix只需要讀取資料的20 % 即可精確辨讀，因此很適合應用在條碼容易受損的場所，例如印在暴露于高熱、化學 清潔劑、機械

44、剝蝕等特殊環境的零件上。Data Matrix具有很強的糾錯能力，他這種 糾錯能力的獲得是采用Reed Solomon糾錯算法來實現的。2-4所示:如圖所示Data Matrix符號看起來像一個由深淺兩種顏色組成的國際象棋棋盤，北京郵電大學碩士學位論文 北京郵電大學碩士學位論文 每一個相同大小的黑色或白色方格稱為一個數據單位，Data Matrix符號就是由許多 這樣的數據單位組成。在尋邊區外層有寬度為一個數據單位的靜區。尋邊區是“棋盤” 的邊界，只用于定位和定義數據單位大小，而不含有任何編碼信息。被尋邊區包圍的 數據區包含著編碼信息。如圖2-5所示：.、，、： B3jc|2. 2.4 OR

45、碼Module 揉犖位圖 2-5 DataMatrix碼QR碼是由R本Denso公司于1994年9月研制的一種矩陣二維碼符號，是英文 Quick Response的縮寫，即快速反應的意思，源自發明者希望QR碼可讓其內容快速 被解碼。它除具有一維條碼及其它二維條碼所具有的信息容量大、可靠性高、可表示 漢字及圖象多種文字信息、保密防偽性強等優點外，還具有如表23的特性。表2-3 QR碼的基本特性符號規格21X21模塊（版本1) -177X177模塊（版本40) (每一規格：每邊增加4個模塊）空白區環繞在符號周圍的4個模塊寬的區域。尋像圖形(便丁-明確QR碼的位置及角度）包括三個相同的位置探測圖形。

46、分別位于符號左上角、 右上角、左下角。毎個探測圖形由3個重疊同心正方形 組成。分別為7*7個深色模塊、5*5個淺色模塊、3*3 個深色模塊。模塊寬度比為1: 1： 3： 1： 1分割符（便于找到位置探測圖形）探測圖形和編碼區之間有寬度為1模塊的分割符定位圖形水平及垂直定位符分別在位置探測圖形間第6行及6列。 由一個深色（開始及結束）及一個淺色模塊交替排列。 作用是確定符號的密度和版本，提供模塊坐標位置。校正圖形由3個重疊同心正方形組成。分別為5*5個深色模塊、 3*3個淺色模塊、1*1個淺色模塊。校正圖形的數據及位置由版本而定， 版本26有1個校正圖形 版本7 13有6個校正圖形 版本14 一

47、 20有13個校正圖形 版本2127有22個校正圖形 版本2834有33個校正圖形 版本3540有46個校正圖形版本信息在圖形中出現兩次，提供信息冗余。共18位，6位數據 位 12位通過BCH (18,6)編碼計算出的糾錯位。編碼區域包括表示數據碼字、糾錯碼字、版本信息和格式信息的 符號字符*格式信息出現兩次，提供信息冗余，包含了條碼的糾錯等級（第 1、2位和掩碼圖形參考等信息（第3、4、5位) 格式信息15位，其中5位數據位，10位用BCH (15，5) 編碼計算得到的糾錯位，數據類型與容量 (指最大規格符號版本40-L級數字數據：7,089個字符 字母數據：4,296個字符 8位字節數據：

48、2,953個字符中國漢字（GB 2312對應的漢字和非漢字字符)、日本漢 字數據：1,817個字符數據表示方法深色模塊表示二進制“1”，淺色模塊表示二進制“0”糾錯能力L級：約可糾錯7%的數據碼字 M級：約可糾錯15%的數據碼字 Q級:約可糾錯25%的數據碼字 H級：約可糾錯30%的數據碼字結構鏈接（可選）可用1 一 16個QR碼符號表示一組信息掩模（固有）可以使符號中深色與淺色模塊的比例接近1： 1,使因相 鄰模塊的排列造成譯碼困難的可能性降為最小。擴充解釋（可選）這種方式使符號可以表示缺省字符集以外的數據（如阿 拉伯字符、古斯拉夫字符、希臘字母等)，以及其他解釋 (如用一定的壓縮方式表示的

49、數據）或者對行業特點的 需要進行編碼。獨立定位功能有QR碼與其它二維條碼的比較見表24。表2-4 QR碼與其它二維條碼的比較QR碼PDF417Data Matrix開發公司（國） |Denso wave (日）Symbol (美）CI Matrix (美)北京郵電大學碩士學位論文方式矩陣堆疊式矩陣數據量-數字7 0892,7103,116數據量-英數字4,2961,8502, 355數據量-二進制2,9531,0181,556數據量-漢字1,817554778漢字表示13bit (特定壓縮模式） 表示漢字效率提髙20%16bit16bit主要特長大容量省空間 高速讀取大容量省空間識讀速度30個

50、/每秒3個/秒23個/秒識讀方向全方位（360 )10全方位（360。）主要用途頓域OAFA標準AIM InternationalJISISOAIM International ISOAIM International ISO2.3 QR碼符號結構由于在后面研究QR碼的編解碼設計中需要了解QR碼的符號結構，因此，我們 單獨設立一節來介紹QR碼的符號結構。QR碼的基本特性編碼字符集QR碼編碼字符集包括數字型數據（數字09)、字母數字型數據（數字09;大 寫字母AZ:9個其它字符：space, $, %，+, ,.，/, ： )、8位字節型數據（ASCII 字符集)、日本漢字字符、中國漢字字符（G

51、B2312圖形代碼表表示的字符集)數據表示法深色模塊表示二進制“I”,淺色模塊表示二進制“0”。符號規格21X21模塊（版本1)到177X177模塊（版本40),每一版本符號比前一版 本符號每邊增加4個模塊。數據類型與容量（指最大規格符號，版本40-L級）數字數據7089個字符、字母數據4296個字符、8位字節數據2953個字符、北京郵電大學碩士學位論文 中國漢字數據1817個字符，糾錯能力QR碼有4種糾錯等級，分別為L級、M級、Q級和H級。對應的可恢復碼 字比例為：L級：約7%的數據碼字； M級：約15%的數據碼字； Q級：約25%的數據碼字； H級：約30%的數據碼字。結構鏈接（可選）允許

52、把數據文件最多用16個QR碼符號在邏輯上連續地表示。以任意的順序 掃描，數據文件的原始數據能正確地重新連接起來。掩摸（可選）可以使條碼符號中深色與淺色模塊的比例接近1:1,使相鄰模塊的排列而影響高 效譯碼的可能性降為最小。擴充解釋（可選）這種方式使符號可以表示缺省字符集以外的數據(如阿拉伯字符、古斯拉夫字符、 希臘字母等)，以及其它數據解釋（如用一定的壓縮方式表示的數據）或者根據行業 特點的需要進行編碼cQR碼符號結構每個QR碼符號是由正方形模塊組成的一個正方形陣列構成，由編碼區域和包括 尋像圖形、分隔符、定位圖形和校正圖形在內的功能圖形組成，功能圖形不用于數據 編碼，符號四周為空白區。其結構

53、如圖2-6所示。f麵n “ I 圖2-6 QR碼的結構符號版本和規格QR碼符號共有40種規格，分別為版本1版本40。版本1的規格為21模塊 X21模塊，版本2的規格為25模塊X25模塊，每一版本符號比前一版本每一邊 增加4個模塊。以此類推，直到版本40，其規格為177模塊X 177模塊。不同的版本可以包含不同的信息量。尋像圖形QR碼符號的尋像圖形由三個相同的位置探測圖形組成，分別位于符號的左上角、 右上角和左下角，如圖27所示。每個位置探測圖形可以看作是由3個重疊的同心 正方形組成，它們分別為7X7深色模塊、5X5淺色模塊和3X3深色模塊。位置 探測圖形的模塊寬度比為1: 1： 3： 1： 1

54、。符號中其它地方遇到類似圖形的可能性很 小，因此可以迅速地識別可能的QR碼符號。識別組成尋像圖形的3個位置探測圖形， 從而明確地確定條碼符號的位置和旋轉角度。分隔符每個位置探測圖形和編碼區域之間有寬度為1個模塊的分隔符，它全部由淺色 模塊組成。定位圖形tap?電形 功水平和垂直定位圖形分別是由深色和淺色模塊交替組成的一個模塊寬的一行和 一列，其幵始和結尾都是深色模塊。水平定位圖形位于符號上部的兩個位置探測圖形 之間的第6行。垂直定位圖形位于符號左側的兩個位置探測圖形之間的第6列。它北京郵電大學碩士學位論文 田2-7 QR碼的尋像囷形校正圖形每個校正圖形可看作3個重疊的同心正方形，由5X5探色模

55、塊、3X3淺色模 塊以及位于中心的1個深色模塊組成。校正圖形的數量視QR碼符號的版本號而定， 版本2 (含版本2)以上的符號均有校正圖形，校正圖形從條碼符號的左上角到右下 角沿對角線兩邊對稱地分布。校正圖形應盡可能均勻地排列在定位圖形與符號的相對 邊之間。編碼區域編碼區域包括表示數據碼字、糾錯碼字、版本信息和格式信息的符號字符。空白區QR碼符號的空白區為環繞在符號四周的4個模塊寬的區域,其反射率應與淺色 模塊相同。2.4條型碼與其它自動識別技術自動識別技術近幾十年在全球范圍內得到了迅猛發展，初步形成了一個包括條碼 技術、磁條(卡)技術、光學字符識別、射頻技術、聲音識別等集計算機、光電技術、 通

56、信技術為一體的高新技術學科。們的作用是確定符號的密度和版本，提供決定模塊坐標的基本位置。條碼技術能在商品、工業、郵電業、醫療衛生、物資管理、安全檢查、餐旅業、 證卡管理、軍事工程、辦公室自動化等領域中得到廣泛應用，主要是由于其具有高速、 準確、成本低、靈活、可擴展等特點。另外，與其他常見的識別技術相比，在抗磁力、抗靜電、影印性、 性、容量等方面都有比較突出的優勢。二維條碼最大的競爭對手是RFID(射頻識別系統)，二維條碼技術與RFID技術相 比，最大的優點在于二維條碼與一維條碼技術一樣，基本上是無成本的，多數條碼掃 描壽命結束時可以扔掉而RFID標簽的成本相當髙，一般不能隨意扔掉，RFID還有

57、 一個致命的缺點，它會不時地發出射頻信號，從而可以得知用戶的所在，不利于用戶 保有個人的隱私。二維條碼可以作為移動商務的電子憑證，這是RFID做不到的。RFID 既然是標簽，只能應用在實物上。另外，聲音、視覺等識別技術目前不如條碼技術成熟，其技術和應用的標準也還 不夠健全。當然，由于幾種自動識別技術各有特點，在實際應用時，根據不同場合分析具體 情況，綜合比較，全面考慮。第三章二維條碼圖像的預處理過程我們在前面的章節提到，傳統譯碼過程是采用模擬方式來解譯條碼所代表的信 息，而圖像方式在條碼采集中的應用，將是一個必然的趨勢。這里我們采用數字圖像信號處理的方法實現譯碼。包括圖像的預處理過程以及譯 碼

58、過程兩個主要部分。圖像預處理部分的基本流程主要為：圖像灰度化、中值濾波、圖像二值化、圖像 定位、圖像分割、圖像旋轉。手機的攝像頭采集QR碼圖像會產生不同的失真，例如對于系統獲取的原始圖像， 由于噪聲、光照等各種原因，圖像的質量不高，在譯碼前必須對圖像進行降噪、二值. 化、圖像旋轉等等一系列操作。因此條碼圖像的預處理在整個條碼識別系統中起著非 常關健的作用，直接影響著系統的性能指標，是手機準確讀取QR碼的有效保證。其 基本思路是：1、首先對釆集的彩色圖像進行灰度化：2、然后對灰度圖像進行濾波；3、之后用適當的閾值對灰度圖像進行二值化，得到二值圖像；4、接著在二值圖像中掃描位置探測圖形；5、通過三

59、個位置探測圖形，求出條碼的旋轉角度和條碼的四個頂點坐標(xl，yl), (xly2), (x2,yl)，（x2y2);6、然后把圖像旋轉到水平；7、最后，把條碼從圖像中分割出來。3.1圖像的灰度化彩色圖像的灰度化技術在現代科技中有著越來越廣泛的應用。在我們的識別系統 中，完全可以應用這種技術將采集到的彩色圖像轉化為灰度圖像。由于QR碼僅包含 黑、白兩色的有效信息，那些冗余的彩色信息對于條碼識別不僅起不到任何作用，通 過彩色圖像的灰度化_縮小了圖像的存儲空間，減少了圖像處理時間，提高了后續算 法速度，所以先進行彩色到灰度的轉換，使系統達到更為理想的要求。彩色圖像的像素點是由R(紅色)、G(綠色)

60、、B(蘭色)三元色按不同的比例混合而 得。混合而成的不同含量的R、G、B組成不同的顏色，每一個記錄單個像素的位數據 單元可表示任意一種顏色模型公式為：C=xR+yG+zB (x+y+z=l)。灰度圖是指僅包含亮度信息，不包含色彩信息的圖像，亮度由暗到明，變化是連 續的。計算機中表示灰度圖是把亮度值進行量化等分成0255共256個級別,0最暗(全 黑)，2M最亮(全白)。在RGB模型中，如果R=G=B,則顏色(R，G, B)就表示灰度色。一般手機的攝像機拍到的圖像是24位真彩色圖，所以應先轉化成灰度圖，以便 于后續的更快速的圖像處理。灰度化可以采用現行標準的平均值法，用g表示灰度化 后的值，R、