1、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
2、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 D
3、ata 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
4、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
5、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
6、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.
7、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 M
8、atrix 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、，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
16、；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
17、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。
