（机械电子工程专业论文）基于dsp的条形码图像实时处理系统的研究.pdf

摘要 本论文将图像分割应用在有复杂背景的条码图像自动识别上，运用v c + + 6 0 编写的程 序，处理分割的条码图像，然后用图像腐蚀的方法，处理图像上的文字等背景使其变成一 些孤立点，再通过中值滤波去除图像上的噪声点，此时图像中条码的相对位置不变。用模 板匹配的方法对条码进行查找和分割，并调用读码模块进行识别。 由于9 s p 系统的运算功能强大，可以在较短的时间内完成图像处理运算，本文采用基 于d s p 删s 3 2 0 v c 5 4 l o 芯片开发了条码图像实时处理实验系统，给出了d s p 系统的相关的硬 件电路图、相关的软件及设计此系统需要注意的事项。 本文对v c + + 6 0 编写的条码图像识别程序和条码图像实时处理实验系统比较，后者的 处理速度远高于前者。本论文的研究，为条码图像的自动识别和实用化做了一些促进工作， 对基于d s p 的条形码图像处理系统改进发展提出了自己的看法。文中还给出了图像腐蚀、 模板匹配的具体数学模型、算法。 关键词：图像分割；中值滤波；腐蚀：模板匹配：条形码；d s p ；t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 ； t l c s 4 1 0 ：i s 6 1 l v 6 4 1 6 ：a m 2 9 l v l 5 0 ： a b s t r a c t t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h e a p p l i c a t i o no f i n f i a g es e g m e n t a t i o n t ot h ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n o f ab a rc o d ei m a g ew i t hac o m p l e x b a c k g r o u n d t h e b a rc o d ei m a g ei ss e g m e n t e d b yt h e p r o g r a mw h i c h i sc o d e d b y v c + + 6 o t h e n b yi m a g ee r o s i o n , t h eb a c k g r o u n ds u c h a sc h a r a c t e r s e r ei sp r o c e s s e d ，y i e l d i n gi s o l a t e dp o i n t sw h i c ha r ef i l t e r e db yam e d i a nf i l t e r t h er e l a t i v e p o s i t i o no f t h e b a rc o d ed o e sn o t c h a n g e u s i n gt e m p l a t em a t e l l i n g , t h eb a r c o d e r e g o nc a nb e s e a r c h e da n d s e g m e n t e d t h e nr e c o g n i z e db yc a g i n g t h er e c o g n i t i o nm o d u l e b e c a u s et h ed s p s y s t e m h a st h ev e r yp o w e r f u lf u n c t i o no f c o m p u t i n ga n dc f u l f i l lt h e i m a g ep r o c e s s i n gi nv e r ys h o r tt i m e , a ne x p e r i m e n t a lr e a l - t i m ep r o c e s s i n gs y s t e mf o rb a rc o d e i m a g e si sd e v e l o p e db yu s i n ga d s pb a s e dc h i p - t m s 3 2 0 v e 5 4 1 0i nt h et h e s i s t h er e v o l v e d h a r d w a r ec i r c u i t s ，r e v o l v e ds o f t w a r e sa n d d e s i g nn o t i c e so f t h es y s t e m a r eg i v e n t h eb a rc o d ei m a g er e c o g n i t i o n p r o g r a m c o d e d b yv c 十+ 6 0i sc o m p a r e d w i t ht h e e x p e r i m e n t l y r e a l - t i m ep r o c e s s i n gs y s t e m , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o c e s s i n gs p e e do f t h e l a t t e ri sv e r yg l 瞳e rt h a nt h e s p e e d o f t h ef r o n t s t u d i e si nt h et h e s i sp r o m o t et h ea u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o no f b a rc o d ei m a g ea n di t sp r a c t i c a l i z a t i o na n d p s e m s o m ei d e a so f h o wt o i m p r o v e t h eb a rc o d ei l a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nd s et h em a t h e m a t i c a lm o d e l sm a d a l g o r i t h m sf o ri m a g e e r o s o na n di m a g em a t c h i n g & r e g i v e n k e y w o r d s ：i m a g es e g m e n t a t i o n ；m e a nf i l t e r ；, e r o s i o n ；t e m p l a t em a t c h i n g ；b a rc o d e ；d s p ； t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 ；t l c 5 4 1 0 ； i s 6 1 l v 6 4 1 6 ：a m 2 9 l v l 6 0 ； 1 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字图像处理的发展及应用 数字图像处理起源于2 0 世纪2 0 年代，当时通过海底电缆从英国的伦敦到美国的纽约 采用数字压缩技术传输了第一幅数字照片。此后，由于遥感等领域的应用，使数字图像技 术逐步受到关注并得到相应的发展。1 9 6 4 年。美国的喷气推进实验室处理了由太空船“徘 徊者七号”发回的月球照片，标志着第三代计算机问世后数字图像处理得到普遍应用。由 于c t 的发明、应用研究及获得科技界瞩目的诺贝尔奖，使得数字图像处理技术大放异彩。 其后，数字图像处理技术发展迅速，目前已成为工程学、计算机科学、信息科学、统计学、 物理学、化学、生物学、医学甚至社会科学等领域各学科之问学习和研究的对象。随着信 息高速公路、数字地球概念的提出以及i n t e m e t 的广泛应用，信息传输中的非话业务也会 急剧增长。其中，图像信息以其信息量大、传输速度快、作用距离远等优点使其成为人类 获取信息的重要来源及利用信息的重要手段。今天，多学科的交叉、融合使数字图像处理 科学与技术逐步向其他学科领域渗透，并为其他学科所利用是科学发展的必然。 近年来计算机识别、理解图像的技术发展很快，也就是图像处理的目的除了直接供人 观看外，还进一步发展了计算机视觉的应用，如邮件自动分检，车辆自动驾驶等”j 。 1 2 条码技术的状况讶1 3 1 4 1 1 2 1 条形码的发展应用 二十世纪五十年代出现了人们今天在各种商品包装上常见的商品标识条形码。它 是由不同宽度的浅色和深色的部分( 通常是条形) 组成的图形，这些部分代表数字、字母 或标点符号。条码本身不是一套系统，而是一种十分有效的识别工具；它提供准确及时的 信息来支持成熟的管理系统。条码使用能够逐渐地提高准确性和效率，节省开支并改进业 务操作。自出现以来，条码受到了各界人士的普遍关注，发展十分迅速。在短短四十几年 的时间内它已广泛应用于交通运输业、商业贸易、生产制造业、医疗卫生、仓储业等领 域。 1 2 2 国外研究状况 早在2 0 世纪4 0 年代，美国工程师就开始研究条码技术。1 9 7 0 年美国超级市场a d h o c 委员会制定了通用商品代码，c ( u n i v e r s a lp r o d u c tc o d e ) 码。1 9 7 7 年欧共体开发了 与u p c 码相兼容的欧洲物品编码系统( e u r o p e a n a r t i c l e n u m b e r i n gs y s t e m - e a n 码) 。 进入9 0 年代，西方国家开始使用二维条码。目前应用面最广的= 维码p d f 4 1 7 由美 国s y m b o l ( 讯宝) 公司研制，也是中国现行唯一国家标准的二维条码。m a 】【ic o d e 是由美 国联合包裹服务( u p s ) 公司研制的，用于包裹的分拣和跟踪。a z t e c 码是由美国韦林( w e l c h a 1 l y n ) 公司推出的，最多可容纳3 8 3 2 个数字或3 0 6 7 个字母字符或1 9 1 4 个字节的数据。 而另一美国公司研制的d a t a m a t r i x 码主要用于电子行业小零件的标识，如i n t e l 的奔腾 处理器的背面就印制了这种码。 q rc o d e 码是由日本d s 0 公司于t 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵二维码符号，它除具 有一维条码及其它二维条码所具有的信息容璧大、可靠性高外，还具有可表示汉字及图象 多种文字信息、保密防伪性强等优点。 在条码译码设备方面，前期的一维码阅读器全是光电扫描装置。因光电扫描器成本低 廉且自动识别率能满足基本的录入要求，所以现阶段在应用领域中处于主导地位。美国 s y m b o l ( 讯宝) 公司提供的光电扫描器在一维条码阅读器市场中占据领先地位，是全球第 河海大学工学硕士论文 基于d s p 的条形码图像实时处理系统的研究 一提供商。 美国s y m b o l ( 讯宝) 公司是世界上最大的条码阅读设备制造商之一，带光栅的激光阅 读器和光电扫描技术及其译码技术一直处于领先地位，现在正着手开发具新概念的图像 ( i m a g er e a d e r ) 技术。 美国韦林( w e l c h a l l y n ) 公司是二维条码阅读设备世界上主要的条码阅读设备制造商 之一，其c c d 技术、图像式阅读器( i m a g er e a d e r ) 技术以及译码技术处于世界领先地位， 最近它又提出了线性图像( l i n e a ri m a g i n g ) 技术的新概念。以先进的技术为基础，韦林的 二维条码阅读设备一直处于领先地位，其主要产品包括i t 3 8 0 0 和i t 4 4 0 0 两大系列，能方 便和快捷地识读二维条码。 1 2 3 国内研究状况 我国目前广泛应用的是一维条码技术，一维条码已应用于生活的各方面( 超市、图书 馆等) 。在条码译码设备方面，我圈也有众多的电子公司开发一维码阅读器，不过到目前为 止基本上都是光电扫描型。 在研发方面，国内做产品代理的公司较多，研发性公司很少。现在主要是两个科研公 司的条码的编码和译码较为领先。其一是中科大讯飞公司，它依托中国科技大学正进行 p d f 4 1 7 等二维条码的编码译码和相关硬件开发工作；其= 是天津南开戈德股份有限公司， 它依托南开大学正进行p d f 4 1 7 二维条码的编码译码和防伪技术的研制工作。 1 3 常用条形码概述翻 条形码是一种可印刷的机器语言，是记忆形式。由黑色条符和白色条符根据特定的规 则组成的；黑白条符不同排列方法构成不同图案，从而代表不同的字母、数字和其他人们 熟悉的各种符号。目前，国际上存在许多种条形码编码方式。常见的大约由二十多种，其 中包括：c o d e 3 9 码( 标准3 9 码) 、c o d e b a r 码( 库德巴码) 、c o d e 2 5 码( 标准2 5 码) 、l t f 2 5 码( 交叉2 5 码) 、m a t r i x 2 5 码( 矩阵2 5 码) 、u l 屹- a 码、u p c - e 码、e a n 1 3 码 ( e a n - 1 3 国际商品条码) 、f a n 8 码( e a 】啦8 国际商品条码) 、中国邮政码( 矩阵2 5 码的 一种变体) 、c o d e - b 码、m s i 码、c o d e b 码、m s i 码、c o d e i l 码、c o d e 9 3 码、i s b n 码、 i s s n 码、c o d e l 2 8 码( 包括e a n l 2 8 码) 、c o d e 3 9 e m s ( e m s 专用3 9 码) 等一维条码和 p d f 4 1 7 等二维条码。c o d e l 2 8 码是一种可变长度的连续型条码，由起始符、数据符、检验 符、终止符及左右侧空白区组成，每个条码字符由三个条、三个空共十一个模块组成，是 一种使用较为广泛的一维条码。本课题主要是条码图像的分割，使用c o d e1 2 8 码为例来说 明，见图1 3 1 。 1 4 课曩的提出 图1 3 1c o d e l 2 8 码 条码技术是随着计算机应用逐步发展起来的自动识别技术。因其快速、准确，应用领 域越来越广，如图书管理、车辆管理、超市商品管理、物流物资管理、病历管理、自动仓 储管理、邮件自动分检等等1 1 1 a 对条码信息的提取，传统模式是基于光电扫描的，并由硬件来识别条码，这一技术已 较成熟并在市场上应用广泛。光电扫描技术，利用逐行扫描的方式读取条码信息，此种方 式对有污损的条码识读能力差，要达到理想的识读效果，对条码的印刷质量要求高。随着 2 l硼m 畦翻i l mmmmmmm刖4nnnuh 酬垂9_o 第一章绪论 数字图像处理技术的发展，近年来出现了基于数码相机的图像摄入模式，并出现了与此相 应的译码软件系统。计算机条码图像识别系统能克服手工光电扫描的误差和对污染条码的 误判或无法识别的问题，首要解决的就是从印刷品上分割出条码区域，近年来国内外开发 的条码识别软件也只能对己分割条码区域后的条码进行识读。 本课题根据条码图像的特征，应用模板匹配的方法在数字图像中有效地分割出条码区 域。在实现条码分割算法后，使用d s p 的 i m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 芯片实现条码图像的实时分割，再 调用读码模块就可以识别条码值从而达到自动化、实用化。 1 5 课题的主要内容与意义 在实际应用中，人们往往仅对图像中的某些部分，一般是对应图像中特定的、具有独 特性质的区域感兴趣。本课题在印刷有条码图像的页面中分割出条码区域，以便读码软件 识读条码。图像分割是把图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣目标的技术和过程，是 一种重要的图像分析技术口l 【6 】。图像分割的方法多种多样，但到目前为止还没有一个通用 的方法和通用的判别标准。 本课题使用v c + 十6 0 编制程序，根据条码图像的特征，应用模板匹配的方法在有复 杂背景的图像中分割出条码区域，有效地解决了上述问题。具体方案是：先通过腐蚀的方 法，消去大部分背景像素，使其变成一些孤立点。再通过中值滤波器滤除这些孤立点。此 时图像中条码的相对位置不变，再由模板匹配的方法，分割出图像的条码区域，进而通过 读码软件，读取条码值，达到自动识别的目的。 用v c + + 6 0 编写的程序实现了复杂背景图像中分割出条码图像部分，但还存在着计 算量较大和计算时间较长等问题，因为d s p 的运算功能较强，处理速度快，可在较短的时 间内完成大量的运算，从而实现条码图像的即时处理和识别。系统硬件采用 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 来实现，具体方案为：t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 使用高速s r a m 芯片组成的程序、 数据扩展存储器，与1 mf l a s h 芯片相连扩展程序存储器，对由a i d 采集的数据进行图 像分割、识别等处理，并可以将结果通过r s 2 3 2 c 接口传输到p c 机上。具体工作步骤如 下： 1 )编写v c + + 6 0 程序仿真论证在有复杂背景图像区域分割出算法可行性，其中 图像分割使用模板匹配的方法，计算量较大。 2 )选用t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 芯片开发条码图像实时处理实验系统，包括硬件电路和 相应的软件。要求条码图像分割效果达到v c + + 6 0 所编写的程序的功能，速 度达到实时处理的要求。 3 河海大学工学硕士论文 基于d s p 的条形码图像实时处理系统的研究 第二章用v c h 百o 编写的图像处理系统方案 2 1 系统总体框架 在数字图像处理技术的基础上，采用v c + + 6 0 编程，对由数码相机采集的有复杂背 景的条码图像，进行图像格式转化，由j p e g 转化为b m p 格式，再选用合适的结构元素进 行腐蚀运算腐蚀后的图像中有许多小的噪声点，采用中值滤波的方法，滤除噪声点，再 采用模板匹配的方法，从图像中分割出条码部分，最后调用读码模块，读出条码值【7 1 系 统流程见图2 1 。 图2 1处理系统的流程 2 2 系统使用的硬件设备和软件 本系统的图像采集装置采用s o n y d s c 7 0 数码相机完成图像采集，采用p e n t i u m l l l8 0 0 图2 2 1系统的硬件图 2 2 1 数字图像获取设备及c c d 简介嗍 数码相机是集光、机、电于一体的机电产品。它集成了图像信息的采集、存储和传输 等部件能与计算机进行数字信息的交互处理，它的核心部件是c c d 和c m o s 图像传感 器。 数码相机的面阵c c d 感光元件将入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息转 换为按时序串行输出的电信号( 即视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像) 。数码 摄像机的a d 转换器把c c d 产生的模拟信号转变为数字信号l 由数字信号处理器( d s p ) 对a d 转换后的信号按一定算法进行压缩，如j p e g 等有损失压缩，也可以采用b m p 等无 损失方式存储。获取的图像信息数据存储在数码相机的磁带或记忆棒( m e m o r y s t i c k ) 中a 图像信息的获取与存储流程见图2 2 2 。 图2 2 2 图像采集与信号转换 j f 灌 近年来获得发展的图像传感器类型是电子自扫描固态传感器阵列，主要的三种类型是 电荷耦合器件( ccd ) 阵列，电荷注入器件( cid ) 阵列和光电二极管阵列所有这 4 第二章用v c + 十6 0 编写的图像处理系统方案 些器件都有位于单个集成电路芯片上的一组线性或矩形光传感器阵，并包含用于读出由入 射图像产生的充电电荷的必要电路。下面重点阐述电荷耦合器件。 ccd 芯片被制造在一片光敏结晶硅片上。一个矩形的光电探测器( 势阱) 阵列被制 造在硅基片中。在局部区域产生的光电子被收容在最近的势阱中，并作为一个电荷包沿一 串势阱移动直到到达外部引出端。可以用三种不同的结构读出ccd 图像检取器件的累积 电荷：经典结构( 又叫全帧结构) ，行间结构和帧传送结构( 如图2 3 ) 。 像素移动c = = a 垒帧c c d 像素移魂= = = b 行间传进c c d 像素移动c = o c 帧传送c c d 图2 3c c d 结构图 1 全帧ccd 在曝光之后，全帧ccd 必须在读出过程中关闭快门以使其保持黑暗。然后它把传感 器的底行电荷移出，每次移动一个像素。当底行被移空后，所有行的电荷被向下移动一行， 然后底行被移出。这个过程被重复直到最后顶行被移到底行。并被移出。然后该器件准备 累积另幅图像。 2 行间传送cc d 在行间传送ccd 中，传感器的每个偶数列被一个不透明的掩膜覆盖着，这些被掩盖 着的势阱构成的列仅在读出过程中被使用。曝光后，每一个曝光的势阱中的电荷包被移动 到相邻的掩膜阱中。因为所有的电荷组一起被移动，这种传送仅需很少时间。当暴露的势 阱中累积下一幅图像时，掩膜阱中的电荷被穆下和移出，就像经典ccd 那样。在这种类 型的传感器中，芯片上每列的像素数是每列实际阱数的一半。只有不超过百分之五十的芯 片面积是光敏的，因为被掩盖的列占据了表面的一半。 3 帧传送ccd 帧传送ccd 芯片有一个双倍高度的传感器阵列。上面的一半以标准方式获取图像。 下面的一半是存储阵列，它被不透明的掩膜盖着，以防止触入光线。在累积期结束时，传 感器阵列中累积的整个电荷图像被一行行地快速移入存储阵列。当传感器阵列在累积下一 幅图像时，存储阵列中的图像按标准方式逐个像素地被移出。与行间传送一样这种技术 同时累积电荷和传出图像，使以视频速度的图像获取成为可能。 c c d 有诸多特点： 1 1 体积小，重量轻，电压及功耗低，可靠性高。 2 ) 具有理想的“扫描”线性，可进行像素寻址，可变换扫描速度，尺寸重现性好 3 洧很高的空间分辨率； 4 1 有数字扫描能力，像元的位置可由数字代码确定； 5 1 具有很高的光电灵敏度和大的动态范围； 6 ) 数据可调，可适用于动态、静态各种条件下的测量。 用c c d 的数码相机是一种非常有效的非接触检测手段，适合与计算机相结合。在本 课题中，因为条码图像都是黑白图像，而且所使用的相机具有黑白图像格式的功能，所以 数码相机输入的图像采用黑白形式，如果采用没有黑白格式的数码相机就要在进行处理之 前加一个彩色变为黑自图像的转化，即图像的二值化。 5 河海大学工学硕士论文基于d s p 的条形码图像实时处理系统的研究 2 2 2 图像信息的传输 2 2 2 1u s b 接口【9 l 【州 本论文中数码相机与计算机之间通过u s b 缆线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线) 传输图像信息的数据。 u s b 是在1 9 9 4 年底由c o m p a q 、m m 、m i c m s o t ：i 等多家公司联合提出的。不过直到近 期才得到广泛的普及应用。 u s b 不需要单独的供电系统，而且支持热插拔，不再需要麻烦地开、关机，设备的人 工切换因此变得省时省力。软件方面，针对u s b 设计的驱动程序和应用软件支持自启动， 无需用户做更多的设置。同时，u s b 设备也不会涉及原先那令人心烦的i r q ( i n t e r r u p t r e o u e s t ) 中断请求冲突问题。u s b 接口有自己的保留中断，不会争夺其它周边的有限资 源。速度方面，现在u s b 接口的最高传输率可达每秒1 2 m b ，是串口的1 0 0 多倍而已经 正式发布的u s b2 0 标准将带宽拓宽到了4 8 0 m b p s 。 u s b 可以分为五个部分：控制器、控制器驱动程序、u s b 芯片驱动程序、u s b 设备 和u s b 设备驱动程序。其中： 控制器接收和执行由系统向u s b 发出的各种命令： 控制器驱动程序向控制器发送各种命令和向系统回馈各种信息； u s b 芯片驱动程序使操作系统能够对u s b 进行支持； u s b 设各是各种与p c 的u s b 接口相连的设备： u s b 设备驱动程序是使操作系统驱动u s b 设备的程序。 2 2 2 2i l i n k 接口技术 9 1 b o ! i l i n k 指的是在具有i l i n k 接口的各设备之间，可进行图像或声音等数据的双向传 送，控制其它设备的数码串行界面接口。i l i n k 是由索尼公司建议的m e b l 3 9 4 的昵称。 i e e e - 1 3 9 4 是e l a ( e l e c l r o n i ci n d u s n i e sa s s o c i 砒i o n 电子工业协会) 制订的标准， i e e e 1 3 9 4 的前身f i r e w i r e 在1 9 8 6 年由m i c h a e l t e e n e r ( a p p l e 公司的一名工程师) 所革拟。 f i r e w l r e 是a p p l e 电脑的商标，a p p i e 公司称为火线( f i r e 狮嘞，而s o n y 公司则称为i l i n k ， t e x a si n s t r u m e n t s 公司称为l y n x 。实际上所有的商标名称都是指同一种技术一一 i e e e 1 3 9 4 。f i r e w i r e 于1 9 8 7 年完成，i e e e 在1 9 9 5 年认可其为i e e e l 3 9 4 - 1 9 9 5 标准。目 前人们愈来愈认识到数字影像的品质比模拟影像更好后，配有i e e e l 3 9 4 接口的数字摄像 机己变成种趋势。 i e e e - 1 3 9 4 是为了增强外部多媒体设备与电脑连接性能而设计的高速串行总线，传输 速率可以达到4 0 0m b p s ，利用i e e l 3 9 4 技术我们可以方便地把电脑和数码相机、摄像机， 高速硬盘，音响设备等多种多媒体设备连接。这个技术标准由许多大的厂商共同联合发展， 在一个4 0 0 m b p s 的火线通道上支持多于6 3 个设备，是一种将来有可能取代p c i 总线的全 新总线标准。 2 2 3 图像的数据传输 数码相机与计算机之间通过通用串行总线( u s b ) 传输数据，如果要实现实时图像采 集，可采用s o n y 公司提供的i l 1 n k 电缆( d v 连接电缆) ，按i e e e l 3 9 4 标准传输数据。 本系统可采用上述两种接口的工作方式。既可手动拍摄静止的条码图像，由u s b 接口 将其传输入计算机；也可工作于自动摄像方式由l l i n k 电缆向计算机实时传输图象信息， 再由播放图像的软件对此连续的图像信息进行图像抓取，后一种工作方式可以实现图像数 据传输的自动化，完全由计算机来实现图像的输入采集工作。本系统如果使用i e e e l 3 9 4 标准传输，需要在计算机上加一块i e e e l 3 9 4 接口卡”1 t 6 第二章用v c + + 6 0 编写的图像处理系统方案 2 3 小结 本章主要介绍了用v c + + 6 0 编写图像处理程序的流程、采集图像的数码相机和传输 数码图像的接口标准u s b 与i l i n k 接口，是进行软件编程的基础。 河海大学工学硕士论文基于d s p 的条形码图像实时处理系统的研究 第三章数字图像处理的理论基础 图像处理就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或应用需求的行为。图像的处 理手段有光学方法和电子学( 数字) 方法，前者已经有很长的发展历史，从简单的光学滤 波到现在的激光全息技术，光学处理理论已经日趋完善，而且处理速度快，信息容量大， 分辨率高，又很经济，但是光学处理图像的精度不高稳定性差，操作不便，从2 0 世纪 6 0 年代起，随着电子技术和计算机技术的不断提高和普及，数字图像处理进入高速发展的 时期。数字图像处理就是利用数字计算机或者其他数字硬件，对从图像信息转换成电信号 进行某些数学运算，以提高图像的实用性。数字图像处理技术处理精度比较高，而且还可 以通过改进处理软件来优化处理效果。数字图像处理主要包括以下几项内容：点运算，几 何处理，图像增强，图像复原，图像形态学处理。图像编码，图像重建，模式识别。但是， 由于数字图像处理的数据量非常庞大，因此处理速度相对较慢，限制了数字图像处理的发 展。近年来计算机技术的飞速发展，计算机的运算速度大大提高，就大大促进了数字图像 处理技术的发展。 1 1 【1 2 】 3 1 数字圈像处理的主要内容 3 1 1 概述 完整的数字图像处理工程太体上可分为如下几个方面：图像信息的获取；图像信息的 存储；图像信息的传送；图像信息的处理：图像信息的输出和显示。 1 图像信息的获取( i m a g ei n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ) 就数字图像处理而言，主要是把一幅图像转换成适合输入计算机或数字设备的数字信号， 这一过程主要包括摄取图像、光电转换及数字化等几个步骤。 2 图像信息的存储( i m a g ei n f o r m a t i o ns t o r a g e ) 图像信息的突出特点是数据量大。为解决大量存储问题主要研究数据压缩、图像格式 及图像数据库技术等。 3 图像信息的传送( i m a g ei n f o r m a t i o n w a n s m i s s i o n ) 图像信息的传送可分为系统内部传送与远距离传送。内部传送多采用d m a 技术( d i r e c t m e m o r y a c c e s s ) 以解决速度问题，外部远距离传送主要解决占用带宽问题。 4 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 目前，数字图像处理多采用计算机处理，因此，有时也称之为计算机图像处理( c o m p u t e r i m a g ep r o c e s s i n g ) 。概括地说，数字图像处理主要包括如下几项内容：几何处理( g e o m e t r i c a l p r o c e s s i n g ) ，算术处理( a r i t h m e t i cp r o c e s s i n g ) ，图像增强( i m a g ee n h a n c e m e n t ) ，图像复原 ( i m a g er e s t o r a t i o n ) ，图像重建( i m a g er e c o n s l t u c t i o n ) ，图像编码( i m a g ee n c o d i n g ) ，图像识 别( i m a g er e c o g n i t i o n ) ，图像理解( i m a g eu n d e x s t a n d i n g ) 。 5 图像的输出与显示 图像处理的最终目的是为人或机器提供一幅更便于解译和识别的图像。图像的输出有 二种，一种是硬拷贝，如照相、激光拷贝、彩色喷墨打印等；另一种是软拷贝，如c r t 显 示( c a t h o d er a yt u b e ) 、液晶显示器( l c d ) 、场致发光显示器( f e d ) 等。 3 1 2 数字图像处理的色彩系统 数字图像的色彩系统主要有： 1 r g b 和c m y 色彩系统” r g b 是通过颜色的相加来产生其他颜色，通常称为加色合成法，我们的计算机屏幕的 显示就是r g b 色彩系统；c m y 系统通常用于印刷工业，它是通过颜色相减来产生其他颜 8 塑三里垫! 鬯堡竺翌箜墨堡差型 i | ；5 9 6 妥0 2 8 7 7 4 剖3 2 2g r l11q 2 11 5 2 33 1 2b ， l ，i = l o 一一o | i ( 3 ) lf o 一o o f |f 刚；巍捌圈 m ， 蹦u 1 0 秘1 4 80瓢298 0 剐4 3 7g r 3 13v 0 6 1 505 1 501 0 0b ii = i 一 一一 1li ( ) lli 一一 1ll 刚i 蠢二训习 强， 阡 0 2 9 9 0 0 t 6 8 7 0 5 0 0 0 0 0 5 8 7 0 一o 3 3 1 3 0 4 1 8 7 0 o 1 1 4 00 o 5 0 0 01 2 8 一o 0 8 1 31 2 8 01 圈g - 11 麓0 3 4 4 0 0 1 4 0 7 珧1 4 1 4 c b 茗1 2 。8 7 7 2 0 0 ii 一一 i i 一 i b ll l1 o | lc ，一1 2 8i 罔 驯 。1 5 ( 3 1 6 ) 通常把亮度划分成0 到2 5 5 共2 5 6 j e p g 是由国际标准化组织( i s o ) ，国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 联合制定的 连续色调静态图像压缩标准。j p e g 小组的工作是研究具有连续色调的图像( 包括灰度及彩 色图像) 的压缩算法，并将其制定为适用于大多数图像存储及通信设各的标准算法。j e p g 格式图像文件所采用的色调模型是，n 模型，作为静态图像压缩的标准算法，j p e g 算法 9 河海大学工学硕士论文基于d s p 的条形码图像实时处理系统的研究 必须满足以下要求：算法独立于图像的分辨率；具有低于l b i t 像素的编码率，并且能够在 五秒钟内建立图像，以满足实时要求；在压缩比大约是2 的情况下能够无失真地恢复原图像； 支持顺序编解码和渐进编解码；对各种豳像成分及数据精度的自适应能力编解码设备简 单、易实现。 j p e g 小组指定了一系列实现静态图像压缩编码的方法，这些方法的选择决定于具体 应用的要求及性能价格比的考虑。这些方法基本上可以分为两类：基于离散余弦变换的编码 和基于空间域预测编码的方法。前者，即离散余弦变换的方法压缩倍率较高但算法复杂， 较难实现；后者，即预测编码的方法虽然压缩倍率较低，但是可以实现无损压缩。p 1 】【”】 j p e g 文件大体上可分为以下两部分：标记码( t a g ) 和压缩数据。标记码部分给出了 j p e g 图象的所有信息，如图象的高、宽、h u f f m a n 表、量化表等。标记码有很多，大多数 文件只包含其中几种。标记码的结构为： s o t d q t d r i s o f 0 d h t s o s e o i 其中常用的标记结构有： ( 1 ) s q i ( s t a r t o f i m a g e ) 任何j p e g 文件都以此标记开头，可将该标记作为判断一个文件是否为j p e g 格式文 件的依据。 ( 2 ) a p p 0 ( a p p l i c a t i o n ) a p p o 是j p e g 保留该应用程序使用的标记码，而j f i f ( j p e gf i l et n t e r c h a r g ef o r m a t , 由c - c u b em i c r o s y s t e m 公司制定的一种j p e g 文件交换格式) 将文件的相关信息定义在此 标记中。 ( 3 ) r s 啊( i - - - - 0 7 ) 复位标记，配合d r i 使用。r s t 将h u f f m a a 的解码数据流复位，d c 也从0 开始计。 ( 4 ) e o i ( e n do f i m a g e ) j p e g 文件结束标记。 ( 5 ) c o m ( c o m m a n d ) 命令标记。 ( 6 ) d o t ( d e f i n e q u a a t i z a t i o n t a b l e ) 定义量化表。 ( 7 ) d h t ( d e f i n e h u f f r a a n t a b l e ) 定义h u t 抽a n 表。 j p e g 图像格式的输入数据和输出数据均为8 位，在存储格式上，j p e g 文件是由文件 头、文件尾和位于其中的任意数量的段组成。每个段的长度不超过6 4 k ，且均以0 x f f 开 头的标记字开始，以非0 字节和0 x f f 结束。 b m p ( b i u n a p ) 位图格式是微软公司为其w i n d o w s 环境设置的标准图像格式，而且 w m d o w s 系统软件中还同时内含了一系列支持b m p 图象处理的a p i 函数，随着w m d o w s 在世界范围内的不断普及，b m p 文件格式无疑也成为p c 机上的流行图像文件格式。它的 主要特点为每个文件只能存放一幅图像：图像数据是否采用压缩方式存放，取决于文件的大 小与格式。压缩处理成为图像文件的一个选项，用户可以根据需要进行选择。非压缩格式 是b m p 图像文件所采用的一种通用格式。压缩格式有两种：如果图像为1 6 色模式，则采用 r l e 4 压缩方式；若图像为2 5 6 色模式，则采用r l e 8 压缩方式。b m p 图像格式可以存储 单色、1 6 色、2 5 6 色以及真彩色四种图像数据，其数据的排列顺序与一般文件不同，它以 1 0 第三章数字图像处理的理论基础 图像左下角为起点存储图像，而不是以图像的左上角为起点。b m p 图像文件格式还存在另 一个与众不同的特点，即其调色板数据所采用的数据结构中，红、绿、蓝三种基色数据的 排列顺序恰好与其它图像文件相反。p 1 w m d o w s 中定义了两种位图文件类型：设备相关位图( d e v i c ed e p e n d e n t b i t m a p ，简称 d d b ) 和设备无关位图( d e v i c ei n d e p e n d e n tb i t m a p ，简称d e b ) 。d d b 在内存中的结构和 位置依赖于管理它们的设备驱动程序，由于与设备相关，处理d d b 的时速度虽快，但不 能方便地在不同的硬件之间移植，因此不能共享图像；d i b 实现了图像的良好共享，把一 幅图像以d i b 格式保存在文件中，即可复制到另一种环境中将其显示它具有更强的灵活 性与完整的图像数据、压缩方式等定义。 b m p 图像文件的结构可以分为如下三个部分：文件头、调色板数据以及图像数据，其 中文件头的长度固定为5 4 个字节，调色板数据对所有不超过2 5 6 色的图像格式模式都需要 进行设置，即使是单色图像模式也不例外。但是真彩色图像模式对应的b m p 文件结构中 却不存在相应调色板数据的设置信息。图像数据既可以采用一定的压缩算法进行处理，也 可不必对图像数据进行压缩，这不仅与图像文件的大小相关，而且也与对应的图像处理软 件是否支持经过压缩处理的b m p 图像文件相关。以下将分别介绍b m p 图像文件结构中的 这三个重要组成部分。特别值得注意的是b m p 图像文件结构设计得相当简单，有利于图 像文件的处理速度，同时也使b m p 图像文件格式具有一定的局限性，即一个b m p 图像文 件只能存储一幅图像。 b m p 图像文件的文件头定义：w i n d o w s 中图像文件的文件头分成两个数据结构，其 中一个数据结构包含b m p 文件的类型、大小和打印格式等信息，称为 b i t m a p f i l e h e a d e r ；另外一个数据结构则包含b m p 文件的尺寸定义等信息，称为 b i t m a j p 师0 髓a d e r ；如果图像文件还需要调色板数据，则将其存放在文件头信息之后。 b m a p f i l e 玎弘d e r 数据结构在w i n d o w s h 中的定义为 t y p e d e f s t r u c tt a g b i t m a p f i l e h e a d e r w o r d b i b y p e ； d w o r d b f s i z e ； w o r d b f r e s e r v e d l ； w o r d b f r e s e r v e d 2 ； d w o r d b f o f l b i t s ； b i t m a p f i l e h e a d e r ； 其中，b f t y p e 在图像文件存储空间中的数据地址为0 ，数据类型为u n s i g n e d c h a r , l 匈容为 固定值“b m ”，用于标记文件格式，表示该图像文件为b m p 文件。 b f s i z e 的数据地址为2 ，类型为u n s i g n e dl o n g ，它以字节为单位，定义位图文件的大小。 b f r e s e r v e d l 与b f r e s e r v e d 2 的数据地址分别为6 和8 ，数据类型都为u n s i g n e di n t ，二者都 是b m p 文件的保留字，没有任何意义，其值必须为0 。b f o f f b i t s 的数据地址是1 0 数据 类型为u n s i g n e dl o n g ，它以字节为单位，指示图像数据在文件内的起始地址，即图像数据 指针对文件头的偏移量。i l 儿“l 3 2 数字图像处理方法 3 2 1 数字图像基本分类5 】问 数字图像处理方法大致可分为两大类，即：空域法和变换域法。 1 空域法 这种方法是把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这二维函数进行相 应的处理。空域处理法主要有下面两种； 河海大学工学硕士论文 基于d s p 的条形码图像实时处理系统的研究 ( 1 ) 邻域处理法 包括；梯度运算( g r a d i e n ta l g o r i t h m ) 、拉普拉斯算子运算( l a p l a c i a no p e r a t o r ) ，平 滑算子运算( s m o o t h i n