（控制科学与工程专业论文）pdf417二维条形码的读取和识别技术.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 条码技术自2 0 世纪中期问世来发展迅速，在各个行业得到广泛 的应用。在生活中，通常见到的一维条码已经无法满足信息在运输、 存储和表达方面的要求，而二维条码的诞生解决了这一问题，同时它 采用r s 码来进行错误控制，大大提高了条码信息的读取能力。 本课题针对二维条形码中具有代表性的堆叠式二维条形码一 p d f 4 1 7 条形码进行研究，用普通摄像头采集条码图像，并设计相关 的条码识别和解码算法。本文的内容如下： 首先对p d f 4 1 7 条形码的编码规则和编码算法进行详细讨论， 并简要介绍r e e d s o l o m o n 错误控制码( r s 错误控制码) 的编码与 译码原理。 其次，对采集到的p d f 4 1 7 条码图像进行预处理。一般的流程是 对条码图像进行滤波、二值化，并校正图像倾角。由于本文使用摄像 头采集条码图像，因此条码图像的边缘非常模糊，并且会存在一定程 度的畸变，使用普通的二值化方法在处理效果和效率上不能达到要 求，在本文中对比普通的全局阈值方法和o t s u 法，改进全局阈值方 法来对条码图像进行分割，不仅可以达到比较好的效果，而且可以保 证算法实时性。 然后对p d f 4 1 7 条形码的识别和解码过程进行详细的分析与研 究。传统的条码识别的方法多采用基于条码图像的垂直边缘的方法和 基于单位码字模块的方法，这两方法分别对条码的质量和采集设备的 精度有较高要求，而当条码的边缘被破坏或者图像存在畸变时则很难 得到正确的条码信息。通常人们的解决办法是使用r s 错误控制码来 对错误信息进行纠正，但是这样的处理方法也存在着很大的不足。所 以在研究前人工作的基础上，采用了一种新的算法来避免对错误控制 码过多的依赖。本文首先计算条码单位模块的宽度，并以它为基础在 原始的条码图像中找出条码中所有的条起始点和空起始点，从而定位 出条码图像所有的符号字符。所采用的算法检测精度高，对条码的质 量和采集设备的敏感度低，在同等条件下可以比较精确地得到图像码 字。 关键词：条码识别，二维条形码，边缘，p d v 4 1 7 硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t t h eb a r c o d et e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l ys i n c e2 0 t h c e n t u r ya n dt h eb a r c o d eh a sb e e nu s e di nv a r i o u sa p p l i c a t i o nf i e l d s i nt h e m o d e ml i f e ，o n e - d i m e n s i o n a lb a r c o d ec a nn ol o n g e rm e e tt h en e e d si n s e v e r a la s p e c t ss u c ha st r a n s p o r t a t i o n ，c a p a c i t ya n de x p r e s s i n g b u tt h e a p p e a r a n c eo ft w o d i m e n s i o n a lb a r c o d es o l v e st h e s ep r o b l e m s a tt h e s a m et i m e ，t h et w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d ea d o p t st h ea d v a n c e dr se r r o r c o r r e c t i o nc o d e ，w h i c hi m p r o v e st h er e a dc a p a b i l i t yo fb a r c o d e t h i sr e s e a r c hi sa b o u tt h ep d f 417b a r c o d ew h i c hi sa r e p r e s e n t a t i v e s t a c k e db a r c o d ea m o n gt h et w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d e w eu s eo r d i n a r y c a m e r at o c a p t u r e t h eb a r c o d e i m a g e a n d d e s i g n t h ec o r r e l a t i v e r e c o g n i t i o na n dd e c o d i n ga l g o r i t h m t h e c o n t e n to ft h i sp a p e ri sa s f o l l o w s ： f i r s t l y , t h er e s e a r c hs t u d i e st h ee n c o d i n gr u l eo ft h ep d f 4 17b a r c o d e a n dt h ee n c o d i n ga l g o r i t h m n e x t ，t h ec o d i n ga n dd e c o d i n gp r i n c i p l eo f r e e d s o l o m o ne r r o r - c o r r e c t i n gc o d e ( r sc o d e ) i sb r i e f l yi n t r o d u c e d a n dt h e n ，t h ep a p e rg i v e st h ep r e - p r o c e s s i n go ft h eb a r c o d ei m a g e t h ea v e r a g es t e po ft h ep r o c e s s i n gi sa sf o l l o w ：f i l t e rt h en o i s eo ft h e b a r c o d ei m a g e ，g e tt h eb i n a r yi m a g ea n dc a l i b r a t i o nt h eb a r c o d ei m a g et o h o r i z o n t a lp o s i t i o n b e c a u s ew eu s eo r d i n a r yc a m e r at o c a p t u r et h e b a r c o d ei m a g e ，t h ee d g eo ft h eb a r c o d ei m a g ei s v e r yv a g u e ，a n dt h e i m a g ea l w a y s h a ss o m ek i n do fd i s t o r t i o n i fw eu s et h e g e n e r a l b i n a r i z a t i o nm e t h o d ，t h ee f f e c t i v e n e s sa n de f f i c i e n c yc a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n to f t h ee x p e r i m e n t i nt h i sp a p e r , w ei m p r o v eg l o b a lt h r e s h o l d m e t h o dt ob i n a r i z et h eb a r c o d ei m a g e ，c o m p a r et ot h eg e n e r a l g l o b a l t h r e s h o l dm e t h o da n do t s um e t h o d ，n o to n l yi tc a na c h i e v er e a s o n a b l e r e s u l t s ，b u ta l s ot h et i m ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m si sa d a p tt ot h e r e a l t i m ei np d f 417 b a rc o d er e c o g n i t i o n a tl a s t ，t h er e c o g n i t i o na n dd e c o d i n gp r o c e s sh a v eb e e na n a l y z e d a n ds t u d i e di nd e t a i l t h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa r em o s t l yb a s e do nt h e e d g eo fb a r c o d ei m a g ea n dt h eu n i to ft h ec o d ew o r dm o d u l e t h ef i r s t m e t h o dh a sh i g hr e q u i r e m e n ti nb a r c o d eq u a l i t ya n dt h es e c o n dm e t h o d r e q u i r eh i g ha c c u r a c yo ft h ei m a g ea c q u is i t i o nf a c i l i t y w h e nt h e r ea r e l i s o m ep s e u d o e d g e si nt h eb a r c o d ei m a g eo rt h eb a r c o d ei m a g eh a ss o m e k i n do fd i s t o r t i o n ，t h e s em e t h o d sa r ed i f f i c u l tt og e tt h er i g h tb a rc o d e i n f o r m a t i o n ，b e c a u s ea l l o ft h e s ea b o v e ，w eu s u a l l y u s er se r r o r c o r r e c t i o nc o d et oc o r r e c te r r o ri n f o r m a t i o n ，b u te v e nr s e r r o rc o r r e c t i o n c o d eh a si t so w ns h o r t c o m i n g s ob a s e do nt h er e s e a r c ho f o t h e rp e o p l e s w o r k ，an e wa l g o r i t h mh a sb e e np u tf o r w a r d t oa v o i dt h eo v e r - r e l i a n c eo f e r r o rc o r r e c t i o nc o d e i nt h i sp a p e r , w ef i r s tc a l c u l a t et h ew i d t ho f b a r c o d e u n i t ，a n dt h e nu s ei tt od e t e c ta l lo ft h es t a r tp o i n ta n de n dp o i n tf r o m t h e o r i g i n a lb a r c o d ei m a g e ，t h e r e b yp o s i t i o n i n gt h es y m b o lc h a r a c t e r o f b a r c o d ei m a g e t h ea l g o r i t h mt h i sa r t i c l et a k e nh a sh i g ha c c u r a c ya n d l o w s e n s i t i v i t yt ob o t hb a r c o d eq u a l i t ya n di m a g ea c q u i s i t i o nf a c i l i t y ，i n t h es a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，c a ne x t r a c tt h e2 - d b a r c o d ea c c u r a t e l y k e yw o r d s ：b a r c o d er e c o g n i t i o n ，2 - db a r c o d e ，e d g e ，p d f 4 17 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：陋日期：灶年坳耳日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：箍妄丝乙导师签名趋日期：埠年上月雄日 硕士学位论文 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 条码技术自问世以来，发展迅速，受到人们的普遍关注。条码、e d i 、集装 箱已经成为国际商界3 大标准贸易方式而被广泛采用。目前一维条码技术已经广 泛应用于商业、金融业、交通运输业等行业【1 1 。它的应用大大地提高了工作效率， 加快了数据采集和信息处理的速度。但是，随着现代高新技术的发展，迫切需要 用条码在有限的几何空间内表示更多的信息，从而满足千变万化的信息的需要。 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i b j ，使得在一些场合 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，同时具有容量大、可靠性高、保密防伪性强、易于制作、成 本低等优点。二维条形码正是为了满足人们的这种需求而产生的。 二维条形码的使用，将对我国经济发展起到巨大的促进作用。但是我国二维 条形码的研究工作起步较晚，绝大多数的二维条形码是由国外进行研制的，虽然 这些二维条码己经成为国际或国内的标准，并且他们的编码原理和码字规范都是 公开的，但是对各种二维条形码识别的关键技术仍然由国外公司掌握，阻碍了我 国二维条形码技术的推广和应用，因此对二维条形码的读取和识别进行研究，显 得尤为必要。 1 2 条码技术的历史与现状 一维条码是由一组规则排列的条、空单元及其对应字符组成的，表示一定信 息的标识。其中，条为黑色，空为白色，用于条码识读设备的扫描识读。对应字 符由一组阿拉伯数字组成，供人直接识读，如图1 1 所示的i s b n 一维条码，这 组条、空和相应得字符所表示的信息是一致的l l 】。它自7 0 年代初问世以来，由 于其快速、准确、成本低、可靠性高等优点，很快受到了人们的青睐，发展十分 迅速，仅仅二十多年的时间，它已广泛应用于商业流通、仓储、图书情报、邮政、 铁路、交通运输、生产自动化管理等领域【2 】。条码技术的广泛应用，极大地提高 了数据采集和信息处理的速度，为管理的科学化和现代化做出了重要贡献。 硕士学位论文 第一章绪论 7 8 8 0 7 2l i2 6 1 0 2 4 图卜1 一维条码( i s b n ) 二维条形码技术是在一维条码无法满足以下实际应用需求的前提下产生的。 一方面，由于受信息容量的限制，一维条码仅仅是对物品的标识，而不是对物品 的描述。所谓对物品的标识，简单地讲，就是给某物品分配一个代码，代码以条 码的形式标识在物品上，用来标识该物品以便自动扫描设备的识读。代码或一维 条码本身不表示该产品的其它特定信息。因此，在一维条码的应用系统中，对商 品信息如生产日期、价格等的描述只能依赖数据库的支持。在没有预先建立商品 数据库或不便联网的地方，一维条码的使用受到了较大的限制，有时甚至变得毫 无意义；另一方面，要用一维条码表示汉字和图像等信息几乎是不可能的，即使 可以表示，也显得十分不便且效率很低。当今现代高科技术的发展，迫切需要用 条码在有限的几何空间表示更多的信息，以满足千变万化的信息表示的需要。二 维条形码工作流程不同于一维条码，如图1 2 所示，二维条形码无需数据库的支 持，真正实现了数据的便携化，而且二维条形码可以表示汉字图像等信息【3 j 。 l 一维条码 上 l 扫描识读 上 i 得到条码数据后 i 输入电脑检索 i查找数据库 i 上 i 输出需要信息 两步走一步走 i 二维条码 上 i 扫描识读 1 r l 得到条码数据后 i 输入电脑检索 图1 - 2 一维条码与二维条码的不同 目前二维条码有许多不同的编码方法，或称码制。就这些码制的编码原理而 言，通常可分为以下两种类型4 】： 2 硕士学位论文第一章绪论 1 2 1 矩阵式二维条形码 矩阵式二维条形码( 又称棋盘式二维条形码) 它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形码所代表的意义。矩阵式二维条形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形码有：m a x i c o d e 、q rc o d e 、d a t am a t r i x 等。 d a t am a t r i x 原名d a t ac o d e ，由美国国际资料公司( i n t e r n a t i o n a ld a t am a t r i x ) 于1 9 8 9 年发明【5 】。d a t am a t r i x 是一种矩阵式二维条形码，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信息。d a t am a t r i x 的最小尺寸是目前所有条 码中最小的，尤其适用于小零件的标识，直接印刷在实体上。d a t a m a t r i x 又可以 分为e c c 0 0 0 1 4 0 和e c c 2 0 0 两种类型，e c c 0 0 0 1 4 0 具有多种不同等级的错误 纠错功能，而e c c 2 0 0 则通过r e e d s o l o m o n 纠错算法产生多项式计算出错误纠 正码字，其尺寸可以依据需求印刷成不同大小。由于d a t am a t r i x 只需要读取资 料的2 0 就可以精确辨认，因此适合应用在条码容易受损的场合，例如印在暴露 在高温、化学清洗剂、机械剥蚀等特殊环境的零件上，如图1 - 3 ( a ) 所示。 q rc o d e 码是日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵二维条形码符 号，它除具有一维条码及其他二维条形码所具有的信息容量大、可靠性高、可表 示汉字及图像多种文字信息、保密防伪性强等优点1 6 ，如图1 - 3 ( b ) 所示。中国在 2 0 0 0 年1 2 月2 8 日发布了q r 码的国家标准g b 厂r1 8 2 8 4 2 0 0 0 。 ( a ) b a t a l a t r i x( b ) q 蛹 图卜3 两种常用的矩阵码 近几年来，国内大力进行条码推广应用，并积极跟踪国外技术发展，进行条 码理论基础和关键技术的研究。中国物品编码中心条码高新技术研究立项进行二 维码研究工作。在二维码制设计、编码原理等方面进行了探索，提出了一种自动 识别方位进行校正的结构方案与中心符相结合的二维码制初步编码方案。对二维 码图像处理译码解码算法以及隐形码等关键技术进行了研究，并取得一些初步成 硕士学位论文 第一章绪论 果。上海龙贝信息科技有限公司研发的龙贝二维条形码和矽感公司发明的矽感 g m 码，已经通过相关认证并进入实用阶段。 ( 8 ) 龙贝码 1 2 2 堆叠式二维条形码 雕 目；- 。叠晶 栉匠 一 图1 - 4 我国研制的二维码 堆叠式二维条形码( 又称堆积式二维条形码) ，其编码原理是建立在一维条 码基础之上，按需要堆积成二行或多行。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。有代表性的行排式二维条形码有：e o d e l 6 k 、c o d e 4 9 、p d f 4 1 7 等。 为了在相同的条码面积内装入更多的信息，符号设计专家d a v i d a l l a l s 博士 提出了一种称为c o d e 4 9 的二维条形码，如图1 - 5 ( a ) 所示，它实际上是把一维条 码的高度截短并按照行堆积，由2 到8 行构成，5 位数字用3 个字符表示，使用 2 字符为码字，是一种多行连续型，且长度可变的条码，可使用现有的条码阅读 设备和打印设备。c o d e 4 9 具有信息容量大和使用灵活等优点而受到重视，开创 了进行二维条形码研究的先河，c o d e l 6 k 码近似c o d e 4 9 码，由2 到1 6 行组成， 分隔条分离各行，利用u p c 码和1 2 8 码字符集，最大信息长度可达7 7 个a s c i i 字符。帕夫利迪斯教授等人进行了二维条形码译码解码算法的研究，朗艾克雷教 授着手进行堆叠式二维条形码符号学基础理论的研究，大大促进了堆叠式二维条 形码的发展。 p d f 4 1 7 ( p o r t a b l ed a t af i l e ) 是美国符号科技有限公司( s y m b o lt e c h n o l o g i e s ， i n c ) 发明的一种二维条形码，发明人是台湾赴美学者王寅君博士。它不仅具有 错误侦测能力，且可从受损的条码中读回完整的资料，亦即“错误复原能力 ， 其错误复原率最高可达5 0 ，p d f 4 1 7 是一个公开码，任何人皆可用其演算法 而不必付费，因此是一个开放的条码系统。p d f 4 1 7 的p d f 为可携性资料档 ( p o r t a b l ed a t af i l e ) 的缩写，取其条码类似一个资料档，可储存较多资料，且可 4 硕士学位论文第一章绪论 随身携带或随产品走而得名7 1 。如图1 - 5 ( b ) p f i 示。 峨黼酬 ( a ) c o d e 4 9( b ) p b f 4 17 图1 - 5 两种常用的堆叠码 相对于其他二维条形码，p d f 4 1 7 的使用前景更加广泛，并且其信息容量大、 编码范围广、译码可靠性高、纠正错误能力强、制作成本低，因此，本文使用 p d f 4 1 7 进行二维条形码读取和识别的研究。 1 3 二维条形码的应用现状 二维条码的作为一种全新的信息存储、传递和识别技术，相对一维码，它具 有更多的优势和使用价值，二维条码技术已经在美国、德国、日本、韩国、英国、 法国、墨西哥、埃及、哥伦比亚、巴西、新加坡、菲律宾、南非、加拿大等世界 众多国家得到了比较广泛的应用。 在我国，二维条码技术得到政府的支持和重视，国内在此领域研究开始于 1 9 9 3 年。中国物品编码中心对几种常用的二维码p d f 4 1 7 ，q rc o d e ，d a t am a t r i x ， m a x i c o d e ，c o d e 4 9 ，c o d e l 6 k 的技术规范进行了翻译和跟踪研究。在消化国外 相关技术资料的基础上，制定了两个二维码的国家标准：g b t 1 7 1 7 2 1 9 9 7 四一 七条码，g b t 18 2 8 4 2 0 0 0 快速响应矩阵码。为使二维码技术能够在我国的证 照管理领域得到应用，在国外应用软件平台的基础上，该中心开发了人像照片和 指纹数据压缩软件。 目前许多部门已经在使用或者有意向使用二维条形码用于人员管理和物品 管理，如：公安部门欲将二维条形码应用于身份证和流动人员管理上，进出管理 部门正在探讨二维条形码应用于护照上，海关也将尝试将其应用在报关单上。根 据目前状况，预计将来几年内，二维条形码在我国将有较大的发展【l0 1 。 ( 1 ) 二维条形码将首先将在我国的人员管理中得到广泛的应用。随着我国 社会和科技的进步，对人员进行现代化管理的需要与同剧增，这就需要在证件上 对管理对象进行精确的描述。二维条形码这种成本优势较大的自动识别技术较易 被各个管理部门所接受。在我国的人口管理综合数据库较难建立的情况下，一个 随身携带的身份证卡上的二维条形码便可包括其身份的全部信息，并可包括其照 片信息。这种技术的推广将比在发达国家更具优势l 。 硕上学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 二维条形码亦将在物流管理中得到较大发展。用二维条形码描述物品 是二维条形码应用的又一方面。在货物的存储、运输中对其进行描述必不可少。 现在的情况大多是自然语言描述，这大大影响了信息的采集速度和精度。将二维 条形码应用于物流，即将二维条形码制作在货物的包装上，这是其它自动技术( 如 i c 卡) 无法做到的。二维条形码在物流的应用必将加快物流管理现代化的进程 【l l 】 o ( 3 ) 与手机结合应用将是未来二维条形码的又一发展方向。手机二维码的 发展，将带来丰富的应用，和良好的客户体验，更在一定程度上推动了社会和经 济的发展。手机二维码在应用到电子票务降低票据制作成本、减少配送成本、 提升票务防伪和检验能力；手机二维码用在防伪盗版上，可以有效打击防伪盗版， 保护消费者利益，为企业创造效益。手机二维码用于交通违章处理上，可以大大 提高工作效率。手机二维码的发展简化手机用户信息输入，提升用户获取信息 的能力、拓展手机上网入口，带给我们更多精彩体验。手机二维码促进了媒体、 通信和互联网的融合，带来一个全新的跨媒体营销平台。 总之，二维条形码在信息采集、社会人员管理、推动现代物流和产业链管理 及互联网的革命性的发展进程中有着极大的应用前景，是建立高质量高效能信息 系统不可缺少的组成部分。二维条形码在我国有着广阔的应用前景，在我国的推 广应用必将为我国信息产业的发展和现代化的经济建设带来可观的社会效益和 经济效益，因此对二维条形码的研究有着重要的意义和使用价值i l 列。 1 4 课题研究目的和内容 目前，制约二维条码技术在我国发展的主要原因是目前市场上销售的二维条 码识别系统价格十分昂贵，国内虽然也出现了一些设计和生产二维条码阅读器的 公司，但是他们大多数是基于国外公司的产品，并没有拥有自己的核心知识产权， 因此价格相比之下比较高，并且目前二维条码的识别系统一般都是基于扫描设备 的，对于摄像头直接采集到的条码图像进行处理的应用目前市场上还不多见，并 且这些核心技术都是掌握在几个少数的大公司手中。本课题研究p d f 4 1 7 条形码 系统的编解码规则和解码算法，并对摄像头采集到的条码图像进行识别、解码处 理，这样不仅仅可以拓宽p d f 4 1 7 条形码应用领域，而且还可以节约它的使用成 本。 本课题主要研究p d f 4 1 7 这种二维条形码的识别及应用，包括数据编码、纠 错编译码、条码识别和应用等各个部分。识别前提是不使用专用的条码扫描识读 器而是使用普通的摄入设备在自然环境下采集图像，对这样得到的噪声较高的图 像分离出二维条码并进行识别。 硕士学位论文第一章绪论 本文所做的主要工作有： ( 1 ) 把需要编码的信息按照p d f 4 1 7 条码规则以及r s 错误控制码的纠正原 理编码生成二维条形码。详细介绍p d f 4 1 7 的符号字符，编码模式和编码规则， 然后介绍本文中采用的r s 错误控制码的编码规则，运用这些知识点对实际需要 编码的信息进行编码，生成实验用的p d f 4 1 7 条形码，为下面的工作做好准备。 ( 2 ) 对采集到的p d f 4 1 7 条码图像进行各种预处理，以达到后续实验的要 求。由于使用普通的打印机打印条码，用摄像头采集条码图像，因此条码图像的 边缘非常模糊，并且会存在一定程度的畸变。由于采集图像时，条码不可能放置 为绝对水平的位置，条码图像始终会存在一定的角度偏差。本文做所的预处理就 是要对以上条码图像中存在的这些问题进行修正，使条码图像达到最佳的质量， 以满足后面的需要。在对图像进行二值化处理时，本文中提出了一种改进的全局 阈值求取方法，对比普通全局阈值求取方法和o t s u 阈值求取方法进行介绍，给 出他们的优缺点，实验证明该算法不仅在分割效果上可以满足条码识别的需要， 而且也大大降低了算法的时间复杂度，很好地处理了效果和效率的关系。 ( 3 ) 条码图像的识别、符号字符的提取以及r s 错误控制码的译码方式。 在介绍符号字符的提取时，首先介绍两种传统的方法：( a ) 对边缘提取后的条码 层进行垂直投影，按照投影点的位置记录条、空的起始和结束位置，最后求得条、 空的模块宽度。( b ) 对原始条码进行水平分割，然后按照单位模块宽度和单位码 字模块的关系，将水平条码层划分成单位码字模块，在每一个单位码字模块中计 算其中条、空的模块宽度。 由于使用的是摄像头采集到的条码图像来进行识别处理，和扫描设备采集的 图像进行对比，其边界非常模糊，经常存在图像畸变，甚至在采集前条码图像中 已经存在着一定的污染。因此，使用传统的符号字符提取方法时，不能正确地提 取出图像的符号字符，从而不能正确地将图像解码。本文中，通过跟之前的符号 字符提取方法进行实验对比，提出一种新的码字提取方法，将条码的单位模块宽 度的求取和符号字符的提取分割开来进行。实验证明这种方法具有比较好的抗干 扰性。 1 5 论文安排 本文各章内容具体安排如下： 第一章主要介绍二维条形码的历史和现状，应用领域、研究的目的以及本文 将要完成的工作内容及工作安排等。 第二章主要介绍了p d f 4 1 7 条形码的条码结构、符号字符和码字的概念、编 7 硕士学位论文第一章绪论 码模式、编码原理、r s 纠错码的编码方式，并且用这些介绍过的方法对需要编 码的信息进行p d f 4 1 7 编码，得到实验条码。 第三章主要介绍了条码识别前必不可少的步骤一条码图像的预处理( 包括 图像滤波，条码倾斜角度校正等) ，其中在对图像进行二值化处理时使用改进的 全局阈值方法来分割条码图像，保证了算法的效果和效率。 第四章主要介绍了条码图像中符号字符提取方法以及p d f 4 1 7 条形码的解码 过程。在介绍符号字符的提取时，首先介绍两种传统的方法，然后对比介绍了本 文中提出的、纠错性能更好的符号字符提取方法，并给出了实验对比。 第五章是总结与展望。 8 硕士学位论文 第二章p d f 4 1 7 条形码的结构和编码原理 第二章p d f 4 17 条形码的结构和编码原理 2 1p d f 4 1 7 条形码的结构 p d f 4 1 7 条码是一个多行结构的二维条形码。它的顶部和底部为空白区域， 上下空白区域之间为多行条码结构，每一行的数据字符的数量相同，由1 _ 3 0 个 数据字符组成。最小行数为3 行，最大为9 0 行，每一行左右对齐并且直接连接。 符号结构如下图2 1 所示： 起始符左行指示符数据字符右行指示符终止符4 - 厂、厂弋。厂、厂_ 、，厂、 空白区_ 措州唪_ 图2 - 1p d f 4 1 7 条码符号的结构 每一层包括： a 左空白区；b 起始符； c 左行指示符；d 1 到3 0 个数据符号字符： e 右行指示符；f 终止符；g 右空白区。 2 2p d f 4 1 7 条码的符号字符表示 空白区 i 行l 行2 行3 行4 行5 本节主要介绍p d f 4 1 7 条码的符号字符的组成结构、符号字符对应的条码的 码字集的规范、符号字符的簇的概念和行指示符号字符等相关内容，更深一层次 地介绍了p d f 4 1 7 的编码规则。 2 2 1p d f 4 17 条码符号字符的结构 在条码中，由特定的条和空白组合而成的表示信息的条码的基本单位叫做条 码的符号字符。p d f 4 1 7 条码的每个符号字符由4 个条区域( b l ，b 2 ，b 3 ，b 4 ) 和4 个空白区域( s l ，s 2 ，s 3 ，s 4 ) 组成，自左向右排列，并且所有的符号字符 9 硕士学位论文第二章p d f 4 1 7 条形码的结构和编码原理 都从条单元开始，并由空白单元结束。每个条( 空) 的宽度为1 至6 个单元模块 宽度，单元模块的宽度可以按照条码码字的数量和采集设备的优劣自行设定，但 不得小于0 1 9 1 毫米。在一个符号中，4 个条和4 个空的总模块数为1 7 ，这也是 p d f 4 1 7 得名的原因，如图2 2 所示。 1 7 暑l s 3 b 2 b ， 图2 - 2 条码符号字符 符号字符的值又叫做条码的码字，每一个符号字符在相应的簇里面对应唯一 的一个码字，簇是用来区分相邻条码层码字的一种机制，详见2 2 3 节介绍。符 号字符和条码码字之间的对应关系见文献6 附录。例如，图2 2 中的符号字符为 5 1 1 1 1 2 5 1 ，它在第0 簇中对应的码字为0 0 5 ，在第3 簇和第6 簇中则无相应的码 字与其对应，因此可以很好的区分相邻的条码层。 2 2 2p d f 4 1 7 条码码字集 p d f 4 1 7 条码码字集包含9 2 9 个码字，码字的取值范围为0 9 2 8 。在码字集 中，码字的使用遵循下列规则： 码字0 8 9 9 ，用于表示数据。 码字9 0 0 9 2 8 ，在每一模式中，用于具有特定目的符号字符的表示。具体 规定如下： 码字9 0 0 、9 0 1 、9 0 2 、9 1 3 和9 2 4 用于模式标识； 码字9 2 5 、9 2 6 、9 2 7 用于g l i ( g l i 为全球标识标记符，不同的g l i 具有相 应的码字解释) ： 码字9 2 2 、9 2 3 、9 2 8 用于宏4 1 7 条码； 码字9 2 1 用于阅读器初始化： 码字9 0 3 9 1 2 、9 1 4 9 2 0 保留待用。 1 0 硕士学位论文第二章p d f 4 1 7 条形码的结构和编码原理 2 2 3 符号字符的簇 p d f 4 1 7 中的9 2 9 个码字组成的集合可表示成3 种不同的条码字符集( 也可 称为簇) ，每一簇中，每一个符号字符对应唯一的码字。簇的作用是为了使相隔 的条码层之间能够彼此区别，在相邻两个条码层之间使用的是不同的簇，因此对 条码进行识别、提取码字时就不会混淆条码层的顺序。每一符号字符在相应的簇 中对应唯一的码字，其范围为0 - - 9 2 8 。 簇的编号分别是0 ，3 ，6 簇定义可应用于所有的p d f 4 1 7 条码子符，除了开 始和终止字符。四一七条码的每行只使用一个簇中的符号字符。同一簇每三行重 复一次。第一行使用第0 簇，第二行使用第3 簇，第三行使用第6 簇，第四行使 用第0 簇，以此类推。 对于特定的符号字符，簇的编号由下面的式子确定： 簇号= ( b 1 b 2 + b 3 b 4 ) r o o d9 ( 2 一1 ) 式中，b 1 、b 2 、b 3 、b 4 分别表示自左向右四个条的单位模块数，参见图2 2 。 对每一特定的行，使用的符号字符的簇的编号由下式计算： 簇号= f ( 行号1 ) m o d3 1x3 (2-2) 行号由上往下递增，最上面一行的行号为1 。 2 2 4 行指示符号字符 行指示符号字符包括左行指示字符( 厶) 和右行指示符号字符( r f ) ，分别与起 始符和终止符相连接，见图2 1 。行指示符号字符的值( 码字) 指示p d f 4 1 7 条码的 行号，行数，数据区中数据符号字符的列数和错误纠正等级。左行指示符号字符 和右行指示符号字符由下式确定： f - 3 0 t + y当c i = o b 寸 l i = l3 0 x , + z当c i = 3 时 i3 0 + 1 ，当c i = 6 时 f 3 0 + v当c j = o 时 r = i3 0 x , + j ，当c i = 3 时 l3 0 x j + z当c i = 6 时 其中： x j = i n t ( 行号一1 ) 3 ，i = 1 ，2 ，3 9 0 y = i n t ( 行数一1 ) 3 】 z = 错误纠正等级3 + ( 行数一1 ) m o d 3 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 硕士学位论文第二章p d f 4 1 7 条形码的结构和编码原理 1 ，= 数据区的列数 q = 第f 行的簇号 如果一个p d f 4 1 7 条形码为3 行，3 列，错误纠正等级为l ，那么( 厶，厶，厶) 为( o ，5 ，2 ) ，( 蜀，r ，恐) 为( 2 ，0 ，5 ) 。 2 3p d f 4 1 7 条码的编码模式 为了有效地压缩并表示数据，p d f 4 1 7 条码采用三种数据压缩模式设置来组 成字符集。三种数据压缩模式分别是文本压缩模式( t c ) 、字节压缩模式( b c ) 和数 字压缩模式( n c ) 。通过应用模式锁定转移( l a t c h s h i l l ) 码字，可在一个p d f 4 1 7 条码符号中应用多种模式表示数据。 2 3 1 模式锁定与模式转移 在对相应的信息按照p d f 4 1 7 的编码原理进行编码的时候，可以在不同的模 式之间进行切换选择相应的模式来进行编码。这里就用到了模式锁定码字和模式 转移码字。其中，模式锁定码字用于将当前模式切换为指定的目标模式，在模式 不进行再次切换前这种设置一直有效。模式转移码字用于将文本压缩模式( t c ) 暂时切换为字节压缩模式( b c ) ，这种切换仅对切换后的第一个码字有效，随后的 码字又返回到文本压缩模式。三种模式之间的切换和切换码字的关系如图2 3 所 示，其中图中的数字表示模式锁定或者模式转移所用到的状态码字： - 模式转移 _ 模式锁定 图2 - 3 三种模式的模式切换和切换码字 2 3 2 文本压缩模式( t c ) 文本压缩模式是每一符号起始的默认有效的压缩模式。为了更有效的表示数 硕士学位论文 第二章p d f 4 1 7 条形码的结构和编码原理 据，文本压缩又分为大写字母型子模式( a l p h a ) 、小写字母型子模式( l o w e rc a s e ) 、 混合型子模式( m i x e d ) 希! 标点型子模式( p u n c t u a t i o n ) l 匹1 个子模式。 每种子模式选择了相应频率较高的一组字符组成各自的字符集。在子模式 中，每一个字符对应一个值( o 2 9 ) ，两个字符( 字符对) 结合表示一个码字，字符 转换为码字的计算公式如下： 码字= 3 0 x h + 三( 2 5 ) 式中：h ，l 依次表示字符对中的高位和低位字符值。 任何模式切换到文本压缩模式( t c ) 都锁定为大写字母型子模式，并且在编码 时也可以在文本压缩模式的子模式之间进行切换，文本压缩模式的四种子模式之 间的关系如图2 - 4 所示，其中，l l 表示锁定为小写字母模型，p s 表示转换为标点 型子模式，m l 表示锁定为混合型子模式，a l 表示锁定为大写字母型子模式，p l 表示锁定为标点型子模式，a s 表示转移为大写字母型子模式。l l ，p s ，m l ，a l ， p l ，a s 都是文本压缩模式中的特殊字符，因此也适合用式2 5 来计算计算它的码 字。 由于一个码字由高位和低位两个字符通过式2 5 计算得来，因此在一个字符 串的尾部有奇数个字符时，需要用值为2 9 的虚拟字符p s 填充最后一个码字。如 果在一个字节转移( 码字9 1 3 ) 之前紧接着应用p s ( 2 9 ) 作为一个填充，那么 p s 则无效，并且不允许紧跟在一个子模式转移之后的另一个子模式转移或锁定。 2 3 3 字节压缩模式( b c ) 图2 - 4 文本压缩子模式之间的关系 字节压缩模式通过基2 5 6 至基9 0 0 的转换，将字节序列转换为码字序列。 硕士学位论文第二章p d f 4 1 7 条形码的结构和编码原理 对于字节压缩模式，有两个模式锁定( 9 0 1 ，9 2 4 ) 。当所要表示的字节总数不 是6 的倍数时，用模式锁定9 0 1 ，当所表示的字节总数为6 的倍数时，用模式锁 定9 2 4 。在应用模式锁定9 2 4 的情况下，6 个字节可通过基2 5 6 至基9 0 0 的转换 用5 个码字表示，从左到右进行转换。 例：一个两位1 6 进制的序列0 1 h ，0 2 h ，0 3 h ，0 4 h ，0 5 h ，0 6 h ( h 代表十六 进制1 可以表示为一个码字序列9 2 4 ，1 ，6 2 0 ，8 9 ，7 4 ，8 4 6 。 因为有6 个数据单元，第一个码字选用字节压缩模式锁定码字9 2 4 ，该6 个 数据字节到5 个码字的转换右下式给出 l x 2 5 6 5 + 2 x 2 5 6 4 + 3 x 2 5 6 3 + 4 x 2 5 6 2 + 5 x 2 5 6 1 + 6 = l x 9 0 0 4 + 6 0 2 x 9 0 0 3 + 8 9 x 9 0 0 2 + 7 4 9 0 0 + 8 4 6( 2 6 ) 当所要表示的字节数不是6 的倍数时，必须使用模式锁定码字9 0 1 ，前r x 6 字节的转换方法与上述方法