基于机器视觉的二维码扫描设计

基于机器视觉的二维码检测系统设计院系名称：电气工程学院专业班级：自动化F1205*名：***学号：************基于机器视觉的二维码检测系统设计 (1)摘要 (3)1绪论 (4)1.1 二维码技术研究现状 (4)2二维码识别技术中的图像处理技术 (6)2.1 二维码技术概述 (6)2.1.1 二维码技术的发展 (6)2.1.2 二维码简介 (7)2.1.3 二维码的识读 (8)2.2 二维码图像预处理技术 (9)2.2.1 二维码灰度图像的二值化处理 (9)2.2.2 二维码图像的降噪实现 (10)2.2.3 二维码数字图像的边缘检测 (14)2.2.4 二维码图像的畸变矫正 (18)2.3 本章小结 (18)3总结和展望 (20)参考文献 (21)摘要针对目前迅速发展的自动识别技术，二维码作为此技术最底层的信息存储载体之一，承载着它自己的优势（低成本、高存储密度、超高速识读、较强的纠错能力等），将在信息识别领域发挥着重要作用。

本文针对于二维码识别的译码技术，通过深入研究其存在的不足及缺点，对其核心RS译码算法进行优化改进，改善其性能。

二维码的核心技术包括二维码图像预处理技术，编解码算法及纠错控制技术，加密技术等。

本文首先探讨了二维码图像的预处理技术，并且提出了针对于二维码图像进行处理的最佳匹配算法，包括滤波去噪、边缘检测、定位矫正等内容，每步算法都有发挥最优性能的使用条件，同时对其进行了结果分析。

其次本文重点研究了二维码识别技术中的RS纠错理论算法，在分析了传统的求解错误位置多项式BM迭代算法的基础上，提出了利用快速傅里叶变换进行计算，避免求解联立方程组和评估多项式的一种简化算法。

此改进的BM算法简化了求解方程组的迭代过程，使译码性能更加优化，大大降低了译码的复杂度，同时通过软件仿真进行验证，对其译码时间进行了分析，并与目前存在的几种译码算法进行了比较。

结果证明了此算法能够提高译码速率，很大程度上减少译码时间。

因此，基于FT变换的BM迭代算法是一种有效的优化算法。

本文还提出将基于此改进BM算法的RS译码技术应用于我国的汉信码识别中，并通过仿真观察其性能优势，但是其结果有待于进一步的研究。

最后针对我国目前的二维码技术的应用水平，提出了二维码识别技术在矿井人机定位系统、医疗卫生等领域的应用理念。

虽然其在某些行业有了初步应用，但在其他行业领域的应用探索还处于孕育阶段，需要更加成熟的二维码核心技术的支持。

关键词：自动识别技术；图像预处理；快速傅里叶变换；1绪论随着我国信息化技术的不断发展，自动识别技术逐步成熟起来，它将成为我们生产生活中不可或缺的一门重要技术。

自动识别技术是指以计算机技术为基础，能够自动进行数据的采集，并且进行数据信息的实时交换的一门新兴技术。

它可以实现与任何信息管理系统的连接，准确高效的实现数据的传输、查询、更改等功能。

二维码识别技术作为此技术之一，其核心技术的研究发展将对自动识别技术起着重要作用。

1.1 二维码技术研究现状二维码技术是目前国内外正在迅速发展的技术，从1999 年日本最先出现的二维码相关技术的发展到现在，二维码目前已经广泛的被应用于各个领域，极大地改善了人们的生活，同时也促进了社会现代化的发展。

目前在国外尤其是日韩等国，手机二维码已经发展到一定的成熟阶段，而且它已经被广泛的应用在人们生产生活的各个方面[1]。

日本90%的手机都兼有二维码识别技术，几乎所有的报刊都印有二维码，用户只需要对二维码图像进行微距拍照，就可以上网获得所需的信息例如商场中的优惠打折，新闻资讯等。

手机二维码相关的业务在日本的增值服务市场已经发展的很成熟，主要是在电子凭证类业务上的应用，在日本应用非常广泛。

在2007 年，日本最大的航空公司日航就已经推广使用了二维码移动票务业务[2]。

同时二维码电子凭证类业务的应用让移动商务切实融入到消费者的日常生活中，大大的节省了物流费用、实现了物品信息的实时追踪，不但促进了日本移动电子商务的发展，同时也为日本运营商带来了极大的利润空间。

然而在我国，高端手机、智能手机的普及率相当低，而且能够拍照摄像的手机有限且像素低，带有微距相机的几乎没有，支持二维码识别技术的手机普及率更低，因此我国手机二维码技术的发展仍然还有很长的一段路要走，仍有许多问题需要解决[3]。

近来，我国的手机二维码相关业务经过长时间的市场孕育，尽管取得了一定的进展，但距离其高速发展还有很远的距离。

尤其是相关的产业链各方还需要共同努力，但是手机二维码的广泛应用将成为必然。

针对于二维码的核心技术即编解码技术及纠错技术我国大多是采用的国外的标准，引进他们的技术，严格的专利保护，高昂的成本及在信息安全问题，使二维码在我国的应用受到了极大地限制。

直到2007 年，经过我国技术人员的努力终于研究推出了一套具有自主知识产权的二维码标准—汉信码，它弥补了国外二维码只能识别记录很少的汉字的缺点。

通过对现有二维码技术进行研究创新，最终研究出了满足我国实际需要的二维码技术标准。

2二维码识别技术中的图像处理技术2.1 二维码技术概述随着第三次世界信息化浪潮的兴起，无所不在的“物联网”成为了新一代信息技术产业中的核心名词[2]。

2010 年我国的政府工作报告中首次明确提出了物联网的定义及其核心技术，同时将其作为国家新兴战略产业其技术领域将是新的经济增长点。

2010 年，我国的政府工作报告中提出了对物联网的定义[5]：物联网指的是通过信息识别及传感仪器，按照制定好的统一协议，将任何物品与互联网进行连接，通过信息交换和通信，以此来实现自动识别、追踪、现场管理和监测控制的一种网络技术。

物联网的技术领域涉及广泛，自动识别技术将作为其最底层的核心技术，起着重要的基础作用。

日前我们最多应用的自动识别技术主要包括二维码和射频识别技术两种。

因此二维码技术作为自动识别技术之一，也作为现代发展迅速的物联网技术的底层技术之一，将对高度发展的信息化社会起着举足轻重的作用。

2.1.1 二维码技术的发展从上个世纪七十年代起，经过几十年的发展，条码技术作为一门重要的信息标识和信息采集技术，在世界范围内得到了快速发展。

条码技术是目前应用最广的自动识别技术之一。

随着社会需求的不断提高及应用的不断拓深，条码技术正处于一个良好的创新发展时期，是商品交易、产品追溯、物流追踪等领域的重要信息支撑技术[9]。

条码技术最早产生于上世纪20 年代的美国，最初的条码技术只能实现较为简单的信息存储而且编码规则简单，完全依赖于后台数据库的支持。

直到1949 年的一个专利文献中，第一次有了Norm Woodland 和Bernard Silver 创造的全方位条码的标识符号的相关记载，在这之前的专利文献都没有条码技术的相关记录，更没有投入实际应用的先例[10]。

他们的理念是利用Kermode 和YOung 的垂直的“条”和“空”，使它弯曲成环的形状，非常像被射击的靶子。

这样条码扫描器利用图形的中心，能够对条码标识符号进行译码，不需要考虑条码符号的具体方向[11]。

与此同时，这种集光、电、计算机技术与一体的新兴条码技术迅速的发展起来并且被广泛使用。

它解决了计算机采集物品信息困难的问题，能够实现信息的准确高效识读的功能。

它实现了物流和信息流的同步传输，对当时快速发展的社会生产生活发挥了重要作用，促进了信息技术的发展。

但是随着现在高速信息化、自动化技术的发展，一维条码的信息存储量远不能满足现在社会发展的需要。

因而致力于自动识别技术的科研人们通过不断的努力，研究出了高密度、超高速识读、强大存储容量及抗干扰强的二维条码技术。

1970 年Iterface Mechanisms 公司开发出了“二维码”之后，二维码技术的应用逐步迈向了成熟。

美国的Symbol 公司是目前世界上最大的条码设备生产商，其产品的销售额占据了国际份额的一半以上[9]。

二维码识别技术的出现是整个条码历史上一个重要的里程碑，它从本质上提高了条码技术水平，拓宽了条码的应用范围，给社会的生产生活带了极大的便利。

以条码技术为核心的自动识别技术已经成为国际信息化建设中的重要部分，是推动国际经济发展，增强竞争力的重要技术手段。

我国的条码技术的起步比较晚，在上个世纪八十年代一维条码技术才开始得到推广和应用，经过十多年的成长，一维条码技术也日趋成熟。

目前的一维条形码已经在我国被广泛应用。

目前我国商品条码用户有十余万家，使用条码标识的产品超过100 万种，条码自动扫描商店(P0S)数万家，大大提高了我国商品在国内外市场上的竞争力[9]。

然而，对于二维条码技术的研究我国才刚刚起步，二维码条码的使用在我国仍处于初步阶段，未来几年二维码技术的应用推广对我国还是一个值得挑战的课题。

但是我们相信随着现在信息化自动化技术的快速发展，二维码技术越来越被关注，其相关的技术也会日趋成熟，将推动信息化社会的进步。

2.1.2 二维码简介目前我国广泛应用的一维条形码的信息存储量有限，而且其信息的存储完全依赖于计算机技术，也即是必须依赖于后台数据库的支持。

一维条形码只能作为一个标识符号，其所有的相关信息完全依赖于后台服务器的支持。

下图 2.1 是一维条码-Code39 码的码图结构。

一般常用的39 码是由起始安全区域、起始码、数据码、可忽略的校验码、终止安全区域及结束码构成。

39 码只有两种单元宽度，分别为宽单元和窄单元[12]。

一般的条码字符由9 个单元组成，其中包含有 3 个宽单元，剩余是窄单元，因此称其为39 码。

图 2.1 中的不同宽度的条和空构成了信息码字图2.1 39 码码图一维条形码的最大优点是码字容量没有一定的限制，可用大小写英文字母即数字，且校验码可忽略不计，其编码规则简单，识读方便。

二维码是利用某种特定的几何图形按一定的分布规则在二维方向上排列的黑白相间的图形进行记录数据信息[13]。

二维码同一维条码一样具有不同的码制标准，每种码制都有不同的编码规则。

二维条码符号中的每个字符信息占一定宽度，具有特定的字符集，较强的校验纠错功能、信息识别功能及图像处理功能等。

二维条码具有信息容量大、密度高、纠错能力强、安全性好、编码范围广的优点，同时还可以引入校验纠错码，具有检测错误和恢复删除错误的能力。

二维条码技术大大降低了对计算机网络和数据库的依赖，依靠条码标签本身就可以起到数据信息存储及通信的作用，已经成为现代条码技术应用中的一门新兴技术。

由于一维条码只是在单个方向上表示信息，而在垂直方向不能表达任何的信息，因而这就限制了一维条码的存储能力。

它只能表示字母和数字信息不能表达其他信息（例如汉字、图像等），且空间编码的利用率低，尤其是条码图像遭到破损后不能被识读，造成信息丢失。

二维码除了表示基本的英文、汉字、数字信息外，还可以存储声音、指纹、照片及图像等各种信息。