基于摄像头的条码识别技术的研究及实现

摘要
随着时代的发展，21世纪已经成为信息时代，科学技术得到了空前的进步。

由于大量的生产生活的需要，自动识别技术应运而生，从个个方面影响了人们的生活生产方式，对人们带来了极大便利。

二维码技术由于信息容量大、操作方面、保密性高等优点而逐渐被各行各业广泛使用。

在此背景之下，本文将对摄像头的条码识别技术进行深入研究。

本文主要分为三个部分来对条码识别进行讨论。

第一部分，介绍了本课题的研究背景，以及国内外关于条码研究的进展。

第二部分，介绍了条码技术相关知识。

具体包括一维条码介绍、二维条码介绍以及二维条码的编码规范。

第三部分，详细介绍了二维条形码的识别装置设计。

分别从二维码识读原理、CMOS图像传感器的介绍入手，然后就基于OV7640的二维码识别装置做了详细介绍。

关键词摄像头识别条码识别 CMOS图像传感器
Research and realization of barcode
recognition technology based on camera
ABSTRACT
With the development of The Times, the 21st century has become an information age, and science and technology have made unprecedented progress. Due to the large quantity of production and daily life needs, automatic identification technology emerges at the right moment, which has brought great convenience to people from all aspects of impact and people's life and production mode. The 2d barcode technology is widely used in all walks of life due to its advantages such as large information capacity, operation aspect, high privacy and so on. In this context, this paper will carry out in-depth research on the camera bar code identification technology.
This paper is divided into three parts to discuss bar code identification. The first part introduces the research background of this subject and the progress of barcode research at home and abroad. The second part introduces the knowledge of barcode technology. It includes one-dimensional barcode introduction, 2d barcode introduction and 2d barcode coding specification. The third part introduces the design of the identification device of 2d barcode. This paper starts with the introduction of two-dimensional code reading principle and CMOS image sensor, and then makes a detailed introduction based on the two-dimensional code recognition device of OV7640.
Key words：Camera identification；Bar code identification；CMOS image sensor
目录
1 绪论 (4)
1.1 研究背景 (4)
1.2 条码技术的国内外发展及现状 (4)
1.2.1 国外发展与现状 (4)
1.2.2 国内发展与现状 (5)
2 条码技术相关知识 (5)
2.1 一维条码 (5)
2.2 二维条码 (6)
3 二维码识别系统设计 (6)
3.1二维码识别基本原理 (6)
3.2二维码识别系统结构图 (7)
3.3摄像头 (7)
3.3.1 摄像头的基本构成 (7)
3.3.2 摄像头的基本原理 (8)
3.3.3 CMOS摄像头模块 (8)
3.4二维码扫描器传感器CMOS (10)
3.4.1 CMOS基本介绍 (10)
3.4.2 CMOS工作原理 (10)
3.5 A/D转换器 (11)
3.5.1 ADC0809模数转换器 (11)
3.5.2 ADC0809模数转换器工作过程 (11)
3.6二维码解码器 (12)
3.6.1解码器的基本概念 (12)
3.6.2单片机AT89C52的简介 (12)
3.6.3单片机AT89C52电路图及译码 (13)
3.7单片机AT89C52与计算机的串行口连接 (14)
4 总结 (17)
参考文献 (18)
致谢 .............................................................................................................. 错误！未定义书签。

1 绪论
1.1 研究背景
21世纪是信息的时代，科学信息技术的发展取得了空前的成就，也从方方面面影响着人们的生活，改变着传统的生活方式。

特别是自动识别技术，为人们的生活带来了极大地便利。

自动识别技术就是让特定的信号来带替待翻译的信息，然后用特殊的识别装备进行再次翻译，读取信息。

识别技术下应运而生的条形码技术一直都备受关注，全覆盖式的影响生活、交易方式。

例如大型超市中利用扫条形码的方式快速识别商品的信息，然后利用计算机自动反恐出所有商品的价格，提高工作效率。

随着信息技术的发展，条形码也由原来的一维条码发展为了二维条码。

二维条码具有信息容量高、可靠性高等显著优点。

随着二维条码应该领域的扩大，行业内对二维条码的研究就越来越深入，其技术开发越来越先进。

本文就摄像头的条码识别技术展开讨论。

1.2 条码技术的国内外发展及现状
1.2.1 国外发展与现状
在上世纪威斯汀豪斯的实验室最早发明了条码技术。

条形码最早是用于表示发明者的地址的。

他的使用原理是用一个竖条表示数字1，用两个竖条来表示数字2。

这就是条形码的前身。

真正属于现代科技的条形码出现于上世纪70年代，并首次建立了第一个条码系统，简称为UUC。

随着条形码的普及，他运用的领域范围也越来越广，深远的影响着人们的生活方式。

由于其成本低、保密性强等特点，使其快速在商业、交通运输业和医疗卫生等领域得到运用。

经过一维条形码的过度之后，二维条形码也在上世纪80年代初开始出现，并迅速被普及运用，特别是医药领域、图书管理等都纷纷引进了这一科学的技术。

总体来说，条形码从提高数据采集速度和提高信息处理两个方面改善人们的生活，为人们的生活带来了便捷。

1.2.2 国内发展与现状
较国外对条形码的关注和运用，我国的条形码发展就较为落后。

直至上世纪80年代后期我国才开始关注条形码的发展。

1988年，我国政府正式建立了首家中国物品编码局，标志着我国条形码使用秩序的建立。

经过近三十年的发展，在科学技术的支持之下，我国条形码技术追赶上了国际水平，广泛应用于各个领域。

我国的二维条形码研究是于1993年开始的。

他最初的研究是基于引进国外的成功经验的，但随着后期深入的技术研究，我国逐渐实现了技术独立，发展了我国自身的二维条形码技术，并应用于汽车行业自动化生产线、涉外案件、银行等领域。

上世纪末，二维条形码还被正式适用于与会人员的证件证明，这是技术革新的历史性事件。

在二维条形码技术方面，目前已经研究出来并被广泛应用的二维条形码有DataMatrix、QRCode、MaxiCode、CodeOne、Code49、Code16K、PDF417。

二维条形码不仅可以将文字翻译成特殊的条形码，还能将数字、声音等多种信息进行转换，具有信息量大、保密性高的优点。

2 条码技术相关知识
2.1 一维条码
一维条形码是由一组排列规则的条，空及对应字符组成的标识。

其中，不同信号的条形码中的条和空的宽度是不一样的。

特就是说，它的条和空的宽度和位置的不同代表着不同的含义，能翻译成不同的意思。

经过特殊的识别装备就能将这些条和空进行转换，在计算机中显示出来，供人们参考。

除此之外，一维条形码还包含一组数字，它是与条和空相平行的信息。

当条和空的信息不能被扫描翻译出来时，可以直接输入这一组数字进行转换，同样能获取信息。

完整的一维条码由空白区(位于两侧)、起始符、终止符、数据字符、供人识别字符和校验字符这六部分组成。

其中，包含产品详细信息的是数字字符和校验字符，其他部分仅作为辅助作用存在。

一维条形码的基本结构如下：
图1-1 二维码示意图
2.2 二维条码
一维条形码的可靠性较差，难以适应较大规模的运用，不发完全满足试产需求。

因此，二维条形码因运而生。

除了继承了一维条形码的优点之外，二维条形码还具有信息量容量大、保密性高等优点。

二维条形码的技术特点是，利用特定的几何图形来对信息进行编码，用具有一定规律的黑白相隔的图形来表示信息。

二维条形码的设计原理是基于计算机内部“0”和“1”的比特流来实现的，通过这种信号转换来将产品信息转换至计算机中显示。

二维条形码可以分为堆叠式和矩阵式两种。

堆叠式二维条形码是由多行短截的一维条码堆积而成的。

其设计原理与一维条形码相似，在其基础之上增加了纵向的信息堆叠。

这就加大了信息的容量和保密性。

现阶段被广泛认可的堆叠式二维条形码有Code49码、Code16K码、PDF417码等。

而矩阵式二维条码顾名思义就是矩阵形式的。

其设计的原理是，在矩阵的对象坐标位置上，用点来代表计算机中的“1”，而空白则表示计算机中的“0”。

它是由点和空白来组成的，与传统的线和空白有一定的区别，也正因如此，矩阵式二维条形码更倾向于图像处理。

目前，比较受认可的矩阵条形码有QR码、Maxi码、One码、Matrix码等
3 二维码识别系统设计
3.1二维码识别基本原理
二维码识别的基本原理，它运营光学系统来读取二维码，再降光信号通过光电转换器进行转换为电信号，并通过电路系统放大和处理电信号。

最后，将信号以二进制脉冲信号的形式输出到解码器。

二维码识别系统主要是由二维码扫描器和二维码解码器组成。

当要识别二维码时，将摄像头对准需要识别的二维码符号，二维码反射的光就可以通过光敏元件把光信号转化为电信号，电信号通过西处理器进行放大、滤波、整形等信号处
理，转化为数字脉冲信号。

AD转换器按照一定的解码逻辑和解码算法对数字脉冲信号进行处理后，于是就就可以把二维码符号相对应的数字代码信息通过显示器显示出来。

3.2二维码识别系统结构图
图1系统结构图
由光学镜头对二维码进行扫描和采集，通过CMOS传感器进行光电转换，从而得到模拟信号，再经过AD转换器，得到初步数字信号，最后通过与译码器连接得到能被计算机识别的信号源，最后通过MAX232芯片进行电平处理，将信号传输到PC端。

3.3摄像头
3.3.1 摄像头的基本构成
图2 摄像头结构图
摄像头主要是由6分部件构成，分别是1 镜头保护膜、2 镜头组、3 对焦马达、4红外线滤光片、5 影像传感器、6 线路连接基板，本二维码识别设计中，我选择是CMOS传感器。

3.3.2 摄像头的基本原理
，摄像头的工作原理是将二维码反射的光传输到透镜，并通过透镜将光聚焦在CMOS芯片上，CMOS芯片受到光的照射使电荷发生位移产生电势差，经过周期性的放电，产生了电信号，经数模转换电路输出端子输出一个标准的数字信号图像。

电信号由前置放大电路，并由AGC自动增益控制处理。

将模数转换转换成图像数字信号后，最终发送到图像处理芯片。

同步信号发生器主要产生同步时钟信号，即产生水平和垂直驱动扫描信号，到图像处理IC。

DAC的输出端输出标准的数字信号图像。

数字信号图像将直接作为输出对象传输给单片机进行处理。

3.3.3 CMOS摄像头模块
本系统所采用的传感器是HI&PROS公司自主研发的一套识别PROCM-200M二维条码识别模块（如图3所示），该模块采用CMOS传感器和专用镜头模块支持全方位读取，能够智能锁定目标，并能快速读取二维码。

二维码图像通过感光器读取、识别和解释图像信息处理，从而实现信息的解码和获取。

PROCM-200M数字式摄像头的主要技术措施有三点：
（1)按应用需求设计CMOS驱动电路及工作参数;
（2)CMOS图像信号经线性放大后在摄像机内立即进行数字化处理，直接输出数字图像;
（3)按CMOS象元一一对应数字化采样。

图3：CMOS感光器件原理图
该传感器模块的具体参数如下所示
3.4二维码扫描器传感器CMOS
3.4.1 CMOS基本介绍
CMOS传感器的作用是能直接将接受到的光学信号转换为数字电信号，图像信息被获取、传输、存储、处理和再现。

传感器的显著特点是：
1.灵敏度高，噪声低，动态范围大；
2.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；
3.功耗小，工作电压低，体积小重量轻；
4.抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；
5。

采用大规模集成电路工艺技术生产，能够达到高像素尺寸精确等要求。

因此，许多使用光学方法测量外径的仪器使用CMOS器件作为光电接收器。

3.4.2 CMOS工作原理
CMOS传感器从功能上可分为线阵式CMOS传感器和面阵式CMOS传感器两大类。

线性CMOS的处理通常是将CMOS内部电极分成阵列，每个阵列被称为相位，同时，对每个相位施加相同的时钟脉冲。

对二维码进行识别时，将摄像头对准所要识别的二维码，二维码反射光，传播到光学透镜，并通过光学透镜聚焦在CMOS芯片上。

CMOS芯片根据光的强度累加相应的电荷，并周期性地放电。

产生特定频率的电磁脉冲信号。

如图4所示
图4：COMS处理视屏信号示意图
3.5 A/D转换器
3.5.1 ADC0809模数转换器
本系统使用的 A/D转换器是美国National Semiconductor公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近ADC0809模数转换器。

在其内部有一个8通道多路复用器，它可以根据地址码锁存编码信号，并且只选择8个模拟输入信号中的一个用于A/D转换。

目前这款转换器在单片机初学应用设计中使用比较多。

设计方案比较成熟，ADC0809转换器是CMOS单芯片渐渐逼近的A/D转换器。

内部结构如图5所示，由8个模拟开关、地址锁存器和解码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

图5:ADC0809电路图
3.5.2 ADC0809模数转换器工作过程
COMS芯片处理后产生的电磁脉冲信号是模拟信号，需要经过预中放电路放大、AGC自动增益控制，再由A/D转换器转换为计算机识别的二进制数字信号传输给图像处理器进行处理。

图6：二维码
以图6二维码为例，经过A/D转换器后，经数模转换电路通过输出端子输出一个标准的数字信号图像。

输出的信息为：
0001 0000001000 0000001100 010******* 1000011
3.6二维码解码器
3.6.1解码器的基本概念
二维码译码器是将来自二维码符号的脉冲数字信号转换为计算机可识别信号，并通过数据通信技术将二维码符号表示的数据发送给计算机。

为了解释由二维码符号表示的数据，二维码解码器具备以下功能： 1.识别二维码符号的定位点。

2.确认二维码符号的有效静态区域。

3.判断二维码符号的编码系统和扫描方向。

4.将每个元素的宽度量化为相应代码的多个单位元素宽度。

5.确保量化元素的宽度与解码的编码规则一致。

6.将条形码符号表示的数据转换为计算机可识别的数据，并将其发送到计算机。

7.显示由二维码符号表示的数据，从而让蜂鸣器和显示灯指示读取的成功。

通常二维码解码器采用微处理器及相应的硬件来完成上述功能。

3.6.2单片机AT89C52的简介
该系统采用的是AT89C52单片机芯片。

AT89C52单片机是一种低电压、高性能的CMOS 8位MCU ，它包含8K 字节的改写闪存只读程序存储器和256字节随机存取数据存储器。

该设备将由ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容性标准是51-MCS 指令系统。

内置通用8位中央处理单元和闪存单元，
AT89C52内置强大的微型计算机提供了性价比高的解决方案。

AT89C52单片机作为一种高性能、低能耗的单片机，具有40个引脚，32个外部双向输入/输出）I/O （端口，2个外部中端端口，2个16可编程定时计数器，
2个全双工串行通信端口，以及AT89C52单片机。

按照常规方法进行编程。

它可以在线编程。

将闪存与普通微处理器相结合，特别是可以反复擦除的闪存，可以有效地降低开发成本。

主要功能特性：
3.6.3单片机AT89C52电路图及译码
图7单片机AT89C52电路图
经AD转换器之后 J2的八段信号与P10至P17相连接构成输入信号右上角模块为单片机电平稳定，用来调节电压稳定、保护电路
其中加入了精振板块，使单片机接收到更加稳定的信号
单片机译码
当信号经A/D转换器后，数模转换电路通过输出端子输出一个标准的数字信号图像。

输出的信息为：
0001 0000001000 0000001100 010******* 1000011 单片机AT89C52将数字信号直接作为输入对象传输给单片机后通过特定的解码算法输出以下结果：
0001 代表编码为数字
0000001000 代表有8个数字
0000001100 代表十进制数012
010******* 代表十进制数345
1000011 代表十进制数67
即该二维码显示的信息为数字01234567
不同的信息经过不同的编码算法生成的二维码可以在二维码解码器识别到信息后自动通过相应的算法进行解码，在扫描二维码后，数据信息传递到二维码解码模块进行相应的运算和输出。

3.7单片机AT89C52与计算机的串行口连接
微控制器具有全双工串口通信端口，可以通过串口与计算机和单片机进行通信。

串行通信必须满足一定的条件进行，如计算机的串口是TTL级，单片机的串口是RS232级，计算机和单片机必须有一个电路进行电平操作。

本设计采用了MX23芯片进行转换操作，虽然也可以使用三个晶体管进行仿真，但是使用专用芯片更简单、更可靠。

图8 MAX232芯片与PC端连接图
串行口RS232(DB9)引脚得定义如下：
我们使用三线系统连接到串行端口，也就是说，只有3根线连接到计算机的9针串端口：第5脚GND、第2脚RXD、第三脚的TXD。

这是最简单的连接方法，但是完成该系统的功能已经足够了，
电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的20脚连接，第9脚和单片机的22脚连接，第15脚和单片机的23脚连接。

图5：解码器与PC机的连接
串口通讯的硬件电路（如图5所示），我们能够通过以下方法来测试串口硬件是否存在问题。

1.将MAX232的第9引脚接地，测量串口的第3脚与第5脚之间能否产生10V 左右的电压。

2.将MAX232的第9脚接上正5V电压，测量串口的第3脚和第5脚之间能否产生-10V左右的直流电压。

通过这样的方法就可以判断串口线的排线压接处是否有接触不良，MAX232是否完好。

最后我们使用电脑在WINDOWS操作系统环境下观测输出的单片机的数据，我在这里我们利用SComassistant V2.1软件串口调试。

4 总结
随着信息时代的快速发展，人们逐渐被海量信息所淹没。

人们生活和生产急需有效的信息处理技术来快速处理各种形式的信息。

条码识别技术作为信息科学技术的产物，就能够快速准确的处理各种信息，提高工作效率，为人们带来便捷。

因此也得到广泛运用，各行各业都开始使用。

因此，对摄像头的二维码的识别技术研究有着重要的意义。

本文通过对二维码的识别进行了一定的研究，希望在笔者的研究基础之上，能够有更好地发展，更多的技术成果。

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