劉偉

（南京航空航天大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京210016）

劉偉（碩士研究生），主要研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字圖像處理。

引 言

目前，條碼技術(shù)，尤其是二維條碼技術(shù)應(yīng)用廣泛。2006年，中國(guó)移動(dòng)正式推出了手機(jī)二維條碼業(yè)務(wù)，主要應(yīng)用于移動(dòng)增值服務(wù)。2009年，鐵道部門正式用QR碼取代一維條碼應(yīng)用于火車票票據(jù)的檢測(cè)。可以預(yù)見隨著3G時(shí)代的到來(lái)、現(xiàn)代物流業(yè)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)的推廣，條碼識(shí)別和應(yīng)用必將得到全面的飛速發(fā)展。

1 QR碼簡(jiǎn)介

QR碼是由日本Denso公司于1994年9月研制的一種矩陣二維條碼符號(hào)。它具有信息容量大、可靠性高、可表示文字圖像等多種信息、保密防偽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還具有高速全方位識(shí)讀、能有效表示中國(guó)漢字與日本漢字等主要特點(diǎn)［1］。如圖1所示，每個(gè)QR碼符號(hào)由編碼區(qū)域和功能圖形組成，其中功能圖形包括位置探測(cè)圖形、分隔符和校正圖形。

圖1 二維條碼QR碼

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用基于WinCE嵌入式的智能手機(jī)為硬件平臺(tái)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主處理器DSP上外接攝像頭控制器、LCD控制器、SRAM控制器、通用GPⅠO口、UART口等。攝像頭完成圖像數(shù)據(jù)的采集后，系統(tǒng)會(huì)在SRAM中創(chuàng)建一片視頻幀緩沖區(qū)，通過(guò)Allocator組件來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，將捕捉到的圖像一路傳給主處理器DSP進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)處理，另一路傳給LCD控制器進(jìn)行圖像的預(yù)覽。主處理器負(fù)責(zé)主界面的顯示／條碼的實(shí)時(shí)識(shí)別和解碼，以及輸入信息的處理。

圖2 WinCE硬件架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件在基于 WinCE 6.0的 Windows Mobile 5.0 Pocket PC和 Windows Mobile 5.0Smartphone平臺(tái)上使用C＋＋語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。軟件主要分為圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、識(shí)別解碼模塊和應(yīng)用模塊4個(gè)模塊。圖像采集模塊主要完成條碼圖像的采集，一方面通過(guò)攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)解碼，另一方面把采集的圖像數(shù)據(jù)送屏幕顯示。圖像預(yù)處理模塊主要是對(duì)采集的QR碼圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括灰度化、中值濾波、二值化等，為識(shí)別解碼做好前期準(zhǔn)備工作。識(shí)別解碼模塊主要功能包括QR條碼的檢測(cè)、定位、分割、識(shí)別以及條碼解碼。應(yīng)用模塊主要包括發(fā)送郵件、撥打電話、訪問(wèn)網(wǎng)址、存儲(chǔ)條碼信息和短信應(yīng)用等。軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

3 QR碼識(shí)別解碼的核心算法

考慮到QR碼圖像的特點(diǎn)、嵌入式平臺(tái)的處理速度、條碼本身的污染扭曲，以及在圖像采集過(guò)程中光照不均、抖動(dòng)等因素，QR碼識(shí)別解碼的基本過(guò)程是：首先對(duì)采集的彩色圖像進(jìn)行灰度化、濾波、二值化，接著在二值化圖像中掃描QR碼圖像，將其從圖像中分割出來(lái)，進(jìn)行解碼。

3.1 圖像灰度化、濾波與二值化

選取彩色圖像的G值（綠色分量）為灰度圖像Ⅰ（x，y）的值，并使用中值濾波去噪聲。二值化采用Ostu算法計(jì)算閾值［3］。Ostu算法效果好，但計(jì)算量比較大，可將圖像分成7×7個(gè)小分塊，對(duì)每一個(gè)小分塊使用Ostu算法計(jì)算閾值從而來(lái)降低時(shí)耗。

3.2 條碼檢測(cè)、定位及矯正

在獲取QR碼圖像數(shù)據(jù)時(shí)，可能會(huì)因?yàn)榕臄z角度等原因造成圖像幾何失真，例如獲取的QR碼圖像為任意四邊形，則須對(duì)失真圖像進(jìn)行反透視變換［4］。變換算法如圖4所示。

（u，v）是失真圖像的坐標(biāo)，（x，y）是基準(zhǔn)圖像的坐標(biāo)，A′B′C′D′為任意四邊形，ABCD為矯正后的正方形，則對(duì)于u、v坐標(biāo)系 A′B′C′D′任意四邊形中的任意一點(diǎn)（u，v），對(duì)應(yīng)在x、y坐標(biāo)系上的點(diǎn)（x，y），可通過(guò)轉(zhuǎn)換公式

圖4 反透視變換

計(jì)算獲得。通過(guò)已知四組點(diǎn)得到8個(gè)待定系數(shù)A、B、D、E、F、H、M、N，然后進(jìn)行透視矯正。

根據(jù)QR碼標(biāo)準(zhǔn)定義，QR碼符號(hào)含有3個(gè)相同的位置探測(cè)圖形。每個(gè)位置探測(cè)圖形由3個(gè)重疊的同心正方形組成，其模塊寬度比為1∶1∶3∶1∶1。其他地方遇到類似圖形的可能性極小，因此可以在得到的二值化圖像中迅速地識(shí)別可能的QR碼符號(hào)，完成對(duì)條碼的檢測(cè)與定位［5］。但是，在對(duì)條碼進(jìn)行矯正時(shí)，需要知道4個(gè)頂點(diǎn)。通過(guò)定位3個(gè)位置探測(cè)圖形可獲得其中3個(gè)頂點(diǎn)，利用下面基于QR碼紋理特征的算法來(lái)尋找第4個(gè)頂點(diǎn)。

首先根據(jù)已經(jīng)得到3個(gè)頂點(diǎn)的位置，可以確定QR碼符號(hào)的兩條邊界，及其邊界直線斜率θ1、θ2，然后舍去其交叉的頂點(diǎn)。對(duì)于剩下的兩個(gè)頂點(diǎn)，分別利用它作為直線上的一點(diǎn)，以一定范圍的角度（－θ，θ）進(jìn)行搜索來(lái)尋找條碼邊界，依據(jù)是包含條碼跳數(shù)（黑塊與白塊交替一次稱為一跳）最多的直線即為條碼的邊界。通過(guò)這種方法可以找出需要的另外兩條邊界，其交點(diǎn)即為第4個(gè)頂點(diǎn)。知道4個(gè)頂點(diǎn)以后，通過(guò)反透視變換將其矯正到正確位置，如圖5所示。旋轉(zhuǎn)后會(huì)產(chǎn)生鋸齒邊界，這里利用雙線性插值對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理［6］。對(duì)相鄰的4個(gè)像素進(jìn)行插值，其單位正方形上任意一點(diǎn)f（x，y）有：

在編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，反透視變換和雙線性插值同時(shí)進(jìn)行。分割出QR碼后進(jìn)行解碼，其解碼過(guò)程不是本文重點(diǎn)，不再詳細(xì)闡述。

圖5 反透視變換

4 圖像采集子系統(tǒng)

4.1 DirectShow體系結(jié)構(gòu)

DirectShow是微軟公司在ActiveMovie和Video for Windows的基礎(chǔ)上推出的新一代基于COM的流媒體處理的開發(fā)包。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示。DirectShow通過(guò)過(guò)濾器圖表管理器（Filter Graph Manager）來(lái)與上層應(yīng)用程序和下層的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行聯(lián)系。應(yīng)用程序可以通過(guò)Filter Graph Manager提供的一組組件對(duì)象模型接口來(lái)訪問(wèn)過(guò)濾器或者控制多媒體數(shù)據(jù)流，例如控制數(shù)據(jù)幀率、圖像大小、圖像質(zhì)量等等。在本系統(tǒng)中采用COM組件來(lái)訪問(wèn)DirectShow中的過(guò)濾器，從而獲得QR碼圖像數(shù)據(jù)。

圖6 DirectShow系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 QR碼圖像采集

4.2.1編寫處理QR碼圖像數(shù)據(jù)的Filter

通過(guò)DirectShow提供的視頻采集Filter來(lái)驅(qū)動(dòng)攝像頭以獲得視頻幀。在采集到圖像數(shù)據(jù)后編寫處理QR碼圖像數(shù)據(jù)的Filter，它調(diào)用預(yù)處理與識(shí)別解碼模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。編寫一個(gè)Filter主要包括兩個(gè)方面：選擇一個(gè)合適的父類和應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這里選擇CTransformFilter作為Filter的父類。對(duì)于應(yīng)用結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在重寫CTransformFilter∶∶Transform（）函數(shù)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)線程來(lái)調(diào)用預(yù)處理與識(shí)別解碼模塊，這樣使得編寫的Filter結(jié)構(gòu)清晰、可擴(kuò)展性良好。

4.2.2構(gòu)建FilterGraph

首先創(chuàng)建一個(gè)Filter Graph，再根據(jù)Filter各自的GUⅠD號(hào)來(lái)創(chuàng)建不同的Filter對(duì)象，并調(diào)用Filter Graph的接口AddFilter把這些Filter一一加入Filter Graph中。然后利用Capture Graph Builder對(duì)象提供的Ⅰcapture－GraphBuilder2接口將所有Filter“串聯(lián)”起來(lái)，從而構(gòu)建一個(gè)完整的Filter Graph數(shù)據(jù)流。下面為構(gòu)建Filter Graph的主要步驟及關(guān)鍵源代碼。

① 創(chuàng)建并初始化Filter Graph Manager組件對(duì)象。

② 創(chuàng)建視頻采集Filter對(duì)象，并添加進(jìn)Filter Graph中，其他Filter類似。

③將編寫好的處理QR碼圖像數(shù)據(jù)的Filter也加入其中。

④ 將添加的各個(gè)Filter“串聯(lián)”起來(lái)，形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)流。

4.2.3自動(dòng)對(duì)焦

在使用攝像頭進(jìn)行取像的過(guò)程中，有可能發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象，圖像會(huì)變得模糊。使攝像頭自動(dòng)對(duì)焦，從而獲得更為清晰的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)快速準(zhǔn)確識(shí)別QR碼至關(guān)重要。WinCE 6.0和Windows Mobile 5.0及更高版本均支持自動(dòng)對(duì)焦。在本系統(tǒng)中，主要步驟及關(guān)鍵源代碼如下：

① 獲取攝像頭控制接口。

② 設(shè)置自動(dòng)對(duì)焦。

以上步驟描述了WinCE嵌入式設(shè)備的攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)的過(guò)程，構(gòu)建好Filter Graph后即可通過(guò)攝像頭采集QR碼圖像。

結(jié) 語(yǔ)

本文分析研究了QR碼的檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)，討論了在WinCE移動(dòng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)QR碼識(shí)別系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題（主要是如何實(shí)現(xiàn)QR圖像實(shí)時(shí)采集），并結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)在WinCE手機(jī)移動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行了QR碼識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā)。本系統(tǒng)在多普達(dá)585和HTC P600上進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出QR碼圖像，在多普達(dá)585（CPU 為 OMAP850，主頻195MHz，64MB RAM，圖像分辨率為320×240）上解碼平均耗時(shí)約450ms，只有對(duì)極少數(shù)本身污染特別嚴(yán)重的條碼不能識(shí)別。目前，本系統(tǒng)軟件已經(jīng)成功推向市場(chǎng)。

［1］GB／T18284—2000快速響應(yīng)矩陣碼［S］.

［2］Ottaviani E，Pavan A，Bottazzi M，et al.A Common Ⅰmage Processing Framework for 2DBarcode Reading［C］.Ⅰmage Processing and its Application，Conference Publication No.465ⅠEE，1999：652－655.

［3］Otsu N.A threshold selection method from gray－level histo－gram［J］.ⅠEEE Trans Actions on SMC，1979，9（1）：62－66.

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