二维码视觉识别方法研究及硬件实现(附件)【字数：22825】
摘 要摘 要随着视觉识别技术的不断发展，二维码不仅可以存储字符、汉字、数字等日常的信息数据，它具有的自主性、成本低、一定的容错与纠错能力等优势也日益凸显。二维码视觉识别算法的优劣，直接决定了识别的效率，进而影响到整个系统的运行效率。本文首先运用视觉识别与QR码解码的相关知识，实现了一个基于自适应信号处理的光平衡均衡化的基本的二维码识别算法；然后，对图像预处理算法进行了深入的研究，从三个不同的方面对预处理算法进行了改进，增强了在不同光照条件、旋转一定角度、几何失真等情况下的鲁棒性，同时运用边缘检测算法优化了算法的效率；最终基于ARM嵌入式开发平台，在硬件平台上实现了对二维码进行有效地识别，实现了基于二维码的小车位置识别应用。实验测试结果表明，改进的二维码识别算法与原算法相比，在继承了原算法基本识别功能的基础上，改进的算法既提升了二维码的识别准确度，具有了在一定复杂环境下进行二维码视觉识别的能力，具有高鲁棒性；同时，改进算法进一步减少了运算量，降低了对于有限的运算能力的要求。硬件部分的实验结果证明，本文算法可以很好地运用在ARM嵌入式开发平台上，具有高鲁棒性与低复杂度。关键词QR码；图像处理；嵌入式；二维码识别；算法
Keywords: QR code; image processing; embedded; twodimensional code recognition; algorithm 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 二维码识别的研究现状 1
1.3课题的主要研究内容 2
1.4论文的组织结构 2
第二章 基于自适应光信号处理的平衡均衡化的二维码识别算法 4
2.1 QR码简介 4
2.1.1 QR码符号特征 4
2.1.2 QR码基本特性 6
2.2 QR码识别解码流程 8
2.3 QR码的解码算法 9
2.3.1 图像预处理 9
2.3.2 定位条码 12
2.3.3 确定版本 13
2.3.4 确定采样网格 15
2.3.5读取数据与纠错译码 19
2.4算法测试结果 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
9
2.4.1有背景光组 19
2.4.2自然光组 23
第三章 二维码识别的图像预处理改进算法 26
3.1一种基于OTSU阈值法的二值化改进算法 26
3.2基于HOUGH变换的图像倾斜校正 28
3.3基于双线性变换法的几何校正 29
3.4 算法测试比较结果 32
第四章 硬件实现及实验测试 35
4.1系统开发平台的搭建 35
4.1.1 ARM嵌入式开发平台 35
4.1.2软件开发平台 36
4.1.3人机交互页面的开发 36
4.2嵌入式QR码识别系统的实验测试 38
4.3基于二维码的小车位置识别应用 40
结 论 45
致 谢 46
参考文献 47
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
自20世纪末期初推出条码技术之后，发展地非常迅速。现如今，条形码已普遍应用在贸易、装运整合、服务医疗、图书馆、生产一体化控制等领域。条码技术具有很多优点，例如操作便当、数据获取便捷、信息收集量大、鲁棒性高、设备构造模块化、成本低廉等。条码根据其构造原理进行划分，一般存在有一维以及二维条码。因为在数据类型和存储量等方面存在着诸多的制约，随着科技的发展，一维条码的大规模化前景堪忧。
对于二维条码[1]而言，一方面结合了一维条码的优势，另一方面，它还有一些独特的能力，例如存储量更大、保险性更高、有较强的纠错能力等。它可以在水平和垂直方向上表达信息，具有高信息密度，使条形码成为独立的信息载体，并且二维条形码可以存储诸如汉字、图像等大量的信息，宏观来看，这有效地扩大了条码的使用领域。在嵌入式设备的开发方面，英、美这些发达国家已经开始大规模产出识读设备，现已普遍应用在多种多样的嵌入式系统当中。与中国经济的发展形成对比的是，对于我国的大部分地区而言，一维或二维条码的普及率，还是比较低的，尤其是西部地区。因此，这需要我国加快自主研究与开发二维码的进程。QR(quick response)码，即快速响应码[2]，是在二维条形码中，使用度最为普遍的一种。它可以表示汉字等文字信息，并且纠错能力强，具有全方位识别、速度快等特点，在使用汉字的国家，尤其是中国，有着巨大的市场前景。现如今，对于QR码的研究方向，着眼于更好更快地在不同环境里进行识别的方法。
1.2 二维码识别的研究现状
目前研究二维码视觉识别的方式有很多。唐莉等[3]为了识别金属部件上的Data Matrix码，基于硬件Meteor II Standard图形采集卡，对摄像头所实时收集到的图形进行了识别，在流水线生产技术上，这种方法得到了广泛的应用，但是在处理产生镜面反射区的情况时，测光方法的使用未能得到很好的改善效果，识别正确率较低。田瑞乾[4]通过几何变换对摄像头器材采集的形变二维条码图像进行矫正，获取条码图像外围4个定位点坐标的精度，采用多次拟合直线的方法来确定条码图像的顶点，弥补了现有算法中直接寻找定位点精度不足的缺点，但是由于使用到了大量的浮点数运算，算法优化不充分，使得时钟设计的比较慢，且占用了大量的硬件资源。黄婷婷等[5]以QR这种特定码为研究对象，在不是单一颜色背景的环境中的前提下，提出一整套详尽的预处理方案，该算法在MATLAB上得到了实现，效果良好，但是在处理背景干扰大的图像时，处理效果仍有不足。赵群礼等[6]为了在几何变形的问题得到突破，于是提出了一种双线性变换的方法，这种方式能够对二维码产生高效的几何校正，同时，还能够成功辨认出存在污染、部分残缺和几何变形的条形码，但却不能对上述几何变形的二维码展开有效地辨认。
纵观现有文献可以看出，随着视觉识别技术的发展，利用各类视觉处理和识别方法，来对二维码进行快速、有效的识别，已经成为当今主要研究方向，问题关键是在如何设计出一种占用硬件资源更少的、复杂环境下识别效率更高的、且在二维码自身缺陷情况下仍有一定鲁棒性的识别方式，成为当前关键。
1.3课题的主要研究内容
本文的只要研究内容为，利用改进的二维码视觉识别算法实现复杂环境下占用硬件资源较少的二维码快速有效识别，并完成视觉识别的硬件平台搭建与调试。通过改进二维码识别算法，并利用STM32单片机完成视觉硬件平台的搭建，最终利用优化后的识别算法对硬件平台进行实验调试，并确定最优算法。
研究内容主要有以下几个方面：
Keywords: QR code; image processing; embedded; twodimensional code recognition; algorithm 目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 二维码识别的研究现状 1
1.3课题的主要研究内容 2
1.4论文的组织结构 2
第二章 基于自适应光信号处理的平衡均衡化的二维码识别算法 4
2.1 QR码简介 4
2.1.1 QR码符号特征 4
2.1.2 QR码基本特性 6
2.2 QR码识别解码流程 8
2.3 QR码的解码算法 9
2.3.1 图像预处理 9
2.3.2 定位条码 12
2.3.3 确定版本 13
2.3.4 确定采样网格 15
2.3.5读取数据与纠错译码 19
2.4算法测试结果 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
9
2.4.1有背景光组 19
2.4.2自然光组 23
第三章 二维码识别的图像预处理改进算法 26
3.1一种基于OTSU阈值法的二值化改进算法 26
3.2基于HOUGH变换的图像倾斜校正 28
3.3基于双线性变换法的几何校正 29
3.4 算法测试比较结果 32
第四章 硬件实现及实验测试 35
4.1系统开发平台的搭建 35
4.1.1 ARM嵌入式开发平台 35
4.1.2软件开发平台 36
4.1.3人机交互页面的开发 36
4.2嵌入式QR码识别系统的实验测试 38
4.3基于二维码的小车位置识别应用 40
结 论 45
致 谢 46
参考文献 47
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
自20世纪末期初推出条码技术之后，发展地非常迅速。现如今，条形码已普遍应用在贸易、装运整合、服务医疗、图书馆、生产一体化控制等领域。条码技术具有很多优点，例如操作便当、数据获取便捷、信息收集量大、鲁棒性高、设备构造模块化、成本低廉等。条码根据其构造原理进行划分，一般存在有一维以及二维条码。因为在数据类型和存储量等方面存在着诸多的制约，随着科技的发展，一维条码的大规模化前景堪忧。
对于二维条码[1]而言，一方面结合了一维条码的优势，另一方面，它还有一些独特的能力，例如存储量更大、保险性更高、有较强的纠错能力等。它可以在水平和垂直方向上表达信息，具有高信息密度，使条形码成为独立的信息载体，并且二维条形码可以存储诸如汉字、图像等大量的信息，宏观来看，这有效地扩大了条码的使用领域。在嵌入式设备的开发方面，英、美这些发达国家已经开始大规模产出识读设备，现已普遍应用在多种多样的嵌入式系统当中。与中国经济的发展形成对比的是，对于我国的大部分地区而言，一维或二维条码的普及率，还是比较低的，尤其是西部地区。因此，这需要我国加快自主研究与开发二维码的进程。QR(quick response)码，即快速响应码[2]，是在二维条形码中，使用度最为普遍的一种。它可以表示汉字等文字信息，并且纠错能力强，具有全方位识别、速度快等特点，在使用汉字的国家，尤其是中国，有着巨大的市场前景。现如今，对于QR码的研究方向，着眼于更好更快地在不同环境里进行识别的方法。
1.2 二维码识别的研究现状
目前研究二维码视觉识别的方式有很多。唐莉等[3]为了识别金属部件上的Data Matrix码，基于硬件Meteor II Standard图形采集卡，对摄像头所实时收集到的图形进行了识别，在流水线生产技术上，这种方法得到了广泛的应用，但是在处理产生镜面反射区的情况时，测光方法的使用未能得到很好的改善效果，识别正确率较低。田瑞乾[4]通过几何变换对摄像头器材采集的形变二维条码图像进行矫正，获取条码图像外围4个定位点坐标的精度，采用多次拟合直线的方法来确定条码图像的顶点，弥补了现有算法中直接寻找定位点精度不足的缺点，但是由于使用到了大量的浮点数运算，算法优化不充分，使得时钟设计的比较慢，且占用了大量的硬件资源。黄婷婷等[5]以QR这种特定码为研究对象，在不是单一颜色背景的环境中的前提下，提出一整套详尽的预处理方案，该算法在MATLAB上得到了实现，效果良好，但是在处理背景干扰大的图像时，处理效果仍有不足。赵群礼等[6]为了在几何变形的问题得到突破，于是提出了一种双线性变换的方法，这种方式能够对二维码产生高效的几何校正，同时，还能够成功辨认出存在污染、部分残缺和几何变形的条形码，但却不能对上述几何变形的二维码展开有效地辨认。
纵观现有文献可以看出，随着视觉识别技术的发展，利用各类视觉处理和识别方法，来对二维码进行快速、有效的识别，已经成为当今主要研究方向，问题关键是在如何设计出一种占用硬件资源更少的、复杂环境下识别效率更高的、且在二维码自身缺陷情况下仍有一定鲁棒性的识别方式，成为当前关键。
1.3课题的主要研究内容
本文的只要研究内容为，利用改进的二维码视觉识别算法实现复杂环境下占用硬件资源较少的二维码快速有效识别，并完成视觉识别的硬件平台搭建与调试。通过改进二维码识别算法，并利用STM32单片机完成视觉硬件平台的搭建，最终利用优化后的识别算法对硬件平台进行实验调试，并确定最优算法。
研究内容主要有以下几个方面：
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