趙群禮， 周秋平， 史君華

（合肥師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥230061）

1 引言

二維條碼技術(shù)是20世紀(jì)80年代末在一維條碼基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，與一維條碼相比，二維條碼具有容量高、密度高、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)［1，2］，因此得到廣泛應(yīng)用。而正由于二維條碼信息密度高，與一維條碼相比識(shí)別技術(shù)更為復(fù)雜，所以對(duì)二維條碼進(jìn)行快速有效的識(shí)別成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文主要對(duì) QR（Quick Response）［3，4］二維條碼的圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了具體的探討和分析。

2 QR碼簡(jiǎn)介

QR碼是由日本Denso公司于1994年9月制定的一種矩陣二維條碼符號(hào)，它除了具有信息容量大、可靠性高、可表示漢字及圖像信息、保密防偽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有超高速響應(yīng)、全方位識(shí)讀等特點(diǎn)。QR碼的尺寸小于相同密度的PDF417碼［5］（Portable Data File 417Code），專(zhuān)有的漢字模式更加適合我國(guó)應(yīng)用。

2.1 QR碼基本特性［4］

每個(gè)QR碼符號(hào)由正方形模塊組成的一個(gè)正方形陣列構(gòu)成，它由編碼區(qū)域和包括尋像圖形、分隔符、定位圖形和校正圖形在內(nèi)的功能圖形組成，功能圖形不用于數(shù)據(jù)編碼，符號(hào)的四周為空白區(qū)。圖1為QR碼版本1符號(hào)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 QR碼符號(hào)的示例

QR碼基本特性主要有以下五個(gè)方面：

（1）編碼字符集，包括數(shù)字型數(shù)據(jù)（數(shù)字0～9）、字母數(shù)字型數(shù)據(jù)（數(shù)字；大小寫(xiě)英文字母；9個(gè)其他字符：space，＄，%，＊，＋，一，.，／，：）、8位字節(jié)型數(shù)據(jù)、日本漢字字符、中國(guó)漢字字符（GB2312對(duì)應(yīng)的漢字和非漢字字符）。

（2）數(shù)據(jù)表示方法，用深色模塊表示二進(jìn)制“1”，用淺色模塊表示二進(jìn)制“0”。

（3）符號(hào)規(guī)格，符號(hào)規(guī)格不包括空白區(qū)域，從版本1的21×21模塊到版本40的177×177模塊。

（4）符號(hào)的數(shù)據(jù)字符數(shù)，以版本40為例，每種符號(hào)的數(shù)據(jù)字符數(shù)為：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)7089個(gè)字符、字母數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)4296個(gè)字符、8位字節(jié)數(shù)據(jù)2953個(gè)字符、中國(guó)漢字?jǐn)?shù)據(jù)1817個(gè)字符。

（5）糾錯(cuò)能力，有4種糾錯(cuò)等級(jí)，可恢復(fù)的碼字比例為：L級(jí)是7%、M級(jí)是15%、Q級(jí)是25%、H級(jí)是30%。

2.2 QR碼附加特性

（1）結(jié)構(gòu)鏈接

結(jié)構(gòu)鏈接是可選項(xiàng)目，允許把數(shù)據(jù)文件最多用16個(gè)QR碼符號(hào)在邏輯上連續(xù)地表示。以任意的順序掃描，而原始數(shù)據(jù)能正確地重新連接起來(lái)。

（2）掩模

掩模是固有項(xiàng)目，可以使符號(hào)中深色與淺色模塊的比例接近1：1，使因鄰近模塊的排列而影響高效譯碼的可能性降為最小，減小對(duì)譯碼的準(zhǔn)確的影響。

（3）擴(kuò)充解釋

擴(kuò)充解釋是可選項(xiàng)目，這種方式使符號(hào)可以表示字符集以外的數(shù)據(jù)（如阿拉伯字符、古斯拉夫字符、希臘字母等），以及其他數(shù)據(jù)解釋?zhuān)ㄈ缬靡欢▔嚎s方式表示的數(shù)據(jù)）或者針對(duì)行業(yè)特點(diǎn)的需要進(jìn)行編碼。

2.3 QR碼的符號(hào)結(jié)構(gòu)

QR碼的編碼格式依次為：模式指示符、字符計(jì)數(shù)指示符、經(jīng)各種規(guī)則壓縮后的數(shù)據(jù)、填充位和其他信息，然后按照版本信息分割成不同的塊，對(duì)每一塊進(jìn)行糾錯(cuò)位計(jì)算并填充糾錯(cuò)碼數(shù)據(jù)，按照不同的版本擺放位置探測(cè)圖形、定位圖形、校正圖形、格式信息、版本信息等，如圖2所示。

圖2 QR碼的符號(hào)結(jié)構(gòu)

3 QR碼圖像識(shí)別過(guò)程

圖像識(shí)別是人工智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。使用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，是識(shí)別不同模式的目標(biāo)和對(duì)象的一種技術(shù)。采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)QR二維碼進(jìn)行識(shí)別已得到廣泛的應(yīng)用，其識(shí)別過(guò)程可分為圖像采集、灰度化、二值化、校正和解碼五個(gè)步驟，如圖3所示。

圖3 QR條碼圖像識(shí)別過(guò)程

（1）采集

QR二維條碼當(dāng)前已應(yīng)用在很多領(lǐng)域，通常條形碼被打印在相應(yīng)的物品上，用來(lái)表示物品的相關(guān)信息，當(dāng)要對(duì)這些信息進(jìn)行識(shí)別的時(shí)候，就需要提取條碼的圖像。二維條碼的獲取可以由光學(xué)相機(jī)如面陣CCD、數(shù)碼相機(jī)或者激光掃描器設(shè)備得到。

（2）灰度化

在通常狀態(tài)下，通過(guò)數(shù)碼相機(jī)等攝像設(shè)備獲取的QR二維碼圖像是彩色的，和灰度圖像相比彩色圖像含有的信息量大，占用的存儲(chǔ)空間更多，并且對(duì)彩色圖像的處理過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)算量也比較大，因此有必要將彩色圖像進(jìn)行灰度化處理，以減少后續(xù)處理步驟的運(yùn)算量。標(biāo)準(zhǔn)的灰度值計(jì)算公式為：W＝R＊0.30＋G＊0.59＋B＊0.11，其中R、G、B分別表示紅、綠、藍(lán)三種顏色分量，W表示灰度值，它們的數(shù)值范圍都在0～255之間。

（3）二值化

標(biāo)準(zhǔn)的二維條碼圖像是由黑白兩種小的模塊組合而成的，因此在經(jīng)過(guò)圖像灰度化處理后，需要對(duì)所得圖像進(jìn)行二值化處理，圖像二值化就是將一幅多個(gè)灰度級(jí)的圖像轉(zhuǎn)化為只有兩個(gè)灰度級(jí)的圖像，以便于數(shù)據(jù)的壓縮、特征的突出以及圖形的識(shí)別。圖像二值化的方法是通過(guò)預(yù)先設(shè)定的一個(gè)閾值，將灰度圖像的像素分成大于閾值和小于閾值的兩個(gè)部分，只要閾值選擇的合適，就可將圖像中的背景和條碼符號(hào)區(qū)域分開(kāi)。對(duì)于閾值的選取方法，文獻(xiàn)［6，7，8］中提出了多種方法，如直方圖閾值法、最大類(lèi)間方差閾值分割法、Bernsen方法。

（4）校正

由于在采集條碼圖像的過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)攝像頭與條碼平面存在傾角的問(wèn)題，從而引起圖像產(chǎn)生幾何形變，使得原本正方形的QR碼呈現(xiàn)為不規(guī)則的四邊形，在很大程度上影響了條碼信息的正確提取，因此必須進(jìn)行圖像校正。在本文中采用雙線性變換的方法進(jìn)行幾何校正，以將不規(guī)則四邊形區(qū)域通過(guò)一定的映射關(guān)系映射為QR碼標(biāo)準(zhǔn)的正方形區(qū)域，如圖4所示，其中左邊的四個(gè)頂點(diǎn)變換為右邊的四個(gè)頂點(diǎn)，變換前和變換后兩點(diǎn)之間的映射關(guān)系如（1）式所示，其中a～h八個(gè)參數(shù)為雙線性變換映射系數(shù)。

圖4 頂點(diǎn)映射關(guān)系示例

將預(yù)設(shè)的校正后的頂點(diǎn)坐標(biāo)代入（1）式的右邊，校正前采集到的頂點(diǎn)坐標(biāo)代入（1）式的左邊。（1）式中的橫坐標(biāo)x映射關(guān)系如方程組（2）所示。

由 圖 4 可 知 x1′＝x2′，x3′＝x4′，y1′＝y(tǒng)3′，y2′＝y(tǒng)4′，代入方程組（2）化簡(jiǎn)為（3）式。

其中M＝x1′－x3′＝y(tǒng)1′－y2′為預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)換后的QR碼邊長(zhǎng)。在求出a，b，c。后，根據(jù)方程組（2）中的任一個(gè)方程即可求出d。同理，可以求出縱坐標(biāo)y之間的映射系數(shù)e，f，g，h，然后可將預(yù)設(shè)正方形內(nèi)的點(diǎn)通過(guò)上面的變換映射到失真四邊形內(nèi)，從而完成圖形的校正。圖5中的左圖經(jīng)上述的算法校正后轉(zhuǎn)變?yōu)橛覉D，由右圖可以發(fā)現(xiàn)雖然一些模塊的邊緣因取點(diǎn)時(shí)的近似出現(xiàn)鋸齒狀，但在總體上并不影響該模塊原來(lái)的條碼信息。

圖5 QR碼的幾何校正示例

（5）解碼

從理論上來(lái)說(shuō)，解碼的過(guò)程可以看著是編碼的逆過(guò)程，首先要獲取待解碼的QR二維條碼，然后對(duì)該條碼進(jìn)行全部掃描，并將掃描結(jié)果存在一個(gè)二維數(shù)組中，接下來(lái)將掃描到的條碼符號(hào)轉(zhuǎn)換成碼字，再將碼字按照不同的編碼規(guī)則轉(zhuǎn)化為可讀的字符、漢字等相關(guān)文本信息，具體解碼步驟以下：

第1步：獲取符號(hào)圖像。深色與淺色模塊識(shí)別為由‘0’與‘1’組成的陣列；

第2步：識(shí)讀格式信息（按要求去除掩模圖形并完成對(duì)格式信息模塊的糾錯(cuò)，識(shí)別糾錯(cuò)等級(jí)與掩模圖形參考）；

第3步：識(shí)讀版本信息，確定符號(hào)的版本；

第4步：用掩模圖形（掩模圖形參考己經(jīng)從格式信息中得出）對(duì)矩陣中的編碼區(qū)域進(jìn)行異或處理，消除掩模；

第5步：根據(jù)模塊排列規(guī)則，識(shí)讀符號(hào)字符，恢復(fù)信息的數(shù)據(jù)與糾錯(cuò)碼字；

第6步：用與糾錯(cuò)等級(jí)信息相對(duì)應(yīng)的糾錯(cuò)碼字檢測(cè)錯(cuò)誤，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則進(jìn)行糾錯(cuò)；

第7步：根據(jù)模式指示符和字符計(jì)數(shù)指示符，將數(shù)據(jù)碼字劃分成多個(gè)部分；

第8步：按照使用的模式進(jìn)行譯碼，得出數(shù)據(jù)字符。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)QR二維條碼的介紹，分析了采用圖像處理方法識(shí)別QR碼的過(guò)程，并對(duì)識(shí)別過(guò)程中的圖像校正和解碼方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，提出了雙線性變換的方法解決幾何形變問(wèn)題，該方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，能夠快速地進(jìn)行QR條碼圖像的幾何校正。和光電識(shí)別技術(shù)相比，采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行QR條碼識(shí)別的方法，能夠有效地識(shí)別有污染、殘缺和幾何變形的條形碼，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

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［3］張成海，郭衛(wèi)華，羅秋科等.QR Code二維碼［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

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［5］中華人名共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T17172－1997.四一七條碼［S］.

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