CN105187686B - 一种基于cis扫描的图像采集、识别及阅读方法与系统 - Google Patents

一种基于cis扫描的图像采集、识别及阅读方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法，包括：获取步骤：利用接触式传感器扫描物品获得二维码(QR Code)图像或文字；识别步骤：通过图像定位及采样网格快速识别所述QR Code图像或所述文字，获得文本信息。本发明只需将扫描得到的每一行像素进行等比例线性缩放，就可得到QR Code比特流或者文本，进行图像滤波等处理后，根据QR Code编码标准进行译码或者对文本进行分段，分行，即可得到文本信息。本发明无需使用摄像头及其外围电路，CIS对环境光线不敏感，能有效解决摄像头带来的图像畸变等问题。本发明还公开了一种利用所述方法的算法。

Description

一种基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法与系统
技术领域
本发明属于图像处理及通信领域，尤其涉及一种基于CIS扫描的图像采集和阅读系统及方法。
背景技术
目前很多商品都附有文字说明或者QR Code(QR Code)。QR Code易于制作，可承载信息量较大，纠错能力较强，译码可靠性高。目前大多数主流的智能手机操作系统也推出了很多款文字识别或QR Code识别App，该类App大多数是使用摄像头作为图像采集工具。大多数QR Code的译码由摄像头完成。摄像头的扫描需要较好的环境光线，而且摄像头扫描出来的图像带有畸变，对于柱面图像而言，摄像头扫描会带来更大的畸变甚至不能够正常扫描。因此，可采用接触式传感器(Contact Image Sensor，CIS)进行QR Code图像的扫描。CIS本身带有LED光源，因此对环境光的要求较低，同时，CIS每次扫描得到一行图像数据，与扫描方向垂直方向上的像素均匀缩放，无摄像头带来的图像畸变等问题。因此，可以首先将文字生成QR Code，然后再通过CIS扫描QR Code获取文字信息。
在老龄化日趋严重的社会中，为了方便老年人的使用。本发明提出了一种基于CIS本身特点的新的图像处理的算法。
发明内容
本发明提出了一种基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法，包括如下步骤：获取步骤：利用接触式传感器扫描物品获得图像或文字；识别步骤：通过图像定位及采样网格快速识别所述图像或所述文字，获得文本信息。
本发明所述的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法中，对图像的识别包括如下步
骤：步骤A1：对接触式传感器读入的像素值以DMA方式将采集到的一行电压值存入内
存数据中；步骤A2：采用bitband方式对采集到的图像进行二值化；步骤A3：以联通边
界跟踪的方式定位所述图像中的QR Code；步骤A4：建立与所述图像角度相同的采样网
格；步骤A5：以所述采样网格获取格式信息；步骤A6：消除掩膜，恢复数据；步骤A7：
译码得到所述QR Code的文本信息。
本发明所述的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法中，QR Code的定位方法包括如下步骤：步骤A21：扫描方向遍历图像数组，寻找黑白跳变沿的交点；步骤A22：以任何一个边界位置的黑点为起始点，对其八邻域进行逆时针搜索，找到黑到白的跳变点；步骤A23：将搜索点移动至上一搜索到的所述跳变点，进行八邻域边界搜索；步骤A24：循环执行步骤A22与A23，直到所述搜索点回到起始点或搜索次数已超过预先设定的最大值为止。
本发明所述的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法中，建立采样网格的方法包括如下步骤：步骤A31：寻找白到黑的跳变点；步骤A32：在其八邻域内寻找黑到白的跳变点，记录下每个白到黑和黑到白的跳变点及其坐标；步骤A33：用坐标相对较大的跳变点坐标减去坐标相对较小的跳变点坐标，得到黑块和白块的像素个数；步骤A34：若黑块和白块之间的比例满足1：1：3：1：1且间隔交替出现，则确定了定位符；步骤A35：根据所述定位符中相互垂直的边缘上3个点的坐标即可确定出图像的旋转角度；步骤A36：在当前旋转角度上建立与图像旋转角度相同的采样网格。
本发明所述的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法中，本发明所述的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法中，步骤A2后，进一步包括对所述QR Code进行去除图像厚度及图像滤波处理，包括如下步骤：步骤B1：在消去图像在扫描方向上的厚度后，遍历图像数组，如果前后两行图像数据如果存在连续5个像素值不同时，则判定这两行属于QRCode的不同的两行；否则认定前后两行属于QR Code的同一行，以除去与扫描方向垂直的方向上的图像厚度；步骤B2：遍历图像的每一行，寻找黑到白的跳变点和白到黑的跳变点，图像扫描的第一行是QR Code的定位符的第一行，为QR Code定位符的连续多个比特1，其数量与QR Code的尺寸相关；当且仅当连续4个像素值为0，其后连续4个像素值为1时，才认为是黑到白的跳变点，白到黑的跳变点采用同样的方法，记录下各个黑到白和白到黑的跳变点；步骤B3：用第一个黑到白的跳变点除以连续比特1的数量，得到与扫描垂直方向上每个比特由多少个像素代替，对以后每一行用这个标尺进行线性等比例缩减，得到每一行的0，1比特流；步骤B4：对每一行数据进行除去厚度处理，最终得到一个与原QR Code尺寸相同大小的比特流数组。
本发明还提出了一种利用所述的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法的系统，包括微处理器单元(MCU)和接触式传感器；所述接触式传感器用于扫描物品获得图像或文字；所述微处理器单元控制接触式传感器的时钟与光源等信号的输入和输出，用于识别所述图像或所述文字以获得文本信息。
该系统中，所述微处理器单元和所述接触式传感器之间的管脚连接为：TIM2_CH1与所述接触式触感器的CLK管脚连接，用于提供工作时钟，为500KHz方波；TIM2_CH2与TIM2_CH1同频，但是极性相反，作为ADC触发源，在所述触发源的触发下ADC开启转换通道，读入像素值；TIM3_CH1与所述接触式传感器的LEDr管脚连接，产生频率为2500Hz，占空比为2499/2500的PWM波，控制CIS光源LEDr的亮度；TIM3_CH2产生频率为2500Hz，占空比为1/2500的PWM波，与所述接触式传感器的SI管脚连接，用于控制开启和终止转换；ADC_CH5与所述接触式传感器的SIG管脚连接，用于读入的像素值以DMA方式存入数组ImageArray中。
该系统中，进一步包括与所述微处理器单元连接的LCD屏幕，两者通过USART1接口进行通信，波特率为115200bps用于显示扫描到的图像。
本发明的有益效果在于：本发明基于CIS扫描，由于CIS自带光源，因此对于环境光不明显，CIS使用过程中，不存在对焦的问题，操作简单，由于CIS扫描得到的图像在与扫描方向垂直方向上无非线性形变，即使QR Code贴在柱面上也不会使扫描出的图像有较大的形变。因此在图像处理过程中，无需考虑图像校正问题，因此，只需用线性的缩放来处理像素即可，无需考虑桶型或者枕型畸变的校正问题，省略大量的浮点运算和存储空间，也提高了运算速度和图像处理效率。本发明只需用线性变换将扫描得到的每一行像素进行等比例缩放，就可得到QR Code比特流，同时可以进行图像滤波等处理，然后根据QR Code编码标准进行译码，得到文本信息。本发明中将CIS传感器及其外围电路作为一个终端，具有便携，操作简单的特点。
附图说明
图1是接触式传感器的工作时序图。
图2是接触式传感器及其导向轮的连接示意图。
图3是文字识别的流程图。
图4是QR Code识别的流程图。
图5是联通边界跟踪算法示意图。
图6是确定旋转角度示例。
图7是CIS采集到的图像的示意图。
图8是单独抽出QR Code中的一个白块的像素组成示例。
图9是除去图像与扫描方向垂直的方向上的厚度以及图像滤波的示例。
图10是除去图像扫描方向上的厚度以及图像滤波的示例。
图11是图像采样网格的实例。
图12是QR Code译码流程图。
图13是本发明基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读系统的电路连接。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
接触式传感器CIS的工作时序如图1所示，其管脚如以下表1所示，CIS在CLK控制下工作，扫描精度为200DPI，由SI信号开启CIS的转换，当SI拉高后，如果LEDr被拉高，则CIS发出红光光源，照在图像上，CIS通过接收反射光的强度将图像中颜色不同的部分转为不同的模拟电压值，LEDr持续时间最久为784个CLK，转换得到的模拟电压值在SIG信号脚上串行输出，单片机可以通过一路ADC读入模拟电压值，转换后与像素一一对应，也即是，最低电平代表像素值为0，最高电平代表像素值为255，中间电平线性量化取值，CIS工作中，CONT需一直保持高电平状态。
表1接触式传感器CIS管脚排布
PIN No NAME
1 SIG
2 GND
3 VDD
4 Vref
5 CNT
6 SI
7 GND
8 CLK
9 VLED
10 LEDR
11 LEDG
12 LEDB
由于CIS在扫描过程中，在于扫描方向的垂直的方向上，由于手的移动会带来一些非线性形变，因此，我们为CIS添加导向轮进行引导，消去CIS扫描在于扫描方向垂直方向上的非线性形变，如图2所示。
表2接触式传感器CIS与导向轮安装尺寸
a 13.5cm
b 4cm
c 16cm
d 0.8cm
e 1.0cm
f 0.6cm
g 2.2cm
h 2.7cm
i 3.0cm
图2是CIS与导向轮之间的连接示意图，表2是图2当中各部分的尺寸，图2中a*b所在的面是CIS透镜所在面，扫描时，该面朝下，导向轮安装在它旁边，CIS的纵向高度为h，导向轮的半径是图2中的g，导向轮1，3之间通过一个轴相连，导向轮2，4之间通过一个轴相连，在使用中，1，3轮共用一个驱动，2，4轮共用一个驱动，如此，即可驱动四个导向轮带动CIS的运动，CIS除了在扫描方向上有运动趋势以外，在与扫描方向垂直方向上有很少的偏移，因此，四个导向轮会消除CIS在与扫描方向垂直的方向上的非线性形变，使CIS仅在扫描方向上有线性形变，使图像处理算法更加高效。
使用CIS的优点：
1)CIS的使用不需要对焦；
2)CIS扫描图像无需保存多帧图像，可使用bitband方式存储图像，节省存储空间；
3)由于CIS自带光源，因此，对于环境光不敏感，即使环境光较差，也可以正常进行文字或QR Code图像的扫描；
4)CIS扫描不会带来图像畸变，即使是柱面图像，也能够正常进行图像扫描；
5)CIS扫描得到的图像数据是灰度像素值，算法高效；
6)与智能手机App无关，使用方便，只需手动拉动CIS即可获取整张图像；
(文字识别所应用的背景)
对于部分文字，直接扫描也十分方便，例如部分商品和药品中，没有使用QR Code，直接使用文字对商品进行描述，为此，可直接使用CIS对文字进行扫描，直接识别出文字。
如图3所示，文字识别的流程为，二值化，倾斜校正，字符图像增强，行分割，字符分割，字符图像归一化，划分笔画，特征匹配。根据CIS获取的像素值的特点，同时为节约图像的存储空间，提高内存利用率，将每个bit的最高位0/1提取出来进行存储，用这种方式实现对图像的二值化，同时，将8个byte压缩至一个byte中，减少存储图像所占用的内存。而后对文字图像进行倾斜校正，进行图像增强，除去图像中的一些噪点，接下来对图像进行行分割，将文本分割为许多行，在每一行文本中，遍历数组，寻找每一行文字的左右边界。在进行完字符分割后，提取出文字的特征向量，进行校验后，在数据库中寻找相应的最逼近的字符，完成文字识别。
如图4所示，QR Code识别所使用的算法为：二值化，建立采样网格，除去图像厚度，转为比特流，寻找定位符，寻找格式和版本信息，RS纠错，译码。能够较快、较准确的进行QRCode图像的识别和译码。
本发明关于图像识别步骤可分为：1、DMA在每个SI信号产生时，将采集到的一行电压值存入内存数组中。2、通过联通边界跟踪的方法进行QR Code定位。3、不对QR Code图像进行旋转，而是利用向量建立和图像角度相同的采样网格。4、获取格式信息。5、消除掩模，恢复数据；6、译码得到QR Code所承载的原始信息。
其中，QR Code定位的算法具体过程为：
参见图5，设水平扫描线11与定位图形黑白跳变的交点为p11,p12,p13,p14,p15,p16，垂直扫描线12与定位图形黑白跳变沿的交点为p21,p22,p23,p24,p25,p26。p11,p21,p16,p26应处于同一连通域边沿上，p12,p22,p15,p25应处于同一连通域的另一个边沿上，p13,p23,p14,p24应处于另一连通域的边沿上。本算法仅仅跟踪连通边界而不连通边界，以任意一个边界位置的黑点为起始点，对其八邻域进行逆时针搜索，找到由黑到白的跳变点，将搜索点移动至上一搜索到的跳变点，进行八邻域边界搜索，反复执行，直到搜索点回到起始点或搜索次数已超过预先设定的最大值。
其中，确定旋转角度的算法为：
遍历数组，找到第一个白到黑的跳变点后，在其8邻域内寻找黑到白的跳变点，记录下每个白到黑和黑到白的跳变点，用坐标中相对较大的减去坐标中相对较小的，得到黑块和白块的像素个数，如果黑块和白块之间的比例满足1：1：3：1：1且间隔交替出现的话，就说明找到了定位符。根据三个点的坐标可以确定出图像的旋转角度，如图6所示。图6中，A点是第一个出现的黑块到白块的跳变点，B点是第二个白块到黑块的跳变点，C点是第二个黑块到白块的跳变点，设A点坐标为(X0,Y0)，B点坐标为(X1,Y1)，C点坐标为(X2,Y2)，两个向量分别为(X1-X0,Y1-Y0)，(X2-X0,Y2-Y0)，由此可确定图像的旋转角度，为了减少运算量，不对图像进行旋转，而是直接在当前角度进行采样，如图11所示，即可获取整张QR Code中的各点像素值。
(除去图像厚度以及图像滤波)
CIS采集得到的图像中，每个黑块和白块都由许多行像素组成。
如图7所示是CIS扫描到的部分图像，图中黑块代表QR Code中的比特1，白块代表QR Code中的比特0，水平方向为扫描方向，竖直方向为与扫描垂直的方向。将其中一个白块单独抽出来，像素组成如图8所示：
以左上角为原点，建立向右向下的坐标系，向右为X轴，向下为Y轴，则图中除坐标为(1，0)和(0，2)的点像素值为0，其与点像素值均为255，在白块中出现的像素值为0的点均视为噪声。如此，在竖直方向上，即可确定出每3行图像属于QR Code中的同一行，在水平方向上，需要确定出每一行中0，1比特的构成。
由于手动扫描的速度不同，因此，构成QR Code每行的CIS数据量不一定相同，因此，需要判断哪几行可归为QR Code的同一行。如图9所示：
判断条件为前后两行图像数据如果存在连续5个像素值不同时，认为这两行属于QR Code的不同的两行，如图9所示，可认为第1，2，3行图像数据属于QR Code的同一行，第4，5，6，7，8行图像数据属于QR Code的同一行，如此就除去了图像在竖直方向上的厚度，也达到了降噪的目的，可忽略一些由于扫描速度和DPI等局限所带来的图像噪点。
图像在水平方向上的厚度需要通过遍历图像数组来消除。在消除图像的竖直方向上的厚度以后，遍历图像的每一行，寻找黑到白的跳变点和白到黑的跳变点，图像扫描的第一行是QR Code的定位符的第一行，在低版本21*21的QR Code中，固定为7个比特1，如图10所示。其中，第1，2，。。。，29个像素代表7个比特1，第30，31，32，33个像素代表1个比特0，从中可以看出，除去竖直方向厚度的图像在水平方向上也有噪点，因此，在判断黑到白的跳变点的时候，当且仅当连续4个像素值为0，其后连续4个像素值为1时，才认为是黑到白的跳变点，白到黑的跳变点采用同样的方法，记录下各个黑到白和白到黑的跳变点，用第一个黑到白的跳变点除以7(根据不同尺寸QR Code规定)，即可得到水平方向上每个比特由多少个像素代替，对以后每一行用这个标尺进行等比例缩减，得到每一行的0，1比特流，最终得到的是和QR Code尺寸相同大小的一个比特流数组，例如，最低版本的QR Code图像经过如上处理后，得到21*21的比特流数组。
(比特流译码)
遵循以下步骤，寻找定位符，获取格式信息，消除掩模，RS纠错，分割译码。流程图如图12所示，最后将译码结果存入数据记录单元中。
本发明还提出了一种利用的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法的系统，其特征在于，包括微处理器单元(MCU)和接触式传感器；所述接触式传感器用于扫描物品获得图像或文字；所述微处理器单元控制接触式传感器的时钟与光源等信号的输入和输出，用于识别所述图像或所述文字以获得文本信息。
如图13所示，本系统采用ARMCortex4内核的STM32F411R芯片作为微处理器单元MCU。微处理器单元MCU与接触式传感器CIS之间的配合为，TIM2_CH1为接触式传感器CIS提供工作时钟，500KHz方波，TIM2_CH2与TIM2_CH1同频，但是极性相反，作为ADC触发源，在该源的触发下，ADC开启转换通道，读入像素值，TIM3_CH1产生频率为2500Hz，占空比为2499/2500的PWM波，控制接触式传感器CIS光源LEDr的亮度，TIM3_CH2产生频率为2500Hz，占空比为1/2500的PWM波，控制SI信号，开启和终止接触式传感器CIS的转换，通过ADC_CH5读入的像素值以DMA方式存入数组ImageArray中，为方便调试，外接一块LCD屏幕来显示读入的图像，微处理器单元MCU与LCD之间通过USART1接口进行通信，波特率为115200bps。同时，MCU控制CIS驱动以4cm/s的速率移动，开始图像的扫描，扫描开始和停止均由按键控制。
CIS采集时序如下
1、CIS工作CLK为500KHz，采集精度200DPI
2、SI信号频率为2500Hz，占空比为1/2500
3、LEDr信号采用与SI同样的频率，占空比为2499/2500，采集时间为274个CLK，得到274个模拟电压值
4、MCU通过一路ADC将CIS数据读入，ADC工作时钟50MHz，采样时间为15Cycles，转换时间为12Cycles，转换时钟为50/(12+15)＝1.8MHz
5、ADC数据存入RAM过程使用DMA方式进行数据存取，DMA缓冲区长度开通274个Bytes，DMA缓冲区满后将每次得到的274在RAM中开一个完整的42KB的缓冲区存储图像，最终拼成一幅完整的QR Code图像。
6、图像存储过程中，为节约内存空间，提高内存利用率，采用bitband方式存储图像，取每个byte中的最高为存入bitband中，如此，完成图像二值化，也即是将8个字节压缩至一个byte中进行存储，如此可大大压缩所占用的内存空间，操作方便，可以很便捷的针对其中某一个比特进行操作。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (6)

1.一种基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取步骤：利用接触式传感器扫描物品获得图像；
识别步骤：通过图像定位及采样网格快速识别所述图像，获得文本信息；
其中，对图像的识别包括如下步骤：
步骤A1：对接触式传感器读入的像素值以DMA方式将采集到的一行电压值存入内存数据中；
步骤A2：采用bitband方式对采集到的图像进行二值化；
步骤A3：以联通边界跟踪的方式定位所述图像中的QR Code；
步骤A4：建立与所述图像角度相同的采样网格；
步骤A5：以所述采样网格获取格式信息；
步骤A6：消除掩膜，恢复数据；
步骤A7：译码得到所述QR Code的文本信息；
步骤A2后，进一步包括对所述QR Code进行去除图像厚度及图像滤波处理，包括如下步骤：
步骤B1：在消去图像在扫描方向上的厚度后，遍历图像数组，如果前后两行图像数据如果存在连续5个像素值不同时，则判定这两行属于QR Code的不同的两行；否则认定前后两行属于QR Code的同一行，以除去与扫描方向垂直的方向上的图像厚度；
步骤B2：遍历图像的每一行，寻找黑到白的跳变点和白到黑的跳变点，图像扫描的第一行是QR Code的定位符的第一行，为QR Code定位符的连续多个比特1，其数量与QR Code的尺寸相关；当且仅当连续4个像素值为0，其后连续4个像素值为1时，才认为是黑到白的跳变点，白到黑的跳变点采用同样的方法，记录下各个黑到白和白到黑的跳变点；
步骤B3：用第一个黑到白的跳变点除以连续比特1的数量，得到与扫描垂直方向上每个比特由多少个像素代替，对以后每一行用这个标尺进行线性等比例缩减，得到每一行的0，1比特流；
步骤B4：对每一行数据进行除去厚度处理，最终得到一个与原QR Code尺寸相同大小的比特流数组。
2.如权利要求1所述的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法，其特征在于，QRCode的定位方法包括如下步骤：
步骤A21：扫描方向遍历图像数组，寻找黑白跳变沿的交点；
步骤A22：以任何一个边界位置的黑点为起始点，对其八邻域进行逆时针搜索，找到黑到白的跳变点；
步骤A23：将搜索点移动至上一搜索到的所述跳变点，进行八邻域边界搜索；
步骤A24：循环执行步骤A22与A23，直到所述搜索点回到起始点或搜索次数已超过预先设定的最大值为止。
3.如权利要求1所述的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法，其特征在于，建立采样网格的方法包括如下步骤：
步骤A31：寻找白到黑的跳变点；
步骤A32：在其八邻域内寻找黑到白的跳变点，记录下每个白到黑和黑到白的跳变点及其坐标；
步骤A33：用坐标相对较大的跳变点坐标减去坐标相对较小的跳变点坐标，得到黑块和白块的像素个数；
步骤A34：若黑块和白块之间的比例满足1：1：3：1：1且间隔交替出现，则确定了定位符；
步骤A35：根据所述定位符中相互垂直的边缘上3个点的坐标即可确定出图像的旋转角度；
步骤A36：在当前旋转角度上建立与图像旋转角度相同的采样网格。
4.一种利用如权利要求1-3之任一项所述的基于CIS扫描的图像采集、识别及阅读方法的系统，其特征在于，包括微处理器单元(MCU)和接触式传感器；所述接触式传感器用于扫描物品获得图像或文字；所述微处理器单元控制接触式传感器的时钟与光源等信号的输入和输出，用于识别所述图像或所述文字以获得文本信息。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述微处理器单元和所述接触式传感器之间的管脚连接为：
TIM2_CH1与所述接触式触感器的CLK管脚连接，用于提供工作时钟，为500KHz方波；
TIM2_CH2与TIM2_CH1同频，但是极性相反，作为ADC触发源，在所述触发源的触发下ADC开启转换通道，读入像素值；
TIM3_CH1与所述接触式传感器的LEDr管脚连接，产生频率为2500Hz，占空比为2499/2500的PWM波，控制接触式传感器光源LEDr的亮度；
TIM3_CH2产生频率为2500Hz，占空比为1/2500的PWM波，与所述接触式传感器的SI管脚连接，用于控制开启和终止转换；
ADC_CH5与所述接触式传感器的SIG管脚连接，用于读入的像素值以DMA方式存入数组ImageArray中。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，进一步包括与所述微处理器单元连接的LCD屏幕，两者通过USART1接口进行通信，波特率为115200bps，用于显示扫描到的图像。
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