CN107679436B - 一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法 - Google Patents

一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法，专门针对因为拍摄角度和本身存在于弯曲表面而发生的二维码非线性形变问题。本发明方法主要分为二维码区域提取和弯曲形变修正两个步骤。二维码区域提取包括二维码图像预处理、二维码位置探测图形定位和二维码闭合提取，弯曲形变修正包括原始图像基准对应点提取、标准图像基准对应点提取和构建弯曲形变修正的变换模型。该发明利用平面几何的斜率和截距知识改进二维码角点检测方法来实现二维码角点的准确定位，并且设计“滚轮”法求出弯曲形变二维码的边缘点，结合曲线拟合算出二维码及位置探测图形边长关系，构建变换模型，实现对一般情况下的弯曲形变二维码的自适应修正。

Description

一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法。
背景技术
在制造业领域和现代物流环节的工业环境中，将带有商品、货物的一些重要信息通过加密算法压缩到二维码然后印在商品、货物的外包装上，通过检测流水线上商品、货物的二维码可以提取其中信息并根据信息实现对商品、货物的快速智能分类，提高管理效率。
不过，针对产生了几何变形的二维码，传统的识别算法却做不到迅速而又准确地识别，尤其是一些商品、货物本身弯曲的外形使得其表面的二维码产生的弯曲形变。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法，适用于因为拍摄角度偏离和二维码本身存在于弯曲表面而产生的弯曲形变问题。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法，所述的图像修正方法包括二维码区域提取步骤和弯曲形变修正步骤，其中，
所述的二维码区域提取步骤具体如下：
SA1、对包含弯曲形变二维码的原始图像进行预处理，得到不含噪点的二值图像；
SA2、确定图像中二维码位置探测图形所在位置；
SA3、对图像进行形态学处理，使二维码内部连成一个连通域，提取二维码位置探测图形所在连通域；
所述的弯曲形变修正步骤具体如下：
SB1、提取弯曲形变二维码的角点和部分位置探测图形角点作为修正前原始图像上的基准对应点；
SB2、对弯曲形变二维码进行边缘拟合，求出二维码及位置探测图形边长，确定修正后标准图像上的基准对应点；
SB3、根据所得基准对应点，构建原始图像和标准图像之间的变换模型，对弯曲形变二维码进行修正。
进一步地，所述的步骤SA2、确定图像中二维码位置探测图形所在位置是根据二维码每个位置探测图形在水平方向和垂直方向都满足0.8～1.2:0.8～1.2:2.4～3.6:0.8～1.2:0.8～1.2的黑-白-黑-白-黑比率找到待定的位置探测图形中心，具体如下：
SA211、假设图像的某一行的第一个点的像素值为0，即代表黑，第二个点也为0，直至第m+1个点才为1，则记1到m的像素为线段1，像素值为0，长度为l1＝m，以此类推，从第m+1个像素到下一个黑色点的前一个点，为线段2，像素值为1，长度l2；依次有线段3、线段4、线段5……、线段M；
SA212、对每一行进行上述运算，每一行都分为若干个依次相连的黑、白线段,寻找每一行里长度比率为0.8～1.2:0.8～1.2:2.4～3.6:0.8～1.2:0.8～1.2的5个相连的黑-白-黑-白-黑线段，将5个相连线段的中间线段的中点标记为待定位置探测图形中心点；
SA213、对图像中待定位置探测图形中心点所在的列进行上述运算，所在的列分为若干个依次相连的黑、白线段，寻找长度比率为0.8～1.2:0.8～1.2:2.4～3.6:0.8～1.2:0.8～1.2的5个相连的黑-白-黑-白-黑线段，若5个相连线段的中间那段的中点与待定位置探测图形中心点为同一点，则待定点为真；否则，待定点为假。
进一步地，所述的步骤SA2、确定图像中二维码位置探测图形所在位置中根据位置探测图形3个黑白黑同心正方形为8～10:24～26:48～50的面积比率筛选出真正的中心点，具体如下：
SA221、以待定位置探测图形中心i为种子点，进行第一次区域生长，将与种子区域邻近的黑色像素并入种子区域，直至邻近像素中没有黑色像素，计算此时种子区域的像素点数量并记为S1；
SA222、进行第二次区域生长，将与种子区域邻近的白色像素并入种子区域，直至邻近像素中没有白色像素，计算此时种子区域的像素点数量并记为S2；
SA223、进行第三次区域生长，将与种子区域邻近的黑色像素并入种子区域，直至邻近像素中没有黑色像素，计算此时种子区域的像素点数量并记为S3；
SA224、计算S1:S2:S3是否符合8～10:24～26:48～50的比率，若符合，则i为真正的位置探测图形中心；否则，i为假。
SA225、依次对其余待定位置探测图形中心进行上述运算。
进一步地，所述的步骤SB1、提取弯曲形变二维码的角点和部分位置探测图形角点作为修正前原始图像上的基准对应点中运用平面几何中斜率与截距的关系求取二维码角点，并用同样的方法求取位置探测图形的角点，具体如下：
SB101、提取图像中黑像素点的坐标(x1,y1)(x2,y2)…；
SB102、用固定的斜率k对上述坐标求截距，在y轴上的最大截距b1和最小截距b2对应着二维码的2个斜对着的角点B和D；
SB103、用-1/k对上述坐标求截距，在y轴上的最大截距b3和最小截距b4对应着二维码的另外2个斜对着的角点A和C。
进一步地，所述的步骤SB2、对弯曲形变二维码进行边缘拟合，求出二维码及位置探测图形边长，确定修正后标准图像上的基准对应点，具体如下：
SB201、对于像素点i，判断其到图像边界的距离是否小于滚轮半径R，若小于R，跳至步骤SB204；
SB202、检测像素点i的值是否为0，如果是0，即为黑色，跳至步骤SB204；
SB203、判断以像素点i为中心的半径R的圆形邻域内是否只有唯一一个0点，若只有唯一一个0点，记录0点的坐标；若没有0点或出现两个及以上的0点，跳至步骤SB204；
SB204、将下一个点的坐标代入像素点i，回到步骤SB201，直至图像所有点都遍历一遍。
进一步地，所述的步骤SB2中采用最小二乘法对边缘点进行曲线拟合，再用积分的方法求得二维码边长与位置探测图形边长之比，最终算出修正后标准图像的基准对应点所在。
进一步地，所述的步骤SB3中根据原始图像和标准图像的基准对应点，用最小二乘法求出原始图像和标准图像的非线性映射关系，从而构建出变换模型实现二维码的修正。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明利用平面几何的斜率和截距知识改进二维码角点检测方法来实现二维码角点的准确定位，并且设计“滚轮”法求出弯曲形变二维码的边缘点，结合曲线拟合算出二维码及位置探测图形边长关系，构建变换模型，实现对一般情况下的弯曲形变二维码的自适应修正。
附图说明
图1是位置探测图形结构示意图；
图2是对标准二维码进行斜率与截距关系分析的示意图；
图3是对弯曲形变二维码进行斜率与截距关系分析的示意图；
图4是原始图像上的基准对应点示意图；
图5是“滚轮”法示意图；
图6是弯曲形变二维码边缘点示意图；
图7是弯曲形变二维码的边缘拟合曲线及标准图像上的基准对应点示意图；
图8是本发明公开的一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法的流程步骤图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本发明实施例公开的适用于弯曲形变二维码的图像修正方法可分为二维码区域提取步骤和弯曲形变修正步骤两大步骤，二维码提取和弯曲形变修正各包括三个小步骤，共六个小步骤。如附图8所示，二维码区域提取步骤包括二维码图像预处理、二维码位置探测图形定位和二维码闭合提取。二维码图像预处理是为了在不损毁二维码信息的前提下得到更容易处理的二值图像，其步骤包括：通过加权平均法对二维码RGB格式图像灰度化、中值滤波去噪、Otsu二值化。二维码位置探测图形定位则是首先根据二维码每个位置探测图形在水平方向和垂直方向都满足大约1:1:3:1:1的黑-白-黑-白-黑比率找到待定的位置探测图形中心点，再根据位置探测图形3个黑白黑同心正方形大约9:25:49的面积比率筛选出真正的中心点。二维码闭合提取则是根据前面的面积比率检测环节得到二维码基本模块长度，运用形态学处理使二维码区域闭合连成一个连通域，剔除周围的背景，实现二维码区域提取。
弯曲形变修正步骤包括原始图像基准对应点提取、标准图像基准对应点提取和构建弯曲形变修正的变换模型。在原始图像基准对应点提取这一步骤中，利用平面几何知识，将3个位置探测图形中心点的距离最远的两点的连线的斜率和与之垂直的斜率作为固定斜率对二维码和位置探测图形的每一点求截距，截距最大和最小的点就是所求的二维码及位置探测图形的角点，其中在二维码边界上的10个角点作为原始图像的基准对应点。标准图像基准对应点提取这一步骤是通过本文设计的“滚轮”法获取弯曲形变二维码的边缘点，并用最小二乘法拟合边缘，再用积分的方法求得二维码边长与位置探测图形边长之比，最终算出修正后标准图像的基准对应点所在。最后一步的构建弯曲形变修正的变换模型则是根据原始图像和标准图像的基准对应点求出两者间的映射关系，构建变换模型修正弯曲形变二维码。
其中，所述的二维码区域提取步骤具体包括：
SA1、二维码图像预处理；
首先通过加权平均法对RGB彩色图像进行灰度化，让图像灰度化过程中更好保留二维码区域的图像特征，加大绿色的比重，减小蓝色的比重，所以按下式处理获取灰度图像。
加权平均公式如下：
W＝0.30R+0.59G+0.11B，
其中，W为灰度图像，R为彩色图像中的红色成分，G为彩色图像中的绿色成分，B为彩色图像中的蓝色成分。
接着用中值滤波清除图像中的噪点，再用OTSU法实现对图像的二值化，以方便后面的提取和修正工作。
SA2、二维码位置探测图形定位；
二维码最为明显的特征就在于它所特有的3个位置探测图形，寻找位置探测图形是二维码提取的关键。从图1中可以看到，在经过位置探测图形中心的任何方向的直线上黑白比例全部约为1:1:3:1:1。可以根据这个特点设计寻找位置探测图形中心的算法，算法描述如下：
SA211、假设图像的某一行的第一个点的像素值为0(黑)，第二个点也为0，直至第m+1个点才为1，则记1到m的像素为线段1，像素值为0，长度为l1＝m。以此类推，从第m+1个像素到下一个黑色点的前一个点，为线段2，像素值为1，长度l2；依次有线段3、线段4、线段5……，直到线段计数完毕；
SA212、对每一行进行上述运算，每一行都分为若干个依次相连的黑、白线段。寻找每一行里长度比率约为1:1:3:1:1的5个相连的黑-白-黑-白-黑线段，将5个相连线段的中间线段的中点标记为待定位置探测图形中心点。
SA213、对图像中待定位置探测图形中心点所在的列进行类似前面第1步的运算，所在的列分为若干个依次相连的黑、白线段，寻找长度比率约为1:1:3:1:1的5个相连的黑-白-黑-白-黑线段。若5个相连线段的中间那段的中点与待定位置探测图形中心点为同一点，则待定点为真；否则，待定点为假。
按照上述算法可以快速地找到位置探测图形的中心，但是当弯曲形变比较严重时，必须放宽比率条件，如比率条件改为0.8～1.2:0.8～1.2:2.4～3.6:0.8～1.2:0.8～1.2。但是在放宽比率条件后，极有可能在检测到真正的3个位置探测图形中心外也检测到一部分满足比率条件的背景区域，必须另外设置条件排除那部分满足比率条件的背景区域，选取出真正的3个位置探测图形中心。由于位置探测图形的3个正方形处于同心重叠的关系，在发生几何变形时，即使部分区域长度发生变化，整体的面积比率并不会有太大的改变。因此，可以通过检测3个黑-白-黑同心正方形的面积比率(8～10:24～26:48～50，本实施例中示例性地选取9:25:49)提炼真正的位置探测图形中心。算法如下：
SA221、以待定位置探测图形中心i为种子点，进行第一次区域生长，将与种子区域邻近的黑色像素并入种子区域，直至邻近像素中没有黑色像素。计算此时种子区域的像素点数量并记为S1。
SA222、进行第二次区域生长，将与种子区域邻近的白色像素并入种子区域，直至邻近像素中没有白色像素。计算此时种子区域的像素点数量并记为S2。
SA223、进行第三次区域生长，将与种子区域邻近的黑色像素并入种子区域，直至邻近像素中没有黑色像素。计算此时种子区域的像素点数量并记为S3。
SA224、计算S1:S2:S3是否大致符合9:25:49的比率，若符合，则i为真正的位置探测图形中心；否则，i为假。
SA225、依次对其余待定位置探测图形中心进行上述运算。
经过上面的处理，得到了三个位置探测图形的中心点，也在计算面积比率的过程中算得二维码单位模块的基本长度。
SA3、二维码闭合提取
在确定二维码在图像中的位置后，就需要将二维码提取出来，即剔除二维码周围的背景图像，只保留二维码。以二维码单位模块的基本长度创建正方体结构元素对二维码图像进行形态学闭合运算，对二维码内部的白色区域进行填补且避免与周围背景图像相连，根据位置探测图形的中心点的位置找到二维码所在连通域并提取。
其中，所述的弯曲形变修正步骤具体包括：
SB1、原始图像基准对应点提取；
观察标准二维码外形，如图2所示，从图像空间方面分析，当用固定斜率的直线与二维码相切如图中实线所示，相切点为二维码的右上角点和左下角点，用另外的与当前直线垂直的直线与二维码相切如图中虚线所示，相切点为二维码的左上角点和右下角点。通过比较各点在固定斜率下的截距大小可以找出对应的角点，过程如下：
SB101、提取图像中黑像素点的坐标(x1,y1)(x2,y2)…；
SB102、用固定的斜率k对上述坐标求截距，在y轴上的最大截距b1和最小截距b2对应着二维码的2个斜对着的角点B和D；
SB103、用-1/k对上述坐标求截距，在y轴上的最大截距b3和最小截距b4对应着二维码的另外2个斜对着的角点A和C。
其中斜率k为3个位置探测图形中心点的距离最远的两点的连线的斜率(如图3)，可以利用第二章得到的二维码3个位置探测图形中心点的坐标，求出两两之间的欧式距离，选出距离最远的两点。
之后，用相同的办法求出位置探测图形的角点。将处于二维码边界上的共10个已检测到的点作为原始图像上的基准对应点，如图4所示。
SB2、标准图像基准对应点提取；
在求得原始图像的基准对应点后，还要求这些点在标准图像上的坐标。角点对应坐标可设为(0,0),(0,L),(L,0),(L,L)，但其余点的对应坐标并非固定，主要是因为二维码所含信息量的多少直接影响位置探测图形在二维码中所占的面积比例。所以，还需要获取弯曲形变二维码4条边缘拟合曲线，计算位置探测图形边长与二维码边长之比，从而算出除4个角点外其余点的对应坐标。
对二维码边缘曲线进行拟合，首先要获取二维码的边缘点。二维码内部存在白色空洞，所以直接对二维码用边缘检测算子检测边缘是无法得到正确边缘点的。对此，本发明设计“滚轮”法，“滚轮”的半径为二维码单位模块长度的7倍(即位置探测图形边长)，用来检测出正确的二维码的边缘点，如图5所示。
假设“滚轮”半径为R，具体计算过程如下：
SB201、对于像素点i，判断其到图像边界的距离是否小于R，若小于R，跳至步骤SB204。
SB202、检测像素点i的值是否为0，如果是0(黑色)，跳至步骤SB204。
SB203、判断以像素点i为中心的半径R的圆形邻域内是否只有唯一一个“0”点，若只有唯一一个“0”点，记录“0”点的坐标；若没有“0”点或出现两个及以上的“0”点，跳至步骤SB204。
SB204、将下一个点的坐标代入像素点i，回到步骤SB201，直至图像所有点都遍历一遍。
经过上面的处理，得到如图6所示的边缘点。然后用最小二乘法对边缘点进行拟合，得到如图7所示的边缘曲线。设位置探测图形边长与二维码边长之比为n，计算公式如下：
Figure BDA0001397541140000111
式中AB、AA1、BB2、BC、BB1、CC2、CD、CC1、AD、AA2的长度可以通过曲线积分的方法求取，在离散的图像空间中就是将曲线上相邻点的距离进行累加，如下式：
Figure BDA0001397541140000112
通过以上处理，可算得标准图像上的基准对应点的坐标，如图7所示。
SB3、构建弯曲形变修正的变换模型；
假设存在弯曲形变二维码的原始输入图像上的点为(x,y)，其对应在标准输出图像上的点为(u,v)，映射关系为：
Figure BDA0001397541140000121
式中aij和bij为系数，可通过将原始输入图像上和标准输出图像上10对的基准对应点代入，用最小二乘法求出。得出映射关系后，直接依据映射关系构建变换模型，对弯曲形变二维码进行修正。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法，其特征在于，所述的图像修正方法包括二维码区域提取步骤和弯曲形变修正步骤，其中，
所述的二维码区域提取步骤具体如下：
SA1、对包含弯曲形变二维码的原始图像进行预处理，得到不含噪点的二值图像；
SA2、确定图像中二维码位置探测图形所在位置；
SA3、对图像进行形态学处理，使二维码内部连成一个连通域，提取二维码位置探测图形所在连通域；
所述的弯曲形变修正步骤具体如下：
SB1、提取弯曲形变二维码的角点和部分位置探测图形角点作为修正前原始图像上的基准对应点；
SB2、对弯曲形变二维码进行边缘拟合，求出二维码及位置探测图形边长，确定修正后标准图像上的基准对应点；
其中，所述的步骤SB2、对弯曲形变二维码进行边缘拟合，求出二维码及位置探测图形边长，确定修正后标准图像上的基准对应点，具体如下：
SB201、对于像素点i，判断其到图像边界的距离是否小于滚轮半径R，若小于R，跳至步骤SB204；
SB202、检测像素点i的值是否为0，如果是0，即为黑色，跳至步骤SB204；
SB203、判断以像素点i为中心的半径R的圆形邻域内是否只有唯一一个0点，若只有唯一一个0点，记录0点的坐标；若没有0点或出现两个及以上的0点，跳至步骤SB204；
SB204、将下一个点的坐标代入像素点i，回到步骤SB201，直至图像所有点都遍历一遍；
SB3、根据所得基准对应点，构建原始图像和标准图像之间的变换模型，对弯曲形变二维码进行修正。
2.根据权利要求1所述的一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法，其特征在于，所述的步骤SA2、确定图像中二维码位置探测图形所在位置是根据二维码每个位置探测图形在水平方向和垂直方向都满足0.8～1.2:0.8～1.2:2.4～3.6:0.8～1.2:0.8～1.2的黑-白-黑-白-黑比率找到待定的位置探测图形中心，具体如下：
SA211、假设图像的某一行的第一个点的像素值为0，即代表黑，第二个点也为0，直至第m+1个点才为1，则记1到m的像素为线段1，像素值为0，长度为l1＝m，以此类推，从第m+1个像素到下一个黑色点的前一个点，为线段2，像素值为1，长度l2；依次有线段3、线段4、线段5……、线段M；
SA212、对每一行进行步骤SA211运算，每一行都分为若干个依次相连的黑、白线段,寻找每一行里长度比率为0.8～1.2:0.8～1.2:2.4～3.6:0.8～1.2:0.8～1.2的5个相连的黑-白-黑-白-黑线段，将5个相连线段的中间线段的中点标记为待定位置探测图形中心点；
SA213、对图像中待定位置探测图形中心点所在的列进行步骤SA212的运算，所在的列分为若干个依次相连的黑、白线段，寻找长度比率为0.8～1.2:0.8～1.2:2.4～3.6:0.8～1.2:0.8～1.2的5个相连的黑-白-黑-白-黑线段，若5个相连线段的中间那段的中点与待定位置探测图形中心点为同一点，则待定点为真；否则，待定点为假。
3.根据权利要求1所述的一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法，其特征在于，所述的步骤SA2、确定图像中二维码位置探测图形所在位置中根据位置探测图形3个黑白黑同心正方形为8～10:24～26:48～50的面积比率筛选出真正的中心点，具体如下：
SA221、以待定位置探测图形中心i为种子点，进行第一次区域生长，将与种子区域邻近的黑色像素并入种子区域，直至邻近像素中没有黑色像素，计算此时种子区域的像素点数量并记为S1；
SA222、进行第二次区域生长，将与种子区域邻近的白色像素并入种子区域，直至邻近像素中没有白色像素，计算此时种子区域的像素点数量并记为S2；
SA223、进行第三次区域生长，将与种子区域邻近的黑色像素并入种子区域，直至邻近像素中没有黑色像素，计算此时种子区域的像素点数量并记为S3；
SA224、计算S1:S2:S3是否符合8～10:24～26:48～50的比率，若符合，则i为真正的位置探测图形中心；否则，i为假；
SA225、依次对其余待定位置探测图形中心进行步骤SA221至步骤SA224运算。
4.根据权利要求1所述的一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法，其特征在于，所述的步骤SB1、提取弯曲形变二维码的角点和部分位置探测图形角点作为修正前原始图像上的基准对应点中运用平面几何中斜率与截距的关系求取二维码角点，并用同样的方法求取位置探测图形的角点，具体如下：
SB101、提取图像中黑像素点的坐标(x1,y1)(x2,y2)…；
SB102、用固定的斜率k对上述坐标求截距，在y轴上的最大截距b1和最小截距b2对应着二维码的2个斜对着的角点B和D；
SB103、用-1/k对上述坐标求截距，在y轴上的最大截距b3和最小截距b4对应着二维码的另外2个斜对着的角点A和C。
5.根据权利要求1所述的一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法，其特征在于，所述的步骤SB2中采用最小二乘法对边缘点进行曲线拟合，再用积分的方法求得二维码边长与位置探测图形边长之比，最终算出修正后标准图像的基准对应点所在。
6.根据权利要求1所述的一种适用于弯曲形变二维码的图像修正方法，其特征在于，所述的步骤SB3中根据原始图像和标准图像的基准对应点，用最小二乘法求出原始图像和标准图像的非线性映射关系，从而构建出变换模型实现二维码的修正。
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