CN108197521A

CN108197521A - 一种多相位二维码获取识别装置及方法

Info

Publication number: CN108197521A
Application number: CN201711494616.9A
Authority: CN
Inventors: 王志华; 沈忱; 倪静仪; 唐姣姣
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-31
Filing date: 2017-12-31
Publication date: 2018-06-22

Abstract

本发明公开了一种多相位二维码获取识别装置及方法。该装置包括镜头、位于镜头前端的环形补光灯、图像传感器模块、图像处理模块、二维码解析与输出模块和电源模块，其中镜头通过图像传感器模块与图像处理模块相连，图像处理模块与二维码解析与输出模块相连，电源模块分别与上述各模块相连供电。本发明对二维码图像进行不同区域的补光处理，将不同补光位置下的图进行融合，能够获得更加图片清晰、信息含量更加丰富的图像，增加图像的可靠性，提高二维码的识别效率。

Description

一种多相位二维码获取识别装置及方法

技术领域

本发明属于图像识别技术领域，特别是一种多相位二维码获取识别装置及方法。

背景技术

二维码已广泛应用于消费产品、多媒体、信息获取、防伪追溯、移动支付以及工业跟踪等多种领域。尤其是在工业领域，通过在产品上标记二维码，可在生产、运输以及销售等环节中实现产品的动态编号管理、装配统计等功能，大大提高了产品在生产、流通、管理以及维护等过程的效率。

然而，由于二维码是直接制作在金属、玻璃或者塑料等工件表面，而这些工件往往是柱面或者倾斜面，由于光照、角度等原因，容易使画面局部过曝或欠曝，使二维码无法正常读取。常规二维码的读取手段无法实现对工业二维码的快速识别与解析，需要手动对这些采用残缺二维码进行读取，这样降低了生产效率，增加了生产的成本，二维码的读取与识别有待于进一步的改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多相位二维码获取识别装置及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多相位二维码获取识别装置，包括镜头、位于镜头前端的环形补光灯、图像传感器模块、图像处理模块、二维码解析与输出模块和电源模块，其中镜头通过图像传感器模块与图像处理模块相连，图像处理模块与二维码解析与输出模块相连，电源模块分别与上述各模块相连供电。

一种多相位二维码获取识别方法，包括以下步骤：

步骤1、根据外部光照情况，对环形补光进行分区，依次按顺序点亮不同区域，采集不同补光位置下的二维码图像信息；

步骤2、图像传感器模块捕获不同补光位置下的图像数据，将光信号转换为电信号，传输给图像处理模块；

步骤3、图像处理模块进行图像预处理、图像校正处理、图像融合处理和二维码图像提取，并将结果传输给二维码解析与输出模块；

步骤4、二维码解析与输出模块对提取的二维码图像进行解析，提取二维码信息并输出。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明对二维码图像进行不同区域的补光处理，将不同补光位置下的图进行融合，能够获得更加图片清晰、信息含量更加丰富的图像，增加图像的可靠性，提高二维码的识别效率；2)本发明实现成本低，只需在摄像机上嵌套一个环形补光灯即可实现高效的二维码识别与读取；3)本发明可以采用不同的方式进行数据传输，能够满足用户的不同需求。

附图说明

图1为本发明识别装置的模块图。

图2为本发明识别方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。

如图1所示，一种多相位二维码获取识别装置，装置包括：1个镜头、1个环形补光灯，图像传感器模块、图像处理模块、二维码解析与输出模块和电源模块，镜头通过图像传感器模块与图像处理模块相连，图像处理模块与二维码解析与输出模块相连，电源模块分别与上述各模块相连供电。环形补光灯嵌套于镜头四周，可以根据外界光照情况确定环形补光的分区，在外界光照强的情况下，二维码受外部光照的影响较大，需要的补光灯区域数多，在外界光照弱的情况下，需要的补光灯区域数少。

下面详细描述各模块的功能。

所述图像传感器模块用于捕获不同补光位置下的图像数据，将光信号转换为电信号。

所述图像处理模块包括图像预处理模块、图像校正处理模块、图像融合处理模块和二维码图像提取模块，其中：

图像预处理模块包括图像灰度化处理单元、图像去噪处理单元、图像形态学闭运算处理单元和图像二值化处理单元，其中所述图像灰度化处理单元用于对不同光照条件下采集的二维码图像进行灰度化处理，便于减少后期图像数据处理量；图像去噪处理单元用于对灰度图像进行去噪，保留边的锐度和图像细节；图像形态学闭运算处理单元用于对去噪图像进行灰度值膨胀和灰度值腐蚀，去除图像阴影；图像二值化处理单元用于对形态学闭运算处理后的图像进行二值化处理，将整幅图像转变为黑白图像；

图像校正处理模块用于对黑白图像进行校正，修正原始图像的偏转和失真情况，得到旋转至水平的图像；

图像融合处理模块用于对不同光照条件下校正图像进行融合；

二维码图像提取模块用于在融合后的图像中提取二维码区域；

二维码解析与输出模块用于对提取的二维码图像进行解析，将解析得到的二维码数据传输给应用设备，可以采用串口传输、网口传输或者蓝牙传输。

所述图像处理模块和二维码解析与输出模块既可以PC机上完成，也可在嵌入式系统中完成，选择空间大，工作效率高。基于PC机的图像处理与输出优点在于现有图像处理技术发展成熟，便于操作。基于嵌入式系统的方法具有的体积小，成本低的优点。

下面描述将环形补光灯分为四个区域的情况。以补光灯圆心为原点，水平向右为x轴建立坐标系，0°～90°补光灯亮起时摄像机采集第一张图像，90°～180°补光灯亮起时摄像机采集第二张图像，180°～270°补光灯亮起时摄像机采集第三张图像，270°～360°补光灯亮起时摄像机采集第四张图像，镜头捕获到的四张图像既有冗余部分，又各自有反光的信息，并且反光信息互不相同，可以进行信息的互补。通过对这些图像的处理可以增加图像信息的可靠性，提高二维码的识别效率。

一种多相位二维码获取识别方法，包括以下步骤：

步骤1、依次按顺序点亮不同区域，镜头采集4组不同补光位置下的二维码图像信息；

步骤2、图像传感器模块捕获4组图像数据，将光信号转换为电信号，传输给图像处理模块；

步骤3、图像处理模块进行图像预处理、图像校正处理、图像融合处理和二维码图像提取，传输给二维码解析与输出模块，具体方法如下：

3.1、图像灰度化处理

本发明采用平均值法对不同补光区域图像得到的图像进行灰度化处理，得到统一的灰度图像。由于设备采集到的图像通常是彩色图像，它的每个像素有R、G、B三个分量，每个分量又有256个值。而我们处理的信息是黑白条码，为了减少数据处理量，采用平均值法进行灰度化处理。求出R、G、B三个分量的平均值为当前像素的灰度值W，即，W＝(R+G+B)/3。

3.2、图像去噪处理

本发明采用中值滤波算法对灰度图像进行去噪，保留边的锐度和图像细节。二维码图像的噪声主要来自光学采集系统，采用非线性滤波器中的中值滤波可以较好的保留边的锐度和图像细节，并且易于实现。

中值滤波是选取窗口S_xy中被干扰图像g(x,y)的中值，作为坐标点(x,y)的输出，其中窗口为S_xy大小为m×n，公式为：

步骤3.3、图像形态学闭运算处理

本发明对去噪图像进行灰度值膨胀和灰度值腐蚀，去除图像阴影。闭运算的定义为:

含义是f由b膨胀，随后膨胀的结果由b腐烛。完成图像闭运算处理后，将原本的灰度图像减去经过闭运算处理后的图像，达到去除图像阴影的目的，最后进行图像灰度级调整，为提取二维码图像作准备。

灰度值腐蚀是：用结构元素b对输入图像f(s,t)进行灰度值腐蚀可记为：

(fΘb)(s,t)＝min{f(s+x,t+y)-b(x,y)|s+x,t+y∈D_f,x+y∈D_b}

其中，D_f和D_b分别是f和b的定义域。这里我们限制(s+x)和(t+y)在f的定义域内。灰度值膨胀是：用结构元素b对输入图像f(s,t)进行灰度值膨胀，可记为：

其中，D_f和D_b分别是f和b的定义域。这里我们限制(s-x)和(t-y)在f的定义域内。

步骤3.4、图像二值化处理

本发明采用局部自适应二值化法对形态学处理后的图像进行二值化操作，将整幅图像转变为黑白图像。局部自适应二值化法是经过特定的算法运算在图像的局部范围设定阈值T使其更加合理。局部自适应二值化是通过以下方程实现：

T＝a*E+b*P+c*Q

其中，E代表窗口内像素灰度值的平均值，P代表窗口内像素灰度值之间的差平方，Q代表像素之间的均方根值，a,b,c是自由参数。

步骤3.5、图像进行校正处理

本发明对预处理之后的图像进行空间变换和灰度级插值，修正原始图像的偏转和失真情况，得到旋转至水平图像。

步骤3.6、图像融合处理

首先融合第一张和第二张图像，将得到的新的图像与第三张图像进行融合又得到一张新的图像，再将新的图像与第四张图像融合。图像融合的方法是先使用基于SURF的方法对图像进行配准处理，再采用加权平均法进行图像融合处理。

图像配准是图像融合的先决条件，从不同探测器、不同时间、不同角度所获得的两幅或多幅图像在空间上的最佳匹配。其中一幅是参考图像数据，其它图像作为待配准图像与之匹配。配准的目的就是要找出最佳坐标，灰度变换参数。图像配准分为四个步骤：搜索空间、特征空间、搜索策略以及相似性度量。搜索空间是待配准的图像坐标之间所有可能的变换关系。例如：刚体变换、仿射变换、投影变换以及非线性变换等。特征空间是从待配准的图像中提取出来用于匹配的特征，包括边缘、轮廓、面目标拐角、曲线上的交叉点和高曲率的点等地物特征以及人工选取的配准控制点等外部特征。搜索策略是在搜索空间寻找最佳的变换模型参数的过程中所采用的方法。相似性度量是衡量搜索空间中不同的参数变换模型的优异程度。

基于SURF的方法对图像进行配准处理是通过SURF算法对两幅图片进行特征点匹配，找到这两幅图像之间变换的对应关系并进行变换，即：

I₂(x,y)＝g[I₁(f(x,y))]

其中，I₁(x,y)和I₂(x,y)为带配准的两幅图像，I₁和I₂都是二维阵列。

使用加权平均法进行图像融合处理，就是对待融合图像间对应像素点进行加权处理。设I₁(x,y)和I₂(x,y)分别为图像I₁和图像I₂位于坐标(x,y)的像素点，则融合图像I中对应位置上的像素值I(x,y)的计算公式如下：

其中，和分别为图像I₁和图像I₂对应像素点(x,y)的加权值，它们的和为1。使用加权平均法最关键的问题就在于权值的选择问题。通过用一个匹配矩阵来表示待配准图像和标准图像的相似程度，通过分析相似值来确定图像像素点对应的权值。

步骤3.7、二维码图像提取

本发明采用Hough变换对二维码进行边缘定位，确定二维码大致位置，由于二维码图像可能会发生倾斜扭曲等畸变，因此需要对二维码图像进行畸变校正，经过定位与校正，可以在图像融合后的图像中提取出二维码图像。

采用Hough变换进行二维码图像的边缘定位是利用图像二维空间和hough参数极坐标空间的点-线对偶关系，把图像二维空间中的检测问题巧妙地转换到了极坐标参数空间。在参数空间里再进行简单的累加统计，然后再在hough参数空间寻找累加器最大值的方法来检测图像二维空间中的直线。直线交点即二维码图像的四个控制点A,B,C,D。

畸变二维码图像校正是根据二维码图像的四个控制点A,B,C,D，运用二维图像的投影变换，可以将几何失真的二维码图像校正。投影变换是将二维码四个顶点坐标A,B,C,D变换为A',B',C',D'的过程，而边长由失真图像的四个边长的平均数决定。二维图像投影变换的函数及齐次坐标表示为：

其中，a,b,c,d,e,f,m,l为坐标变换系数，(x,y)为几何失真二维码图像的坐标，(x',y')为校正后二维码图像的坐标。

Claims

1.一种多相位二维码获取识别装置，其特征在于，包括镜头、位于镜头前端的环形补光灯、图像传感器模块、图像处理模块、二维码解析与输出模块和电源模块，其中镜头通过图像传感器模块与图像处理模块相连，图像处理模块与二维码解析与输出模块相连，电源模块分别与上述各模块相连供电。

2.根据权利要求1所述的多相位二维码获取识别装置，其特征在于，所述图像处理模块包括图像预处理模块、图像校正处理模块、图像融合处理模块和二维码图像提取模块，其中：

图像预处理模块包括图像灰度化处理单元、图像去噪处理单元、图像形态学闭运算处理单元和图像二值化处理单元，其中所述图像灰度化处理单元用于对不同光照条件下采集的二维码图像进行灰度化处理；图像去噪处理单元用于对灰度图像进行去噪，保留边的锐度和图像细节；图像形态学闭运算处理单元用于对去噪图像进行灰度值膨胀和灰度值腐蚀，去除图像阴影；图像二值化处理单元用于对形态学闭运算处理后的图像进行二值化处理，将整幅图像转变为黑白图像；

二维码图像提取模块用于在融合后的图像中提取二维码区域。

3.根据权利要求1所述的多相位二维码获取识别装置，其特征在于，所述二维码解析与输出模块采用串口、网口或者蓝牙传输解析数据。

4.一种多相位二维码获取识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4述的多相位二维码获取识别方法，其特征在于，步骤3具体过程如下：

步骤3.1、图像灰度化处理：采用平均值法对不同补光区域图像得到的图像进行灰度化处理，得到统一的灰度图像；

步骤3.2、图像去噪处理：采用中值滤波算法对灰度图像进行去噪，保留边的锐度和图像细节；

步骤3.3、图像形态学闭运算处理：对去噪图像进行灰度值膨胀和灰度值腐蚀，去除图像阴影；

步骤3.4、图像二值化处理：采用局部自适应二值化法对形态学处理后的图像进行二值化操作，将整幅图像转变为黑白图像；

步骤3.5、图像进行校正处理：对预处理之后的图像进行空间变换和灰度级插值，修正原始图像的偏转和失真情况，得到旋转至水平图像；

步骤3.6、图像融合处理：基于SURF方法对图像进行配准处理，再使用加权平均法进行图像融合；

步骤3.7、二维码图像提取：采用Hough变换对二维码进行边缘定位，确定二维码大致位置，再进行畸变校正，在融合后的图像中提取二维码区域。