CN109993018A - 一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统及识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统及识别方法，属于图像处理技术领域。本发明包括：视频图像采集模块、可编程逻辑阵列、可编程子系统、DDR存储器以及千兆以太网接口模块；视频图像采集模块采集待识别的二维码视频，传递至图像处理模块进行处理，并将处理后的数据传递至VNMA模块将数据封装成AXI形式的数据流并传输至可编程子系统；可编程子系统对二维码进行识别并将二维码识别信息传递至VDMA模块，最后通过HDMI模块将该识别信息传递至显示设备。本发明解决了目前工业领域二维码识别技术识别率较低、处理速度慢、准确率不高的问题。本发明可用于工业领域的二维码识别。

Description

一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统及识别方法
技术领域
本发明涉及一种二维码识别系统及识别方法，属于图像处理技术领域。
背景技术
在物联网时代，提出万物互联，信息共享，所以在生产产品上给每个物件打上标识是非常有必要的，二维码作为一种合适的信息载体被广泛应用在生产线上，而且在生产流程中起着越来越重要的作用。
与常规的手机端二维码识别不同，在工业环境下，影响二维码识别率的因素较多；具体来说工业二维码识别存在以下难题：
(1)由于工业制造材料的不固定，比如塑料、金属、玻璃器皿、纸盒等特殊材上，加上灯光，拍摄角度等原因，容易使产品拍摄局部光照过度、产品反光、或者局遮拦，从而使得二维码图像无法正常采集和识别。
(2)二维码穿插在产品生产过程中的每一步，由于产品多次移动摩擦等原因，使得二维码标签表面磨损严重，甚至残缺，这将导致二维码信息读取困难，甚至读取信息失败。
(3)手机端识别需要对准二维码，靠近二维码区域，这样可以减小图像处理的数据量；但是工业环境导致二维码图像采集与手机图像采集有区别。工业环境下，产品位置的不确定，导致在采集图像时，需要扩大图像拍摄的范围，确保二维码标识图像囊括在其中，但是这样大大增加图像处理数据量，使得检测识别速度变慢，设备功耗变大。
(4)在物流分拣中，传送带上需要有大量的快递被分拣，而快递上的二维码均处于移动状态，这导致识别速度和准确率大大降低。
综上可知，按照传统的ARM串行命令处理方式处理工业二维码整个图像，可能会无法正常采集和识别二维码、识别速度慢、系统运行时间较长、准确率低。
因此急需一种识别率高、处理速度快、准确率高的二维码识别技术应用于工业环境下。
发明内容
本发明为解决目前工业领域的二维码识别技术识别率较低、处理速度慢、准确率不高的问题，提供了一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统及识别方法。
本发明所述一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统，包括：视频图像采集模块、可编程逻辑阵列、可编程子系统、DDR存储器以及千兆以太网接口模块；
所述视频图像采集模块，用于采集待识别的二维码视频并传递至可编程逻辑阵列；
所述可编程逻辑阵列，用于二维码视频的处理并将处理后的二维码数据传递至可编程子系统以及显示设备，同时用于可编程子系统与千兆以太网接口模块之间的数据交互；
所述可编程子系统分别与DDR存储器和可编程逻辑阵列连接；用于控制数据交互与二维码的识别；
所述DDR存储器，用于中间数据的交互和待处理数据流的帧缓存；
所述千兆以太网接口模块，与可编程逻辑阵列连接，用于完成所述可编程子系统和服务器之间信息的交互。
本发明所述一种基于Zynq异构平台的二维码识别方法，通过以下技术方案实现：
所述视频图像采集模块在视频采集控制模块的控制下，采集待识别的二维码视频，并通过视频采集控制模块将采集到的二维码视频传递至运动目标跟踪模块；
所述运动目标跟踪模块，从接收的二维码视频中筛选出含有二维码的视频流，并传递至所述图像处理模块；
所述图像处理模块，接收、处理含有二维码的视频流，并将处理后的数据传递至VNMA模块；
所述VDMA模块，将图像处理模块传递的处理后的数据封装成AXI形式的数据流并传输至所述可编程子系统；
所述可编程子系统获得VDMA模块传递的数据流中的二维码，并通过千兆以太网驱动模块和千兆以太网接口模块，与服务器之间进行信息的交互；进而在Zbar二维码识别模块中对二维码进行识别；
可编程子系统将二维码识别信息传递至VDMA模块，VDMA模块通过HDMI模块将该二维码识别信息传递至显示设备。
本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：
本发明所涉及的一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统及识别方法，在FPGA(可编程逻辑阵列)内部嵌入ARM处理器(可编程子系统)，充分发挥了ARM和FPGA各自的优势；二维码识别率高、处理速度快、准确率高。具体有以下优点：
1、本发明结构简单、处理速度快，充分发挥ARM和FPGA各自的优势，ARM完成整个系统的控制，FPGA用于加速整个系统中算法的复杂计算量；
2、本发明可对移动中二维码进行识别，移动速度可达2m/s，大大提高二维码的识别效率；
3、本发明通过可编程逻辑阵列对图像处理算法的优化和硬件加速，使得系统可完成二维码的实时性识别；仿真实验中平均识别时间小于0.5秒；
4、本发明通过千兆网传输处理后的结果，速度快，准确率高，误码率低，可实现远距离的传输。
附图说明
图1为本发明所述系统结构示意图；
图2为本发明中所述图像处理模块结构示意图；
图3为本发明中所述VDMA模块结构示意图；
图4为本发明中所述千兆网驱动模块结构示意图；
图5为本发明实施例中的视频采集模块采集的原始二维码示意图；
图6为本发明实施例中的经过灰度化、二值化、图像降噪之后的二维码图像；
图7为本发明实施例中经过校正、Cordic坐标转换、插值处理之后的标准二维码图；
图8为本发明实施例中识别之后的二维码图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统，具体包括：
视频图像采集模块、可编程逻辑阵列、可编程子系统、DDR存储器以及千兆以太网接口模块；
所述视频图像采集模块，用于采集待识别的二维码视频并传递至可编程逻辑阵列；通常采用摄像头作为视频图像采集模块；
所述可编程逻辑阵列，用于二维码视频的处理并将处理后的二维码数据传递至可编程子系统以及显示设备，同时用于可编程子系统与千兆以太网接口模块之间的数据交互；
所述可编程子系统分别与DDR存储器和可编程逻辑阵列连接；用于控制所述二维码识别系统的数据交互与二维码的识别；
所述DDR存储器(可以采用常用的DDR3)，用于可编程子系统中间数据的交互和待处理数据流的帧缓存，以保证图片可以平稳的显示，防止出现抖动或者撕裂的现象；
所述千兆以太网接口模块，与可编程逻辑阵列连接，用于完成所述可编程子系统和服务器之间信息的高速交互。
在FPGA(可编程逻辑阵列)内部嵌入ARM处理器(可编程子系统)可以发挥ARM和FPGA各自的优势。本发明采用Zynq系列(Zynq系列是赛灵思公司推出的行业第一个可扩展处理平台)作为主控芯片，ARM以控制力强见长，生态资源丰富，FPGA相对于CPU，最大的优点在于运算速度快，FPGA中包含了上千万的可编程逻辑资源，具有并行性和并发性优点，在工业二维码识别系统中，采集的图像具有高分辨率，如果按照传统的ARM串行命令处理方式处理整个图像，会使系统运行时间较长。由图像数据具有天然可并行处理特点，所以可以把图像预处理部分利用FPGA进行并行处理，减小ARM端的数据运算负荷。在相对于基于DSP(Digital Signal Processing数字信号处理)+ARM架构和基于ARM架构的平台，ARM+FPGA架构不仅可以提高运行速度，减少了硬件需求，降低成本。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述可编程逻辑阵列包括：视频采集控制模块、运动目标跟踪模块、图像处理模块、VDMA模块、HDMI接口模块以及千兆网驱动模块；
所述视频采集控制模块，用于控制所述视频图像采集模块的采集并将采集到的二维码视频传递至运动目标跟踪模块；在运动目标跟踪模块中使用帧差算法，当未追踪到二维码时，视频流数据将不会传输给下游模块，下游模块会始终保持睡眠状态，这会大大降低系统的功耗。
所述运动目标跟踪模块，用于从接收的二维码视频中筛选出含有二维码的视频流，并传递至所述图像处理模块，以降低下游模块的运算量，同时也降低了系统的整体功耗；
所述图像处理模块，用于接收、处理含有二维码的视频流，并将处理后的数据传递至VDMA模块；以便所述可编程系统更快更准确的识别二维码；
所述VDMA模块，用于将图像处理模块传递的处理后的数据封装成AXI(AdvancedeXtensible Interface是ARM公司提出的一种总线协议)形式的数据流并传输至所述可编程子系统，以便下游模块传输，且用于将可编程子系统反馈的二维码识别信息传递至HDMI模块；VDMA即可变目标多路存取；
所述HDMI模块，用于将二维码识别信息传递到显示设备；HDMI为高清多媒体接口；
所述千兆网驱动模块，用于控制可编程子系统和千兆以太网接口模块间的数据交互；传输距离远并且误码率低。
其他步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述可编程子系统包括：DDR存储控制器、Zbar二维码识别模块；
所述DDR存储控制器，用于驱动DDR存储器和数据的仲裁调度；
所述Zbar二维码识别模块，用于在该系统上实现Zbar算法来识别VDMA模块传递的数据流中的二维码；本实施方式中Zbar算法可基于Linux系统架构。
其他步骤及参数与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是，所述图像处理模块包括顺次连接的：灰度化子模块、二值化子模块、图像降噪子模块、探针定位子模块、Hough变换子模块、Cordic坐标转换子模块以及双线性插值子模块；如图2所示。
所述灰度化子模块，用于接收运动目标跟踪模块传递的含有二维码的视频流，对其进行灰度化处理并将灰度化处理后的二维码图像传递至二值化子模块；能够减少处理二维码因颜色分量而带来的数据处理量；
所述二值化子模块，用于对灰度化处理后的二维码图像进行二值化处理并传递至图像降噪子模块，得到占用内存空间更小的图像，减少后续的运算量，同时可以凸显出图像的轮廓；
所述图像降噪子模块，用于降低接收的二维码图像中因传感器材料属性、拍摄环境、电路结构产生的噪声，并将降噪后的二维码图像传递至探针定位子模块；
所述探针定位子模块，用于对降噪后的二维码图像中的3个位置探测图形进行定位，以便获得二维码的位置以及倾斜角度；
所述Hough变换子模块，用于定位出二维码的轮廓并传递至Cordic坐标转换子模块；Hough变换是一种使用表决原理的参数估计技术；
所述Cordic坐标转换子模块，用于旋转(将)二维码图像由笛卡尔坐标系转换到极坐标系；根据迭代的次数计算每次旋转的角度，以完成对二维码的旋转，减少后续的工作运算量；CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)即坐标旋转数字计算；
所述双线性插值子模块，用于对旋转之后的二维码图像做重映射时处理，并将处理后的数据传输到VDMA模块，由于目标图像的坐标是非整数，用双线性插值的方法来补偿非整数的像素点。
其他步骤及参数与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：如图3所示，本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述VDMA模块包括：SS2M接口单元、缓存区、控制单元、数据搬运单元以及MM2S接口单元；
所述SS2M接口单元，用于接收所述图像处理模块传递的处理后的数据传递至缓存区，以及接收可编程子系统反馈的二维码识别信息并传递至MM2S接口；SS2M为AXI视频流写入图像到存储器，MM2S表示存储器读出图像到AXI视频流(AXI-Stream)；
所述缓存区，用于缓存所述SS2M接口单元传递的数据，同时向控制单元发送请求信息，以及接收控制单元返回的指令，并根据该指令向数据搬运单元传递数据；
所述控制单元，用于控制所述缓存区中的数据传输到所述数据搬运单元中；
所述数据搬运单元，用于把所述缓存区传递的数据写入到所述MM2S接口单元；
所述MM2S接口单元，用于将所述数据搬运单元传输的数据转化成AXI形式的数据流并输出。
其他步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：如图4所示，本实施方式与具体实施方式四不同的是，所述千兆网驱动模块包括：tx_pack单元、tx_arp单元、tx_sp单元、rtl8211_mac_ip单元、rx_mac_analy单元、rx_arp_analy单元、rx_ip_analy单元、rx_udp_analy单元以及rx_filter单元；
tx_pack单元，用于将需要发送的数据打包成报文的形式；
tx_arp单元，用于发送广播报文来获得目的ip地址；
tx_sp单元，用于选择发送所述tx_pack模块或者所述tx_arp模块的报文，防止出现拥塞；
rtl8211_mac_ip单元，用于驱动所述千兆以太网接口模块来完成与物理层之间的数据交互；
rx_mac_analy单元，用于对输入的MAC包文头进行检查，来判断接收数据类型；
rx_arp_analy单元，用于对输入的arp包文头进行检查，如果收到的是arp请求包文，则可以向下一级输出arp应答信号，如果收到arp应答信号，则可以向下一级输出获取arp应答使能信号；
rx_ip_analy单元，用于对输入的IP包文头进行检查，以判断目的端口的数据是否正确；
rx_udp_analy单元，用于对输入的UDP包文头进行检查，以判断包文是否正确；
rx_filter单元，用于完成对错误包文筛选，过滤掉错误的包文，留下正确包文以便下游模块解析。
其他步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式七：结合图1对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种基于Zynq异构平台的二维码识别方法，具体包括以下步骤：
所述视频图像采集模块在视频采集控制模块的控制下，采集待识别的二维码视频，并通过视频采集控制模块将采集到的二维码视频传递至运动目标跟踪模块；
所述运动目标跟踪模块，从接收的二维码视频中筛选出含有二维码的视频流，并传递至所述图像处理模块；
所述图像处理模块，接收、处理含有二维码的视频流，并将处理后的数据传递至VNMA模块；
所述VDMA模块，将图像处理模块传递的处理后的数据封装成AXI形式的数据流并传输至所述可编程子系统；
所述可编程子系统获得VDMA模块传递的数据流中的二维码，并通过千兆以太网驱动模块和千兆以太网接口模块，与服务器之间进行信息的交互；进而在Zbar二维码识别模块中对二维码进行识别；
可编程子系统将二维码识别信息传递至VDMA模块，VDMA模块通过HDMI模块将该二维码识别信息传递至显示设备。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是，
所述DDR存储器在DDR存储控制器的控制下，进行系统中间数据的交互和待处理数据流的帧缓存，以保证图片可以平稳的显示，防止出现抖动或者撕裂的现象。
其他步骤及参数与具体实施方式七相同。
实施例
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
按照如图1所示构件基于Zynq异构平台的二维码识别系统，其中，采用Zynq-7000SoC作为主控芯片；视频图像采集模块采用1080P高清摄像头；本实施例所述一种基于Zynq异构平台的二维码识别方法按照以下步骤进行：
所述视频图像采集模块在视频采集控制模块的控制下，采集待识别的二维码视频，并通过视频采集控制模块将采集到的二维码视频传递至运动目标跟踪模块；如图5是所述视频采集模块采集的原始二维码；
所述运动目标跟踪模块，从接收的二维码视频中筛选出含有二维码的视频流，并传递至所述图像处理模块；
所述图像处理模块，接收、处理含有二维码的视频流，图6是经过灰度化、二值化、图像降噪之后的二维码图像；图7是经过校正、Cordic坐标转换、插值处理之后的标准二维码；图像处理模块将处理后的数据传递至VNMA模块；
所述VDMA模块，将图像处理模块传递的处理后的数据封装成AXI形式的数据流并传输至所述可编程子系统；
所述可编程子系统获得VDMA模块传递的数据流中的二维码，并通过千兆以太网驱动模块和千兆以太网接口模块，与服务器之间进行信息的交互；进而在Zbar二维码识别模块中对二维码进行识别；
可编程子系统将二维码识别信息传递至VDMA模块，VDMA模块通过HDMI模块将该二维码识别信息传递至显示设备。图8中的“QR-Code:test qr_code”是识别之后得到的结果。其中，This is the zbarcam output window含义是：这是zbarcam输出窗口；Hold a barcode in front of the camera(make sure it’s in focus！)and decoded results willappear below含义是：在相机前面放一个条形码(确保它在焦点上！)解码结果将显示在下面；Initializing camera.Please wait含义是：正在初始化摄像头。请等待。
通过连续100次图像采集识别，本发明处理速度非常快，平均识别时间在0.5秒以内；并且准确率高。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统，其特征在于，具体包括：视频图像采集模块、可编程逻辑阵列、可编程子系统、DDR存储器以及千兆以太网接口模块；
所述视频图像采集模块，用于采集待识别的二维码视频并传递至可编程逻辑阵列；
所述可编程逻辑阵列，用于二维码视频的处理并将处理后的二维码数据传递至可编程子系统以及显示设备，同时用于可编程子系统与千兆以太网接口模块之间的数据交互；
所述可编程子系统分别与DDR存储器和可编程逻辑阵列连接；用于控制数据交互与二维码的识别；
所述DDR存储器，用于可编程子系统中间数据的交互和待处理数据流的帧缓存；
所述千兆以太网接口模块，与可编程逻辑阵列连接，用于完成所述可编程子系统和服务器之间信息的交互。
2.根据权利要求1所述一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统，其特征在于，所述可编程逻辑阵列包括：视频采集控制模块、运动目标跟踪模块、图像处理模块、VDMA模块、HDMI接口模块以及千兆网驱动模块；
所述视频采集控制模块，用于控制所述视频图像采集模块的采集并将采集到的二维码视频传递至运动目标跟踪模块；
所述运动目标跟踪模块，用于从接收的二维码视频中筛选出含有二维码的视频流，并传递至所述图像处理模块；
所述图像处理模块，用于接收、处理含有二维码的视频流，并将处理后的数据传递至VDMA模块；
所述VDMA模块，用于将图像处理模块传递的处理后的数据封装成AXI形式的数据流并传输至所述可编程子系统，并将可编程子系统反馈的二维码识别信息传递至HDMI模块；VDMA即可变目标多路存取；
所述HDMI模块，用于将二维码识别信息传递到显示设备；HDMI为高清多媒体接口；
所述千兆网驱动模块，用于控制可编程子系统和千兆以太网接口模块间的数据交互。
3.根据权利要求2所述一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统，其特征在于，所述可编程子系统包括：DDR存储控制器、Zbar二维码识别模块；
所述DDR存储控制器，用于驱动DDR存储器和数据的仲裁调度；
所述Zbar二维码识别模块，用于识别VDMA模块传递的数据流中的二维码。
4.根据权利要求2或3所述一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统，其特征在于，所述图像处理模块包括顺次连接的：灰度化子模块、二值化子模块、图像降噪子模块、探针定位子模块、Hough变换子模块、Cordic坐标转换子模块以及双线性插值子模块；
所述灰度化子模块，用于接收运动目标跟踪模块传递的含有二维码的视频流，对其进行灰度化处理并将灰度化处理后的二维码图像传递至二值化子模块；
所述二值化子模块，用于对灰度化处理后的二维码图像进行二值化处理并传递至图像降噪子模块；
所述图像降噪子模块，用于降低接收的二维码图像中因传感器材料属性、拍摄环境、电路结构产生的噪声，并将降噪后的二维码图像传递至探针定位子模块；
所述探针定位子模块，用于对降噪后的二维码图像中的3个位置探测图形进行定位；
所述Hough变换子模块，用于定位出二维码的轮廓并传递至Cordic坐标转换子模块；
所述Cordic坐标转换子模块，用于旋转二维码图像由笛卡尔坐标系转换到极坐标系；
所述双线性插值子模块，用于对旋转之后的二维码图像做重映射时处理，并将处理后的数据传输到VDMA模块。
5.根据权利要求4所述一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统，其特征在于，所述VDMA模块包括：SS2M接口单元、缓存区、控制单元、数据搬运单元以及MM2S接口单元；
所述SS2M接口单元，用于接收所述图像处理模块传递的处理后的数据传递至缓存区，以及接收可编程子系统反馈的二维码识别信息并传递至MM2S接口；SS2M为AXI视频流写入图像到存储器，MM2S表示存储器读出图像到AXI视频流；
所述缓存区，用于缓存所述SS2M接口单元传递的数据，同时向控制单元发送请求信息，以及接收控制单元返回的指令，并根据该指令向数据搬运单元传递数据；
所述控制单元，用于控制所述缓存区中的数据传输到所述数据搬运单元中；
所述数据搬运单元，用于把所述缓存区传递的数据写入到所述MM2S接口单元；
所述MM2S接口单元，用于将所述数据搬运单元传输的数据转化成AXI形式的数据流并输出。
6.采用权利要求1～5所述一种基于Zynq异构平台的二维码识别系统的识别方法，其特征在于，具体包括以下过程：
所述视频图像采集模块在视频采集控制模块的控制下，采集待识别的二维码视频，并通过视频采集控制模块将采集到的二维码视频传递至运动目标跟踪模块；
所述运动目标跟踪模块，从接收的二维码视频中筛选出含有二维码的视频流，并传递至所述图像处理模块；
所述图像处理模块，接收、处理含有二维码的视频流，并将处理后的数据传递至VNMA模块；
所述VDMA模块，将图像处理模块传递的处理后的数据封装成AXI形式的数据流并传输至所述可编程子系统；
所述可编程子系统获得VDMA模块传递的数据流中的二维码，并通过千兆以太网驱动模块和千兆以太网接口模块，与服务器之间进行信息的交互；进而在Zbar二维码识别模块中对二维码进行识别；
可编程子系统将二维码识别信息传递至VDMA模块，VDMA模块通过HDMI模块将该二维码识别信息传递至显示设备。
7.根据权利要求6所述一种基于Zynq异构平台的二维码识别方法，其特征在于，所述DDR存储器在DDR存储控制器的控制下，进行系统中间数据的交互和待处理数据流的帧缓存。
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