CN1862560A - 一种基于定位图形的可快速定位的二维条码系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定位图形的可快速定位的二维条码系统，包括导航条区和条码数据区6。导航条区包括导航条锚2、导航条靶3、导航条空隙5和环导航条连通区4；导航条靶3为离心率趋近于0的长条形连通区域；导航条锚2为离心率趋近于1的连通区域，位于导航条靶的两端；导航条靶3和导航条锚2之间以导航条空隙分割；环导航条连通区4为环绕导航条靶3、导航条锚2以及导航条空隙5的浅色连通区域。条码数据区6是用特定的几何图形按一定的规律在平面上分布不同的颜色相间的图形以记录数据符号信息。本发明通过添加导航条区这一辅助定位图形，快速定位二维条码，达到排除干扰信息的目的。

Description

一种基于定位图形的可快速定位的二维条码系统

技术领域

本发明涉及一种二维条码图像定位符号和基于该定位符号的二维条码系统。

背景技术

条码是一种可供光学扫描设备识读的特殊光学符号系统，用以表达一定的信息，按照空间维数一般分为一维条码和二维条码。

一维条码只是在一个方向上表达信息，通常为水平方向，而在垂直方向则不表达任何信息。其识读方法和系统比较简单，可以提高信息录入的速度，减少差错率，被广泛应用于各种领域。但是其存储数据相对较少，主要依靠与其关联的数据库，条码尺寸相对较大，保密性低，条码损坏后可读性差。

二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。二维条码是在一个二维空间中通过深、浅像素在图形中的不同分布进行编码的一种数据存储方法。在二维空间相应坐标位置上，用单元点(方点、圆点或其他形状)的出现表示二进制“1”，单元点的不出现表示二进制的“0”，单元点的排列组合确定了二维条码所代表的意义。

二维条码有许多不同的码制，主要可分为以下两种类型：

1.堆叠式二维码是在一维条码编码原理的基础上，将多个一维码在纵向堆叠而产生的。其特征是在码图的两端有与条码同等高度的条形区域表示图像的两个边缘。典型的码制如：PDF417、Ultracode、Code 16K、Code 49等。

2.矩阵式二维码：是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。其特征是在图像的边缘有定位图形组合界定图像的边界。典型的码制如：Aztec、Maxi Code、QR Code、Data Matrix等。

二维条码的主要特点是：信息容量大，编码范围广，保密、防伪性能好，译码可靠性高，修正错误能力强，制作简单，成本低廉。

传统的二维条码技术主要应用在物流、防伪、证件管理、设备标识等领域。应用在这些领域的二维条码主要通过专业的条码扫描设备进行信息读取，条码的单元格数量较多，同时每个单元格所占的物理尺寸较小。

随着无线互联网的发展，使用手机摄像头作为条码扫描设备进行信息读取正在广泛地应用。很多国家和地区的手机上安装了读取条码的软件，许多出版物、网站、户外广告、路标、名片上印刷有二维条码，用户可以通过手机摄像头识读这些条码实现手机上网、发送短信息、拨打电话、存储名片信息等功能。

为了描述方便，以下行文中将主要应用于物流等传统功能的二维条码简称为“传统条码”，将针对手机应用新开发的二维条码简称为“手机条码”。

传统条码可以当作手机条码使用，但是由于识读设备的不同，传统条码应用在手机应用中成本高、效果差，因而不能很好地满足应用需求。手机摄像头的成像质量远远低于专业条码扫描器摄像头的成像质量，在手机应用中使用传统条码识读的效率较低。以下两个因素使得传统条码不适合手机应用：

1.传统的二维条码主要特征是信息存储量大，通常是利用扩大存储面积的方式达到存储更多信息的目的；为了防止图像获取过程中由于条码面积变大发生图像畸变，往往在条码图形中设计许多定位符进行图像校正，导致在整个码图中用于存储信息的面积较少。由于传统条码是为存储大量信息而设计，大码图和小码图设置的校正图形相似，因此存储到一定多数量的信息时才发挥其效率，当存储信息量较少时校正图像开销大存储效率较低。手机应用中的二维条码存储的信息量较小，存储的内容一般是网址、名片信息等，传统条码的存储效率没有发挥出来，形成的条码图形中非数据信息占据较大比例，无法制做出较少单元格的码图。

2.手机读取的条码在出版物上印刷的面积一般较小，物理长宽尺寸大多在2厘米以内，手机需要贴近条码图形才能拍摄到符合最低尺寸要求的图像。手机摄像头需要进行外接放大镜、设置两组镜片、加入微距模式等物理改造才能获取清晰条码图像以识别单元格较多的传统条码。由于普通的手机摄像头不带放大镜或微距拍照模式，因此手机摄像头无法在近距离将单元格较多的传统条码清晰成像。

为了解决以上问题，近几年来全球针对手机应用开发了多种手机条码。手机条码一般单元格较少，其特征是定位符号清晰识读效率高，编码规则简单信息冗余少。常见的手机条码有：

韩国Iconlab公司设计的Intercode条码；苏黎士理工大学Michael Rohs设计的Visual Code条码，专利申请号200610064938.5中北京紫光捷通科技有限公司公布了“一种用于二维码识别的二维码区域精确定位方法”里应用的紫光码。这三种条码已经分别在韩国、美国和中国市场的移动增值业务中有较大范围的应用。

为了提高识别的速度，许多手机条码一般都带有类似导航靶的设计。导航条的价值，在于可以通过计算整幅图像中包含的连通区域的离心率，快速找到符合条码特征的候选区域。

在相关文献中，日本Sony公司Sony Computer ScienceLaboratories.Inc公布了其设计的CyberCode条码，其中谈到了快速寻找特征图形的导航靶概念，类似本发明中的导航条靶，CyberCode通过导航靶来快速定位条码区的，如图2所示；苏黎士理工大MichaelRohs设计的VisualCode条码采用了两个互相垂直的导航条靶确定条码区，如图3所示。紫光码、CyberCode、VisualCode这三种码图方案的共同点都是：包含了在矩阵二维码附近的长条形连通区域——导航条靶，其特征在于一个长宽比较大的条状区域的离心率趋近于0，比较容易通过图像识别快速辨识。

计算导航条离心率方法具有较强的使用价值，但是也存在着抗干扰能力差的问题，在包含近似长条图形的背景环境中很难快速甄别出导航条。在实际应用中，出现导航条干扰图形的情况经常出现，尤其是在出版物使用中，条码图形附近的文字、线条经过膨胀腐蚀的图像处理以后呈现出与导航条近似的特征，会严重影响条码图像的识别速度。

发明内容

本发明提供一种二维条码定位图形与传统的二维条码相组合的技术，组成一种便于识别的二维条码系统，以达到快速定位二维条码，排除干扰信息的目的。

一种基于定位图形的可快速定位的二维条码系统，画布上有导航条区和条码数据区，导航条区包括导航条锚、导航条靶、导航条空隙和环导航条连通区；导航条靶为离心率趋近于0的长条形连通区域；导航条锚为离心率趋近于1的连通区域；导航条靶的两端放置导航条锚；导航条靶和导航条锚之间以导航条空隙分割开；环导航条连通区为环绕导航条靶、导航条锚以及导航条空隙的浅色连通区域，该连通区域把导航条靶、导航条锚、导航条空隙、条码数据区分割，并且能够通过颜色矩的图像处理方法获得；条码数据区是用特定的几何图形按一定的规律在平面上分布不同的颜色相间的图形以记录数据符号信息。

导航条区可以包含一个导航条靶或若干个相互平行的导航条靶，每个导航条靶两端有导航条锚。

导航条区可以包含两个互成任意角度的导航条靶，两个导航条靶不相交，保证每个导航条靶两端都放置有导航条锚，在两导航条靶的延长线交点处可以放置一个公用导航条锚。

导航条区可以包含三条或三条以上导航条靶，所有导航条靶互不相交，任意两个导航条靶成任意角度，保证每个导航条靶两端都放置有导航条锚，相邻导航条靶可以在其延长线交点处放置一个公用导航条锚。

导航条区可以包括两个导航条锚和一个或一个以上的都在同一条直线上的导航条靶，所有导航条靶都位于两个导航条锚中间，相邻导航条靶之间用导航条间隙分割开。

导航条锚、导航条靶、导航条空隙和环导航条连通区由单元格、单元点或单元块组成，其中单元格、单元点和单元块的形状可为任意形状或三者的任意组合。

导航条区可以位于条码数据区内部，也可以位于条码数据区外部，同时条码数据区的个数可以为一个或一个以上，而且可以为任意形状。条码数据区内可以含有图案区，画布上页可以单独含有图案区。

离心率趋近于0是指离心率属于0至0.3的闭区间，离心率趋近于1是指离心率属于0.8至1的闭区间。可以通过设置掩膜防止码图中出现除导航条靶以外的离心率小于0.3的连通区域。

在HIS颜色空间中，S为饱和度，表示颜色的深浅，所述浅色是指S属于1-50％范围内，能够通过计算颜色矩的方法将导航条靶、导航条锚、导航条空隙区分。

颜色矩用来表达图像中的颜色分布，采用颜色的一阶矩、二阶矩和三阶矩来表示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供了一种二维条码定位图形与传统的二维条码相结合的技术，组成一种便于识别的新型二维条码，实现二维条码的快速定位，排除干扰信息。在本发明中，由于定位图形比较鲜明，所以能够运用图像处理的方法快速准确的完成条码区的定位。同时，由于定位图形的抗干扰能力强，使得这种带有定位图形的二维条码系统能够应用于各种复杂恶劣的环境中。

附图说明

图1为二维条码系统结构图，其中：

1—画布；

2—导航条锚；

3—导航条靶；

4—环导航条连通区；

5—导航条空隙；

6—条码数据区；

图2为CyberCode条码示意图；

图3为VisualCode条码示意图；

图4至图32为导航条区和二维条码的示例图；

图33为处理流程图；

图34为初始条码图；

图35为采集到的二维条码图像；

图36为中值滤波二值化以后的图形；

图37为导航条靶候选区图；

图38为导航条锚候选区图；

图39为导航条区图像；

图40为条码区图像。

具体实施方式

现结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

图1描述了二维条码系统的结构。1为画布，导航条区和条码数据区6都位于其上。导航条区包括导航条锚2、导航条靶3、导航条空隙5和环导航条连通区4(图中阴影部分)，条码数据区6位于导航条区上部，中间以环导航条连通区4区分。

图4至图32为导航条区以及这种具有导航条区的二维条码图像的结构举例；

参照图33的流程，对图34所示的二维条码进行定位采集处理，其具体流程如下：

首先进行二维条码图像采集101。采集二维条码的图像需要采用带有电荷耦合器件(CCD)的图像采集设备，比如数码相机、摄像头、带有拍照功能的手机等。采集出的图像如图35所示。

然后进行二维条码图像预处理102。由于CCD的电流干扰，所以采用中值滤波去噪。在图像滤波后，采用颜色矩、动态阈值的方法将图像的背景和目标区域进行分割。

再采用八连通判别算法进行二维条码图像区域标记103，在二值图像中，当前像素点为x(i，j)，则下面的公式称之为八连通。

x(i-1，j)，x(i，j-1)，x(i，j+1)，x(i+1，j)

x(i-1，j+1)，x(i，j-1)，x(i+1，j-1)，x(i+1，j+1)

中值滤波二值化后的图形如图36所示，二维条码图像区域标记。

图像分割后利用矩不变量和离心率搜索导航条靶，进行搜索导航条靶候选区域是否成功104的判断，具体的实施方法如下：

在本发明专利中所采用的形状判断数学基础是七个矩不变量和离心率。对于二维连续函数f(x，y)，(p+q)阶矩定义为：

$m_{\mathrm{pq}}={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}{x}^p{y}^{q}f(x,y)\mathrm{dxdy}$

p，q＝0，1，2，…。由单执性定理(Papoulis[1991])说明：如果f(x，y)是分段连续的并且仅在xy平面内有限的部分具有非零值，则存在各阶矩，并且矩的序列(^mpq)由f(x，y)惟一决定。相反，(^mpq)也惟一的决定f(x，y)。中心矩定义为：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{pq}}={\∫}_{-\∞}^{\∞}{(x-\stackrel{-}{x})}^p{(y-\stackrel{-}{y})}^{q}f(x,y)\mathrm{dxdy}$

这里 $\stackrel{-}{x}=\frac{m_{10}}{m_{00}}$ 和 $\stackrel{-}{y}=\frac{m_{01}}{m_{00}}$

如果f(x，y)是数字图像，则上式可以变成：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{pq}}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^p{(y-\stackrel{-}{y})}^{q}f(x,y)$

${\mathrm{\μ}}_{00}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^0{(y-\stackrel{-}{y})}^{0}f(x,y)=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}f(x,y)=m_{00}$

${\mathrm{\μ}}_{10}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^1{(y-\stackrel{-}{y})}^{0}f(x,y)=m_{10}-\frac{m_{10}}{m_{00}}\left(m_{00}\right)$

${\mathrm{\μ}}_{01}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^0{(y-\stackrel{-}{y})}^{1}f(x,y)=m_{01}-\frac{m_{01}}{m_{00}}\left(m_{00}\right)$

${\mathrm{\μ}}_{11}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^1{(y-\stackrel{-}{y})}^{1}f(x,y)=m_{11}-\frac{m_{10}{m}_{01}}{m_{00}}=m_{11}-\stackrel{-}{x}{m}_{01}=m_{11}-\stackrel{-}{y}{m}_{10}$

${\mathrm{\μ}}_{20}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^2{(y-\stackrel{-}{y})}^{0}f(x,y)=m_{20}-\stackrel{-}{x}{m}_{10}$

${\mathrm{\μ}}_{02}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^0{(y-\stackrel{-}{y})}^{2}f(x,y)=m_{02}-\stackrel{-}{y}{m}_{01}$

${\mathrm{\μ}}_{21}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^2{(y-\stackrel{-}{y})}^{1}f(x,y)=m_{21}-2\stackrel{-}{x}{m}_{11}-\stackrel{-}{y}{m}_{20}+2{\stackrel{-}{x}}^2{m}_{01}$

${\mathrm{\μ}}_{12}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^1{(y-\stackrel{-}{y})}^{2}f(x,y)=m_{12}-2\stackrel{-}{y}{m}_{11}-\stackrel{-}{x}{m}_{02}+2{\stackrel{-}{y}}^2{m}_{10}$

${\mathrm{\μ}}_{30}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^3{(y-\stackrel{-}{y})}^{0}f(x,y)=m_{30}-3\stackrel{-}{x}{m}_{20}+2{\stackrel{-}{x}}^2{m}_{10}$

${\mathrm{\μ}}_{03}=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{(x-\stackrel{-}{x})}^0{(y-\stackrel{-}{y})}^{3}f(x,y)=m_{03}-3\stackrel{-}{y}{m}_{02}+2{\stackrel{-}{y}}^2{m}_{01}$

七个矩不变量为：

φ₁＝η₂₀+η₀₂

φ₂＝(η₂₀+η₀₂)²+4η₁₁ ²

φ₃＝(η₃₀-3η₁₂)²+(3η₂₁-η₀₃)²

φ₄＝(η₃₀+η₁₂)²+(η₂₁+η₀₃)²

φ₅＝(η₃₀-3η₁₂)(η₃₀+η₁₂)[(η₃₀+η₁₂)²-3(η₂₁+η₀₃)²]+(3η₂₁-η₀₃)(η₂₁+η₀₃)[3(η₃₀+η₁₂)²-(η₂₁+η₀₃)²]

φ₆＝(η₂₀-η₀₂)[(η₃₀+η₁₂)²-(η₂₁+η₀₃)²]+4η₁₁(η₃₀+η₁₂)(η₂₁+η₀₃)

φ₇＝(3η₂₁-η₀₃)(η₃₀+η₁₂)[(η₃₀+η₁₂)²-3(η₂₁+η₀₃)²]+(3η₁₂-η₃₀)(η₂₁+η₀₃)[3(η₃₀+η₁₂)²-(η₂₁+η₀₃)²]

这些矩组对于平移、旋转和比例缩放是不变的。

从这些矩和矩不变量中，可以确定出椭圆的长轴和短轴。长轴和短轴之比—离心率(eccentricity)是一个很好的测量物体几何形状的数学变量。圆和正方形的离心率等于1，然而线状物体的离心率趋近于0。

如果根据以上矩、矩不变量和离心率确定出了导航靶候选区域，如图37所示，则步骤104成功，进行存储导航条靶候选区域105；否则步骤104失败，重新进行二维条码图像采集101。

接着，进行搜索导航条锚候选区域是否成功106，如果根据离心率和矩不变量确定出了导航条锚候选区域，如图38所示，则步骤106成功，进行存储导航条锚候选区域107；否则步骤106失败，重新进行二维条码图像采集101。

进行确定导航条区108，如图39所示。再进行确定条码区109，在导航条区的周围搜索条码区域，条码区域是拐点比较多的地方，所以我们首先是利用Harris算子检测角点，然后统计出角点最多的区域为条码区，如图40所示。

然后进行读取条码单元模块信息110和译码解码条码单元模块信息111，对条码进行进一步的处理。

以上所述实施方式仅为本发明的实施例，而本发明不限于上述实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种基于定位图形的可快速定位的二维条码系统，其特征在于画布上有导航条区和条码数据区：

导航条区包括导航条锚、导航条靶、导航条空隙和环导航条连通区；

导航条靶为离心率趋近于0的长条形连通区域；

导航条锚为离心率趋近于1的连通区域；

导航条靶的两端放置导航条锚；

导航条靶和导航条锚之间以导航条空隙分割开；

环导航条连通区为环绕导航条靶、导航条锚以及导航条空隙的浅色连通区域，该连通区域把导航条靶、导航条锚、导航条空隙、条码数据区分割，并且能够通过颜色矩的图像处理方法获得；

条码数据区是用特定的几何图形按一定的规律在平面上分布不同的颜色相间的图形以记录数据符号信息。

2.如权利要求1所述的二维条码，其特征在于：所述导航条区包含一个导航条靶或若干个相互平行的导航条靶，每个导航条靶两端有导航条锚。

3.如权利要求1所述的二维条码，其特征在于：所述导航条区包含两个互成任意角度的导航条靶，两个导航条靶不相交，保证每个导航条靶两端都放置有导航条锚，在两导航条靶的延长线交点处可以放置一个公用导航条锚。

4.如权利要求1所述的二维条码，其特征在于：所述导航条区包含三条或三条以上导航条靶，所有导航条靶互不相交，任意两个导航条靶成任意角度，保证每个导航条靶两端都放置有导航条锚，相邻导航条靶可以在其延长线交点处放置一个公用导航条锚。

5.如权利要求1至4所述的二维条码，其特征在于：所述导航条区包括两个导航条锚和一个或一个以上的都在同一条直线上的导航条靶，所有导航条靶都位于两个导航条锚中间，相邻导航条靶之间用导航条间隙分割开。

6.如权利要求1至5所述的二维条码，其特征在于：所述导航条锚、导航条靶、导航条空隙和环导航条连通区由单元格、单元点或单元块组成，其中单元格、单元点和单元块的形状可为任意形状或三者的任意组合。

7.如权利要求1至5所述的二维条码，其特征在于：所述导航条区位于条码数据区内部。

8.如权利要求1至5所述的二维条码，其特征在于：所述导航条区位于条码数据区外部。

9.如权利要求1或7或8所述的二维条码，其特征在于：所述条码数据区的个数可以为一个或一个以上。

10.如权利要求1或7至9所述的二维条码，其特征在于：所述条码数据区为任意形状。

11.如权利要求1或7至10所述的二维条码，其特征在于：所述条码数据区内含有图案区。

12.如权利要求1或7至11所述的二维条码，其特征在于：所述画布上单独含有图案区。

13.如权利要求1所述的二维条码，其特征在于：离心率趋近于0是指离心率属于0至0.3的闭区间。

14.如权利要求1所述的二维条码，其特征在于：离心率趋近于1是指离心率属于0.8至1的闭区间。

15.如权利要求1所述的二维条码，其特征在于：可以通过设置掩膜防止码图中出现除导航条靶以外的离心率小于0.3的连通区域。

16.如权利要求1所述的二维条码，其特征在于：在HIS颜色空间中，S为饱和度，表示颜色的深浅，所述浅色是指S属于1-50％范围内，能够通过计算颜色矩的方法将导航条靶、导航条锚、导航条空隙区分。

17.如权利要求1所述的二维条码，其特征在于：颜色矩用来表达图像中的颜色分布，采用颜色的一阶矩、二阶矩和三阶矩来表示。

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