CN1991862A - 高可靠性二维条形码系统及其识读方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型二维条形码及其识读方法，其具有定位性能好，有很强的对畸变图形纠正能力，抗干扰能力强等高可靠性优点。本发明的高可靠性二维条形码属于矩阵码(Matrix Code)，它由左边的一条单根棒(Bar)形成的位置探测图形(Position Detection Pattern)，分布在外围的或接近外围的外同步信息功能图形(Out－TimingPattern)，分布在内部的内同步信息图形(In－Timing Pattern)，及其编码区域(Encoding Region)组成。内同步信息图形可以用“线性匹配”的方法进行识别，纠错编码的条形码的格式信息(Format Information)离散地分布在编码区间内。

Description

高可靠性二维条形码系统及其识读方法

技术领域

本发明涉及条形码技术，特别涉及一种提供高可靠性二维条形码系统及识读方法。

背景技术

由于计算机的运算能力和存储能力是惊人的，但计算机对外部世界的认识能力尤其是外部数据的输入能力很差。为了提高计算机对外部数据的输入能力，人们发明了一种便于机器识读的特殊的光学符号系统，称之为条形码。

近几十年来，条形码技术发展非常快。从一维条形码，堆栈条形码到二维条形码，条形码从信息容量到识读速度都有很大的提高。人们开始对条形码识读的可靠性要求也越来越高。条形码识读的可靠性主要反映在对条形码可靠地定位，对畸变图形行很强的纠正能力，提高其抗干扰能力等。这些都涉及到二维条形码本身的结构及其识读方法。

有关提高条形码可靠性的研究，国内外都给与很大的关注。

如日本发明了一种“快速响应矩阵码”也称“QR Code”(见中华人民共和国国家标准GB/T 18284-2000)，图4。比较早地提出了“校正图形”6的概念，可用称之为“校正图形”的功能图形来对畸变图形进行校正。但这种功能图形是一种二维图形，它占据条形码有效面积也比较大，尤其是二维图形的识别通常是用面匹配的方法，面匹配的方法与线匹配的方法相比，算法比较复杂，执行时间也比较长。而且它没有完整的同步信息功能图形，可靠定位和对畸变图形校正能力有限。它的条形码的格式信息是用BCH纠错方式来进行编码，但BCH纠错编码的格式信息7是集中分布在三个角上。所以它的抗突发性干扰能力很差。它的方向是由三个特殊的“位置探测图像”8来确定，它也是二维图形，存在与“校正图形”相同的问题。

本发明人曾发明了龙贝码(LP Code)图5。龙贝码与国际上先进的条形码相比，具有很多优点。但龙贝码还存在一定的问题。龙贝码虽然是一种双向可读的二维条形码(见发明专利03128955.X)，它不需要由特殊的“位置探测图像”来确定起始位置。但双向可读只是允许在水平方位上，而不允许在垂直方位上进行，双向可读的前提是要预先探测出它的水平方位。它的水平方位是根据“导向信息单元”9的功能图形来决定的，由于“导向信息单元”重叠于“垂直同步信息单元”10之上，其与“垂直同步信息单元”的差别仅稍长一点，所以它的“信号”很弱。如果水平定位出错，译码必定失败。所以由于龙贝码这个本身结构上的原因，要提高图像处理的可靠性有一定的难度。同时双向可读算法相当复杂。虽然龙贝码也是一种全方位信息同步的二维条形码(见发明专利03116561.3)，由于它没有内同步信息，它只能对一些简单的透视畸变图形进行校正，所以龙贝码要提高校正的比较复杂的畸变图形也有一定的难度。同样由于“导向信息单元”重叠于“垂直同步信息单元”，所以它的同步系统不是完全独立的，从结构上和从图像处理角度上来看，外同步系统设计还不很理想。

发明内容

本发明提供一种新型二维条形码及其识读方法，其具有定位性能好，有很强的对畸变图形纠正能力，抗干扰能力强等高可靠性优点。

本发明的上叙目的通过以下的技术方案实现：

一种高可靠性二维条形码系统，其属于矩阵码，与其他形式的矩阵码一样，也是由矩阵方式排列的模块(Module)组成，包含：

在矩阵的左边有一条由一系列相同特性的模块组成的单根棒(Bar)形成的位置探测图形(Position Detection Pattern)；

分布在外围的或接近外围的外同步信息功能图形(Out-TimingPattern)，其中，有一条边必须与位置探测图形相邻并且平行；

由二种内同步信息图形(In-Timing Pattern)分布在矩阵内部，其中，包含岛性内同步信息功能图形(内同步信息功能图形不与外同步信息功能图形接触)与半岛性内同步信息功能图形(内同步信息功能图形与外同步信息功能图形接触)；

以及所叙编码区间内的纠错编码的条形码的格式信息(FormatInformation)离散地分布在编码区间内。

比较好的是，在上叙外/内同步信息功能图形，是由二种不同特性的独立的模块交替组成线性条形，也称同步条。

比较好的是，在上叙岛性内同步信息功能图形(内同步信息功能图形不与外同步信息功能图形接触)是由二条相互垂直交叉的同步条组成。

比较好的是，在上叙半岛性内同步信息功能图形(内同步信息功能图形与外同步信息功能图形接触)是由单根同步条组成。

比较好的是，在上叙模块(Module)的特性，可以是光学特性(颜色，荧光等)也可以是物理特性(如突起/凹陷，粗糙/平滑等)。

比较好的是，在上叙模块(Module)的形状，通常为正方形，也可以是长方形，圆形或任何其他的几何形状中的一种。

比较好的是，在上叙内同步信息功能图形的定位，先假设在编码区间内水平方向有若干条内同步线和垂直方向有若干条内同步线，水平方向内同步线和垂直方向内同步线的交点是岛性内同步信息功能图形中心点位置。水平方向内同步线或垂直方向内同步线与外同步信息功能图形的交点是半岛性内同步信息功能图形伸展点位置。

本发明的另一个发明的目的是提供一种识读上叙高可靠性二维条形码系统的方法

本发明的上叙目的通过以下技术方案实现：

同步信息功能图形的识读方法，快速一维模块匹配算法。

条形码的格式信息的编码/译码方法，包含以下步骤：

(1)位置探测图形位于条形码的左边。在与位置探测图形相邻的最高位置的编码模块定义为起始模块。

(2)对条形码的格式信息进行纠错编码(如BCH)。

(3)编码时，以起始模块为起始点，把纠错编码的条形码的格式信息离散地分布在编码区间。

(4)译码时，同样以同一起始模块为起始点，以编码时的离散地分布形式，读取纠错编码的条形码的格式信息。

(5)对纠错编码的条形码的格式信息进行纠错译码，还原条形码的格式信息。

比较好的是，在上叙离散地分布形式，其特征在于，可以用表格映射算法或解析算法实现。

在本发明中的二维条形码中，在矩阵的左边有一条由一系列相同特性的模块组成的单根棒(Bar)形成的位置探测图形(PositionDetection Pattern)，这是最简单也是最容易识别的位置探测图形。在本发明中的二维条形码中，有一套完全独立的，完整的外同步信息功能图形(Out-Timing Pattern)和分布在内部的内同步信息图形(In-Timing Pattern)，可以有效地对比较复杂的畸变图形进行校正。内部的内同步信息图形可以用线匹配的方法去进行识别，以提高准确性和速度。编码区间内的纠错编码的条形码的格式信息(FormatInformation)离散地分布在编码区间内，大大地提高了条形码抗突发性干扰能力。可见，本发明中的二维条形码具有很高的可靠性。

附图说明

通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明的目的，特征和优点，其中：

图1为按照本发明较佳实施例的高可靠性二维条形码系统的示意图。

图2为本发明高可靠性二维条形码系统的识读方法的流程图。

图3为数据矩阵码(Date Matrix Code)实例。

图4为快速响应矩阵码(QR Code)示意图。

图5为龙贝码(LP Code)示意图。

具体实施方式

图1为按照本发明一个较佳实施例的高可靠性二维条形码系统示意图。

作为矩阵码，高可靠性二维条形码也是由最基本的单元——模块(Module)组成。模块是矩阵式二维条形码中的一个独立的单元，用于对数据的一位编码。模块最常用的是光学特性(颜色，荧光等)也可以是物理特性(如突起/凹陷，粗糙/平滑等)，其形状特征通常为正方形，也可以是长方形，圆形或任何其他的几何形状中的一种。在本实施例中使用光学特性为颜色属性，并且只包括黑色和白色二种颜色，形状为正方形。

如图1所示，高可靠性二维条形码中，左边有一条由一系列黑色模块组成的单根棒(Bar)形成的位置探测图形(Position DetectionPattern)1。位置探测图形确定二维条形码的起始点位置，我们把与位置探测图形相邻的最高位置的编码模块定义为起始模块。外同步信息功能图形(Out-Timing Pattern)2和内部的内同步信息图形(In-Timing Pattern)是由一系列黑，白相间的模块组成的条状。外同步信息功能图形位于位置探测图形的右面，与位置探测图形相距一个模块的位置，并且有一条外同步信息功能图形的边与位置探测图形相等及平行。内同步信息图形分布在外同步信息图形的内部，内同步信息图形包含岛性内同步信息功能图形3及半岛性内同步信息功能图形4。岛性内同步信息功能图形是指那些不与外同步信息功能图形相接触内同步信息功能图形，它是由二条相互垂直交叉的同步条组成，其交叉点称为岛性内同步信息功能图形中心点位置。半岛性内同步信息功能图形是指那些与外同步信息功能图形相接触内同步信息功能图形，它是由一条单独的同步条组成，其相接触点称为半岛性内同步信息功能图形伸展点位置。在图1所示的实施例中，设定在编码区间内水平方向有二条内同步线和垂直方向有二条内同步线，水平方向内同步线和垂直方向内同步线的交点是岛性内同步信息功能图形中心点位置。水平方向内同步线或垂直方向内同步线与外同步信息功能图形的交点是半岛性内同步信息功能图形伸展点位置。在高可靠性二维条形码中除了所有的功能图形以外的区域，称为编码区间5。编码区间包含编码信息，条形码的格式信息(Format Information)以及它们进行纠错编码后所产生的纠错信息。由位置探测图形确定二维条形码的起始点位置对这些信息在编码区间内的分布非常重要，在编码和译码过程中都必须以同一起始点，相同的分布规律在编码区间内安排或读出这些信息。

其中条形码的格式信息在编码/译码时，包含以下步骤：

(1)位置探测图形位于条形码的左边。在与位置探测图形相邻的最高位置的编码模块定义为起始模块。

(2)对条形码的格式信息进行纠错编码(如BCH)。

(3)编码时，以起始模块为起始点，把BCH纠错编码的条形码的格式信息以任何形式离散地分布在编码区间。

(4)译码时，同样以同一起始模块为起始点，以编码时离散地分布形式，提取BCH纠错编码的条形码的格式信息。

(5)对BCH纠错编码的条形码的格式信息进行BCH纠错译码，还原条形码的格式信息。

上叙离散地分布形式，可以用表格映射算法或解析算法实现。BCH纠错编码的条形码的格式信息用A₁，A₂，A₃，...A_n表示，相应在编码区间的离散物理位置用〔X₁，Y₁〕，〔X₂，Y₂〕，〔X₃，Y₃〕，...〔X_n，Y_n〕表示。

表格映射算法：

建立一个映射表格，如下所示。

A1	A2	A3	...	An
					〔X1，Y1〕	〔X2，Y2〕	〔X3，Y3〕	...	〔Xn，Yn〕

计算机用这个映射表格，在编码时，把BCH纠错编码的条形码的格式信息映射到相应在编码区间的离散物理位置。在译码时，计算机用同一个映射表格把在编码区间的相应位置上的BCH纠错编码的条形码的格式信息读出。以保证编码和译码时始终保持维一的对应关系。

解析算法：

Ai＝f(X_i，Y_i)      i＝1，2，3，...，n；

以下结合图2高可靠性二维条形码识读方法流程图来描述它的工作过程。如图2所示：

在步骤1中，识读器用摄像机拍摄图1所示的二维条形码，把二维条形码的光学灰度信号转换为电模拟图像信号。

在步骤2中，识读器中的模数转换系统进一步把电模拟图像信号转换成可供数字计算机处理的数字图像信号，并储存到相应的寄存器中，计算机将对这些数字图像信号作进一步处理。

接着，在步骤3中，计算机对数字图像信号作特殊的图像处理，以对二维条形码进行定位。步骤3由下列步骤组成。

首先，在步骤3a中，对二维条形码图像处理的通常做法是用相应的图像处理算法找到二维条形码的四个顶角位置。由于这里所采用的算法都是本领域内普通技术人员熟知的二维条形码常用算法，而且也不属于本发明的要点，因此不作赘述。

接着，在步骤3b中，因为已找到四个顶角位置，很容易定位单根棒(Bar)形成的位置探测图形和外同步信息功能图形。有关这些图像处理算法与数据矩阵码(Data Matrix Code)一样(见图3)，可以共享数据矩阵码有关这方面的图像处理算法。

在步骤3c中，需要进一步定位内同步信息功能图形，定位内同步信息功能图形常用模板匹配算法。常规的二维条形码的内同步信息功能图形都是二维的，如QR Code的“校正图形”，所以需要用二维模板匹配算法。

二维模板匹配算法为：

设{fl(x，y)，x，y＝1，2，...，n}，l＝1，2，...，p  是p个不同形状区域的二值图像。

设{Tk(x，y)，x，y＝1，2，...，n}，k＝1，2，...，q  是用以区分{fl}的q个模板(二值图像)。

对于输入的{fl(x，y)}中的任一幅图像{fl(x，y)}求

$\mathrm{rk}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{fl}(x,y)\mathrm{Tk}(x,y)/\#\left\{\mathrm{Tk}\right\},k=\mathrm{1,2},...,q$

式中#{Tk}表示二值图像Tk中“1”点的个数。

在{rk}(k＝1，2，...，q)中求最大值，如最大值大于某阈值，匹配成功，否则匹配失败。

但对于高可靠性二维条形码，它的内同步信息功能图形都是一维的，所以需要用设计一种一维模板匹配算法。

一维模板匹配算法为：

设{fl(x_i，y_i)，i＝1，2，...，n}，l＝1，2，...，p  是p个不同形状区域的二值图像。

设{Tk(x_i，y_i)，i＝1，2，...，n}，k＝1，2，...，q  是用以区分{fl}的q个模板(二值图像)。

对于输入的{fl(x_i，y_i)}中的任一幅图像{fl(x_i，y_i)}求

$\mathrm{rk}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{fl}(x_i,y_i)\mathrm{Tk}(x_i,y_i)/\#\left\{\mathrm{Tk}\right\},k=\mathrm{1,2},...,q$

式中#{Tk}表示二值图像Tk中“1”点的个数。

在{rk}(k＝1，2，...，q)中求最大值，如最大值大于某阈值，匹配成功，否则匹配失败。

比较一维模板匹配算法与二维模板匹配算法，速度要快一个指数级数。如n＝8，一维模板匹配算法比较8点，而二维模板匹配算法比较64点。

在步骤4中，用外同步信息功能图形与内同步信息功能图形得到的同步信息来对编码区域内的编码信息，条形码的格式信息模块读取位置进行校正。在步骤3b中，因为已找位置探测图形，所以很容易定位条形码的起始位置。而后，从条形码的起始位置出发，按编码时的相同的分布规律，用进行校正后的位置在编码区间内准确，可靠地读出这些信息

最后，在步骤5中，计算机对读出的条形码的格式信息及编码信息进行相应的译码，输出译码结果。

Claims (10)

1.一种高可靠性二维条形码系统，其属于矩阵码，与其他形式的矩阵码一样，也是由矩阵方式排列的模块(Module)组成，其特征在于，包含：

在矩阵的左边有一条由一系列相同特性的模块组成的单根棒(Bar)形成的位置探测图形(Position Detection Pattern)；

分布在外围的或接近外围的外同步信息功能图形(Out-TimingPattern)，其中，有一条边必须与位置探测图形相邻并且平行；

由二种内同步信息图形(In-Timing Pattern)分布在矩阵内部，其中，包含岛性内同步信息功能图形(内同步信息功能图形不与外同步信息功能图形接触)与半岛性内同步信息功能图形(内同步信息功能图形与外同步信息功能图形接触)；

以及所叙编码区间内的纠错编码的条形码的格式信息(FormatInformation)离散地分布在编码区间内。

2.如权利要求1所叙的外/内同步信息功能图形，其特征在于，是由二种不同特性的独立的模块交替组成线性条形，也称为同步条。

3.如权利要求1或2所叙的岛性内同步信息功能图形(内同步信息功能图形不与外同步信息功能图形接触)其特征在于，是由二条相互垂直交叉的同步条组成。

4.如权利要求1或2所叙的半岛性内同步信息功能图形(内同步信息功能图形与外同步信息功能图形接触)其特征在于，是由单根同步条组成。

5.如权利要求1或2所叙的模块(Module)的特性，其特征在于，可以是光学特性(颜色，荧光等)也可以是物理特性(如突起/凹陷，粗糙/平滑等)。

6.如权利要求1或2所叙的模块(Module)的形状，其特征在于，通常为正方形，也可以是长方形，圆形或任何其他的几何形状中的一种。

7.如权利要求1或2所叙的内同步信息功能图形的定位，其特征在于，先假设在编码区间内水平方向有若干条内同步线和垂直方向有若干条内同步线，水平方向内同步线和垂直方向内同步线的交点是岛性内同步信息功能图形中心点位置。水平方向内同步线或垂直方向内同步线与外同步信息功能图形的交点是半岛性内同步信息功能图形伸展点位置。

8.如权利要求1或2所叙的内同步信息功能图形的识读方法，其特征在于，快速一维模块匹配算法。

9.一种识读如权利要求1所叙的条形码的格式信息的编码/译码方法，其特征在与，包含以下步骤：

(1)位置探测图形位于条形码的左边。在与位置探测图形相邻的最高位置的编码模块定义为起始模块。

(2)对条形码的格式信息进行纠错编码(如BCH)。

(3)编码时，以起始模块为起始点，把纠错编码的条形码的格式信息离散地分布在编码区间。

(4)译码时，同样以同一起始模块为起始点，以编码时的离散地分布形式，读取纠错编码的条形码的格式信息。

(5)对纠错编码的条形码的格式信息进行纠错译码，还原条形码的格式信息。

10.如权利要求9所叙的离散地分布形式，其特征在于，可以用表格映射算法或解析算法实现。

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