（信号与信息处理专业论文）基于图像处理的pdf417码识别系统的研究.pdf

摘要 摘要 现代包装中通常使用的条码都是一维条码，但是一维条码存在许多缺陷，无法 更好满足包装在运输、存储和表达信息方面的要求。二维条码的诞生解决了一维条 码所不能解决的问题，它能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，能够在很小的 面积内表达大量的信息，使条码脱离数据库成为独立的信息载体；同时二维条码采 用现在世界上最先进的纠错控制码之一的r s 码，大大提高了条码信息的读取能力。 近些年来二维条码在我国某些领域进行了尝试性的应用，但往往都是基于国外的一 些软件公司的应用软件平台之上进行应用的，导致相关研究受到很大的限制。本课 题针对二维条码中具有代表性的行排式二维条码_ p d f 4 1 7 条码，基于e m b e d d e d v i s u a lc h - 4 o 设计平台，设计相关的算法，生成条码编译系统的雏形。 本课题的研究目的是对四一七国家条码规范和p d f 4 1 7 条码的关键技术与核心算 法进行分析和研究，实现p d f 4 1 7 条码的生成与识别系统设计。论文的主要内容有： 首先，研究p d f 4 1 7 条码的结构与压缩原理，并设计一个二维条码数据编码与解 码的有效方法，通过此方法，条码字符能够尽可能的节约码字数量，从而提高了条 码信息携带量； 其次，介绍r e e d s o l o m o n 错误控制码( r s 码) 的编码与译码原理，在伽罗华域 g f ( 9 2 9 ) 内根据其编译码的原理重点分析与研究其在本课题中的实际应用，并提出了 一种优化的查表算法，完成了p d f 4 1 7 纠错的实现； 然后，以$ 3 c 2 4 4 0 为核心处理器以及o v 9 6 5 0 为数字视频采集芯片，构建了高度 集成的嵌入式实时图像采集平台，进而提出了一种可行的嵌入式实时图像采集驱动 设计方案，极好地满足便携式条码图像采集系统的需求，大大加快数据读取的速度； 最后，图像采集系统将条码图像转化为数字图像后传送至计算机中，由计算机 中的图像处理程序对图像数据进行处理，在条码中定位单个码字符号的图像，利用 投影算法识别出单个码字符号。然后根据编码的原则设计出p d f 4 1 7 条码的译码算法， 并且将设计出的译码算法程序化，将码字转换成为所需要的文字信息。 通过多次试验，本课题二维条码识别系统对p d f 4 1 7 条码的读取速度和识别结果 比较满意。系统性能良好，稳定性、可靠性和准确度高，具有较大的实用性和应用 广东工业大学硕十学位论文 价值。 关键字：二维条码；r s 码；p d f 4 1 7 ；图像采集；识别 a b s t r a c t a b s t r a c t o n e d i m e n s i o n a lb a r c o d ei sw i d e l yu s e di nm o d e mp a c k a g i n gf i e l d ，b u ti th a sm a n y d e f e c t s ，i tc a r ln ol o n g e rm e e tt h ep a c k a g i n gn e e d si ns e v e r a la s p e c t ss u c ha st r a n s p o r t a t i o n , c a p a c i t ya n de x p r e s s i n gi n f o r m a t i o n , b e c a u s eo fag o o dm a n yo fi t sl i m i t a t i o n s t h e a p p e a r a n c eo ft w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d es o l v e st h e s ep r o b l e m s i te x p r e s s e si n f o r m a t i o ni n b o t ht r a n s v e r s ea n dl o n g i t u d i n a lt w ob e a r i n ga tt h es a m et i m e ，b e i n ga b l et oe x p r e s sa g r e a td e a li n f o r m a t i o nw i t h i nv e r ym i n o ra r e a , w h i c hm a k e si ta na b s o l u t ei n f o r m a t i o n c a r r i e ri n d e p e n d e n c eo nd a t a b a s e a tt h es a m et i m e ，t h et w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d ea d o p t s t h ea d v a n c e dr se r r o rc o r r e c t i o nc o d e ，w h i c hi m p r o v e st h er e a dc a p a b i l i t yo fb a r c o d e i n t h en e a ry e a r s ，t h et w o d i m e n s i o n a lb a r c o d eh a sc a r r i e do u tt e n t a t i v ea p p l i c a t i o n si ns o m e f i e l d si no r rc o u n t r y h o w e v e r ，t h er e s e a r c he n c o u n t e r sg r e a t l yr e s t r i c t i n g ，b e c a u d et h e s o f t w a r ep l a t f o r mw h i c ht h ea p p l i c a t i o n sb a s e do ni so w n e db us e v e r a la b r o a dc o m p a n i e s t h i sr e s e a r c hi sa b o u tp d f 417b a r c o d ew h i c hi sar e p r e s e n t a t i v es t a c k e db a r c o d ea m o n g t h et w o d i m e n s i o n a lb a r c o d e ，d e s i g n i n gt h eg e n e r a t i v es y s t e mo fb a r c o d e 谢t l lt h e c o r r e l a t i v ea l g o r i t h m , a n df u l f i l l i n gd e c o d i n gs y s t e m ，b a s e do nt h ee m b e d d e dv i s u a l c + + 4 0d e s i g np l a t f o r m i ta n a l y z e sa n dr e s e a r c h e s4 17n a t i o n a lb a rc o d e ss t a n d a r da n dt h ek e yt e c h n i q u e s a n da l g o r i t h m so fp d f 417b a r c o d e ，d e s i g n st h ec r e a t i o na n di d e n t i f i c a t i o ns y s t e mo f p d f 417b a r c o d e ，w h i c hi st h ea i mo ft h i sp r o j e c t t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h er e s e a r c hs t u d i e st h es t r u c t u r ea n dc o m p r e s s i o np r i n c i p l eo f p d f 417 b a r c o d e ，a n dd e s i g n sa ne f f e c t i v em e t h o do fd a t ae n c o d i n ga n dd e c o d i n g ，谢t hm a k i n g a m o u n to f c o d es a v e da ss o o na sp o s s i b l e ，s oi ti m p r o v e st h et a k eo fb a r c o d ei n f o r m a t i o n n e x t ，t h ec o d i n ga n dd e c o d i n gp r i n c i p l eo fr e e d s o l o m o ne r r o r c o r r e c t i n gc o d e ( r s c o d e ) i sb r i f f l yi n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ec o d i n ga n dd e c o d i n gp r i n c i p l ei ng a l o i sf i e l d g f ( 9 2 9 ) ，t oa n a l y z ea n ds t u d yi t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o nw i t he m p h a s i si nt h i st o p i c ，a l s ot o p r e s e n ta no p t i m i z a t i o nc h e c k - t a b l ea l g o r i t h mf o rc a l c u l a t i n ge r r o rc o r r e c t i o nc o d ew o r d s i i i 广东工业大学硕士学位论文 t h e n ，i t rh a sb u i l dah i g h l yi n t e g r a t e de m b e d d e dr e a l - t i m ei m a g ec a p t u r i n gp l a t f o r m b y $ 3 c 2 4 4 0a sak e r n e lp r o c e s s o ra n do v 9 6 5 0a sac m o ss h i po fd i g i t a li m a g e c a p t i o n i n g ，a l s oh a sp r e s e n t e dad r i v e rd e s i g ns c h e m eo fe m b e d d e dr e a l t i m ei m a g e c a p t i o n i n g s oi tm e e t sa l le x c e l l e n tp o r t a b l ev i d e oc a p t u r ed e v i c ea n da c c e l e r a t e st h e s p e e do fi m a g ea c q u i r i n g f i n a l l y ，t h eb a r c o d ei m a g ei st r a n s f o r m e di n t od i g i t a li n f o r m a t i o na n d t h e nt r a n s f e r r e d t ot h ep cc o m p u t e r t h ei m a g eo fp d f 417b a r c o d ei sp r o c e s s e db yt h ep r o g r a mo nt h ep c c o m p u t e r t h e nt h ei m a g ei sf u r t h e rs e g m e n t e dt ol o c a t et h es i n g l ec o d e w o r di m a g ea n d i t s r e c o g n i z e db yp r o j e c t i o na l g o r i t h m t h e ni td e s i g n sp d f 4 17b a r c o d ed e c o d i n g a l g o r i t h mi na c c o r d a n c ew i n lt h ep r i n c i p l eo fe n c o d i n g a n dd e s i g n sap r o g r a mo ft h e d e c o d i n ga l g o r i t h m ，s oc o d ew o r dc a l lb et r a n s f o r m e di n t ot h en e e d e dt e x tm e s s a g e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi sg o o d t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e t h a ti th a sg o o dp e r f o r m a n c e ，s t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n dh i g ha c c u r a c y ，g r e a tp r a c t i c a l i t ya n d v a l t l e k e y w o r d s ：t w o d i m e n s i o n a lb a r c o d e ，r sc o d e ，p d f 4 17 ，i m a g ea c q u i r i n g ，i d e n t i f i c a t i o n 广东t 业大学硕十学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名： 论文作者签名： 系珐霞 加7 年多 月 e t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 现代社会，由于条码的使用，极大地提高了数据采集和信息处理的速度，提高 了工作效率，为管理的科学化和现代化作出了很大贡献。受信息容量的限制，一维 条码必须依藕于后台的数据库才能使用。在没有数据库或不便连网的地方，一维条 码的使用受到局限。为此，美 s y m b o l 公司发明了一种被称作便携数据文件的二维 条码p d f 4 1 7 技术。二雏条码是一种高密度、高信息含量的便携数据文件，是证件 及卡片等大容量、高可靠性信息，实现存贮、传递、携带并可自动识读的最理想手 段。近年来，在中国物品编码中心及国家有关部门的领导下，p d f 4 1 7 技术已经开始 在中国大地生根发芽，特别是在1 9 9 7 年1 2 月我国颁布第一个二维条码国家标准四 一七条码后，标志着p d f 4 1 7 技术在我国的应用正步入正规有序的快速发展阶段“。 目前p d f 4 1 7 、l v i m d c o d e 、d a m m a t r i x 同被美国国家标准协会( a m e r i c a n n a f i o m l s t a a d a r d s i n s f i t , 地, a n s d m i - 1 1 0s b c - 8 委员会选为二维条码国际标准制定范围，其中 p d f 4 1 7 主要是预各应用於运输包裹与商品资料标签。p d f 4 1 7 不仅具有错误侦测能 力，且可从受损的条码中读回完整的资料( m o o 哟，亦即“错误复原能力”，其错误 复原率最高可达5 0 e ，如图1 - 1 所列各种情形，皆可将资料复原。 部分污损i 罄鼹滋翻 缺角破洞隆蓑嚣阑l 横竖断裂 标签折叠 躐潮 图卜1p d f 4 1 7 的错误复原能力 f i 9 1 - l e r r o r r e s i l i e n c eo f p d f 4 1 7 广东t 业大学硕1 ：学位论文 1 1 2 课题研究的意义 二维条码作为一种新的信息存储和传递技术，从诞生之始就受到了国际社会的 广泛关注。发展十分迅速，能够极大的提高数据采集和信息处理的速度。要使二维 条码在国内推广普及，必须研究其译码算法，目前国外的二维条码技术已经处于应 用阶段，并且已经生产出性能较好的二维条码识别系统。而我国还处在研究阶段， 与国外水平还有很大差距。制约二维条码技术在我国发展的主要原因是目前市场上 销售的二维条码识别系统价格十分昂贵，国内虽然也出现了一些设计和生产二维条 码阅读器的公司，但他们的产品大多数是基于美m s y m b o l 公司的激光阅读器，价格 相对较高。介于二维条码的特点，我们要发展二维条码技术，就势必要采取措施降 低系统的成本，这将对于我国信息化发展具有重要意义。 本课题为了加快开发进度和调试方便，对二维条码p d f 4 1 7 条码的识别平台先以 标准p c 硬件为基础，利用v i s u a lc + + 为工具进行二维条码识别软件的研究，进行了大 量的实验，取得了较好的成果。然后采用e m b e d d e dv i s u a lc + + 进行开发，在w i n d o w s c e 平台上进行了程序移植。满足了当前二维条码识别系统追求系统价格低廉、结构 简单、容易移植、处理速度快等要求，为二维条码在国内的快速发展提供了一个可 行性方案，对促进我国二维条码识别产业的发展，提高国内二维条码识别器的国际 竞争能力具有重要意义。 。 1 2p d f 4 17 条码起源 由于一维条码的信息容量很小，如商品上的条码仅能容纳几位或者几十位阿拉 伯数字或字母，商品的详细描述只能依赖数据库提供，离开了预先建立的数据库， 一维条码的使用就受到了局限。基于这个原因，人们迫切希望发明一种新的码制， 除具备一维条码的优点外，同时还有信息容量大、可靠性高、保密防伪性强等优点。 为了满足人们的这种需求，美国讯宝公司经过几年的努力，于1 9 9 1 年正式推出名为 p d f 4 1 7 的二维条码，简称为p d f 4 1 7 条码，即“便携式数据文件”。 1 2 1p d f 4 17 条码的特点 p d f 4 1 7 二维条码是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，是实现证件及 卡片等大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的理想手段。 第一章绪论 p d f 4 1 7 二维条码具有如下特点“。 1 信息容量大 根据不同的条空比例每平方英寸可以容纳2 5 0 到1 1 0 0 个字符。在国际标准的证 卡有效面积上( 相当于信用卡面积的2 3 ，约为7 6 2 5 m m ) ，p d f 4 1 7 条码可以容纳1 8 4 8 个字母字符或2 7 2 9 个数字字符，约5 0 0 个汉字信息。这种二维条码比普通条码信息 容量高几十倍。 2 编码范围广 p d f 4 1 7 条码可以将照片、指纹、掌纹、签字、声音、文字等凡可数字化的信息 进行编码。 3 保密、防伪性能好 p d f 4 1 7 条码具有多重防伪特性，它可以采用密码防伪、软件加密及利用所包含 的信息如指纹、照片等进行防伪，因此具有极强的保密防伪性能。 4 译码可靠性高 普通条码的译码错误率约为百万分之二左右，而p d f 4 1 7 条码的误码率不超过千 万分之一，译码可靠性极高。 5 修正错误能力强 p d f 4 1 7 条码采用了世界上最先进的数学纠错理论，如果破损面积不超过5 0 ， 条码由于沾污、破损等所丢失的信息，可以照常破译出丢失的信息。 6 容易制作且成本很低 利用现有的点阵、激光、喷墨、热敏热转印、制卡机等打印技术，即可在纸张、 卡片、p v c 、甚至金属表面上印出p d f 4 1 7 二维条码。由此所增加的费用仅是油墨的 成本，因此人们又称p d f 4 1 7 是“零成本”技术。 7 条码符号的形状可变 同样的信息量，p d f 4 1 7 条码的形状可以根据载体面积及美工设计等进行自我调 整。 1 2 2p d f 4 17 与i c 卡及磁卡技术的比较 在证卡技术的应用上，p d f 4 17 条码卡及i c 卡、磁卡技术比较如下h 1 ： 1 磁卡 广东t 业大学硕七学位论文 优点：可读可写，成本略高于p d f 4 1 7 二维条码卡； 缺点： ( 1 ) 信息容量小，常依赖于外界的数据库；( 2 ) 保密防伪性差；( 3 ) 可靠 性低，易受电磁场干扰而损毁信息；( 4 ) 寿命短( 1 年) 。 2 ic 卡 优点：信息容量大，可读可写； 缺点：( 1 ) 成本高，i c 卡的成本通常是p d f 4 1 7 条码卡的3 5 倍；( 2 ) 寿命短( 2 3 年) ，易于折毁；( 3 ) 可靠性差，易受外界强磁场干扰而损毁信息；( 4 ) 保密防伪性相 对较差，信息可改写既是i c 卡的优点，同时亦成为i c 卡的缺点，为伪造信息留下 契机。 3 p d f 4 1 7 二维条码卡 优点：( 1 ) 信息容量大、保密防伪性强、可靠性高；( 2 ) 成本低，按照材料的不 同选用载体，一张p d f 4 1 7 条码卡，价格最多几元钱人民币，甚至几角几分即可实现； ( 3 ) 寿命长，p d f 4 1 7 二维条码卡的寿命可达8 、9 年( p v c 卡) 。 缺点：信息不可改写。这点恰恰增强了二维条码卡的防伪能力。 通过上述分析，可以看出，二维条码卡几乎包容了磁卡和i c 卡的所有优点。唯 一的缺点是不可改写，而如果为了增强证卡的保密防伪性，对于证照等不需经常改 写的应用场合，信息不可改写恰恰增强了证卡的保密防伪性能。 1 3p d f 4 17 条码的标准化现状与应用 1 3 1p d f 4 1 7 条码的标准化现状 自s y m b o l 公司1 9 9 1 年将p d f 4 1 7 作为公开的系统标准技术后，p d f 4 1 7 条码为 越来越多的标准化机构所推崇”1 。如： ( 1 ) a i m 一1 9 9 4 年被选定为国际自动识别制造商协会( a i m ) 标准； ( 2 ) a n s im h l 0 8 1 9 9 6 年美国标准化委员会( a n s i ) 已将p d f 4 1 7 条码作为美 国的运输包装的纸面e d i 的标准； ( 3 ) c e n 9 7 年欧洲标准化委员会( c e n ) 通过了p d f 4 1 7 的欧洲标准； ( 4 ) 国际标准化组织( i s 0 ) 与国际电工委员会( i e c ) 的第一联合委员会第三十一 分委员会正在起草p d f 4 1 7 二维条码标准； ( 5 ) 中国一p d f 4 1 7 二维条码己列为9 5 期间的国家重点科技攻关项目，9 7 年1 2 4 第一章绪论 月p d f 4 1 7 条码国家标准四一七条码已经正式颁布； ( 6 ) a i a g o d e t t e 一1 9 9 5 年北美和欧洲汽车工业组织己将p d f 4 1 7 选定为各种生产 及管理纸面e d i 的标准； ( 7 ) a a m v a - 一1 9 9 5 年美国机动车管理局将p d f 4 1 7 选定为所有驾驶员及机动车 管理的二维条码应用标准。美国一些州、加拿大部分省份已经在车辆年检、行车证 年审及驾驶证年审等方面，将p d f 4 1 7 选为机读标准； ( 8 ) t c i 卜美国工业论坛已将p d f 4 1 7 列为重要电讯产品的标识标准； ( 9 ) e d i f i c e 一欧洲负责e d i 及条码在电子工业方面应用的工业组织已将 p d f 4 1 7 定为管理纸面e d i 应用标准，并列入运输标识条码标签应用指南； 0 0 ) 巴林一己将p d f 4 1 7 定为身份证的机读标准，最近还将有一些国家陆续在 身份证上选用p d f 4 1 7 二维条码； ( 11 ) 美国国防部d o d 一在其新的军人身份证上采用p d f 4 1 7 条码作为机读标 准，将照片及紧急医疗信息编入条码，大约1 6 ，0 0 0 ，0 0 0 多张军人卡己在7 0 0 多个世 界各地的美军基地投入使用。另外，美国国防部还将p d f 4 1 7 条码作为后勤管理和纸 面e d i 应用标准。 1 3 2 二维条码p d f 4 1 7 的应用 1 二维条码p d f 4 1 7 在国际上的应用 二维条码p d f 4 1 7 做为一种新的信息存储和传递技术，从诞生之始就受到了国际 社会的广泛关注。经过几年的努力，现已广泛地应用在国防、公共安全、交通运输、 医疗保健、工业、商业、金融、海关及政府管理等领域。 美国亚利桑那州等十多个州的驾驶证、美国军人证、军人医疗证等几年前就已 采用了p d f 4 1 7 技术。将证件上的个人信息及照片编在二维条码中，不但可以实现身 份证件的自动识读，而且可以有效地防止伪冒证件事件的发生。菲律宾、埃及、巴 林等许多国家也己在身份证或驾驶证上采用二维条码，据不完全统计，准备在身份 证或驾驶证上采用二维条码p d f 4 1 7 的国家已达4 0 多个，我国对香港地区恢复行使 主权后，香港居民新发放的特区护照上采用的就是二维条码p d f 4 1 7 技术。除了证件 上，在工业生产、国防、金融、医药卫生、商业、交通运输等领域，二维条码同样 得到了广泛的应用p 1 。 广东工业大学硕士学位论文 2 二维条码在我国的应用前景 由于二维条码具有成本低，信息可随载体移动、不依赖于数据库和计算机网络、 保密防伪性能强等优点，结合我国人口多、底子薄、计算机网络投资资金难度较大、 对证件的防伪措施要求较高等特点，可以预见，p d f 4 1 7 条码在我国极有推广价值口1 。 ( 1 ) 证件管理 由于二维条码可以把照片或指纹编在二维条码中，有效地解决了证件的可机读 及防伪等问题，因此可广泛地应用在护照、身份证、驾驶证、暂住证、行车证、军 人证、健康证、保险卡等任何需要唯一识别个人身份的证件上。 ( 2 ) 执照年检 行车证、驾驶证的年审，各种工商营业执照、税务登记证、卫生检疫证、企事 业代码证、统计登记证等各种政府部门登记证件的年检，可以通过采用二维条码， 解决年检登记的计算机录入问题，既节约了政府工作人员的时间，同时，为企事业 单位提供了良好的服务。采用这种先进的技术，有利于改善政府的服务和公众形像。 ( 3 ) 报表管理 海关报关单、税务报表、保险登记表等任何需重复录入或禁止伪造、删改的表 格，都可以将表中填写的信息编在p d f 4 1 7 条码中，以解决表格的自动录入和防止篡 改表中内容。 ( 4 ) 机电产品的生产和组配线 如汽车总装线、电子产品总装线，皆可采用二维条码并通过二维条码实现数据 的自动交换。 ( 5 ) 银行票据管理 ( 6 ) 行包、货物的运输和邮递 总之，二维条码在我国有着广阔的应用前景，p d f 4 1 7 条码技术在我国的推广应 用必将为我国信息产业的发展和现代化的经济建设带来可观的社会效益和经济效 益。 1 4 本课题研究的主要内容和章节安排 本文主要以二维条码中的p d f 4 1 7 码为研究对像，针对p d f 4 1 7 码识别系统中的 关键技术与核心算法进行分析研究，并研究和实现一套基于图像处理的p d f 4 1 7 码识 6 第一章绪论 别系统。要解决的问题主要是以下几个方面。 ( 1 ) 根据p d f 4 1 7 条码的编码规则选择合适的压缩模式，将信息转换成为不同的码 字序列，然后对照符号字符数据库完成码字数据的检索，得到相对应的条、空比例 模块，最后根据条、空的比例模块设计绘制程序生成条码标签。 ( 2 ) 根据r s 错误控制码的编译码原理来分析p d f 4 17 条码的纠错，并提出了一种优 化的查表算法，完成t p d f 4 1 7 条码纠错的实现。运用该方法可以快速而准确地计算 出纠错码的位置和差错幅值，并及时纠错。 ( 3 ) 结合当前先进的计算机软硬件技术、图像处理技术，根据系统的价格低廉、 处理速度快、体积小、可移动的要求，提出了将w i n d o w sc e 操作系统结合起来，作 为二维条码p d f 4 1 7 识别系统的开发平台，并在此平台上设计出p d f 4 1 7 条码图像采集 模块。 ( 4 ) 选择合适的图像处理算法对初始采集到的图像进行预处理，得到标准的 p d f 4 1 7 条码图像。 ( 5 ) 深入研究p d f 4 1 7 条码的编码规则，先利用图像处理技术中的投影算法对条码 进行条空定位，读取条码的条、空模块信息，再转化成为码字集中的码字，然后根 据编码的原则设计出p d f 4 17 条码的译码算法，并且将设计出的译码算法程序化，将 码字转换成为所需要的文字信息。 ( 6 ) 对原始信息进行了编码和译码，形成了一个完整的二维条码对信息从编码到 译码的全过程，设计相应的用户交互界面，最终形成了p d f 4 1 7 - - 维条码编译软件的 雏形，并进行大量实验验证系统的可靠性。 本论文的章节安排如下。 。 第一章绪论，介绍了课题研究的背景及意义、p d f 4 1 7 条码特点、p d f 4 1 7 与i c 卡 及磁卡技术的比较、p d f 4 1 7 条码的标准化现状与应用和本课题研究的主要内容及章 节安排。 第二章先介绍说明p d f 4 1 7 条码的符号描述；接着分析p d f 4 1 7 条码的三个压缩模 式，实现了文本模式、字节模式和数字模式下的数据压缩算法，设计了用来减少条 码符号码字数目的算法；最后研究r s _ e q 错技术在p d f 4 1 7 条码编译算法中的应用，并 提出了一种优化的查表算法，完成了p d f 4 1 7 坌q 错的实现。 第三章主要分为两大部分说明：第一部分主要以$ 3 c 2 4 4 0 为核心处理器以及 o v 9 6 5 0 为数字视频采集芯片，构建了高度集成的嵌入式实时图像采集平台，提出了 广东工业大学硕十学位论文 一种可行的嵌入式实时图像采集驱动设计方案；第二部分利用图像处理算法对初始 采集到的图像进行预处理，得到标准的二维条码p d f 4 1 7 图像。 第四章内容是对图像预处理后的标准的p d f 4 1 7 条码图像进行分层、条空定位， 求取条空单元模块数序列；根据编码原则分析译码规则，并根据分析结果设计相应 的算法，使设计算法程序化，建立用户交互界面，最终实现了p d f 4 1 7 二维条码的识 别。 第五章介绍了本课题设计的二维条码系统的软硬件环境，然后通过一个实例，完 整地说明和分析本系统的运行过程与性能。 文章的最后部分是对本文研究工作的总结，并对今后算法研究的提高和系统性 能的进一步改善提出了一些建议。 8 第二章p d f 4 1 7 条码的结构与编译码原理 第二章p d f 4 1 7 条码的结构与编译码原理 在二维条码中，应用最广泛的是p d f 4 1 7 条码，我国也制定了相应四一七条码标 准。本章主要介绍一下p d f 4 1 7 条码的符号结构和编码原理。 2 1p d f 4 1 7 条码的符号描述 2 1 1 符号结构 每一个p d f 4 1 7 符号由空白区包围的一组层按垂直方向排列而成，上下空白区之 间为多行结构，每行数据符号字符数相同。每个p d f 4 1 7 符号包含3 至i 9 0 层，每层由以 下5 部分组成，分别为：起始符、左行指示符、数据区、右行指示符和终止符( 如图2 1 所示1 。在这五部分中，起始符和终止符是唯一确定的，因此不在编码的范围内。左 行指示符、数据区和右行指示符的组成模式称为条码的条、空组合序列，这些组成 序列都根据一定的码字进行不同的组合，这些码字就是我们进行编码的主要部分州。 左空白医皇格符左行雉承符羹巨字符右幸亍糖示盼謦虎耪右空毒区 行 ， 9 0 图2 - 1 四一七条码符号的结构 f i g 2 1s y m b o l i cs t r u c t u r eo fp d f 4 17 b a r c o d e 每个符号字符结构如下：每个符号字符由4 个条和4 个空构成，自左向右从条 开始，每一个条或空包含1 - - - 6 个模块。在一个符号字符中，4 个条和4 个空的模块总 数为1 7 ，故称“4 1 7 ”条码。每个符号字符代表一个值( 范围是0 。9 2 8 ) 。 广东工业大学硕十学位论文 2 1 2 码字集 p d f 4 1 7 条码码字集中包括2 9 9 个码字，码字的取值范围为0 。9 2 8 。在0 9 2 8 个码 字中，分别具有不同的功能，具体功能如表2 1 所示陋1 。 表2 - 1 码字集功能表 码字功能 0 8 9 9 根据当前的压缩模式和g l i 解释，用来表示数据 9 0 0 文本压缩模式下的子模式锁定或虚拟填充码字 9 0 1 字节压缩模式下码字数不为6 的整数倍时的模式锁定 9 0 2数字压缩模式下的模式锁定 9 1 3 字节压缩模式下的模式转移 9 2 1 对阅读器的初始化或编程 9 2 4 字节压缩模式下码字数为6 的整数倍时的模式锁定 9 2 5 、9 2 6 、9 2 7c l i 不同值范围内对应的码字序列的起始码 9 2 2 、9 2 3 、9 2 8 用于宏四一七条码 9 0 3 9 1 2 保留待用 9 1 4 9 2 0 保留待用 2 1 3 符号字符的簇 p d f 4 1 7 条码符号字符集由三个簇构成，每一个簇包括以不同的条空形式表示的 所有9 2 9 个码字。在每一簇中，每一符号字符对应唯一的码字，其范围为0 9 2 8 。p d f 4 1 7 条码使用簇号0 、3 、6 。簇号的定义适用于所有的p d f 4 1 7 条码符号字符。p d f 4 1 7 条 码符号的每行只使用一个簇中的符号字符，同一簇每三行重复一次。第一行使用第0 簇的符号字符，第2 行使用第3 簇的符号字符，第三行使用第6 簇的符号字符，第四行 再使用第0 簇，依次类推。行号由上向下递增，最上一行行号为1 。对于一个特定行， 使用的符号字符的簇号的确定方法为： 簇号= 【( 行号一1 ) m o d 3 】3 ( m o d 为取余) 。 1 0 第二章p d f 4 1 7 条码的结构弓编译码原理 2 1 4 行指示符号字符 行指示符号字符包括左行指示符号字符( 厶) 和右行指示符号字符( r ，) ，分别 与起始符和终止符相邻接，见图2 2 【e j 。行指示符号的值( 码字) 指示p d f 4 1 7 条码的 行号( f ) 行数( 3 一9 0 ) ，数据区中数据符号字符的列数( 1 - - 3 0 ) ，错误纠正等级 ( 0 - 一8 ) 。 左行指示符号字符( l ；)右行指示符号字符( r 。) l l f x l t y )r l ( x 1 y ) l 2 ( x 2 。y )r 2 ( x 2 ，叫 l 3 ( x 3 y )r 3 ( x 3 ， 起始符 l 4 ( x 4 y )r 4 f x 4 y ) 终止符 l s ( x 5 ，圳r s ( x 5 y ) l 6 ( x 6 y )r 6 ( x 6 ， 图2 2 左右行指不符号孚符 f i g 2 - 2l e f t r i g h tr o wi n d i c a t o rc h a r a c t e r s 左行指示符号字符( 上，) 的值由下式确定： f3 0 x i + y 当c i = o 时 l i = 3 0 x i + z 当c i - - - - - 3 时， 【3 0 x i + v 当c i = 6 时 右行指示符号字符( r r ) 的值由下式确定： f 3 0 x i + v 当c i = o 时 足= 3 0 x j + y 当c i = 3 时， 【3 0 x i + z 当c i = 6 时 式中：x = i n t ( 行号一1 ) 3 i = 1 ，2 ，3 ，9 0 y - - - i n t ( i t 数一1 ) 3 】 庐错误纠正等级3 + ( 行数1 ) r o o d3 俨数据区的列数1 c 。= 第f 行的簇号 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 广东工业大学硕士学位论文 2 1 5 起始符和终止符 p d f 4 17 条码的起始符和终止符是唯一的。起始符的条空组合形式为8 1 111 11 3 ， 终止符的条空组合形式为7 1 1 3 1 1 1 2 1 。此外，终止符后还要加上一个条，这样终止符 共9 个单元。 2 1 6 空白区 空白区是指包围在符号四周的不印刷区域，位于起始符前，终止符后，第一层 的上面及最后一层的下面。 符号四周的空白区的宽度至少为2 个模块宽。 2 2p d f 4 17 条码压缩原理 对于一组要编码的数据，首先是按照数据的类别分别应用不同的压缩模式转换 为数据码字；然后按照生成条码的行列要求对数据码字进行填充，使得数据码字加 上错误纠正码字后能形成二个矩阵的形式；再按指定的纠错级别计算错误纠正玛字； 最后对每行的数据码字加上起止符和左右指示符号字符，按行所对应的族查找符号 字符。这样就将数据转化为符号字符形式，打印即可得p d f 4 1 7 条码。 针对数据流中可能出现的不同数据类型，p d f 4 1 7 条码的编码使用三种数据压缩 模式：文本压缩模式( t c ) 、字节压缩模式( b c ) 、数字压缩模式( n c ) 。在对一组 数据流进行编码时，先分析数据流中的数据类型，再采用模式切换的方式应用不同 的模式来压缩数据，使生成的码字尽可能地紧凑。 三种压缩模式之间的切换关系如图2 3 所示嘲： 第二章p d f 4 17 条码的结构与编译码原理 模式转移 模式锁定 任何模式至文 子模式转移 子模式锁定 图2 3 模式与子模式切换图 f i g 2 - 3s w i t c h i n gp l a n so fm o d e la n ds u b - m o d e l 通过应用模式锁定转移( l a t c h s h i f t ) 码字，可在一个p d f 4 17 条码符号中应用 多种模式表示数据。模式锁定码字用于将当前模式切换为指定的目标模式，该模式 切换在下一个切换前一直有效。模式转移码字用于将文本压缩模式( t c ) 暂时切换 为字节压缩模式( b c ) 。这种切换仅对切换后的第一个码字有效，随后的码字又返 回到文本压缩模式( t c ) 的当前子模式。锁定模式可将当前模式切换成任意一种模 式，包括切换成当前模式；字节压缩模式下不能再用字节模式转移。 图2 3 中左图的数字为模式切换码字，插入编码中代表进行了一次模式切换。图 2 - 4 是应用不同的压缩模式对数据进行处理的模式切换算澍”。 广东t 业大学硕十学位论文 将当前指针脂向数据流初始化，当前模式为t c l 否 设肋从研始的连续数字位的数目 涉糍辫 l 否l 一 从脏置开始计算数据流中t c 模式字符长度，直 到碰到非t c 模式字符或不小于1 3 位的数字序列 篇_ - l 否 锁定为t c 模式， 用t c 模式对价字 符编码p = - p 十t 从严位置开始计算数据流中字节序列的长度晶直 到碰到t c 模式字符长度不小于5 或数字序列不小于 1 3 位数字序列 睁麓鬻 上否 锁定为b c 模式，用b c 模式对外字节编码，卢冉 2 2 1 文本压缩模式 图2 - 4 模式切换算法 f i g 2 _ 4a l g o r i t h mo fm o d es w i t c h i n g 由于大多数使用的数据都是文本，为了更加有效地表示文本类数据，文本压缩 模式又分为四个子模式：( 1 ) 大写字母型子模式( a l p h a ) 、( 2 ) 小写字母型子模式( l o w e r c a s e ) 、( 3 ) 混合型子模式( m i x e d ) 、( 4 ) 标点型子模式( p u n c t u a t i o n ) 。 子模式的设置是为了更有效的表示数据，每种子模式选择了文件中出现频率较 高的一组字符组成的字符集。在子模式中，每一个字符对应一个值( 0 2 9 ) 。这样 可用一个单独的码字( 0 - - , 9 2 8 ) 表示一个字符对，码字= 3 0 x h + l ，其中：e 三依次表 示字符对中的高位和低位字符值。与模式切换一样，在对文本数据编码时要针对不 同的文本字符类型进行子模式之间的切换，子模式之间的切换规则如图2 3 右图所示。 由于这四种子模式所能表示的字符组的划分有重叠情况，因此有些字符可以同 时用几种子模式来表示，特别是混合型和标点型的字符，由于有许多是重复的，所 以对于同一串字符可能由于子模式切换算法的不同生成不同的编码。在系统中我们 使用了如图2 5 所示的算法来优化，尽可能地减少生成的码字。 1 4 第二章p