通過前兩期對掃碼設(shè)備及掃碼引擎的介紹，相信大家對掃碼硬件的組成有了較為深入了解。然而完整的掃碼識讀過程除了需要掃碼硬件作為載體，還需要軟件算法支撐才能發(fā)揮其功能和作用。本期我們以常見的二維碼：QR碼為例，對掃碼識讀過程中的軟件處理環(huán)節(jié)進(jìn)行簡要介紹。

一、圖像預(yù)處理和解碼是掃碼識讀的核心

掃碼設(shè)備工作時，通過圖像傳感器（攝像頭模塊）掃描采集圖像，并通過光電、模數(shù)等電路的轉(zhuǎn)換，將采集的圖像信息傳送到處理器進(jìn)行圖像處理、解碼，最終輸出到顯示設(shè)備。

▲掃碼設(shè)備的工作原理

在整個掃碼識讀過程中，圖像處理和解碼是核心。以碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列應(yīng)用掃碼設(shè)備為例，主控處理器CFW32C7UL芯片通過DVP或MIPI接口從圖像傳感器接收到采集的圖像信息后，經(jīng)過軟件算法的圖像預(yù)處理和解碼過程實(shí)現(xiàn)圖

像識別。

▲7UL系列作為高端掃碼設(shè)備的主控處理器芯片

二、圖像預(yù)處理必要性及過程

由于采集圖像時的外部環(huán)境限制（如光線明暗、圖像遠(yuǎn)近、圖像角度、圖像平整度不同、圖像潔凈度、圖像完整度、圖像扭曲度等，圖像傳感器分辨率不同，光電轉(zhuǎn)換電路不同等），導(dǎo)致采集到的圖像往往并非解碼所需的理想圖像。要使采集到的圖像可被解碼模塊所識別，需對采集的原始圖像進(jìn)行必要的處理，這部分工作我們稱之為圖像預(yù)處理。解碼前的圖像預(yù)處理過程，是掃碼設(shè)備軟件處理中必不可少的環(huán)節(jié)。

常見的解碼圖像預(yù)處理流程包括圖像灰度化、降噪濾波、二值化、圖像定位、圖像剪切、圖像旋轉(zhuǎn)、幾何校正、網(wǎng)格建立等內(nèi)容，這些過程均通過軟件算法來實(shí)現(xiàn)，且算法的優(yōu)劣決定著處理速度的快慢。通常在完成圖像網(wǎng)格建立后，便可進(jìn)行圖像的識別與解碼。

▲圖像預(yù)處理流程圖

1、灰度化

圖像傳感器采集到的圖像多是彩色的，而在掃碼設(shè)備的解碼應(yīng)用中，實(shí)際只需亮度信息即可。對圖像進(jìn)行灰度化處理，將彩色圖像變?yōu)榛叶葓D像，不僅可節(jié)省存儲空間也可提高后期的圖像處理速度。

彩色轉(zhuǎn)亮度的計(jì)算方式常用 Y = 0.30R+ 0.59G+0.11B來實(shí)現(xiàn)，對于使用碼靈半導(dǎo)體7UL系列處理器而言，其ISP模塊在接收到圖像數(shù)據(jù)后可通過硬件方式直接輸出Y圖格式，方便后續(xù)處理。

▲圖像灰度化

2、降噪濾波

在用圖像傳感器和中間電路獲取圖像信息的過程中不可避免的會引入噪聲，噪聲種類很多，如高斯噪聲、脈沖噪聲，均勻分布噪聲等，針對不同噪聲需做不同的去噪處理，常涉及空域?yàn)V波、頻域?yàn)V波等?？蛰d濾波常用中值濾波、頻域?yàn)V波常用高斯濾波，其中中值濾波的算法復(fù)雜度低，而且具有良好的去噪和邊緣保持效果。

3、二值化

圖像進(jìn)行二值化時，充分考慮了圖像中可能存在光照不均的情況，如采用大津算法完成圖像分割中閾值選取，達(dá)到不受圖像亮度和對比度影響的效果，解決光照不均對圖像的影響。

▲二值化前后對比

4、定位剪切

通過使用索貝爾竺算法進(jìn)行邊緣檢測，對二維條碼區(qū)域進(jìn)行初步定位，確定圖碼坐標(biāo)位置，并對該區(qū)進(jìn)行剪切，去除大部分無關(guān)背景信息，提高后續(xù)流程中的處理速度和識別率。

▲像定位剪切

5、圖像旋轉(zhuǎn)與幾何校正

若采集到的圖像存在變形和角度不符合處理預(yù)期的情況，在程序中可根據(jù)尋像定位點(diǎn)之間距離和角度，通過計(jì)算獲得圖像位置，之后對圖像進(jìn)行必要的角度旋轉(zhuǎn)，再通過檢測判斷畸變情況，選擇適當(dāng)算法進(jìn)行幾何校正即可得到規(guī)整的符合預(yù)處理的圖樣。

▲位置探測圖形的結(jié)構(gòu)

上圖所示為位置探測圖形結(jié)構(gòu)，通過QR碼的右上、左上、左下三個角的位置，可以計(jì)算出該QR碼的位置坐標(biāo)。

▲圖像翻轉(zhuǎn)校正

6、建立網(wǎng)格

在獲取規(guī)整圖像區(qū)域后，參考尋像圖中的寬度信息可對圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格建立后，便可對圖形中包含的位信息進(jìn)行獲取，為后續(xù)根據(jù)編碼協(xié)議提取有效信息和解碼做好準(zhǔn)備。

▲對圖像進(jìn)行網(wǎng)格化

三、圖像解碼過程

掃碼得到的圖像經(jīng)過預(yù)處理的網(wǎng)格化后，便可對圖像中的內(nèi)容進(jìn)行位信息的提取，我們?nèi)砸訯R碼為例進(jìn)行說明。

▲QR碼符號的結(jié)構(gòu)

上圖所示為QR符號的圖形結(jié)構(gòu)（摘自國標(biāo)GBT-18284 20000）。從圖中可以看出QR碼信息所包含的內(nèi)容塊，通過對不同塊的解析即可獲取各部分的詳細(xì)信息。

下圖所示為QR碼的基本譯碼步驟：

▲QR碼譯碼步驟

以上所述的圖像預(yù)處理與譯碼過程是掃碼設(shè)備實(shí)現(xiàn)識讀的共有流程，有較強(qiáng)的代表性。不同的設(shè)備廠商由于其技術(shù)水平不同，特別是在預(yù)處理環(huán)節(jié)，優(yōu)秀的處理算法在同樣硬件和外部環(huán)境條件下，其掃碼解碼過程所用時間可能僅為普通算法的幾十分之一，可見軟件處理算法對解碼速度具有明顯的影響。

文中主要以QR碼識讀過程為例進(jìn)行介紹，其它碼制的處理過程與其基本一致，并有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)文件可進(jìn)行參考。

四、開源解碼軟件

為方便業(yè)余愛好者學(xué)習(xí)解碼方面軟件，目前網(wǎng)上也有不少相關(guān)的開源算法，這里給大家推薦的一款是zbar開源解碼算法。zbar算法是現(xiàn)在網(wǎng)上針對條形碼，二維碼檢測的開源算法，可識別大部分種類的一維碼（條形碼）和二維碼，比如I25，CODE39，CODE128，QR等，可從http://zbar.sourceforge.net/獲取相關(guān)源碼包，并可方便的移植到嵌入系統(tǒng)設(shè)備上。

通過本期和前兩期的介紹，相信大家對碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列在高端掃碼設(shè)備中的應(yīng)用有了較為全面的了解，后續(xù)我們將結(jié)合更多的應(yīng)用場景與大家進(jìn)行交流，我們下期見！

本期作者：陳紹景、梁夢雷、謝耀華、劉悅臻、謝劍杰