EAN一13碼的圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息采集和處理的關(guān)鍵技術(shù)，條碼技術(shù)在自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集中占重要地位，得到了廣泛的應(yīng)用。但是普遍的條碼閱讀器是基于激光掃描或者CCD攝像頭的，在生活中不是很常見。如果條碼識(shí)讀能用普通的攝像頭(如：手機(jī)攝像頭或網(wǎng)絡(luò)攝像頭)，條碼將會(huì)給人們的日常生活帶來更多的方便。近來手機(jī)和機(jī)器人的應(yīng)用得到很大發(fā)展，手機(jī)的一維碼識(shí)別、機(jī)器人的一維碼識(shí)別、自動(dòng)分揀物品等都有著很好的應(yīng)用前景。為了拓寬一維碼的應(yīng)用，基于圖像處理的一維條碼研究有著重要意義。
    在最近幾年關(guān)于一維碼圖像識(shí)別的識(shí)別文章中，都是針對(duì)比較理想的條碼進(jìn)行識(shí)別的，或者只是講解一維條碼圖像識(shí)別的某一個(gè)步驟，或者是人為地加上部分噪聲進(jìn)行處理，很少有從一幅真正拍攝的圖像來識(shí)讀的。這里完成了整個(gè)條碼識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和圖像處理的算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了圖像的錄入到譯出條碼的整個(gè)過程，并通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)闡述了識(shí)別流程和效果。

1 EAN—13碼特征
    EAN一13是標(biāo)準(zhǔn)商品條碼，它是一種(7，2)碼，即每個(gè)字符的總寬度為7個(gè)模塊，由兩個(gè)條和兩個(gè)空交替組成，而每個(gè)條空的寬度不超過4個(gè)模塊。EAN一13商品條碼由左側(cè)空白區(qū)，起始符、左側(cè)數(shù)據(jù)符、中間分隔符、右側(cè)數(shù)據(jù)符、、終止符、校驗(yàn)符、右側(cè)空白區(qū)組成，如圖1所示。EAN一13碼包含13個(gè)字符，但只對(duì)12個(gè)字符進(jìn)行編碼，其第13位(從右向左排序)不進(jìn)行編碼，數(shù)值隱含在左側(cè)數(shù)據(jù)符的奇偶排列中，稱為前置符。奇偶性指的是每個(gè)字符所含條的模塊數(shù)為奇數(shù)或者偶數(shù)，左側(cè)數(shù)據(jù)符為奇、偶排列，右側(cè)數(shù)據(jù)符為偶排列，左邊的碼字組成方式是“空條空條”，右邊的碼字組成方式是“條空條空”。

    由EAN一13條碼的結(jié)構(gòu)知：左側(cè)空白區(qū)為11個(gè)模塊，起始符為3個(gè)模塊(3個(gè)條空)，左側(cè)數(shù)據(jù)符為42個(gè)模塊(24個(gè)條空)，中間分隔符為5個(gè)模塊(5個(gè)條空)，右側(cè)數(shù)據(jù)符為35個(gè)模塊(20個(gè)條空)，檢校符為7個(gè)模塊(4個(gè)條空)，終止符為3個(gè)模塊(3個(gè)條空)，右側(cè)空白區(qū)為7個(gè)模塊，整個(gè)編碼區(qū)的模塊數(shù)為3+42+5+35+7+3=95個(gè)，條空數(shù)為3+24+5+20+4+3=59個(gè)。若將黑色模塊(條)用二進(jìn)制的“1”表示，白色模塊(空)用二進(jìn)制的“0”表示，則數(shù)據(jù)字符的編碼圖案有30種，如表1所示。且有如下編碼：起始符：101中間分隔符010110，終止符101。

    如何確定數(shù)字字符是屬于A子集，B子集或者C子集。EAN一13碼左側(cè)數(shù)據(jù)符由A，B子集確定，取決于前置符，右側(cè)數(shù)據(jù)符屬于C子集。前置碼和左側(cè)數(shù)據(jù)符商品條碼字符集的選用規(guī)則如表2所示。

2 條碼識(shí)別
    在條碼識(shí)別的整個(gè)過程中，都是基于以下假設(shè)：所處理的圖像正中肯定是包含條碼部分的，這樣可以很好地減少計(jì)算量。條碼識(shí)別系統(tǒng)分為三個(gè)模塊：圖像預(yù)處理、圖像提取、譯碼。如圖2所示。

    圖像預(yù)處理是利用一維條碼的特征對(duì)條碼執(zhí)行灰度化，二值化，濾波和邊緣檢測操作。它為后續(xù)的圖像提取做好準(zhǔn)備，圖像預(yù)處理做得越好，圖像提取效果將更加明顯。
    圖像提取是對(duì)預(yù)處理的圖像進(jìn)行分割，分為上下分割和左右分割，在各種背景中分割出條碼區(qū)域，圖像提取的取決于是否能精確地分割出條碼區(qū)域。由于一維條碼是并行長條的，每一條行掃描線都包行了條碼的所有信息，最簡單的方法是只要在條碼圖上確定一根行掃描線，逐個(gè)像素判斷，黑的為1，白的為0，計(jì)入數(shù)組，然后計(jì)算寬度就能解碼，這是針對(duì)完全干凈的條碼圖的。實(shí)際應(yīng)用的條碼圖像會(huì)有很多噪聲，同時(shí)條碼區(qū)域也不可能完全干凈，因此需要盡量分割出條碼的大部分區(qū)域給后續(xù)的解碼提供更多的信息，上下分割中把沿條碼方向的部分條碼分割出來，左右分割需把條碼的編碼區(qū)全部包含在內(nèi)。
    譯碼是對(duì)提取后的條碼區(qū)進(jìn)行處理，計(jì)算出條碼中各個(gè)條空的寬度，根據(jù)一維碼的編碼規(guī)則，解出條碼所含的信息。
2．1 圖像預(yù)處理
2．1．1 灰度化二值化
    灰度處理，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的閾值變換提供前提條件，要將256色位圖轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D，灰度與RGB值之間的關(guān)系為：Y=0．299R+0．587G+O．114B。
    二值化是利用點(diǎn)運(yùn)算中的閾值變換理論將灰度圖轉(zhuǎn)化為二值圖像。二值化中閾值T的選擇是關(guān)鍵，在整幅圖中，我們最關(guān)心的是條碼，條碼是由條空(黑白)組成的，根據(jù)前面的假設(shè)，在整幅圖的中心區(qū)域選取50×50個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行灰度處理并得到灰度直方圖，采用雙峰法得到閾值T，此閾值可以有效地把條碼的條空區(qū)分出來。按照下式得到二值化圖像g(x，y)。

   
2．1．2 濾波
    由于原圖像各部分亮度不均，背景圖像有不同的情況，得到的二值圖會(huì)有很多噪聲，條碼區(qū)域有，條碼區(qū)域外也有，為了后續(xù)部分的條碼提取和條碼譯碼，需要進(jìn)行濾波處理。考慮到一維條碼的特征：豎直的條和空，采用中值濾波方法，中值濾波模板如圖3所示。被圈部分表示模板遍歷整幅圖時(shí)，所對(duì)應(yīng)待檢像素的位置。取待濾波像素上下相鄰的4個(gè)像素值，共5個(gè)像素值進(jìn)行排序，用中間值覆蓋待濾波的像素值。此模塊能有效地濾除條碼區(qū)的椒鹽噪聲，背景區(qū)的噪聲能得到很大抑制。此模塊是根據(jù)一維碼的特征設(shè)計(jì)，可以適合各種一維碼。
2．1．3 邊緣檢測
    常用的邊緣檢測算法有梯度算法、Roberts梯度法、Sobel算法和Laplaceian算法等，在充分研究一維條碼的特征后，借鑒各種檢測算法，在此自行設(shè)計(jì)了一種濾波算法。由于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的是640×480或320×240的圖像，假設(shè)條碼占整個(gè)圖像的50 %以上，根據(jù)圖2可以算出每個(gè)模塊占的像素值為3到4個(gè)或l到2個(gè)，如果采用3×3或5×5之類的邊緣檢測模板，加上圖像原本的變形，將會(huì)誤檢邊緣或邊緣丟失，同時(shí)考慮到一維條碼的特征：豎直的條和空，有明顯的豎直邊緣，因此設(shè)計(jì)了豎直邊緣檢測算法，邊緣檢測模板如圖4所示。

    待檢像素的值由其鄰域內(nèi)10個(gè)像素的值決定，這10個(gè)值按模板中的權(quán)值相加的絕對(duì)值為s(x，y)。由于進(jìn)行邊緣檢測的圖像是二值圖，非黑(0)即白(255)，設(shè)定邊緣檢測的閾值T1=255×4=1 020，即鄰域內(nèi)至少有4處黑白突變才能說明待檢像素為一邊緣值，按照下式得到邊緣檢測圖像h(x，y)。

   
2．2 圖像提取
    圖像提取是把圖像中的條碼部分割出來，用于后續(xù)的條碼譯碼。圖像提取的步驟分為：上下分割和左右分割。根據(jù)條碼的特征，分別設(shè)計(jì)了上下分割和左右分割的算法。
2．2．1 上下分割
    基于前文的假設(shè)，設(shè)計(jì)了如下分割算法，上下分割的流程如圖5(a)所示，此流程的設(shè)計(jì)應(yīng)用了條碼的兩個(gè)特征：條空數(shù)為59個(gè)，即邊緣數(shù)為60個(gè)；條碼的上下部分都有空白區(qū)。當(dāng)然一般情況下，條碼區(qū)域所在行肯定還會(huì)存在噪聲，因此邊緣數(shù)是肯定大于60的，而在條碼上下的空白區(qū)所在行經(jīng)過圖像預(yù)處理基本沒多少噪聲，邊緣數(shù)基本不會(huì)大于60，通過對(duì)100幅圖像的試驗(yàn)只有背景很復(fù)雜的2幅圖例外。但是沒分割出來不代表沒譯碼出來，后面譯碼部分對(duì)分割有補(bǔ)充修正。根據(jù)各種圖像的不同，上下分割不會(huì)把整個(gè)條碼區(qū)域分割出來，但分割出來的圖像信息足以用來解碼。上下分割可以去除圖像中上下部分的非條碼區(qū)同時(shí)為譯碼減少了計(jì)算量。

2．2．2 左右分割
    左右分割是在行方向把條碼分割出來，流程如圖5(b)所示，此流程的設(shè)計(jì)應(yīng)用了條碼的兩個(gè)特征：
    (1)條碼的左側(cè)空白區(qū)有11個(gè)模塊，右側(cè)空白區(qū)有7個(gè)模塊；
    (2)條碼的起始符為101，結(jié)束符為101。
    當(dāng)然圖像一般都會(huì)有傾斜，這樣按照x1，x2分割時(shí)會(huì)把條碼區(qū)域有用信息分割掉，因此可以加一個(gè)經(jīng)驗(yàn)修正，把x1向左移一點(diǎn)，把x2向右移一點(diǎn)。
    在檢測101和計(jì)算一個(gè)模塊的長度時(shí)，都是通過邊緣間的距離計(jì)算的，由于圖像有變形和扭曲，因此計(jì)算長度是要用平均值和比值。
    設(shè)連續(xù)3個(gè)邊緣的距離為L1，L2，L3，當(dāng)0．5<L2／L1<1．5且0．5<L3／L2<1．5時(shí)，認(rèn)為檢測到101，且以a=(L1+L2+L3)／3為一個(gè)模塊的長度。按上假設(shè)在條碼中滿足101情況很多，但是同時(shí)滿足101兩側(cè)有固定空白模塊數(shù)的就是惟一的。逐行掃描采用的是從中間行開始分別往上和往下掃描，這樣對(duì)于有傾斜的條碼圖像也能分割出部分有用條碼信息，而不需要用hough變換和雙線性差值來對(duì)條碼圖像進(jìn)行矯正，減少了處理時(shí)間。得到x1，x2，y1，y2之后就能把條碼分割出來進(jìn)行譯碼。
2．3 譯碼
    譯碼過程通過對(duì)分割后的二值圖進(jìn)行處理，得到條空的寬度，按照條碼的編碼方式，譯出條碼結(jié)果。譯碼步驟如下：
    (1)對(duì)二值圖進(jìn)行逐行掃描，檢測邊緣數(shù)是否為60(EAN-13碼有59條空，60個(gè)邊緣)，是則記錄下邊緣坐標(biāo)，否則把這行舍棄；
    (2)根據(jù)每行的邊緣坐標(biāo)，算出每個(gè)條空的寬度：為了減小圖像中的條碼扭曲及其他干擾的影響，計(jì)算條空寬度的平均值；
    (3)按照如下歸一化方法確定條空歸一化寬度。設(shè)一個(gè)字符(7個(gè)模塊)的寬度為W，條空的平均寬度為Wa，則條空的歸一化結(jié)果Wg由下式確定：
   
    (4)根據(jù)條碼左側(cè)數(shù)據(jù)區(qū)的奇偶性確定前置碼，如表1所示；
    (5)根據(jù)前置碼確定左側(cè)數(shù)據(jù)區(qū)的字符集，右側(cè)字符集為C；
    (6)根據(jù)數(shù)據(jù)區(qū)條碼的歸一化寬度，查找字符集，根據(jù)表2得出條碼值，譯碼完成；
    (7)檢校。
    此譯碼流程不僅按照編碼標(biāo)準(zhǔn)快速有效的譯出了條碼，同時(shí)也起到了濾波作用，把有噪聲的行全部濾除，完成精確解碼。按照上述條碼識(shí)別的步驟和算法，用Visual C++編寫了程序。圖6展示從一幅帶有條碼的RGB圖到譯碼的全部過程。

3 結(jié)語
    對(duì)100幅640 x 320圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，解碼率達(dá)100％，可以說本文的算法和譯碼步驟有著很好的可靠性，對(duì)適當(dāng)扭曲和污染并有復(fù)雜背景的條碼圖有著較好的抗干擾性。在此通過對(duì)EAN-13碼特征的分析和掌握，設(shè)計(jì)了濾波模板，邊緣檢測模板和圖像提取算法，并實(shí)現(xiàn)了EAN-13碼的譯碼系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)描述了整個(gè)解碼過程。此識(shí)別系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：充分考慮了EAN-13碼的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合該條碼的算法，識(shí)讀準(zhǔn)確率高，速度快；此系統(tǒng)架構(gòu)和算法可以很快的應(yīng)用于其他一維碼的圖像識(shí)別中；可以很容易的移植到帶有CMOS攝像頭的各個(gè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于EAN-13碼的各種應(yīng)用。