二維碼識(shí)別技術(shù)深入解析

摘要：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)迅速發(fā)展，二維碼應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活的各個(gè)角落，二維碼的魅力在哪？本文將從二維碼識(shí)別技術(shù)的原理和識(shí)別過程出發(fā)，結(jié)合ZLG二維碼識(shí)別算法，解析二維碼被廣泛應(yīng)用的原因。

基于二維碼識(shí)別相關(guān)的應(yīng)用迅速進(jìn)入人們的生活，掃二維碼已成為連接線上線下成本最低的網(wǎng)絡(luò)接入口之一。二維碼識(shí)別技術(shù)原理是什么，又因何種優(yōu)勢能夠改變我們的生活方式？本文將以二維碼使用最廣的QR碼（Quick Response Code）為例，從QR碼的優(yōu)勢、識(shí)別過程、算法、和應(yīng)用方向等方面闡述二維碼得以廣泛使用的原因。

目前，二維碼在中國的最大應(yīng)用領(lǐng)域就是移動(dòng)支付。不少人已經(jīng)習(xí)慣了出門不帶現(xiàn)金，手機(jī)掃碼走天下。根據(jù)第40次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，截至2017年6月，我國手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)7.24億，移動(dòng)支付用戶規(guī)模達(dá)5.02億，4.63億網(wǎng)民在線下消費(fèi)時(shí)使用手機(jī)進(jìn)行支付，而這其中很多都是通過掃二維碼實(shí)現(xiàn)的。

資料來源：CNNIC 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

接下來將對二維碼識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行介紹，為了便于整體理解，首先闡述QR碼的特點(diǎn)及優(yōu)勢，接著介紹QR碼識(shí)別過程，并重點(diǎn)介紹圖像預(yù)處理算法。然后講述當(dāng)前二維碼識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，最后演示ZLG QR碼識(shí)別demo。

1. QR碼的特點(diǎn)及優(yōu)勢

QR碼是由日本Denso公司于1994年9月研制的一種矩陣式二維條碼，它除了具有二維條碼所具有的信息容量大、可靠性高、可表示漢字及圖像多種信息、保密防偽性強(qiáng)等特點(diǎn)外，還具有能高速全方位識(shí)讀、能有效表達(dá)漢字等主要特點(diǎn)。

2. QR碼的識(shí)別過程

QR符合由編碼區(qū)域和包括尋像圖形、分隔符、定位圖形和校正圖形在內(nèi)的功能圖形組成。QR碼結(jié)構(gòu)圖如下所示。

QR碼結(jié)構(gòu)圖

QR碼識(shí)別常見的方法過程主要有圖像預(yù)處理，定位位置探測圖形、定位校正圖形、透視變換、譯碼和糾錯(cuò)。

圖像預(yù)處理：灰度化、去噪、畸變矯正以及二值化等；

定位位置探測圖形：通過位置探測圖形1：1：3：1：1的特征查找，允許容差0.5，水平和垂直方向掃描該特征，多次穿透即為候選位置探測圖像，通過一些篩選策略剔除假位置探測圖形確定真圖形，再根據(jù)3個(gè)該圖形之間的距離和旋轉(zhuǎn)角度，確定它們的方位，分別為左上角，右上角和左下角。

位置探測圖形特征

定位校正圖形：根據(jù)3個(gè)位置探測圖像估計(jì)右下角校正符，類似定位位置探測圖形定位該圖形。

透視變換：根據(jù)3個(gè)定位中心點(diǎn)和校正符中心點(diǎn)，和理想4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，獲取單應(yīng)性矩陣，再通過透視變換獲取標(biāo)準(zhǔn)正方形圖像。透視變換公式如下：

透視變換效果圖如下：

譯碼和糾錯(cuò)：譯碼是對二維碼版本信息、格式信息、數(shù)據(jù)和糾錯(cuò)碼進(jìn)行解碼和對比。將數(shù)據(jù)區(qū)轉(zhuǎn)為0和1的比特流，并用 Reed-Solomon 糾錯(cuò)算法對比特流校驗(yàn)和糾錯(cuò)。判斷QR碼編碼格式后譯碼，這樣我們便得到了二維碼包含的數(shù)據(jù)。

3. QR碼圖像預(yù)處理

常規(guī)的QR碼識(shí)別過程容易受到環(huán)境影響而難以識(shí)別，往往需要一些預(yù)處理改善圖像質(zhì)量和識(shí)別環(huán)境。

圖像灰度化：攝像頭輸出的數(shù)據(jù)格式很多，黑白攝像頭直接輸出灰度圖，而彩色攝像頭輸出格式有YUV422，YUV410，RGB565, RGB888等，二維碼識(shí)別只需要單通道的灰度圖，

因此需要轉(zhuǎn)化，以RGB888為例，轉(zhuǎn)換公式如下：

去噪：噪聲的影響會(huì)使1：1：3：1：1的特征定位不準(zhǔn)，以及數(shù)據(jù)階段譯碼錯(cuò)誤，常見的噪聲主要是高斯噪聲和椒鹽噪聲，可以采用高斯濾波，中值濾波或均值濾波來改善圖像質(zhì)量。

畸變矯正：廣角攝像頭或魚眼攝像頭帶有較大的畸變，越靠近視角邊緣圖像形變越大，對于畸變較大的圖像而言，不僅1：1：3：1：1的特征的比例關(guān)系失調(diào)，數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)沒有標(biāo)準(zhǔn)的模塊大小，會(huì)造成無法準(zhǔn)確譯碼。對于這種情況，需通過畸變模型矯正，矯正成無畸變的圖像。

二值化：正常情況下背景和QR碼目標(biāo)區(qū)分明顯，光照均勻，只需要簡單使用全局二值化方法即可，常見的方法有固定閾值法、Otsu法，直方圖雙峰閾值化方法等。對于光照不均勻的情況，則不適用，會(huì)造成全局亮度失衡而無法正常識(shí)碼，因此需要自適應(yīng)局部閾值化方法處理，可以采用分塊求閾值再均衡化的方法實(shí)現(xiàn)。

4. QR碼應(yīng)用領(lǐng)域

QR碼是用某種特定的幾何圖形，按一定規(guī)律來記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息。主要用途如下表

5. QR碼識(shí)別效果展示

ZLG研發(fā)的QR碼識(shí)別算法目前支持的平臺(tái)有：基于AWorks系統(tǒng)的cortex-m7系列M1052-M16F128AWI -T平臺(tái)、基于Linux的cortex-a7系列M6Y2C-256F256LI-T平臺(tái)和基于Linux的cortex-a8系列M3354-512LI-F1GT平臺(tái)。

基于cortex-a8系列M3354-512LI-F1GT平臺(tái)的QR碼識(shí)別功能如下視頻所示：

A8_快速掃描、A8_碎屏識(shí)別demo.mp4

視頻中主要展示了微信支付操作，可以看到劇烈晃動(dòng)手機(jī)的情況下依舊能夠識(shí)別。對于單次支付操作，觀察串口打印的信息可以看出，基本實(shí)現(xiàn)了無需等待的“閃付”體驗(yàn)。并且，從視頻中可以看到，針對于手機(jī)碎屏問題，ZLG的QR碼算法可以較好的支持。

此外，考慮到個(gè)性化QR碼使用場景，我司QR碼識(shí)別算法同樣支持，以微信二維碼名片樣式為例，效果如以下視頻所示：

A8_多樣式demo.mp4

基于cortex-m7系列M1052-M16F128AWI -T平臺(tái)的二維碼識(shí)別demo配有4.3寸液晶顯示屏， 以類似于手機(jī)掃碼的體驗(yàn)，快速識(shí)別二維碼，顯示識(shí)別的結(jié)果。效果如下所示：

M7_快速掃描demo.mp4

ZLG QR碼算法調(diào)用方式簡單，僅需要算法初始化、解碼和內(nèi)存釋放三個(gè)步驟，QR碼算法頭文件“aw_qrcode.h”接口如下

調(diào)用我司的QR碼算法demo程序“QRScanner.c”如下所示

最后附上M3354-512LI-F1GT產(chǎn)品圖片：

M1052-M16F128AWI-T產(chǎn)品圖片：

6. 關(guān)于算法庫獲取

關(guān)于算法庫可以聯(lián)系ZLG立功科技獲取。