高可靠性二維條形碼系統及其識讀方法
2023-10-06 08:00:39 1
專利名稱:高可靠性二維條形碼系統及其識讀方法
技術領域：
本發明涉及條形碼技術，特別涉及一種提供高可靠性二維條形碼系統及識讀方法。
背景技術：
由於計算機的運算能力和存儲能力是驚人的，但計算機對外部世界的認識能力尤其是外部數據的輸入能力很差。為了提高計算機對外部數據的輸入能力，人們發明了一種便於機器識讀的特殊的光學符號系統，稱之為條形碼。
近幾十年來，條形碼技術發展非常快。從一維條形碼，堆棧條形碼到二維條形碼，條形碼從信息容量到識讀速度都有很大的提高。人們開始對條形碼識讀的可靠性要求也越來越高。條形碼識讀的可靠性主要反映在對條形碼可靠地定位，對畸變圖形行很強的糾正能力，提高其抗幹擾能力等。這些都涉及到二維條形碼本身的結構及其識讀方法。
有關提高條形碼可靠性的研究，國內外都給與很大的關注。
如日本發明了一種「快速響應矩陣碼」也稱「QR Code」(見中華人民共和國國家標準GB/T 18284-2000)，圖4。比較早地提出了「校正圖形」6的概念，可用稱之為「校正圖形」的功能圖形來對畸變圖形進行校正。但這種功能圖形是一種二維圖形，它佔據條形碼有效面積也比較大，尤其是二維圖形的識別通常是用面匹配的方法，面匹配的方法與線匹配的方法相比，算法比較複雜，執行時間也比較長。而且它沒有完整的同步信息功能圖形，可靠定位和對畸變圖形校正能力有限。它的條形碼的格式信息是用BCH糾錯方式來進行編碼，但BCH糾錯編碼的格式信息7是集中分布在三個角上。所以它的抗突發性幹擾能力很差。它的方向是由三個特殊的「位置探測圖像」8來確定，它也是二維圖形，存在與「校正圖形」相同的問題。
本發明人曾發明了龍貝碼(LP Code)圖5。龍貝碼與國際上先進的條形碼相比，具有很多優點。但龍貝碼還存在一定的問題。龍貝碼雖然是一種雙向可讀的二維條形碼(見發明專利03128955.X)，它不需要由特殊的「位置探測圖像」來確定起始位置。但雙向可讀只是允許在水平方位上，而不允許在垂直方位上進行，雙向可讀的前提是要預先探測出它的水平方位。它的水平方位是根據「導向信息單元」9的功能圖形來決定的，由於「導向信息單元」重疊於「垂直同步信息單元」10之上，其與「垂直同步信息單元」的差別僅稍長一點，所以它的「信號」很弱。如果水平定位出錯，解碼必定失敗。所以由於龍貝碼這個本身結構上的原因，要提高圖像處理的可靠性有一定的難度。同時雙向可讀算法相當複雜。雖然龍貝碼也是一種全方位信息同步的二維條形碼(見發明專利03116561.3)，由於它沒有內同步信息，它只能對一些簡單的透視畸變圖形進行校正，所以龍貝碼要提高校正的比較複雜的畸變圖形也有一定的難度。同樣由於「導向信息單元」重疊於「垂直同步信息單元」，所以它的同步系統不是完全獨立的，從結構上和從圖像處理角度上來看，外同步系統設計還不很理想。
發明內容本發明提供一種新型二維條形碼及其識讀方法，其具有定位性能好，有很強的對畸變圖形糾正能力，抗幹擾能力強等高可靠性優點。
本發明的上敘目的通過以下的技術方案實現一種高可靠性二維條形碼系統，其屬於矩陣碼，與其他形式的矩陣碼一樣，也是由矩陣方式排列的模塊(Module)組成，包含在矩陣的左邊有一條由一系列相同特性的模塊組成的單根棒(Bar)形成的位置探測圖形(Position Detection Pattern)；分布在外圍的或接近外圍的外同步信息功能圖形(Out-TimingPattern)，其中，有一條邊必須與位置探測圖形相鄰並且平行；由二種內同步信息圖形(In-Timing Pattern)分布在矩陣內部，其中，包含島性內同步信息功能圖形(內同步信息功能圖形不與外同步信息功能圖形接觸)與半島性內同步信息功能圖形(內同步信息功能圖形與外同步信息功能圖形接觸)；以及所敘編碼區間內的糾錯編碼的條形碼的格式信息(FormatInformation)離散地分布在編碼區間內。
比較好的是，在上敘外/內同步信息功能圖形，是由二種不同特性的獨立的模塊交替組成線性條形，也稱同步條。
比較好的是，在上敘島性內同步信息功能圖形(內同步信息功能圖形不與外同步信息功能圖形接觸)是由二條相互垂直交叉的同步條組成。
比較好的是，在上敘半島性內同步信息功能圖形(內同步信息功能圖形與外同步信息功能圖形接觸)是由單根同步條組成。
比較好的是，在上敘模塊(Module)的特性，可以是光學特性(顏色，螢光等)也可以是物理特性(如突起/凹陷，粗糙/平滑等)。
比較好的是，在上敘模塊(Module)的形狀，通常為正方形，也可以是長方形，圓形或任何其他的幾何形狀中的一種。
比較好的是，在上敘內同步信息功能圖形的定位，先假設在編碼區間內水平方向有若干條內同步線和垂直方向有若干條內同步線，水平方向內同步線和垂直方向內同步線的交點是島性內同步信息功能圖形中心點位置。水平方向內同步線或垂直方向內同步線與外同步信息功能圖形的交點是半島性內同步信息功能圖形伸展點位置。
本發明的另一個發明的目的是提供一種識讀上敘高可靠性二維條形碼系統的方法本發明的上敘目的通過以下技術方案實現同步信息功能圖形的識讀方法，快速一維模塊匹配算法。
條形碼的格式信息的編碼/解碼方法，包含以下步驟(1)位置探測圖形位於條形碼的左邊。在與位置探測圖形相鄰的最高位置的編碼模塊定義為起始模塊。
(2)對條形碼的格式信息進行糾錯編碼(如BCH)。
(3)編碼時，以起始模塊為起始點，把糾錯編碼的條形碼的格式信息離散地分布在編碼區間。
(4)解碼時，同樣以同一起始模塊為起始點，以編碼時的離散地分布形式，讀取糾錯編碼的條形碼的格式信息。
(5)對糾錯編碼的條形碼的格式信息進行糾錯解碼，還原條形碼的格式信息。
比較好的是，在上敘離散地分布形式，其特徵在於，可以用表格映射算法或解析算法實現。
在本發明中的二維條形碼中，在矩陣的左邊有一條由一系列相同特性的模塊組成的單根棒(Bar)形成的位置探測圖形(PositionDetection Pattern)，這是最簡單也是最容易識別的位置探測圖形。在本發明中的二維條形碼中，有一套完全獨立的，完整的外同步信息功能圖形(Out-Timing Pattern)和分布在內部的內同步信息圖形(In-Timing Pattern)，可以有效地對比較複雜的畸變圖形進行校正。內部的內同步信息圖形可以用線匹配的方法去進行識別，以提高準確性和速度。編碼區間內的糾錯編碼的條形碼的格式信息(FormatInformation)離散地分布在編碼區間內，大大地提高了條形碼抗突發性幹擾能力。可見，本發明中的二維條形碼具有很高的可靠性。
通過以下結合附圖對本發明較佳實施例的描述，可以進一步理解本發明的目的，特徵和優點，其中
圖1為按照本發明較佳實施例的高可靠性二維條形碼系統的示意圖。
圖2為本發明高可靠性二維條形碼系統的識讀方法的流程圖。
圖3為數據矩陣碼(Date Matrix Code)實例。
圖4為快速響應矩陣碼(QR Code)示意圖。
圖5為龍貝碼(LP Code)示意圖。
具體實施方式圖1為按照本發明一個較佳實施例的高可靠性二維條形碼系統示意圖。
作為矩陣碼，高可靠性二維條形碼也是由最基本的單元——模塊(Module)組成。模塊是矩陣式二維條形碼中的一個獨立的單元，用於對數據的一位編碼。模塊最常用的是光學特性(顏色，螢光等)也可以是物理特性(如突起/凹陷，粗糙/平滑等)，其形狀特徵通常為正方形，也可以是長方形，圓形或任何其他的幾何形狀中的一種。在本實施例中使用光學特性為顏色屬性，並且只包括黑色和白色二種顏色，形狀為正方形。
如圖1所示，高可靠性二維條形碼中，左邊有一條由一系列黑色模塊組成的單根棒(Bar)形成的位置探測圖形(Position DetectionPattern)1。位置探測圖形確定二維條形碼的起始點位置，我們把與位置探測圖形相鄰的最高位置的編碼模塊定義為起始模塊。外同步信息功能圖形(Out-Timing Pattern)2和內部的內同步信息圖形(In-Timing Pattern)是由一系列黑，白相間的模塊組成的條狀。外同步信息功能圖形位於位置探測圖形的右面，與位置探測圖形相距一個模塊的位置，並且有一條外同步信息功能圖形的邊與位置探測圖形相等及平行。內同步信息圖形分布在外同步信息圖形的內部，內同步信息圖形包含島性內同步信息功能圖形3及半島性內同步信息功能圖形4。島性內同步信息功能圖形是指那些不與外同步信息功能圖形相接觸內同步信息功能圖形，它是由二條相互垂直交叉的同步條組成，其交叉點稱為島性內同步信息功能圖形中心點位置。半島性內同步信息功能圖形是指那些與外同步信息功能圖形相接觸內同步信息功能圖形，它是由一條單獨的同步條組成，其相接觸點稱為半島性內同步信息功能圖形伸展點位置。在圖1所示的實施例中，設定在編碼區間內水平方向有二條內同步線和垂直方向有二條內同步線，水平方向內同步線和垂直方向內同步線的交點是島性內同步信息功能圖形中心點位置。水平方向內同步線或垂直方向內同步線與外同步信息功能圖形的交點是半島性內同步信息功能圖形伸展點位置。在高可靠性二維條形碼中除了所有的功能圖形以外的區域，稱為編碼區間5。編碼區間包含編碼信息，條形碼的格式信息(Format Information)以及它們進行糾錯編碼後所產生的糾錯信息。由位置探測圖形確定二維條形碼的起始點位置對這些信息在編碼區間內的分布非常重要，在編碼和解碼過程中都必須以同一起始點，相同的分布規律在編碼區間內安排或讀出這些信息。
其中條形碼的格式信息在編碼/解碼時，包含以下步驟
(1)位置探測圖形位於條形碼的左邊。在與位置探測圖形相鄰的最高位置的編碼模塊定義為起始模塊。
(2)對條形碼的格式信息進行糾錯編碼(如BCH)。
(3)編碼時，以起始模塊為起始點，把BCH糾錯編碼的條形碼的格式信息以任何形式離散地分布在編碼區間。
(4)解碼時，同樣以同一起始模塊為起始點，以編碼時離散地分布形式，提取BCH糾錯編碼的條形碼的格式信息。
(5)對BCH糾錯編碼的條形碼的格式信息進行BCH糾錯解碼，還原條形碼的格式信息。
上敘離散地分布形式，可以用表格映射算法或解析算法實現。BCH糾錯編碼的條形碼的格式信息用A1，A2，A3，...An表示，相應在編碼區間的離散物理位置用〔X1，Y1〕，〔X2，Y2〕，〔X3，Y3〕，...〔Xn，Yn〕表示。
表格映射算法建立一個映射表格，如下所示。
計算機用這個映射表格，在編碼時，把BCH糾錯編碼的條形碼的格式信息映射到相應在編碼區間的離散物理位置。在解碼時，計算機用同一個映射表格把在編碼區間的相應位置上的BCH糾錯編碼的條形碼的格式信息讀出。以保證編碼和解碼時始終保持維一的對應關係。
解析算法Ai＝f(Xi，Yi) i＝1，2，3，...，n；以下結合圖2高可靠性二維條形碼識讀方法流程圖來描述它的工作過程。如圖2所示在步驟1中，識讀器用攝像機拍攝圖1所示的二維條形碼，把二維條形碼的光學灰度信號轉換為電模擬圖像信號。
在步驟2中，識讀器中的模數轉換系統進一步把電模擬圖像信號轉換成可供數字計算機處理的數字圖像信號，並儲存到相應的寄存器中，計算機將對這些數字圖像信號作進一步處理。
接著，在步驟3中，計算機對數字圖像信號作特殊的圖像處理，以對二維條形碼進行定位。步驟3由下列步驟組成。
首先，在步驟3a中，對二維條形碼圖像處理的通常做法是用相應的圖像處理算法找到二維條形碼的四個頂角位置。由於這裡所採用的算法都是本領域內普通技術人員熟知的二維條形碼常用算法，而且也不屬於本發明的要點，因此不作贅述。
接著，在步驟3b中，因為已找到四個頂角位置，很容易定位單根棒(Bar)形成的位置探測圖形和外同步信息功能圖形。有關這些圖像處理算法與數據矩陣碼(Data Matrix Code)一樣(見圖3)，可以共享數據矩陣碼有關這方面的圖像處理算法。
在步驟3c中，需要進一步定位內同步信息功能圖形，定位內同步信息功能圖形常用模板匹配算法。常規的二維條形碼的內同步信息功能圖形都是二維的，如QR Code的「校正圖形」，所以需要用二維模板匹配算法。
二維模板匹配算法為設{fl(x，y)，x，y＝1，2，...，n}，l＝1，2，...，p 是p個不同形狀區域的二值圖像。
設{Tk(x，y)，x，y＝1，2，...，n}，k＝1，2，...，q 是用以區分{fl}的q個模板(二值圖像)。
對於輸入的{fl(x，y)}中的任一幅圖像{fl(x，y)}求rk=i=1nj=1nfl(x,y)Tk(x,y)/#{Tk},k=1,2,...,q]]>式中#{Tk}表示二值圖像Tk中「1」點的個數。
在{rk}(k＝1，2，...，q)中求最大值，如最大值大於某閾值，匹配成功，否則匹配失敗。
但對於高可靠性二維條形碼，它的內同步信息功能圖形都是一維的，所以需要用設計一種一維模板匹配算法。
一維模板匹配算法為設{fl(xi，yi)，i＝1，2，...，n}，l＝1，2，...，p 是p個不同形狀區域的二值圖像。
設{Tk(xi，yi)，i＝1，2，...，n}，k＝1，2，...，q 是用以區分{fl}的q個模板(二值圖像)。
對於輸入的{fl(xi，yi)}中的任一幅圖像{fl(xi，yi)}求rk=i=1nfl(xi,yi)Tk(xi,yi)/#{Tk},k=1,2,...,q]]>式中#{Tk}表示二值圖像Tk中「1」點的個數。
在{rk}(k＝1，2，...，q)中求最大值，如最大值大於某閾值，匹配成功，否則匹配失敗。
比較一維模板匹配算法與二維模板匹配算法，速度要快一個指數級數。如n＝8，一維模板匹配算法比較8點，而二維模板匹配算法比較64點。
在步驟4中，用外同步信息功能圖形與內同步信息功能圖形得到的同步信息來對編碼區域內的編碼信息，條形碼的格式信息模塊讀取位置進行校正。在步驟3b中，因為已找位置探測圖形，所以很容易定位條形碼的起始位置。而後，從條形碼的起始位置出發，按編碼時的相同的分布規律，用進行校正後的位置在編碼區間內準確，可靠地讀出這些信息最後，在步驟5中，計算機對讀出的條形碼的格式信息及編碼信息進行相應的解碼，輸出解碼結果。
權利要求
1.一種高可靠性二維條形碼系統，其屬於矩陣碼，與其他形式的矩陣碼一樣，也是由矩陣方式排列的模塊(Module)組成，其特徵在於，包含在矩陣的左邊有一條由一系列相同特性的模塊組成的單根棒(Bar)形成的位置探測圖形(Position Detection Pattern)；分布在外圍的或接近外圍的外同步信息功能圖形(Out-TimingPattern)，其中，有一條邊必須與位置探測圖形相鄰並且平行；由二種內同步信息圖形(In-Timing Pattern)分布在矩陣內部，其中，包含島性內同步信息功能圖形(內同步信息功能圖形不與外同步信息功能圖形接觸)與半島性內同步信息功能圖形(內同步信息功能圖形與外同步信息功能圖形接觸)；以及所敘編碼區間內的糾錯編碼的條形碼的格式信息(FormatInformation)離散地分布在編碼區間內。
2.如權利要求
1所敘的外/內同步信息功能圖形，其特徵在於，是由二種不同特性的獨立的模塊交替組成線性條形，也稱為同步條。
3.如權利要求
1或2所敘的島性內同步信息功能圖形(內同步信息功能圖形不與外同步信息功能圖形接觸)其特徵在於，是由二條相互垂直交叉的同步條組成。
4.如權利要求
1或2所敘的半島性內同步信息功能圖形(內同步信息功能圖形與外同步信息功能圖形接觸)其特徵在於，是由單根同步條組成。
5.如權利要求
1或2所敘的模塊(Module)的特性，其特徵在於，可以是光學特性(顏色，螢光等)也可以是物理特性(如突起/凹陷，粗糙/平滑等)。
6.如權利要求
1或2所敘的模塊(Module)的形狀，其特徵在於，通常為正方形，也可以是長方形，圓形或任何其他的幾何形狀中的一種。
7.如權利要求
1或2所敘的內同步信息功能圖形的定位，其特徵在於，先假設在編碼區間內水平方向有若干條內同步線和垂直方向有若干條內同步線，水平方向內同步線和垂直方向內同步線的交點是島性內同步信息功能圖形中心點位置。水平方向內同步線或垂直方向內同步線與外同步信息功能圖形的交點是半島性內同步信息功能圖形伸展點位置。
8.如權利要求
1或2所敘的內同步信息功能圖形的識讀方法，其特徵在於，快速一維模塊匹配算法。
9.一種識讀如權利要求
1所敘的條形碼的格式信息的編碼/解碼方法，其特徵在與，包含以下步驟(1)位置探測圖形位於條形碼的左邊。在與位置探測圖形相鄰的最高位置的編碼模塊定義為起始模塊。(2)對條形碼的格式信息進行糾錯編碼(如BCH)。(3)編碼時，以起始模塊為起始點，把糾錯編碼的條形碼的格式信息離散地分布在編碼區間。(4)解碼時，同樣以同一起始模塊為起始點，以編碼時的離散地分布形式，讀取糾錯編碼的條形碼的格式信息。(5)對糾錯編碼的條形碼的格式信息進行糾錯解碼，還原條形碼的格式信息。
10.如權利要求
9所敘的離散地分布形式，其特徵在於，可以用表格映射算法或解析算法實現。
專利摘要
本發明提供一種新型二維條形碼及其識讀方法，其具有定位性能好，有很強的對畸變圖形糾正能力，抗幹擾能力強等高可靠性優點。本發明的高可靠性二維條形碼屬於矩陣碼(Matrix Code)，它由左邊的一條單根棒(Bar)形成的位置探測圖形(Position Detection Pattern)，分布在外圍的或接近外圍的外同步信息功能圖形(Out－TimingPattern)，分布在內部的內同步信息圖形(In－Timing Pattern)，及其編碼區域(Encoding Region)組成。內同步信息圖形可以用「線性匹配」的方法進行識別，糾錯編碼的條形碼的格式信息(Format Information)離散地分布在編碼區間內。
文檔編號G06K9/18GK1991862SQ200510112289
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月29日
發明者邊鵬, 邊隆祥 申請人:邊鵬導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan