一文看懂碼靈半導(dǎo)體CFW32C7UL系列MPU產(chǎn)品應(yīng)用（八)：高端掃碼設(shè)備應(yīng)用（下）

通過前兩期對(duì)掃碼設(shè)備及掃碼引擎的介紹，相信大家對(duì)掃碼硬件的組成有了較為深入了解。然而完整的掃碼識(shí)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(duì)掃碼識(shí)讀過程中的軟件處理環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
一、圖像處理和解碼是掃碼識(shí)讀的核心
掃碼設(shè)備工作時(shí)，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(gè)掃碼識(shí)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(shí)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(shí)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(shí)別，需對(duì)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(lái)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(shí)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(duì)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(chǔ)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(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)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(huì)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(duì)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(shí)，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(duì)比度影響的效果，解決光照不均對(duì)圖像的影響。

▲二值化前后對(duì)比
4、定位剪切
通過使用索貝爾竺算法進(jìn)行邊緣檢測(cè)，對(duì)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(duì)該區(qū)進(jìn)行剪切，去除大部分無(wú)關(guān)背景信息，提高后續(xù)流程中的處理速度和識(shí)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(duì)圖像進(jìn)行必要的角度旋轉(zhuǎn)，再通過檢測(cè)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(cè)圖形的結(jié)構(gòu)
上圖所示為位置探測(cè)圖形結(jié)構(gòu)，通過QR碼的右上、左上、左下三個(gè)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(duì)圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格建立后，便可對(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)明。

▲QR碼符號(hào)的結(jié)構(gòu)
上圖所示為QR符號(hào)的圖形結(jié)構(gòu)（摘自國(guó)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(duì)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(shí)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(shí)間可能僅為普通算法的幾十分之一，可見軟件處理算法對(duì)解碼速度具有明顯的影響。
文中主要以QR碼識(shí)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(duì)條形碼，二維碼檢測(cè)的開源算法，可識(shí)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(duì)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(chǎng)景與大家進(jìn)行交流，我們下期見！
本期作者：陳紹景、梁夢(mèng)雷、謝耀華、劉悅臻、謝劍杰