基于定焦扫描和软解码算法技术的高速扫描模组研究

赵 华，黄 靖，张俊周，曾 俊

（江苏智联天地科技有限公司，江苏无锡 214181）

1 引言

目前市场上智能移动信息终端都使用专业的扫描头进行扫描，专业扫描头不仅体积大，导致行业用智能移动信息终端体积巨大，且成本远远高于普通摄像头，其优点是扫描效率和精度远高于手机摄像头；而普通摄像头体积小，价格相对便宜，但其扫描出错率高，扫描效率低下。

本文介绍了一种用于智能终端的基于定焦扫描和软解码算法的微型高速一维、二维码扫描模组，并研发了采用该扫描模组实现高速扫描及高精度扫描的智能移动信息终端，从而可以利用普通摄像头取代价格昂贵的专业扫描头，大幅降低移动信息终端的成本，并减小了移动信息终端的体积。

2 模组原理

2.1 主要组成部分

本扫描模组主要包含以下几个组成部分。

2.1.1 瞄准模块

此模块由软件控制瞄准装置发出瞄准光束（线条或者块区域），帮助使用者准确瞄准待扫描条码。

2.1.2 照明模块

此模块是当感光模块检测到环境照明度不足、会影响获取条码清晰度的时候，打开此模块，使用手机自带的摄像头补光模块进行环境补光，保证抓取到的条码图像清晰，便于解码。

2.1.3 手机扫描设置模块

此模块主要设置扫描模式、扫描方式和扫描参数。

2.1.4 图像数据获取和处理模块

此模块通过手机摄像头对瞄准的条码进行数据抓取，根据条码特征锁定条码图像区域，对该区域进行放大抓取，最终输出清晰、有效的条码图形数据信息，将此信息传送到解码模块进行解码操作。

在图像数据获取时对图像进行整形，运用图像校正、二值化、去噪、边缘检测、Hough变换、图像旋转等多种图像处理方法实现条码图像的预处理、条码定位、条码分割和数据提取。具体见图1。

图1 图像数据获取、处理流程图

首先，对采集的彩色图像进行灰度化，以提高后继的运行速度；其次，去除噪声，采用中值滤波去除噪音对二码图像的干扰，主要是盐粒噪声；再次，利用灰度直方图工具，通过迭代法选取适当的阈值，对二维码进行二值化处理，使其变为白底黑色条码；最后，确定二维码的位置探测图形，对条码进行定位，旋转至水平后，获得条码数据，以便下一步进行解码。

2.1.5 解码模块

此模块接收图像数据获取和处理模块传送过来的条码信息，通过解码库进行解码，将解码后的结果输出给使用者。

二维码软解码算法支持矩阵式二维码Quick Response（QR）和Data Matrix(DM)等主流的二维码。下面以QR码为例阐述软解码的工作流程。QR码的构成如图2所示。

图2 QR码的构成示意图

（1）位置探测图形及分隔符：对于矩阵式二维码，位置都是固定存在的，只是大小规格会有所差异，这些黑白间隔的矩形块很容易进行图像处理的检测。

（2）校正图形：根据尺寸的不同，矫正图形的个数也不同。矫正图形主要用于码形状的矫正。

（3）定位图形：这些小的黑白相间的格子就好像坐标轴，在二维码上定义了网格。

（4）格式信息：表示该二维码的纠错级别。

（5）数据区域：黑白的二进制网格编码内容，8个格子可以编码一个字节。

（6）版本信息：即二维码的规格。

（7）纠错码字：用于修正二维码损坏带来的错误。

在译码之前通常需要对二维码进行分割，边缘检测后条码区域的边界不是很完整，所以需要进一步修正边界，然后分割出一个完整的条码区域。首先采用区域增长的方法对符号进行分割，以此修正条码边界。其基本思想是从符号内的一个小区域（种子）开始，首先通过区域增长来修正条码边界，把符号内的所有点都包括在这个边界内，其次通过凸壳计算准确分割出整个符号，最后区域增长和凸壳计算交替进行。通常对那些密度比较大的条码重复两次就足够了，而对于那些模块组合比较稀疏的条码至少要重复四次。

2.2 扫描流程图

扫描流程如图3所示。

图3 扫描流程图

流程图说明如下：

（1）如果是扫描模式，对摄像头进行扫描模式初始化、设置，否则软件进入默认摄像头流程；

（2）软件打开瞄准装置，帮助使用者瞄准待扫描的条码；

（3）软件打开感光装置，实时检测环境照明度情况；

（4）根据感光装置反馈回来的照明度，判断是否需要打开摄像头补光装置；

（5）此时摄像头已经处于抓数据状态，根据抓到的数据分析提取条码特征信息，如果发现有条码信息，对该区域进行放大、降噪、去污处理，保存处理后的条码图像信息数据；

（6）将上诉步骤的条码图像信息数据直接传送给解码库进行解码，输出解码结果。

3 模组结构

把定焦摄像头及瞄准装置装载进智能终端中，利用智能终端自身感光装置进行光线感应，并用自身的闪光灯进行实时补光，同时利用智能终端的CPU、GPU等进行图像采集、图像处理和解码，在减小智能终端体积的同时也降低了扫描头成本，提升了解码速度，降低了误码率。

图4 模组结构示意图

此技术实现后，用于条码扫描的扫描模组与专业扫描头相比价格下降2/3，体积减小50%。新技术实现前后智能终端的变化如图5所示。

图5 智能终端演变示意图

4 结束语

装载基于定焦扫描和软解码算法的微型高速一维、二维码扫描模组的智能终端，实测解码速度≥4次/s，误码率≤0.00005%；在黑暗环境下可实时调整补光，满足扫描要求；同时对褶皱、污损、破损、形变等情景下的条码解码成功率较高，误码率较小，完全满足行业客户的应用需求。同时利用了智能终端的CPU、GPU、感光装置、补光灯等部件，大大降低了成本，同时使得智能终端的结构设计更具多元化及小型化。随着定焦摄像头的性能不断提高及软解码算法解码能力的不断提升，其在未来会有更好的应用前景。

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