第32卷第3期石家庄铁道大学学报(自然科学版)Vol.32No.3 2019年9月Journal of Shijiazhuang Tiedao University(Natural Science Edition)Sep.20i9
王刚s王硕禾】，颜丙杰2
（1石家庄铁道大学电气与电子工程学院，河北石家庄050043；
2.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084）
摘要：介绍了二维码的结构、标准、编解码过程，以及采集图像上传至上位机的过程。通过分析二维码特性，基于LabVIEW开发的二维码机器视觉检测系统提出图像导入、图像预处理、图像定位和特征提取等研究方法，最终实现二维码识别功能。该系统使用640X480像素的低分辨率图像进行测试，在恶劣条件下取得94［的成功率且处理时间在40ms/板以下，优于大多数现有系统。 关键词：二维码；LabVIEW；机器视觉；识别
中图分类号：TP317.4文献标志码:A文章编号：2095-0373（2019）03-0089-05
0引言
二维码是由一系列黑白点（方点，圆点或其它形状）构成的几何图案。每个信息字节通过对应的ASCII码转化为二进制即可保存在这些黑白点，其中，黑点表示二进制的'1.白点表示二进制的70）将这些黑白像素按一定规律排列便可在二维码中存储大量信息。其编码过程有：①数据编码；②结束码和补齐码；③纠错码；④最终编码。第一步数据编码就是将需要存储的信息转化为二进制数据，后面三步是完成将编好的二进制数据存入二维码。常用的条码扫描器一般由光源、光学透镜、扫描模组、模拟数字转换电路加塑料外壳构成。它利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟数字转换器转化为数字信号传输到计算机中处理。当扫描一副图像的时候，光源照射到图像上后反射光穿过透镜会聚到扫描模组上，由扫描模组把光信号转换成模拟信号（即电压，它与接受到的光的强度有关）1+再经由模拟-数字转换电路把模拟电压转换成数字信号，传送到电脑。 依托清华大学汽车安全与节能国家重点实验室ESC功能测试平台开发了基于LabVIEW视觉检测系统，旨在通过数字图像处理方法自动定位并识别电子稳定控制系统PCB版上雕刻的QR二维码，为ESC功能检测平台提供一种快速、高效且低成本的信息识读手段。本研究提出的系统实际应用范围并不局限于此，如文献［2］中提出的基于车票识别的铁路客运站旅客引导系统，本系统亦可完美切入，以车票二维码为信息为载体，实现联合识别，更好地为铁路客运系统服务。
1系统实现过程
典型的图像识别系统主要由4个阶段组成，包括图像采集、图像预处理、图像定位与图像识别。图像采集卡将采集的图像信息导入上位机，设置相应的条件判断与循环执行语句，利用LabVIEW中加载的IMAQ Vision视觉与运动模块循环加载图像信息，加强系统的高效准确运行，再进行后续的图像预处理、图像定位、特征提取与最终实现二维码的识别。
数字图像处理的第一步工作就是图像预处理，主要包括图像的灰度化，滤波以及二值化，以消除图像 收稿日期：2018-01-18网络出版日期：2019-06-27责任编辑：车轩玉DOI：10.13319/jki.sjztddxxbzrb.20180020
网络出版地址：http：//knski/kcms/detail/13.1402.N.20190627.0933.006.html
基金项目：研究生实践基地资助（Z671180101）；河北省分布式能源应用创新中心资助（SG20182050）
作者简介：王刚（1992—），男，硕士研究生，主要从事电能质量分析的研究。E-mail：297262630@qq
王刚，王硕禾，颜丙杰.基于LabVIEW的二维码高效识别系统设计与实现*+石家庄铁道大学学报：自然科学版，2019,32（3）:8993.
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中的无关信息为目的，保留系统所需的主要信息区域且增强重要信息的可检测性，同时也最大限度地简化了图形数据，从根本上改善特征'割、匹配和识别3的稳定与精确。文献［4］提岀QR码在图采程中会岀现，提岀值化基于滤波窗系数的中值滤波处理。文献［5］提岀了一种中值滤波与小波变换相结合的方法实现点理。图形的定位与特征是图像理系统中非常的部分，系维码有效的。Chen et al6提岀了一种基理和边缘的定位方法。等*与等8提岀了基于形态学处理的模技术与小波e 率级编码研究。Hontani et al9开了一种方法，在道和大小的岀该图形模板。文献都是基于图形尺度形状定位且该方法较为成熟。本系统采用LabVIEW 基本的理工具，以及滤波器模块和形态学技术来定形。最后使用LabVIEW内置的In-strument Readers/具来识别二维码的信息。系统工作流程如图1所示。
图1系统工作流程
2软件设计
LabVIEW提供的IMAQ Vision视觉与运动模块是图形化编程语言，程序设计中需要完成前面板人机交互界面，程序算法设各个模的连接，保证系统正常。
2.1图像采集模块
在LabVIEW程序面板中调用驱动摄像头vi，选择相应串口连接，配置驱动文件。系统运行前先进行图像采集卡初始化（img0）,，令触发，采集图形和实时显，最后采。在这程IMAQ Create,vi建立作为缓存区来存储外部的图形影像。采集程序结构由While循环组成，因此循环采集的图形信号会被不断输入覆盖到记忆空间内，构成图形的实时显示（Image Out）［10］。图像采集程序如图2所示。
图2图像采集程序
2.2图像预处理
二维码的实际雕刻面积在PCB整块版面上不到1/20，然而摄像头拍摄会将整块PCB版面以及PCB 版的扫算机，此时理大多数号，只保留系统需采集的有效，即二维码区域。预处理在此过程中起到2个作用：（1），保存有效信号并有效，提高系统的检与可靠性；（2）最大限度简化图形数据，提高系统效率与识别速度。
2.21滤波
头传感器在采集图像信息时把光线作为输入/输岀信号，在这一过程中无可避免会产生干扰因数，、曝光程度等。因数将导杂粗糙像素，通常所说的噪点就是粗糙
第3期王刚等：基于LabVIEW 的二维码高效识别系统设计与实现91的像素。根据文献［3］提岀在二维码图像采集的过程中通常会产生典型的椒盐噪声，因此采集图像后需
滤波处理，从而提高 。通常针 的滤除有中值滤波与 滤波2种方法。比较:
(1)均值滤波器是一种最常用的线性低通平滑滤波器，可抑制图像中的加性噪声，但同时也使图像变得模糊。
操作性
(2)中值滤波器是一种最常用的非线性平滑滤波 器,
立的 点，又可产生较少的模糊。值滤波的处理效果要比邻域均值
处理的低通滤波效
好，主要技术特点是中值滤波后能保留
的轮廓清晰不变。因此，本系统 ；中的 滤除采 值滤波。利用LabVIEW
中的Matlab script 节点调用Matlab 进行中值滤波。值滤波设 3 。
在Matlab 中中值滤波medfilt2函数为单通道滤波MATLAB script J = imnoise(I,'salt & pepper\0.1);
|珀力认10%的椒盐片 Jl=rgb2gray(G);| %融图喙靡化Kl=medfilt2(J);I wr re 图3中值滤波，系统采集的彩图像为三通道。因此在调用
(a )原始二维码图像(b )加入10%的椒盐噪声(c )灰度化后的图像
(d )中值滤波后的图像(e )均值滤波图像
图4滤波效果对比
2. 2. 2二值化二维码信息像素
二值化是 化更 的图像处理技术，灰度化是通过处理将彩图像中的RGB 3个素分量的值 等，在256(0〜255)个调板 择 级。而二值化是将
素点 值设置为0或者255，也就是将图像完全变成了 调。因为二维码图像本身就是
系 的小方格组成，分别代表了二进制的0和1(0代表白，1代表黑)。二维码在二值化时会将二维码图像变成只有黑白的条 然后 公式转化为 制 。这就极大地节约了存
青黛霜，并减少了后期的运算量。实现过程：在LabVIEW 中调用IMAQ ImageToArray VI 函数，功能是把滤波后图形中的所有像素 的点转化为二维数组。将该数
层FOR 循环，循 数由数组大 定，在FOR 循环设定值，大于该阈值的点输岀255，小于该阈值的点输岀0。
就 生成 新的二维数组，且数组中元素只为0或255。最后再调用IMAQ ArrayToImage VI 函数即可将二位数组转化为二值化图像。 该部分的设 点在 值的 ，通常在 值化阈值 常用的方法有：直方 法、P 参数
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法、最大类间方差法、最大爛阈值法、迭代法(也叫最佳阈值法)。
20世纪60年代中期，Prewitt等提出直方法，其实质是一种典型的全局单阈值分割方法，当图像简单且在十分突出与显分别时，灰度化后的直方图会出现布，选择双之间的谷的值作为阈值实现2个区割。当复杂，目标与案分布零时，则会出现波之间波谷较宽阔且，很难确定阈值。本系统采是雕刻在PCB板上的二维码，符合后一种：目标与布：)
P参数法常目标区域在占已知，且采集图像分辨率不变的情况。本系统满足P参数法的使，骤：
(1)求出图像直方图分布P!),,=0,1，6,255。
(2)计算阈值:T=邕_____P。
m X n min
最大间类法、最大值法与值法应用也十分广泛，在不同情况的图像处理中都具有各自的独特的地位，本系统大的缺点是计算量大，拖延了识别速率，因此P参数法作为阈值选取方案。
5为原始灰度图通过P参数法求取阈值再二值化的图
形，出二值化后，图形节明显，从根本上
改善了质量，提高了清晰度。
2.3图像定位
在维码区域的定位是最重要的一环。采用
基于形态学的ROI定位法，在NI Vision模块中，调用
IMAQ Construct ROI创建图像显示与相应工具，选择ROI
工具。ROI的内容代表是一簇数据。包括一个整数数组和一个簇组成的数组。整数数组内有4个元素，国家财政拨款
在前面板上框出二维码的4条边坐标，而每
中华人民共和国票据法
数是由轮型、ROI类型t
图形坐标点组成*1+，各种图形框出在整
理和定位的区域，称为感兴
区域ROI。二维在区为感区
，经理后，二维的
颜与纹理更为明显。采用TransformROI
VI函数自动坐标定位，从而完成通过
ROI定位方式到目标的二维码。图
6为的系统实现。
成瘾PO3测试结果
图6系统实现
目前已经使用130个图像样本来测试该
系统，图像样本经过电脑硬盘导入系统。所用图像都是640X480像素。其中有50个二维码区域干净完整，照明条件好，测试成功率可达100［。其余80个图像样本都存在不同程度瑕疵，包括光照强度过高导致反光与光照强度过低导致图形阴暗，二维码局部破损或被异物遮挡等。经过一系列预处理与图形增强后，别成功率达到94［，且平均速率38ms/板，优于大多数现有系统。
4结论
通过将摄像头、图像采集卡、LabVIEW软件与NI Vision机器视觉检测技术相结合，研制出工业级高精度的二维别系统，同时对软件中的与运动模块进行了深层次的研究，了图像预处理
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部分与定位识别部分各种方法之间的优缺点，采用以中值滤波，二值化图像为基准的图像预处理，以ROI 定位法确定二维码的特征提取，并进行最终的二维码信息识别。通过测试，系统扫描条码准确率高，识别速度快，证明了系统中算法的优越性，且成本低廉，利用普通摄像头即可完成专业扫码设备功能。在工业应用与社会生活中都具有较高的应用价值与推广意义。
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3D Deformation Analysis of Retaining Structures of Foundation Design and Realization of High Efficiency Identification
System of QR Code Based on LabVIEW
Wang Gang1，Wang Shuohe1，Yan Bingjie2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang050043，China；
2.State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy，Tsinghua University，Beijing100084，China)
Abstract:This article briefly introduces the structure，standard，and encoding and decoding process ofQRcode，aswe l astheprocessofuploadingtheimagetotheuppercomputerhostcomputer Byana-lyzingthecharacteristicsofQRcode，thispaperpresentstheresearch methodsofimageimport，image preprocessing，imagelocalization，andfeatureextractionbasedontheQRcodemachinevisiondetection system developed by LabVIEW.The system uses640X480pixels low resolution images for testing.The system achieves a94%success rate under harsh conditions with processing times less than40ms/plate，and ou8performsmos8ofexisingsys8ems.
Key words:QR code；LabVIEW；machinevision；recognize
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