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2019年09月04日 | 二维码识别技术深入解析
2019-09-04 来源：ZLG立功科技·致远电子
摘要：移动互联网迅速发展，二维码应用已经渗透到生活的各个角落，二维码的魅力在哪？本文将从二维码识别技术的原理和识别过程出发，结合ZLG二维码识别算法，解析二维码被广泛应用的原因。
基于二维码识别相关的应用迅速进入人们的生活，扫二维码已成为连接线上线下成本最低的网络接入口之一。二维码识别技术原理是什么，又因何种优势能够改变我们的生活方式？本文将以二维码使用最广的QR码（Quick Response Code）为例，从QR码的优势、识别过程、算法、和应用方向等方面阐述二维码得以广泛使用的原因。
目前，二维码在中国的最大应用领域就是移动支付。不少人已经习惯了出门不带现金，手机扫码走天下。根据第40次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2017年6月，我国手机网民规模达7.24亿，移动支付用户规模达5.02亿，4.63亿网民在线下消费时使用手机进行支付，而这其中很多都是通过扫二维码实现的。
资料来源：CNNIC 前瞻产业研究院整理
接下来将对二维码识别技术及应用进行介绍，为了便于整体理解，首先阐述QR码的特点及优势，接着介绍QR码识别过程，并重点介绍图像预处理算法。然后讲述当前二维码识别技术的应用领域，最后演示ZLG QR码识别demo。
1. QR码的特点及优势
QR码是由日本Denso公司于1994年9月研制的一种矩阵式二维条码，它除了具有二维条码所具有的信息容量大、可靠性高、可表示汉字及图像多种信息、保密防伪性强等特点外，还具有能高速全方位识读、能有效表达汉字等主要特点。
2. QR码的识别过程
QR符合由编码区域和包括寻像图形、分隔符、定位图形和校正图形在内的功能图形组成。QR码结构图如下所示。
QR码结构图
QR码识别常见的方法过程主要有图像预处理，定位位置探测图形、定位校正图形、透视变换、译码和纠错。
图像预处理：灰度化、去噪、畸变矫正以及二值化等；
定位位置探测图形：通过位置探测图形1：1：3：1：1的特征查找，允许容差0.5，水平和垂直方向扫描该特征，多次穿透即为候选位置探测图像，通过一些筛选策略剔除假位置探测图形确定真图形，再根据3个该图形之间的距离和旋转角度，确定它们的方位，分别为左上角，右上角和左下角。
位置探测图形特征
定位校正图形：根据3个位置探测图像估计右下角校正符，类似定位位置探测图形定位该图形。
透视变换：根据3个定位中心点和校正符中心点，和理想4个点的坐标，获取单应性矩阵，再通过透视变换获取标准正方形图像。透视变换公式如下：
透视变换效果图如下：
译码和纠错：译码是对二维码版本信息、格式信息、数据和纠错码进行解码和对比。将数据区转为0和1的比特流，并用 Reed-Solomon 纠错算法对比特流校验和纠错。判断QR码编码格式后译码，这样我们便得到了二维码包含的数据。
3. QR码图像预处理
常规的QR码识别过程容易受到环境影响而难以识别，往往需要一些预处理改善图像质量和识别环境。
图像灰度化：摄像头输出的数据格式很多，黑白摄像头直接输出灰度图，而彩色摄像头输出格式有YUV422，YUV410，RGB565, RGB888等，二维码识别只需要单通道的灰度图，
因此需要转化，以RGB888为例，转换公式如下：
去噪：噪声的影响会使1：1：3：1：1的特征定位不准，以及数据阶段译码错误，常见的噪声主要是高斯噪声和椒盐噪声，可以采用高斯滤波，中值滤波或均值滤波来改善图像质量。
畸变矫正：广角摄像头或鱼眼摄像头带有较大的畸变，越靠近视角边缘图像形变越大，对于畸变较大的图像而言，不仅1：1：3：1：1的特征的比例关系失调，数据区的数据没有标准的模块大小，会造成无法准确译码。对于这种情况，需通过畸变模型矫正，矫正成无畸变的图像。
二值化：正常情况下背景和QR码目标区分明显，光照均匀，只需要简单使用全局二值化方法即可，常见的方法有固定阈值法、Otsu法，直方图双峰阈值化方法等。对于光照不均匀的情况，则不适用，会造成全局亮度失衡而无法正常识码，因此需要自适应局部阈值化方法处理，可以采用分块求阈值再均衡化的方法实现。
4. QR码应用领域
QR码是用某种特定的几何图形，按一定规律来记录数据符号信息。主要用途如下表
5. QR码识别效果展示
ZLG研发的QR码识别算法目前支持的平台有：基于AWorks系统的cortex-m7系列M1052-M16F128AWI -T平台、基于Linux的cortex-a7系列M6Y2C-256F256LI-T平台和基于Linux的cortex-a8系列M3354-512LI-F1GT平台。
基于cortex-a8系列M3354-512LI-F1GT平台的QR码识别功能如下视频所示：
A8_快速扫描、A8_碎屏识别demo.mp4
视频中主要展示了微信支付操作，可以看到剧烈晃动手机的情况下依旧能够识别。对于单次支付操作，观察串口打印的信息可以看出，基本实现了无需等待的“闪付”体验。并且，从视频中可以看到，针对于手机碎屏问题，ZLG的QR码算法可以较好的支持。
此外，考虑到个性化QR码使用场景，我司QR码识别算法同样支持，以微信二维码名片样式为例，效果如以下视频所示：
A8_多样式demo.mp4
基于cortex-m7系列M1052-M16F128AWI -T平台的二维码识别demo配有4.3寸液晶显示屏， 以类似于手机扫码的体验，快速识别二维码，显示识别的结果。效果如下所示：
M7_快速扫描demo.mp4
ZLG QR码算法调用方式简单，仅需要算法初始化、解码和内存释放三个步骤，QR码算法头文件“aw_qrcode.h”接口如下
调用我司的QR码算法demo程序“QRScanner.c”如下所示
最后附上M3354-512LI-F1GT产品图片：
M1052-M16F128AWI-T产品图片：
6. 关于算法库获取
关于算法库可以联系ZLG立功科技获取。
史海拾趣
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