ZLG解析——二維碼識別技術

基于二維碼識別相關的應用迅速進入人們的生活，掃二維碼已成為連接線上線下成本最低的網絡接入口之一。二維碼識別技術原理是什么，又因何種優勢能夠改變我們的生活方式？本文將以二維碼使用最廣的QR碼（Quick Response Code）為例，從QR碼的優勢、識別過程、算法、和應用方向等方面闡述二維碼得以廣泛使用的原因。

目前，二維碼在中國的最大應用領域就是移動支付。不少人已經習慣了出門不帶現金，手機掃碼走天下。根據第40次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2017年6月，我國手機網民規模達7.24億，移動支付用戶規模達5.02億，4.63億網民在線下消費時使用手機進行支付，而這其中很多都是通過掃二維碼實現的。

資料來源：CNNIC 前瞻產業研究院整理

    接下來將對二維碼識別技術及應用進行介紹，為了便于整體理解，首先闡述QR碼的特點及優勢，接著介紹QR碼識別過程，并重點介紹圖像預處理算法。然后講述當前二維碼識別技術的應用領域，最后演示ZLG QR碼識別demo。

1.  QR碼的特點及優勢

QR碼是由日本Denso公司于1994年9月研制的一種矩陣式二維條碼，它除了具有二維條碼所具有的信息容量大、可靠性高、可表示漢字及圖像多種信息、保密防偽性強等特點外，還具有能高速全方位識讀、能有效表達漢字等主要特點。

2.  QR碼的識別過程

QR符合由編碼區域和包括尋像圖形、分隔符、定位圖形和校正圖形在內的功能圖形組成。QR碼結構圖如下所示。

QR碼結構圖

QR碼識別常見的方法過程主要有圖像預處理，定位位置探測圖形、定位校正圖形、透視變換、譯碼和糾錯。

圖像預處理：灰度化、去噪、畸變矯正以及二值化等；

定位位置探測圖形：通過位置探測圖形1：1：3：1：1的特征查找，允許容差0.5，水平和垂直方向掃描該特征，多次穿透即為候選位置探測圖像，通過一些篩選策略剔除假位置探測圖形確定真圖形，再根據3個該圖形之間的距離和旋轉角度，確定它們的方位，分別為左上角，右上角和左下角。

位置探測圖形特征

定位校正圖形：根據3個位置探測圖像估計右下角校正符，類似定位位置探測圖形定位該圖形。

透視變換：根據3個定位中心點和校正符中心點，和理想4個點的坐標，獲取單應性矩陣，再通過透視變換獲取標準正方形圖像。透視變換公式如下：

透視變換效果圖如下：

譯碼和糾錯：譯碼是對二維碼版本信息、格式信息、數據和糾錯碼進行解碼和對比。將數據區轉為0和1的比特流，并用 Reed-Solomon 糾錯算法對比特流校驗和糾錯。判斷QR碼編碼格式后譯碼，這樣我們便得到了二維碼包含的數據。

3.  QR碼圖像預處理

常規的QR碼識別過程容易受到環境影響而難以識別，往往需要一些預處理改善圖像質量和識別環境。

圖像灰度化：攝像頭輸出的數據格式很多，黑白攝像頭直接輸出灰度圖，而彩色攝像頭輸出格式有YUV422，YUV410，RGB565, RGB888等，二維碼識別只需要單通道的灰度圖，

因此需要轉化，以RGB888為例，轉換公式如下：

去噪：噪聲的影響會使1：1：3：1：1的特征定位不準，以及數據階段譯碼錯誤，常見的噪聲主要是高斯噪聲和椒鹽噪聲，可以采用高斯濾波，中值濾波或均值濾波來改善圖像質量。

畸變矯正：廣角攝像頭或魚眼攝像頭帶有較大的畸變，越靠近視角邊緣圖像形變越大，對于畸變較大的圖像而言，不僅1：1：3：1：1的特征的比例關系失調，數據區的數據沒有標準的模塊大小，會造成無法準確譯碼。對于這種情況，需通過畸變模型矯正，矯正成無畸變的圖像。

二值化：正常情況下背景和QR碼目標區分明顯，光照均勻，只需要簡單使用全局二值化方法即可，常見的方法有固定閾值法、Otsu法，直方圖雙峰閾值化方法等。對于光照不均勻的情況，則不適用，會造成全局亮度失衡而無法正常識碼，因此需要自適應局部閾值化方法處理，可以采用分塊求閾值再均衡化的方法實現。

4.  QR碼應用領域

QR碼是用某種特定的幾何圖形，按一定規律來記錄數據符號信息。主要用途如下表

5.  QR碼識別效果展示

ZLG研發的QR碼識別算法目前支持的平臺有：基于AWorks系統的cortex-m7系列M1052-M16F128AWI -T平臺、基于Linux的cortex-a7系列M6Y2C-256F256LI-T平臺和基于Linux的cortex-a8系列M3354-512LI-F1GT平臺。

基于cortex-a8系列M3354-512LI-F1GT平臺的QR碼識別功能如下視頻所示：

A8_快速掃描、A8_碎屏識別demo.mp4

視頻中主要展示了微信支付操作，可以看到劇烈晃動手機的情況下依舊能夠識別。對于單次支付操作，觀察串口打印的信息可以看出，基本實現了無需等待的“閃付”體驗。并且，從視頻中可以看到，針對于手機碎屏問題，ZLG的QR碼算法可以較好的支持。

此外，考慮到個性化QR碼使用場景，我司QR碼識別算法同樣支持，以微信二維碼名片樣式為例，效果如以下視頻所示：

A8_多樣式demo.mp4

基于cortex-m7系列M1052-M16F128AWI -T平臺的二維碼識別demo配有4.3寸液晶顯示屏， 以類似于手機掃碼的體驗，快速識別二維碼，顯示識別的結果。效果如下所示：

M7_快速掃描demo.mp4

ZLG QR碼算法調用方式簡單，僅需要算法初始化、解碼和內存釋放三個步驟，QR碼算法頭文件“aw_qrcode.h”接口如下

調用我司的QR碼算法demo程序“QRScanner.c”如下所示

最后附上M3354-512LI-F1GT產品圖片:

M1052-M16F128AWI-T產品圖片：

6.  關于算法庫獲取

關于算法庫可以聯系ZLG立功科技獲取。