基于線陣CCD的條形碼識別綜合實驗設計

劉惠蘭, 賈永澤, 石亞楠

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院, 北京 100191)

1 條形碼與線陣CCD

條形碼是由不同寬度的垂直黑線(稱為條)和白線(稱為空)組成，當被掃描器識讀時可以轉換成機器語言的圖形標識符。條形碼的條和空按照一定規則排列，條和空的相對寬度不同，用來表示不同的信息[1]。EAN-13條碼由代表13位數字碼的條碼符號組成，是目前商品普遍使用的條碼。條形碼還在物流、圖書、銀行系統、檔案[2]、設備管理[3]等領域普遍使用。

線陣CCD(charge coupled device)又名電荷耦合器件，是固體圖像傳感器的重要元件。線陣CCD結構簡單、易生產且成本低、測量范圍大、頻率響應高、掃描速度快，能夠達到實時控制和動態測量[4]。線陣CCD主要用在非接觸精度較高的測量，在材料參數測量及工件檢測等領域有重要的應用[5-7]，用其進行條形碼的識讀也是現在常用的條形碼識別方式。

用線陣CCD實驗儀識別條形碼，集知識性和研究性于一體，綜合了條形碼理論(包括條形碼編碼規則、制作及印刷、譯碼)、數據采集與處理技術、計算機技術、光電技術、自動識別技術等[8]。因此非常適合作為大學生實踐實驗的重要內容[9]。

原來的實驗裝置只可進行簡單的條形碼識別演示實驗，在其基礎上進行適當改進，增加了影響條形碼識別因素的探究實驗，并分析提出一種簡便的條形碼解譯方法，設計線陣CCD識別條形碼的大學生綜合實驗。該實驗由CCD特性測試、測試系統參數實驗、條形碼的掃描和條形碼的解譯幾部分組成。

2 條形碼的識別

條形碼的識別包括4個過程:一,在光源作用下光線照射到條形碼；二,條形碼圖案黑、白條的反射率不同,經過成像系統成像后,在線陣CCD的光敏像元陣列上形成一維模擬信號；三,經過A/D轉換后,一維模擬時序波變成一維數字信號方波,橫軸表示時間,也表示像元數,標示著條形碼條和空的位置信息；四,識別系統或軟件將數字信號進行二值化處理,按照編碼組合規則進行譯碼,最終輸出條形碼的數字字符。

條形碼的譯碼主要包括4個過程:光電轉換、繪出一維時序波形圖、二值化后轉換為方波、解譯方波得到的二進制字符,從而識別出條形碼的數值。

3 條形碼識別實驗裝置的改進

針對原有實驗裝置不能更換條形碼和光源內置無法調整的問題進行了改進,重新制作適合本實驗的條形碼固定裝置,并在外部加入可調光源,如圖1所示。

圖1 改進后的實驗裝置

在原有的實驗裝置中有配套軟件,可進行條形碼識別,直接將識別的條形碼數據顯示在屏幕上。這種方式可作為應用的演示,但為了豐富實驗內容,希望學生自己進行線陣CCD采集數據的處理和條形碼的譯碼,因此需要去掉軟件自動譯碼的部分。經過與設備廠家聯系溝通,將采集系統顯示界面的條碼數值一欄的內容改為只顯示是否可識別。讓學生在條形碼可識別狀態采集數據,然后利用Matlab軟件進行編程,自行處理條形碼波形曲線對應的離散數據矩陣,從而識別出條碼信息,可上網查找條形碼所對應的商品信息。這樣提高了實驗的靈活性以及內容的豐富性,同時也提高了實驗的趣味性。改進后的采集系統顯示界面及放大圖如圖2、圖3所示。

圖2 改進后輸出條碼波形系統的界面

圖3 改進后判斷條形碼是否可識別的提示

4 實驗設計

實驗設計對儀器影響條碼識讀的各項因素進行分析,包括外部光源、成像鏡頭參數以及CCD采集設置參數的影響。

4.1 光照強度對條碼識別的影響

利用可調亮度的光源,探究光照強度對于CCD采集信號以及條碼識別的影響。在保持光圈位置、調焦環位置、條形碼位置、光源位置、CCD采集設置參數都不變的條件下,光源的有無及強弱會影響線陣CCD對條形碼的識別情況。 在沒有光源照射的情況下,波形雖穩定但信號微弱,波形幅值明顯低矮,系統幾乎不能識別條碼值。在保證波形不因飽和而失真的范圍內,光照強度越強,波形幅度越高,則識別效果越好。

4.2 光源角度對條碼識別的影響

探究光源照射的角度變化對于條碼識別的影響。在保持其他設置都不變的條件下,光源的角度變化會影響線陣CCD對條碼的識別情況。當光源角度傾斜時,顯示屏上所得到的波形整體上也存在偏斜,可能會對條形碼識別造成影響。因此,在實驗時應當盡可能使得光源垂直照射條形碼,以得到更好的識別效果。

4.3 成像鏡頭調焦情況對條碼識別的影響

在物像位置固定的情況下,通過旋轉成像物鏡的調焦環來改變像距的大小,物距、放大率會隨之改變,最終通過精細調節獲得清晰的成像。將貼有條形碼的實驗盒放到調焦清晰時對應的理想像面位置上,觀察此時顯示屏幕上的線陣CCD輸出波形。然后繼續旋轉成像物鏡的調焦環,這時像面將逐漸遠離理想像面,顯示屏幕上的線陣CCD輸出波形圖逐漸變差,影響了條形碼的識別效果。當調焦環轉動到一定程度時,最終條形碼再也無法被識別出來。

4.4 成像鏡頭光圈大小對條碼識別的影響

光圈環的大小會影響線陣CCD對條形碼的識別情況。轉動成像鏡頭光圈環,調節光闌的大小,從而控制進入光學系統的光通量,觀察顯示屏幕上的線陣CCD識別波形。光闌孔徑最大時,線陣CCD輸出的波形圖幅值最大,識別效果最好；光闌不斷減小時,條碼波形圖幅值會逐漸降低,識別效果變差甚至開始無法識別出條形碼的數值。

4.5 CCD采集設置參數對條碼識別的影響

實驗系統中線陣CCD采集設置參數有積分檔和頻率檔的設置,實驗探究其如何影響條形碼的識別效果。

實驗系統提供16個積分檔,它是調節線陣CCD積分時間的重要手段。線陣CCD的積分時間,指的也就是曝光時間,其概念可類比于照相機的快門打開到關閉的時間。在積分時間里,線陣CCD完成一行像素的傳輸,當一行像素的讀出時間愈長時,緊接著下面一行的像素曝光時間也就愈長,而時間愈長,進入到線陣CCD表面的光就愈多,使得線陣CCD輸出的波形圖幅值愈高。實驗系統提供4個頻率檔檔位,它是調節線陣CCD驅動頻率的重要手段。線陣CCD的驅動頻率,主要影響的是線陣CCD像元中的電荷轉移的速率,即電荷被讀出的速度。當驅動頻率愈大時,線陣CCD像元中的電荷被讀出的速度也會愈加迅速,這樣條碼識別系統的效率會更高。

4.6 條形碼譯碼識別

實驗設計要求學生在完成識別影響因素探究后,在成像理想的條件下采集線陣CCD輸出信號,并自行進行條形碼的譯碼,上網搜索出條形碼所對應的產品信息。為學生提供譯碼的思路,由學生獨立利用Matlab軟件進行編程,完成譯碼過程。譯碼過程包括:

(1) 數據的二值化處理。當拿到實驗后的像素數與光強值的二維數據后,首先要進行二值化處理。

(2) 計算單個模塊對應的像元個數。模塊是條形碼條、空中最小的結構單元。二值化后,首先需要截取出有用的像元部分,去掉起始符左側以及終止符右側的無用留白區域。對于EAN-13條形碼來講,它一共有113個模塊,其中有效模塊數是95個。需要計算單個模塊對應的像元數,這與成像的放大率有關。

(3) 將有效像元轉換為95個字符。確定95個模塊分別對應的數值,到底為0還是為1。由于單個模塊對應多個像元,可利用取平均值等算法使得字符的取值更準確。實驗指導中建議學生可嘗試多種方式:直接根據每個模塊最中間的像元數據判斷對應字符,但這種算法對于不太理想的圖像存在較大偶然誤差；利用取平均值進行算法優化,可將該模塊對應的所有像元數據進行平均,然后判斷；利用每個模塊最中間1/2的像元數據做平均，確定最終該模塊對應的字符,可去除黑白條碼臨界位置成像不理想的影響。

(4) 與字符集比對查找并翻譯成條形碼數字。除去已知的開始符101、間隔符01010以及結束符101,還有84個字符需要根據左手數據符(有奇偶性,共20個)和右手數據符(共10個)進行比對查找,并最終翻譯成數字。通過分析EAN-13碼的字符集，發現字符集中30個數據符都各不相同,沒有重復。因此提出一種解碼方法,可以不區分左右手而將所有數據符置于容量為30×7的矩陣中。對應每個條碼數字的7個字符作為1個字符串,與其對比,得到對應的EAN-13碼數字。此種方法與常用的相似邊距離算法[10-11]以及基于全局和局部的歐氏距離算法[12]相比,非常簡單,易于操作和實現,非常適合時間較短、安排緊湊的實驗課程。

5 教學改革效果

通過實驗設計,讓學生深入理解了線陣CCD的工作原理以及在條形碼識別中的應用,對成像識別測試系統及影響識別的諸多因素進行了探究性實驗,并結合計算機和信息處理技術進行條形碼解碼,是一項既有研究性又有趣味性的綜合實驗。

我院近年來加大了對于實驗實踐課程的支持力度,在2015年修訂的新版培養方案中,增加了多門獨立實驗課,開設了實驗平臺課“儀器科學與光電工程科技實踐課”,開課對象是學院本科1—3年級學生,共

160學時。本實驗設計即應用在大二的教學課程中。通過對實驗的改造和設計,豐富了實驗教學的內容,增加了實驗教學的深度,對學生實踐能力的培養起到了良好的作用。

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