基于嵌入式的條形碼識(shí)讀器的設(shè)計(jì)

陳龍 劉怡俊 張彩英

摘要：為加快條碼識(shí)讀器技術(shù)的發(fā)展，研制一款基于異構(gòu)多核的圖像型條碼識(shí)讀器，集成了光源、鏡頭、CCD圖像采集、FPGA邏輯管理、ARM處理器、讀碼算法和通信等功能的嵌入式圖像處理系統(tǒng)。復(fù)雜背景下的條碼圖像通過圖像采集裝置采集后，然后利用嵌入式的機(jī)器視覺處理技術(shù)進(jìn)行任意方向的多個(gè)條碼區(qū)域自動(dòng)定位和識(shí)別，實(shí)驗(yàn)表明有效提高條碼讀取效率。

關(guān)鍵詞：條碼；圖像采集；嵌入式

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）06-0257-02

1引言

條形碼技術(shù)在我國(guó)各地廣泛應(yīng)用，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，條形碼技術(shù)發(fā)展與其他技術(shù)相互融合，相互促進(jìn)，使其可應(yīng)用到更多場(chǎng)合。近年來，條形碼技術(shù)與以嵌入式設(shè)備為代表的移動(dòng)計(jì)算技術(shù)、電子商務(wù)的結(jié)合都顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)前景。本文提出基于嵌入式的條碼智能識(shí)讀器的方案，該方案性價(jià)比高，可擴(kuò)張性強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

2 總體結(jié)構(gòu)

研制一款基于異構(gòu)多核的圖像型條碼識(shí)讀器，集成了光源、鏡頭、CCD圖像采集、FPGA邏輯管理、ARM處理器、讀碼算法和通信等功能的嵌入式圖像處理系統(tǒng)。通過圖像采集裝置采集復(fù)雜背景下的條碼圖像，然后利用嵌入式的機(jī)器視覺處理技術(shù)進(jìn)行任意方向的多個(gè)條碼區(qū)域自動(dòng)定位和識(shí)別，具體包括圖像預(yù)處理（含去噪、圖像分割）、條碼定位、條碼旋轉(zhuǎn)、條碼解析等過程，有效提高條碼讀取效率。

2.1 系統(tǒng)整體框圖

2.2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程

2.3軟硬件數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

通過對(duì)軟硬件中不同的接口互聯(lián)選擇，實(shí)現(xiàn)硬件加速數(shù)據(jù)處理，主要步驟如下：

（1）利用ARM的預(yù)先存儲(chǔ)待處理的圖像數(shù)據(jù)至DDR中；

（2）通過數(shù)據(jù)通道將DDR中的圖像數(shù)據(jù)傳送至FPGA中；

（3）使用FPGA進(jìn)行圖像處理算法設(shè)計(jì)；

（4）通過數(shù)據(jù)通道將FPGA處理之后數(shù)據(jù)送回至DDR；

（5）ARM將處理之后的圖像數(shù)據(jù)讀出。

3 Zynq設(shè)計(jì)

項(xiàng)目以異構(gòu)多核處理器為核心，采用All Programmable嵌入式處理技術(shù)，建立小型智能視覺系統(tǒng)架構(gòu)，滿足嵌入式圖像采集、處理、識(shí)別等需求。基于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速采集。

項(xiàng)目采用的開發(fā)板是型號(hào)為MIZ-702的 ZYNQ-7000，該開發(fā)板是一款高性能SOC開發(fā)板， XC7Z020CLG484 作為CPU，由美國(guó) XILINX 公司所開發(fā)。硬件上它設(shè)計(jì)了ARM Cortex-A9 雙核，包含512MB內(nèi)存、外部存儲(chǔ)器接口和一套豐富的I/O 外設(shè)。

4 IP包設(shè)計(jì)

Zynq-7000 AP系列有種類豐富的軟IP核，由Xilinx提供。這些核在性能和硬件占據(jù)的面積上都做了優(yōu)化。類似FIFO和算術(shù)運(yùn)算這樣的基本模塊，核的功能都能涵蓋。一直到完整的像MicroBlaze處理器核這樣的功能性處理模塊。

4.1 IP集成

Vivado Design Suite提供了集成IP用的所有工具，同時(shí)支持把Xilinx或第三方的IP集成進(jìn)你的Zynq系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

5 數(shù)據(jù)搬運(yùn)部分VDMA

VDMA數(shù)據(jù)接口可以分為讀、寫通道，寫通道的作用就是用戶可將AXI-Stream類型的數(shù)據(jù)流寫入DDR3，讀通道的作用就是從DDR3讀取數(shù)據(jù)，并輸出AXI-Stream類型的格式。由上分析可知，數(shù)據(jù)搬運(yùn)IP其實(shí)就是VDMA本質(zhì)，即為數(shù)據(jù)進(jìn)、出DDR3提供了一種便捷的方案。

將數(shù)據(jù)存入DDR之后，CPU就可以進(jìn)行一些處理（縮放、裁剪等），然后再送至顯示設(shè)備，達(dá)到期望的應(yīng)用目的。

6 軟件設(shè)計(jì)

6.1 獲取條形碼主程序流程圖

6.1.1 圖像前期處理

在此次圖像預(yù)處理中，首先從內(nèi)存地址中讀取圖像數(shù)據(jù)，由于條碼是由簡(jiǎn)單的黑白條組成，彩色沒有包含所需要的信息，讀取圖像后直接將圖像轉(zhuǎn)化為8位灰度圖，以提高后面圖像處理的速度，轉(zhuǎn)化后對(duì)圖像進(jìn)行中值濾波處理，減少噪聲的干擾，至此完成圖像的獲取和簡(jiǎn)單前期處理工作。

6.1.2判斷并清除非條碼圖像

首先進(jìn)行分塊掃描模式，分塊尺寸太大會(huì)影響定位精度，太小則增加計(jì)算量，選取不合適易導(dǎo)致條碼定位失敗，所選取分塊數(shù)量為6，所選取分塊尺寸blockSize = （圖像寬和高的最小值）/6，blockSize分塊尺寸是根據(jù)圖像行和列的最小者除于分塊數(shù)量來計(jì)算的，由下述公式（1）和（2）所示：

如圖4所示，白色區(qū)域?yàn)榉菞l碼區(qū)，邊緣不足以構(gòu)成分塊的區(qū)域默認(rèn)為非條碼區(qū)，非條碼區(qū)的圖像都會(huì)被清除（灰度值置0），灰色和黑色部分為條碼區(qū)，條碼區(qū)中心的3個(gè)黑色分塊作為條碼傾斜角的決定區(qū)域。

為p_block指針申請(qǐng)一片9*6大小的內(nèi)存，作為記錄每個(gè)分塊是否為條碼區(qū)的標(biāo)志， p_block再經(jīng)過8連通檢查的圖像，清除了孤立分塊，故有細(xì)微差別。然后對(duì)所得圖像進(jìn)行灰度梯度掃描操作：在每個(gè)分塊的兩條對(duì)角線、中豎線和中橫線上作掃描，即在這四條線上檢測(cè)連續(xù)4個(gè)像素之間的灰度差[1]，當(dāng)灰度差的絕對(duì)值大于閾值時(shí)，標(biāo)記為一次灰度變化，如下述公式（3）所示：

其中，Vi為第i個(gè)像素的梯度量化值 ， [|fi+1+fi+fi-1+fi-2|]為連續(xù)四個(gè)像素之間的灰度，t為 閾值 ，若分塊在某條掃描線上發(fā)生超過3次的灰度變化，則認(rèn)為該方塊可能含有條碼部分，需要保留，否則清除分塊（統(tǒng)一為分塊）；最后對(duì)所得圖像進(jìn)行8連通區(qū)域檢查，每個(gè)分塊都有8個(gè)領(lǐng)域分塊，分塊的邊緣除外，統(tǒng)計(jì)每個(gè)條碼區(qū)分塊的鄰域分塊中是條碼區(qū)分塊的個(gè)數(shù)時(shí)，若達(dá)不到3個(gè)，則將該條碼區(qū)域分塊視為孤立分塊，孤立分塊是條碼的可能性較小，因此將其標(biāo)記為非條碼區(qū)域，并清除該分塊；

6.1.3 通過亞像素角點(diǎn)檢測(cè)確定條碼區(qū)域

對(duì)圖像進(jìn)行分塊亞像素級(jí)角點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)每個(gè)分塊的角點(diǎn)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若分塊的角點(diǎn)數(shù)小于等于預(yù)設(shè)閾值，則視為條碼區(qū)域.

6.1.4 條碼區(qū)域方塊再判斷

根據(jù)條碼的條形排列的特點(diǎn)，通過霍夫變換算法進(jìn)行直線檢測(cè)，運(yùn)用直線的極坐標(biāo)公式：ρ=хcos（θ）+уsin（θ），其中ρ，θ是一對(duì)參數(shù)，通過對(duì)圖像中的像素點(diǎn)運(yùn)用該公式處理即可得到二維的ρ，θ參數(shù)空間，在參數(shù)空間上形成峰值，從而利用該峰值即可檢測(cè)出直線；最后將直線檢測(cè)和角點(diǎn)檢測(cè)的判定結(jié)果進(jìn)行或運(yùn)算，作為分塊的最終結(jié)果，以防止出現(xiàn)誤判。

6.1.5 定位條碼位置

進(jìn)行多條碼識(shí)別可從輪廓面積這一步作為突破口。例如8連通檢查圖和繪制輪廓圖像（輪廓實(shí)際為封閉的，因縮放截圖未顯示出來）。再用矩形勾出條形碼的最大輪廓，另外矩形的傾斜角是指條碼中間黑條的傾斜線，如圖11傾斜角是取下圖紅色區(qū)域，3個(gè)分塊的傾斜角中差值最小的2個(gè)角的平均值。最后計(jì)算條碼黑條傾斜角，以矩形中心進(jìn)行原圖像旋轉(zhuǎn)，截取并保存原圖中所在區(qū)域。

6.1.6 zbar條碼識(shí)別

調(diào)用zbar庫對(duì)定位的條碼進(jìn)行識(shí)別，并輸出結(jié)果。為了驗(yàn)證算法的有效性和準(zhǔn)確性，采集500張多條碼圖像進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)機(jī)器配置：WIN 7 64位 ，Core i5，CPU 1.70GHz，內(nèi)存8GB。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該算法可以較為有效地減少背景干擾，在較為復(fù)雜的背景下和光照稍微不均勻的情況下，算法仍可以檢測(cè)出條碼。對(duì)于分辨率2592×1944的圖像，平均處理速度為2.23幅/s，根據(jù)圖像上條碼的數(shù)量，處理時(shí)間略有差異。識(shí)別率為92.4%，部分條碼無法識(shí)別的原因包括光照嚴(yán)重不均勻，以及條碼本身質(zhì)量不佳，缺損等。

7結(jié)論

項(xiàng)目采用異構(gòu)多核架構(gòu)ZYNQ All Programmable SoC，集成了雙ARM? Cortex?-A9 MPCore?處理器和FPGA可編程邏輯邏輯器件，同時(shí)具備軟硬件可重編程功能，有效地降低嵌入式系統(tǒng)開發(fā)成本，具有功耗低、風(fēng)險(xiǎn)低、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)。FPGA里面有很豐富的DSP資源，借助先進(jìn)的Vivado HLS工具，很方便地把以前的C/C++語言的DSP代碼，轉(zhuǎn)換為硬件描述語言（HDL），利用FPGA進(jìn)行硬件加速。另外，Cortex-A9內(nèi)置了Neon/VFP協(xié)處理器，提供了強(qiáng)大的DSP處理能力，再結(jié)合基于FPGA的硬件加速，可以提供前所未有的DSP性能。實(shí)現(xiàn)任意區(qū)域任意方向多條碼的智能快速識(shí)別。

【通聯(lián)編輯：光文玲】