武警工程大學(xué) 蘇 航 傅民倉(cāng) 李 棟天津津航計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所 劉 賀

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一種抗光污染彩色PDF條碼設(shè)計(jì)

武警工程大學(xué) 蘇 航 傅民倉(cāng) 李 棟
天津津航計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所 劉 賀

【摘要】相對(duì)于傳統(tǒng)PDF條碼，彩色PDF條碼通過在碼塊中添加顏色信息，極大的擴(kuò)展了PDF條碼的存儲(chǔ)空間，但也對(duì)條碼采集環(huán)境提出了更高的要求。本文提出了一種彩色PDF條碼設(shè)計(jì)方案，通過在條碼中加入冗余碼塊，使條碼各顏色分量始終滿足灰度世界要求，從而更好地抵抗色光污染。實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的彩色PDF條碼抗光污染性能顯著增強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】彩PDF條碼；光污染；灰度世界；偏色校正

1　引言

隨著條碼技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)條碼承載信息的能力要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)黑白二維條碼承載信息的能力已經(jīng)不能滿足人們的要求。彩色條碼用彩色代替?zhèn)鹘y(tǒng)條碼中的黑白碼塊，這樣由顏色衍生出來(lái)的Z軸也包含有大量信息，極大的擴(kuò)展了條碼的信息容量。由于彩色條碼使用的是三維空間，即使條碼密度較低，其容納信息的能力也非常強(qiáng)。

受到諸多因素的影響，成像設(shè)備所拍攝的數(shù)字圖像的色彩與被拍攝物體表面的真實(shí)色彩之間存在一定程度的誤差，即色偏[5]。彩色條碼的每一個(gè)碼塊都通過顏色表示信息，需要在處理過程中將條碼顏色恢復(fù)。在彩色條碼采集過程中，復(fù)雜的環(huán)境光照會(huì)對(duì)條碼的色彩產(chǎn)生干擾，尤其是在有色光照條件下，色光將影響碼塊的色彩，使條碼無(wú)法正確識(shí)別。對(duì)于二維條碼，我們可以通過二值化獲得原始條碼，處理起來(lái)比較簡(jiǎn)單。對(duì)于彩色條碼，在預(yù)處理的過程中必須去除色光干擾，恢復(fù)顏色。本文通過在彩色PDF條碼中加入冗余碼塊，保證了條碼整體色彩始終滿足灰度世界的要求，為條碼的偏色校正運(yùn)算提供了依據(jù)，也使偏色校正過程運(yùn)算簡(jiǎn)單，處理迅速。

圖1　彩色PDF條碼

2　彩色PDF條碼簡(jiǎn)介

PDF417碼屬于堆疊式二維碼，在所有條碼制式中應(yīng)用范圍最廣，認(rèn)可度最高。彩色PDF條碼如圖1所示。針對(duì)彩色PDF條碼的研究主要涉及條碼的設(shè)計(jì)與識(shí)別兩部分，下面對(duì)這兩部分做具體介紹。

彩色PDF條碼的設(shè)計(jì)：

彩色PDF條碼的設(shè)計(jì)主要有編碼方式的選取和顏色的選取。條碼的編碼方式分為兩種：模塊組配法和寬度調(diào)節(jié)法，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)模塊寬度小于7時(shí)，寬度調(diào)節(jié)法的編碼容量更大：當(dāng)模塊寬度小于7時(shí)，模塊組配法的編碼容量更大。在實(shí)際應(yīng)用中，由于人們對(duì)條碼存儲(chǔ)量需求很大，模塊寬度通常大于7，也就是選用模塊組配法。

圖2　寬度調(diào)節(jié)法與模塊組配2.2彩色PDF條碼的識(shí)別

對(duì)于彩色條碼識(shí)別，目前主要通過在二維碼中應(yīng)用比較成熟的定位、圖形校正技術(shù)以及在灰度化、二值化圖像基礎(chǔ)上進(jìn)行邊緣檢測(cè)[1-4]，而后再以得到的邊緣信息對(duì)原條碼進(jìn)行分割、識(shí)別。

在識(shí)別過程中，我們需要將條碼分割成條和空兩個(gè)部分，按v=(r+g+b)/3灰度化后，各顏色對(duì)應(yīng)的灰度值會(huì)有一定差別，直接進(jìn)行邊緣檢測(cè)會(huì)導(dǎo)致邊緣強(qiáng)度不一致。通過對(duì)灰度化后的圖像進(jìn)行二值化處理，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為黑白二值圖像，二值化后，通過對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹和腐蝕運(yùn)算，可以濾除劃痕、瑕疵等圖像污染，之后得到的圖像邊界清晰準(zhǔn)確，可以檢測(cè)出條碼的條空邊界位置。根據(jù)邊界分割信息，在原條碼圖像中識(shí)別條的色彩信息，即可完成條碼字符的識(shí)別工作。

3　抗光污染彩色PDF條碼設(shè)計(jì)

通過對(duì)彩色PDF條碼識(shí)別過程的介紹，我們可以看到，彩色條碼識(shí)別中除或與傳統(tǒng)二維碼識(shí)別中相同并已經(jīng)解決的問題，還面臨著碼塊顏色確定的問題。條碼在傳輸采集過程中受到關(guān)照影響很大，尤其是彩色條碼，在有色光下，碼塊顏色發(fā)生變化，導(dǎo)致攜帶信息的關(guān)鍵受到破壞。因此，設(shè)計(jì)一種能夠抗光污染的彩色條碼，是彩色條碼技發(fā)展過程中重要的一步。

為了恢復(fù)圖像原始色彩，必須消除圖像采集時(shí)由光源色溫、光源色彩等引起的顏色偏差,即消除偏色。本文在條碼的最后一行加入冗余彩色碼塊，使條碼整體顏色滿足灰平衡條件。在采集完成后，通過對(duì)條碼圖像各顏色分量的調(diào)整，是其滿足灰平衡條件，即可完成碼塊的偏色校正，起到抗光污染的效果。

3.1灰度世界

人的視覺具有顏色恒常性，能從變化的光照環(huán)境和成像條件下獲取物體表面顏色的不變性，但成像設(shè)備不具備這樣的調(diào)節(jié)功能。

灰度世界算法以灰度世界假設(shè)為基礎(chǔ)，該假設(shè)認(rèn)為：對(duì)于一幅有著大量色彩變化的圖像，R、G、B三個(gè)分量平均值趨于同一灰度值。從物理意義上講，灰色世界法假設(shè)自然界景物對(duì)于光線的平均反射的均值在總體上是個(gè)定值，這個(gè)定值近似的為“灰色”。

3.2冗余碼塊的確定

雖然彩色條碼顏色豐富，但其數(shù)據(jù)量較小時(shí)，條碼圖像整體不一定滿足灰度世界的要求。通過在條碼最后添加彩色碼塊，使條碼整體滿足灰度世界條件，可以解決這一問題。冗余碼塊的顏色則需要通過原始條碼的色彩分布確定。設(shè)冗余碼塊的面積為，其顏色RGB分量分別為，則最終輸出的條碼圖像滿足下式：

在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以選擇RGB空間中分量最大的為標(biāo)準(zhǔn)。以圖中的彩色PDF條碼為例，其RGB通道平均灰度值分別為R=182.6，G=183.4，B=176.2，G空間分量最大，我們?nèi)?0，即可計(jì)算出面積為的R、B通道值，確定其顏色，如圖3所示，條碼最后加入的冗余碼塊，保證了條碼圖像的中性灰屬性。

圖3　原始彩色PDF條碼與本文設(shè)計(jì)的條碼

4　偏色校正過程分析

針對(duì)上述條碼設(shè)計(jì)方案，本文進(jìn)行了條碼抗光污染實(shí)驗(yàn)。對(duì)于例中條碼，在采集過程中受到光污染，發(fā)生色偏，最終獲得如圖4所示條碼圖像。

圖4　校正前后的彩色PDF條碼

由于條碼圖像本身滿足灰度世界的屬性，對(duì)其進(jìn)行灰平衡后得到如圖的條碼圖像?？梢悦黠@看出，經(jīng)過灰平衡校正的圖像準(zhǔn)確的恢復(fù)了條碼的原始色彩，排除了光污染的干擾，證明該設(shè)計(jì)方案可以明顯提升彩色條碼的抗光污染能力。

參考文獻(xiàn)

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蘇航（1992—），武警工程大學(xué)研究生在讀，主要從事數(shù)字圖像處理方向的研究。

劉賀（1991—），天津津航計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所研究生在讀，主要從事綜合航空電子技術(shù)研究。

作者簡(jiǎn)介：