張姍姍 邱紫欣 李 強(qiáng) 黃新國 鐘云飛 白永利 彭 楠

1. 湖南工業(yè)大學(xué) 包裝與材料工程學(xué)院 湖南 株洲 412007

2. 常德金鵬印務(wù)有限公司 湖南 常德 415006

二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向）上分布的、黑白相間的圖形，可記錄圖片、網(wǎng)址等各類信息數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的不同工作流程中，如物流、制造、交通、安防、票證等行業(yè)[1-5]。隨著二維碼應(yīng)用越來越廣泛，二維碼的印刷質(zhì)量越來越受到人們的重視，國家也制定了相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對二維碼印刷質(zhì)量研究主要集中在漏印、印刷位置偏移、顏色對比度不夠、印刷墨色不均等印刷缺陷的識別和檢測方法上[8-12]。鮮有進(jìn)行對二維碼印刷質(zhì)量問題、印刷質(zhì)量參數(shù)及質(zhì)量等級進(jìn)行定量分析，如印刷故障導(dǎo)致的二維碼灰度變化與質(zhì)量參數(shù)的定量關(guān)系，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)也沒有給出定義[13-15]。因此，二維碼印刷質(zhì)量控制缺少參考依據(jù)，無法滿足二維碼印刷質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)化管理的需要。本研究依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23704—2017《二維條碼符號印制質(zhì)量的檢驗(yàn)》[6]和GB/T 18284—2000《快速響應(yīng)矩陣碼》[7]，分別對二維碼的符號反差、調(diào)制比、軸向不一致、網(wǎng)格不一致等印刷質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)[8-10]的影響因素進(jìn)行研究。

1 二維碼印刷質(zhì)量參數(shù)

1.1 參考譯碼

參考譯碼是用來衡量二維碼是否可以被識別，是否可以被讀出信息的關(guān)鍵參數(shù)。一般采用碼制規(guī)范規(guī)定的參考譯碼算法分析，其結(jié)果只有可讀取與不可讀取兩種，若不能用參考譯碼算法讀取則參考譯碼等級為0，反之為4。

1.2 符號反差

符號反差是二維碼灰度圖像中的最高反射率與最低反射率之差，計(jì)算公式為

其中：SC為符號反差；

Rmax為灰度圖像的最大反射率；

Rmin為最小反射率。

符號反差是衡量二維碼圖像深淺模塊顏色差異的關(guān)鍵參數(shù)，能反映深淺模塊的反射狀態(tài)差異是否足夠明顯，若差異小將影響二維碼的讀識。

1.3 調(diào)制比

調(diào)制比是用來衡量深淺模塊的反射率一致性的參數(shù)，它受到印刷增量、承印物的光學(xué)特征以及印刷的不均勻性等因數(shù)的影響。調(diào)制比過小，就會增加深淺模塊錯(cuò)誤識別的可能性。調(diào)制比的計(jì)算公式為

其中：MOD為調(diào)制比；

GT為整體閾值，一般選用最大反射率Rmax與最小反射率Rmin的平均值；

R為與整體閾值最接近模塊的反射率。

1.4 軸向不一致

二維碼的每個(gè)模塊在理想狀態(tài)下應(yīng)整齊地排列在一個(gè)正方形中，但實(shí)際印刷后總會有偏差。軸向不一致是衡量軸向尺寸即橫軸與豎軸模塊尺寸差異量的參數(shù)。采集到的二維碼圖像經(jīng)過預(yù)處理后，確定每個(gè)模塊的位置，再通過各個(gè)模塊的位置，計(jì)算相鄰模塊的平均軸向間距，并根據(jù)式（3）計(jì)算軸向不一致。

其中：AN表示軸向不一致；

XAVG和YAVG表示二維碼相鄰模塊X軸和Y軸的平均軸向間距。

1.5 網(wǎng)格不一致

網(wǎng)格不一致是衡量網(wǎng)格交叉位置偏離于理想位置的最大矢量偏差的參數(shù)。網(wǎng)格交叉位置可通過使用參考譯碼算法對給定的二值化圖像進(jìn)行處理得出。對其檢測時(shí)，首先依據(jù)二維碼的版本號確定該二維碼是否具有校正圖形。若二維碼版本號為1，該二維碼不存在校正圖形，則根據(jù)位置探測圖像劃分為3個(gè)區(qū)域。若二維碼版本號大于1，則根據(jù)二維碼的校正圖形和位置探測圖形，將二維碼劃分為若干個(gè)區(qū)域。確定每個(gè)區(qū)域的實(shí)際中心位置，將其與標(biāo)準(zhǔn)版本號二維碼的校正圖形和位置探測圖形的中心位置進(jìn)行比較，找出位置偏移量最大的點(diǎn)，計(jì)算其偏移距離d，并將d代入式（4）計(jì)算網(wǎng)格不一致。

其中：GN為網(wǎng)格不一致；

X為單個(gè)模塊尺寸。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 制作二維碼測試樣本

為了滿足二維碼印刷質(zhì)量參數(shù)的分析要求，本研究設(shè)計(jì)和印制了一系列灰度變化和軸向幾何變化的二維碼測試樣本。圖1所示是灰度范圍55%～100%、間隔5%的二維碼樣本。圖2所示是邊長30 mm、縱向偏移量-10 ～10 mm、間隔2 mm的軸向明顯變形樣本。圖3所示是邊長40 mm、橫向偏移量0～1.8 mm、間隔0.2 mm的軸向細(xì)微變形樣本。

圖1 灰度變化的二維碼測試樣本Fig. 1 Samples of QR code with varying shades of color

圖2 軸向明顯變形的二維碼測試樣本Fig. 2 QR code samples with obvious axial deformation

圖3 軸向細(xì)微變形的二維碼測試樣本Fig. 3 Samples of QR code with slight axial deformation

2.2 印刷二維碼圖像的采集

首先，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23704—2017 《二維條碼符號印制質(zhì)量的檢驗(yàn)》中對印刷二維碼圖像采集的要求[6]，搭建如圖4所示的二維碼采集平臺：在攝影箱內(nèi)壁安裝相互成90°的4個(gè)LED光源，分布于檢測區(qū)正上方的圓周上，其高度使照明光與待檢測平面成45°入射到檢測區(qū)中央，形成均勻的照亮檢測區(qū)；再在箱頂開孔放置相機(jī)，其鏡頭光軸與檢測區(qū)平面垂直并穿過檢測區(qū)中心；然后將印制的二維碼測試樣本，放入攝影箱圖像采集中心，使其所放置的區(qū)域與光照均勻區(qū)域重合，再采集二維碼圖像。

圖4 圖像采集裝置的剖面圖Fig. 4 Sectional view of image acquisition device

2.3 印刷二維碼圖像的處理分析

首先，對采集的二維碼圖像進(jìn)行灰度化、去噪、二值化、區(qū)域提取和旋轉(zhuǎn)校正等處理[11-15]，然后根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算符號反差、調(diào)制比、軸向不一致、網(wǎng)格不一致等參數(shù)，并通過譯碼程序進(jìn)行參考譯碼處理，最后分析灰度變化和幾何變化對二維碼印刷質(zhì)量參數(shù)的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 參考譯碼

本研究采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的ZXing二維碼識別算法分析印刷二維碼的參考譯碼質(zhì)量[16]。經(jīng)檢測，若待檢測的二維碼可被識別、解碼成功，則該二維碼的符號等級為4；若解碼未能成功，則符號等級為1。本研究中設(shè)置的所有二維碼樣本均可被識別，等級都為4。

3.2 符號反差

本研究計(jì)算圖1所示不同灰度值樣本的最高反射率與最低反射率，并代入式（1）計(jì)算符號反差，再根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)分級，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，灰度值越大，二維碼的符號反差越大，印刷質(zhì)量也越好。當(dāng)灰度值小于75%時(shí)，二維碼的符號反差分級小于3，不滿足二維碼印刷質(zhì)量要求。當(dāng)灰度值達(dá)到80%時(shí)；二維碼的符號反差分級為3，符合二維碼印刷質(zhì)量要求。當(dāng)灰度值達(dá)到90%及以上時(shí)，二維碼的符號反差分級達(dá)到4，印刷質(zhì)量最好。

表1 符號反差結(jié)果分析Table 1 Analysis of sign contrast results

3.3 調(diào)制比

本研究采用圖1所示的二維碼樣本，計(jì)算模塊反射率R值和整體閾值GT，再代入式 （2）計(jì)算調(diào)制比，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。調(diào)制比與符號反差并無必然的聯(lián)系，符號反差大的并不意味著調(diào)制比大，反之亦然。調(diào)制比參數(shù)等級的高低與二維碼印刷均勻與否密不可分。由于本研究所采用的二維碼為同一印刷設(shè)備同時(shí)印制，故樣本均勻性相差不大，符號等級均維持在3～4級，質(zhì)量較為良好。

表2 調(diào)制比結(jié)果分析Table 2 Analysis of modulation ratio results

3.4 軸向不一致

影響軸向不一致的因素主要是印刷過程中二維碼圖像的軸向變形。本研究根據(jù)圖2所示樣本計(jì)算二維碼圖像的軸向距離，并代入式（3）計(jì)算軸向不一致，再根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，結(jié)果如表3所示。軸向伸縮量絕對值越大，軸向不一致越大，等級越低，質(zhì)量越差，反之越好。本研究中邊長為30 mm的二維碼，當(dāng)其軸向伸縮量在-2～2 mm時(shí)，等級為4，該軸向不一致表現(xiàn)優(yōu)秀。

表3 軸向不一致的結(jié)果分析Table 3 Analysis of axial inconsistency results

3.5 網(wǎng)格不一致

本研究對圖3所示二維碼樣本進(jìn)行網(wǎng)格不一致分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表可知，隨著二維碼的軸向伸縮量變大，二維碼的網(wǎng)格不一致逐漸增大，同時(shí)通過國家標(biāo)準(zhǔn)分級，得知分級的等級越低，圖像質(zhì)量越差。由此可見，二維碼的軸向變形對二維碼的軸向不一致以及網(wǎng)格不一致均有影響，將二維碼的橫向變形控制在0.8 mm以內(nèi)，其網(wǎng)格不一致的參數(shù)等級為4，質(zhì)量合格。對比軸向不一致，網(wǎng)格不一致比軸向不一致在參數(shù)等級上表現(xiàn)得更加敏感。

表4 網(wǎng)格不一致結(jié)果分析Table 4 Analysis of grid inconsistency results

4 結(jié)論

本研究首先制作了符合國家標(biāo)準(zhǔn)的印刷二維碼圖像采集平臺，并采集了一系列灰度變化和軸向幾何變化的二維碼測試圖像，建立了印刷二維碼圖像的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理流程，即灰度化、去噪、二值化處理，通過計(jì)算灰度變化和軸向幾何變化二維碼的符號反差、調(diào)制比、軸向不一致和網(wǎng)格不一致的關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)，分析灰度變化和軸向幾何變化對印刷二維碼質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)二維碼灰度值大于90%時(shí)，符號反差等級可達(dá)到4?；叶茸兓瘜φ{(diào)制比影響較小，只要二維碼灰度一致性較好，調(diào)制比等級均維持在3～4級。軸向變形是影響軸向不一致和網(wǎng)格不一致的關(guān)鍵因素，軸向伸縮量在-2～2 mm才能保證邊長大于30 mm的二維碼軸向不一致分級達(dá)到4，軸向變形小于0.8 mm才能保證邊長大于40 mm的二維碼網(wǎng)格不一致分級達(dá)到4。本研究結(jié)果可為二維碼印刷質(zhì)量參數(shù)評價(jià)及質(zhì)量分級評價(jià)提供定量分析標(biāo)準(zhǔn)，為二維碼印刷質(zhì)量的精準(zhǔn)控制提供參考。