一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法。通過在通過對激光系統(tǒng)采集到的條碼反射光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行濾波、邊緣增強(qiáng)和對比度增強(qiáng)處理，使得信號(hào)后續(xù)提取條碼調(diào)控寬度及條碼解碼更加容易。采用指數(shù)移動(dòng)平均濾波(EWMA)算法，在濾除高頻噪聲的同時(shí)，可以較好地保護(hù)條碼邊緣信息，計(jì)算量較小。而由于激光束的不理想造成的卷積平滑效應(yīng)，在信號(hào)通過Bessel濾波器的處理后，被平滑的邊緣信息得到增強(qiáng)。然后，基于平方函數(shù)，對信號(hào)進(jìn)行對比度增強(qiáng)，即壓縮了低強(qiáng)度的噪聲信號(hào)，又拉伸了高強(qiáng)度的有效信號(hào)，擴(kuò)展了閾值可取范圍，增強(qiáng)了靈活性。
【專利說明】
一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與増強(qiáng)算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于信號(hào)處理領(lǐng)域，具體是針對基于激光掃描的嵌入式一維條碼解碼系 統(tǒng)，采用信號(hào)濾波，濾除信號(hào)中的高頻噪聲，同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)邊沿以便于提取條空寬度，采用 對比度增強(qiáng)算法，拉伸噪聲信號(hào)與有效信號(hào)之間的裕度，便于提取條空寬度時(shí)閾值的靈活 選取。
【背景技術(shù)】
[0002] 從上個(gè)世紀(jì)70年代至今，條碼技術(shù)在國際上取得了長足的發(fā)展，并已經(jīng)普遍應(yīng)用 到日常生活中，從商業(yè)領(lǐng)域拓展到物流、金融等經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，并向縱深發(fā)展，面向企業(yè)信息化 管理的深層次的集成，而且條碼技術(shù)產(chǎn)品逐漸向高、精、尖和集成化方向發(fā)展。
[0003] 在條碼解碼算法方面，隨著神經(jīng)網(wǎng)路技術(shù)和模式識(shí)別的研究和發(fā)展，國際上正試 圖將先進(jìn)的遺傳算法和模式識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于一維條碼識(shí)別算法上，以追求條碼技術(shù)發(fā)展的 新高度。
[0004] 我國條碼產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段。目前，我國已有多家從事條碼識(shí)別技術(shù)的企業(yè)與 科研院所，其中部分企業(yè)還開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的條碼識(shí)別設(shè)備與識(shí)別算法，并在 利用國外先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)和集成應(yīng)用等方面也取得重大突破。但是，我國在 條碼方面的技術(shù)突破和競爭優(yōu)勢主要集中在低端條碼設(shè)備領(lǐng)域，在高端領(lǐng)域，我國擁有自 主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的條碼技術(shù)和產(chǎn)品卻十分有限，多數(shù)核心技術(shù)仍被國外企業(yè)所掌握。我國在條 碼技術(shù)與射頻技術(shù)等的集成研究方面，尚屬空白，一體化的生成和識(shí)讀設(shè)備的研發(fā)尚未開 始，已經(jīng)落在發(fā)達(dá)國家之后。
[0005] 因此，與國際發(fā)達(dá)相比，我國的條碼技術(shù)產(chǎn)業(yè)目前仍處于初級(jí)階段，技術(shù)相對落 后、產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足我國目前商品化急速發(fā)展的市場需求。特別是在解碼算 法方面，國內(nèi)還沒有較為完整的、系統(tǒng)的信號(hào)處理方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明項(xiàng)目通過在通過對激光系統(tǒng)采集到的條碼反射光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行濾波、邊緣 增強(qiáng)和對比度增強(qiáng)處理，使得信號(hào)后續(xù)提取條碼調(diào)控寬度及條碼解碼更加容易。采用指數(shù) 移動(dòng)平均濾波（EWMA)算法，在濾除高頻噪聲的同時(shí)，可以較好地保護(hù)條碼邊緣信息，計(jì)算 量較小。而由于激光束的不理想造成的卷積平滑效應(yīng)，在信號(hào)通過Bessel濾波器的處理 后，被平滑的邊緣信息得到增強(qiáng)。然后，基于平方函數(shù)，對信號(hào)進(jìn)行對比度增強(qiáng)，即壓縮了低 強(qiáng)度的噪聲信號(hào)，又拉伸了高強(qiáng)度的有效信號(hào)，擴(kuò)展了閾值可取范圍，增強(qiáng)了靈活性。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -維條碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)方法，其特征在于包括以下步驟：
[0009] (1)采用指數(shù)移動(dòng)平均濾波（EWMA)算法，對原始AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波， 在濾除高頻噪聲的同時(shí)，保護(hù)條碼邊緣信息，并且計(jì)算量較小。
[0010] (2)采用Bessel濾波器對條碼邊緣進(jìn)行增強(qiáng)處理，彌補(bǔ)由于激光束的不理想造成 的卷積平滑效應(yīng)。
[0011] (3)采用基于平方函數(shù)的對比度增強(qiáng)算法，對噪聲信號(hào)進(jìn)行壓縮，同時(shí)對有效信號(hào) 進(jìn)行拉伸，使得閾值的選取具有較大裕度。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明激光束橫切面特征。
[0013] 圖2為本發(fā)明激光束的高斯濾波特性對條碼的影響。
[0014] 圖3為本發(fā)明分段線性對比度變換示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 一維條碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)方法，包括以下步驟：
[0016] (1)采用指數(shù)移動(dòng)平均濾波（EWMA)算法，對原始AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波。
[0017] 基本原理如下：第n個(gè)點(diǎn)的幅值y(n)為第n個(gè)采樣點(diǎn)的幅值x(n)乘以一個(gè)權(quán)數(shù) 再與第（n-1)個(gè)點(diǎn)的幅值y(n-l)乘以一個(gè)權(quán)數(shù)求和所得的結(jié)果。
[0018] 指數(shù)移動(dòng)平均濾波算法的計(jì)算過程可由式1表示
[0019] y(n) = A x (n) + (1-A ) y (n-1) (1)
[0020] 其中，A為EWMA的權(quán)數(shù)因子，0 < A < 1 ;x(n)為第n個(gè)采樣點(diǎn)的幅值，y (n)為 依照算法計(jì)算出的幅值，且y (0) = x (0)。
[0021] (2)采用Bessel濾波器對條碼邊緣進(jìn)行增強(qiáng)處理，彌補(bǔ)由于激光束的不理想造成 的卷積平滑效應(yīng)。
[0022] 圖1不出了解碼系統(tǒng)的掃描激光束橫截面和激光束的傳輸函數(shù)，掃描激光束的橫 切面能量分布類似于高斯分布。
[0023] 當(dāng)激光束掃過一維條碼時(shí)，反射回來的光線是激光傳輸函數(shù)和一維條碼信號(hào)的卷 積結(jié)果，如式（2)所示。 -KO
[0024] = Jx(r)g(，-r) ⑵ -〇o
[0025] 式中，y(t)代表反射光函數(shù)，x(t)代表一維條碼分布函數(shù)，g(t)表示掃描激光傳 輸函數(shù)。在激光掃描一維條碼時(shí)，這幾個(gè)函數(shù)都是時(shí)域函數(shù)。x(t)代表一維條碼二值分布 函數(shù)，具有明顯的邊緣，其模型如式（3)所示，u(t)是階躍信號(hào)傳輸函數(shù)，Ti表示條碼信號(hào) "條空"的邊緣位置。
(3)
[0027] 掃描激光束的傳輸函數(shù)如式（4)所示。
(4)
[0029] 拉布拉斯變換結(jié)果為式（5)
[0030] G(s) = e^s2/2>l (5)
[0031] 理想條碼信號(hào)在被非理想的激光束掃描后，獲得的信號(hào)將平滑掉邊緣，圖2示出 了該效應(yīng)。因此，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一邊緣增強(qiáng)濾波器，將平滑掉的邊緣糾正回來。
[0032] 根據(jù)式（5)所示的傳輸函數(shù)，所設(shè)計(jì)的邊緣增強(qiáng)濾波器為
(6)
[0034] 取前幾項(xiàng)近似值，為
(7)
[0036] 經(jīng)過以上分析和大量實(shí)驗(yàn)，采用6階Bessel濾波器。
[0037] (3)采用基于平方函數(shù)的對比度增強(qiáng)算法，對噪聲信號(hào)進(jìn)行壓縮，同時(shí)對有效信號(hào) 進(jìn)行拉伸，使得閾值的選取具有較大裕度。
[0038] 在進(jìn)行條空寬度提取時(shí)，需要指定一個(gè)閾值T，以此作為信號(hào)強(qiáng)度是否有效的界 限。一般來說，如果噪聲的強(qiáng)度已經(jīng)超過有效信號(hào)的強(qiáng)度，則總會(huì)將噪聲錯(cuò)誤識(shí)別為有效信 號(hào)，或?qū)⒂行盘?hào)錯(cuò)誤識(shí)別為噪聲，不可能解碼成功。因此，所討論情況為噪聲強(qiáng)度總是低 于有效信號(hào)強(qiáng)度，或者說噪聲的最大強(qiáng)度小于有效信號(hào)的最小強(qiáng)度。
[0039] 以TniciSf；,max和T valid,min分別表不噪聲信號(hào)的最大強(qiáng)度和有效信號(hào)的最小強(qiáng)度，則必 定有式（9)
[0040] Tvalld,nin>Tniose,nax (8)
[0041] 于是，能夠正確將噪聲和有效信號(hào)進(jìn)行區(qū)分的閾值范圍為
[0042] T G (Tniose，max，Tvalid，min] (9)
[0043] 能夠想象，如果（Tni_, _，Tvalld, _]范圍很小，閾值T的靈活性將受到限制。比若 Tvaild, nu廠Tniose, nax= 1，則 T 只能取 1 個(gè)值 T niose，隨；若 T valld，議-Tniose，nax= 2,則 T 可取 2 個(gè) 值；若Tvalld,_-Tn_,_》5,則T至少可取5個(gè)值?？梢?，噪聲信號(hào)和有效條碼信號(hào)之間的 差異越大越好。
[0044] 對比度增強(qiáng)算法可以實(shí)現(xiàn)"拉伸"二者之間的差異，其本質(zhì)是對部分強(qiáng)度區(qū)間進(jìn)行 壓縮，對另外一部分強(qiáng)度區(qū)間進(jìn)行拉伸。圖3示出了分段線性對比度變換，相對于原始強(qiáng)度 值，0到Sl，S2到L-1的區(qū)間被壓縮了，而S1到S2的區(qū)間被拉伸了。
[0045] 該發(fā)明中，希望實(shí)現(xiàn)壓縮噪聲信號(hào)所在的低強(qiáng)度區(qū)間，并拉伸有效信號(hào)所有的高 強(qiáng)度區(qū)間。經(jīng)過試驗(yàn)，使用平方函數(shù)比較簡單，同時(shí)拉伸效果較好。
[0046] 例如，處理前Tvalld,_= 132, T n_,_= 131，則閾值只能取132 ;對比度增強(qiáng)處理 后，Tvalld,_= 136, Tni_,_= 128,則閾值的可能取值范圍便明顯擴(kuò)大，對于閾值的選取將 更加靈活，裕度較大。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其特征在于包括以下步驟： (1) 采用指數(shù)移動(dòng)平均濾波（EffMA)算法，對原始AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波，在濾 除高頻噪聲的同時(shí)，保護(hù)條碼邊緣信息，并且計(jì)算量較小。 (2) 采用Bessel濾波器對條碼邊緣進(jìn)行增強(qiáng)處理，彌補(bǔ)由于激光束的不理想造成的卷 積平滑效應(yīng)。 (3) 采用基于平方函數(shù)的對比度增強(qiáng)算法，對噪聲信號(hào)進(jìn)行壓縮，同時(shí)對有效信號(hào)進(jìn)行 拉伸，使得閾值的選取具有較大裕度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其特征 在于：所述步驟（1)具體是采用指數(shù)移動(dòng)平均濾波（EffMA)算法，對原始AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信 號(hào)進(jìn)行濾波。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其 特征在于：所述步驟（1)具體是將第η個(gè)點(diǎn)的幅值y(n)為第η個(gè)采樣點(diǎn)的幅值x(n)乘 以一個(gè)權(quán)數(shù)再與第（n-1)個(gè)點(diǎn)的幅值y(n-l)乘以一個(gè)權(quán)數(shù)求和所得的結(jié)果，如y(n)= λ X (η) + (1- λ ) y (n-1)，且 y (O) = X (O)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其特征 在于：所述步驟（1)具體是λ取值范圍為0. 7-0. 8。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其特征 在于：所述步驟（2)具體是采用Bessel濾波器對條碼邊緣進(jìn)行增強(qiáng)處理，彌補(bǔ)由于激光束 的不理想造成的卷積平滑效應(yīng)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其特征 在于：所述步驟（2)具體是對激光束傳輸函數(shù)取倒數(shù)，以獲得濾波器傳輸函數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其特征 在于：所述步驟（2)具體是對濾波器傳輸函數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式展開。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其特征 在于：所述步驟（3)具體是采用基于平方函數(shù)的對比度增強(qiáng)算法，對噪聲信號(hào)進(jìn)行壓縮，同 時(shí)對有效信號(hào)進(jìn)行拉伸，使得閾值的選取具有較大裕度。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其特征 在于：所述步驟（3)具體是在噪聲信號(hào)的最大強(qiáng)度和有效信號(hào)的最小強(qiáng)度之間取閾值。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種通用的一維條碼激光解碼信號(hào)濾波與增強(qiáng)算法，其特 征在于：所述步驟（3)具體是采用平方函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比度增強(qiáng)，對對比度增強(qiáng)后的信 號(hào)進(jìn)行歸一化，數(shù)據(jù)范圍擴(kuò)展為0-255。
【文檔編號(hào)】G06K7/10GK105893900SQ201410719721
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月3日
【發(fā)明人】王國成, 王軍, 王一軍, 張?jiān)?
【申請人】王國成, 王軍, 王一軍, 張?jiān)?br>