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1、基于SOPC的嵌入式二维条码识读系统=皿嵌入式系统基于SOPC的嵌入式二维条码识读系统Embeded2-DimensionBarCodeSystemBasedonSOPC北京交通大学估息科学f究所高同海束l,】J晓哪】摘要关键词末文介绍丁一种基于SOPC的二堆条形码识读系统的实现方案,本系统以Altem套司的NiosI1嵌八式软核处理器为核一.采用cMOs图像传感器以逐行扫描的方式采集二维务开j码数据,利用用户自定叉指令扣速实现二维条彤码高教准确地识读.同时.阐述丁水印在条码鳊码中的应用二维条形码;数字水印;定制指令:Nios【I引言二维条码正是为了解决一维条码容量小,依袖数据库的存在,不能表
2、示汉字等缺而产生的二维条形码系统是非网络环境下的高安全性信息载体系统可同步储存照片,虹幞,指纹等生物信息及文字,声音,图像等大量内容.是大容量,高可靠性信苜实现存储,携带自动识别的理想手段.现在应用最为广泛的二维条码是美国SYMBOL公司发明的PDF417码,PDF417码是二位条码的美国标准和欧盟标准.我国也已经制定了PDF417码的国家标准GB/T171721997二蛙条码较磁卡,Ic卡还有一个硐显的优势就是成本极低,可在PVC或纸卡上制作.成本几角钱另外二雉信用条码使用寿命是磁卡,Ic卡的十倍.一个PDF4l7码晟多可容纳I8,O字符或1108字节的二进制数据或2710个数字.PDF41
3、7的纠错能力分为9级,级别越高,纠错能力越强:由于这种纠错功能,使得污损的PDF417码也可以正确读出.PDF417码的结构每行数据符号字符数相同,行与行左右对齐直接衔接,其最小行数为3,最大行数为90.每行从左到右分别为左空白区,起始符左行指示符号字符,1-30个数据符号字符右行指示符号字符,终止持,右空白区二维条码男一个很重要的特点是可引凡加密机制:信息一旦生成便不可修改,当建立了自己的编译码系统,就可以在编码过程中加入各种加密形式由于二维条码算法本身就非常复杂,再加上加密措施的引入使伪造的可能性大大降低比如在二维条形码表面加上水印,在译码时采用同一个水印解密方法就可以实现条码信息的加密与
4、障伪.在这里数字水印就是基于二维条码进行信息隐藏的技术.可以利用变形技术对PDF4l7码符号字符中的备组成单元宽度加以适量的变动,采用误差累积的方式实现隐藏信息的嵌人和提取.由于二维条码使用广泛,体积小,容量大而且人限无法分辨,在二维条码加人水印还有不易引起察觉,携带方便,安全性高,抵御打印扫描攻击,隐藏信息量大等优点=我国乃至全球都在大力推行二维条码技术随着二维条码技术的普及,二维条码识剐系统的需求日益显得迫切.在信息安全,现代物流,现代制造,电子商务,电子政务等领域,具体如驾驶证,工作证.通行|正等箨类安全性要求高的卡式证件;护照,签证,毕业证等各类纸埙证件:税单,报关单,保险单等各娄物流
5、信息流同步要求高的表单;邮件,货物标签等邮致,生产线,仓储,货物配送等领域,二维条码识读系统都会有良好的应用便携式二维条码识读系统总体设计本系统是要在FPGA片内利用SOPC技术实现便携式的二维条码识碡.它不依赖后台数据崖的支持.通过聍=维条码的扫描即可将得到的大容量的承载信岜(包括文字,头像,指纹等个人唁电)在LCD上显示.并可通过USB接口将信息拷贝,或通过RS一232接口将信息上传PC机进行,也可以通过GPRs将获得的信自发住数据中心作验证,方恒陕捷.我们皂甩集成在QuarruslI中的SOPCBuilder开发组件来配置生成片上嵌DDEDSYSTEMS艟-_I|一_一啊_低到高:储该数
6、据,再送1Nios,进行图像处理,薯嚣泽硝系统硬件濑码字分割,码字识别,信号纠错等,当层,操作一组二维条码信息的识别完成以后,服系统层,I|elnux务程序控带UI,0接口给出中断申请信号,应用软件操作系统Nios响应此中断申请,进入中断服务程层.序.译码后的二维条码数据送L【=D显示.系统硬件层_-NiOsII最czcl0n岍发板上实现I动态采集到的二维条码图像数据储存在底层图1系统结构框图SRAM内,而软件程序和PDF417码本都玄椿隔仕健存在印A府kFTAql-I层,是系统的物理设备基础,提供操作系统硬件电路主要包括以下七个系统和应用软件的运行平台和通信接部分:条码图像采集模块,Nios
7、主控模口.系统的硬件平台在Altera的NiosII块,GPRS无线通信模块,存储器扩展Cyclone嵌入式系统开发板上实现.第模块,输出接口模块,照明控制模块.二层是操作系统,采用pClinux.pClinux是一个免费,通用的多任务内核,可固条码图像采集模块化,可剪裁,具有高稳定性和可靠性.条码扫描器芯片采用OmniVision这一层提供任务调度以及设备驱动.的OV7141黑白图像传感芯片,该芯片同时,提供中断来实现系统对外界的分辨率为640480像素,成像速度为通信请求的实时响应,如对条码扫描3O帧,秒,采取逐行扫描方式,输出为的控制,对GPRS通信端口的控制等.使数字信号.且功耗低,价
8、格便宜.条码用操作系统可以提高系统的运行效率图像采集的程序流程是:首先初始化和可靠性.OV7141的各个寄存器,主要是状态寄最上层是条码译码核心算法的实存器(STA),数据和时钟控制寄存器现.该算法高效地对采集到的条码图(CLKRC)和自动增益控制寄存器像进行处理和匹配,实现译码.这部分(AGC)的设置;然后查询等待,条码图工作采用C语言在NiosII的集成开发环像被OV7141采集进入数据寄存器后,境(IDE)中实现.通过DMA方式存入SRAM.n,7141T作晤砸加图簖YO.1SRAMSRAM系统硬件设计Y7为总线输出,HREF行扫描信号;lCPLDI与宴现VSYN为场同步信号.PCLK为
9、像素时jFLASHI系统的硬件平台钟输出.当Nios接收到VSYN信号时,叵结构如图2所示.OV7141开始采集第一帧条码图像数!竺CMOS图像传感芯片据,随后接收到HREF信号,0V7141囝为光电转换元件,用开始进行第一行的数据采集,每来一于采集二维条码图像,个PCLK信号,芯片就采集一个像素点直接输出为数字信号.的信号,当Nios接收到下一个HREF信由外部扩展SRAM存号,OV7141进行第二行的采集,直到COm系统.SOPCBuilder是一个功能强大的基于图形界面的片上可编程系统的定制工具,可以在短时间内完成用户定制的SOPC设计.根据应用的需要,从SOPCBuilder库中选择I
10、P模块,存储器,外围接口和处理器,并且配置生成一个高集成度的SOPC系统.因而我们选取以下一些IP模块组成片上系统:Nios32bitCPU,BOOtMOnitOrROM,CommunicationUART,debuggingUART,Timer,UserPIO,LCDPIO,FlashMemory,DMA,ExternalRAMBus(AvalonTri-StateBridge),ExternalFlashInterface.SOPCBuilder自动产生每个模块的HDL文件,同时自动产生一些必要的仲裁逻辑来协调AvalonBus上各功能模块的工作.系统以Altera公司用于可编程逻辑器件的
11、第二代软核处理器NiosII为核心.NiosII是基于哈佛结构的32位RISC通用嵌入式处理器软核,能与用户逻辑相结合,适配到Altera的FPGA中.性能超过200DMIPS.它特别为SOPC设计了一套综合解决方案.本系统采用NII的经济型(NiosII/e).片上系统方式实现主要功能,使系统集成度高,可靠性强.系统结构大体分三层,如图1,由92?2005.11EjCwww.ecnchina.】J集.当表示芯控制功能.当0V7141准备采集条码图像数据时,Nios发出一个初始信号,控制SRAM重新分配地址块,同时0V7141开始采集条码图像数据.采集完数据并送到sM中储存后,Nios开始调用
12、译码程序对图像进行译码,译码完成后,Nios控制条码信息在LCD显示.GPRS无线通信模块扫描条码获得的信息需要发送到中央数据库做查询验证,GPRS模块以无线方式完成与数据中心的通信工作.存储器扩展模块由于FPGA片内提供的RAM/j,且要耗费大量的逻辑资源.所以我们外扩RAM以存放动态采集到的大量条码图像数据,按照量化位数的不同选用不同容量的SRAM作为外部扩展,我们选择了IDT71V016,它的容量是64KX16Bit.照明控制模块当开始采集图像数据时,Nios输出一个控制信号,驱动发光二极管工作.用两个红光,二极管在条码上打出一个十字光标,实现图像定位并提供照明.系统软件设计与实现我们不
13、采用现有条码扫描大多采用的直接用模拟电路探测条码的条空分界信号的方法,因为这种方法扫描结果将使条空分界线钝化,降低以后操作中信号检测的准确性.我们将条码图形通过内置CMOS扫描仪整个读取,然后通过嵌入式编程来完成条空分界,这种方法的译码准确率要高.且采用编程的方法不会有前者存在的扫描角度要求严格的问题.二维条码扫描器开始工作时,首先采集二维条码图像数据,由于实际工作中条码图像会出现污损等情况,所以必须对采集到的图像进行降噪,校正等处理.条码图像为灰度图像,对其进行二值化才能进行码字识别.在将PDF417码的所有码字正确分割后,还要以查表方式在码本中查找与码字相对应的值.为确认扫描的有效性,还要
14、进行校验.如出错,则进行纠错.最后,将译码的正确数据传输到LCD显示.译码算法的流程如图4,软件模块结构说明如下.降嗓处理采用多帧图像平均降噪方法.图像采集芯片OV7141成像速度为30帧,秒,但是在实际操作过程中,会有人手抖动,条码图像移动等情况产生,采集时1司长,会导致每帧图像之间的差别相当大,造成识别误差.所以每一次扫描,我们只取6帧图像,所用时间为0.2S,可以忽略人手抖动等影响.背景分离背景分离是将条码区与背景分离,从而避免在没有有效信息的区域进行特征提取,加速后续处理的速度,提高条码特征提取和匹配的精度.采用标准差阈值跟踪法,图像条码部分由黑白相间的条块组成,灰度变化大,因而标准差较大;而背景部分灰度分布较为平坦,标准差较小.将条码图像分块,每个小块的标准差若大于某一阈值,则该小块中的所有像素点为有效;否则,为背景.图像校正由于扫描进来的图像总会出现一定的倾斜和偏移,给快速,正确地识别条码带来困难.我们利用行差运算与Hough变换相结合,能快速,准确找到检N-维条码图像边界线,估计出倾斜角度,从而对图像进行矫正.,I,1I,1II2005.11?g30000000000-I臣_嵌EDDEDSYsTEMsi图像分割l_开始I通过
