图像中二维码的检测和定位

二维码

二维条码/二维码（2-dimensional bar code）是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化点。

定位图案

• Position Detection Pattern是定位图案，用于标记二维码的矩形大小。这三个定位图案有白边叫Separators for Postion Detection Patterns。之所以三个而不是四个意思就是三个就可以标识一个矩形了。

• Timing Patterns也是用于定位的。原因是二维码有40种尺寸，尺寸过大了后需要有根标准线，不然扫描的时候可能会扫歪了。

• Alignment Patterns 只有Version 2以上（包括Version2）的二维码需要这个东东，同样是为了定位用的。

通过查找定位图案，可以实现二维码扫描的检测和定位。

检测和定位的步骤

先对图片进行灰度处理：

1. image = image.getImage().convert2Gray().getProcessor();

2. ByteProcessor src = ((ByteProcessor)image);

再对图像做二值化处理：

1. Threshold t = new Threshold();

2. t.process(src, Threshold.THRESH_OTSU, Threshold.METHOD_THRESH_BINARY_INV, 20);

然后是对y、x方向进行形态学上的开操作

1.        MorphOpen mOpen = new MorphOpen();

2.        byte[] data = new byte[width*height];

3.        System.arraycopy(src.getGray(), 0, data, 0, data.length);

4.        ByteProcessor copy = new ByteProcessor(data, width, height);

5.        mOpen.process(src, new Size(n1, n2)); // Y方向开操作

6.        src.getImage().resetBitmap();

8.        mOpen.process(copy, new Size(n2, n1)); // X方向开操作

9.        CV4JImage cv4JImage = new CV4JImage(width,height);

10.        ((ByteProcessor)cv4JImage.getProcessor()).putGray(copy.getGray());

所谓开操作是指先腐蚀后膨胀的操作。在之前的文章二值图像分析:案例实战(文本分离+硬币计数)曾经介绍过开操作的用途。

1. import com.cv4j.core.datamodel.ByteProcessor;

2. import com.cv4j.core.datamodel.Size;

4. public class MorphOpen {

6.    /**

7.     * in order to remove litter noise block, erode + dilate operator

8.     *

9.     * @param binary

10.     * @param structureElement

11.     */

12.    public void process(ByteProcessor binary, Size structureElement) {

13.        FastErode erode = new FastErode();

14.        FastDilate dilate = new FastDilate();

15.        erode.process(binary, structureElement, 1);

16.        dilate.process(binary, structureElement, 1);

17.    }

18. }

接下来是标记联通区域，找到二维码的三个特征区域，也就是定位图案。

1.        // 联通组件查找连接区域

2.        ConnectedAreaLabel ccal = new ConnectedAreaLabel();

3.        ccal.setFilterNoise(true);

4.        List<Rect> rectList = new ArrayList<>();

5.        int[] labelMask = new int[width*height];

6.        ccal.process(src, labelMask, rectList, true);

7.        float w = 0;

8.        float h = 0;

9.        float rate = 0;

10.        List<Rect> qrRects = new ArrayList<>();

11.        for(Rect roi : rectList) {

13.            if (roi == null) continue;

15.            if((roi.width > width/4 || roi .width < 10) || (roi.height < 10 || roi.height > height/4))

16.                continue;

18.            if((roi.x < 10 || roi.x > width -10)|| (roi.y < 10 || roi.y > height-10))

19.                continue;

21.            w = roi.width;

22.            h = roi.height;

23.            rate = (float)Math.abs(w / h  - 1.0);

24.            if(rate < 0.05 && isRect(roi, labelMask, width, height,true)) {

25.                qrRects.add(roi);

26.            }

27.        }

最后，通过定位图案能够找到二维码所在的区域，如果找不到会返回空的矩形。否则返回一个Rect，它表示找到的二维码所在图像中的区域。

我们可以对该区域进行标识，下面是算法的具体使用，找到图像中的二维码之后，用红色的边框框起来。

1.        CV4JImage cv4JImage = new CV4JImage(bitmap);

3.        QRCodeScanner qrCodeScanner = new QRCodeScanner();

4.        Rect rect = qrCodeScanner.findQRCodeBounding(cv4JImage.getProcessor(),1,6);

6.        Bitmap bm = bitmap.copy(Bitmap.Config.ARGB_8888, true);

7.        Canvas canvas = new Canvas(bm);

8.        Paint paint = new Paint();

9.        paint.setColor(Color.RED);

10.        paint.setStrokeWidth((float) 10.0);

11.        paint.setStyle(Paint.Style.STROKE);

13.        android.graphics.Rect androidRect = new android.graphics.Rect(rect.x-20,rect.y-20,rect.br().x+20,rect.br().y+20);

14.        canvas.drawRect(androidRect,paint);

15.        image.setImageBitmap(bm);

对于iPhone截屏之后的图片，该图片尺寸是1242 × 2208。在没有对图片做任何缩放处理的情况下，使用该算法进行定位二维码的区域也是ok的。

当然，对于大图如果适当地降采样处理或者缩放的话，算法速度会更快。

写在最后

彩色二维码和小程序的圆形二维码目前能够检测吗？ 暂时不能。因为图像在二值化之后，彩色的部分像素点会变成白色的像素点，导致二维码轮廓不完整，最终导致无法实现二值分析。我们会在完成模版匹配的功能之后，继续优化算法完善该功能，加上检测彩色和圆形二维码的能力。

算法的源码位于cv4j的QRCodeScanner中，该算法不能识别二维码的字符串，只能找到二维码的区域，如果需要识别二维码还是需要使用Google Zxing。

总结

cv4j(https://github.com/imageprocessor/cv4j) 是

gloomyfish(http://blog.csdn.net/jia20003)和我一起开发的图像处理库，纯java实现，目前还处于早期的版本。

文章中的算法是对二值图像分析的综合运用，使用它再结合Google的ZXing能够提高二维码的识别率。当然，由于它是pure java实现的，稍作改动能够用它来判断出某张图片中是否包含有二维码。

如果您想看该系列先前的文章可以访问下面的文集： http://www.jianshu.com/nb/10401400

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