Zbar演算法流程介紹
阿新 • • 發佈：2019-01-02
演算法介紹：
zbar演算法是現在網上開源的條形碼，二維碼檢測演算法，演算法可識別大部分種類的一維碼（條形碼），比如I25，CODE39，CODE128，不過大家更關心的應該是現在很火的QR碼的解碼效率，隨著現在生活中QR碼的普及，掃碼支付等行為越來越多的被人們接受，關於QR碼是什麼，QR碼的解碼流程是什麼樣的。本篇文章就網際網路上的一個開源解碼演算法zbar進行簡單剖析。
原始碼可以在網上搜到，或者去github上clone到本地：Zbar/Zbar
流程圖：
先上一個流程圖：
演算法流程介紹：
首先是演算法的初始化，構造一個掃描器ImageScanner物件，並使用其set_config()方法對掃描器進行初始化：
ImageScanner scanner;
// configure the reader
scanner.set_config(ZBAR_NONE, ZBAR_CFG_ENABLE, 1);接下來是載入影象，可以使用 ImageMagick 和 OpenCV 讀取圖片檔案，並將其轉換為灰度影象，以下以 OpenCV 為例：
IplImage *img = cvLoadImage("E:\\ 文件 \\ 測試素材 _ 一維碼二維碼 \\QRCODE\\2-1.jpg"); IplImage *imgGray = cvCreateImage(cvGetSize(img), 8, 1); cvCvtColor(img, imgGray, CV_RGB2GRAY);
構造一個影象Image物件，並呼叫其建構函式對其進行初始化：
int width = imgGray->widthStep;
int height = imgGray->height;
Image image(width, height, "Y800", imgGray->imageData, width * height);影象解析，通過呼叫影象掃描器物件的scan()方法，對影象物件進行處理：
int n = scanner.scan(image);影象掃描，掃描器物件公有方法scan()主要為zbar_scan_image()函式，函式首先對傳入的影象進行配置校驗，然後對傳入影象先進行逐行掃描，掃描路徑為 Z 字
型：
while(y < h) { iscn->dx = iscn->du = 1; iscn->umin = 0; while(x < w) { uint8_t d = *p; movedelta(1, 0); zbar_scan_y(scn, d); } quiet_border(iscn); movedelta(-1, density); iscn->v = y; if(y >= h) break; iscn->dx = iscn->du = -1; iscn->umin = w; while(x >= 0) { uint8_t d = *p; movedelta(-1, 0); zbar_scan_y(scn, d); } ASSERT_POS; quiet_border(iscn); movedelta(1, density); iscn->v = y; }
掃描的主要函式為zbar_scan_y()，在函式內部，以一個畫素點為增量在一行內一點一點掃描過去，並且完成濾波，求取邊緣梯度，梯度閾值自適應，
確定邊緣，轉化成明暗寬度流；其中確定邊緣之後呼叫process_edge()函式：
if(y1_rev)
edge = process_edge(scn, y1_1);在process_edge()函式內部，使用當前邊緣跟上一次儲存下來的邊緣相減得到一個寬度，並將其儲存到掃描器結構變數scn中並將本次邊緣資訊儲存下
來：
scn->width = scn->cur_edge - scn->last_edge;
scn->last_edge = scn->cur_edge;之後對掃描器結構變數scn中儲存下來的明暗寬度流進行處理，處理函式為zbar_decode_width(scn->decoder, scn->width)，該函式內部處理物件為
當前行目前儲存下來的寬度流，通過計算各寬度之間的寬度資訊提取掃碼特徵，依次通過幾種一維碼二維碼的檢測標準，尋找到符合標準的掃碼種類
時更新掃描器結構變數scn中的type成員，並且更新lock成員以增加當前種類判斷的置信度（可以通過設定關掉其他種類的條碼識別）：
#ifdef ENABLE_EAN
if((dcode->ean.enable) &&
(sym = _zbar_decode_ean(dcode)))
dcode->type = sym;
#endif
#ifdef ENABLE_CODE39
if(TEST_CFG(dcode->code39.config, ZBAR_CFG_ENABLE) &&
(sym = _zbar_decode_code39(dcode)) > ZBAR_PARTIAL)
{
dcode->type = sym;
}
#endif
#ifdef ENABLE_CODE128
if(TEST_CFG(dcode->code128.config, ZBAR_CFG_ENABLE) &&
(sym = _zbar_decode_code128(dcode)) > ZBAR_PARTIAL)
dcode->type = sym;
#endif
#ifdef ENABLE_I25
if(TEST_CFG(dcode->i25.config, ZBAR_CFG_ENABLE) &&
(sym = _zbar_decode_i25(dcode)) > ZBAR_PARTIAL)
dcode->type = sym;
#endif
#ifdef ENABLE_PDF417
if(TEST_CFG(dcode->pdf417.config, ZBAR_CFG_ENABLE) &&
(sym = _zbar_decode_pdf417(dcode)) > ZBAR_PARTIAL)
dcode->type = sym;
#endif
#ifdef ENABLE_QRCODE
if(TEST_CFG(dcode->qrf.config, ZBAR_CFG_ENABLE) &&
(sym = _zbar_find_qr(dcode)) > ZBAR_PARTIAL)
dcode->type = sym;
#endif以 QR 碼為例子，函式_zbar_find_qr(dcode)內部對當前行的寬度流進行計算，判斷是否符合下列特徵：
qr_finder_t *qrf = &dcode->qrf;
qrf->s5 -= get_width(dcode, 6);
qrf->s5 += get_width(dcode, 1);
unsigned s = qrf->s5;
if(get_color(dcode) != ZBAR_SPACE || s < 7)
return ZBAR_NONE;
int ei = decode_e(pair_width(dcode, 1), s, 7);
if(ei)
goto invalid;
ei = decode_e(pair_width(dcode, 2), s, 7);
if(ei != 2)
goto invalid;
ei = decode_e(pair_width(dcode, 3), s, 7);
if(ei != 2)
goto invalid;
ei = decode_e(pair_width(dcode, 4), s, 7);
if(ei)
goto invalid;
invalid:
return ZBAR_NONE;符合當前特徵的即判斷其不為 QR 碼，如果不符合，將當前寬度流描述為一個自定義的線段結構，包含兩端端點及長度等資訊，並將滿足條件的橫向線段結構變數存入一個容器lines的橫向線段集合中。 對整幅影象的逐列掃描同逐行掃描一樣，掃描路徑為 N 字型，同樣通過函式zbar_scan_y()和process_edge()進行處理找邊緣最後求取出縱向的明暗高度流，通過zbar_decode_width(scn->decoder, scn->width)函式進行處理，將符合 QR 碼的縱向線段存入lines的縱向線段集合中。
QR碼解析，QR 碼解析模組的入口為函式_zbar_qr_decode(iscn->qr, iscn, img)，函式內部結構如下：
int nqrdata = 0;
qr_finder_edge_pt *edge_pts = NULL;
qr_finder_center *centers = NULL;
if(reader->finder_lines[0].nlines < 9 ||
reader->finder_lines[1].nlines < 9)
return(0);
int ncenters = qr_finder_centers_locate(¢ers, &edge_pts, reader, 0, 0);
if(ncenters >= 3) {
void *bin = qr_binarize((unsigned char*)img->data, img->width, img->height);
qr_code_data_list qrlist;
qr_code_data_list_init(&qrlist);
qr_reader_match_centers(reader, &qrlist, centers, ncenters,
(unsigned char*)bin, img->width, img->height);
if(qrlist.nqrdata > 0)
nqrdata = qr_code_data_list_extract_text(&qrlist, iscn, img);
qr_code_data_list_clear(&qrlist);
free(bin);
}
if(centers)
free(centers);
if(edge_pts)
free(edge_pts);
return(nqrdata);首先第一步需要求出 QR 碼的三個定點陣圖案的中心，需要對之前求出的橫向，縱向線段集合進行篩選，聚類和求取交叉點：
int ncenters = qr_finder_centers_locate(¢ers, &edge_pts, reader, 0, 0);函式返回的是共找到多少個交叉點，如果小於三個則此影象無法進行 QR 碼解析。 之後對影象進行自適應二值化處理：
void *bin = qr_binarize((unsigned char*)img->data, img->width, img->height);之後就是解碼的主要組成部分，對 QR 碼進行碼字讀取：
qr_reader_match_centers(reader, &qrlist, centers, ncenters,(unsigned char*)bin, img->width, img->height);函式首先對找到的交叉點按時針順序進行排序，三個點進行仿射變化求出 QR 碼模組寬度（所佔畫素個數）：
version=qr_reader_try_configuration(_reader,&qrdata,_img,_width,_height,c);函式返回值為 QR 碼的版本數，並且求出了 QR 碼的版本碼字和模組寬度（根據三個交叉點處於同邊的兩個點來計算，仿射變化有單應性仿射 affine homography 和全矩陣仿射 full homography ），將所求得的所有結果進行計算和比對，最終的出 QR 碼的版本結果，還需要判斷求出結果數是否大於等於 7 。如果是，求得的版本資訊是經過編碼後的資訊，版本號還需要解碼；如果小於 7 ，求出來的結果即是 QR 碼的版本號：
if(ur.eversion[1]==dl.eversion[0]&&ur.eversion[1]<7){
ur_version=ur.eversion[1];
}
else{
if(abs(ur.eversion[1]-dl.eversion[0])>QR_LARGE_VERSION_SLACK)
continue;
}
if(ur.eversion[1]>=7-QR_LARGE_VERSION_SLACK){
ur_version=qr_finder_version_decode(&ur,&hom,_img,_width,_height,0);
if(abs(ur_version-ur.eversion[1])>QR_LARGE_VERSION_SLACK)
ur_version=-1;
}
else
ur_version=-1;
if(dl.eversion[0]>=7-QR_LARGE_VERSION_SLACK){
dl_version=qr_finder_version_decode(&dl,&hom,_img,_width,_height,1);
if(abs(dl_version-dl.eversion[0])>QR_LARGE_VERSION_SLACK)
dl_version=-1;
}
else
dl_version=-1;
if(ur_version>=0){
if(dl_version>=0&&dl_version!=ur_version)
continue;
}
else if(dl_version<0)
continue;
else
ur_version=dl_version;
}之後求 QR 碼的格式資訊：
fmt_info=qr_finder_fmt_info_decode(&ul,&ur,&dl,&hom,_img,_width,_height);格式資訊求出來之後就是 QR 碼的功能區到目前為止已全部識別並解碼出結果，之後對 QR 碼的資料區進行解析，函式為：
qr_code_decode(_qrdata,&_reader->gf,ul.c->pos,ur.c->pos,dl.c->pos,ur_version,fmt_info,_img,_width,_height)函式註釋為：
/*Attempts to fully decode a QR code.
_qrdata: Returns the parsed code data.
_gf: Used for Reed-Solomon error correction.
_ul_pos: The location of the UL finder pattern.
_ur_pos: The location of the UR finder pattern.
_dl_pos: The location of the DL finder pattern.
_version: The (decoded) version number.
_fmt_info: The decoded format info.
_img: The binary input image.
_width: The width of the input image.
_height: The height of the input image.
Return: 0 on success, or a negative value on error.*/
static int qr_code_decode(qr_code_data *_qrdata,const rs_gf256 *_gf,
const qr_point _ul_pos,const qr_point _ur_pos,const qr_point _dl_pos,
int _version,int _fmt_info,
const unsigned char *_img,int _width,int _height)首先對對影象進行消除掩模處理，並且識別出影象中的定點陣圖案：
qr_sampling_grid_init(&grid,_version,_ul_pos,_ur_pos,_dl_pos,_qrdata->bbox,_img,_width,_height);然後將 QR 碼除去功能區之外的區域轉換為 0 和 1 的位元流：
qr_sampling_grid_sample(&grid,data_bits,dim,_fmt_info,_img,_width,_height);使用 Reed-Solomon 糾錯演算法對提取出來的位元流進行校驗和糾錯，最後輸出最終的識別位元流。 函式nqrdata = qr_code_data_list_extract_text(&qrlist, iscn, img);對求出的位元流進行分析判斷，判斷當前 QR 碼屬於什麼編碼模式，找到相應的編碼模式後對位元流進行解碼輸出，最終求得 QR 碼的解碼結果。