Zbar算法流程介紹

算法介紹：

zbar算法是現在網上開源的條形碼，二維碼檢測算法，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，隨着現在生活中QR碼的普及，掃碼支付等行爲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。本篇文章就互聯網上的一個開源解碼算法zbar進行簡單剖析。

源碼可以在網上搜到，或者去github上clone到本地：Zbar/Zbar

流程圖：

先上一個流程圖：

算法流程介紹：

首先是算法的初始化，構造一個掃描器ImageScanner對象，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);

接下來是載入圖像，可以使用 ImageMagick 和 OpenCV 讀取圖片文件，並將其轉換爲灰度圖像，以下以 OpenCV 爲例：

IplImage *img = cvLoadImage("E:\\ 文檔 \\ 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);

構造一個圖像Image對象，並調用其構造函數對其進行初始化：

int width = imgGray->widthStep;
int height = imgGray->height;
Image image(width, height, "Y800", imgGray->imageData, width * height);

圖像解析，通過調用圖像掃描器對象的scan()方法，對圖像對象進行處理：

int n = scanner.scan(image);

圖像掃描，掃描器對象公有方法scan()主要爲zbar_scan_image()函數，函數首先對傳入的圖像進行配置校驗，然後對傳入圖像先進行逐行掃描，掃描路徑爲 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;
}

掃描的主要函數爲zbar_scan_y()，在函數內部，以一個像素點爲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；其中確定邊緣之後調用process_edge()函數：

if(y1_rev)
    edge = process_edge(scn, y1_1);

在process_edge()函數內部，使用當前邊緣跟上一次保存下來的邊緣相減得到一個寬度，並將其保存到掃描器結構變量scn中並將本次邊緣信息保存下
來：

scn->width = scn->cur_edge - scn->last_edge;
scn->last_edge = scn->cur_edge;

之後對掃描器結構變量scn中保存下來的明暗寬度流進行處理，處理函數爲zbar_decode_width(scn->decoder, scn->width)，該函數內部處理對象爲
當前行目前保存下來的寬度流，通過計算各寬度之間的寬度信息提取掃碼特徵，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量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（可以通過設置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 碼爲例子，函數_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爲 QR 碼，如果不符合，將當前寬度流描述爲一個自定義的線段結構，包含兩端端點及長度等信息，並將滿足條件的橫向線段結構變量存入一個容器lines的橫向線段集合中。對整幅圖像的逐列掃描同逐行掃描一樣，掃描路徑爲 N 字型，同樣通過函數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)函數進行處理，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 碼解析模塊的入口爲函數_zbar_qr_decode(iscn->qr, iscn, img)，函數內部結構如下：

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 碼的三個定位圖案的中心，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);

函數返回的是共找到多少個交叉點，如果小於三個則此圖像無法進行 QR 碼解析。之後對圖像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);

函數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 碼模塊寬度（所佔像素個數）：

version=qr_reader_try_configuration(_reader,&qrdata,_img,_width,_height,c);

函數返回值爲 QR 碼的版本數，並且求出了 QR 碼的版本碼字和模塊寬度（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，求得的版本信息是經過編碼後的信息，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 碼的格式信息：

fmt_info=qr_finder_fmt_info_decode(&ul,&ur,&dl,&hom,_img,_width,_height);

格式信息求出來之後就是 QR 碼的功能區到目前爲止已全部識別並解碼出結果，之後對 QR 碼的數據區進行解析，函數爲：

qr_code_decode(_qrdata,&_reader->gf,ul.c->pos,ur.c->pos,dl.c->pos,ur_version,fmt_info,_img,_width,_height)

函數註釋爲：

/*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)

首先對對圖像進行消除掩模處理，並且識別出圖像中的定位圖案：

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爲 0 和 1 的比特流：

qr_sampling_grid_sample(&grid,data_bits,dim,_fmt_info,_img,_width,_height);

使用 Reed-Solomon 糾錯算法對提取出來的比特流進行校驗和糾錯，最後輸出最終的識別比特流。函數nqrdata = qr_code_data_list_extract_text(&qrlist, iscn, img);對求出的比特流進行分析判斷，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比特流進行解碼輸出，最終求得 QR 碼的解碼結果。

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