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。
QR-Code-Overview.jpeg
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：
image = image.getImage().convert2Gray().getProcessor();
ByteProcessor src = ((ByteProcessor)image);
再对图像做二值化处理：
Threshold t = new Threshold();
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
MorphOpen mOpen = new MorphOpen();
byte[] data = new byte[width*height];
System.arraycopy(src.getGray(), 0, data, 0, data.length);
ByteProcessor copy = new ByteProcessor(data, width, height);
mOpen.process(src, new Size(n1, n2)); // Y方向开操作
src.getImage().resetBitmap();
mOpen.process(copy, new Size(n2, n1)); // X方向开操作
CV4JImage cv4JImage = new CV4JImage(width,height);
((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。
import com.cv4j.core.datamodel.ByteProcessor;
import com.cv4j.core.datamodel.Size;
public class MorphOpen {
/**
* in order to remove litter noise block, erode + dilate operator
*
* @param binary
* @param structureElement
*/
public void process(ByteProcessor binary, Size structureElement) {
FastErode erode = new FastErode();
FastDilate dilate = new FastDilate();
erode.process(binary, structureElement, 1);
dilate.process(binary, structureElement, 1);
}
}
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。
// 联通组件查找连接区域
ConnectedAreaLabel ccal = new ConnectedAreaLabel();
ccal.setFilterNoise(true);
List rectList = new ArrayList<>();
int[] labelMask = new int[width*height];
ccal.process(src, labelMask, rectList, true);
float w = 0;
float h = 0;
float rate = 0;
List qrRects = new ArrayList<>();
for(Rect roi : rectList) {
if (roi == null) continue;
if((roi.width > width/4 || roi .width < 10) || (roi.height < 10 || roi.height > height/4))
continue;
if((roi.x < 10 || roi.x > width -10)|| (roi.y < 10 || roi.y > height-10))
continue;
w = roi.width;
h = roi.height;
rate = (float)Math.abs(w / h - 1.0);
if(rate < 0.05 && isRect(roi, labelMask, width, height,true)) {
qrRects.add(roi);
}
}
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。
CV4JImage cv4JImage = new CV4JImage(bitmap);
QRCodeScanner qrCodeScanner = new QRCodeScanner();
Rect rect = qrCodeScanner.findQRCodeBounding(cv4JImage.getProcessor(),1,6);
Bitmap bm = bitmap.copy(Bitmap.Config.ARGB_8888, true);
Canvas canvas = new Canvas(bm);
Paint paint = new Paint();
paint.setColor(Color.RED);
paint.setStrokeWidth((float) 10.0);
paint.setStyle(Paint.Style.STROKE);
android.graphics.Rect androidRect = new android.graphics.Rect(rect.x-20,rect.y-20,rect.br().x+20,rect.br().y+20);
canvas.drawRect(androidRect,paint);
image.setImageBitmap(bm);
定位图片中的二维码区域.png
定位有创意的二维码.png
截图微信的二维码.png
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。
大图中的二维码.png
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 是gloomyfish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。
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