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基于FPGA的二维码图像旋转系统

来源：电子技术应用2012年第7期

陈怡，张萌

电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都610054

摘要： 阐述了在图像预处理阶段将二维码图像旋转至端正的必要性。设计了一种求取QR二维码图像旋转角度的算法以及一种可将二维码图像旋转任意角度的算法。求取旋转角度算法简捷有效，能以较低的硬件代价实现。图像旋转算法利用了CORDIC算法以及双线性插值算法，采用高速流水线架构在FPGA上实现。整个设计在Altera公司的DE2平台下进行了验证。实验结果表明，这两种算法结合使用可以快速有效地将带有一定歪斜角度的二维码图像旋转端正，速度可以达到90.9 MHz，旋转后的图像细节清晰，能有效提高二维码的识别率。

關鍵詞： FPGA 图像旋转二维码 CORDIC

中圖分類號： TP391
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)07-0012-02

2-D barcode image rotation system based on FPGA

Chen Yi，Zhang Meng

State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices， University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China

Abstract： Image rotation is a necessity for 2-D barcode identification. This paper presents a novel VLSI structure for image rotation which can calculate the tilt angle of 2-D barcode image and rotate image to the horizontal way. The circuit to calculate the tilt angel of 2-D barcode is simple and effective and can be implemented with low hardware complexity. Image rotation algorithm takes use of improved CORDIC algorithm and Bi-linear interpolation and is implemented by high-speed pipelined architecture. The proposed architecture is implemented on the Altera Stratix IV FPGA. The whole design is validated in Altera's DE2 workbench. Experimental results show that the proposed architecture can rotate 2-D barcode images with arbitrary tilt angles to the horizontal way at 90.9MHz. Moreover, it can keep image details clear thus improving 2-D barcode identification rate.

Key words : image rotation；FPGA；2-D barcode；CORDIC

近年來，物聯網技術高速發展，已成為各國的發展戰略，受到高度重視。在物聯網的應用和實現過程中，條碼技術(可分為一維條碼和二維條碼)是信息識別領域最為重要和關鍵的技術之一。如今二維條碼技術已經在物流、通信和工業領域中得到了廣泛應用[1]。

   因圖像采集環境復雜多變，采集到的二維碼必須進行圖像處理才能達到理想的識別率。二維碼圖像預處理包括灰度化、濾波去噪、二值化、圖像旋轉和圖像去光照等步驟。由于通過攝像頭采集到的圖像或多或少都會有一定的歪斜，所以將圖像旋轉端正對二維碼圖像識別來說是必不可少的[2-3]。
   本文基于CORDIC算法，設計了一種高速流水線的圖像旋轉算法。算法只包含加法和移位操作，在FPGA上的驗證結果表明，本設計的電路精度高，速度快，可以適用于實時二維碼圖像識別。
1 二維碼圖像采集和顯示
   在本系統中，圖像采集采用OV7620攝像頭。OV7620是一種CMOS圖像傳感器，具有軟件可編程性，可以通過SCCB總線協議進行其工作模式的配置，被廣泛應用在網絡攝像頭、攝像手機等產品中。首先基于SCCB協議的寄存器配置電路對OV7620進行初始化，然后設計了攝像頭圖像采集程序，通過SRAM控制器將采集到的圖像存入SRAM中，并在LCD上實時顯示出來。攝像頭采集與顯示框圖如圖1所示。

2 圖像旋轉角度的獲取
由于受采集環境、攝像頭和圖像采集者等多種因素的影響，采集到的二維碼圖像一般都會有一定的歪斜。要將二維碼圖像旋轉端正，首先需要知道二維碼圖像歪斜的角度。QR碼圖像在左上角、左下角和右上角各有一個位置探測圖形，每個位置探測圖形可以看作是由3個重疊且同心的正方形組成，它們分別為7×7個深色模塊、5×5個淺色模塊和3×3個深色模塊。如圖2所示，位置探測圖形的模塊寬度比為1：1：3：1：1。符號中其他地方遇到類似圖形的可能性極小，因此可以通過掃描整個二維碼圖像找出3個位置探測圖形，根據3個位置探測圖形的相對位置判斷出圖像的歪斜角度。

式(3)為CORDIC算法的基本旋轉公式。可以看出，CORDIC算法是由一系列簡單的移位和加法操作組成的。它實際上是一種逐次逼近的坐標旋轉方法，每次旋轉都使累加的旋轉角度之和與目標旋轉角更接近。迭代次數n越大，旋轉的角度就與真實的角度越接近。在實際應用中，受硬件資源限制，不可能迭代很多次。實際上，對于n次迭代，CORDIC算法的旋轉精度為arctan2-(n-1)。當n=8時，旋轉精度可達0.447 6°，滿足實際應用的需要[4]。

    由于計算過程中包含小數，所以在硬件結構中將原始數據左移8位進行擴張，在CORDIC單元最后將計算得到的數據的低8位提取出來作為小數部分即可。
5 實驗結果分析
   本實驗中設計了攝像頭采集程序以及液晶驅動程序。可以通過攝像頭實時采集圖像；將采集到的圖像通過灰度化、中值濾波和二值化處理后，存入SRAM中；隨后電路開始讀取SRAM中的圖像并求出歪斜角度，通過圖像旋轉電路將圖像旋轉端正。整個設計全部采用Verilog HDL語言編寫。采用Synplify Pro、Quartus II 9.1和Modelsim 6.5SE仿真和實現了整個設計，并在DE2開發板上對本設計進行了驗證。
   通過實驗結果可知，電路最大工作頻率可以達到90.9 MHz；整個系統消耗了1 289個組合邏輯單元和483個寄存器單元；求得一個旋轉過后的像素值需要6個時鐘周期，因此本二維碼圖像旋轉系統處理640×480像素的圖像的幀率為49 f/s，該速度完全可以滿足實際要求。上述驗證結果表明，本設計的二維碼圖像旋轉系統具有速度快、復雜度低的特點。
參考文獻
[1] GHOSH I，MAJUMDAR B.Design of an application specificVLSI chip for image rotation[C].Calcutta：Proceedings of the Seventh International Conference on VLSI Design，
1994：275-278.
[2] SUCHITRA S，LAM S K，SRIKANTHAN T.Novel schemes for high-throughput image rotation[C].Singapore:Conference Record of the Thirty-Eighth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers，2004，2：1884-1888.
[3] Jiang Xiaogang，Zhou Jianyang，Shi Jianghong，et al.FPGA implementation of image rotation using modified compensated CORDIC[C].6th International Conference on ASIC，2005：752-756.
[4] 李杰明，鄭學仁.基于CORDIC算法的數字圖像旋轉實現[J].電子技術應用，2009，35(6)：72-74.

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