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系統識別號 U0002-2806200702520000
中文論文名稱 QR碼影像擷取器平台設計與實現
英文論文名稱 Design and Implementation of the Platform for QR Code Image Capture
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 劉金嬋
研究生英文姓名 Chin-Chan Liu
學號 694380055
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-05-29
論文頁數 72頁
口試委員 指導教授-簡丞志
委員-鄭智湧
委員-陳明達
中文關鍵字 快速反應碼  影像擷取  二維行動條碼 
英文關鍵字 QR Code  FPGA  CMOS Image Sensor  Image Capture  Barcode  SCCB 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 在現代的日常生活之中,條碼的應用在不知不覺間已經融入我們的生活當中,然而隨著資訊化的高度發展一維條碼所能夠編碼儲存的資料已逐漸不敷使用,於是為了因應此一高度資訊化的發展,QR Code等二維條碼的規格也因應而生,更為生活增加了許多的趣味性以及實用性。QR Code可儲存的資料量比一維條碼多上許多,而各式使用QR Code的應用與產品也推陳出新,例如使用在商品上、應用於電影票上、以及印製於個人名片上,並且可以更進一步的使用在語言之學習上。

在本文中提出了以QR Code做為語言之學習平台,進而在語言學習書上之適當位置印製QR Code,並且將語言學習書上之句子或單字與QR Code做相對應,因此可經由QR Code讀取器將QR Code之圖型讀入並且解碼,再由語音資料庫內取得此一句子或是單字之語音資料並且播放,藉此達到即時學習之效果。QR Code除了可以編碼數字與英文字母外,對於日文以及日文之漢字亦有其相容性,因此可將此平台應用在英語或是日語的學習上,針對欲學習之句子或單字可重複進行聽力練習,對於想增加語言能力的人更可以藉由此系統達到更有效率之學習。

對於本系統之實現上我們採用影像擷取模組做為影像擷取介面,經由影像擷取模組之內部暫存器的設定,可使得影像擷取模組傳送出適當大小的影像資料,然而影像資料的解析度大小將影響所拍攝的畫面清晰程度,因此解析度愈大愈可以得到清晰的影像,特別是當QR Code的尺寸相對較小的時候。另一方面為了以硬體電路的方式實現此一系統,亦需考量影像解析度太大時對於緩衝記憶體的需求也將大增,所以為了在解析度與硬體需求間取得平衡,本文採用176×144之QCIF格式為影像解析度,而此一解析度不僅可以滿足本系統之需求,又可以將緩衝記憶體的大小控制在512Kbit以下。而本文中更採用Altera CPLD晶片作為控制核心,將所擷取到的影像先暫存於緩衝記憶體中,再經由串列傳輸介面將影像資料傳送至個人電腦進行處理與解碼。

最後經由反覆實驗的結果顯示,我們所拍攝的QR Code樣本具有相當清晰的影像,並且經由實驗結果數據可以得知,QR Code所包含的資料量與可解碼的圖片大小呈現正比關係。而且現在對於40個英數字以內的資料量,皆可以在兩公分平方的圖片大小被正確解碼。
英文摘要 The thesis proposes a learning platform with QR Code. Sentences and words in the books with corresponding QR code printed. Reading and decoding pictures of QR Code by a capture device and then transmits voice according to the voice database.

We adopt a CMOS Image Sensor as an image capture interface. The CMOS Image Sensor delivers applicable images by setting internal registers of a CMOS Image Sensor. Then resolution of an image affects the picture readability, therefore the larger the resolution is, the clear it is. We must consider the demand of the buffer memory for resolution's size in order to implement the system by hardware circuits, therefore adopts the 176x144 QCIF. Not only the resolution satisfies the system’s require, but also the memory is controlled under 512K bits. Thesis adopts Altera CPLD chip as the control center. The capture images are stored in the memory buffer and then transmitted images to a PC to decode by a UART interface.

Finally, the experiment result shows that the data capacity of QR Code and the picture size decoded are the direct ratio relations. And the data capacity within 40 letters can correctly be decoded in two centimeters square pictures sizes.
論文目次 目錄

中文摘要 I
英文摘要 III
目錄 V
圖表目錄 VIII

第一章 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 論文流程 3

第二章 QR Code之編碼 4
2.1 QR Code概述 4
2.2 QR Code之編碼 5
2.2.1 基本特性 5
2.2.2 QR Code結構 19
2.2.3 資料編碼 28
2.2.3.1 數字模式(Numeric mode) 28
2.2.3.2 英數字模式(Alphanumeric mode) 29
2.2.3.3 位元組模式(Byte mode) 30
2.2.3.4 漢字模式(Kanji mode) 31
2.2.3.5 製造錯誤修正碼(Error Correction Codewords) 32
2.2.3.6 擺放資料 34
2.3 QR Code編碼實例 36

第三章 影像擷取系統硬體架構 39
3.1 整體架構 39
3.2 影像擷取模組(CMOS Image Sensor) 41
3.2.1 影像擷取模組系統架構 42
3.2.2 控制暫存器 43
3.2.3 影像輸出介面格式 47
3.2.4 Serial Camera Control Bus(SCCB) 48
3.3 擷取影像 52
3.3.1 影像擷取系統 52
3.3.2 影像擷取模組介面電路(Capture Image) 54
3.3.3 靜態記憶體控制器(SRAM Controller) 56
3.3.4 串列通訊控制器(UART Controller) 57
3.4 其他電路 59
3.4.1 系統電源 59
3.4.2 操作介面輸入按鈕 60

第四章 實驗平台測試 62
4.1 實驗測試一 64
4.2 實驗測試二 67
4.3 實驗結論 68

第五章 結論 69
5.1 總結 69
5.2 未來展望 69

參考文獻 70

圖表目錄

圖目錄
圖2.1 QR Code的構造 19
圖2.2 位置偵測圖型的結構 20
圖2.3 校對圖形的結構 21
圖2.4 格式資訊放置圖 24
圖2.5 版本資訊放置圖 25
圖2.6 錯誤修正碼編碼電路 34
圖2.7 規則形式的位元擺放 34
圖2.8 規則與不規則的水平擺放 34
圖2.9 鄰近校對樣式的位元擺放 35
圖2.10 2-M型符號位元組擺放 35
圖2.11 資料模組放置後的QR Code 37
圖2.12 1-M型QR Code編碼01234567 38
圖3.1 影像擷取系統 40
圖3.2 影像擷取模組區塊示意圖 43
圖3.3 影像資料輸出時序圖 47
圖3.4 雙線SCCB功能區塊圖 49
圖3.5 串列控制介面收送時序圖 50
圖3.6 串列介面控制器方塊圖 51
圖3.7 影像擷取控制系統方塊圖 53
圖3.8 影像擷取時序圖 54
圖3.9 影像擷取介面電路 55
圖3.10 垂直計數器計算 55
圖3.11 水平計數器計算 56
圖3.12 靜態記憶體控制器 57
圖3.13 串列通訊控制器 58
圖3.14 串列通訊協定 58
圖3.15 穩壓電路 59
圖4.1 影像擷取平台上方照片 62
圖 4.2 影像擷取平台下方照片 63
圖4.3 實驗統計圖 67

表目錄
表1.1 二維條碼比較表 2
表2.1 QR Code標準 4
表2.2 版本1至版本10的資料容量 7
表2.3 版本11至版本20的資料容量 8
表2.4 版本21至版本30的資料容量 9
表2.5 版本31至版本40的資料容量 10
表2.6 版本1至版本8錯誤修正特性 11
表2.7 版本9至版本13錯誤修正特性 12
表2.8 版本14至版本18錯誤修正特性 13
表2.9 版本19至版本23錯誤修正特性 14
表2.10 版本24至版本28錯誤修正特性 15
表2.11 版本29至版本33錯誤修正特性 16
表2.12 版本34至版本38錯誤修正特性 17
表2.13 版本39至版本40錯誤修正特性 18
表2.14 校對圖形的座標(Version 1 to Version 15) 21
表2.15 校對圖形的座標(Version 16 to Version 40) 22
表2.16 錯誤訂正等級運算子 23
表2.17 遮罩對照表 24
表2.18 版本資訊(Version 7 to Version 21) 26
表2.19 版本資訊(Version 22 to Version 40) 27
表2.20 輸入文字數的位元數 28
表2.21 Mode運算子 28
表2.22 英數字模式字元表 29
表2.23 8位元字元集(JIS8)00-7F 30
表2.24 8位元字元集(JIS8)A1-DF 31
表2.25 Reed-Solomon錯誤修正碼生成多項式 33
表2.26 GF(28)α的指數與整數的對應表 33
表3.1 CMOS Sensor Features 42
表3.2 控制暫存器表 44
表3.3 控制暫存器表(續) 45
表3.4 串列通訊介面規格 58
表3.5 電壓與電阻關係表 60
表4.1 實驗結果A 64
表4.2 實驗結果B 65
表4.3 實驗結果C 66
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