（信息与通信工程专业论文）二维条码编解码系统的研究和dsp实现.pdf

南京邮电人学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 条码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。目前常用的一维条形码有很多 局限性，如存储数据量少，纠错能力差等缺点，二维条形码的出现在很大程度上解决了这 些问题。它凭借其输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，在现实生活中得到 越来越广泛的应用。 q r 码是一种矩阵式二维条码，它除具有其它二维条码所有的优点外，还有其自身的 特点，是最适合在中国发展的二维条码之一。 本课题主要研究q r 码这种二维条码的识别，包括编译码理论研究、条码图像预处理 技术以及q r 码解码实现。编译码主要是研究q r 码的解码原理，采用纠错能力较强的多 进制线性分组码r e e d - - s o l o m o n 码来实现q r 码的纠错功能，根据r e e d - - s o l o m o n 码的纠 错原理探讨了q r 码中r e e d - - s o l o m o n 码的纠错算法；图像识别技术主要是研究对现有条 码图像的预处理，包括：中值滤波、二值化、h o u g h 变换、双线性变换以及线性插值，使 得图像易于识别和处理；整个解码过程是基于w i n d o w s 平台，使用v i s u a lc + + 编程实现 条码图像的预处理，识别重构、r s 纠错和译码，恢复条码的原始数据。 最后，简要介绍d s p 技术，以及在d s p 平台上实现条码图像的预处理。 关键字：二维条码，q r 码，图像预处理，r s 纠错码 南京邮电大学硕t ：研究生学位论文 摘要 a b s t r a c t b a rc o d ei st h em o s te c o n o m i c a la n dp r a c t i c a la u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yb yf a r h o w e v e r , t h eo n e d i m e n s i o n a lb a rc o d eu s e di nm o d e ms o c i e t yh a sm a n yl i m i t s ，s u c ha sl i t t l e d a t ac a p a c i t y , p o o re r r o rc o r r e c t i o nc a p a b i l i t ya n ds oo n t h ei n v e n t i o no ft w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d es o l v e st h ep r o b l e m sm e n t i o n e db e f o r ei nac o n s i d e r a b l ed e g r e e t h et e c h n o l o g yo f 2 - d i m e n s i o n a lb a rc o d ei sw i d e l yu s e di nd a i l yl i f e ，b yv i r t u eo fq u i c ki n p u t ，h i g ha c c u r a c y , l o w c o s ta n db e t t e rr e l i a b i l i t y q rc o d e ， am a t r i xo ft w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e ，n o to n l yh a sc h a r a c t e r i s t i c so fo t h e r t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e ，b u ta l s oh a si n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s s oi t i so n eo ft h e t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d et h a ti sm o s tf i tt ob ed e v e l o p e di nc h i n a t h i st h e s i sm o s t l yd e a l sw i mt h er e c o g n i t i o na n da p p l i c a t i o no fq rc o d e ，i n c l u d i n g r e s e a r c ho nd e c o d i n g ，b a r c o d ei m a g ep r e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dd e c o d e ri m p l e m e n t a t i o n e n c o d i n g d e c o d i n gm o s t l ys t u d i e sd e c o d i n gp r i n c i p l eo fq rc o d e ， ar e e d - s o l o m o ne r r o r c o r r e c t i o na l g o r i t h mi se m p l o y e dt of m da n dc o r r e c ta n ye r r o r si nt h ed e c o d e dm e s s a g e ， r e e d s o l o m o nc o d ei sak i n do fl i n e a rg r o u pc o d e ， b yt h ee r r o rc o r r e c t i o np r i n c i p l eo f r e e d - s o l o m o nc o d e ，d i s c u s s i n gt h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h mo fr e e d s o l o m o ni nq r d e c o d e i m a g er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi st os t u d yt h ep r e p r o c e s s i n go fe x i s t i n gb a rc o d ei m a g e ， i n c l u d i n g ：m e d i a nf i l t e r i n g ，b i n a r i z a t i o n ，h o u g ht r a n s f o r m ，b i l i n e a rt r a n s f o r m ，嬲w e l la sl i n e a r i n t e r p o l a t i o n , m a k i n gi m a g e se a s i e rt oi d e n t i f ya n dd e a lw i t h ；t h ee n t i r ed e c o d i n gp r o c e s s i m p l e m e n t e dt h ep r e p r o c e s s i n go fb a r c o d ei m a g e ，r se r r o rc o r r e c t i o na n dd e c o d i n gt h r o u g ht h e u s eo f v c + + p r o g r a m m i n ga tw i n d o w sp l a t f o r m ，r e s t o r e st h eo r i g i n a lb a rc o d ed a t a f i n a l l y , b r i e f l yi n t r o d u c ed s pt e c h n o l o g ya n dt h ei m p l e m e n t a t i o nt h ep r e p r o c e s s i n go f b a r c o d ei m a g e0 1 1d s p p l a t f o r m k e y w o r d s ：t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e ，q rc o d e ，i m a g ep r e p r o c e s s i n g ，r se r r o r - c o r r e c t i n gc o d e s 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师躲专铁糯吼 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 条码技术自2 0 世纪7 0 年代初问世以来，发展十分迅速，仅仅2 0 年时间，它已广泛 应用于商业流通、仓储、医疗卫生、图书情报、邮政、铁路、交通运输、生产自动化管理 等领域1 】【2 l 。条码技术的应用极大地提高了数据采集和信息处理的速度，改善了人们的工 作和生活环境，提高了工作效率，并为管理的科学化和现代化做出了重要贡献。 1 2 条码的发展与现状 一维条码自出现以来，得到了人们的普遍关注，发展速度十分迅速。它的使用，极大 地提高了数据采集和信息处理的速度，提高了工作效率，并为管理的科学化和现代化做出 了很大贡献【3 l 。 由于受信息容量的限制，一维条码通常是对物品的标识，而不是对物品的描述。所谓 对物品的标识，就是给某物品分配一个代码，代码以条码的形式标识在物品上，用来标识 该物品以便自动扫描设备的识读，代码或一维条码本身不表示该产品的描述性信息。 故一维条码的使用，不得不依赖数据库的存在。在没有数据库和不便联网的地方，一 维条码的使用受到了较大的限制，有时甚至变得毫无意义。另外，在需要用一维条码表示 汉字的场合，显得十分不方便，且效率很低。现代高新技术的发展，迫切要求用条码在有 限的几何空间内表示更多的信息，从而满足千变万化的信息表示的需要。二维条码正是为 了解决一维条码无法解决的问题而产生的。 二维条码( 2 d i m e n s i o n a lb a rc o d e ) 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“l 、“0 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等特 点。 二维条码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量 的信息。 第l 页 南京邮电大学硕 ：研究生学位论文第一苹绪论 国外对二维条码技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末。在二维条码符号表示技术研究方 面，已研制出多种码制，常见的有d f 4 1 7 ，q rc o d e ，c o d e4 9 ，c o d e1 6 k ，c o d eo n e 等。 这些二维条码的密度都比传统的一维条码有了较大的提高，如p d f 4 1 7 的信息密度是一维 条码c o d e 3 9 的2 0 多倍。在二维条码标准化研究方面，国际自动识别制造商协会( a i m ) 、 美国标准化协会( a n s i ) 已完成了p d f 4 1 7 ，q rc o d e ，c o d e4 9 ，c o d e1 6 k ，c o d eo n e 等码制的符号标准。新成立的国际标准化组织国际电工委员会第一联合委员会的第三 十一分委员会，即条码自动识别技术委员会( i s 伽e c j t c l s c 3 1 ) ，已制定了q rc o d e 的国际标准( i s o i e c1 8 0 0 4 ：2 0 0 0 自动识别与数据采集技术条码符号技术规范 刈r 码) ，起草了p d f 4 1 7 ，c o d e16 k ，d a t am a t r i x ，m a x ic o d e 等二维条码的i s o i e c 标准草案。在二维条码设备开发研制、生产方面，美国、日本等国的设备制造商生产的识 读设备、符号生成设备，已广泛应用于各类二维条码应用系统。二维条码作为一种全新的 信息存储、传递和识别技术，自诞生之日起就得到了世界上许多国家的关注。美国、德国、 日本、墨西哥、埃及等国，不仅已将二维条码技术应用于公安、外交、军事等部门对各类 证件的管理，而且也将二维条码应用于海关、税务等部门对各类报表和票据的管理，商业、 交通运输等部门对商品及货物运输的管理，邮政部门对邮政包裹的管理，工业生产领域对 工业生产线的自动化管理。 我国对二维条码技术的研究开始于1 9 9 3 年。中国物品编码中心对几种常用的二维条 码p d f 4 1 7 ，q rc o d e ，d a t am a t r i x ，m a x ic o d e ，c o d e4 9 ，c o d e1 6 k ，c o d eo n e 的技术 规范进行了翻译和跟踪研究。随着我国市场经济的不断完善和信息技术的迅速发展，国内 对二维条码这一新技术的研究和需求与日俱增。 在这些政策鼓励之下，“十五”期间，我国相继开发出了“矽感码 、“汉信码 、 “紫光码 、“龙贝码”等一批二维条码系统，并已应用在了国防、检疫、电子商务等 领域。 2 0 0 6 年5 月2 5 日，信息产业部批准颁布了由武汉矽感科技有限公司研发的紧密矩 阵码( 简称c m 码) 【4 】和网格矩阵码( 简称g m 码) 【5 1 。两项条码码制正式成为国家电子行业 标准，这意味着，中国具有自主知识产权的二维条码。 二维条码看似是一项不太重要的技术，但由于其广泛应用于物流、国防、商业、金融、 通信、教育、电子政务等许多领域【6 】【7 】【8 】，已日渐成为构成国家信息主权的一个重要因素。 美国、日本等国家非常注重推动本国二维条码技术标准在全球范围的应用和推广，其技术 标准的普及应用不仅为其带来了可观的经济效益，也为其收集并控制其他国家的关键数据 提供了可能。 第2 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 课题研究的意义 目前主流的二维码技术都是由美国和日本研发出来的，中国原有的二维码国家标准也 是从美国p d f 4 1 7 码和日本的q r 码翻译过来的。美国、日本等国家非常注重推动本国二 维条码技术标准在全球范围的应用和推广，其技术标准普及应用不仅为其带来了可观的经 济效益，也为其收集并控制其他国家的关键数据提供了可能。 编码规则是公开的，但是编码中采用的信息压缩编码算法和纠错算法的实现，却需要 采集器制造商自行研究开发。目前国际上只有少数厂商掌握这些核心技术。为了使二维条 码在我国得到广泛的应用，必须深入研究二维条码的编译码技术，自主开发具有独立知识 产权的二维条码编译码软件，这对于我国二维条码技术与应用的推广具有极其深远的意 义。 1 4 主要完成的工作 本论文是在编码完成的基础上，完成解码。 首先，在v c 环境下，对二维码灰度图进行预处理，主要包括： a ) 对灰度图像进行中值滤波，消除噪声。 b ) 将图像二值化，以适合接下来的处理。 c ) 同过h o u g h 变换，找出四条变，在求四条边的交点，取得四个顶点。 d ) 由四个顶点，通过双线性变换，将图像校正。 e ) 对图像插值，以修正双线性变换造成的空白像素点。 其次，将预处理过的图像重构，生成比特流，对比特流进行r s 解码，纠正错误，生 成正确的比特流。 再次，对比特流译码，还原信息。完成整个解码过程。 将v c 平台上的代码，移植到d s p 平台上，尽可能多的完成d s p 平台上的q r 码的 解码程序。 1 5 章节内容安排 第一章简要介绍条码产生、发展和国内外应用现状，并介绍了本课题的研究内容、主 要需要完成的任务和论文的章节安排。第二章概述了二维条码相关技术，包括二维条码的 技术特点、分类等，重点介绍了作为一种二维条码典型的q r 码的结构和编码理论，为下 第3 页 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 一章节打下理论基础。第三章介绍了q r 码编码系统，简要介绍了编码过程中各个阶段的 实现方法和流程。第四章主要分析q r 码中的r s 纠错解码算法。文中对r s 码解码算法做 了详细介绍，主要包括迭代算法求错误位置多项式、利用钱搜索算法求解错误位置、利用 f o m e y 算法求错误值，并给出了完整的程序流程图。第五章实现q r 码的解码过程，从图 像预处理开始，得到校正后的二值图，然后对图像进行重构、去掩模、读取数据、经过r s 解码得到正确的原始数据流，最后译码得到q r 码包含的数据。文中给出了整个过程个阶 段的结果图像和数据。第六章介绍了d s p 开发平台的特点，以及由v c + + 平台向d s p 平台 转化时的注意点，给出了相关转化程序的结果。最后对全文进行了总结。 第4 页 南京邮电犬学硕士研究生学位论文 第二章条码技术介绍 第二章条码技术介绍 条码是迄今为止最经济实用的一种自动识别技术。条码技术具有以下几个优点： a 输入速度快：与键盘输入相比，条码输入的速度是键盘输入的5 倍，并且能够实 现“即时数据输入 。 b 可靠性高：键盘输入数据出错率为三百分之一，利用光学字符识别技术误码率为 万分之一，而采用条码技术误码率低于百万分之一。 c 采集信息量大：利用传统的一维条码一次可采集几十位字符的信息，二维条码更 可以携带数千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。 d 灵活实用：条码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关识别设备 组成一个系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备联接起来实现自动化管理。另外， 条码标签易于制作，对设备和材料没有特殊要求，识别设备操作容易，不需要特殊培训， 且设备也相对便宜。 2 1一维条码技术简介 一维条码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记，“条”指对光 线反射率较低的部分，“空 指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表 达一定的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信 息。通常对于每一种物品，它的编码是唯一的，对于普通的一维条码来说，还要通过 数据库建立条码与商品信息的对应关系，当条码的数据传到计算机上时，由计算机上 的应用程序对数据进行操作和处理。因此，普通的一维条码在使用过程中仅作为识别 信息，它的意义是通过在计算机系统的数据库中提取相应的信息而实现的。 2 1 1 一维条码的码制及特点 码制即指条码中条和空的排列规则，常用的一维码的码制包括：e a n 码、3 9 码、 交叉2 5 码、u p c 码、1 2 8 码、9 3 码，及c o d a b a r ( 库德巴码) 等。 e a n 码：是国际通用的符号体系，是一种长度固定、无含意的条码，所表达的 信息全部为数字，主要应用于商品标识。 3 9 码和1 2 8 码：是目前国内企业内部自定义码制，可以根据需要确定条码的长 度和信息，它编码的信息可以是数字，也可以包含字母，主要应用于工业生产线领域、 图书管理等。 9 3 码：是一种类似于3 9 码的条码，它的密度较高，能够替代3 9 码。 第5 页 南京邮电人学硕七研究生学位论文第二章条码技术介绍 2 5 码：只要应用于包装、运输以及国际航空系统的机票顺序编号等c o d a b a r 码： 应用于血库、图书馆、包裹等的跟踪管理。 2 2 1一维条码符号的组成 一个完整的条码的组成次序依次为：静区( 前) 、起始符、数据符、 ( 中间分 割符，主要用于e a n 码) 、( 校验符) 、终止符、静区( 后) ，如图2 一l ： li l l l l li i l l li l l l li l l l li l u li l l li l l l lii 1 2 34 5 10i 静区 11 静区 起始符 数据镑 终止符 图2 一l 一维条码 静区，指条码左右两端外侧与空的反射率相同的限定区域，它能使阅读器进入 准备阅读的状态，当两个条码相距距离较近时，静区则有助于对它们加以区分，静区 的宽度通常应不小于6 r a m ( 或l o 倍模块宽度) 。 起始终止符，指位于条码开始和结束的若干条与空，标志条码的开始和结束， 同时提供了码制识别信息和阅读方向的信息。 数据符，位于条码中间的条、空结构，它包含条码所表达的特定信息。 构成条码的基本单位是模块，模块是指条码中最窄的条或空，模块的宽度通常 以m m 或m i l ( 千分之一英寸) 为单位。构成条码的一个条或空称为一个单元，一个 单元包含的模块数是由编码方式决定的，有些码制，如e a n 码，所有单元由一个或 多个模块组成；而另一些码制，如3 9 码，所有单元只有两种宽度，即宽单元和窄单 元，其中的窄单元即为一个模块。 2 2 2一维条码的应用 一维条码中e a n 码【l 】是国际物品编码协会制定的一种商品条码，通用于全世界。e a n 码符号有标准版( e a n 1 3 ) 和缩短版( e a n 8 ) 两种，我国的通用商品条码与其等效。我 们日常购买的商品包装上所印的条码一般就是e a n 码。u p c 码是美国统一代码委员会制 定的一种商品用条码，主要用于美国和加拿大地区，通用产品码( u p c 码) 和它在世界范 围的相似物国际物品码( e a n 码) 在零售业被非常广泛地使用，它们正在工业和贸易领域 中被广泛地接受。u p c e a n 码是一种全数字的符号法( 它只能表示数字) 。 3 9 码是一种可表示数字、字母等信息的条码，主要用于工业、图书及票证的自动化 管理，目前使用极为广泛。在工业、药物和政府应用中最常见的是3 9 码，是一种字母与 第6 页 南京电大学颂i 研究生学位睦文第= 章条码技术介绍 数字混合符号法，它具有自我检验功能，能够提供不同的长度和较高的信息安全性。作为 一种字母与数字混合符号法，3 9 码除有数字外，还能够支持大写字母并有一些标点符号。 1 2 8 码是一种更便捷的符号法能够代表整个a s c i i 字母系列。它提供一种特殊的“取 重密度”的全数字模式并有高信息安全性能。1 2 8 码正在逐渐代替3 9 码。h i b c c 和统一 编码委员会( u c c ) 已接受一种特殊版本的1 2 9 码( u c c ，e a n 1 2 8 ) 用来进行送货箱的标 记。在a n s i 的送货箱标记标准中也承认u c c ，e a n - 1 2 9 码。在需要将序号、批量号和其 它有关信息输 到产品标签上的应用中使用u c c ，e a n 1 2 8 码的趋势有进一步的发展。库 德巴码也可表示数字和字母信息。主要用于医疗卫生、图书情报、物资等领域的自动识别。 2 2 二维条码技术简介 一维条码所携带的信息量有限，如商品上的条码仅能容纳1 3 位( e a n _ 1 3 码) 阿拉伯 数字，更多的信息只能依赖商品数据库的支持，离开了预先建立的数据库，这种条码就没 有意义了，因此在一定程度上也限制了条码的应用范围。基于这个原因，在9 0 年代发明 了二维条码。 二维条码除了具有一维条码的优点外，同时还有信息量大、可靠性高，保密、防伪性 强等优点”。二维条码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内 表达大量的信息。 目前二维条码主要有p d f 4 1 7 码、c o d “9 码、c o d e l 6 k 码、d a t a m a r x 码、m a x i c o d e 码、q rc o d e 码等，主要分为堆叠或层排式和矩阵或棋盘式两大类。 2 2 1二维条码的分类 二维条码可以分为堆叠式二维条码和矩阵式二维条码，如图2 2 。堆叠式，行排式二 维条码形态上是由多行短截的一维条码堆叠而成矩阵式二维条码以矩阵的形式组成，在矩 阵相应元素位置上用“点”表示二进制“l ”，用“空”表示二进制。0 ”，由“点”和“空，的排 列组成代码。 删i 圈鬻 图2 2 = 维条码 第7 页 鬻 麟勰鹾鳞 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章条码技术介绍 1 堆叠式行排式二维条码 堆叠式行排式二维条码( 又称堆积式二维条码或层排式二维条码) ，其编码原理是建立 在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等 方面继承了一维条码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容。但由于行数 的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。 有代表性的行排式二维条码有：c o d e1 6 k 、c o d e4 9 、p d f 4 1 7 等。 2 矩阵式二维码 矩阵式二维条码( 又称棋盘式二维条码) 它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中 的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点( 方点、圆点或其他形状) 的出现表示 二进制“l ，点的不出现表示二进制的“2 ，点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表 的意义。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新 型图形符号自动识读处理码制。 具有代表性的矩阵式二维条码有：c o d eo n e 、m a x ic o d e 、q rc o d e 、d a t am a t r i x 等。 在目前几十种二维条码中，常用的码制有：p d f 4 1 7 二维条码，d a t am a t r i x 二维条码， m a x i c o d e 二维条码，q r c o d e ，c o d e4 9 ，c o d e1 6 k ，c o d eo n e ，等，除了这些常见的二维条码之 外，还有v e r i c o d e 条码、c p 条码、c o d a b l o c kf 条码、田字码、u l t r a c o d e 条码和a z t e c 条码。 2 2 2二维条码的特点 1 高密度编码，信息容量大：可容纳多达1 8 5 0 个大写字母或2 7 1 0 个数字或11 0 8 个 字节，或5 0 0 多个汉字，比普通条码信息容量约高几十倍。 2 编码范围广：该条码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息 进行编码，用条码表示出来；可以表示多种语言文字；可以表示图像数据。 3 容错能力强，具有纠错功能：这使得二维条码因穿孔、污损等引起局部损坏时， 照样可以正确得到识读，损毁面积达5 0 仍可恢复信息。 4 译码可靠性高：它比普通条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千 万分之一。 5 可引入加密措施：保密性、防伪性好。 6 成本低，易制作，持久耐用。 7 条码符号形状、尺寸大小比例可变。 第8 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第_ 二章条码技术介绍 8 二维条码可以使用激光或c c d 阅读器识读。 9 可影印及传真。 2 2 3 二维条码技术的应用范围 二维条码作为一种新的信息存储和传递技术，从诞生之时就受到了国际社会的广泛关 注。经过几年的努力，现已应用在国防、公共安全、交通运输、医疗保健、工业、商业、 金融、海关及政府管理等多个领域【1 1 。二维条码依靠其庞大的信息携带量，能够把过去使 用一维条码时存储于后台数据库中的信息包含在条码中，可以直接通过阅读条码得到相应 的信息，并且二维条码还有错误修正技术及防伪功能，增加了数据的安全性。二维条码可 把照片、指纹编制于其中，可有效地解决证件的可机读和防伪问题。因此，可广泛应用于 护照、身份证、行车证、军人证、健康证、保险卡等。美国亚利桑纳州等十多个州的驾驶 证、美国军人证、军人医疗证等在几年前就已采用了p d f 4 1 7 技术。将证件上的个人信息 及照片编在二维条码中，不但可以实现身份证的自动识读，而且可以有效的防止伪冒证件 事件发生。菲律宾、埃及、巴林等许多国家也已在身份证或驾驶证上采用了二维条码，我 国香港特区护照上也采用了二维条码技术。另外在海关报关单、长途货运单、税务报表、 保险登记表上也都有使用二维条码技术来解决数据输入及防止伪造、删改表格的例子。在 我国部分地区注册会计师证和汽车销售及售后服务等方面，二维条码也得到了初步的应 用。 2 3 q r 码的编解码理论介绍 q rc o d e 码是由日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵式二维条码符号， 它除具有一维条码及其他二维条码所具有的信息容量大、可靠性高、可表示汉字及图像多 种文字信息、保密防伪性强等优点外，还可高效地表示汉字，相同内容，其尺寸小于相同 密度的p d f 4 1 7 条码。目前市场上的大部分条码打印机都支持q rc o d e 条码。 其主要特点概括如下【1 0 l ： ( 1 ) 超高速识读 从q r 码的英文名称q u i c kr e s p o n s ec o d e 可以看出，超高速识读是q r 码的主要特点。 用c c d 二维条码识读设备，每秒可识读3 0 个q r 码字符；对于含有相同数据信息的p d f 4 1 7 条码字符，每秒仅能识读3 个条码字符：对于d a t am a r t i x 矩阵码，每秒仅能识读2 3 个 条码字符。q r 码的超高速识读特性使它适宜应用于工业自动化生产线管理等领域。 ( 2 ) 全方位识读 q r 码具有全方位( 3 6 0 。) 识读特点，这是q r 码优于堆叠式二维条码如p d f 4 1 7 条码 第9 页 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一二章条码技术介绍 的另一个主要特点。 ( 3 ) 能够有效地表示汉字 q r 码用特定的数据压缩模式表示中国汉字和日本字，其专有的汉字模式更加适合我 国应用。它仅用1 3 b i t 可表示一个汉字，而p d f 4 1 7 条码、d a t am a r t i x 等二维条码没有特 定的汉字表示模式，需要用1 6 b i t ( - - 个字节) 表示一个汉字。因此q r 码比其他的二维条码 表示汉字的效率提高了2 0 。q r 码可以高效地表示汉字，对相同内容进行编码，得到的 q r 码尺寸小于相同密度的p d f 4 1 7 条码。目前市场上大部分条码打印机都支持q r 码。 图2 3 为q r 码版本l 符号的一个示例。 图2 - 3q r 码符号示例 2 3 1 q r 码基本特性 归纳q r 码的一些基本特性如表2 - l 所示： 第l o 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条妈技术介绍 表2 - iq r 码的基本特性 符号规格 2 1 2 1 模块( 版本1 ) 1 7 7 x1 7 7 模块( 版本4 0 ) ，每一版本符号比前一版本 符号每边增加4 个模块。 编码字符集 ( 1 ) 数字型数据( 0 9 ) ( 2 ) 字母数字型数据( 数字0 9 ；大小写字母a z ；9 个其它字符s p a c e ，$ ， ，+ ，一，：) ( 3 ) 8 位字节型数据( a s c i i 字符集) ( 4 ) 中国汉字字符( g b 2 3 1 2 图形字符代码表示的字符集，其中q r 码中中国 汉字字符值为a i a i f a f e ，可以压缩为1 3 位) 数据表示方法深色模块表示二进制l ，浅色模块表示二进制0 纠错能力( 1 ) l 级：约可纠错7 的数据码字 ( 2 ) m 级：约可纠错1 5 的数据码字 ( 3 ) q 级：约可纠错2 5 的数据码字 ( 4 ) h 级：约可纠错3 0 的数据码字 独立定位功能具备 掩模 可以使符号中的深色模块和浅色模块的比例接近l ：l ，使得因相邻模块的 排列造成译码困难的可能性降为最低 结构链接 冗讦把数据文件最多用1 6 个q r 码行号在逻辑上连绥地表不，以仕蒽明顺 序扫描，而原始数据能正确地重新连接起来。 扩充解释 使得符号可以表示缺省字符集以外的数据( 如阿拉伯字符、希腊字母等) ，以 及其他数据解释( 如用一定的压缩方法表示的数据) 或者对行业特点的需要 进行编码。 本文中对q r 码的符号版本用v - e 的方式表示，其中v 表示版本号( t - - 4 0 ) ，e 表示纠 错等级( l ，m ，q ，h ) 。 2 3 2 q r 码的码图结构 q r 码符号是一个由正方形模块组成的正方形阵列，该阵列包括编码区域( 由格式信息、 版本信息以及数据和纠错码字组成) 和功能图形( 由寻像图形、分隔符、定位图形以及校正 图形组成) ，编码区域用于对数据或纠错码字进行编码的区域，而功能图形是指符号中用于 符号定位与特征识别的特定图形。符号周围是空白区，以q r 码版本7 为例，它的符号结 构图如图2 4 所示。 第l l 页 自i 邮电大掌颂十研究生学位论女第= 章条酣技术舟绍 坠? 噗求篇。 言照： 苗f 珂 跫黧 图2 - 4 q r 码结构图 1 、寻像图形 寻像图形包括三个相同的位置探测图形，分别位于符号的左上角、右上角和左下角 如图所示，每个位置探测图形是由三个重叠的同心正方形组成，它们分别为7 7 个深色 模块、5 x 5 个浅色模块和3 x 3 个深色模块，如图2 5 所示，位置探铡图形的模块宽度比 为1 ：1 ：3 ：l ：1 。在q r 码符号中的其他地方遇到类似图形的可能性极小，因此可以在 视场中迅速地识别可能的q r 码符号。识别组成寻像图形的三个位置探测图形可以明确地 确定视场中符号的位置和方向。 回旷 图2 5 位置探铡图形结构 2 、分隔符 在每个位置探测图形和编码区域之间有宽度为1 个模块的分隔符，它全部由浅色模块 组成。分隔符用于将位置探测图形与符号的其余部分分开。 3 、定位图形 水平和垂直的定位图形分别为一个模块宽的一行和一列，由深色与浅色模块交替组 成，其开始和结尾都是深色模块，如图2 _ 4 所示，水平定位图形位于符号上部的两个位置 探测图形之间，在第7 行：垂直定位图形位于符号左侧的两个位置探测图形之间，在第7 列。它们的作用是确定符号的密度和版本，提供决定模块坐标的基准位置。 4 、校正图形 校正图形是用于确定矩阵符号位置的一个固定的参照图形，在图像有一定程度损坏的 第1 2 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍 情况下，译码软件可以通过它同步图像模块的坐标映像。每个校正图形可看作是3 个重叠 的同心正方形，由5 5 个深色模块、3 3 个浅色模块以及位于中心的一个深色模块组成， 校正图形的数量根据q r 码符号的版本号而定，版本2 以上( 含版本2 ) 才有校正图形。 5 、格式信息 格式信息是包含符号所使用的纠错等级以及掩模图形信息的功能图形，用于对编码区 域的剩余部分进行译码。它在符号中出现两次以提供冗余，因为它的正确译码对整个符号 的译码至关重要。格式信息为1 5 位，其中有5 个数据位，包括纠错等级指示符和掩模图 形参考；1 0 个是用b c h ( 1 5 ，5 ) 编码计算得到的纠错位。格式信息的计算方法详见3 2 7 。 6 、版本信息 版本信息用于表示符号规格的系列，同时也可指示符号所应用的纠错等级。某一特定 版本是根据它在所允许的规格系列中的位置来确定。它是一个由6 个数据位和1 2 个b c h 纠错位组成的1 8 位的序列。由于版本信息的正确译码是整个符号正确译码的关键，因此 版本信息在符号中也出现两次以提供冗余。6 行3 列模块组成的版本信息块放在定位图 形的上侧，其右侧紧邻右上角位置探测图形的分隔符，3 行6 列模块组成的版本信息块 放在定位图形的左侧，其下侧紧邻左下角位置探测图形的分隔符。 7 、空白区 空白区为环绕在符号四周的4 个模块宽的区域，其反射率应该与浅色模块相同。 2 3 3 q r 码的编码模式 q r 码的编码字符集包括数字型数据、字母数字型数据、8 位字节型数据、中国汉字字 符【1 n 1 12 1 。对应不同的字符集，q r 码采用不同的模式来进行编码。 l 、扩充解释( e c i ) 模式 扩充解释( e c i ) 协议允许输出的数据流有与缺省的字符集不同的解释。e c i 协议在一些 码制中有一致的定义。q r 码支持以下4 类： ( 1 ) 国际字符集： ( 2 ) 用于诸如加密或压缩等一般目的的解释； ( 3 ) f f j 环系统中用户自定义的解释； ( 4 ) 无缓冲模式中用于结构链接的控制信息。 e c i 协议在a i me c i 规范中有全面的定义，协议提供了一个对印刷前和译码后的字节 值进行详细解释的方法。q r 码缺省的解释是e c l 0 0 0 0 2 0 ，表示a s c i i 字符集。如果最初 的e c i 不是缺省的e c i ，则将输入数据转换为一个位流时，在其前面要有e c i 标头，后接 第1 3 页 南京邮电大学硕j ? 研究生学位论文第_ 二章条码技术介绍 一个或多个不同模式的段，每段的结构包括模式指示符、字符计数指示符和数据位流。如 果是以缺省的e c i 开始，位流的开头则为第一个模式的指示符。 e c i 标头应包含e c i 模式指示符和e c i 指定符。表2 2 给出了每个模式的模式指示符， 表2 3 给出了采用不同模式和符号版本的字符计数指示符的长度。 表2 2 模式指示符 模式指示符模式指示符 e c i 模式 o l l l 中国汉字模式 1 1 0 1 数字模式 0 0 0 1 结构链接 0 0 1 l 字母数字模式 0 0 1 0刚c l 0 1 0 1 ( 第一位置) 8 位字节模式 0 l o o 1 0 0 1 ( 第二位置) 表2 3 字符计数指示符的长度 版本数字模式字母数字模式8 位字节模式中国汉字模式 l 9 1 0988 l o 2 6 1 21 11 61 0 2 7 4 0 1 41 31 61 2 由于本课题研究的编码算法中采用的编码模式都是根据缺省的e c i 有关的字符值与任 务定义的，所以对e c i 模式不再详述。 2 、数字模式 数字模式对十进制数字0 9 编码，通常的密度为每l o 位表示3 个字符。 数字模式编码将输入的数据每三位分为一组，将每组数据转换为l o 位二进制数。如 果所输入的数据的长度不是3 的整数倍，所余的1 位或2 位数字应分别转换为4 位或者7 位二进制数，将二进制数据连接起来并在前面加上模式指示符( 0 0 0 1 ) 和字符计数指示符。 数字模式中，字符计数指示符的长度如表2 3 中定义的有1 0 、1 2 或1 4 位，输入的数据字 符的数量转换为l o 、1 2 或1 4 位二进制数后，放置在模式指示符之后，二进制数据序列之 上 和。 例如( 符号版本1 h ) ，输入的数据为0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 分为3 位一组：0 1 23 4 56 7 89 将每组转换为二进制数：0 1 2 - 0 0 0 0 0 0 11 0 0 3 4 5 - 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 6 7 8 _ 1 0 1 0 1 0 0 1 l o 9 - - 1 0 0 1 将二进制数连接为一个序列：0 0 0 0 0 0 1 1 0 00 1 0 1 0 1 1 0 0 11 0 1 0 1 0 0 1 1 01 0 0 1 第1 4 页 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍 将字符计数指示符转换为二进s j l ( 版本1 h 为l o 位) ：输入字符数1 0 - 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 加入模式指示符0 0 0 1 以及字符计数指示符后的二迸制序列为：0 0 0 10 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 1 0 1 0 11 0 0 11 0 1 0 1 0 0 11 01 0 0 1 数字模式中位流长度计算公式为： b = 4 + c + i o ( dd i v3)+r(2-1) 其中b = 位流的长度：c = 字符计数指示符的长度( 见表2 3 ) ；d = 输入的数据字符数； 当dm o d3 - - 0 时r _ 0 ；当dm o d3 = 1 时r _ 4 ；当dm o d3 = 2 时r = 7 。 3 、字母数字模式 字母数字模式对4 5 个字符的字符集进行编码，即1 0 个数字( 0 - - 9 ) 、2 6 个字母字符( a z ) 以及9 个符号( s p a c e ，$ ，+ ，一，：) ，通常情况下两个输入字符用1 1 位表示。 该模式对每一个输入的字符赋予一个数值，它的值为0 到4 4 ，详见附录a 表a 1 的字母 数字模式编译码表。 将每两个输入的数据分为一组，用1 1 位二进制表示，将前面字符的值乘以4 5 与第二 个字符的值相加，将所得的结果转换为l l 位二进制数。如果输入数据的字符数不是2 的整 数倍，将最后一个字符编码为6 位二进制数。将所得的二进制数据连接起来并在前面加上 模式指示符( 0 0 10 ) 和字符计数指示符，在字母数字模式中，字符计数指示符的长度为9 ，11 或1 3 位，见表2 3 。将输入的字符个数编码为9 ，1 1 或1 3 位二进制数，放在模式指示符 之后二进制数据序列之前。 例如( 符号版本1 一h ) ，输入的数据为：p d f4 1 7 ( f 与4 之间有s p a c e )