（计算机应用技术专业论文）中心区域可视二维条码的设计和编码方法.pdf

学位论文独创性声明 i f j i iiii lllli ji l l liiiil 18 9 0 0 3 2 本人承诺；所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文中除特别加以标注 和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本 人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 重圣翠 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借阅。本文授权 辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库并进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 童莘辈 指导教师签名： 签名日期： 矶f f 年彭月q 日 辽宁师范大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术和经济全球化的不断发展，条码技术的应用范围越来越广泛。由于一 维条码受到信息容量小的限制，需要依赖数据库，因此使用具有一定的局限性。为解决 这一问题，出现了二维条码技术。二维条码是一种表达数据的图形符号，是实现商品标 识、身份证件等信息自动存储、携带并可用机器自动识读的重要手段。二维条码具有信 息容量大、可靠性高、纠错能力强等特点，已被广泛应用于商业、交通运输、工业生产、 公共安全和外交等领域。 但是传统的条码，不论是一维条码，还是二维条码，它们都只是抽象信息的载体， 外观比较单调，用户无法从条码本身而知道其表达的意义。因此研究具有可视化意义的 二维条码可以弥补传统条码外观的不足，目前国内外已有一些关于可视二维条码的研 究。本文设计了一种新型的可视二维条码结构，并给出了具体的编码方法。由于可视二 维条码是建立在传统的二维条码基础上的，因此本文的研究工作是从研究传统的二维条 码编码原理、符号结构以及识别原理入手，然后再研究可视二维条码的相关技术。 本文的研究内容主要包括中心区域可视二维条码的结构设计、编码方法。根据人类 视觉选择性注意机制设计了由中心编码区域和周边编码区域组成的中心区域可视二维 条码，明显地提高了条码的整体信息容量。基于可视二维条码的模式编码方法，提出了 面向模式编码的误差扩散方法，保持了载体图像的分辨率。实验结果表明，本条码不仅 具有较好的视觉效果，而且具有较大的信息容量。 关键词：可视二维条码；视觉选择性注意机制；模式编码；误差扩散 中心区域可视二维条码的设计和编码方法 d e s i g na n de n c o d i n gm e t h o do fc e n t r a lr e g i o n ir 1r n 1 、1 vl s u a l1w o - d l m e n s l o n a l b a r c o q e a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n de c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n , b a r e o d e t e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y b e c a u s eo n e - d i m e n s i o n a lb a r c o d e ( 1 d b a r c o d e ) i n f o r m a t i o nc a p a c i t yi ss m a l l ，a n di th a st or e l yo nd a t a b a s e ，t h u si tc a l l tm e e tt h e d e m a n d so fp e o p l e t os o l v et h i sp r o b l e m , t w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d e ( 2 db a r c o d e ) t e c h n o l o g y w a si n v e n t e d 2 db a r c o d ei sas y m b o lw i t hi n f o r m a t i o n , w h i c hi sa l li m p o r t a n tm e a n so f s t o r i n g i n f o r m a t i o n a u t o m a t i c a l l y , c a r r y i n gi n f o r m a t i o n , a n dr e a d i n gb y m a c h i n e a u t o m a t i c a l l y t h ei n f o r m a t i o nc a l lb ep r o d u c ti d e n t i f i c a t i o n , i d e n t i t yd o c u m e n t sa n ds oo n 2 db a r c o d eh a sh i g hi n f o r m a t i o nc a p a c i t y , h i 曲r e l i a b i l i t y , h i 曲e l l o rc o r r e c t i o na n do t h e r c h a r a c t e r i s t i c s u n t i ln o w ，2 db a r c o d eh a sb e e nu s e d w i d e l y , s u c h 嬲c o m m e r c i a l ， t r a n s p o r t a t i o n , i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , p u b l i cs e c u r i t ya n dd i p l o m a t i cf i e l d s h o w e v e r , b o 也t h et r a d i t i o n a l1db a r c o d ea n d2 db a r c o d eo n l yr e p r e s e n ti n f o r m a t i o n , w i t h o u tv i s u a l l ys i g n i f i c a n ta p p e a r a n c e t h u s ，t h e i ra p p e a r a n c e sa r eb o r i n g , a n dp e o p l ec a n t k n o ww h a tk i n do fi n f o r m a t i o ni si m p l a n t e di nt h e mf r o mt h e m s e l v e s i no r d e rt oo v e r c o m e s u c hd r a w b a c ko ft h ec o n v e n t i o n a lb a r c o d e ，r e c e n t l ys o m ev i s u a l l ys i g n i f i c a n tb a r c o d e sh a v e b e e np r o p o s e d t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e l 啊s u a l2 db a r c o d es t r u c t u r e ，a n dg i v e sas p e c i f i c e n c o d i n gm e t h o d a sv i s u a l2 db a r c o d ei sb a s e do nt h et r a d i t i o n a l2 db a r c o d e ，t h i sp a p e rf i r s t s t u d i e st h ee n c o d i n gt h e o r y , s y m b o ls t r u c t u r e ，a n dr e c o g n i t i o np r i n c i p l eo ft h et r a d i t i o n a l2 d b a r c o d e ，a n dt h e ns t u d i e s 、，i s u a l2 db a r c o d er e l a t e dt e c h n o l o g i e s t h i ss t u d ym a i n l yi n c l u d e st h es t r u c t u r ed e s i g no fc e n t r a lr e g i o nv i s u a l2 db a r c o d e ，a n d t h ee n c o d i n gm e t h o d a c c o r d i n gt ot h eh u m a n 访s u a ls e l e c t i v ea t t e n t i o nm e c h a n i s m , c e n t r a l r e g i o n 、，i s u a l2 db a r c o d ei sd e s i g n e d , w h i c hi sc o m p o s e do fc e n t e re n c o d i n ga r e aa n d s u r r o u n d i n ge n c o d i n ga r e a t h eo v e r a l li n f o r m a t i o nc a p a c i t yo ft h eb a r c o d ei si n c r e a s e d o b v i o u s l y b a s e d o nt h e p a t t e r ne n c o d i n g m e t h o d o fv i s u a l2 db a r c o d e ，p a t t e r n e n c o d i n g - o r i e n t e d e r r o rd i f f u s i o ni s p r o p o s e d t or e m a i nt h eb a s e i m a g er e s o l u t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eg e n e r a t e db a r c o d en o to n l yh a sb e t t e rv i s u a lq u a l i t y , b u t a l s oh a sl a r g e rc a p a c i t y k e yw o r d s ： v i s u a lt w o d i m e n s i o n a lb a r c o d e ；v i s u a ls e l e c t i v ea t t e n t i o nm e c h a n i s m ；p a t t e r n e n c o d i n g ；e r r o rd i f f u s i o n i i 辽宁师范大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 】 【 l 绪论1 1 1 一维条码技术简介l 1 2 二维条码技术简介2 1 3 二维条码的码制3 1 3 1 二维条码的码制3 1 3 2 二维条码与一维条码的比较5 1 3 3 二维条码与其他自动识别技术的比较6 1 4 二维条码的识别6 1 4 1 二维条码的识别技术6 1 4 2 常用的二维条码识读设备。7 1 5 国内条码研究现状7 1 6 可视二维条码的研究现状j 8 1 7 课题研究主要工作1 0 2 中心区域可视二维条码符号结构设计1 l 2 1q r 码符号结构。：1 l 2 1 1q r 码符号的相关术语1 l 2 1 2q r 码符号的特性1 2 2 1 3q r 码符号结构1 3 2 2q r 码数据编码1 5 2 2 1 编码方法综述1 6 2 2 2 编码规则1 7 2 3d a t am a t r i x 码符号结构1 8 2 4 中心区域可视二维条码符号结构设计1 9 2 4 1 基于模式编码的可视条码符号结构1 9 2 4 2 中心区域可视二维条码的符号结构设计2 0 3 面向模式编码的误差扩散2 2 3 1 有序抖动法( o r d e r e dd i t l l e r i n g ) 2 2 3 2 误差扩散法( e r r o rd i f f u s i o n ) 2 2 3 3 分块误差扩散法饵l o c ke n i o r $ f f u s i o n ) 2 4 中心区域可视二维条码的设计和编码方法 3 4 面向模式编码的误差扩散2 6 4 可视条码编码方法及生成系统2 9 4 1 编码模式的定义2 9 4 2 模式编码方法_ 2 9 4 3 中心区域可视二维条码的生成系统3 0 4 4 实验结果与分析3 2 4 5 中心区域可视二维条码的扩展应用3 4 结论3 5 参考文献3 6 攻读硕士学位期间发表学术论文情况3 9 致谢4 0 - i v 辽宁师范大学硕士学位论文 1 绪论 随着信息技术和经济全球化的不断发展，条码技术的应用范围越来越广泛。由于一 维条码受到信息容量小的限制，需要依赖数据库，因此使用具有一定的局限性。为解决 这一问题，出现了二维条码技术。二维条码是一种表达数据的图形符号，是实现商品标 识、身份证件等信息自动存储、携带并可用机器自动识读的重要手段【i 埘。二维条码具 有信息容量大、可靠性高等特点，已被广泛应用于商业、交通运输、工业生产、公共安 全和外交等领域d - 6 。但是传统的二维条码只是抽象信息的载体，外观比较单调，用户 无法从条码本身而知道其存储的内容。因此研究具有可视化意义的二维条码可以弥补传 统条码外观的不足，目前国内外已有相关技术的研究。 1 1 一维条码技术简介 ，条码技术是在信息技术与计算机技术基础上发展起来的一种自动识别技术，它是集 编码、印刷、数据采集、识别和处理等于一体的新兴综合性技术，己经成为信息数据自 动存储、识别的重要方法和手段。 2 0 世纪7 0 年代初一维条码问世，它是由一组规则排列的条和空以及对应的字符组 成的图形标识符号，用以表达一定的数据信息，并能够被特定的设备识读。一维条码只 在一个方向上存储信息( 通常是水平方向) ，而在另一个方向上不存储任何信息。 码制是指条码条和空的排列规则，不同的码制具有不同的应用领域。常用的一维条码 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 条码) 等，如图1 1 所示。 o1 2 3 4 5 67 8 9 0 1 2 iiliilill,llllllllllllliiiiiilillilllll 1 2 3 4 5 67 8 3 9 码 中心区域可视二维条码的设计和编码方法 0123 4 5 6 。5 ( c ) u p c - e 码 12 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 ( c ) 1 2 8 码 9 3 码 图1 1 一维条码常见码制 f i g 1 1 c o m m o no n e - d i m e n s i o n a lb a r c o d e 由于一维条码具有输入速度快、可靠性高、成本低等特点，因此受到各个领域的广 泛关注，很快应用到工业、国防、交通、医疗等各个领域。表1 1 列出了几种常见的一 维条码的主要应用领域： 表1 1 各种一维条码的主要应用领域 t a b 1 1t h em a b la p p l i c a t i o n so f v a r i o u so n e - d i m e n s i o n a lb a r c o d e 码制 主要应用领域 e a n 码 2 5 码 3 9 码和1 2 8 码 9 3 码 c o d a b a r 码 主要应用于商品标识 主要应用于包装、运输以及国际航空系统的机票顺序编号等 国内企业自定义的码制，主要应用于工业、票据自动化管理、图书管理等 类似于3 9 码，密度较高，能够替代3 9 码 主要应用于血库、图书情报、物流包裹等的跟踪管理 1 2 二维条码技术简介 虽然一维条码的出现极大地提高了人们的工作效率，但随着应用领域的不断扩大而 无法满足人们的需求。主要有以下几个原因： 一2 一 辽宁师范大学硕士学位论文 ( 1 ) 无法对物品进行描述。由于一维条码只在一个方向上表示信息，其信息容量较 小。因此在使用过程中，一维条码仅仅作为物品的标识信息，而无法对物品进行任何的 描述。它必须依赖后台数据库的存在才能提取相应的信息，进而明确这个物品标识的具 体含义。在没有数据库支持或者无法联网的时候，一维条码就无法发挥任何作用，也就 没有任何意义。 ( 2 ) 一维条码只能表达字母、数字信息，而无法表达汉字和图像信息。在实际应用 中，有些场合需要用条码来存储汉字和图像信息，因而显得十分不方便。 随着现代科学技术的发展，迫切要求条码在有限的几何空间内存储更多的数据信 息。为了满足这一需求，二十世纪8 0 年代末，可以在横向和纵向两个方向上表示信息 的二维条码问世了。相对于一维条码，二维条码不仅信息容量大，可以存储各种字符信 息，而且具有较强的纠错能力，因此一经问世就得到了广泛的应用。 国外从二十世纪八十年代初就开始研究二维条码，主要是针对如何在有限的空间内 存储更多的信息，即提高条码符号的信息密度。如今，二维条码的种类繁多，应用领域 也越来越广阔。国外很多国家已经将二维条码技术应用到商业、军事、交通运输、外交、 工业等领域。例如利用二维条码对包裹进行追踪管理、对各类票据报表进行管理、对货 物运输进行管理以及对生产线的自动化管理等阴。 1 3 二维条码的码制 要提高资料密度，又要有大的信息容量，有两种方法来解决：1 ) 在一维条码基础 上向二维条码的方向发展；2 ) 设计新的几何符号结构。因此同一维条码一样，二维条 码也有很多不同的码制。 1 3 1 二维条码的码制 根据二维条码的编码原理以及符号结构的差异，可将二维条码分为堆叠式或者行排 式二维条码( s t a c k e db a r c o d e ) 和棋盘式或者矩阵式二维条码( m a t r i xb a r c o d e ) 两大类 【8 】 ( 1 ) 堆叠式二维条码 堆叠式行排式二维条码的编码原理是建立在一维条码基础之上，是将两个或者多个 一维条码在纵向上堆叠而形成的。它在编码规则、识读方法、校验算法等方面继承了一 维条码的部分特点，而且识读设备、印刷技术与一维条码的技术相兼容。但由于是多个 行的堆叠，识读的时候需要对行进行判定，因而其译码算法与一维条码也不完全相同。 典型的行排式二维条码有p d f 4 1 7 码、c o d e l 6 k 、c o d e4 9 等。 中心区域可视二维条码的设计和编码方法 p d f 4 1 7 码：是一种多层、可变长度、具有高容量和纠错能力的二维条码，编码 字符集为全a s c i i 字符或者8 位二进制数据，并且可以表示汉字。是s y m b o l 公司于1 9 9 0 年设计的，英文全名是p o r t a b l ed a t af i l e ，中文意为“便携式数据文件”。之所以称之 为p d f 4 1 7 条码，是因为组成条码的每个符号字符都是由4 个条和4 个空共1 7 个模块 构成的。 c o d e l 6 k ：是一种多层、连续型可变长度的二维条码。可编码字符集为全部1 2 8 个a s c i i 字符，全部1 2 8 个扩展a s c i i 字符。每个符号的字符单元数为4 条和4 空。 c o d e4 9 ：是一种多层、连续型、可变长度的二维条码。可编码字符集为全部1 2 8 个a s c i i 字符。每个符号的字符单元数为3 条和3 空。 ( 2 ) 矩阵式二维码 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，在结构形体及元素排列上与代数矩阵具有相似的特征。它是以矩阵的形式组 成的图形符号，通过黑、白模块在矩阵中的不同分布对信息进行编码。在矩阵中的相应 元素位置上，用点的出现表示二进制“1 ，点的不出现表示二进制“o 。点的形状可 以是方点、圆点或者其他形状，点的不同排列确定了矩阵式二维条码所存储的数据信息。 m a x ic o d e 、d a t am a t r i x 、c o d eo n e 、q rc o d e 是典型的矩阵式二维条码。 除了以上提到的典型二维条码之外，还有很多种类的二维条码，图1 2 为几种常见 的二维条码图像。 ( a ) q r 码 黼熊 ( c ) p d f 4 1 7 码 一4 一 d a t a m a t r i x 码 ( d ) c o d e1 6 k 辽宁师范大学硕士学位论文 ( e ) m a x i c o d e 码c o d e 4 9 码 图1 2 常见二维条码 f i g 1 2 1 3 2 二维条码与一维条码的比较 我们从一维条码和二维条码的信息容量、对数据库的依赖性、应用领域、信息存储 密度等几个方面进行比较，二者的比较如下表1 2 所示。 表1 2 一维条码、二维条码比较 t a b 1 2c o m p a r i s o n so fi db a r c o d ea n d2 db a r c o d e 一5 一 中心区域可视二维条码的设计和编码方法 1 3 3 二维条码与其他自动识别技术的比较 二维条码与其他自动识别技术相比具有其独特的优势，表1 3 列出了二维条码与其 他自动识别技术的比较。 表1 3 二维条码与其他自动识别技术的比较 t a b 1 3 c o m p a r i s o n s o f 2 db a r c o d ea n do t h e ra u t oi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s 1 4 二维条码的识别 1 4 1 二维条码的识别技术 二维条码是图形化的编码符号，识别条码的时候需要用专用的设备，将条码符号中 存储的信息转换成计算机可识别的数字信息。二维条码的识读技术可以分为硬件技术和 软件技术两大部分，数据通信是通过软硬件技术结合来实现的。其中，硬件技术主要是 将条码符号所代表的数据转换成计算机可识别的数字信息。通常有两种识别方法：( 1 ) 一6 一 辽宁师范大学硕士学位论文 通过线性扫描器逐层扫描进行解码；( 2 ) 通过照相和图像处理对二维条形码进行解码。 对于堆叠式二维条形码，可以采用上述两种方法识读，但对绝大多数的矩阵式二维条码 则必须用照相方法识读，例如使用面型c c d 扫描器。软件技术主要是将识别到的数据 进行预处理、译码等。 1 4 2 常用的二维条码识读设备 二维条码的阅读设备根据阅读原理的不同可以分为以下几种【9 】： ( 1 ) 线性c c d 和线性图像式阅读器 可阅读一维条码和堆叠式二维条码。在阅读二维条码时需要沿条码的垂直方向扫过 整个条码，称为“扫动式阅读。 ( 2 ) 图像式阅读器 采用摄像方式将条码图像摄取后进行分析和解码，可阅读一维条码和所有类型的二 维条码，是一种高端设备。 ( 3 ) 带光栅的激光阅读器 可阅读一维条码和堆叠式二维码。阅读二维码时将光线对准条码，由光栅元件完成 垂直扫描，不需要手工扫动。 1 5 国内条码研究现状 由于二维条码技术与其他自动识别技术相比具有其独特的优势，因而它一出现就受 到了我国条码管理部门和相关政府部门的极大重视。中国物品编码中心对二维条码技术 的研究始于1 9 9 3 年，对国外几种常用的二维条码编译码等技术规范进行了后续的研究 【姗。随着我国市场经济的完善和信息科学技术的快速发展，国内对二维条码技术的需求 也日益增长。 基于对国外二维条码相关技术资料的消化理解和对二维条码技术研究的深入，中国 物品编码中心于1 9 9 7 年制定了g b t1 7 1 7 2 1 9 9 7 四一七条码国家标准【1 1 】，于2 0 0 0 年颁布了g b t1 8 2 8 4 2 0 0 0 快速响应矩阵码国家标准【1 2 】，也出版了一系列有关二维 条码技术的专著，如条码技术与应用、二维条码技术与应用等。除了中国物品 编码中心致力于二维条码的研究之外，我国许多科研单位、企业以及高校也都着手进行 二维条码技术的应用开发等研究。2 0 0 6 年，我国信息部正式批准颁布由武汉矽感科技有 限公司开发的紧密矩阵码( 简称c m 码) 【1 3 1 、网格矩阵码( 简称g m 码) 【1 伽两项二维 条码码制正式成为国家电子行业标准( s 胛1 1 3 4 9 - - - 2 0 0 6 、s j t1 1 3 5 0 - - - 2 0 0 6 ) ，从而填 补了中国自主知识产权二维条码标准的空白。c m 码和g m 码及其编解码方法也都申请 了中国专利。其中g m 码于2 0 0 8 年已经被国际标准组织a i mg l o b a l 批准成为二维条码 中心区域可视二维条码的设计和编码方法 国际标准，是唯一来自中国、拥有自主知识产权的二维条码国际标准。c m 码和g m 码 的多项技术指标超过国际上现有的同类码制，整体技术达到了国际先进水平，实用性强， 并且已在民航等领域得到了实际的应用。 二维条码技术在我国的应用也非常广泛，例如在邮政管理、物流追踪、信息安全、 财政管理、暂住人口管理、证件管理、电子票、火车票防伪、手机二维条码等方面都取 得了很好的效梨1 5 d 7 1 。2 0 1 0 年，我国火车票上的条码由一维条码改为了二维条码。火车 票上印制二维条码，不仅加强了车票防伪性，而且提高了工作人员的工作效率。香港一 家医院利用二维条码系统来核实病人身份，有效地避免了医疗化验抽取样本出错的事 故。在每次化验程序前，医护人员利用仪器扫描条码，提取病历及化验程序清单，核实 病人身份，确保每个化验程序都准确和安全。随着信息技术和经济的发展，人们对二维 条码认识的提高、理解的加深以及人们对产品不同需求的增加，二维条码技术在我国有 着更加广阔的发展前景。 1 6 可视二维条码的研究现状 传统的一维条码和二维条码都是由简单的黑白模块不同的分布组合而成，主要的缺 点都是外观比较枯燥单调，人眼无法通过条码符号本身而知道它所存储的信息内容是什 么。因此设计上种外观具有可视性的条码可以弥补传统条码外观的不足，目前国外已有 一些关于可视二维条码的研究，文献 1 8 2 8 1 设计了不同的可视二维条码。可视二维条 码可以分为嵌入式可视条码和图像条码两大类。嵌入式条码是通过一定的技术在传统的 二维条码图像内部直接嵌入商标等有意义的图像，例如文献 1 8 2 0 1 的条码；图像条码 是把数据信息隐藏在载体图像中，使数据信息和载体图像相关联，生成具有可视化意义 的二维条码，例如文献 2 1 2 8 】中的条码。 文献 1 8 2 0 】分别利用q r 码纠错能力强的原理设计了嵌入式可视二维条码，这种条 码虽然具有很好的可视效果，但是嵌入的图像本身并不承载信息，从而使图像与条码信 息之间无法关联。与相同版本的q r 码相比，由于嵌入图像需要较高的纠错级别，因此 降低了条码的信息容量。文献 2 3 1 结合二值约束双三角托普利兹矩阵( b i n a r yc o n s t r a i n e d d o u b l e - t r i a n g u l a rt o e p l i t z ) 和游程编码技术生成了一种可视条码，英文名称为“p a p e r w i d g e t s 。该条码的特点是规格很小，主要是应用在纸质品中，方便读者随时存储所需 要的信息。文献 2 4 】设计了一个生成外观具有视觉意义的二维条码系统，生成的条码称 为“图形标志码 ，该方法只适用于直方图具有双峰值的载体图像。d a m e r a v e n k a t a 等 结合分块误差扩散半色调技术和编码技术生成了一种图像条码瞄】，该条码不仅具有大的 信息容量而且具有载体图像的外观，但是由于编码时没有考虑图像的局部灰度分布等特 一8 一 辽宁师范大学硕士学位论文 征，视觉效果并不理想。蔡静等通过模板匹配的方法把信息嵌入到半色调图像中形成可 视条码刚，这种条码虽然可视效果好但是信息容量比较低。为了更好地平衡可视二维条 码的信息容量和可视效果之间的矛盾，我们曾结合分块误差扩散技术和无损信息隐藏技 术中的模式替换方法提出了模式编码的方法【2 7 2 8 】，根据纹理相似性和编码信息在载体图 像中的分布情况，以局部灰度一致为原则进行模式替换，生成可视二维条码。与文献 2 6 】 中的方法相比，信息容量有了一定的提高，同时也保持了较好的可视效果。由于对载体 图像采用了分块误差扩散半色调技术，降低了载体图像的分辨率，而且生成的可视二维 条码信息容量仍远低于传统的二维条码。 ( a ) 嵌入式条码【1 8 伽 ( b ) 图像条码哗叼 ( c ) 图像条码【2 3 】【2 7 】 图1 3 典型可视二维条码图像 r 中心区域可视二维条码的设计和编码方法 1 7 课题研究主要工作 本文在文献 2 7 】中提出的模式编码方法基础上设计了一种新型可视二维条码，即中 心区域可视二维条码。为了提高可视二维条码的信息总容量，提出了分区域编码的方法， 将中心区域设为可视图像编码区，周边区域设为普通编码区。为了保持载体图像的分辨 率，提高二维条码的可视性，提出了面向模式编码的误差扩散，根据图像局部灰度分布 特点和模式编码规则，采用点误差扩散方法实现载体图像半色调处理，较好地保持了载 体图像的分辨率。实验结果表明，这种条码设计不仅提高了可视二维条码的信息容量， 而且改善了可视效果。 本文内容包括研究q r 码的编码技术、误差扩散技术、可视条码模式编码方法，结 合误差扩散技术和模式编码方法生成了中心区域可视二维条码。本文的组织结构如下： 第一章：绪论。主要介绍了条码技术产生的背景、特点、识别技术等理论，以及国 内外二维条码技术的研究现状。同时介绍了几种典型的可视二维条码，并提出了本文的 主要研究内容。 第二章：介绍了q r 码和d a t am a t r i x 码的符号结构、q r 码的编码方法，设计了中 心区域可视二维条码的符号结构。 第三章：论述了半色调技术常用的几种方法：有序抖动法、误差扩散法、分块误差 扩散法，并提出了面向模式编码的误差扩散方法。 第四章：阐述了中心区域可视二维条码的编码方法，对实验结果进行了分析和比较。 结论部分对研究工作进行了总结与展望。 辽宁师范大学硕士学位论文 2 中心区域可视二维条码符号结构设计 二维条码是以模块为基本图形单位的，而可视二维条码的模式编码方法是用2 x 2 模块代表一位二进制信息，因此生成的条码信息容量比传统的二维条码低很多。为此， 我们对文献 2 7 提出的可视二维条码符号结构进行改进，设计了中心区域可视二维条码 符号结构。 2 1q r 码符号结构 从码制上看，如前文所述，q rc o d e 是一种矩阵式二维条码符号。其英文全称是 q u i c kr e s p o n s e ，中文名称是“快速响应矩阵码 ，它是由日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年研 制的。a i m 于1 9 9 7 年制订了q rc o d e 的国际标准【2 9 】，i s o i e c 于2 0 0 0 年制了q rc o d e 码的国际标准踟。 2 1 1o r 码符号的相关术语 q r 码符号有很多术语，以下是常用的相关术语，引自q r 码国家标准【1 2 】： ( 1 ) 版本( v e r s i o n ) 用于表示符号规格的系列。q r 码所允许规格系列为2 1 模块x 2 1 模块( 版本1 ) 1 7 7 模块1 7 7 模块( 版本4 0 ) 。它也可同时指示符号所应用的纠错等级。 ( 2 ) 功能图形( f u n c t i o np a t t e r n ) 符号中用于符号定位与特征识别的特定图形。 ( 3 ) 校正图形( a l i g n m e n tp a t t e m ) 用于确立矩阵符号位置的一个固定的参照图形，译码软件可以通过它在图像有中等 程度损坏的情况下，再同步图像模块的坐标映象。 ( 4 ) 定位图形( t i m i n gp a t t e r n ) 深色模块与浅色模块交错的图形，便于决定符号中模块的坐标。 ( 5 ) 位置探测图形( p o s i t i o nd e t e c t i o np a t t e r n ) 组成寻象图形的三个相同的图形之一。 ( 6 ) 编码区域( e n c o d i n gr e g i o n ) 符号中可以对数据或纠错码字进行编码的区域，没有被功能图形所占用。 ( 7 ) 掩模( m a s k i n g ) 在编码区域内，用掩模图形对位图进行x o r 操作，其目的是使符号中深色模块与 浅色模块数的比例均衡，并且减少影响图像快速处理的图形出现。 ( 8 ) 扩充解释( e x t e n d e dc h a n n e li n t e r p r e t a t i o n ( e c d ) 中心区域可视二维条码的设计和编码方法 在某些码制中，对输出数据流允许有与缺省字符集不同的解释的协议。 ( 9 ) 格式信息( f o r m a ti n f o r m a t i o n ) 一种功能图形，它包含符号使用的纠错等级以及使用的掩模图形的信息，以便对编 码区域的剩余部分进行译码。 ( 1 0 ) 版本信息( v e r s i o ni n f o r m a t i o n ) 包含符号版本的信息及该数据纠错位的功能图形。 ( 1 1 ) 分隔符( s e p a r a t o r ) 全部由浅色模块组成的功能图形，宽度为一个模块，用于将位置探测图形与符号的 其余部分分开。 2 1 2q r 码符号的特性 q rc o d e 除了具有其它二维条码所具有的大信息容量、高可靠性、保密性强等优点 外，还具有如表2 1 所列出的几个特性【3 1 1 ，q r 码与其他二维条码的比较见表2 2 。 表2 1q rc o d e 符号的基本特性 t a b 2 1t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fq rc o d es y m b o l 数据表示方法深色模块表示二进制1 ，浅色模块表示二进制0 。 符号规格 掩膜 纠错能力 扩充解释( 可选) 结构链接( 可选) 独立定位功能 数据类型与容量 ( 版本4 0 - l 级) 版本l ( 2 1 模块x 2 1 模块) 一版本4 0 ( 1 7 7 模块x 1 7 7 模块) 为了提高译码的准确率，在符号中添加掩膜使深色模块与浅色模 块的比例接近相同 4 种纠错等级，可恢复的码字比例为： h3 0 q 2 5 m1 5 l7 这种方式使符号可以表示缺省字符集以外的数据，以及其他解释 或者对行业特点的需要进行编码 可用1 - 1 6 个o rc o d e 条码符号表示 有 数字数据7 0 8 9 个字符 字母数字数据4 2 9 6 个字符 8 位字节数据2 9 5 3 个字符 日本汉字数据1 8 1 7 个字符 一1 2 辽宁师范大学硕士学位论文 空 据 正 表2 2q r 码与其他二维条码的比较 t a b 2 2t h ec o m p a r i s o no fq rc o d ea n do t h e rt w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d c 比较点p d f 4 1 7o r 码 d a t am a t r i x 符号结构堆叠式 矩阵式矩阵式 主要优点 大容量省空间、大容量且可省空间 以高速读取 开发公司s y m b o ld e n s ow a v ec im a t r i x 数字容量2 7 1 07 0 8 9 3 1 1 6 汉字容量5 5 4 1 8 1 77 7 8 汉字模式b i t 数1 6 b i t1 3 b i t 1 6 b i t 识读速度3 个秒 3 0 个秒2 3 个秒 识读角度 + 1 0 度、- 1 0 度3 6 0 度3 6 0 度 主要标准a i mi n t e r n a t i o n a la i mi n t e r n a t i o n a l a i mi n t e r l l a t i o n a l i s 0 i s 0i s 0 j i s 1 3q r 码符号结构 每个q r 码符号都是由编码区域和功能图形构成的一个正方形矩阵，符号的四周由 白区所包围，符号的基本单位是正方形模块。编码区域对信息数据进行编码，包括数 码字和纠错码字；功能图形不用于数据编码，包括寻象图形、定位图形、分隔符和校 图形。图2 1 为q r 码版本7 符号的结构副1 2 1 。 一1 3 一 中心区域可视二维条码的设计和编码方法 图2 1q r 码符号结构 f i g 2 1 t h es u - u c t l u eo f q rc o d es y m b o l 功能 图形 编码区 格式 ( 1 ) 符号版本和规格 q r 码一共有4 0 种不同规格的符号，其版本号为版本l 一版本4 0 。随着版本号的增 大，每一版本符号的四边都比前一版本符号的四边增加4 个模块。q r 码最小规格为2 1 2 1 模块，最大规格为1 7 7 1 7 7 模块。 ( 2 ) 定位图形 定位图形包括垂直定位图形和水平定位图形。垂直定位图形位于符号的第6 列，它 是由深色模块和浅色模块交替组成的一个模块宽的列，并且它的第一个模块和最后一个 模块都是深色模块。水平定位图形位于符号的第6 行，它的深浅模块排列顺序与垂直定 位图形相同。定位图形的主要作用是确定符号的密度、版本。 ( 3 ) 寻象图形 如图2 1 所示，q r 码符号的左上角、左下角和右上角是三个相同的位置探测图形， 它们构成了q r 码的寻象图形。在视场中识别到寻象图形，就可以确定视场中q r 码符 号的具体位置和旋转角度。 ( 4 ) 分隔符 、iliilijli_、iliiili 辽宁师范大学硕士学位论文 在每个位置探测图形和编码区域之间都有宽度为1 个模块且由全部由浅色模块组成 的分隔符。 ( 5 ) 校正图形 校正图形的数量随着符号的版本号的不同而变化。每个校正图形都是由5 5 个深 色模块、3 3 个浅色模块和位于中心的一个深色模块组成的。 ( 6 ) 编码区域 编码区域包括表示数据码字、纠错码字、版本信息以及格式信息的符号字符。 ( 7 ) 空白区 环绕在符号四周的4 个模块宽的区域是q r t 码符号的空白区，它的反射率应与浅色 模块相同。 2 2q r 码数据编码 q r 码的编码技术现在已经比较成熟，主要依据是国家标准g b t1 8 2 8 4 2 0 0 0 t 1 2 1 ， 本文对q r t 码的编码方法进