（计算机应用技术专业论文）人脸检测技术在二维条形码（qr码）中的应用.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 条形码技术在现代社会的商品流通中有羲举足轻重的作用，司1 以使商品流通的速度 加快，从i i 提；瓤i ：作效率。目前常用的维条形码有很多局限性，如存储数击晴景少，纠 错能力差等缺点，二维条形码的出现在很大程度 ：解决了这些润邀。二维条形鹃具有相 瓣大的数据容量、，j j 支持多釉数据类型并具有菲常h 色的纠锚能力，更能适合现代社会 的发展需要，睡由于：维条形码在应剧中成本低廉因而具有广泛的应用前景。 q r 码是”：维条形码中的种比较高效豹条码，本文有效地结合了人脸捡测技术和 q r 码生成技术，自动人脸检测系统提取到入脸翻像，并输入到q r 妈生成系统中，剥 ：目q r 码的高数掘容量和高纠错能力，不依靠任何数据库，将人脸数据存储在条形码之 中。论文第：二毒介绍了0 r 码的编码机制，部分绸成，纠错算法的计算方式；第三章介 绍自动人脸枪躐系统，孩系统能够通过背景比较和肤色过滤、涂抹和填充处理图像之 后，再利用基霸客差豹边界榆测方法自动检测蹦人腑的范倒，并快速准确地提取出人脸 图像数据，最后输入到0 r 码生成系统；第四章介绍将人脸图像转化为q r 4 码的实现过 程，主要步骤包括设讲0 r 码生成系统的数据结构、数榴码和纠错码的编码、i t 算输入 码字的顺序、计算码字写入的位嚣、对q r 码进行掩模处理算放蛩功模块、格式信息 和版本信息。 论文最后给出了实验结采，即被检9 i 出的人脸阁像和生成的条形码。为了验证实验 结果的准确性，将从0 i t 码中读取 n 来的人脸劁像与输入的人黔圈像进行比较，可以得 ：魏口口使在部分q r 码被损坏的情况f ，人脸图像仍卅。被准确地读取。 关键词：人脸检测技术，q r 码，纠错算法 北方工业大学硕士学位论文 t h ea p p l i c a t i o no f f a c ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yi nt w o - d i m e n s i o n a l b a rc o d e ( q rc o d e ) a b s t r a c t b a rc o d et e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec o m m o d i t yc u r r e n c yi nm o d e r n s o c i e t y ，p i c k i n gu pt h ev e l o c i t yo fc o m m o d i t yc u r r e n c ya n di m p r o v i n g t h ew o r k i n ge f f i c i e n c y h o w e v e r t h eo n e d i m e u 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 v em a n y1 i m i t s ，s u c ha s1 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 d s oo n t h ei n v e n t i o no f t w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d es o l v et 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 w i t hc o m p a r a t i v e l yl a r g e c a p a c i t y ，t w o a i r n e n s i o n a lb a rb o d e sa r ea b l et or e s t o r em a n yk i n d so f d a t aa n dh a v ee x c e l l e n t c a p a b i l i t yo fe r r o rc o r r e c t i o n ，s ot h e yw i l la c c o m m o d a t et h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms o c i e t y b e r e ra n dh a v ea ne x t e n s i v ep e r s p e c t i v eo f a p p l i c a t i o nf o rt h e i rl o wc o s t q rc o d ei sa ne f f i c i e n to n eo fm a n yk i n d so ft w o d i m e n s i o n a lc o d e s i nt h i sp a p e r , t h e e f f e c t i v ec o m b i n a t i o no f f a c ed e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dq rc o d eg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yw i l lb e i n t r o d u c e d ，w h e r et h ea u t o m a t i cf a c ed e t e c t i o ns y s t e mg e tt h ef a c ei m a g e d a t aa n di n p u tt h ed a t a t ot h eq rc o d eg e n e r a t i o ns y s t e m t a k i n ga d v a n t a g eo fl a r g ed a t ac a p a c i t ya n de x c e l l e n te r r o r c o r r e c t i o nc a p a b i l i t yo fq rc o d e ，t h ef a c ei m a g ed a t ai sr e s t o r e di nt h eq rc o d e ，w i t h o u ta n y d e p e n d e n c eo nd a t a b a s e i nc h a p t e r 2 ，t h ee n c o d i n gr o l e so fq rc o d e ，c o m p o n e n t sa n dt h e c o m p u t a t i o no fe r r o rc o r r e c t i o na l g o r i t h ma r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r 3 t h e + a u t o m a t i c f a c e d e t e c t i o ns y s t e mw i l lb ei n t r o d u c e d t h es y s t e md e t e c t st h er e g i o no ft h ef a c et h r o u g h p r o c e d u r e s , i n c l u d i n gt h eb a c k g r o u n dc o m p a r i n g ，s m e a r i n g ，f i l l i n gi na n dd e t e c t i n gt h ee d g eo f f a c er e g i o nb a s i n go nt h ef a l l t h ef a c ei m a g ed a t ai si n p u t t e dt ot h eq rc o d eg e n e r a t i o n s y s t e m ，k e e p i n gt h ev e r a c i t ya n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e i nc h a p t e r4 ，t h ep r o c e d u r ei nw h i c h t h ef a c ei m a g ei sc o n v e r t e dt oq rc o d ew i l lb ep r o p o s e d t h em a i ns t e p si n c l u d ed e s i g n i n gt h e d a t as t r u c t u r e ，e n c o d i n gt h ed a t ac o d ea n de r r o rc o r r e c t i o nc o d e ，c o m p u t i n gt h eo r d e ro ft h e i n p u t t e dc o d ew o r d ，c o m p u t i n gt h ep o s i t i o nw h e r e t h ec o d ew o r di sw r i t t e ni n t ot h eq rc o d e ， m a s k i n gt h eq rc o d e ，d r a w i n gt h ef u n c t i o np a t t e r n ，v e r s i o ni n f o r m a t i o na n df o r m a ti n f o r m a t i o n i nt h ee n do f p a p e r , t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s ，i e d e t e c t e df a c ei m a g ea n dt h eg e n e r a t e dq r c o d e a l ei l l u s t r a t e d t h ei m a g er e s t o r e di nt h eq rc o d ea r er e a do u ta n dc o m p a r e dw i t ht h e i n p u r e df a c ei m a g et ov 丽母t h ec o r r e c t n e s so f t h e r e s u l to f t h ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ef a c ei m a g ec o u l db er e a do u tf r o mq rc o d ee x a c t l ye v e nf r o ms o m ed a m a g e dq r c o d e s k e yw o r d s ：f a c ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y , q rc o d e ，e r r o rc o r r e c t i o na l g o r i t h m 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得韭立王 业大学或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储甏： 矿知产见z 日 嗽专协 却6 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 直王、业盍堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权j b 左王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：掀吨踌 签字日期衅朋2 2 日 学位论文作者毕业后去向：对么氯 工作单位：码钮垫电导前限仑习 通讯地址：d k 氰j 荤淀己紫冲西谜 ，f 考集豪词际 b 彪g 曷 导师签名 签字日期 电话：d o 、j 占酃o 7 邮编：加d 矿孑7 北方工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 二维条形码技术概述 1 1 1 二维条形码技术的起源 1 9 7 4 年6 月2 6 日在美国的俄亥俄州特洛伊市的马什超级市场( m a r s h s u p e r m a r k e t ) 的一位收银员将1 0 包黄箭口香糖放在条形码扫描器中扫了一下，收银台 上自动显示出价格，这一简单的举动便给人类社会带来了一场自动识别方面的技术革 命，一个新的时代也由此诞生了! 自此，条形码开始对各个行业都产生了相当重要的作用，例如在w a l m a r t 的惊人 崛起中起到了关键性作用。 现在我们常见的商品包装上的条码就是一种一维条码u p c 码。它是由i b m 公司 在j o ew o o d l a n d 条形码的发明人创意的基础上设计出来的，这种条码自7 0 年代初期 问世以来，很快得到了普及并广泛应用到工业、商业、国防、交通运输、金融保险、医 疗保健、邮电及办公自动化等领域，在财富5 0 0 强企业中有8 0 9 0 的公司已经 使用了条形码系统，可以毫不夸张地说：整个世界经济离开条形码就难以运转。 一维条码信息容量很小，只能记录物品在数据库中的i d ，对数据库的依赖性强， 因而其应用范围受到了很大的限制。基于此原因，信息科学工作者2 0 世纪9 0 年代陆续 发明了许多种具有信息容量大、可靠性高、保密、防伪性强等优点的二维码。 1 1 2 二维码技术的特点 二维码是一种高密度、高信息含量的数据文件，是实现证件、卡片及表单等大容 量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的理想手段。与一维条码相比 较，二维码具有如下特点： 1 ，信息密度高、容量大 一个q r 二维码最多可以容纳约4 2 9 6 个文本字符，或7 0 8 9 个数字，或2 9 5 3 个字 节，或1 8 1 7 个汉字，而一个一维条码最多只能表示4 0 多个数字、字符或特殊符号。 北方工业大学硕士学位论文 2 ，编码范围广 二维码可将照片、指纹、掌纹、签字、声音、文字( 包括汉字) 等一切可数字化的信 息进行编码，这对于一维条码是根本不可能的。 3 ，保密、防伪性能好 二维码具有多重防伪特性。它可采用密码防伪、软件加密及利用所包含的信息如指 纹、照片等进行防伪，这对于一维条码也是根本不可能的。 4 ，译码可靠性高 一维条码的译码错误率约为百万分之二，p d f 4 1 7 二维码则不超过千万分之一。 5 ，纠错能力强 二维码采用了目前最先进的数学纠错理论，如当p d f 4 1 7 二维码破损面积不超过5 0 时，则条码中因沾污、破损等所丢失的信息仍能补译出来，而q r 码的最大纠错能力 也达到了3 0 。 1 1 - 3 二维码的标准化现状 自二维码技术发明的短短几年来，二维码为越来越多的标准化机构所推祟，如： 1 9 9 4 年被选定为国际自动识别制造商协会( a i m ) 标准；a n s im h l 0 8 1 9 9 6 年美国 标准化委员会( a n s d 已将二维码作为美国的运输包装的纸面e d i 的标准；c e n 1 9 9 7 年欧洲标准化委员会( c e n ) 通过了二维码的欧洲标准；国际标准化组织( i s o ) 与国际电工 委员会( 正c ) 的第一联合委员会第三十一分委员会已公布了其二维码标准。 国内的二维码技术研究曾被列为“九五”国家重点科技攻关项目，1 9 9 7 年1 2 月第 一个二维码国家标准四一七条码( g b p r1 7 1 7 2 1 9 9 7 ) j e 式颁布，第二个国家标准 q r 码( g b t1 8 2 8 4 - - 2 0 0 0 ) 也已于2 0 0 0 年1 2 月颁布。 1 1 4 二维码的应用举例 二维码作为一种新的信息存储和传递技术，从诞生之始就受到了世界各国信息业界 的广泛关注，经过几年的努力，现已广泛地应用在国防、公共安全、交通运输、医疗保 健、工业、商业、金融保险、海关及政府管理等领域。 2 北方工业大学硕士学位论文 在国际上，a i a g o d e t t e 一1 9 9 5 年北美和欧洲汽车工业组织己选定二维码为各种 生产及管倒纸面e d i 的标准；a a m v a 一1 9 9 5 年美国机动车管理局选定二维码作为其 管理车辆及驾驶员的机读标准，美国、加拿大现已在车辆年检、尾气检测、行车证年审 和驾驶证年审等方面，将二维码选为机读标准；t c i f 一美国工业论坛已将二维码列为 重要电讯产品的标识标准；e d i f i c e 一欧洲负责e d i 及条码在电子工业方面应用的工 业组织已将二维码定为管删纸面e d i 应用标准，并列入运输标识条码标签应用指南； 巴林一已将二维码定为身份证的机读标准，最近还将有一些国家陆续在身份证上选用 二维码；美国国防部d o d 一在新的军人身份证上采用二维码作为机读标准，将照片及 紧急医疗信息编入条码，大约1 6 ，0 0 0 ，0 0 0 多张军人卡( 包括军官证、士兵证、家属 证等) 已在7 0 0 多个世界各地的美军基地投入使用。另外，美国国防部还把二维码作为 后勤管理和纸面e d i 应用标准；西班牙税局在企业和个人的税务申报表上使用二维码技 术后，整个税务征管工作的报表处理效率提高了8 3 。 我国对香港恢复行使主权后，香港特区居民的护照上就采用了二维码技术。在我国 陆续应用二维码技术的例子有：银行金融汇票、上海大众桑塔纳汽车销售系统、2 0 0 0 年春“两会”( 全国人大和政协) 代表证、上海市2 0 0 1 年春夏季高招考生成绩通知单等。 除证件、报表外，在工业生产、国防、金融保险、医药卫生、商业、交通运输等领域， 二维码同样在国内也得到了广泛的应用。 1 1 5 二维码技术遇到的挑战和应用前景 二维码技术中遇到了多方面的挑战，在技术方面遇到的挑战主要是来自于近年来飞 速发展的一种i c 卡技术无线射频技术( f d ) 。客观地讲，在自动识别技术中，凡是 二维码能够实现的功能，i c 卡几乎都能够实现，因此甚至有人预言，二维码将被飞速 发展而且越来越廉价的i c 卡无情的取代。由于各种技术都有其生存的空间和一定的适 用范围与条件，二维码与无线射频技术也会在一定时期内保持各自的生存和应用空间。 由于二维码具有成本低，信息可随载体移动，不依赖于数据库和计算机网络，保密 防伪性能强等优点，并结合我国计算机应用较为普及，网络覆盖面较小，对证件的防伪 措施要求较高等具体情况，可以看出二维码在我国有着极其广阔、诱人的应用前景并极 具推广价值。主要应用有以下几个方面： 1 ，证件管理 北方工业大学硕士学位论文 由于二维码可以对照片或指纹进行编码，有效地解决了证件的可机读及防伪等问 题，因此可广泛地应用在护照、身份证、驾驶证、暂住证、行车证、军人证、健康医疗 证、保险卡、学生证等任何需要唯一识别个人身份的证件上。 2 ，执照年检 行车证、驾驶证的年审，各种工商营业执照、税务登记证、卫生检疫证、企事业代 码证、统计登记证等各种政府部门登记证件的年检，可以通过采用二维码解决年检登记 的计算机录入问题，节约了政府工作人员的时间，为企事业单位提供了良好的服务，还 有利于改善政府的服务和公众形象。 3 ，报表管理 海关报关单、税务报表、银行票据、保险登记表、医疗保健卡等任何需重复录入或 禁止伪造、删改的表格，都可以将表中填写的信息编在二维码中，实现表格的自动录入 并能防止篡改表中内容。 4 ，新闻出版 利用二维码可以对汉字或图片进行编码的特性，可以很容易地将图书在版编目数 据、版权信息、内容提要、防伪信息，甚至封面图案、作者照片及指纹等一切可以数字 化的信息编入二维码中，有效地解决了图书信息的可机读及真伪辨别问题。利用二维 码，图书管理、销售、收藏等单位只需几秒钟就可准确地完成在计算机上录入出版物编 目数据等信息。不仅节约了图书登记和图书管理人员的宝贵时间，还避免了人工录入易 发生错误的现象，确保其图书信息的可靠性，因此可广泛地应用于各类出版物。 5 ，货物的集装运输和包裹邮递 随着条码技术的不断发展，条码在包裹、货物运输上扮演了越来越重要的角色，特 别是近几年来，许多国家的运输公司纷纷采用一维条码和二维码相结合的标签，来实现 货物运输中的条码跟踪和信息传递。 二维码信息容量大，可以储存包裹、货物的详细信息，且容易打印，还可以根据需 要进行加密，从而有效地防止了数据的非法篡改。此外，由于二维码具有很强的自动纠 错能力，因此在实际的包裹运输中，即使条码标签受到一定的污损，二维码依然可以 北方工业大学硕士学位论文 正确地识读。二维码这些突出的特点，使之迅速被很多国家广泛地应用于邮政、铁路、 机场、水运码头等货物运输上，以此实现了货物运输的全过程跟踪，消除了数据的重复 录入，加快了货物运输的数据处理速度，降低了对计算机网络的依赖程度，从而实现了 物流管理和信息流管理的完美结合。 1 2 脸检测技术概述 l f 2 1 人脸检测技术概念 人脸检测( f a c ed e t e c t i o n ) 是指在输入图像中确定所有人脸( 如果存在) 的位置、 大小、位姿的过程。人脸检测作为人脸信息处理中的一项关键技术，近年来成为模式识 别与计算机视觉领域内一项受到普遍重视、研究十分活跃的课题。 1 2 2 人脸检测技术的发展 人脸检测问题最初来源于人脸识别( f a c er e c o g n i t i o n ) 。人脸识别的研究可以追溯 到上个世纪六、七十年代，经过几十年的曲折发展已日趋成熟。人脸检测是自动人脸识 别系统中的一个关键环节，但是早期的人脸识别研究主要针对具有较强约束条件的人脸 图像( 如无背景的图像) ，往往假设人脸位置已知或很容易获得，因此人脸检测问题并 未受到重视。近几年随着电子商务等应用的发展，人脸识别成为最有潜力的生物身份验 证手段，这种应用背景要求自动人脸识别系统能够对一般环境图像具有一定的适应能 力，由此所面临的一系列问题使得人脸检测开始作为一个独立的课题受到研究者的重 视。今天，人脸检测的应用背景已经远远超出了人脸识别系统的范畴，在基于内容的检 索、数字视频处理、视觉监测等方面有着重要的应用价值。 1 2 3 人脸检测技术的研究现状 目前，国外对人脸检测问题的研究很多，比较著名的有m i t ，c m u 等；国内的清 华大学、北京工业大学、中科院计算所和自动化所等都有人员从事人脸检测相关的研 究。而且，m p e g 7 标准组织已经建立了人脸识别草案小组，人脸检测算法也是一项征 集的内容。随着人脸检测研究的深入，国际上发表的有关论文数量也大幅度增长，如 i e e e 的f g ( i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo na u t o m a t i cf a c ea n dg e s t u r er e c o g n i t i o n ) 、 i c i p ( i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo i li m a g ep r o c e s s i n g ) 、c v p r ( c o n f e r e n c eo nc o m p u t e rv i s i o n a n dp a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 等重要国际会议上每年都有大量关于人脸检测的论文，占有关人 脸研究论文的近1 3 之多。 北方工业大学硕士学位论文 1 2 4 人脸检测技术的应用 人脸检测技术在现代社会中的应用十分广泛，主要应用于以下几个方面： 1 、安全监视 针对敏感场合( 如银行、商店、停车场) 开发的智能监控系统，能够每天连续2 4 小 时的实时监视，并自动分析摄像机捕捉的图像数据，当盗窃发生或发现到具有异常行为 的可疑的人时，系统能向保卫人员准确及时地发出警报，从而避免犯罪的发生。 2 、自动拍照 人脸检测技术可以应用到部i q z n 登记工作中，来人登记时，人脸检测系统可以自 动检测出来访者的人脸图像，并将其保存为档案，节约大量的人力和时间。 3 、身份验证 人脸检测技术和人脸识别技术可以应用于身份验证。如可以把人脸图像作为验证身 份的依据。在我国的“两会”期间，人脸检测识别系统被用来验证各个代表的身份；日 本的一些公司也开发出了有身份验证功能的手机，手机开机前要先检测人脸图像，判断 使用者身份，使用者必须通过手机的身份验证才能使用手机。该功能同样可以应用到汽 车和房屋防盗方面的产品。 1 2 5 人脸检测技术涉及的学科和理论 现阶段存在多种人脸检测的研究方法，需要多方面领域的知识来实现人脸检测功 能，主要涉及的学科和理论如下： 1 、数字图像处理 这是一门使用计算机对图像数据进行加工处理的学科，它主要有以下几方面的内 容：图像的数字化、图像分割、图像描述、图像增强、图像复原、图像压缩编码以及运 动图像的处理等。数字图像的各项内容渗透在人脸检测和跟踪的诸多环节中。 2 、神经网络 人工神经网络是为了用计算机模拟人脑而提出的模型。神经网络有许多具有非线性 映射能力的神经元组成，神经元之间通过权系数连接。网络的信息分布式就存在连接系 北方工业大学硕士学位论文 数中，使网络具有很高的容错性和鲁棒性。神经网络技术己被有效地使用到组合优化、 图像处理、模式识别、自动控制等广泛领域。 神经网络具有较强的分类能力。现今很多系统用神经网络分类技术来实现人脸的检 测，首先将待测图像分为若干个子图，然后将每个子图归一化后送入神经网络，用它来 判断每个子图是人脸还是非人脸。训练的过程也就是神经网络不断调整权值的过程。由 于神经网络的高鲁棒性，它能解决输入模式有噪声干扰和部分有缺损的问题，而且它具 有自组织、自适应的学习功能，所以神经网络技术对人脸检测问题显示出很大的优越 性。基于神经网络技术的人脸检测方法已成为了人脸检测研究领域中的一大重要分支。 3 、模式识别 模式是指事物及其信息。模式识别，就是通过计算机并使用数学方法来研究模式的 自动处理和判读。在人脸识别中，如果是个人人脸识别，则每一个人就是一个模式，预 先存在数据库早的图像就是样本：如果是性别识别，种族识别和年龄识别，则不同的性 别，种族或年龄分别构成一个模式：如果把图像中的每个子图都看作一个模式，则人脸 检测也是一个模式识别问题，要求正确的把每个子图模式归入人脸区域类或非人脸区域 类。 1 3 本课题的研究意义 虽然二维条形码有许多的应用，但是在实际使用中，仍然有许多问题需要解决和改 进，本课题将解决以下几个方面的问题： ( 1 ) 图像q r 码的自动生成 现在国内对条形码的应用主要侧重于文字，数字或者字母方面的q r 码的生成，如 商店在出售的商品上贴上记录商品号的条形码，或者图书馆在每个读者进入的时候从读 者借书证e 的条形码读出该读者的读者编号，再根据读者编号从数据库中读出读者的资 料( 包括相片) 。以上两个例子说明常规的条形码使用方式主要依赖数据库，而本课题将 人脸相片直接写入条形码，不依赖任何数据库，当使用时候可以直接从条形码中读出相 片，大大增加了条形码的方便性和安全性。 ( 2 ) 人脸图像的自动获取 北方工业大学硕士学位论文 本课题同时将人脸自动检测技术和条形码生成技术结合起来，以增大q r 码生成系 统的方便性。现在大多数情况下，人脸相片获取方式都是在某些特定的地方拍照，这种 方式操作时间较长，效率不高。本课题采用人脸自动检测技术可以实现在由摄像头拍摄 到的动态视频序列中自动圈定人脸范围并且提取出人脸图像，然后对人脸图像进行压 缩，生成相应的q r 码，这样可以大幅度提高工作效率。 1 4 论文结构 本论文在详细介绍q r 码生成系统的之前，先分别介绍了系统生成所需要的两个模 块：人脸检测模块和q r 码生成模块。 人脸检测模块提供用以生成q r 码的人脸图像数据。该模块可以在摄像头所摄取的 动态图像序列中实时、高效地圈定出人脸范围，并提取出人脸的图像数据。q r 码生成 模块将内存中的人脸图像数据，按照q r 码的编码机制，经过一系列的处理，生成可以 被识读的q r 码。 论文的第二章介绍了q r 码符号的基本组成，各个部分的摆放位置，功能，含义， 输入数据的模式，以及生成一个完整的q r 码需要经过的步骤，并且用一个实例来具体 说明。另外还介绍了q r 码中纠错计算的代数基础：有限域概念及在有限域上的加法和 乘法，最后介绍了用于格式信息和版本信息计算的b c h 码，和生成纠错码的r e e d - s o l o m o n 码。 论文的第三章描述了人脸检测模块。现阶段人脸检测技术的概况，难点和几个比较 常见的人脸检测方法。然后描述了本课题中使用的人脸检测技术的具体步骤和改进，以 及所取得的效果。论文的第四章详细介绍了本课题实现的q r 码生成系统的内容，其中 包括在人脸检测模块输出人脸数据之后，为生成q r 码所设计的数据结构，数据码的生 成和纠错码的计算流程，输出位流的计算，输出位在q r 码上的空问位置的确定，q r 码的各个图形的摆放位置的计算，格式信息和版本信息的获取等，最后给出与人脸检测 模块输出的人脸图像相对应的q r 码。通过读码器读出的q r 码中的图像也在本章结尾 显示出来，用来和原来的人脸图像进行比较。 北方工业大学硕士学位论文 2q r i 码的生成 本章将详细介绍生成一个q r 码的所需要完成的主要工作和需要考虑的因素，其中 包括生成q r 码的主要步骤，q r 码的各个组成图形及其作用，编码时候所需要的纠错 算法，以及可以提高q r 码可识读性能的掩模处理。在本章结尾，论文将用一个实例来 具体蜕明q r 码的生成过程。 2 1q r 码生成步骤 1 ) 数据分析 分析所输入的数据流，确定要进行编码的字符的类型。q r 码支持扩充解释，可以 对与缺省字符集不同的数据进行编码。q r 码包括几种不同的模式，以便高效地将不同 的字符子集转换为符号字符。必要时可以进行模式之问的转换，以便更高效地将数据转 换为二迸制位流。 2 ) 数据编码 对于采用的模式按照相应的规则，将数据字符转换为位流。当需要进行模式的转换 的时候，在新的模式开始前加入模式指示符进行模式转换，在数据序列后加入终止符， 将产生的位流按照每8 位一个的原则分成多个码字，必要时加入填充字符以填满按照版 本要求填满数据码字数。 3 ) 纠错编码 按需要纠错的码字序列分块，然后以块为单位生成相应的纠错码字，并将其写入到 数据码字序列后面相应的纠错码位置。 4 ) 构造最终信息 在每一块中置入数据和纠错码字，必要时加剩余位。 5 ) 在矩阵中布置模块 9 北方工业大学硕士学位论文 将寻像图形( 位置探测图形) ，分隔符，定位图形，校正图形一起放入矩阵 6 ) 掩模 用8 种掩模模式依次对符号的编码区域的位图进行掩模处理，评价得到的8 种结 果，选择最优的一种。 第七步格式和版本信息 生成版本信息( 如果需要) 和格式信息符号。 2 2q r 码中纠错算法 条码系统是一种数字通信系统。在信源端把需要通信的信息用编码器编码为二进制 形式并转换为图形，然后打印到标签或其它载体上，经过信息的传输之后，在信宿端由 译码器进行图形的识别和译码处理，还原出原始信息。在传输的过程中，会不可避免的 出现图形污损等干扰，影响译码器的译码。为此，还要人为在编码信息中加入一些冗余 度，使条码系统自动具有检错、纠错能力。这在通信系统中称为差错控制编码。 q r 码的高度纠错能力源于两种基于有限域( g f ( q ) ) 的纠错码r e e d - s o l o m o n 码和 b c h 码，前者用于生成对应于输入数据的纠错码，而后者用于对版本信息和格式信息 的纠错。本节先介绍的有限域的运算规则，然后在此基础上再具体介绍两种纠错码的计 算方法。 2 2 1 有限域 2 2 1 1 有限域域的概念 域f 是一个元素的集合，在集合上定义了两种运算：加和乘，满足下列性质： 加法性质包括： 1f 在加法下封闭。 2 满足结合律。 3 满足交换律。 4f 中含有一个加法恒元0 ，满足a + 0 = a 。 5 集合中的每一个元素a 都有一个加法逆元一a ，满足a + ( - - a ) ：o 。 乘法性质包括： 1 满足交换律 i o 北方工业大学硕士学位论文 2 满足结合律 3 满足乘加分配律 4 f 中含有单位元1 ，对f 中的任何元素a 都有a x l = a 。 5f 中任一非零元素都有乘法逆元。 域中的元素个数q 如果有限，就称之为有限域，也称之为g a l o i s 域，记为 g f ( q ) 1 2 。有限域g f 只有在q 为素数或者是素数幂的情况下刁咱b 构造。如果唧，p 为素数而m 为正整数，则可以由域g f 扩展到域g f ( p m ) ，称为g f ( p ) 的扩域。 2 2 1 2g f ( p m ) 的构造 一般来说g f ( p 。1 ) 是通过g f 上的多项式来构造的。即系数取自于g f 的多项 式。如f ( x ) = 口o + 口l x + + d 。工”；盯，g f ( p ) ，f = 0 ，l ，聆 域g f ( p m ) 有p m 一1 个元素，任何元素可以用二进制序列a 。口口：1 2 。表示。 域g f 证 m ) 有一个模多项式g ( x ) 。g f 0 ，) 中元素的加法为多项式的模p 加法，乘法为 模g ( x ) 的多项式乘法。 例如构造域g f ( 2 3 ) 模多项式为g = x 3 + x + 1 其中各个元素为 x 3 = x 3 m o d 伍3 + x + 1 ) ；) ，+ 1 ) ( 4 = x ( x 3 ) = x ( ) ( + 1 ) = x 2 + x x 5 暖+ x ) = 心+ x 2 ) m o d ( x 3 + x + 1 ) = x 2 + x + l x 嚎留+ x + 1 ) = 心+ x 2 + x ) m o d 掌+ x + 1 ) = x 2 + 1 x 7 岱2 + l 户心+ x ) m o d 9 3 + x + 1 ) = 1 = ) ( 0 北方工业大学硕士学位论文 构造结束之后的g f ( 2 3 ) 的元素如下表 表2 1g f ( 2 3 ) 域的元素表 幂表示多项式系数十进制数字 oo0 0 0o x o1 0 0 11 x lx 0 1 02 x 2x 21 0 04 x 3x + 10 1 1 3 ) ( 4x 2 十x1 1 06 x 5x + x + 11 1 17 x 6 x 2 + 1 l o 】5 2 2 1 3g f ( 2 5 6 ) 渤d 运算和乘运算 g f ( 2 5 6 ) 即g f ( 2 8 ) ，p = 2 ，m = 8 。 加法： 如果a ，b 是g f ( 2 5 6 ) 的元素，那么a + b = a b ； 例如： a = 1 4 1 l o = 1 0 0 0 11 0 1 2 b = 4 3 1 0 = 0 0 1 0 1 0 11 2 a + b = a “b = 1 0 1 0 0 1 1 0 2 = 1 6 6 1 0 该过程也可以用在g f ( 2 5 6 ) 上的多项式加法来运算，即多项式的模2 加法：两个多 项式相加，各个因子前的系数相加之后取模2 ，所得的结果为新多项式的这个因子的系 数。 如： 多项式a = x 1 0 + x 5 + x 4 + x 3 + 1 ，多项式b = x 9 斗x 8 + x 5 聃x + l 。 a + b = ( ( 1 + 0 ) m o d2 ) x 0 + ( ( 1 + o ) m o d2 ) x q ( 1 + o ) m o d 2 ) x 8 h ( 1 + 1 ) m o d2 ) x 5 + ( ( 1 + 1 ) m o d2 ) x ( ( 1 + o ) m o a2 ) x 3 + ( ( 1 + o ) m o d 2 ) x + ( ( 1 + 1 ) n o d2 ) 1 1 2 北方工业大学硕士学位论文 x l o + 拱+ ) 嗽3 + x 前面说过的g f ( 2 5 6 ) 1 4 1 + 4 3 也可以用这种方法进行加法运算。 a 的多项式形式为x 8 + x 3 + x 2 + 1 ，b 的多项式形式为x 5 + x 3 + x 1 + 1 ， a + b = x 8 十x 5 + 好+ x ( 1 6 6 的多项式表示) 乘法： 如果八b 是g f ( 2 5 6 ) 的元素，a x b 可以通过多项式形式计算： 设z a 和z b 分别是a 和b 在常规整数的唯一对应值 x z a x x z 噼= ( x c a + z b ) m o d 出5 ) m o dg ( x ) 刊x ) 与多项式“x ) 对应的十进制数就是a x b 在g f ( 2 5 6 ) 的结果。 例如： a = 7 2 ，b = 1 0 6 z a 2 2 6 ，z b = 4 0 g ( 炉x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + x + 1 得到x 2 2 6 x x 4 0 = ( x 2 6 6 删2 5 5 ) m o d g ( x ) = 啦摩7 + x 6 + x s + x 3 得到的结果为g f ( 2 5 6 ) 中的2 3 2 。 所以g f ( 2 5 6 ) 中7 2 x1 0 6 = 2 3 2 2 2 2 b c h 码 b c h 码是由霍昆海姆( h o c q u e n g h e m ) 、博斯( b o s e ) 和查德胡里( c h a u d h u f i ) 提出的纠 多个错误的循环码1 2 】。该码具有严格的代数结构，是目前为止研究得最为详尽，了解得 最为透彻，取得成果最多的一类码。而且，该码的编、译码电路较简单，易于工程实 现。在中、短码长下，b c h 码的性能接近理论上的最佳值。因而在实际的差错控制系 统中用得很普遍，是深受工程技术人员欢迎的一类线性分组码1 2 0 】。 用b c h 码纠错的方法就是用数据码作为一个在o f ( p ) 的多项式的系数，除以生成 的多项式，所得的余多项式的系数，就是纠错码。q r 码中的格式信息和版本信息都是 用b c h 码进行纠错的。 2 2 3r e e d s o l o m o n 码 r e e d s o l o m o n 码是b c h 码的推广，简称为r - s 码。b c h 码的码元取值为o f ( q ) 中 的元素，而r - s 码的取值为g f ( p m ) 的元素，其余纠错原理相同。 北方工业大学硕士学位论文 其生成多项式为 g ( x ) = 一a ) 一口2 ) o 一口2 ) ，t 为可纠正的错误的个数。 2 3 数据分析 分析输入数据，根据内容选择采用缺省或者其他适当的模式，对于每个序列编码。 从数字模式到汉字模式，每种模式的字符需要的位数依次增加。在符号中可以通过模式 的转换使数据的位流长度最短。数据的某些部分用种模式的编码可以比用多种模式编 码效率更高。例如：数字序列后跟随字母数字序列。理论上说，用每个数据字符所需的 位数最少的模式进行编码是最高效的，但每次模式转换时都需要有相关模式指示符和字 符计数器等形式的附加开销。因此对于较少的字符数，模式的转换并不总是使位流总量 最少。同时由于各个版本的容量增加不是连续的，所以不一定任何隋况下都要达到最高 效率的转换。以下几个模式是常用的几个数据编码模式： 1 ) 数字模式 数字模式对十进制数字o 9 编码，通常编码密度为每1 0 位表示3 个字符，7 位表 示2 个字符，4 位表示1 个字符。 2 ) 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o 9 ，2 6 个字母 a 吃以及九个符号s p ，$ ，+ ，+ ，一，：。通常情况下，两个输入字符用1 1 位表示。 3 ) 8 位字节模式 8 位字节模式用于表示a s c i i 字符集( 字符值为0 0 。k ，) ，其编码密度为 每个字符8 位。本课题将图像写入q r 码，使用的就是这种模式。 4 ) 中国汉字模式 中国汉字模式用于表示g b 2 3 1 2 规定的双字节表示的中国汉字和非汉字字符，其字 符值为g b 2 3 1 2 规定字符对应的内码值。每个双字节字符由1 3 位二进制数表示。 2 4q r 码的结构组成 一个完整的q r 码一般由两个部分组成：功能图形和编码区域。功能图形包括寻像 图形，分隔符，定位图形，校正图形。功能图形对于不同输入数据和版本都保持同样的 大小和形状，其功能在于为q r 码的识别提供基准和确定q r 码的位置。而编码区域包 1 4 北方工业大学硕士学位论文 括数据码字，纠错码字，格式信息和版本信息，具体数值根据输入数据，版本号纠错等 级而变化。 2 4 1 功能图形 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2 2 所示，每个位置探测图形可以看作是由三个重叠的同心的正方形组成，如 图2 1 所示，它们分别为7 7 深色模块，5 5 个浅色模块和3 3 个深色模块。位置探 测图形的模块宽度比为1 ：1 ：3 ：1 ：1 。符号中其他地方遇到类似i 訇形的可能性极小， 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。 1 ：1 ：3 ：t ：i 什t 刊 回 ：，蕊块 最5 姥块 c = ? 横蚨 图2 1q r 码的位置探测图形 2 ) 分隔符 在每个位置探测图形和编码区域之问有宽度为1 个