（控制科学与工程专业论文）qr码识别方法研究.pdf

摘要 在我国，二维码已经广泛应用于各种行业，用普通的摄入设备拍 摄二维码将其识别出来是二维码应用的一个重要的发展方向。本文介 绍了二维码的编码规则，论述了二维码的解码过程，提出了一个基于 手机拍摄方式的考生身份认证系统的q r 码应用方案，针对摄像头拍 摄的q r 码图像，对比和研究了已有的图像处理方式识别条码的方法。 已有的方法是利用h o u g h 变换与边缘检测把条码图像从原始图 像中分割出来，用f l o u r i e r 滤波变换自适应地选取阈值去除噪声导致 的无效边界，从而得到条码的基本模块，但对散焦模糊图像的检测效 果不是很好，f l o u r i e r 变换滤波的复杂度高且不能通用。本文通过灰 度化、中值滤波、二值化、图像定位、旋转、分割、译码来完成识别。 其中主要创新在于改进了中值滤波算法降低了噪声，以及在h o u g h 变换前，划水平和竖直方向的直线，用直线探测点来减少运算量。 在中值滤波中，本文结合极值中值滤波与自适应中值滤波的优 点，改进了自适应中值滤波方法。主要思想是：将信号分为信号点和 可疑噪声点进行二次处理，降低将某些信号误判为噪声的可能。对于 低密度区和高密度区噪声区别处理，缓和了保护细节和滤噪的矛盾。 对图像中的可疑噪声点采用二次检测窗口再次检测，提高了噪声 检测的准确性，且不会对运算速度造成大的影响。对在第l 层的滤窗 中能找到中值，且在第2 层中已被二次检测确定为噪声的像素点，采 取8 个典型纹理子窗口的窗口，根据滤窗内图像的纹理走向进行滤 波。对在滤窗内可以找到中值的低密度噪声区的噪声点，可充分考虑 其局部细节特征进行中值滤波。对于在第l 层中滤窗尺寸取到最大时 仍没有找到中值的高密度噪声区的像素点，如果在经典的自适应滤波 算法的第2 层的判定中被认定为可疑噪声点，则采用二次检测窗口对 该点进行进一步检测。如果二次检测被判定为信号点则原灰度值输 出，如果仍旧判定为噪声点则选择窗口内几个特定方向上像素的灰度 值排序后的各中值的加权求和运算值输出。 在h o u g h 前增加一个处理步骤，在图像的竖直方向过所有像素 列划直线，记录下每条直线遇到的第一个点，舍弃其他点，接下来的 h o u g h 变换就可以只对这些点做处理了，大大地减少了运算量。 关键词二维条码，条码识别，中值滤波，h o u g h 变换 、a b s t r a c t i no u rc o u n t r yt w o d i m e n s i o n a lb a rc o d eh a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n yi n d u s t r y t o s h o o tt w o - d i m e n s i o n a lb a rc o d ew i t hu n i v e r s a l s h o o t i n ge q u i p m e n ta n dr e c o g n i z ei ti s o n eo ft h ei m p o r t a n tt r e n do n t w o - d i m e n s i o n a lb a rc o d e sd e v e l o p m e n t i nt h ea r t i c l ec o d i n ga n d d e c o d i n gq r c o d ei sd i s c u s s e d a i m i n ga tb l u r r yq rc o d ei m a g ew h i c h i s c a p t u r e db yc a m e r a ，aa p p l i c a t i o ns c h e m eo fe x a m i n e ei d e n t i t y a u t h e n t i c a t i o n u s i n gq r c o d ei s p u t f o r w a r d c o n v e n t i o n a l t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e sr e c o g n i t i o nw i t hi m a g et e c h n o l o g yi s c o n t r a s t e da n dr e s e a r c h e d c o n v e n t i o n a lm e t h o dd e p a r t sc o d ei m a g ef r o mo r i g i n a l l yc a p t u r e d i m a g eu s i n gh o u g h t r a n s f o r ma n de d g ee x a m i n a t i o n ，a d a p t i v e l yc h o o s e s t h r e s h o l dt ow i p eo f fi n e f f i c a t i v eb o r d e r l i n ec a u s e db yn o i s eu s i n g f l o u r i e rt r a n s f o r m ，t og e tb a s i cm o d u l eo fc o d e ，b u ti t si n s p e c te f f i c i e n c y t od e f o c u s e di m a g ei sn o ts t a b l e ，a n dt h ec o m p l e x i t yo ff l o u r i e r t r a n s f o r mi ss o m e w h a t h i g h t h e a r t i c l eu s e sm e d i a n f i l t e r i n g ， b i n a r i z a t i o n ，i m a g eo r i e n t a t i o n ，i m a g er o t a t i o n ，i m a g ep a r t i t i o na n d d e c o d i n gt og e tr e c o g n i t i o n m a j o ri n n o v a t i o ni si m p r o v i n gm e d i a n f i l t e r i n gt od e c r e a s en o i s ea n dc h o o s i n gd o t sw i t hb e e l i n eb e f o r eh o u g h t r a n s f o h l l i nf r o n d o s em e d i a n f i l t e r i n gm e t h o d ，t h ea r t i c l ec o m b i n e st h e e x c e l l e n c eo fe x t r e m u mm e d i a n f i l t e r i n g a n ds e l f - a d a p t i v em e d i a n f i l t e r i n g ，t oi m p r o v eo nc l a s s i c a ls e l f - a d a p t i v em e d i a nf i l t e r i n g m a j o r a n t i l o g yi s ：d e p a r t i n ga l lp e l si n t od o u b t f u ln o i s ea n ds i g n a lt od i s p o s e s e c o n d l yf o rd e c r e a s i n gm i s c a r r i a g eo fj u s t i c e ，a n dd i s p o s i n gd i f f e r e n t l y o nl o w - d e n s i t ya r e aa n dh i g h - d e n s i t ya r e at or e l a xt h ec o n f l i c to f p r o t e c t i n gd e t a i la n df i l t e r i n gn o i s e c h e c k i n gd o u b t f u lp e l ss e c o n d l yw i t hs e c o n dc h e c k i n g w i n d o w i m p r o v e sv e r a c i t yo fn o i s e d e t e c t ，a n dw o n tc a u s et o om u c ha f f e c tt o c a l c u l a t i n gs p e e d t h ep e l sw h i c hc a nb ef o u n dm e d i a ni nl a y e ro n ea n d i sd e t e c t e da sn o i s e ，a r ef i l t e r e da c c o r d i n gt ot e x t u r et e n du s i n ge i g h t r e p r e s e n t a t i v e t e x t u r ec h i l d - w i n d o w t h e p e l s w h i c hc a nb ef o u n d m e d i a ni nl o w d e n s i t ya r e ac a nb ef i l t e r e dc o n s i d e r i n gl o c a ld e t a i l t h e p e l si nh i g h - d e n s i t ya r e aw h i c hs t i l lc a n tb ef o u n dm e d i a ni nl a y e ro n e w h e nt h ew i n d o ws i z ei sm a x ，a r ed e t e c t e ds e c o n d l yi ft h e ya r ei u d g e d a sn o i s ei nl a y e rt w o i ft h e ya r ej u d g e da ss i g n a lt h e nt h e ya r eo u t p u t ，i f t h e ya r es t i l lj u d g e da sn o i s et h e nt h e i rc u r v ei m i t a t ej o i na r eo u t p u t o n es t e pi sa d d e db e f o r eh o u g ht r a n s f o r m t h a ti s d r a w i n gl i n ei n h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o n ，n o t i n gt h ef i r s tp e le v e r yl i n em e e t s ， a b a n d o n i n go t h e r s l a t t e rh o u g ht r a n s f o r mc a nb ed i s p o s e do n l yt o t h o s ep e l s ，t h ec a l c u l a t i n gq u a n t i t yi sm u c hr e d u c e d k e yw o r d s ：t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e ，b a rc o d er e c o g n i t i o n ， m e d i a nf i l t e r i n g ，h o u g ht r a n s f o r m 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：娜日期：2 尘年月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：超年凸厶 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论弟一早瑁 了匕 人们通常所看到的印刷在商品包装上的条码是一维条码，它广泛应用于多种 领域，极大地提高了数据采集和信息处理的速度。因仅在横向上表示数据，纵向 上没有信息，密度较低，故仅能够标识物品而不能描述物品。要知道产品的有关 信息，必须通过识读条码而进入数据库。这就要求人们必须事先建立以条码所表 示的代码为索引字段的数据库，在没有数据库和不能联网的地方应用受到限制。 另外，要用一维条码表示汉字信息几乎是不可能的，这在有些应用汉字的场合， 显得十分不方便，而且效率很低。为了弥补一维码的不足，8 0 年代末二维条码 应运而生，由于具有高密度、大容量、纠错能力强等特点，拓宽了条码的应用领 域。 q r 码是由日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵二维码符号，它 除具有一维条码及其它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，还具有超高速、全方位识别等特点， 并且q r 码具有对汉字信息进行独特优化处理的功能，非常适合汉字国家的市场 应用，因此在我国有巨大的市场潜力n 】【幻。 二维条码的使用，将对我国经济发展起到巨大的促进作用。但是我国二维条 形码的研究工作起步较晚，绝大多数的二维码是由国外进行研制的，虽然很多的 二维条码己经成为国际或国内的标准，但是对各种二维条码识别的关键技术仍然 由国外公司掌握，阻碍了我国二维条码技术的推广和应用，因此研究二维条形码 的识别，显得尤为必要。 1 2 二维条码的起源和发展 一维条码是由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的，表示一定信息的 标识。其中，条为深色，空为浅色，用于条码识读设备的扫描识读：对应字符由 一组阿拉伯数字组成，供人直接识读，如图1 1 所示的i s b n 一维条码，这组条、 一空和相应得字符所表示的信息是一致的h 1 。它自7 0 年代初问世以来，由于其快 速、准确、成本低、可靠性高等优点，很快受到了人们的青睐，发展十分迅速， 仅仅二十多年的时间，它已广泛应用于商业流通、仓储、图书情报、邮政、铁路、 交通运输、生产自动化管理等领域姐儿羽。条码技术的广泛应用，极大地提高了数 据采集和信息处理的速度，为管理的科学化和现代化做出了重要贡献。 硕士学位论文第一章绪论 9 二维条码技术是在一维条码无法满足以下实际应用需求的前提下产生的。一 方面，由于受信息容量的限制，一维条码仅仅是对物品的标识，而不是对物品的 描述。所谓对物品的标识，简单地讲，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其它特定信息。因此，在一维条码的应用系统中，对商品 信息如生产日期、价格等的描述只能依赖数据库的支持。在没有预先建立商品数 据库或不便联网的地方，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；另一方面，要用一维条码表示汉字和图像等信息几乎是不可能的，即使可 以表示，也显得十分不便且效率很低。当今现代高科技术的发展，迫切需要用条 码在有限的几何空间表示更多的信息，以满足千变万化的信息表示的需要。二维 条码工作流程不同于一维条码，如图1 2 所示，二维条码无需数据库的支持，真 正实现了数据的便携化，而且二维条码可以表示汉字图像等信息h 1 。 i 一维条码 上 i 扫描识读 上 得到条码数据后 输入电脑检索 i 查找数据库 0 输出需要信息 1 2 1 堆叠式二维条码 两步走一步走 i 二维条码 j l 扫描识读 _ j r 得到条码数据后 输入电脑检索 图卜2 一维条码与二维条码的不同 堆叠式二维条码( 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 2 硕士学位论文 第一章绪论 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 e l 6 k 、c o d e 4 9 、p d f 4 1 7 等。 为了在相同的条码面积内装入更多信息，19 8 7 年符号设计专家d a v i da l l f l s 博士提出一种称为c o d e 4 9 的二维条码，实际上是把一维条码的高度截短并按照 行堆积，由2 到8 行构成，5 位数字用3 个字符表示，使用2 字符为码词，是一 种多行连续型，且长度可变的条码，可使用现有的条码阅读设备和打印设备。 c o d e 4 9 具有信息容量大和使用灵活等优点而受到重视，开创了进行二维条码研 究的先河，c o d e l 6 k 码近似c o d e 4 9 码，由2 到1 6 行组成，分隔条分离各行， 利用u p c 码和12 8 码字符集，最大信息长度可达7 7 个a s c i i 字符。p a v l i d i s 教 授等人进行了二维条码译码解码算法的研究，l o n g a c r e 教授着手进行堆叠式二维 条码符号学基础理论的研究，大大促进了堆叠式二维条码的发展嘲。 1 9 9 0 年，美国s y m b o l 技术公司的台湾赴美学者王寅君博士等人设计了一种 便携式数据文件条码。p d f 4 1 7 ( p o r t a b l ed a t af i l e ) 高密度条码1 ，利用行鉴别原理， 错误检测校正等技术正确地收集组织数据，在识读设备与印刷技术上兼容条码工 业标准。如图1 - 3 ( a ) 所示。 1 2 2 矩阵式二维条码 短阵式二维条码( 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“0 ，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。 d a t am a t r i x 原名d a t ac o d e ，由美国国际资料公司( i n t e m a t i o n a ld a t am a t r i x ) 于1 9 8 9 年发明嘲。d a t am a t r i x 是一种矩阵式二维条码，其发展的构想是希望在 较小的条码标签上存入更多的资料信息。d a t am a t r i x 的最小尺寸是目前所有条码 中最小的，尤其适用于小零件的标识，直接印刷在实体上。d a t am a t r i x 又可以分 为e c c 0 0 0 1 4 0 和e c c 2 0 0 两种类型，e c c 0 0 0 1 4 0 具有多种不同等级的错误纠 错功能，而e c c 2 0 0 则通过r e e d s o l o m o n 纠错算法产生多项式计算出错误纠正 码，其尺寸可以依据需求印刷成不同大小n 们。由于d a t am a t r i x 只需要读取资料 的2 0 就可以精确辨认，因此适合应用在条码容易受损的场合，例如印在暴露在 高温、化学清洗剂、机械剥蚀等特殊环境的零件上，如图1 - 3 ( b ) 所示。 q rc o d e 码是日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵二维条码符 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 硕士学位论文 第一章绪论 汉字及图像多种文字信息、保密防伪性强等优点，如图1 - 3 ( c ) 所示。中国在2 0 0 0 年1 2 月2 8 日发布了q r 码的国家标准g b t1 8 2 8 4 2 0 0 0 。 f 幻p d f 4 1 7 伪) - d a t a m a t r i x( c ) 。q r 码 图1 - 3 几种常用二维码 近几年来，国内大力进行条码推广应用，并积极跟踪国外技术发展，进行条 码理论基础和关键技术的研究。中国物品编码中心条码高新技术研究立项进行二 维码研究工作。在二维码制设计、编码原理等方面进行了探索，提出了一种自动 识别方位进行校正的结构方案与中心符相结合的二维码制初步编码方案。对二维 码图像处理译码解码算法以及隐形码等关键技术进行了研究，并取得一些初步成 果。上海龙贝信息科技有限公司研发的龙贝二维条码和矽感公司发明的矽感g m 码，已经通过相关认证并进入实用阶段嘲。 ( a ) 龙贝码b ) 矽感穰码 图1 - 4 我国研制的二维码 1 3 二维条码的应用现状 目前许多部门已有使用二维条码用于人员管理和物品管理的愿望，如：公安 部门欲将二维条形码应用于身份证和流动人员管理上，进出管理部门正在探讨二 维条码应用于护照上，海关也将尝试将其应用在报关单上。根据目前状况，预计 未来五年内，二维条码在我国将有较大的发展。 ( 1 ) 二维条码将首先在我国的人员管理中得到广泛的应用 随着我国社会和科技的进步，对人员进行现代化管理的需要与日剧增，这就 需要在证件上对管理对象进行精确的描述。二维条码这种成本优势较大的自动识 别技术较易被各个管理部门所接受。在我国的人1 3 管理综合数据库较难建立的情 况下，一个随身携带的身份证卡上的二维条码便可包括其身份的全部信息，并可 4 硕士学位论文第一章绪论 包括其照片信息。这种技术的推广将比在发达国家更具优势。 ( 2 ) 二维条码亦将在物流管理中得到较大发展 用二维条码描述物品是二维条码应用的又一方面。在货物的存储、运输中对 其进行描述必不可少。现在的情况大多是自然语言描述，这大大影响了信息的采 集速度和精度。将二维条码应用于物流，即将二维条码制作在货物的包装上，这 是其它自动技术( 如i c 卡) 无法做到的。二维条码在物流的应用必将加快物流 管理现代化的进程。 总之，二维条码的应用深度和广度将在条码技术发展中起着重要的更新换代 作用，是条码发展史上的里程碑。二维条码技术的成功应用，必定会极大地推动 我国乃至世界的信息化水平，提高社会管理效率和经济效益。因此对二维条码的 研究有着重要的意义和使用价值n 。 1 4 课题研究目的和内容 国外的二维条码技术已经处于应用阶段，并以生产出性能较好的二维条码识 别系统。而我国还处在研究阶段，与国外水平还有很大差距。制约二维条码技术 在我国发展的主要原因是目前市场上销售的二维条码识别系统价格十分昂贵，国 内虽然也出现了一些设计和生产二维条码阅读器的公司，但其产品大多数是基于 美国s y m b o l 公司的激光阅读器，价格相对较高。本课题研究条码系统的纯软件 实现，可以拓宽条码应用领域，节约条码应用成本。 国内对于二维条码的研究大多数集中于p d f 4 1 7 这种堆叠式二维条码上，对 其它的矩阵式二维条码研究较少，对于二维条码在识别前的图像预处理的具体步 骤和方法涉及得也很少。本课题主要研究q rc o d e 这种二维条码的识别及应用， 包括数据编码、纠错编译码、条码识别和应用等各个部分。识别前提是不使用专 用的条码扫描识读器而是使用普通的摄入设备在自然环境下采集图像，对这样得 到的噪声较高的图像分离出q r 码并进行识别。 本文所做的主要工作有： ( 1 ) 以摄像头拍摄的模糊的q r 码图像为例，针对图像预处理部分，在刘 宏伟口2 1 提出的经典的图像处理方式识别q r 码方法基础上，增加了一些处理方 法，实现了普通摄像头采集下的在一定噪声影响下的二维码识别方法。 一 ( 2 ) 对经典的自适应中值滤波进行了改进，采取了对可疑噪声点进行二次 检测的方法及对高密度噪声区进行区别滤波和对低密度噪声区依据图像纹理进 行滤波的方法，这种处理方式在滤除噪声的同时，更好地保护了图像的细节，优于 原有的自适应滤波算法和传统的中值滤波算法。 ( 3 ) 根据q rc o d e 的诸多优点，以及现今手机的普及，将二者有机结合起 硕士学位论文 第一章绪论 来，提出了一个q rc o d e 条码技术在基于手机拍摄方式下的考生身份认证系统 的应用方案。 本文各章内容具体安排如下： 第一章是对二维条码技术的概述，分堆叠码和矩阵码两类介绍了二维条码的 起源和发展，并介绍了二维条码的研究现状及应用。 第二章是二维条码理论，介绍了二维条码的特点，重点介绍q r 码特性和符 号结构，探讨了q r 码的编码和译码理论。提出了一个q r c o d e 条码技术在基于 互联网和短信增值业务平台下的考生身份认证系统中的应用方案，对此方案以及 可行性分析进行了描述。 第三章研究和对比前人对于二维码图像的处理方法，提出了一套图像处理方 法，对自适应中值滤波算法做出改进。 第四章总结与展望。 6 硕士学位论文 第二章q r 码的编码、识别与应用 第二章q r 码的编码、识别与应用 2 1 二维条码的特性 l 、高密度 一维条码，因密度较低，故仅作为一种标识数据，不能对产品进行描述。 我们要知道产品的有关信息，必须通过识读条码而进入数据库。这就要求我们必 须事先建立以条码所表示的代码为索引字段的数据库。 二维条码通过利用垂直方向的尺寸来提高条码的信息密度。通常情况下其密 度是一维条码的几十到几百倍，这样我们就可以把产品信息全部存储在一个二维 条码中，要查看产品信息，只要用识读设备扫描二维条码即可，因此不需要事先 建立数据库，真正实现了用条码对“物品 的描述n 铂。维码与二维码的比较如 图2 1 所示。 一维码二维码 ： 溯舢姗 惫禽糖毫 图2 - i 一维条码与二维条码比较 2 、具有纠错功能 一维条码的应用建立在这样一个基础上，那就是识读时拒读( 即读不出) 要比 误读( 读错) 好。因此一维条码通常同其表示的信息一同印刷出来。当条码受到损 坏( 如污染，脱墨等) 时，可以通过键盘录入代替扫描条码。鉴于以上原则，一维 ，条码没有考虑到条码本身的纠错功能，尽管引入了校验字符的概念，但仅限于防 止读错n 。 二维条码可以表示数以千计字节的数据，通常情况下，所表示的信息不可能 与条码符号一同印刷出来。如果没有纠错功能，当二维条码的某部分损坏时，该 条码便变得毫无意义，因此二维条码引入错误纠正机制。这种纠错机制使得二维 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。即使破损面积不 超过5 0 ，条码由于沾污、破损等所丢失的信息，可以照常破译出丢失的信息。 二维条码的纠错算法与人造卫星和v c d 等所用的纠错算法相同。这种纠错机制 7 硕士学位论文第二章q r 码的编码、识别与应用 使得二维条码成为一种安全可靠的信息存储和识别的方法，这是一维条码无法相 比的n 4 1 3 、可以表示多种语言文字 多数一维条码所能表示的字符集不过是l o 个数字，2 6 个英文字母及一些特 殊字符。条码字符集最大的c o d e1 2 8 条码，所能表示的字符个数也不过是1 2 8 个a s c i i 符。因此要用一维条码表示其它语言文字( 如汉字、日文等) 是不可能的。 多数二维条码都具有字节表示模式，即提供了一种表示字节流的机制n 目。我们知 道，不论何种语言文字，它们在计算机中存储时都以机内码的形式表现，而内部 码都是字节码。这样我们就可以设法将各种语言文字信息转换成字节流，然后再 将字节流用二维条码表示，从而为多种语言文字的条码表示提供了一条前所未有 的途径。 4 、可表示图像数据 既然二维条码可以表示字节数据，而图像多以字节形式存储，因此使图像( 如 照片、指纹等) 的条码表示成为可能。二维条码编码范围广，可以将照片、指纹、 掌纹、签字、声音、文字等凡可数字化的信息进行编码。 5 、可引入加密机制 加密机制的引入是二维条码的又一优点。比如我们用二维条码表示照片时， 我们可以先用一定的加密算法将图像信息加密，然后再用二维条码表示。在识别 二维条码时，再加以一定的解密算法，就可以恢复所表示的照片。这样便可以防 止各种证件、卡片等的伪造，因此具有极强的保密防伪性能。 6 、容易制作且成本低 利用现有的点阵、激光、喷墨、热敏热转印、制卡机等打印技术，即可在 纸张、卡片、p v c 、甚至金属表面上印出二维条码。由此所增加的费用仅是油墨 的成本，因此人们又称二维条码是“零成本技术。 由于二维条码这种新兴的自动识别技术有着其它自动识别技术无法比拟的 优势，它一出现便受到我国条码管理部门和有关政府部门的重视。中国物品编码 中心自1 9 9 3 年便开始了对二维条码技术的和研究。 为了对二维条码技术开展全面研究并开辟应用试点，中国物品编码中心的课 题t - - 维条码技术研究与应用试点己列入国家科委“九五重点攻关项目。该 课题将从基础研究、标准制定、设备开发和试点建立方面开展工作，旨在推动二 维条码在我国的应用进程。另外，许多科研单位、开发公司、大专院校都已开始 着手进行二维条码技术的应用开发u 引。 目前，许多部门已有的使用二维条码用于人员管理和物品管理的愿望，如公 安部门想将二维条码应用于身份证和流动人员管理上，进出境管理部门欲j 下在探 8 硕士学位论文 第二章q r 码的编码、识别与应用 讨将二维条码应用在护照上，海关也想尝试将其用在报关单上。有的甚至已经开 始应用，例如，上汽车销售中心已将二维条码应用于车辆信息的跟踪管理。根据 目前状况，预计二维条码在我国的应用五年内将有较大发展。 2 2q r 码介绍 2 2 1 主要特点 q r 码是由日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵二维码符号，它 除具有一维条码及其它二维条码所有的信息容量大、可靠性高、可表示汉字及图 象多种文字信息、保密防伪性强等优点外，还具有以下特点1 ： ( 1 ) 超高速识读： 超高速识读特点是q r 码区别于四一七条码、d a t am a t r i x 等二维码的主要特 性。由于在用c c d 识读q r 码时，整个q r 码符号中信息的读取是通过q r 码 符号的位置探测图形，用硬件来实现，因此，信息识读过程所需时间很短，它具 有超高速识读特点。用c c d 二维条码识读设备，每秒可识读3 0 个含有1 0 0 个字 符的q rc o d e 码符号；对于含有相同数据信息的四一七条码符号，每秒仅能识 读3 个符号；对于d a t am a r t i x 矩阵码，每秒仅能识读2 3 个符号。q rc o d e 码 的超高速识读特性是它能够广泛应用于工业自动化生产线管j 里等领域。 ( 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 码优于行排式二维条码如四 一七条码的另一主要特点，由于四一七条码是将一维条码符号在行排高度上的截 短来实现的，因此，它很难实现全方位识读，其识读方位角仅为l o 。 ( 3 ) 能够有效地表示中国汉字、日本汉字： 由于q rc o d e 码用特定的数据压缩模式表示中国汉字和日本汉字，它仅用 1 3 b i t 可表示一个汉字，而四一七条码、d a t am a r t i x 等二维码没有特定的汉字表 示模式，因此仅用字节表示模式来表示汉字，在用字节模式表示汉字时，需用 1 6 b i t ( - - 个字节) 表示一个汉字，因此q rc o d e 码比其它的二维条码表示汉字 的效率提高了2 0 。 ( 4 ) q rc o d e 与d a t am a t r i x 和p d f 4 1 7 的比较，如表2 1 所示。q r 码符号的 基本特性如表2 2 所示： 表2 - 1 码制比较 码制q r c o d e d a t am a r t i xp d f4 1 7 研制公司 d e n s oc o r p i d m a t r i xl n c s y m b o lt e c h n o l g i e si n c ( 日本)( 美国)( 美国) 码制分类矩阵式堆叠式 9 硕士学位论文第二章q r 码的编码、识别与应用 识读速度3 0 个每秒2 n 3 令| 碜3 令吣 识读方向全方位( 3 6 0 。) l o 。 识读方法深色浅色模块判别条空宽度尺寸判别 汉字表示 1 3 b i t1 6 b i t 1 6 b i t 表2 - 2q rc o d e 符号特性 符号规格2 1 2 1 模块( 版本1 ) - 1 7 7 1 7 7 模块( 版本4 0 ) ( 每一规格：每边增加4 个模块) 数据类型与容量数字数据：7 ，0 8 9 个字符 ( 指最大规格符号版本4 0 - l 字母数据：4 ，2 9 6 个字符 级) 8 位字节数据：2 ，9 5 3 个字符 中国汉字、日本汉字数据：l ，8 1 7 个字符 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 。 纠错能力l 级：约可纠错7 的数据码字 。 m 级：约可纠错1 5 的数据码字 q 级：约可纠错2 5 的数据码字 h 级：约可纠错3 0 的数据码字 结构链接( 可选)可用1 - 1 6 个o rc o d e 码符号表示一组信息 掩模( 固有)可以使符号中深色与浅色模块的比例接近l ：l ， 使因相邻模块的排列造成译码困难的可能性降 为最小。 扩充解释( 可选)这种方式使符号可以表示缺省字符集以外的数 据( 如阿拉伯字符、古斯拉夫字符、希腊字母等) ， 以及其他解释( 如用一定的压缩方式表示的数 据) 或者对行业特点的需要进行编码。 独立定位功能有 q rc o d e 码可高效地表示汉字，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，其专有的汉字模式 更加适合我国应用。因此，q rc o d e 在我国具有良好的应用前景。 2 2 2 符号结构幽1 嘲 q r 码符号在排列和组成上与矩阵有一定的相似度，由正方形模块组成的一 个正方形阵列构成。每个模块颜色的深浅来表示数据信息，用深色模块表示二 进制“l ”，用浅色模块表示二进制“0 。数据码字流通过分布在矩阵元素位置上 的单元模块的不同组合来表示。见图2 2 是以版本l 为例的模块阵列结构图。 1 0 硕士学位论文 第二章q r 码的编码、识别与应用 图2 - 2q r 码模块阵列结构图 q r c o d e 符号由编码区域和包括寻像图形、分隔符、定位图形和校正图形在 内的功能图形组成。功能图形不用于数据编码，符号的四周由空白区包围。 ( 1 ) 符号版本和规格 q r c o d e 符号共有4 0 种规格，分别为版本1 、版本2 版本4 0 。版本l 的规格为2 1 x 2 1 模块，版本2 为2 5 x 2 5 模块，以此类推，每一版本符号比前一 版本每边增加4 个模块，直到版本4 0 ，规格为1 7 7 x 1 7 7 模块。 ( 2 ) 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，见图2 3 所示。每个位置探测图形可以看作是由3 个重叠的同心正方形 组成，见图2 - 4 所示，它们分别为7 x 7 个深色模块、5 x 5 个浅色模块和3 x 3 个深 色模块。位置探测图形的模块宽度比为1 ：1 ：3 ：1 ：1 ，符号中其它地方遇到类似图形 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。 ( 3 ) 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，全部由浅 色模块组成。 ( 4 ) 定位图形 水平和垂直定位图形分别为一个模块宽的一行和一列，由深浅模块交替组 成，其开始和结尾都是深色模块。水平定位图形位于上部的两个位置探测图形之 间，符号的第6 行。垂直定位图形位于左侧的两个位置探测图形之间，符号的第 6 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。 ( 5 ) 校正图形一 每个校正图形可看作是3 个重叠的同心正方形，由5 x 5 个深色模块，3 x 3 个浅色模块以及位于中心的一个深色模块组成。校正图形的数量视符号的版本号 而定，版本2 以上的( 含版本2 ) 的符号均有校正图形。 ( 6 ) 编码区域 一一誓誓n蓦u口疗疆譬垡uhu叠8 8dn再昔nutnun”口idn埘b口0一l8a日a0d一一abq d毪鹞一毪口b防gb瞪ib誓 dl一d鹅霸aa黛d8纛8鑫口d嚣b垃器ldnnod0d一譬na疆qo口ubbu口0b口纛lb羹纛08t鼍lnu ad霸880一口翁舀羹 誊8u驻薹8q鼍18鬟纛口0鼍u口dbqo一80怨0也致q8 8聪一口ob廿誓e曩0簟dq蠢羹nu盛t纛lnuhug鬈8d 88ddb仓qqqbg0廿dddd幻qbq 鬟纛一一8口dao露dd0t8q臼b00000d口0i廿一0簟口口一80nib10簟qdincm08肇蕾口d一一一o00ddao秘日d日0口d簟b口口凸鐾0口u一誓on雹0誓 硕士学位论文 第二章q r 码的编码、识别与应用 同。 编码区域包括表示数据码字、纠错码字、版本信息和格式信息的符号字符。 ( 7 ) 空白区 、 空白区为环绕在符号四周的4 个模块宽度的区域，其反射率应与浅色模块相 l l3li 2 2 3 数据编码 图2 - 3q r 码符号结构 图2 - 4 位置探测图形结构图 罨像翻形 分隔符 定位嘲形 授芷溯彤 舨本信息 捂式信怠 数据和鳞铹鹈字 a ：3 攒块 b l ，模块 e ；7 援块 2 2 3 1 编码方法概述啼3 1 第一步：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， 可以对与缺省的子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间的转换，以便 更高效地将数据转换为二进制位流。 选择所需的纠错等级。如果没有预先规定所采用的符号版本，则选择与数据 相适应的最小的版本。 第二步：数据编码 对于采用的模式按照2 2 3 4 中l 到6 所定义的规则，将数据字符转换为位 流。当需要进行模式转换时，在新的模式段开始前加入模式指示符进行模式转换， t 2 硕士学位论文 第二章q r 码的编码、识别与应用 在数据序列后面加入终止符，将产生的位流分为每8 位一个码字，必要时加入填 充字符以填满按照版本要求的数据码字数。 第三步：纠错编码 按需要将码字序列分块，以便按块生成相应的纠错码字，并将其加入到相应 的数据码字序列的后面。 第四步：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。 第五步：在矩阵中布置模块 将寻像图形、分隔符、定位图形、校正图形与码字模块一起放入矩阵。 第六步：掩模 用8 种掩模图形依次对符号的编码区域的位图进行掩模处理，评价所得到的 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，构成符号。 2 2 3 2 数据分析 分析输入数据，根据内容选择采用缺省的或者其他适当的e c i 与模式，对每 个序列编码，其详细描述见2 2 3 4 。从数字模式到中国汉字模式，每种模式的字 符所需的位数依次增加。在符号中可以通过模式的转换使数据的位流长度最短。 数据的某些部分用一种模式编码可能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指示符 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能使位流总 量最少。同时，由于各个版本的容量的增加不是连续的，所以不一定在任何情况 下都要达到最高的转换效率。 2 2 3 3 模式 下列模式是根据缺省的e c i 有关的字符值与任务定义的。如果采用其他的 e c i ，那么选择最佳的压缩模式就应使用字节值而不是具体的字符任务。例如： 如果数据字节序列的值在3 0 脚至3 9 觥- f 2 f 目j ，应使用数字模式。这种情况下， 用字节值相应的缺省的数字或者字母数字进行压缩。 1 、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4 大类解释。 a ) 国际字符集； b ) 用于诸如加密或压缩等一般目的的解释； 硕士学位论文第二章q r 码的编码、识别与应用 c ) 闭环系统中用户自定义的解释； d ) 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 码的缺省解释是e c l0 0 0 0 2 0 ，表示a s c i i 字符