二维码技术的研究发展与现状

1、走进二维码引 言 二维码，顾名思义是相对一维码而言的，它们同属于条形码家族。一维码即是我们超市、商场中看见商品上所印的条形码。被称为“计算机文化”的条码技术起源于上世纪40年代，应用于70年代、普及于80年代，是一种可印刷的的计算机语言，利用不同的标记可存储信息。二维码简介 作为常见的一维码为人们所熟悉，它是由一组粗细不同、黑白相间的线条、空白所组成的标记，用以表示一定的信息。二维码与其相似，它是利用某种特定的几何图形按一定的分布规则在二维方向上排列的黑白相间的图形进行记录数据信息。二维码同一维条码一样具有不同的码制标准，每种码制都有不同的编码规则。二维条码符号中的每个字符信息占一定宽度，具有

2、特定的字符集，较强的校验纠错功能、信息识别功能及图像处理功能等。二维条码具有信息容量大、密度高、纠错能力强、安全性好、编码范围广的优点，同时还可以引入校验纠错码，具有检测错误和恢复删除错误的能力。二维码除了表示基本的英文、汉字、数字信息外，还可以存储声音、指纹、照片及图像等各种信息。二维条码技术大大降低了对计算机网络和数据库的依赖，依靠条码标签本身就可以起到数据信息存储及通信的作用，已经成为现代条码技术应用中的一门新兴技术。二维码的研究发展 上世纪80年代末，美国、日本等国家的企业、研究机构开始进行二维码的研究，1989年美国国际资料公司发明了Data Matrix，原名为Data Code；

3、PDF417码为1991年留美华人王寅敬(音)博士发明并由讯宝(Symbol)公司制定完成；1992年美国知名的UPS(United Parcel Service)快递公司推出了UPS码，即Maxicode二维码的前身；1994年，日本Denso公司发明了QR(Quick Response Code)；2009年微软推出的一种新的二维码“Microsoft Tag”，增加了色彩维度，因此又称为彩色条码。二维码标准化的国外研究机构主要有国际自动识别制造商协会(AIMI)、美国标准化协会(ANSI)以及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条码自动识别技术委员会(ISO/IEC/J

4、TCI/SC31)，其中AIMI与ANSI已经完成了PDF417、QR Code、Code One、Code16K、Code49等码制的符号标准，条码自动识别技术委员会(ISO/IEC/JTCI/SC31)已经制定了包括QR码的国际标准ISO/IEC 18004:2006、PDF417码的国际标准ISO/IEC 15438:2006、Data Matrix的国际标准ISO/IEC 16022:2006等二维码的国际标准，并且不断的完善。 我国对二维码的研究是从20世纪90年代初开始的，最初是由中国物品编码中心对几种常用的二维码PDF417、QR Code、Code One、Code16K、Co

5、de49的技术规范进行翻译和跟踪研究。2003年上海龙贝信息科技推出了龙贝二维矩阵，2005年中国编码中心完成了汉信码的研发，深圳矽感科技公司分别于2002年和2003年研发了具有自主知识产权的CM二维码和GM二维码。国家质量监督局制定了相关的二维码国家标准，二维码网格矩阵码（SJ/T 11349-2006）和二维码紧密矩阵码（SJ/T 11350-2006）。二维码的分类 如果按照结构、编码和读取方式的不同来分类，可分为堆叠式二维码（又称:行排式二维条码或堆积式二维条码或层排式二维条码)和矩阵式二维码(又称棋盘式二维条码)两类：(1) 堆叠式二维码l PDF417 l Code49 l Co

6、de16K l Ultracode(2) 矩阵式二维码l QR码 l Code One l Aztec l Data Matrix l Maxicode l 龙贝码 l 矽感网格矩阵（GM） l 矽感紧密矩阵（CM） l 汉信码 a.国外二维码主要类型汉信码GM码CM码龙贝码 b.国内技术的二维码主要类型PDF417码PDF417条码是堆叠式二维码的代表，是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，是实现证件及卡片等大容量、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。PDF是取英文Portable Data File三个单词的首字母的缩写，意为“便携数据文件”。因为组成条码的每一符号

7、字符都是由4个条和4个空构成，如果将组成条码的最窄条或空称为一个模块，则上述的4个条和4个空的总模块数一定为17，所以称417码或PDF417码。 一个PDF417条码最多可容纳1850个字符或1108个字节的二进制数据，如果只表示数字则可容纳2710个数字。PDF417的纠错能力分为9级，级别越高，纠正能力越强。由于这种纠错功能，使得污损的417条码也可以正确读出。我国目前已制定了PDF417码的国家标准。中国-PDF417二维条码已列为95期间的国家重点科技攻关项目。97年12月PDF417条码国家标准四一七条码已经正式颁布。PDF417条码信息容量大、编码范围广、译码可靠性高、修正错误能

8、力强、易制作且成本低等特点。QR码QR来自英文“Quick Response”的缩写，即快速反应的意思，源自发明者希望QR码可让其内容快速被解码。根据Denso Wave公司的网站数据，QR码是属于开放式的标准，QR码的规格公开，虽由Denso Wave公司持有的专利权益，但不会被运行。QR码最常见于日本，并为目前日本最流行的二维空间条码。QR码比普通条码可存储更多数据，亦无需像普通条码般在扫描时需直线对准扫描仪。QR码呈正方形，只有黑白两色。在3个角落，印有较小，像“回”字的的正方图案。这3个是帮助解码软件定位的图案，用户不需要对准，无论以任何角度扫描，数据仍可正确被读取。符号规格21

9、15;21模块（版本1）-177×177 模块（版本40）(每一规格：每边增加4个模块)。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”。除了标准的QR码之外，也存在一种称为“微型QR码”的格式，是QR码标准的缩小版本，主要是为了无法处理较大型扫描的应用而设计。微型QR码同样有多种标准，最高可存储35个字符。QR code有容错能力，QR码图形如果有破损，仍然可以被机器读取内容，最高可以到7%30%面积破损仍可被读取。所以 QR code 可以被广泛使用在运输外箱上。相对的，容错%愈高， QR code 图形面积愈大。所以一般折衷使用15%容错能力。二维码的解码技术

10、 二维码解码是二维码应用中非常关键的技术，目前二维码的识别方法主要分为三类：线性CCD和线性图像式、带光栅的激光阅读器和图像式。前面两类主要用于一维码以及堆叠式二维码的识别，优点在于简单、设备成本低，但是通常识别过程复杂，并且只能识别堆叠式二维码。图像式识读方法结合了图像识别技术与二维码技术，具有更好的通用性，但是增加了识别算法的复杂度。图像式二维码解码技术主要分为图像采集技术和基于图像处理的二维码解码算法两个。基于图像采集技术的二维码解码技术，国内天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室对基于FPGA和DSP结构的嵌入式二维码图像识别系统的硬件架构设计方案作了讨论，主要介绍了包括CMOS图像

11、传感器，FPGA，DSP，SDRAM，FLASH，RS-232等硬件在内的各个工作模块的功能实现，并在此平台上实现了二维码图片的识读，验证了平台设计的正确性、可靠性。该系统具有通用性强，编程灵活，很适合模块化应用的特点。基于图像处理的二维码解码是目前最常用的的一种解码算法，大体上可以分为五个步骤：图像预处理、定位与校正、读取数据、纠错以及译码。在目前流行的各种二维码中都得到了广泛的应用，比如最常用的QR Code、Data Matrix 码的识别。随着科学的发展和研究人员不断的深入探索，各种崭新的不同角度的识别方法也在不断的诞生。国内厦门大学研究者提出了基于三维透视变换的圆柱面二维码码识别方法

12、。传统的QR码识别算法只适用于打印在平面上的条码，提出了一种有效识别打印在饮料瓶等圆柱面上的QR码。通过对图像轮廓进行角点检测确定回字定位图形，在此基础上筛选条码关键轮廓并对其进行霍夫变换提取圆柱面上的透视椭圆信息，同时结合透视椭圆的参数和三维透视变换，有效构建了圆柱面条码像素从二维图像平面直接映射到三维图像空间的变换矩阵，重构打印在平面或圆柱面上的QR码目标。实验结果表明，该算法对平面或圆柱面QR条码的识别有较高的准确率。国内南京理工大学研究者提出了基于投影算法的二维条码识别算法，并以PDF417条码为例研究了二维条码的分割和识别算法。首先根据Hough变换定位出图像上的条码，并利用双线性插

13、值将条码旋至水平然，后再在条码中定位单个码字符号的图像最，后利用投影算法识别出单个码字符号。文中提出的投影算法能有效地去除几种常见的图像噪音对条码识别的影响，提高了条码的识别率。实验结果充分表明此算法具有良好的性能，满足了实际使用的要求。另外，还有相关学者提出了一种基于相关匹配法的二维码识别方法。基于曲面拟合的改进自适应阈值法分割图像，采用Hough 变换和控制点变换方法校正图像的几何失真变形，利用模板对二维码进行相关匹配，对相干系数阈值处理得出取样网格。实验表明算法能有效提高QR 码识别效率和效果。在今后的发展中，二维码的识别技术会有更大的进步，实现在更复杂的背景下实现二维码的识别解码，追求

14、速度更快，结果更精确。二维码的应用二维码的移动应用前景广阔，魅力无限。除了在物流、金融等商务领域应用外，也越来越多的走进了普通老百姓。而对于一般的用户而言，目前最主要的就是二维码在手机上的应用。只要你拥有一款30万像素的照相手机，上网下载适配你机型的识别软件，你的手机就可以充当一个二维码扫描器的角色。而通常这些识别软件都是免费的，你只需要支付上网费用即可。1. 足不出户，轻松购票常看电影预告也许会注意到这个词：“手机拍码”。是的，这就是二维码的一个移动应用。买到的“二维码”电子票虽小，但其中包含了极为丰富的信息：日期、场次、时间、座号、票价及介绍，应有尽有，而且也免却了排队的烦恼。2. 跨媒体服务通过手机对着报纸上的二维码一“照”，便可轻松获得报纸上的新闻。目前，国内，不仅有部分报纸和杂志推出这样的业务，更有电视媒体可直接在屏幕下方进行扫描，快速便捷。3. 涉足证件领域 通过对出入人员身份证的