CN101063998A - 新型二维条码(q码)的编码和解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种被命名为Q码的系列二维条码。主要特征是：1)编码原理简单，以形成内外角差而排列相同的基本单元，形成识别符号为依据存取信息。2)优化于图像处理方法编码解码，并兼顾扫描方法编码解码。3)外形设计美观自由，无信息量限制，可适用于多种环境条件下使用，便于广泛推广。

Description

新型二维条码(Q码)的编码和解码方法

技术领域：本发明涉及一种新型系列二维条码的编码方式，以下以发明人名字的第一个拼音字母命名，称之为Q码。Q码系列二维条码使用接触和非接触型图像传感器，并获取条码解码方法以及兼顾线性接触和非接触型扫描器，以获取条码及解码的方法。

技术背景：条码是一种以一定规则的线条和空白组成的符号标记系统，用来表达一定的信息。一维条码只能简单准确地传递数字信息，但信息量甚为有限。而二维条码可以传递更多的信息，故应用广泛。一维条码是排列在水平方向的线条和空白，用以表达信息，二维条码除了在水平方向表达信息外，垂直方向也可以表达信息，使其表达信息储存量成倍增加。但现行实际运用的各种二维条码，虽具有编码印刷简单，应用系统成本低，且具有抗磁场、抗辐射的特点并且也采用各种纠错算法及各种加密算法增强了抵抗损坏能力和保密能力，其存在的缺点也是显而易见的。

现行的二维条码主要有PDF417、DataStrip、DataMatrix等多种。可以归纳为两种形式：一种是层排式二维条码，一种是矩阵式二维条码。层排式二维条码由复数个一维条码层层排列而组成，如：PDF417(美国专利5304786)。矩阵式二维条码是由垂直和水平外边上的控制部而形成了一块矩阵式点阵而运载信息的，如DataMatrix二维条码。现在日本流行的QR条码也是一种矩阵式二维条码。该条码是一组大小不同的正方形而形成的，其缺点为不能扫描和解码同步进行，外观设计性也较薄弱。在使用图像传感器抓捕图像时，对拍摄角度条件要求比较严格，因而影响广泛推广和应用。

技术方案：本发明在多方面改善目前现存所有二维条码的缺点，形成可以根据各种用途而使用的成系列的二维条码。Q码优化适用于以光学获取图象进行解码的方法，并且兼容线性接触型或者非接触型扫描器进行解码的方法。Q码无信息量限制，高沉余度，多级抗污损，是具有高度外形设计自由度的二维条码的编码和解码方法。

1.Q码设计的基本概念(原理)，是由3个理论上抽象的概念化的相同基本单元(基本单元形状可任意，如正方形)，如图1中的a1，a2，a3，图2中的a1’，a2’，a3’，以造成内外角之差的各种角度(不能形成内外角度之差的360度、180度、0度除外)连续排列，如图1中的k，j，图2中的k’，j’所示，构成具有决定方位、距离和基本单元尺寸的识别符号。在识别符号周围形成的区域中，按照基本单元相同尺寸排列好的矩阵，以一定的规则载运信息。Q码的关键要点是保证明确区分识别符号的边界，或者最低限度保证区分识别符号的内外角边界。可以用与基本单元相反的四周黑或白、画线、色差、温差、高低差以及包括后述的输出方法等所有的方法均可识别。确保区分其内外角，以决定编码或者解码时的起始位置和方向顺序，以基本单元相同尺寸排列二维矩阵，用以标示如二进制等数据。

图1是以正方形为基本单元构成识别符号的一种Q码二维条码的分解示意图。图2是以六角形为基本单元构成Q码二维条码的识别符号的示意图。

例举一种首选方案：以3个理论上抽象化、概念化的相同的正方形为基本单元，如图1中的a1，a2，a3，连续按90度角排列，构成1所述的识别符号，其外角为k，内角为j。在识别符号周围形成的区域中，按照基本单元相同尺寸排列好矩阵。图中，以在实际使用时不存在的虚线表示，并且在其周围以留出与基本单元相同面积的空白b，以明确识别符号的边界。并在其边界外周定义可使用的数据标识基本单元，如图1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16。图中c为特殊定义的禁止使用的基本单元，以防止造成和识别符号相混淆的数据出现。形成基本方式的Q码二维条码，定义顶角顶部为起点顺时针排序，即可按图中数字所示顺序载入信息。以黑为1白为0，实现16比特的编码和解码。

2.为了增大Q码二维条码信息量，使用一个以上(复数个)的1所述的识别符号，最低限度确保区分识别符号的内角和外角，用以形成周围成块的内部矩阵范围配置，组合形成新的条码范围和边界。也就是说，使用多个识别符号形成独立条码块，定义或设置自身定义信息区别数据与识别符号，并确定条码块和其周围的区别，以及其内部和外部包括与其他条码等之间的相互关系和位置。

图3是用多个识别符号构成的一种封闭方式Q码二维条码的分解示意图。如图3所示，用3个识别符号而共同组成一组识别符号组。以识别符号组相对位置的顶点的识别符号为起始点，以中心点向外排成一周，即以第1个识别符号顶点为左上方，第2个顶点为右上方，第3个顶点为左下方，即可在这些识别符号组的内周形成一个可标示2进制数据的以基本单元相同尺寸排列的独立的矩阵。定义如图中数字所示的排序(图示标出开头部分至第3行，以后省略)，即可按图中数字所示顺序载入信息。以黑为1白为0，实现2进制比特的编码和解码。

此例实现方案还提示了Q码系列二维条码形成不同的变体的一种定义方法，如用4个识别符号组成一周，此时将其中的一个识别符号的内角加以特别处理，即加一相同基本单元，并定义为此二维码的右下角，即可定义方向。使用这种定义方法，也可以增加Q码系列二维条码的可靠性。

3.复数个1所述识别符号以其所有顶点同一方向排列，加以适当扩展构成复数层，如2层、3层、4层，以此类推构成一组识别符号组，同样可以得到一种条码。

图4是用多个识别符号构成的一种多层方式Q码二维条码的分解示意图。图4为用正方形基本单元构成的Q码多层方式。其结果可大幅度的提高Q码沉余度，又可尽量减少外观设计性的损失，形成在自然界中不存在的、人为的特殊图形，在用图象识别方法解码时，容易区别本条码与其他物品，并形成条码内识别校准控制点功能，如图中所示的a行和列，增加纠错，简化分析，提高速度。而且，简单的解决了兼容接触与非接触扫描器的识别解码方法，可与扫描同步，得到不同的波形，同步解码。

图5是上述Q码二维条码(图4)的扫描解码波形结果示意图。图5所示的是从上方向下利用扫描器扫描如图4所示的Q码时，与扫描同步，可得到不同的波形，同时解码。自然，我们可以目视各个图中数字所示顺序的位置是黑是白，判断为是1还是0，达到兼容无需任何工具目视解码的目的。

4.用复数个3所述的多层方式，与2所述的封闭方式结合运用，即可形成同时具有前两个功能的新方式，形成一个封闭的条码块，即Q码多层封闭方式。

图6是一种多层封闭方式Q码二维条码的分解示意图。如图6所示，识别符号组由16个识别符号组成，大幅度的提高了抗污抗损能力。同时，可以简化图像识别方法解码的数据处理负荷，降低对图像抓取环境的要求，容易校正因变形、扭曲、倾斜等原因发生的变形。例如：可利用各层之间的边和角的关系，如图中虚线所示，经过简单的图形处理，就可以切分得到各识别符号中的基本单元，经过互相比较相关的基本单元的实际尺寸，如比较4个外层顶角的基本单元的实际尺寸。如果不相同，便可判断为产生了变形失真。同时，根据得到失真的方向和变形量进行补正处理，得到正确的结果。也就是说，可以在一定的倾斜角度范围内抓取图像，大幅度的增加了图像抓取解码的距离。同时，也更便于从360度各个角度进行扫描解码和兼容目视解码。

图6所示此例的8个a所示的基本单元位置特殊，可被用于定义或设置自身定义信息，用来标示编码解码开始位置，与周围的其他Q码的关系等。

5.为了增加数据容量，用Q码多层封闭方式，单向扩展数据部分。

图7是一种多层封闭方式单向扩展数据部分的Q码二维条码分解示意图。如图7例所示以竖向扩展数据部分，利用多层方式识别符号组的识别校准控制点，使得紧靠识别符号组的(如图7数字所示的基本单元)数据描述条码自身的各种属性和定义，如数据区d的大小，以便正确地找到开始点与终点的识别符号组等。

6.用Q码多层封闭方式，横竖同时两方向扩展，即可得到双向扩展多层封闭方式的Q码。

图8、图9、图10是一种多层封闭方式双向扩展数据部分的Q码二维条码分解示意图。图8是在数据部分外围定义为识别校准控制点、条的例子。图9是对角线的位置设置识别校准控制点、条等。如图10所示的是追加边界条的例子。

7.Q码系列二维条码的识别符号及数据部分是以相同的基本单元组成的，从而可适应几乎所有的图形图像处理方法，大幅度增强抗倾斜、抗扭曲变形能力。如比较相邻或一定距离的基本单位，即可得到变形量和方向，取出或求出标准基本单元，对条码进行修补或校正。同时，兼顾用扫描器时耐误差范围。

图11是根据波形校正变形Q码二维条码的示意图。如图11所示，当Q码二维条码倾斜变形后，a点和b点的波形宽度发生变化，比较a，b两点的距离和波形宽度，求出变形量，对条码进行校正。

8.Q条码的特性在于由于识别符号组或数据部分都是相同的，即形成的各点、线的宽度亦相同。利用此特点，可以和文字一样编制成字库，在各种软件中调用，甚至与文字混合使用。

图12是Q码二维条码和汉字混合使用时的示意图。如图12所示，用正方基本单元四层封闭时，形成正方形条码，与汉字非常亲和，而且由于四层结构，可以与汉字如典型的“回”字等区别开来，并用定义或设置自身定义信息进行自我描述，可以在复数使用时标示各条码的包括起始位、顺序、位置等关系。

9.在实际运用中，根据需要或美观设计可以用以上各种方式混合使用，以及和文字等混和使用。图13是各种方式的Q码二维条码混合使用时的示意图。

图13为实际使用时的一例。用四层封闭式起始，或以四周使用四层封闭式，为了增加数据量在中央使用相同尺寸的单层封闭式。

10.以上所述的各种形式的条码，在所有形态的实际运用时，对条码施加色彩纹样、网罩、掩膜、各种纠错算法和抗污抗损措施等。各种压缩扩张、使用荧光、特殊波长的涂料、发光物质、闪频、人工手工、机械、磁性磁场、可见和不可见光产生制造条码。使用包括所有的从超大型计算机到超微型计算机进行编码输出，传送接收。输出方式大到所有人工建造物，小到极微纳米环境下的所有形式的输出，印刷、雕刻、拼装、铸造、切削等。以上所述的各种形式的条码的传输、运送、邮寄、光缆电线的传输与接收。以上所述的各种形式的条码的所有方式的扫描、拍照、图形处理、计算进行编码和解码。

实施例：Q条码可以使用接触或非接触型扫描器获取图像解码，而且更适合于接触或非接触型图像传感器(包括CCD摄像头，手机数码相机等)，如图14所示是本发明的各种形式的二维条码的一种。图14是正方形基本单元四层封闭方式的Q码二维条码分解示意图。图示的二维条码由四层识别符号组组合成一组，并且使用四组形成封闭方式的条码块。如图所示条码块的开始为上方识别符号组和数据部分组成。当手持扫描仪扫描时，若扫描方向与条码角度存在偏差，我们会检测到偏差。如出现连续变宽的波形，即可判断为存在偏差，马上转入到以软件计算或机械转动等任何方式反复调整扫描器与条码的角度，使扫描器和条码块上方识别符号组外边平行。

当进入第一组数据与识别符号后可以得到4种波形，其解码结果为：

1)一条连续宽度的波形为2比特，为1和1；

2)两个连续长宽波形，第一波形长度长于第二个波形长度时，2比特数据为1和0；

3)同上，当第二波形长度长于第一波形长度时，2比特数据为0和1；

4)当两波形相同时，2比特数据为0和0。

如图所示，进入第二组数据与识别符号，其结果为：

1)在两端各自出现一个窄波时，2比特数据为0和0；

2)当两端出现窄波，同时在中央出现一个成倍与窄波的波形时，2比特数据为1和1；

3)3个窄波出现，并且中间的窄波靠近与左方时，2比特数据为1和1和0；

4)当中间的窄波靠近于右方时，2比特数据为0和1。

进入第三组数据与识别符号时：

1)侧出现窄波，中央出现连续宽度波形时，2比特数据为1和1；

2)当两端出现窄波，中央出现两个相等的宽波时，2比特数据为0和0；

3)当两个宽波，左方宽波大于右方宽波的宽度时，2比特数据为1和0；

4)当右方宽波大于左方宽波时，2比特数据为0和1。

进入第四组数据与识别符号时：

1)两侧各出现两个窄波，2比特数据为0和0；

2)当中央出现一个两倍于窄波的宽波时，2比特数据为1和1；

3)当中央出现一个窄波时，如果靠近左方，2比特数据为1和0；

4)当中央窄波靠近右方时，2比特数据为0和1。

进入第五组数据与识别符号时：

1)两侧各出现两个窄波，中央出现一个连续宽波时，数据库数据为1和1；

2)当中央出现两个连续宽波时，当左侧宽波大于右侧宽波时，2比特数据为1和0；

3)当右侧宽波大于左侧宽波时，2比特数据为0和1；

4)当两个宽波相等时，2比特数据为0和0。

当进入第六组数据与识别符号时：

1)两组各出现3个窄波，2比特数据为0和0；

2)中央出现一个两倍于窄波的宽波时，2比特数据为1和1；

3)当中央出现一个窄波并靠近于左方时，2比特数据为1和0；

4)当中央出现一个窄波并靠近于左侧时，2比特数据为0和1。

进入第七组时：

1)两侧出现三个窄波时，中央出现一个连续长波时，2比特数据为1和1；

2)中央出现两个相等的宽波时，2比特数据为0和0；

3)当左侧宽波大于右侧宽波时，2比特数据为1和0；

4)但右侧宽波大于左侧宽波时，2比特数据为0和1。

进入第八组时：

1)两侧各出现四个窄波时，2比特数据为0和0；

2)中央出现一个2倍于窄波的宽波时，2比特数据为1和；

3)中央出现一个窄波靠近左方时，2比特数据为1和0；

4)中央出现一个窄波靠近右侧时，2比特数据为0和1。

进入第九组数据部分分与控制部分时，根据第八组控制部分的窄波所提示的波形识别时间和位置，即可得到两个连续的8比特数据流。

进入第十组数据部分与控制部分时，同上，可得到新的两组8比特数据流。

进入第十一组数据部分与控制部分时，与上述第八组相同。并且对第十组的数据流波形进行时间和位置的校正。

进入第十二组至第十八组的数据部分与控制部分时，宽、窄波及波特数据呈现于前述各组重复的现象，

即：第十二组与第七组相同；第十三组与第六组相同。。。。。第十八组与第一组相同。

各个组数据与识别符号的数据检测完毕后，根据条码块属性比特的提示，重新组合安排各个数据的顺序，完成解码。如上所述，如条码扭曲、失真时，其中某组窄波的宽度不大于或小于一倍时，调码解码不受影响，可以正常解码。

本发明的另一种解码方法为使用接触性或非接触性图像传感器，获取整块图像，进行图像预处理，使用各种图像识别的方法，检测外围4个顶角的正方形大小，并进行整形恢复由扭曲或倾斜而造成的变形。使顶角的4个正方形相等。然后切分出4个数据部分比特流的图像，切分出自定义的8个比特流的图像，检测自定义的8个比特流的内容，根据自定义的内容，对数据部分进行解码。

最后，根据自定义的比特流的内容，将2进制比特转换为列表如下的某种字符：

1、各种语言文字编码；2、ASCII编码；3、数字字符；4、经过压缩的或特殊处理的编码；5、用户自定义的数据编码规则编码。

至此，全部解码过程结束。

Claims (10)

1、Q码设计的基本概念(原理)，是由3个理论上抽象的概念化的相同基本单元(基本单元形状可任意，如正方形)，以造成内外角之差的各种角度(不能形成内外角度之差的360度、180度、0度除外)连续排列，构成具有决定方位，距离和基本单元尺寸的识别符号。在识别符号周围形成按照基本单元相同尺寸排列好的矩阵，以一定的规则载运信息。Q码的关键要点是保证明确区分识别符号的边界，或者最低限度保证区分识别符号的内外角边界。可以用四周空白、画线、色差、温差、高低差以及包括后述的条码输出方法等所有的方法均可。确保区分其内外角，以决定编码和解码时的起始位置和方向顺序，并以基本单元相同尺寸排列二维矩阵，用以标示如二进制等数据，即可形成Q码的基本方式。

2、Q码二维条码信息量增大的基本方式为：使用一个以上(复数个)的第一项所述的识别符号，最低限度确保区分识别符号的内外角，以形成包围成块的内部矩阵范围配置，组合形成新的条码范围和边界。也就是说，使用多个识别符号形成独立条码块，定义或设置自身定义信息区别数据与识别符号，并确定条码块和其周围的区别，以及包括其他条码块等之间的相互关系和位置。

3、复数个第一项所述识别符号以其所有顶点同一方向排列，加以适当扩展构成复数层，如：2层、3层、4层，以此类推构成一组识别符号组，同样可以得到一种条码。即：Q码多层方式。其结果既可以大幅度的提高Q码沉余度，又可尽量减少外观设计性的损失，形成在自然界中不存在的、人为的特殊图形。在用图象识别方法解码时，容易区别本条码与其他物品。还可以形成条码块内识别校准控制点功能，增加纠错，简化数据分析，提高解码速度。很好的解决了接触与非接触扫描器识别解码不能兼容的问题。并且可以扫描、解码同步进行，甚至可以达到兼容无需任何工具的目视解码。

4、用复数个第三项所述的多层方式，与第二项所述的方式结合运用，即可形成同时具有前两个功能的新方式，形成一个封闭的条码块，即：Q码多层封闭方式。而且，大幅度的提高了抗污抗损能力，简化图像识别方法和解码的数据计算负荷，降低对图像抓取环境的要求。容易校正因变形、扭曲、倾斜等原因发生的图象畸变，大幅度的增加了抓取图像解码的距离。也更便于从360度各个角度进行扫描解码以及兼容目视解码。

5、单向扩展运用第四项的多层封闭方式，即可大幅度的增加数据容量。以横向或竖向扩展数据部分，利用多层方式识别符号组的识别校准控制点机能，使用紧靠识别符号组的数据描述条码自身的各种属性和定义，即可准确地找到开始点与终点的识别符号组等。为了提高信息运载的精度，可以简单的定义和增加包括识别校准标示等特殊信息，以及采用各种纠错、加密、网罩、掩膜、各种纠错算法和抗污抗损措施等各种方法。

6、以第四项的方式，加上第五项的各种措施，横竖同时两方向扩展，即可得到双向扩展多层封闭方式的Q码。为了加强识别解码的精度和可靠性，可在数据部分外围定义包括识别校准控制点条或封闭边界等，或以对角线等规定的位置设置识别校准控制点条等追加措施。

7、Q码系列二维条码的识别符号组及数据部分是以相同的基本单元组成的，适应几乎所有的图形图像处理方法，大幅度增强了抗倾斜、抗扭曲变形能力。如可以比较相邻或一定距离的基本单位元，即可得到变形量和方向，取出或求出标准基本单位元，对条码进行修补或校正。

8、Q码系列条码的各种方式的一个特性，在于由于识别符号组及数据部分是以相同的基本单元组成的各点、线的宽度相同。利用此特点，可以和现行的文字一样编制成字库，在各种软件中调用，甚至与文字混合使用。特别是当使用正方形基本单元四层封闭方式时，形成正方形条码，与汉字非常亲和。而且由于采用了四层结构，可以简单的与汉字区别开米，利用自身定义信息区别数据与识别符号等，描述各个独立条码间的位置关系和是否处于起始状态等，既可以复数连续或间断使用，又可以混合使用。

9、在实际运用中，根据包括美观设计等各种需要，可将以上各种方式如：文字、图案、标记等混和使用。例如为了增加数据量，用四层封闭式起始，或以四周使用四层封闭式，在中央使用相同尺寸的单层封闭式。

10、以上所述的各种形式的条码，在所有形态的实际运用时，对条码施加色彩纹样、网罩、掩膜、各种纠错算法，抗污抗损措施，各种压缩扩张。使用荧光、特殊波长的涂料、发光物质、闪频、人工手工、机械、磁性磁场等。可见和不可见光产生制造条码，使用包括所有的从超大型计算机到超微型计算机进行编码输出，传送接收。输出方式大至所有人工建造物，小至极微纳米环境下的所有形式的输出。印刷、雕刻、拼装、铸造、切削、及以上所述的各种形式的条码的传输、运送、邮寄、光缆电缆的传输与接收等，以上所述的各种形式条码的所有方式的扫描、拍照、图形处理等均可用计算进行编码和解码。

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