CN104850814A - 融合二维码的图像优化处理方法 - Google Patents

Abstract

一种融合二维码的图像优化处理方法，将原二维码与某目标图像相结合，生成新的具有目标图像特征且能作为二维码被识别的图像。首先利用常规的二维码编码算法生成二维码，再根据美化规则生成遮罩位图。随后利用常规的半色调图像生成算法，生成目标图像的半色调图片。再根据合成公式和遮罩位图，合成结果图像。最后用退火算法对合成图像进行更新，生成最终合成图像。本发明不受数据类型限制，可对最大长度内的任意数据加密；与二维码图像本身特点无关，对任意布局的二维码都能达到很好的效果；对目标图像还原程度高，能保留目标图像所有特点；生成速度快，能够处理比之前方法更高分辨率数量级的图像，处理速度更快。

Description

融合二维码的图像优化处理方法

技术领域

本发明涉及的是一种图像处理领域的技术，具体是一种融合二维码的图像优化处理方法，将二维码与某目标图像相结合的算法，合成图像仍可作为二维码进行扫描识别。

背景技术

近年来二维码作为一种信息传递的媒介已经在各种多媒体和公共场合得到了广泛的应用，成为了一种随处可见的信息符号。人们可以便利地使用身边的智能设备扫描二维码，然后得到隐藏的信息如网页链接等等。二维码先天上具有高识别度和扫描识别速度快的特点。但是二维码的生成算法是为了保证上述特点而设计的，比如保证在恶劣光线环境下二维码仍然能被正确识别。因此对于人类不具有可读性，仅能够以一系列看似杂乱无章的黑白色块的形式呈现。

认为二维码的美化具有非常大的工业和社会应用价值。原因如下，一、扫描设备的快速发展使得二维码的生成不再需要严格的遵循一些规则来保证高识别度；二、二维码的应用不再局限在工业领域，而是成为一种民用技术。完全可以让这样的符号更具亲和度并能够在视觉上传递信息；三、传统二维码仅由黑白色块组成，在保证识别的前提下将其更改为彩色，势必有更好的视觉效果。

经过现有的文献检索发现，有不少人致力于改善二维码的外观。Cox提出了一种通过研究图像内部结构和二维码的编码逻辑，在不牺牲可读性前提下将二值图像和二维码结合的算法。但是这种方法只能应用于URL形式的数据类型，不能推广到任意数据。Ono，Samretwit和Wakahara提出的方法为将二维码的一些黑块替换成图像或标志，但这些图像和标志通常只能放在二维码中央一个相当小的区域，且相当依赖二维码本身的图像特点。Chu，H.K.，Chang，C.S.，Lee，R.R.，Mitra，N.J等人在2013年ACM Transactions on Graphics上发表了一种算法能够完成全图范围的半色调图像与二维码的结合，但是算法中需要穷举，因此算法速度较慢，且对于高分辨率的半色调图像，算法的表现非常差。

中国专利文献号CN104346640A公开(公告)日2015.02.11，公开了一种计算机实现的生成二维码的方法，包括提供由单元组成的二维码；提供包括与所述二维码的所述单元对应的片块的图片；提供彼此不同的多个单元图案，其中每个单元图案包括多个子单元；以及根据所述图片的所述片块，为所述二维码的所述单元决定所述多个单元图案中的所述一个单元图案。但该技术生成的效果图与原图的还原性无法满足现有技术对清晰度的要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于模拟退火的二维码优化处理方法，能够将传统单色无意义的二维码转化成彩色的、具有高识别度的二维码。

本发明是通过以下技术方案实现的：在二维码识别的过程中，真正影响一个像素点被识别仪器判断为黑或白的只有中心区域，即周边区域的影响较小。但是视觉上周边区域仍然影响整幅图像的观感。因此可以将周边区域的像素替换为目标图像对应位置的像素。在此基础上，提出两幅图片的相似度计算公式，原问题被转化为一个使合成图片与目标图片相似度尽量大的问题。这类问题属于典型的搜索问题，可利用模拟退火算法求解。产生新解的方式为不断尝试交换图像中的随机两个反色的像素，直到找到一个满足终止寻找条件的优解。

本发明涉及一种基于模拟退火的二维码优化处理方法，将预处理后的目标图像与基于二维码可更换原则生成的遮罩位图合并，最后将所得结果采用模拟退火算法优化后得到合成图像。

所述的预处理是指：对目标图像I利用半色调图像生成算法H，生成半色调图片H(I)。

所述的二维码是指：利用二维码编码算法E，根据需要加密的信息m生成二维码E(m)。

所述的合并是指：将预处理后的目标图像与遮罩位图中各个像素值对应相乘。

所述的模拟退火算法是指：模拟热力学中的退火过程，在给定初温后逐渐下降，在多项式时间内找到一个近似最优解。

所述的模拟退火算法能够在多项式时间内优化二维码与原图的相似度，从而能够高效地生成高分辨率高度细分的二维码。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：二维码生成模块、美化规则模块、图像输入模块以及二维码处理模块，其中：二维码生成模块与二维码处理模块相连并传输原始二维码信息，美化规则模块与二维码处理模块相连并传输被选择的规则信息，C模块与二维码处理模块相连并传输半色调化的图像信息。

技术效果

与现有技术相比，本发明将图像的还原度提高作为主要目标，即尽可能提升二维码与目标图像的相似度。同时保证合成图片仍然能够被二维码识别软件正常识别。同同类方法相比，本方法不受数据类型限制，可对最大长度内的任意数据加密；本方法与二维码图像本身特点无关，对任意布局的二维码都能达到很好的效果；同时本方法对目标图像的还原程度非常高，基本保留了目标图像的所有图像特点；本方法还具有生成速度快的特点，能够处理比之前方法更高分辨率数量级的图像，处理速度更快。

附图说明

图1为本发明完整过程示意图；

图2为实施例美化规则和遮罩位图；

图3为实施例流程示意图；

图4为实施例退火算法逐步迭代的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图3所示，本实施例包括以下步骤：

第一步、根据二维码编码算法E，根据需要加密的信息m生成二维码E(m)。见图1中(a)为需要加密的信息m。本实施例中采用QR码的编码算法E来生成二维码，得到如图1(b)所示的二维码E(m)，其中深色像素代表黑色点，浅色像素代表白色点，其余部分为二维码所需的定位点，不可改变。

第二步、根据美化规则(beautifying policy)P，生成遮罩位图M。

所述的美化规则指的是，对于一个二维码的黑白像素，将其分割成更小的像素矩阵后，决定哪些小像素可以被更换，而哪些小像素不能被更换的规则。

所述的更换是指：根据二维码规范，由于二维码识别器采样自每一个未细分模块的中心颜色，因此非中心细分模块可以更换成任意颜色。

如图2所示，所述的遮罩位图M为 $M\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cccccc}& 1& \mathrm{if}& x& \mathrm{is}& \mathrm{changeable}\\ 0& \mathrm{if}& x& \mathrm{is}& \mathrm{not}& \mathrm{changeable}\end{array}\right..$

第三步、根据目标图像I，利用半色调图像生成算法H(Structure-aware Halfoning)生成半色调图片H(I)。本实施例中目标图像如图1中(d)所示，生成的半色调图像如图1(e)所示。

第四步、根据合成公式和遮罩位图M，合成结果图像R，如图1(f)所示，即

R(x)＝H(I)(x)·M(x)+E(m)(x)·(1-M(x))，      (1)

即若某像素是可更换的，则取半色调图像上对应像素，否则取二维码上对应像素。其中x是指细分后的子模块。

第五步、利用模拟退火算法优化图像，具体过程为：

5.1)初始化温度变量T，合成的图像R作为初始解状态，每个温度的迭代次数K。

5.2)对k＝1，......，K做步骤5.3)至步骤5.6)。

5.3)随机交换半色调图像H(I)中两个颜色相反的像素。根据合成公式，更新合成图像R改成Rnew。

5.4)计算增量Δt＝D(I，R_new)-D(I，R_old)，其中：Rold是为交换前的图像，D(I，R)为计算图像R与半色调图像I之间的相似度公式：

D(I₀，I_h)＝ω_gG(I₀，I_h)+ω_t(1-SSIM(I₀，I_h))          (2)

其中：G为色调相似度，函数g(x)返回的是x的高斯模糊图像。

SSIM为结构相似度： $\mathrm{SSIM}(a,b)=\frac{(2{\mathrm{\μ}}_a{\mathrm{\μ}}_b+k_1)(2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ab}}+k_2)({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ab}}+k_3)}{({\mathrm{\μ}}_a^2+{\mathrm{\μ}}_b^2+k_1)({\mathrm{\μ}}_a^2+{\mathrm{\μ}}_b^2+k_2)({\mathrm{\σ}}_a{\mathrm{\σ}}_b+k_3)},$ 其中： ${\mathrm{\μ}}_a={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\ω}}_i{a}_i,$ ${\mathrm{\μ}}_b={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\ω}}_i{b}_i,{\mathrm{\σ}}_a={\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\ω}}_i{(a_i-{\mathrm{\μ}}_a)}^2\right)}^{\frac{1}{2}},{\mathrm{\σ}}_b={\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\ω}}_i{(b_i-{\mathrm{\μ}}_b)}^2\right)}^{\frac{1}{\text{2}}},{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ab}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N(a_i-$ ${\mathrm{\μ}}_a)(b_i-{\mathrm{\μ}}_b),$ ω_i指的是高斯归一化权重。

5.5)若Δt＜0则接受新的R作为当前解，否则以概率方式判断是否接受新的R作为当前解。

所述的概率为exp(-Δt/T)。

5.6)如果满足终止条件则输出当前解作为最优解，结束算法。

所述的终止条件在本实施例中为连续若干个新的R均未被接受，连续的次数优选为200次。

5.7)以温度变量乘以退火因子作为新的温度变量，并回到步骤5.2。

如图4所示，为上述模拟退火算法优化示意图的实施效果。依照上述步骤，对目标图像I进行处理，得到图1(g)，仍可作为二维码被识别，并且其携带有输入图片的信息，即在表观上与输入图片相似。

Claims (7)

1.一种融合二维码的图像优化处理方法，其特征在于，将预处理后的目标图像与基于二维码可更换原则生成的遮罩位图合并，最后将所得结果采用模拟退火算法优化后得到合成图像；

所述的合并是指：将预处理后的目标图像与遮罩位图中各个像素值对应相乘。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的预处理是指：对目标图像I利用半色调图像生成算法H，生成半色调图片H(I)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的二维码是指：利用二维码编码算法E，根据需要加密的信息m生成二维码E(m)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的模拟退火算法是指：模拟热力学中的退火过程，在给定初温后逐渐下降在多项式时间内找到一个近似最优解。

5.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征是，所述方法具体包括以下步骤：

第一步、根据二维码编码算法E，根据需要加密的信息m生成二维码E(m)；

第二步、根据二维码E(m)的黑白像素，将其分割成更小的像素矩阵后，根据可更换像素矩阵规则生成遮罩位图M；

第三步、根据目标图像I，利用半色调图像生成算法生成半色调图片H(I)；

第四步、根据合成公式和遮罩位图M，合成结果图像R(x)

$R\left(x\right)=H\left(I\right)\left(x\right)\·M\left(x\right)+E\left(m\right)\left(x\right)\·(1-M\left(x\right)),\∀x\∈R$

第五步、利用模拟退火算法优化图像。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的模拟退火算法，具体包括以下步骤：

5.1)初始化温度变量T，合成的图像R作为初始解状态，每个温度的迭代次数K；

5.2)对k＝1，……，k做步骤5.3)至步骤5.6)；

5.3)随机交换半色调图像H(I)中两个颜色相反的像素。根据合成公式，更新合成图像R改成Rnew；

5.4)计算增量Δt＝D(I，R_new)-D(I，R_old)，其中：Rold是为交换前的图像，D(I，R)为计算图像R与半色调图像I之间的相似度公式：

D(I₀，I_h)＝ω_gG(I₀，I_h)+ω_t(1-SSIM(I₀，I_h))，其中：G为色调相似度，函数g(x)返回的是x的高斯模糊图像；SSIM为结构相似度： $\mathrm{SSIM}(a,b)=\frac{({2\mathrm{\μ}}_a{\mathrm{\μ}}_b+k_1)({2\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ab}}+k_2)({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ab}}+k_3)}{({\mathrm{\μ}}_a^2+{\mathrm{\μ}}_b^2+k_1)({\mathrm{\μ}}_a^2+{\mathrm{\μ}}_b^2+k_2)({\mathrm{\σ}}_a{\mathrm{\σ}}_b+k_3)},$ 其中： ${\mathrm{\μ}}_a={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\ω}}_i{a}_i,{\mathrm{\μ}}_b={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\ω}}_i{b}_i,$ ${\mathrm{\σ}}_a={\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\ω}}_i{(a_i-{\mathrm{\μ}}_a)}^2\right)}^{\frac{1}{2}},{\mathrm{\σ}}_b={\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\ω}}_i{(b_i-{\mathrm{\μ}}_b)}^2\right)}^{\frac{1}{2}},{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ab}}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\ω}}_i(a_i-{\mathrm{\μ}}_a)(b_i-{\mathrm{\μ}}_b),$ ω_i指的是高斯归一化权重；

5.5)若Δt＜0则接受新的R作为当前解，否则以概率方式判断是否接受新的R作为当前解；

5.6)如果满足终止条件则输出当前解作为最优解，结束算法；

5.7)以温度变量乘以退火因子作为新的温度变量，并回到步骤5.2。

7.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：二维码生成模块、美化规则模块、图像输入模块以及二维码处理模块，其中：二维码生成模块与二维码处理模块相连并传输原始二维码信息，美化规则模块与二维码处理模块相连并传输被选择的规则信息，C模块与二维码处理模块相连并传输半色。