CN104881699A - 基于时域心理视觉调制的二维码内嵌系统及显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于时域心理视觉调制的二维码内嵌系统及显示方法，所述系统包括：一个高刷新率的时域调制显示装置和图像摄取装置，其中：所述显示装置，顺序播出一组图像，该图像经过时域心理视觉调制隐藏了二维码，所述隐藏了二维码是指利用人眼和图像传感器之间成像原理的差异，对裸眼观看的用户显示正常的图像，无法看到二维码，而包含图像传感器的图像摄取装置摄取的图像中有二维码；所述图像摄取装置，摄取所述显示装置显示的图像，该图像中显示二维码。本发明通过对所需播放的二维码进行预调制，实现了隐形二维码显示的功能。

Description

基于时域心理视觉调制的二维码内嵌系统及显示方法

技术领域

本发明涉及的是一种二维码显示系统，具体地说，涉及的是一种基于时域心理视觉调制的二维码内嵌系统及显示方法。

背景技术

随着移动互联网领域的飞速发展，二维码技术得到了广泛的应用。作为一种方便快捷的信息传播方式，二维码被嵌入到了各种纸质材料中或在电子显示装置上播放。然而，传统的二维码需要占据部分显示屏幕的空间，过大则影响观看体验，过小则较难被扫描。同时其随机的外形和黑白的样式影响了显示内容的美观性，且会分散。因此，一种新型的二维码嵌入技术尤为重要，以使在不影响用户正常观看内容的情况下提供需要扫码的用户二维码信息。

为了改善二维码的外观和增大它的用途，在学术上和商界都付出了一些努力。为此所做的努力主要分成以下三种：第一，许多美学上的条形码是手工设计的。第二，这种种类相当于QR模块的直接操作。第三，二维码植入算法是在没有改变QR模块的位置而修改每个像素的亮度的基础上建立的。这些方法大都故意使用了二维码提供的错误的预算，减少了二维码的纠错能力。更重要的是，他们只是改善了二维码的外观，它仍然占用了宣传资料的宝贵空间。

发明内容

本发明针对现有的二维码播放系统占据屏幕空间且影响用户观看体验，提供一种基于时域心理视觉调制的二维码内嵌系统及方法，通过对所需播放的二维码信息进行预调制，实现了隐形二维码显示的功能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

根据本发明的一方面，提供一种基于时域心理视觉调制的二维码内嵌系统，包括一个高刷新率的时域调制显示装置、图像摄取装置，其中：

所述显示装置，顺序播出一组图像，该图像经过时域心理视觉调制隐藏了二维码，所述隐藏了二维码是指利用人眼和图像传感器之间成像原理的差异，对裸眼观看的用户显示正常的图像，无法看到二维码，而包含图像传感器的图像摄取装置摄取的图像中有二维码；

所述图像摄取装置，摄取所述显示装置显示的图像，该图像中显示二维码。

进一步的，所述系统包含二维码阅读器，该二维码阅读器从图像摄取装置所摄取的图像中扫描二维码，从而获得隐藏的二维码信息。

根据本发明的第二方面，提供一种基于时域心理视觉调制(TPVM)的信息安全显示方法，所述方法中：对显示装置要显示的图像进行时域心理视觉调制，隐藏其中二维码，所述隐藏其中二维码是指利用人眼和图像传感器之间成像原理的差异，对裸眼观看的用户显示正常的图像，无法看到二维码，而包含图像传感器的图像摄取装置摄取的图像中显示有二维码。

现代光电显示装置可以提供120Hz甚至更高的刷新频率，而人眼视觉系统无法分辨超过临界闪烁频率(约60Hz)的光学信号。而同时，对于摄像头中CCD或CMOS等常用的图像传感器，在时域上不能完全记录所有从显示装置发出的光信号。因此，当形成图像时，人眼和图像传感器在光源上应用不同的时间卷积核，在人眼视觉系统里，一张稳定的图像是在光场上通过连续的积分形成的，而半导体图像传感器会适时通过在连续光源下离散的采样形成图像。而包含图像传感器的图像摄取装置正是利用可以被图像传感器(摄像头)获取的额外信息，从而获得其中隐藏的二维码。

对于需要播放的图像设为(L为该图像的分辨率)，同时设将要嵌入的一个二维码为C∈R^L(若二维码的分辨率小于图像分辨率，则用零将二维码补成与图像I同一分辨率)，最终在人眼合成的图像Y，设融合刷新频率为f_d，则f_c＝Kf_d为数字显示的刷新频率，产生的一组混合图片为M₁,M₂...M_K，满足其中K＝f_c/f_d。

本发明所述方法嵌入的原则是为了最小化二维码C和图像Y之间的视觉差距。正如之前所提到的，人眼视觉系统无法分辨超过临界闪烁频率(约60Hz)的光学信号，所以对于裸眼来说，融合画面刷新率即是f_d＝60Hz，对于120Hz的LCD显示屏来说，数字刷新频率为f_c＝120Hz，则K＝2。所以需要设计两幅混合图像M_1和M_2使其满足M_1+M_2＝2I。M_1和M_2由显示装置轮换显示，则由于人眼视觉的限制，在裸眼看来将会是M_1和M_2的融合图像。而通过图像摄取装置则仍能够单独得到M_1或M_2，从而可以之后传给二维码阅读器获取其中的二维码。

本发明根据当今显示装置高刷新率的不断提高，而人眼视觉系统的融合特性与图像摄取装置离散采样之间的差别，采用了一个高刷新率的时域调制显示装置，对于要显示的信息进行特定的时域心理视觉调制，取得了对裸眼观看的用户显示正常的视觉信号，而同时利用二维码扫描设备的用户能够扫描获取二维码所包含的信息，实现了隐形二维码显示的实际应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对所需播放的二维码信息进行预调制，实现了隐形二维码显示的功能，改变了传统的二维码需要占据部分显示屏幕的空间、过大则影响观看体验、以及过小则较难被扫描的问题。同时不影响显示内容的美观性，在不影响用户正常裸眼观看内容的情况下实现二维码的扫描。本发明为进一步扩大了二维码应用范围提供了可能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明涉及一种隐藏二维码显示系统，该系统包括：一个高刷新率的时域调制显示装置和图像摄取装置，其中：

所述显示装置，顺序播出一组图像，该图像经过时域心理视觉调制隐藏了二维码，所述隐藏了二维码是指利用人眼和图像传感器之间成像原理的差异，对裸眼观看的用户显示正常的图像，无法看到二维码，而包含图像传感器的图像摄取装置摄取的图像中有二维码；

所述图像摄取装置，摄取所述显示装置显示的图像，该图像中显示二维码。

所述系统进一步包含二维码阅读器，该二维码阅读器从图像摄取装置所摄取的图像中扫描二维码，从而获得隐藏的二维码信息。

当然，在一些实施例中，所述图像摄取装置和二维码阅读器也可以是一体式的，比如现有的能拍照、同时能扫描二维码的智能手机，平板电脑等等。

本发明通过利用人眼和图像传感器之间成像原理的差异，对所需显示的信号进行调制，在保证裸眼用户观看到正常的图像的同时，让图像摄取装置拍下含有二维码信息的图像。

基于这些不同之处，让人眼和图像传感器感知截然不同的图像，例如，把二维码嵌入到一张图像中，这样人眼可以看到原始的图像，而通过图像摄取装置拍到的图像包含了二维码。这个有趣的分歧可以被最近提出的叫做心理视觉调制的信息显示技术手段来实现。心理视觉调制(TPVM)的基本原理是由于HVS不能识别出高于60HZ闪烁频率的微妙变化，然而现代显示技术提供了更高的刷新率。例如，3D显示支持120HZ刷新率，BenQ DLPR Projector TH681可以提供全高清的分辨率(1920*1080)和三陪高的闪光(144HZ)，而对于LED显示屏，300HZ是一个标准的刷新率，它能够在某一瞬间达到1200HZ的刷新率。

基于不可见的二维码的基本原理可以实现许多不同的应用，更重要的是，被隐藏的二维码的数量和位置是不受限制的，因为人眼是看不到二维码的。人们不需要担心他们是否能看到二维码和如何扫描它。因为二维码可以在人们感兴趣的任何地方植入到屏幕中，或者可以直接提供一些视觉上有趣的提示。根据在不同屏幕上被隐藏的二维码，应用可以被分成以下的三大类。第一，数字广告牌和引导标志过去常常用于给路过的人传播广告和新闻信息。在上面的二维码变得越来越普及。但是他们也影响了公共设计的审美观。这种方法延续了二维码的优势，而不需要改变原本的宣传设计。第二，二维码在电视上可以被植入到电视剧和电影里面。例如，如果你有一些感兴趣的东西，你可以直接扫描而得到关于她的重要信息，这会让产品植入更加有效。第三，在电影院，二维码可以植入到电影里而取到保护正版版权和打击盗版电影的效果。

过去几十年，随着显示技术的发展，显示装置在现代生活发生了巨大的变化。如今，大多数信息可以通过显示装置获得。然而，通过人眼在显示装置上获得的信息很有限，显示装置可以提供比人眼极限频率高出很多的刷新率，即有更大的冗余空间可以被利用起来。有两种主要的方法利用这些冗余容量。第一，显示装置的心理视觉冗余可以为不同的观众生成多幅视觉感知。第二，冗余可以用来为计算设备传输数据。这意味着当显示装置对人传输图像时，它也可以给计算机设备传输数据。所以这种从显示装置到计算机设备方便非直接的通信信道被广泛的用于各种领域

从显示装置传输信号到计算机有很多方式。例如，可以设计具有特定意义的符号或者用特定的规则对符号进行编码。更清楚的说，如果摄像头拍了一张包含了图案A的图像，意味着这张图像是被人A所设计的，然后选择二维码符号作为从显示装置到计算机的一种通信信道。这种二维码可以携带大量的数据。另外，一个先进的误差修正方法和其他独特的特征会使二维码比其他码更快更可靠的读取。二维码是一种以黑白两种元素的位置排列传达信息的二维矩阵码，二维码模块包含着以下几种功能：有一些携带实际的数据，有一些集合成不同功能的模式，比如改善可读性、允许符号对齐、错误修正和失真补偿。这种定时模式让扫描设备知道符号的大小。当然也需要有一个空白区、一个四个模块大小的不包含数据的缓存区域，这是为了保证周围的文本或者标记不被错误的当成二维码数据。

所以这种二维码有很多独特的优势和好处，包括1、快速和全方向的扫描。2、超过7098个数字的高容量数据存储。3、尺寸小。4、数据损坏超过30％的误差修正。5、运用不同类型的数据。6、失真补偿。7、可连接性。8、在部分区域或产品上可以直接标记。

应用实施例

在本发明一个实施例的具体实现中，首先，设融合刷新频率为f_d，则f_c＝Kf_d为数字显示的刷新频率。假设需要嵌入的一幅图片为I∈R^L，同时将一个二维码C∈R^L作为输入(L是图像I的分辨率，C大小和I一致，无效区域用0填充)，产生一组混合图片M₁,M₂...M_K满足其中K＝f_c/f_d。随后高刷新率(120Hz以上)的显示装置将依次显示混合的图像。对人而言，人类视觉系统根据混合图像所有的发光区域形成的是完整的图像I。但对于成像传感器而言，摄像机无法捕捉到屏幕发出的所有的光信号，也就是说，混合图像的加权形成图像Y＝MW，其中Y∈R^L,W∈R^K×1,M是将所有的M_i作为它的列而形成。显示装置到图像摄取装置之间的信道是有噪声的，比如，由于图像摄取装置位置和角度不准确，拍摄的图片可能是旋转的和扭曲的。同时，亮度干扰和其他的噪声都有可能影响图像质量。考虑到所有这些噪声，将噪声设为N。考虑到存在的噪声，设包括噪声的图像为Y′。

整套嵌入系统的原则是为了最小化二维码C和图像Y'之间的视觉差距，也就等效于最小化C和加权图像Y的视觉距离。在这里只需考虑二维码所在的区域。对于120Hz的LCD显示屏来说K＝2，所以需要设计两幅混合图像M_1和M_2使其满足M_1+M_2＝2I。M_1和M_2由显示装置轮换显示，则由于人眼视觉的限制，在裸眼看来将会是M_1和M_2的融合图像。而通过图像摄取装置则仍能够单独得到M_1或M_2，从而可以之后传给二维码阅读器获取其中的二维码。

算法1用伪代码的形式展示了如何将二维码嵌入至图片中。这里有三个要点1)M_1中的一些像素值需要尽可能小以便包含在C域的黑值模块中，另一些像素值需要尽可能大来包含在C域的亮值模块中，而M_2恰恰相反。2)为了使得二维码裸眼不可见，计算灰度值的过程需要转换到亮度空间，因为对大多数显示装置来说灰度和亮度值之间的联系并不是线性的。3)二维码并不能嵌入到I域中的纯白或者纯黑像素域中。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于时域心理视觉调制的二维码内嵌系统，其特征在于，包括：一个高刷新率的时域调制显示装置和图像摄取装置，其中：

所述显示装置，顺序播出一组图像，该图像经过时域心理视觉调制隐藏了二维码，所述隐藏了二维码是指利用人眼和图像传感器之间成像原理的差异，对裸眼观看的用户显示正常的图像，无法看到二维码，而包含图像传感器的图像摄取装置摄取的图像中有二维码；

所述图像摄取装置，摄取所述显示装置显示的图像，该图像中显示二维码。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述系统包含二维码阅读器，该二维码阅读器从图像摄取装置所摄取的图像中扫描二维码，从而获得隐藏的二维码信息。

3.一种基于时域心理视觉调制的信息安全显示方法，其特征在于，对显示装置要显示的图像进行时域心理视觉调制，隐藏其中二维码，所述隐藏其中二维码是指利用人眼和图像传感器之间成像原理的差异，对裸眼观看的用户显示正常的图像，无法看到二维码，而包含图像传感器的图像摄取装置摄取的图像中显示有二维码。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对显示装置要显示的图像进行时域心理视觉调制，对其中二维码信息进行嵌入设计，对于需要嵌入的一幅图片为I∈R^L，同时将一个二维码C∈R^L，最终在人眼合成的图像Y，设融合刷新频率为f_d，则f_c＝Kf_d为数字显示的刷新频率，产生的一组混合图片为M₁,M₂...M_K满足其中K＝f_c/f_d。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述嵌入的原则是：最小化二维码C和图像Y之间的视觉差距，人眼视觉系统无法分辨超过临界闪烁频率的光学信号，对于裸眼来说，融合画面刷新率即是f_d＝60Hz，对于120Hz的LCD显示屏来说，数字刷新频率为f_c＝120Hz，则K＝2；所以需要设计两幅混合图像M_1和M_2使其满足M_1+M_2＝2I，M_1和M_2由显示装置轮换显示，则由于人眼视觉的限制，在裸眼看来将会是M_1和M_2的融合图像；而通过图像摄取装置则仍能够单独得到M_1或M_2。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，通过求得上述问题的最优解，通过如下方法将二维码嵌入至图片中：

a)对于将要混合的图像M_1,M_2以及二维码C,先将它们由灰度空间转换到亮度空间；

b)要混合的图像之一M_1与二维码C线性相加；

c)将要混合的图像之二M_2与二维码C线性相减；

d)将b)、c)得到的新的M_1与M_2再由亮度空间转换到灰度空间。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，裸眼用户直接观看到融合图像，而通过图像摄取装置则能提取其中隐藏的二维码，实现内嵌二维码的功能。