CN104899630B - 彩色qr码的编/解码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种彩色QR码的编/解码方法，该编码方法保留了标准黑白QR码的可靠性和鲁棒性，利用无损压缩算法使得彩色QR码的数据容量远大于同类型的彩色二维码。且编码颜色不要求在RGB颜色空间中相距最远来提高颜色的辨识度，彩色QR码的编/解码过程不需要进行颜色空间的转换，即不会导致颜色信息的丢失，彩色QR码解码时对环境光照无特殊要求，不需要利用参考颜色作为调色板，计算复杂度大大降低，且解码正确率为100%。
Description
技术领域
本发明涉及二维码，具体是彩色QR码的编/解码方法。
背景技术
条码技术的应用极大的提高了数据采集和信息处理的速度，已成为自动识别领域的重要分支。国内常用的一维条码如欧洲商品编号(European Article Number,EAN)，通用商品代码(Universal Product Code,UPC)、39码、交叉25码等的普遍局限性是信息密度低、数据容量小、只能在一个维度上表示信息，无纠错能力、不具备加密功能、严格依赖于数据库或联网等。由于一维条码容量的局限性，已经不能满足日益增长的生产需求，于是二维条码应运而生。二维条码可以在有限的几何空间内，在横纵两个维度上表示更多的信息，在编码范围、信息密度和纠错能力等方面有了很大的提高，但是作为黑白二维码中容量最大的快速响应矩阵码(Quick Response Code，QR码)，版本为40，纠错等级为L的QR码也只能存放7089个数字或4296个大写字母或2953个ASCII字符或1817个中国汉字。条码的应用普及对条码的信息容量提出了更高的要求，人们迫切的希望在更小的储存空间内储存更多的数据容量、兼容更多的字符类型。尽管现有的彩色二维码，如ColorCode、高容量的彩色条码(High Capacity Color Barcode,HCCB)、移动多彩色复合码(Mobile Multi-ColourComposit,MMCC)、高容量的彩色二维码(High Capacity Colored Two Dimensional Code,HCC2D)等在不同程度上实现了数据容量的扩充，但是其容量最多为标准黑白QR码的4倍，而且现有的彩色二维码存在以下缺陷：
1.对光照条件十分敏感，因为同一种颜色在不同的光照条件下呈现的颜色不一样；
2.要求编码颜色在RGB颜色空间中相距最远，以提高颜色的辨识率；
3.彩色二维码在编码/解码过程中，颜色空间的转换会导致颜色信息的丢失；
4.需要利用参考颜色来处理彩色二维码的偏色问题，计算复杂度大幅增加；
5.解码正确率不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种彩色QR码的编/解码方法，该编码方法保留了标准黑白QR码的可靠性和鲁棒性，利用无损压缩算法使得彩色QR码的数据容量远大于同类型的彩色二维码。且编码颜色不要求在RGB颜色空间中相距最远来提高颜色的辨识度，彩色QR码的编/解码过程不需要进行颜色空间的转换，即不会导致颜色信息的丢失，彩色QR码解码时对环境光照无特殊要求，不需要利用参考颜色作为调色板，计算复杂度大大降低，且解码正确率为100％。
实现本发明目的的技术方案是：
彩色QR码的编码方法，包括以下步骤：
1)输入待编码的字符串，形成源数据信息流；
2)用压缩算法对源数据信息流进行压缩；
3)根据QR码的编码规则，进行数据分析形成数据码字流；
4)根据数据码字流的字节数，利用最小尺寸原则初始化彩色QR码；
5)在步骤3)的基础上，用理德-所罗门码(Reed-Solomon,RS)算法对数据码字流进行分块纠错，形成纠错码字流；
6)将生成的纠错码字流添加到数据码字流后面形成总码字流，构造信息的最终码字序列，必要时加入剩余位；
7)填充功能图形区域，其中功能图形包括寻像图形、分隔符、定位图形、校正图形；
8)填充格式信息和版本信息；
9)对数据和纠错码字区域进行掩膜；
10)根据QR码符号字符的排列规则，在步骤8)和步骤9)的基础上填充数据码字和纠错码字；
11)根据颜色映射表，生成彩色QR码。
上述编码方法中，步骤2)中压缩算法只要是无损压缩算法均可实现其功能。
上述编码方法中，步骤4)彩色QR码初始化过程中，随着颜色种类的增多，QR码的数据密度也随之增大，假定使用的颜色数为2k种，每个模块可储存的比特数定义为：
BMP(Bits Per Module)＝log2(2k)＝k，其码字总数、剩余位、数据码字数、纠错码字数、纠错的块数等均变为标准黑白QR码的K倍。
上述编码方法中，步骤6)中依次将每一块的数据和纠错码字装配成最终的序列：数据块1的码字1，数据块2的码字1，数据块3的码字1，以此类推至数据块n-1的最后一个码字，数据块n的最后一个码字；随后，纠错块1的码字1，纠错块2的码字1，以此类推至纠错块n-1的最后一个码字，纠错块n的最后一个码字。
彩色QR码的解码方法，包括以下步骤：
1)加载彩色QR码图像；
2)遍历彩色QR码图像，得到图像中每个像素点的RGB值；
3)检测寻像图形是否存在；若成功检测到寻像图形，则进入步骤4)，否则进入步骤13)结束本次解码；
4)返回寻像图形中心点的坐标值，并继续检测校正图形，返回校正图形中心点的坐标值；
5)利用透视变换，栅格化QR码，识别颜色模块；
6)根据颜色映射表，识读格式信息和版本信息；
7)消除掩膜，恢复数据码字和纠错码字；
8)用纠错码字进行错误检查，若发现错误，则进入步骤9)，否则进入步骤10)；
9)分块纠错，根据接收码字多项式，计算伴随式并求解错误位置，对每一个错误位值取反来纠正出现的错误，最终实现分块纠错；
10)将数据解压缩，恢复源数据信息流；
11)数据码字译码，根据模式指示符和字符计数指示符，将数据码字划分成多个部分，按照使用的模式进行译码；
12)根据数据码字译码结果，输出源数据信息流；
13)结束本次解码。
上述解码方法中，步骤3)中，检测寻像图形时，遍历彩色QR码图像，先在水平方向上统计彩色QR码图像中5种颜色的相对宽度比例是否为1:1:3:1:1，此处比例允许小于50％的偏差；满足上述比例条件后，再垂直检测彩色QR码图像中5种颜色的相对宽度比例是否为1:1:3:1:1，此处比例允许小于40％的偏差；满足上述两个比例条件后，再次水平方向上检测彩色QR码图像中5种颜色的相对宽度比例是否为1:1:3:1:1，此处比例允许小于20％的偏差。偏差的存在主要是为了检测扭曲、变形等失真的彩色QR码。
上述解码方法中，步骤4)中，检测校正图形时，先在水平方向上统计3种颜色的相对宽度比例是否为1:1:1，此处比例允许小于50％的偏差；满足上述比例条件后，再垂直检测彩色QR码图像中3种颜色的相对宽度比例是否为1:1:1，此处比例允许小于40％的偏差。偏差的存在主要是为了检测扭曲、变形等失真的彩色QR码。
上述解码方法中，步骤5)利用步骤3)和步骤4)得到的寻像图形和校正图形中心点的坐标，利用以下公式得到输入图像坐标与输出图像坐标之间的映射关系：
其中(u,v)代表输入图像的坐标，(x,y)表示输出图像的坐标，a,b,c,e,f,g,h,i,j均为常数项系数。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供彩色QR码利用无损压缩算法使得彩色QR码的数据容量远大于同类型的彩色二维码。与标准黑白QR码相比，其数据容量得到了显著的提升，采用4种颜色编码时，数字模式的容量提升了26.28倍，字母数字模式的容量提升了61.32倍，8位字节模式的容量提升了25.18倍，中国汉字的容量提升了32.58倍；采用16种颜色编码时，数字模式的容量提升了52.97倍，字母数字模式的容量提升了123.36倍，8位字节模式的容量提升了50.86倍，中国汉字的容量提升了83.29倍；
2.彩色QR码解码时，对环境光照无特殊要求；
3.彩色QR码的编码颜色不要求在RGB颜色空间中相距最远来提高辨识度；
4.彩色QR码的编/解码过程不需要进行颜色空间的转换，即不会导致颜色信息的丢失；
5.彩色QR码不存在偏色问题，不需要利用参考颜色，计算复杂度明显降低；
6.解码正确率为100％。
附图说明
图1是本发明彩色QR码的编码流程图；
图2是4种颜色的彩色QR码图像示意图；
图3是16种颜色的彩色QR码图像示意图；
图4是本发明彩色QR码的解码流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明实施例彩色QR码的编码流程图，其编码方法包括以下步骤：
S101)输入待编码的字符串，形成源数据信息流；
S102)用压缩算法对源数据信息流进行压缩；
S103)根据QR码的编码规则，进行数据分析，将不同模式的源数据信息流转换为二进制数据，在二进制数据后逐位添加终止符，必要时添加填充字符，形成数据码字流；
S104)根据数据码字流的字节数，确定彩色QR码的版本、纠错等级、码字总数、数据码字数、纠错码字数以及纠错的块数，根据QR码初始化后的版本和纠错等级，交替的添加填充码字11101100和00010001；
S105)在S103)的基础上，用RS算法对数据码字流进行分块纠错，形成纠错码字流；
S106)将生成的纠错码字流添加到数据码字流之后形成总码字流，为了正好填满S104)中彩色QR码初始化后的码字总数，当编码颜色为2k种时，版本14、15、16、17、18、19、20、28、29、30、31、32、33、34需要添加3k个剩余位、版本21、22、23、24、25、26、27需要添加4k个剩余位、版本2、3、4、5、6需要添加7k个剩余位；
S107)填充功能图形区域，其中功能图形包括寻像图形、分隔符、定位图形、校正图形；
S108)填充格式信息和版本信息；
S109)对数据和纠错码字区域进行掩膜；
S110)根据QR码符号字符的排列规则，在S108和S109的基础上填充数据码字和纠错码字；
S111)根据颜色映射表，生成彩色QR码。
上述编码方法中，步骤S102)中压缩算法只要是无损压缩算法均可实现其功能。
上述编码方法中，步骤S104)中初始化彩色QR码时，随着颜色种类的增多，QR码的数据密度也随之增大，假定使用的颜色数为2k种，每个模块可储存的比特数定义为：
BMP(Bits Per Module)＝log2(2k)＝k，其码字总数、剩余位、数据码字数、纠错码字数、纠错的块数等均变为标准黑白QR码的K倍。
低版本彩色QR码的数据容量如下表所示：
低版本彩色QR码符号字符数和数据容量如下表所示：
由于彩色QR码较标准黑白QR码而言，其数据密度更高，所以彩色QR码的字符计数指示符的位数需要相应的增加，彩色QR码数字模式、字母数字模式、中国汉字模式的字符计数指示符定义为：其中CCIQR表示标准黑白QR码的字符计数指示符的位数，而彩色QR码8位字节模式的字符计数指示符均为16。
彩色QR码的字符计数指示符如下表所示：
上述编码方法中，步骤S105)中由于QR码使用RS码的伽罗华域为GF(28)，即多项式阶数不能高于255，因此，当遇到码字流长度小于等于255个字节的QR码，可直接使用RS算法计算纠错码字；当码字流长度超过255个字节时，QR码进行分块纠错，分别计算各块数据码字子序列对应的纠错码字子序列，按照S106)的规则组合成总码字流。
上述编码方法中，步骤S106)中依次将每一块的数据和纠错码字装配成最终的序列：数据块1的码字1，数据块2的码字1，数据块3的码字1，以此类推至数据块n-1的最后一个码字，数据块n的最后一个码字；随后，纠错块1的码字1，纠错块2的码字1，以此类推至纠错块n-1的最后一个码字，纠错块n的最后一个码字。当编码颜色为2k种时，QR码符号所包含的数据和纠错块通常正好填满符号的码字容量，但是版本14、15、16、17、18、19、20、28、29、30、31、32、33、34需要添加3k个剩余位、版本21、22、23、24、25、26、27需要添加4k个剩余位、版本2、3、4、5、6需要添加7k个剩余位，添加在最终的信息位流后以正好填满编码区域的模块数。
上述编码方法中，步骤S111)中彩色QR码的编码颜色可任意选取，本发明实施例选取的颜色映射表如下表所示：
本发明的显著优势是彩色QR码的容量得到了显著的提升，如下表所示：
采用本实施例的编码方法得到的4种颜色、版本为7、纠错等级为L的彩色QR码如图2所示。
采用本实施例的编码方法得到的生成16种颜色、版本为7、纠错等级为L的彩色QR码如图3所示。
实施例2
如图4所示，为本发明实施例提供的彩色QR码的解码流程图，其解码方法包括以下步骤：
S201)加载彩色QR码图像；
S202)遍历彩色QR码图像，得到图像中每个像素点的RGB值；
S203)检测寻像图形是否存在；若成功检测到寻像图形，则进入步骤S204)，否则进入步骤S213)结束本次解码；
S204)返回寻像图形中心点的坐标值，并继续检测校正图形，返回校正图形中心点的坐标值；
S205)利用透视变换，栅格化QR码，识别颜色模块；
S206)根据颜色映射表，识读格式信息和版本信息；
S207)消除掩膜，恢复数据码字和纠错码字；
S208)用纠错码字进行错误检查，若发现错误，则进入步骤S209)；否则进入步骤S210)；
S209)分块纠错，根据接收码字多项式，计算伴随式并求解错误位置，对每一个错误位值取反来纠正出现的错误，最终实现分块纠错；
S210)将数据解压缩，恢复源数据信息流；
S211)数据码字译码，根据模式指示符和字符计数指示符，将数据码字划分成多个部分，按照使用的模式进行译码；
S212)根据数据码字译码结果，输出源数据信息流；
S213)结束本次解码。
上述解码方法中，步骤S203)中，检测寻像图形时，遍历彩色QR码图像，先在水平方向上统计彩色QR码图像中5种颜色的相对宽度比例是否为1:1:3:1:1，此处比例允许小于50％的偏差；满足上述比例条件后，再垂直检测彩色QR码图像中5种颜色的相对宽度比例是否为1:1:3:1:1，此处比例允许小于40％的偏差；满足上述两个比例条件后，再次水平方向上检测彩色QR码图像中5种颜色的相对宽度比例是否为1:1:3:1:1，此处比例允许小于20％的偏差。偏差的存在主要是为了检测扭曲、变形等失真的彩色QR码。
上述解码方法中，步骤S204)中，检测校正图形时，先在水平方向上统计3种颜色的相对宽度比例是否为1:1:1，此处比例允许小于50％的偏差；满足上述比例条件后，再垂直检测彩色QR码图像中3种颜色的相对宽度比例是否为1:1:1，此处比例允许小于40％的偏差。偏差的存在主要是为了检测扭曲、变形等失真的彩色QR码。
上述解码方法中，步骤S205)中利用S204)得到的寻像图形和校正图形中心点的坐标，利用以下公式得到输入图像坐标与输出图像坐标之间的映射关系：
其中(u,v)代表输入图像的坐标，(x,y)表示输出图像的坐标，a,b,c,e,f,g,h,i,j均为常数项系数。
Claims (5)
1.彩色QR码的编码方法，包括以下步骤：
1）输入待编码的字符串，形成源数据信息流；
2）用压缩算法对源数据信息流进行压缩；
3）根据QR码的编码规则，进行数据分析形成数据码字流；
4）根据数据码字流的字节数，利用最小尺寸原则初始化彩色QR码；
5）在步骤3）的基础上，用理德-所罗门码(Reed-Solomon,RS)算法对数据码字流进行分块纠错，形成纠错码字流；
6）将生成的纠错码字流添加到数据码字流后面形成总码字流，构造信息的最终码字序列，必要时加入剩余位；
7）填充功能图形区域，其中功能图形包括寻像图形、分隔符、定位图形、校正图形；
8）填充格式信息和版本信息；
9）对数据和纠错码字区域进行掩膜；
10）根据QR码符号字符的排列规则，在步骤8）和步骤9）的基础上填充数据码字和纠错码字；
11）根据颜色映射表，生成彩色QR码；
其特征是：
步骤6）中依次将每一块的数据和纠错码字装配成最终的序列：
数据块1的码字1，数据块2的码字1，数据块3的码字1，以此类推至数据块n-1的最后一个码字，数据块n的最后一个码字；随后，纠错块1的码字1，纠错块2的码字1，以此类推至纠错块n-1的最后一个码字，纠错块n的最后一个码字；
数据块和纠错块为n比特，n为大于等于5的正整数。
2.根据权利要求1所述的彩色QR码的编码方法，其特征是：步骤4）彩色QR码初始化过程中，随着颜色种类的增多，QR码的数据密度也随之增大，假定使用的颜色数为2k种，每个模块可储存的比特数定义为：，其码字总数、剩余位、数据码字数、纠错码字数、纠错的块数等均变为标准黑白QR码的K倍。
3.彩色QR码的解码方法，包括以下步骤：
1）加载彩色QR码图像；
2）遍历彩色QR码图像，得到图像中每个像素点的RGB值；
3）检测寻像图形是否存在；若成功检测到寻像图形，则进入步骤4），否则进入步骤13）结束本次解码；
4）返回寻像图形中心点的坐标值，并继续检测校正图形，返回校正图形中心点的坐标值；
5）利用透视变换，栅格化QR码，识别颜色模块；
6）根据颜色映射表，识读格式信息和版本信息；
7）消除掩膜，恢复数据码字和纠错码字；
8）用纠错码字进行错误检查，若发现错误，则进入步骤9），否则进入步骤10）；
9）分块纠错，根据接收码字多项式，计算伴随式并求解错误位置，对每一个错误位值取反来纠正出现的错误，最终实现分块纠错；
10）将数据解压缩，恢复源数据信息流；
11）数据码字译码，根据模式指示符和字符计数指示符，将数据码字划分成多个部分，按照使用的模式进行译码；
12）根据数据码字译码结果，输出源数据信息流；
13）结束本次解码；
其特征是：
步骤3）中，检测寻像图形时，遍历彩色QR码图像，先在水平方向上统计彩色QR码图像中5种颜色的相对宽度比例是否为1:1:3:1:1，此处比例允许小于50%的偏差；满足上述比例条件后，再垂直检测彩色QR码图像中5种颜色的相对宽度比例是否为1:1:3:1:1，此处比例允许小于40%的偏差；满足上述两个比例条件后，再次水平方向上检测彩色QR码图像中5种颜色的相对宽度比例是否为1:1:3:1:1，此处比例允许小于20%的偏差。
4.根据权利要求3所述的彩色QR码的解码方法，其特征是：步骤4）中，检测校正图形时，先在水平方向上统计3种颜色的相对宽度比例是否为1:1:1，此处比例允许小于50%的偏差；满足上述比例条件后，再垂直检测彩色QR码图像中3种颜色的相对宽度比例是否为1:1:1，此处比例允许小于40%的偏差。
5.根据权利要求3所述的彩色QR码的解码方法，其特征是：步骤5）利用步骤3）和步骤4）得到的寻像图形和校正图形中心点的坐标，利用以下公式得到输入图像坐标与输出图像坐标之间的映射关系：
其中(u,v)代表输入图像中任意一个像素点的坐标，(x,y)表示输出图像中任意一个像素点的坐标，a,b,c,e,f,g,h,i,j均为常数项系数。
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