CN110008779B - 一种立体二维码处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体二维码处理方法及装置，包括：确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片；计算所述平面二维码在所述目标曲面片上的投影参数；根据所述投影参数，在所述目标曲面片上形成立体二维码；以及采集立体二维码的图像信息；根据所述立体二维码的图像信息与标准二维码的图像信息之间的变换关系，将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息。本发明能够在任意曲面上形成立体二维码，且能够实现立体二维码的识别。

Description

一种立体二维码处理方法及装置

技术领域

本发明涉及二维码技术领域，特别是指一种立体二维码处理方法及装置。

背景技术

二维码是一种通过特殊编码表示特定信息的图形，可利用识别设备识别特定信息，已广泛应用于支付、防伪、电商等诸多领域。目前的二维码的生成及识别基于二维平面实现，尚没有实现二维码在三维曲面上的印刷与识别，限制了二维码的使用范围。另外，随着3D打印技术的发展，3D打印模型的版权保护成为需要解决的问题，如何实现在三维曲面上生成二维码，以及三维曲面上识别二维码成为二维码技术领域的研究重点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种立体二维码处理方法及装置，能够实现在任意曲面上生成立体二维码，以及立体二维码的识别。

基于上述目的，本发明提供了一种立体二维码处理方法，包括：

确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片；

计算所述平面二维码在所述目标曲面片上的投影参数；

根据所述投影参数，在所述目标曲面片上形成立体二维码。

可选的，所述投影参数包括投影点坐标、投影点像素值。

可选的，确定所述目标曲面片的方法是：所述任意曲面包括若干曲面片，将每个曲面片投影到投影坐标平面，得到所述每个曲面片在所述投影坐标平面的坐标分布范围；将平面二维码投影到所述投影坐标平面，得到所述平面二维码在所述投影坐标平面的坐标分布范围，根据所述每个曲面片在所述投影坐标平面的坐标分布范围和所述平面二维码在所述投影坐标平面的坐标分布范围，确定所述目标曲面片。

可选的，计算所述投影参数的方法是：计算所述平面二维码的每个像素点在所述目标曲面片上对应的投影点坐标，所述投影点像素值为对应的平面二维码的像素点的像素值。

可选的，所述方法还包括：

采集立体二维码的图像信息；

根据所述立体二维码的图像信息与标准二维码的图像信息之间的变换关系，将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息。

可选的，所述将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息，包括：根据立体二维码的图像坐标信息与标准二维码的图像坐标信息之间的变换关系，将所述立体二维码的图像坐标信息转换为所述标准二维码的图像坐标信息；对立体二维码的图像像素信息进行处理，得到标准二维码的图像像素信息。

本发明实施例还提供一种立体二维码处理装置，包括：

投影面确定模块，用于确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片；

计算模块，用于计算所述平面二维码在所述目标曲面片上的投影参数；

输出模块，用于根据所述投影参数，在所述目标曲面片上形成立体二维码。

可选的，所述投影参数包括投影点坐标、投影点像素值。

可选的，所述装置还包括：

图像采集模块，用于采集立体二维码的图像信息；

校正模块，用于根据立体二维码的图像信息与标准二维码的图像信息之间的变换关系，将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息。

可选的，所述校正模块包括：

坐标校正子模块，用于根据立体二维码的图像坐标信息与标准二维码的图像坐标信息之间的变换关系，将所述立体二维码的图像坐标信息转换为所述标准二维码的图像坐标信息；

像素处理子模块，用于对立体二维码的图像像素信息进行处理，得到标准二维码的图像像素信息。

从上面所述可以看出，本发明提供的立体二维码处理方法及装置，通过确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片，计算平面二维码在目标曲面片上的投影参数，根据投影参数，在目标曲面片上形成立体二维码，从而能够实现平面二维码在任意曲面上投影形成立体二维码；同时，对于非正面采集或是远距离采集出现投影畸变的情况下，利用立体二维码的图像信息与标准二维码的图像信息之间的变换关系，将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息，从而能够实现立体二维码的校正与识别。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的立体二维码生成方法流程示意图；

图2为本发明实施例的立体二维码生成方法的具体流程示意图；

图3为本发明实施例的平面二维码映射至三维曲面上形成立体二维码的变换关系示意图；

图4为本发明实施例的坐标系示意图；

图5为本发明实施例的十六个控制顶点的双三次B样条曲面示意图；

图6为本发明实施例的平面二维码及三维曲面在世界坐标系的投影坐标平面的投影示意图；

图7为本发明实施例的透视投影变换关系示意图；

图8A为本发明实施例的变形二维码示意图；

图8B为本发明实施例的立体二维码在投影平面正投影形成的标准二维码示意图；

图9为本发明实施例的立体二维码识别方法流程图；

图10为本发明实施例的装置结构框图；

图11为本发明另一实施例的装置结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

图1为本发明实施例的立体二维码生成方法流程示意图，图3为本发明实施例的平面二维码映射至三维曲面上形成立体二维码的变换关系示意图。如图所示，本发明实施例提供的立体二维码生成方法，用于将平面二维码投影至任意曲面，在任意曲面上形成立体二维码，任意曲面包括若干曲面片，立体二维码生成方法包括：

S10：确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片；

S11：计算平面二维码在目标曲面片上的投影参数；

S12：根据投影参数，在目标曲面片上形成立体二维码。

本发明实施例提供的立体二维码生成方法，首先确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片，将平面二维码投影至目标曲面片上，计算平面二维码在目标曲面片上的投影参数，投影参数包括投影点坐标、投影点像素、投影点面积等，根据计算得到的投影参数，在目标曲面片上形成立体二维码。依本发明的方法，能够实现平面二维码在任意曲面上投影形成相应的立体二维码。

图2为本发明实施例的立体二维码生成方法的具体流程示意图。如图所示，本发明实施例的立体二维码生成方法的具体流程包括：

S20：建立坐标系

图4为本发明实施例的坐标系示意图。如图所示，选取任意三维物体模型，获取三维物体模型的空间坐标信息。以三维物体模型为参照物，建立世界坐标系、相机坐标系、观察坐标系，具体方法是：

以三维物体模型的中心为原点，建立世界坐标系{O_w,x_w,y_w,z_w}，y_w轴竖直向上，世界坐标系为右手坐标系；建立观察坐标系{O_v,x_v,y_v,z_v}，其为左手坐标系；建立相机坐标系(又称屏幕坐标系){O_s,x_s,y_s,z_s}，坐标中心O_s位于视心，相机坐标系为左手坐标系，相机坐标系的x_s轴、y_s轴分别与观察坐标系的x_v轴、y_v轴平行，屏幕(x_s O_s y_s平面)与视线(z_v轴)垂直，相机坐标系的z_s轴与观察坐标系的z_v轴重合。

世界坐标系内任意一点P_w(x_w,y_w,z_w)可经过坐标变换，成为相机坐标系中的点P_s(x_s,y_s,z_s)，坐标变换关系为：

P_s(x_s,y_s,z_s)＝P_w(x_W,y_w,z_w)·M(1)

其中，M为坐标变换矩阵。同理，世界坐标系、相机坐标系、观察坐标系三个坐标系中已知一个坐标系中的坐标，就可以通过坐标变换得到其他两个坐标系的坐标。

S21：建立三维曲面的曲面函数

设N_i,m(u)和N_j,n(v)是B样条基函数，依次用线段连接点列P_i,j(i＝0,1,…,m；j＝0,1,…,n)中相邻两点，形成的空间网格称为控制网格。

图5为本发明实施例的具有十六个控制顶点的双三次B样条曲面示意图。如图所示，如果m＝n＝3，则由4×4＝16个控制顶点构成控制网格，其对应的曲面为双三次B样条曲面，双三次B样条曲面的曲面函数为：

公式(2)的矩阵形式为：

其中：

公式(2)的展开形式为：

其中，N_0,3(u),N_1,3(u),N_2,3(u),N_3,3(u),N_0,3(v),N_1,3(v),N_2,3(v),N_3,3(v)是三次B样条基函数。

S22：建立连续性三维曲面

为描述复杂的曲面形状，对于给定的曲面次数，B样条曲面的控制顶点数目根据曲面的形状确定，并保持曲面处处光滑。将控制网格沿某一个方向延伸一排，以决定另一个曲面片，曲面片的连接保证满足二阶导数连续。

给定空间控制网格顶点P_i,j(i＝0,1,…,p；j＝0,1,…,q；p>4,q>4)，构造双三次B样条曲面，其控制顶点的矩阵形式为：

根据公式(2)-(4)，双三次B样条曲面的控制顶点是4×4的矩阵，因此，将控制顶点P_i,j按照4×4形式进行分块，双三次B样条曲面的分块定点矩阵为：

其中，r＝0,…,p+1-4；s＝0,…,q+1-4。

这样，三次B样条曲面在一个正交方向由p-2段三次B样条曲线构成，在另一个正交方向由q-2段三次B样条曲线构成，依次将P_r,s代入公式(3)中的矩阵P就可绘制连续的双三次B样条曲面。

S23：确定三维曲面片的曲面函数

如图3所示，正方形的平面二维码abcd，其中心与相机坐标系的原点O_s重合，观察坐标系的原点O_v为O点，将相机坐标系中平面二维码的像素点坐标利用坐标变换关系变换为世界坐标系中对应的坐标，具体方法是：

图6为本发明实施例的平面二维码及三维曲面在世界坐标系的投影坐标平面的投影示意图。双三次B样条曲面具有十六个控制顶点和若干曲面片，如图所示，以O点(观察坐标系的原点O_v)为起点，经过双三次B样条曲面上任意一点，选取世界坐标系中的任意一坐标平面(x_w O_w y_w平面、y_w O_w z_w平面、x_w O_w z_w平面)为投影坐标平面，向投影坐标平面做射线，可求得双三次B样条曲面上任意一点在投影坐标平面的投影坐标，将每个曲面片投影到同一个投影坐标平面，求得每个曲面片在投影坐标平面的坐标分布范围，具体是，每个曲面片在投影坐标平面内投影为一平面面片，根据曲面片方程(参见公式(13))确定曲面片在投影坐标平面投影形成的平面面片的边缘方程，从而确定平面面片的坐标分布范围(参见公式(14))。

如图6所示，以O点为起点，经过平面二维码abcd中任意一像素点，向世界坐标系中的投影坐标平面做射线，可求得平面二维码的任意一像素点在投影坐标平面的投影坐标，根据平面二维码的投影坐标与双三次B样条曲面的每个曲面片对应的每个平面面片的坐标分布范围，可将平面二维码投影至目标平面面片范围之内，将目标平面面片对应的曲面片确定为目标曲面片Ch，则，利用目标曲面片Ch的曲面函数p_Ch(u,v)，可实现平面二维码在双三次B样条曲面上的映射变换的投影坐标计算。

S24：平面二维码在三维曲面上进行映射变换，生成立体二维码

对于平面二维码的任意一个像素点Q_i,j，以O点为起点，经过像素点Q_i,j，向世界坐标系中的投影坐标平面做射线

射线

与目标曲面片Ch相交于空间中的N点，射线

的方程为：

P(t)＝P₀+tV (9)

其中，P_O为O点的坐标，V为射线的方向向量，且：

射线

的分量表示为：

其中，x_O、y_O、z_O是O点在世界坐标系下的坐标，x_Q、y_Q、z_Q是Q_i,j点在世界坐标系下的坐标。

目标曲面片Ch的分量表示为：

其中，P_x、P_y、P_z为矩阵P的x、y、z分量矩阵P中控制顶点的坐标分别取世界坐标系下的坐标x、y、z时所组成的矩阵P。任意曲面均可通过公式(13)所示曲面函数表示。

射线

与目标曲面片Ch相交于空间中的N点，N点同时满足公式(12)、(13)，得到：

求解方程(14)，得到参数u、v、t，将计算得到的参数u、v、t代入公式(12)、(13)，可计算平面二维码中任意一像素点Q_i,j在目标曲面片Ch上的投影点坐标，投影点的像素值对应平面二维码中Q_i,j点的像素值，投影点的面积为：

其中，S_M,，m,n为平面二维码的像素点Q_i,j在目标曲面片Ch上投影点的面积，S_Q,i,j为像素点Q_i,j的面积，

为O点到N点的距离，

为O点到像素点Q_i,j的距离，m,n为平面二维码的像素点Q_i,j在目标曲面片Ch上的投影点(交点N)的坐标编号，i,j为平面二维码的像素点Q_i,j的坐标编号。

这样，按照上述对平面二维码的任意像素点Q_i,j的处理方法，对平面二维码的所有像素点进行处理，得到平面二维码的所有像素点在目标曲面片Ch上的投影点坐标、投影点像素值、投影点面积等投影参数，得到平面二维码在三维曲面上进行投影后形成的立体二维码。根据平面二维码的所有像素点在目标曲面片Ch上的投影点坐标、投影点像素值、投影点面积等投影参数，利用3D打印技术/喷墨印刷技术可实现立体二维码efgh在三维曲面上的打印/印刷(如图3所示)。

利用上述立体二维码的生成方法，可将平面二维码映射至任意曲面上，根据求得的投影点坐标、投影点像素值、投影点面积等投影参数，直接在任意曲面上打印形成立体二维码。利用识别设备于适当距离正面采集扫描立体二维码时，无需校正即可识别获取立体二维码中携带的特定信息，如图8B所示，在正面扫描情况下，立体二维码的正投影即为正方形的标准二维码，因而利用现有的平面二维码的扫描、识别方法即可识别获取立体二维码中携带的特定信息。

图7为本发明实施例的透视投影变换关系示意图，图8A为本发明实施例的变形二维码示意图，图8B为本发明实施例的立体二维码在投影平面正投影形成的标准二维码示意图。如图所示，当采集方向偏离正面采集方向，或是采集距离较远时，识别出的立体二维码会产生投影形变，相当于摄像机成像平面与映射前的平面二维码之间存在倾斜角，由于采集角度和采集位置发生改变，立体二维码的正投影不再是图8B所示正方形的标准二维码Q₂，而变成图8A所示的非正方形的变形二维码Q₁。由此，本发明提出一种立体二维码识别方法，可校正投影形变，即使偏离正面采集方向采集立体二维码，或是在距离立体二维码较远的情况下采集，也可以识别出立体二维码。

图9为本发明实施例的立体二维码识别方法流程图。如图所示，本发明实施例提供的立体二维码识别方法包括：

S30：采集立体二维码的图像信息；

利用识别设备采集立体二维码的图像信息，采集得到的立体二维码的图像信息是二维的图像信息。

S31：根据立体二维码的图像信息与标准二维码的图像信息之间的变换关系，将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息。

步骤S31包括：根据立体二维码的图像坐标信息与标准二维码的图像坐标信息之间的变换关系，将立体二维码的图像坐标信息转换为标准二维码的图像坐标信息；对立体二维码的图像像素信息进行处理，得到标准二维码的图像像素信息。

如图8A、8B所示，选取非正方形的变形二维码Q₁的四个顶点的坐标及正方形的标准二维码Q₂的四个顶点的坐标，基于透视投影变换基本关系建立标准二维码Q₂与变形二维码Q₁的变换关系，具体为：

设(x,y)是相机坐标系在平面xoy上的一点(图7中图像平面上的一点),(u,v)是(x,y)在标准二维码所在平面中对应的像点(图7中成像平面上的一点),则(x,y)与(u,v)之间的变换关系为：

H为变换矩阵。公式(16)又记为：

若已知变形二维码Q₁的四个顶点的坐标(x_i,y_i)，(i＝1,2,3,4)和正方形的标准二维码Q₂的四个顶点的坐标(u_i,v_i)，(i＝1,2,3,4)((x_i,y_i)与(u_i,v_i)可根据识别设备采集的图像的像素点坐标得到)，通过求解线性方程组可得到变换矩阵H的各变换系数，将各变换系数代入公式(18)，即可建立变形二维码Q₁与标准二维码Q₂的变换关系，基于该变换关系，已知变形二维码Q₁上各个像素点的坐标，即可根据公式(18)将变形二维码Q₁的各个像素点的坐标变换为正方形的标准二维码的各个像素点的坐标，即将变形二维码校正为正方形的标准二维码。

将变形二维码的像素点坐标校正为标准二维码的像素点坐标之后，利用最邻近插值算法对变形二维码的各像素点的像素值进行计算得到标准二维码各像素点的像素值，进而实现由变形二维码到标准二维码的透视变换校正，从而实现将立体二维码图像恢复识别为平面二维码。

图10为本发明实施例的装置结构框图。如图所示，本发明实施例提供的立体二维码处理装置，能够实现平面二维码在任意曲面上投影，形成立体二维码，任意曲面包括若干曲面片，所述装置包括：

投影面确定模块，用于确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片；

计算模块，用于计算平面二维码在目标曲面片上的投影参数；

输出模块，用于根据投影参数，在目标曲面片上形成立体二维码。

本发明实施例提供的立体二维码处理装置，投影面模块确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片，将平面二维码投影至目标曲面片上，由计算模块计算平面二维码在目标曲面片上的投影参数，投影参数包括投影点坐标、投影点像素、投影点面积等，输出模块根据计算得到的投影参数，在目标曲面片上形成立体二维码。依本发明的立体二维码处理装置，能够实现平面二维码在任意曲面上投影形成相应的立体二维码。

图11为本发明另一实施例的装置结构框图。如图所示，所述装置还能够实现立体二维码的校正与识别，所述装置包括：

图像采集模块，用于采集立体二维码的图像信息；

校正模块，用于根据立体二维码的图像信息与标准二维码的图像信息之间的变换关系，将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息。

所述校正模块包括：

坐标校正子模块，用于根据立体二维码的图像坐标信息与标准二维码的图像坐标信息之间的变换关系，将立体二维码的图像坐标信息转换为标准二维码的图像坐标信息；

像素处理子模块，用于对立体二维码的图像像素信息进行处理，得到标准二维码的图像像素信息。

本发明实施例的立体二维码处理方法及装置，通过平面二维码在任意曲面上的目标曲面片上投影，计算得到投影参数，能够在任意曲面上形成立体二维码；识别立体二维码时，可通过变形二维码与标准二维码之间的变换关系，将采集的立体二维码的图像信息转换处理为标准二维码的图像信息，从而根据标准二维码的图像信息，提取出立体二维码中携带的特定信息。

上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种立体二维码处理方法，其特征在于，包括：

确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片，包括：所述任意曲面包括若干曲面片，将每个曲面片投影到投影坐标平面，得到所述每个曲面片在所述投影坐标平面的坐标分布范围；将平面二维码投影到所述投影坐标平面，得到所述平面二维码在所述投影坐标平面的坐标分布范围，根据所述每个曲面片在所述投影坐标平面的坐标分布范围和所述平面二维码在所述投影坐标平面的坐标分布范围，确定所述目标曲面片；

计算所述平面二维码在所述目标曲面片上的投影参数；

根据所述投影参数，在所述目标曲面片上形成立体二维码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述投影参数包括投影点坐标、投影点像素值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述投影参数的方法是：计算所述平面二维码的每个像素点在所述目标曲面片上对应的投影点坐标，所述投影点像素值为对应的平面二维码的像素点的像素值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

采集立体二维码的图像信息；

根据所述立体二维码的图像信息与标准二维码的图像信息之间的变换关系，将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息，包括：根据立体二维码的图像坐标信息与标准二维码的图像坐标信息之间的变换关系，将所述立体二维码的图像坐标信息转换为所述标准二维码的图像坐标信息；对立体二维码的图像像素信息进行处理，得到标准二维码的图像像素信息。

6.一种立体二维码处理装置，其特征在于，包括：

投影面确定模块，用于确定平面二维码投影至任意曲面上所在的目标曲面片，包括：所述任意曲面包括若干曲面片，将每个曲面片投影到投影坐标平面，得到所述每个曲面片在所述投影坐标平面的坐标分布范围；将平面二维码投影到所述投影坐标平面，得到所述平面二维码在所述投影坐标平面的坐标分布范围，根据所述每个曲面片在所述投影坐标平面的坐标分布范围和所述平面二维码在所述投影坐标平面的坐标分布范围，确定所述目标曲面片；

计算模块，用于计算所述平面二维码在所述目标曲面片上的投影参数；

输出模块，用于根据所述投影参数，在所述目标曲面片上形成立体二维码。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述投影参数包括投影点坐标、投影点像素值。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

图像采集模块，用于采集立体二维码的图像信息；

校正模块，用于根据立体二维码的图像信息与标准二维码的图像信息之间的变换关系，将立体二维码的图像信息转换为标准二维码的图像信息。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述校正模块包括：

坐标校正子模块，用于根据立体二维码的图像坐标信息与标准二维码的图像坐标信息之间的变换关系，将所述立体二维码的图像坐标信息转换为所述标准二维码的图像坐标信息；

像素处理子模块，用于对立体二维码的图像像素信息进行处理，得到标准二维码的图像像素信息。

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