CN111209988B - 一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法 - Google Patents
一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及发明涉及大数据管理技术领域，尤其涉及一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，它包括以下步骤：S1、采集数据信息，发送给区域主机；S2、加密，进行彩色二维码编码处理；S3、将生成的彩色二维码显示在显示设备上；S4、图像采集设备采集到显示设备上显示的彩色二维码，然后将采集到的彩色二维码发送给数据控制主机；S5、数据控制主机将采集到的彩色二维码进行解码，然后将解码后得到的数据进行解密，得到每个工作区域内每台工作设备的数据信息。采用这种管理方法管理大数据安全性较高，而且数据容量也较大，并且后期更新数据也方便。
Description
技术领域
本发明涉及发明涉及大数据管理技术领域，尤其涉及一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法。
背景技术
随着社会经济的不断发展，大数据与人们生活的联系愈发紧密，大到城市工程建设、企业资产管理、生产设备运维；小到日常的交通出行、营销购物、医疗服务，处处都能让我们体会到大数据给生活带来的便利，然而，越来越多的数据意味着对数据中心的要求越来越高，因此，人们迫切需要一种能够在“数据中心与数据中心”或是“数据中心与设备”之间建立联系的共享安全系统，将原本零散化的设备信息进行统筹管理。
针对设备信息零散化这个问题，当前市场上采用的解决方式主要分为无线射频标签与普通二维码标签两种。
前者是采用RFID作为商品或设备的身份识别标签，在标签注册时向其内部添加相关设备的基础信息，然后在后期的设备使用过程中，只需要通过扫描枪或者天线对标签进行扫描即可获取其标签内部的信息，然后根据其ID调取后台数据中心中更详细的信息，从而实现设备的统一管理。
后者是采用最传统的粘贴式黑白二维码，将设备数据输入到二维码生成器中生成对应的二维码，然后将二维码打印成可黏贴的热敏纸质二维码并黏贴在对应的设备上，然后在后期的设备使用过程中，员工只要使用扫描枪对二维码进行扫描即可获取设备的基础信息，达成统一管理的目的。
但是上述方法具有以下缺陷：
一、RFID标签采用无线射频技术读取标签内部信息，虽然方便，但也意味着他人可以通过读写设备读取RFID标签的信息，这样存在一定的安全隐患；
二、因为RFID标签采用的是无线射频识别的技术，因此可以进行范围性的扫描，但是由于存在标签信号相互影响、设备环境因素等情况，会发生错读漏读的现象，对设备管理产生影响。
三、类似黑白二维码这种的注册后就固定不变的身份识别标签，在后期数据状态更新后需要重新打印粘贴，十分不便的同时，在标签更新的间隔期还存在着数据不匹配的漏洞。
四、无论是RFID标签还是黑白二维码标签，都有容量小的缺陷，RFID标签仅有约128比特的空间，而二维码最多可容纳1850个字符，而这些存储空间无法满足存储详细信息的需求，仅能通过记录在标签中的设备ID，来调取存储在后台数据中心的详细信息，这样的话对后台的存储设备就有了一定的要求。且由于数据是在数据中心里面的，如果添加其他类型的管理设备就需要对其开放数据中心的接口，势必对数据中心的管理与安全产生一定影响。
五、由四中所述，RFID标签和黑白二维码标签的数据容量太小，导致了它们只能够以设备的身份识别标签来存放少量的信息，而不能作为数据中心之间的数据交互手段，因此无法建立起一套完整了数据共享安全系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，采用这种管理方法管理大数据安全性较高，而且数据容量也较大，并且后期更新数据也方便。
本发明所采用的技术方案是：一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，所述共享系统包括多个工作区域以及数据控制主机，每个工作区域设有多台工作设备、用于采集每台工作设备信息的数据采集模块、区域主机、显示设备以及图像采集设备，所述图像采集设备与数据控制主机信号连接，所述数据采集模块以及显示设备均与区域主机信号连接，它包括以下步骤：
S1、数据采集模块采集多台工作设备的数据信息，然后发送给区域主机；
S2、区域主机将采集到的数据信息进行加密，然后再进行彩色二维码编码处理，得到彩色二维码；
S3、将生成的彩色二维码显示在显示设备上；
S4、图像采集设备采集到显示设备上显示的彩色二维码，然后将采集到的彩色二维码发送给数据控制主机；
S5、数据控制主机将采集到的彩色二维码进行解码，然后将解码后得到的数据进行解密，得到每个工作区域内每台工作设备的数据信息；
步骤S5中将彩色二维码进行解码具体包括以下步骤：
S51、采集图像；
S52、图像预处理；
S53、二维码定位；
S54、纠错以及译码；
步骤S54包括以下步骤：
首先由接收多项式F(x)计算得其伴随式G(x)，然后再用G(x)计算得到错误多项式H(x)，最后得到S(x)＝F(x)+H(x)；
先假设解除掩膜后的码字为：F＝(f0,f1,…,f25),将这些码字代入到GF(28)中，可得F(x)＝f0+f1x+…+f25x25；
然后计算伴随式:
G0＝F(1)＝f0+f1+…+f25
G1＝F(2)＝f0+f1a+…+f25a25
…
G7＝F(7)＝f0+f1a7+…+f25a175
其中，a表示GF(28)得基元；
然后再计算错误多项式，根据下列等式：
G0σ4-G1σ3+G2σ2-G3σ1+G4＝0
G1σ4-G2σ3+G3σ2-G4σ1+G5＝0
G2σ4-G3σ3+G4σ2-G5σ1+G6＝0
G3σ4-G4σ3+G5σ2-G6σ1+G7＝0
来找每一个错误位置的变量σi(i＝1～4)，然后用这个σi代替多项式σ(x)＝σ4+σ3x2+σ2x3+σ1x4,再逐个去替换掉对应G(x)多项式中的系数，就能找到错误出现在哪个G(x)多项式中的哪一个位置上；
然后根据错误的位置，列方程组计算得到错误值即可实现纠错。
作为优选，步骤S2中的加密为RSA加密。
作为优选，步骤S2中的彩色二维码编码处理包括以下步骤：
S21、数据分析，对输入的数据进行分析，选择编码模式；
S22、按照选择的编码模式将数据进行编码，得到数据码字；
S23、通过数据码字得到纠错码字，然后将纠错码字与数据码字组合得到最终位流序列；
S24、根据得到的最终位流序列得到彩色二维码。
作为优选，步骤S23具体采用Reed.Solomin纠错算法。
作为优选，纠错方法具体包括以下步骤：
S231、将数据码字分成块，分别计算每一块的纠错码；
S232、将分块后的数据码字从高到低依次作为降幂多项式的系数填入到多项式f(x)中；
S233、用多项式f(x)除以纠错码后生成的新的多项式g(x)的余数就是纠错码字。
作为优选，步骤S52依次包括图像灰度化处理、图像二值化处理以及仿射变换复原。
作为优选，所述仿射变换复原具体包括以下步骤：即通过公式
在给定四个已知点(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)和四个目标点(x’0,y’0)(x’1,y’1)(x’2,y’2)(x’3,y’3)的条件下，求得变换矩阵A的参数值。
采用以上方法与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、使用彩色二维码图像来传输，保密性好，不易被无线接收设备途中截取，从而能获得标签的信息与位置数据；
2、彩色二维码数据容量大，较之需人工写入或者注册后无法更改的其他标签更灵活实用，具有更强的信息实时性；
4、更大的数据容量意味着更少的标签需求，减少了大量的标签的设备成本与管理成本；
5、彩色二维码图像传输结合多种纠错方式，相较于RFID发生的错读漏读现象，数据传输更可靠、更稳定；
6、由于彩色二维码存储空间大的优势，可以将大部分的设备信息与运行数据存储在彩色二维码内，对后台数据中心的存储要求降低，降低设备成本与运维成本；
7、由于彩色二维码存储空间大的优势，它不仅能作为身份识别标签，还能够作为数据交互的介质；
8、整个大数据共享安全系统在进行数据交互时是处于物理隔离的状态下，保证了数据的安全。
附图说明
图1为本发明中彩色二维码编码的流程示意图；
图2为本发明中彩色二维码解码的流程示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明做进一步描述，但是本发明不仅限于以下具体实施方式。
一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统，包括多个工作区域以及数据控制主机，每个工作区域设有多台工作设备、数据采集模块、区域主机、显示设备以及图像采集设备，所述图像采集设备与数据控制主机信号连接，所述数据采集模块以及显示设备均与区域主机信号连接，其中：
工作设备，主要指需要管理的设备，每个工厂所需要管理的工作设备不同，所以在此不详细展开；
数据采集模块，主要是采集工作设备的一些信息，可以是连接到工作设备上用于采集工作设备工作时的一些运行参数，也可以一些计数模块，如用于计算加工的零件数量，或者存储有操作人员登记的一些信息的办公电脑，主要是从这些模块中采集到需要的信息；
区域主机，可以是普通的PC电脑，也可以是特制的工控板，它需要具有加密以及编码功能；
显示设备，主要为高清显示器，用于显示彩色二维码，而且一个显示器可以显示多个彩色二维码；
图像采集设备，主要是高清摄像头，用于拍摄显示器显示的彩色二维码，并且可以设置多个高清摄像头采集同一个显示器上的彩色二维码信息，这样采集到的多组数据可以相互印证，实现初步纠错；
数据控制主机，整个工厂就只有这一个，与图像采集设备信号连接，可以是有线连接，也可以是无线连接，用于将采集到的彩色二维码进行解码，然后再解密，得到需要的工作设备的数据信息。
对上述共享系统的管理方法主要包括以下步骤：
S1、数据采集模块采集多台工作设备的数据信息，然后发送给区域主机；
S2、区域主机将采集到的数据信息进行加密，然后再进行彩色二维码编码处理，得到彩色二维码；
S3、将生成的彩色二维码显示在显示设备上；
S4、图像采集设备采集到显示设备上显示的彩色二维码，然后将采集到的彩色二维码发送给数据控制主机；
S5、数据控制主机将采集到的彩色二维码进行解码，然后将解码后得到的数据进行解密，得到每个工作区域内每台工作设备的数据信息；
步骤S5中将彩色二维码进行解码具体包括以下步骤：
S51、采集图像；
S52、图像预处理；
S53、二维码定位；
S54、纠错以及译码；
步骤S54包括以下步骤：
首先由接收多项式F(x)计算得其伴随式G(x)，然后再用G(x)计算得到错误多项式H(x)，最后得到S(x)＝F(x)+H(x)；
先假设解除掩膜后的码字为：F＝(f0,f1,…,f25),将这些码字代入到GF(28)中，可得F(x)＝f0+f1x+…+f25x25；
然后计算伴随式:
G0＝F(1)＝f0+f1+…+f25
G1＝F(2)＝f0+f1a+…+f25a25
…
G7＝F(7)＝f0+f1a7+…+f25a175
其中，a表示GF(28)得基元；
然后再计算错误多项式，根据下列等式：
G0σ4-G1σ3+G2σ2-G3σ1+G4＝0
G1σ4-G2σ3+G3σ2-G4σ1+G5＝0
G2σ4-G3σ3+G4σ2-G5σ1+G6＝0
G3σ4-G4σ3+G5σ2-G6σ1+G7＝0
来找每一个错误位置的变量σi(i＝1～4)，然后用这个σi代替多项式σ(x)＝σ4+σ3x2+σ2x3+σ1x4,再逐个去替换掉对应G(x)多项式中的系数，就能找到错误出现在哪个G(x)多项式中的哪一个位置上；
然后根据错误的位置，列方程组计算得到错误值。
其中，上述加密使用RSA非对称加密算法，将数据进行加密处理，其通式可以表达为：
密文＝明文EmodN
即，RSA加密就是对明文的E次方除以N后求余数的过程，所以只要知道E和N就可以进行RSA加密了，因此(E,N)就是RSA的公钥。
E,N的选择同样存在要求：
N＝p*q；p、q为两个较大的质数；
L＝lcm(p-1，q-1)；L是p-1和q-1的最小公倍数；
gcd(E,L)＝1，且1<E<L；E和L互质，且1<E<L；
E*D mod L＝1,且1<D<L；E和D的乘积除以L的余数为1，且1<D<L；
上述彩色二维码编码主要包括以下步骤：
1、数据分析，首先对输入的数据流进行分析，确定编码字符的类型，然后选择编码模式，因为彩色二维码可以支持对多种不同的数据模式进行编码，包括数字、字母和中国汉字等，分析数据的目的是为了能够对不同的数据模式进行高效的编码，同时根据需要选择相应的纠错等级来提高可靠性，纠错等级并无划分规则，纠错等级越高，二维码抗污损能力越强，但是这就意味着纠错码字需要在码字模块中占用更大的空间，所以二维码的数据容量空间变小了，所以说是一种有利有弊的情况，所以纠错等级的选择要综合考虑数据的大小和二维码抗污损能力的选择，在没有预先设置所要采用的版本的情况下，默认选择与数据相适应的最小版本。
2、数据编码，按照选择的编码模式将传输过来的数据字符转换为位流，首先将数据转换成二进制的位流，并在位流的开头加上模式指示符与字符计数符，在位流的末尾加上终止符，从而组成一个完整的二进制数据码字。
如以12345678为例，采用数字模式：
将数字分为3个一组：123//456//789；
将数字转换成10位二进制(不足10位的补0)：123—0001111011，456—0111001000，78—0001001110；
连接上述得到的二进制序列：000111101101110010000001001110；
这串数字字符数为8，则字符指示符为(不足10位的补0)：8—0000001000；
加入模式指示符0001与终止符0000，得到最后的二进制数据码字：
000100000010000001111011011100100000010011100000；
其他模式，如字母或者汉子模式，也是转换为二进制序列的数据码字。
3、纠错编码
纠错编码即为根据需要将数据码字序列分块，生成相对应的纠错码字，一并加入到相应的数据码字序列的后面，彩色二维码的编码主要采用Reed_Solomon算法来实现纠错功能，纠错面积高，可同时纠正突发错误和随机作物，使得符号在局部无损甚至缺失时可以被正确解码。
RS纠错算法可以纠正两种类型的错误：拒读错误(错误码字的位置已知)和替代错误(错误码字的位置未知)，可纠错数量可达：m+2n≤x-y，式中：m表示拒读错误数；n表示替代错误数；x表示纠错码字数；y表示错误检测码字数。
纠错的具体步骤为：
(1)根据选择的纠错等级与版本信息，将数据码字分块后从高到低依次填入到降幂多项式的系数中，得到多项式f(x)；
(2)然后在x8+x4+x3+x2+x+1的伽罗瓦域GF(28)内计算出对应的纠错码，其中加减法为逐比特的异或运算，乘除法为幂指数的模255加减法运算；
(3)接着只需要用(1)中得到的多项式f(x)除以(2)中得到的纠错码就能获得纠错码字，即：余数的幂次最高项是第一个纠错码字，最低项为最后一个纠错码字；
(4)最后只需要把纠错码字加到数据码字后面即可形成最终位流序列，在块序列中，所有的数据码字置于第一个纠错码字之前。通常情况下数据块和纠错块之和刚好可以填满符号的码字容量，而在某些版本中，则需要在最终的信息位流末尾添加3，4或7个剩余位。
4、置入功能模块和码字模块
加入各功能和码字模块，填入最后的位序列，最终编码的填充方式如下：从右下角开始沿着蛇形从下到上、从右到左填入各个bits，1是黑色，0是白色，如果遇到了填写功能模块或码字模块的非数据区，则绕开或跳过。
5、加入掩膜
掩膜是为了防止出现生成的二维码出现含有大面积的空白或黑块，导致二维码识别困难的现象，其本质就是将事先准备好的掩膜模板与生成的二维码两者进行一个异或操作，并对根据相应的规则对异或后的结果图形记分，最后选择的分最低的图形；
6、加入格式信息与版本信息
将格式信息与掩膜图形进行异或运算后，所得结果填入相应位置，而版本信息不再需要单独和掩膜进行运算，直接放入符号的相应位置即可。
7、生成彩色二维码
根据颜色映射表，将矩阵元素映射成对应的颜色，就可以生成最后要使用的彩色二维码图片了。
上述彩色二维码解码包括以下步骤：
1、采集图像
通过高清摄像头采集彩色二维码图像；
2、图像预处理
主要包括灰度、二值化以及仿射变换，
其中灰度化转二值化的过程采用最大类间方差算法：
将不同灰度值得像素点分类为[1,2,3,…,m]，记每种灰度的像素点有ni个(i＝1～m)，总像素点有N个，即N＝n1+n2+n3+…+nm。
那么每种像素值所占的比例为pi＝ni/N
在1～m中选一个灰度值k作为分界点，将所有像素点分为两类：C0，C1，即C0包含灰度值1～k的像素点，C1包含灰度值k+1～m的像素点。
分别记两类出现的概率为ω0与ω1：
记平均灰度值为μ0与μ1：
其中，
综上所述，可得：
ω0μ0+ω1μ1＝μT，ω0+ω1＝1；
然后计算两类的类内方差：
用以上变量来分别表示所有像素点的类内方差σW 2、类间方差σB 2和灰度级的总方差σT 2：
σW 2 ＝ω0σ0 2 +ω1σ1 2 ；
σB 2＝ω0(μ0-μT)2+ω1(μ1-μT)2；
得
即，在1～m的区间内，找一值k使得类间方差最大，这时，像素点根据灰度值的分类将达到最优效果。
仿射变换主要为：即通过公式
在给定四个已知点(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)和四个目标点(x’0,y’0)(x’1,y’1)(x’2,y’2)(x’3,y’3)的条件下，求得变换矩阵
的参数值，从而建立起四边形到正方形、正方形到四边形、四边形到四边形的仿射变换映射矩阵。
3、图像经过预处理后，解码器通过探测图像中的三块黑白区域和中心坐标对二值化的图像进行搜索定位，中心坐标取决于彩色二维码的版本；
大于1的版本中心坐标是位于最右下角的校正图形；而小于1的版本没有真正的中心坐标，需要通过三个探测图形的几何关系来计算出右下角假象的中心坐标。
4、定位完成后就可以对图像进行译码了，但译码的同时要进行纠错，以保证图像出现残缺或部分被污染仍然能够被正确译码，而译码和纠错的主要步骤就是：首先由接收多项式F(x)计算得其伴随式G(x)，然后再用G(x)计算得到错误多项式H(x)，最后得到S(x)＝F(x)+H(x)；
先假设解除掩膜后的码字为：F＝(f0,f1,…,f25),将这些码字代入到GF(28)中，可得F(x)＝f0+f1x+…+f25x25；。
然后使用a逐级代入到F(x)中计算它的伴随式:
然后在根据下列等式寻找错误位置：
找到错误的变量后，用对应的σi代替多项式σ(x)＝σ4+σ3x2+σ2x3+σ1x4,再逐个去替换掉对应G(x)多项式中的系数，就能找到错误出现在哪个G(x)多项式中的哪一个位置上。
然后根据错误的位置，列方程组计算得到错误值即可实现纠错，例如：错误出现在1,2,3的位置上，即可列出方程组：
计算出每一个错误xi(i＝1～4)的值，并将错误值的补数追加到错误位置即可完成纠错。
最后将图像解码获得的数据进行RSA解密，即代入公式：
明文＝密文DmodN————(D,N)就是RSA的私钥；
将解密获得的数据存储到数据控制主机中，即可根据内部人员的需要进行查询调用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。
Claims (7)
1.一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，其特征在于，所述共享系统包括多个工作区域以及数据控制主机，每个工作区域设有多台工作设备、用于采集每台工作设备信息的数据采集模块、区域主机、显示设备以及图像采集设备，所述图像采集设备与数据控制主机信号连接，所述数据采集模块以及显示设备均与区域主机信号连接，它包括以下步骤：
S1、数据采集模块采集多台工作设备的数据信息，然后发送给区域主机；
S2、区域主机将采集到的数据信息进行加密，然后再进行彩色二维码编码处理，得到彩色二维码；
S3、将生成的彩色二维码显示在显示设备上；
S4、图像采集设备采集到显示设备上显示的彩色二维码，然后将采集到的彩色二维码发送给数据控制主机；
S5、数据控制主机将采集到的彩色二维码进行解码，然后将解码后得到的数据进行解密，得到每个工作区域内每台工作设备的数据信息；
步骤S5中将彩色二维码进行解码具体包括以下步骤：
S51、采集图像；
S52、图像预处理；
S53、二维码定位；
S54、纠错以及译码；
步骤S54包括以下步骤：
首先由接收多项式F(x)计算得其伴随式G(x)，然后再用G(x)计算得到错误多项式H(x)，最后得到S(x)＝F(x)+H(x)；
先假设解除掩膜后的码字为：F＝(f0,f1,…,f25),将这些码字代入到GF(28)中，可得F(x)＝f0+f1x+…+f25x25；
然后计算伴随式:
G0＝F(1)＝f0+f1+…+f25
G1＝F(2)＝f0+f1a+…+f25a25
…
G7＝F(7)＝f0+f1a7+…+f25a175
其中，a表示GF(28)得基元；
然后再计算错误多项式，根据下列等式：
G0σ4-G1σ3+G2σ2-G3σ1+G4＝0
G1σ4-G2σ3+G3σ2-G4σ1+G5＝0
G2σ4-G3σ3+G4σ2-G5σ1+G6＝0
G3σ4-G4σ3+G5σ2-G6σ1+G7＝0
来找每一个错误位置的变量σi(i＝1～4)，然后用这个σi代替多项式σ(x)＝σ4+σ3x2+σ2x3+σ1x4,再逐个去替换掉对应G(x)多项式中的系数，就能找到错误出现在哪个G(x)多项式中的哪一个位置上；
然后根据错误的位置，列方程组计算得到错误值。
2.根据权利要求1所述的一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，其特征在于：步骤S2中的加密为RSA加密。
3.根据权利要求1所述的一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，其特征在于：步骤S2中的彩色二维码编码处理包括以下步骤：
S21、数据分析，对输入的数据进行分析，选择编码模式；
S22、按照选择的编码模式将数据进行编码，得到数据码字；
S23、通过数据码字得到纠错码字，然后将纠错码字与数据码字组合得到最终位流序列；
S24、根据得到的最终位流序列得到彩色二维码。
4.根据权利要求3所述的一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，其特征在于：步骤S23具体采用Reed.Solomin纠错算法。
5.根据权利要求4所述的一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，其特征在于：纠错方法具体包括以下步骤：
S231、将数据码字分成块，分别计算每一块的纠错码；
S232、将分块后的数据码字从高到低依次作为降幂多项式的系数填入到多项式f(x)中；
S233、用多项式f(x)除以纠错码后生成的新的多项式g(x)的余数就是纠错码字。
6.根据权利要求1所述的一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，其特征在于：步骤S52依次包括图像灰度化处理、图像二值化处理以及仿射变换复原。
7.根据权利要求6所述的一种基于可识别彩色图形的大数据共享系统的管理方法，其特征在于：所述仿射变换复原具体包括以下步骤：即通过公式
在给定四个已知点(x0,y0)、(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)和四个目标点(x’0,y’0)(x’1,y’1)(x’2,y’2)(x’3,y’3)的条件下，求得变换矩阵A的参数值。
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