二維碼生成與識別

1、南京航空航天大學課程設計題目二維碼的生成及識別小組成員:何俊豪韓懷曉晉曉飛瞿詩華薛莉二0一五年十一月第一章QR碼簡介QR碼是由日本Denso公司與1994年制定出來的一種矩陣二維碼符號，它除了具有信息 容量大、可靠性高、可表示漢字及圖像信息、保密性強等優(yōu)點外，還具有超高速響應、全方 位識別等特點。QR碼符號是由正方形的細小模塊構(gòu)成，分為功能區(qū)和編碼區(qū)。功能圖形包括位置探測 圖形、分隔符、定位圖形、校正圖形、格式信息、版本信息等，編碼區(qū)域包括數(shù)據(jù)編碼塊和 糾錯碼圖形。普通QR碼基本圖形及區(qū)域功能對照圖如圖所示。圖QR碼基本結(jié)構(gòu)QR碼的密度標識圖形位于兩個“回”字標識符之間的黑白相間的條紋，用紅色

2、線標注的，這個區(qū)域可以用于 確定QR碼符號的像素方塊的密度（即一個像素的大?。瑯俗R識別模塊如圖所示。圖QR碼密度標識圖形位置探測圖形位置探測圖形由三個重疊的同心正方形構(gòu)成，如圖所示。通過探測位置探測圖形可以迅 速的從背景圖像中判斷出QR碼符號的大致位置。圖QR碼探測圖形二維碼定位就是找到二維碼符號的位置探測圖形，對有明顯條碼特征的區(qū)域進行定位， 然后根據(jù)圖形結(jié)構(gòu)特征值對不同的條碼符號進行進一步的處理。通過QR碼的定位圖形，可 以得到左上角位置探測圖形的邊界點和左下角位置探測圖形的邊界點如圖（a）所示，因此 可以采用魯棒性較好的算法擬合條碼左邊框，然后通過直線擬合得到條碼的上邊框直線。在 此基

3、礎上構(gòu)建直角三角形，尋找出圖形中心，如圖（b）所示，并可以得到第四個交點，如 圖（c）所示。（a）確定左邊界和上邊界（b）確定探測圖形中心（c）確定第四個交點圖條碼圖像初步定位流程版本信息QR碼符號共有40種規(guī)格，版本1的規(guī)格為21模塊X21模塊，版本2為25模塊X25 模塊，以此類推，每一版本符號比前一版本每邊增加4個模塊，直到版本40，規(guī)格為177 模塊X177模塊。QR碼的版本信息圖形在整個二維碼圖像中的位置如圖所示，QR碼最高版 本40可容納多達1850個大寫字母或2710個數(shù)字或1108個字節(jié)，或500多個漢字，比普通 條碼信息容量約高幾十倍。圖 版本信息圖形糾錯碼QR碼具有“糾錯能

4、力”，即使在使用過程中遇到污損、折疊等現(xiàn)象，也可以自動恢復 數(shù)據(jù)。這一 “糾錯能力”具備四個級別，級別越高，糾錯能力越高，但是數(shù)據(jù)量也會增加， 編碼尺寸也會變大。QR碼各級別糾錯碼糾錯能力如表所示。表糾錯碼級別糾錯能力對照表QR碼的糾錯能力級別L約7%級別M約15%級別Q約25%級別H約30%第二章QR碼編碼規(guī)則介紹將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€位流，如果最開始的模式指示符不是默認的，其前面要用ECI 標頭，如果以默認的開始，位流的開頭為第一個模式的指示符，如表所示，該表定義了不 同模式下的模式指示符。表定義了不同模式和符號版本下的字符計數(shù)指示符的長度。表模式指示符模式指示符ECI0111數(shù)字0001

5、字母數(shù)字00108位字節(jié)0100日本漢字1000中國漢字1101結(jié)構(gòu)鏈接0011FNCI0101 （第一位置）1001 （第二位置）終止符（信息結(jié)尾）0000表字符計數(shù)指示符的位數(shù)版本數(shù)字模式字母數(shù)字模式8位字節(jié)模式中國漢字模式1910988102612111610274014131612數(shù)字模式編碼實現(xiàn)將輸入的數(shù)據(jù)從左至右每三位轉(zhuǎn)化成一個10位的二進制數(shù)，剩余的一位或者兩位數(shù)據(jù) 分別轉(zhuǎn)化成4位或7位二進制數(shù)。然后在轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)據(jù)前加上模式指示符和字符計數(shù) 指示符。例如輸入數(shù)據(jù)：，編碼步驟如圖所示。圖數(shù)字模式編碼流程字母模式編碼實現(xiàn)字母模式編碼規(guī)則與數(shù)字模式編碼規(guī)則類似，不過首先要根據(jù)對應

6、的字母模式編碼轉(zhuǎn)換 表將字符轉(zhuǎn)化為相應的數(shù)值，再將每兩個字母分為一組，前面字符的值乘以與第二個字符的值相加，所得的結(jié)果轉(zhuǎn)換為位二進制數(shù)。表字母模式編碼轉(zhuǎn)換表字符值字符值字符值字符值字符值字符值字符值字符值0066C12I18O24U30SP36.421177D13J19P25V31$37/432288E14K20Q26W32%38:443399F15L21R27X33*3944A10G16M22S28Y34+4055B11H17N23T29Z35-41中國漢字模式編碼實現(xiàn)GB2312標準規(guī)定的漢字字符為雙字節(jié)表示QR的漢字編碼模式將16位的轉(zhuǎn)換為13位 二進制字符序列，提高了編碼效率。編碼具體

7、步驟：（1）將第一字節(jié)值減去0 xA6；（2）將（1）的結(jié)果乘以0 x60；（3）將第二字節(jié)值減去0 xA1；（4）將（2）的值加上（3）的值；（5）將結(jié)果轉(zhuǎn)化成13位二進制。糾錯編碼按需要將碼字序列分塊，并根據(jù)糾錯等級和分塊的碼字，產(chǎn)生糾錯碼字，并把糾錯碼字 加入到數(shù)據(jù)碼字序列后面，成為一個新的序列。在二維碼規(guī)格和糾錯等級確定的情況下，其 實它所能容納的碼字總數(shù)和糾錯碼字數(shù)也就確定了。糾錯碼主要通過里德-所羅門糾錯算法 算出來，例如：版本10，糾錯等級時H時，總共能容納346個碼字，其中224個糾錯碼字。 就是說二維碼區(qū)域中大約1/3的碼字時冗余的。對于這224個糾錯碼字，它能夠糾正112個

8、替代錯誤（如黑白顛倒）或者224個據(jù)讀錯誤（無法讀到或者無法譯碼）。在規(guī)格確定的條件下，將原先產(chǎn)生的序列按次序放如分塊中，按規(guī)定把數(shù)據(jù)分塊，然后 對每一塊進行計算，得出相應的糾錯碼字區(qū)塊，把糾錯碼字區(qū)塊 按順序構(gòu)成一個序列，添 加到原先的數(shù)據(jù)碼字序列后面，如圖所示。圖二維碼矩陣構(gòu)造Zxing簡介Zxing是一個開放源碼的，用Java實現(xiàn)的多種格式一維或者二維的條碼圖像處理庫， 它包含了聯(lián)系到其他語言的端口，通常使用Zxing生成相應的二維碼碼以及解碼。生成二維碼的編碼技術(shù)是指基于給定內(nèi)容生成二維條碼圖片，Zxing可以對生成的二維 碼的圖片格式、各項參數(shù)以及二維碼類型進行設置，生成的圖片包含給

9、定的內(nèi)容，當使用識 別設備進行掃描時，能夠讀出給定的內(nèi)容。使用Zxing進行編碼的步驟主要如下：首先，將所需的Zxing類庫中的包導入工程；其 次，對需要生成二維條碼的給定內(nèi)容進行編碼方式處理，防止在顯示中文時出現(xiàn)亂碼問題， 并指定所生成二維條碼圖片的路徑、名稱和文件格式；然后，找到Zxing中二維碼QR碼所 對應的編碼類QR-CodeWriter，調(diào)用encode方法生成給定內(nèi)容對應的比特矩陣；最后將比 特矩陣轉(zhuǎn)化為制定的圖片格式。第三章處理流程及結(jié)果演示處理流程二維碼處理流程如圖所示，若已有二維碼圖像，直接讀取該圖像，在此基礎上完成解碼識別等過程，用戶也可按照自己的意愿在文本框里輸入漢字或

10、數(shù)值等內(nèi)容，調(diào)用Zxing,生 成對應的二維碼圖像。后對圖像進行灰度化、加噪平滑、二值化、旋轉(zhuǎn)校正、畸變校正等預 處理，并在此基礎上再次調(diào)用Zxing完成解碼識別的過程。結(jié)束開始圖二維碼生成及處理流程圖界面設計預處理解碼識別畸變校正灰度化調(diào)用Zxing調(diào)用Zxing二值化旋轉(zhuǎn)校正加噪平滑讀取已有QR圖像自動生成QR圖像界面設計本實驗設計界面如圖所示，界面可實現(xiàn)功能：打開一幅二維碼圖像，對該圖像進行灰度 化、加噪平滑、二值化、旋轉(zhuǎn)校正、畸變校正等預處理，并在這些過程的基礎上完成對二維 碼圖像的解碼過程。還可以對用戶自身想要的文字或者網(wǎng)址進行二維碼圖形的制作，并完成 解碼顯示。圖界面設計預處理及其

11、結(jié)果演示通過讀取圖像打開待處理原始二維碼圖像，并顯示該二維碼圖像如圖所示。根據(jù)待識 別圖像各自特點施以不同的預處理手段。圖原始QR圖像灰度化處理通常情況下，使用數(shù)碼相機等攝像設備獲取的QR碼是彩色的，和灰度圖像相比，彩色 圖像含有的信息量較大，所占存儲空間更多，將彩色圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像是為了減少存儲空 間，降低運算量?；叶然幚砗髨D像如圖所示。圖灰度化處理圖像平滑處理對圖像加入椒鹽噪聲，然后采用中值濾波對圖像進行平滑濾波處理，加噪及平滑處理后 圖像分別如圖（a）和（b）所示。（a）加噪圖像（b）平滑圖像圖 加噪平滑處理二值化處理標準的二維碼圖像是由黑白兩種小的模塊組合而成的，灰度化之后需對圖像

12、進行二值化 處理，以便數(shù)據(jù)的壓縮、特征的突出以及圖形的識別。圖像二值化的方法是通過預先設定的 一個閾值，將灰度圖像分為小于這個閾值和大于這個閾值的兩部分，通過閾值的選取可以將 圖像的背景區(qū)和條碼符號分開，本文采用自適應閾值法對圖像進行二值化處理。自適應閾值 法的基本原理是采用某一假定的灰度值t將圖像的灰度分為兩組，當兩組的類間方差最大 時，此灰度值就是二值化的最佳閾值，二值化處理結(jié)果如圖所示。圖 二值化處理旋轉(zhuǎn)校正在二維碼圖像采集的過程之中，由于拍攝角度的問題，會導致圖像產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)畸變， 本文采取霍夫變換的方法對此情況進行校正，旋轉(zhuǎn)校正前后的圖像如圖所示。圖原圖（左）以及旋轉(zhuǎn)校正后的圖像（

13、右）在旋轉(zhuǎn)校正之前，需要對圖像做邊緣檢測。本實驗使用的邊緣檢測算子為“canny”算 子，“canny”算子可尋找圖像梯度的局部最大值，且不易受噪聲干擾，能夠很好地檢測出 弱邊緣，邊緣檢測結(jié)果如圖所示。圖 邊緣檢測采取霍夫變換的方法對圖像進行旋轉(zhuǎn)校正，主要是在圖像空間和參數(shù)空間建立起一個 “線-點”之間的對應關(guān)系，每條曲線表示一個點，Hough變換統(tǒng)計所有變化的峰值，并標 記，得到4個頂點，如圖所示。圖Hough空間顯示圖使用Hough變換檢測線段，標出線段以及線段的起始和端點，得到每條線段的斜率，并 計算傾斜角度值。，最后將圖像中的線條與點顯示出來，如圖所示。圖直線標識圖像圖像的坐標原點默認

14、為平面的左上角，根據(jù)得到的角度值。，將圖像按照。角度進行 旋轉(zhuǎn)，便能夠完成對圖像的旋轉(zhuǎn)校正?；兂C正可能會由于角度的問題，導致圖像產(chǎn)生幾何形變，使原來的QR碼呈現(xiàn)不規(guī)則的四邊形， 從而影響二維碼信息的正確提取。使用雙線性插值法將不規(guī)則則的四邊形區(qū)域通過一定的映 射關(guān)系變?yōu)镼R碼標準正方形，從而方便了對二維碼信息的提取。畸變校正前后如圖所示。圖原圖（左）以及畸變校正后的圖像（右）QR碼解碼識別解碼技術(shù)是指從二維碼中讀取出所包含的信息，本實驗直接調(diào)用Zxing完成解碼識別的 過程，包括以下幾個步驟：首先，導入Zxing類庫中的包；其次，指定二維條碼圖片的路徑; 然后，找到Zxing中二維條碼QR碼所對應的解碼類QR-C