付金瑩 戴治城

【摘要】 本文首先介紹了彩色三維碼以及目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后提出了一種創(chuàng)新型五色三維碼的概念，并詳細(xì)說明了該彩碼的編碼設(shè)計(jì)、定位與識(shí)別技術(shù)，最后簡(jiǎn)單介紹了該彩碼的應(yīng)用情況及后續(xù)進(jìn)一步擴(kuò)展的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】 條碼 三維碼 彩色 編碼 識(shí)別 解析算法

一、引言

條形碼已經(jīng)越來越多的出現(xiàn)在我們的生活中，如商品包裝、供應(yīng)商的選擇、生產(chǎn)經(jīng)營管理等；隨著智能手機(jī)的大眾化普及，二維碼也應(yīng)用推廣開來：網(wǎng)上購物、消費(fèi)打折、付款、資訊閱讀、電子票務(wù)、訂餐、公交等。那么進(jìn)一步隨之而來的自然是三維碼的問世與廣泛應(yīng)用。

彩色三維碼，全稱：彩色圖像三維矩陣，又稱彩碼。多維彩碼是在條形碼和二維碼基礎(chǔ)之上衍生出來的一種新型識(shí)別碼，簡(jiǎn)單來講就是在原來二維空間維度上，加上了顏色維度。彩碼技術(shù)不同于傳統(tǒng)條碼技術(shù)，它并非將所有信息編入條碼中，它只需要存儲(chǔ)一些類似于指針的信息，比如網(wǎng)頁鏈接、服務(wù)器地址等。彩碼本身不是信息攜帶型碼，它提供的是后臺(tái)內(nèi)容的快速指向和數(shù)據(jù)雙向管理。

與傳統(tǒng)二維條碼相比，三維碼具有更大的信息容量、相同的識(shí)別便易性和較好的安全性。三維碼的出現(xiàn)是圖像識(shí)別以及信息時(shí)代的需求共同催生的產(chǎn)物。三維圖像碼的可設(shè)計(jì)特性決定其相對(duì)于傳統(tǒng)二維碼或條碼具有更廣闊的市場(chǎng)環(huán)境，可以說三維圖像碼是對(duì)傳統(tǒng)二維碼或一維條碼的顏色革命。

二、彩碼介紹及研究現(xiàn)狀

彩碼是為解決目前二維碼的技術(shù)和應(yīng)用瓶頸，而發(fā)展起來的新型條碼技術(shù)。彩碼不僅能夠保持二維碼的固有特性，同時(shí)能夠延展其服務(wù)外延，同時(shí)能夠降低對(duì)讀識(shí)設(shè)備的要求，即便支持普通攝像功能的中低端手機(jī)都能主動(dòng)識(shí)別，為該項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供保證。由于采用了有別于傳統(tǒng)二維碼的識(shí)別技術(shù)，彩碼具有較高的容錯(cuò)能力，并允許圖形有一定的歧變，同時(shí)在顏色選取上也有較大的范圍。

彩色三維碼的特點(diǎn)是：

1、安全系數(shù)高：閉源技術(shù)仿制破解可能極低，保密性、防偽性好。

2、應(yīng)用率高：適應(yīng)各類行業(yè)，易操作簡(jiǎn)易，可更新發(fā)布，可循環(huán)回收利用。

3、品牌契合度高：可結(jié)合品牌專屬設(shè)計(jì)，可申請(qǐng)專屬編碼與鏈接保護(hù)。

4、信息容量大：不同于傳統(tǒng)碼制內(nèi)嵌式信息，以提供URL內(nèi)容轉(zhuǎn)鏈接擴(kuò)展信息內(nèi)容，信息無限擴(kuò)展。

5、編碼范圍廣：彩色碼可以表示各種多媒體形態(tài)信息，如圖片、聲音、視頻、文字、文件等。

6、容錯(cuò)能力強(qiáng)：彩色碼因污染、扭曲、損化等引起局部損壞時(shí)，仍然可以正確得到識(shí)讀，損毀面積達(dá)50%以上仍可恢復(fù)信息。

目前在國外，尤其是日本、韓國，彩色三維碼應(yīng)用范圍極其廣泛，在商品溯源防偽、品牌衍生營銷、品牌傳播推廣、綜合信息服務(wù)、公共信息服務(wù)、會(huì)務(wù)展覽服務(wù)、廣告?zhèn)髅椒?wù)、商品電子標(biāo)識(shí)、醫(yī)療服務(wù)管理、企業(yè)商務(wù)管理、社區(qū)互動(dòng)服務(wù)等各個(gè)方面。彩碼顏色方面也由目前的4色，增加到8色、16色、256色等一些列相關(guān)研究課題，相關(guān)的三維碼產(chǎn)品也比較成熟，如ColorZip推廣的“彩色條碼”，以及美國微軟開發(fā)的“HCCB”等。我國目前尚在二維碼識(shí)別使用的初級(jí)普及階段，技術(shù)模式相應(yīng)比較落后。市面上大部分都是使用條形碼和部分二維碼，僅有一家公司擁有彩碼專利。在彩色三維碼的應(yīng)用方面非常少，只有很少的用戶群體。

三、五色彩碼的設(shè)計(jì)

本文提出一種創(chuàng)新型的五色三維碼，研究的是該五色彩碼的生成與應(yīng)用。五色彩碼是采用藍(lán)、黑、紅、綠、白五色生成的三維碼，采用5*5的彩色矩陣塊表示。五色彩碼主要是利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)生成，從結(jié)構(gòu)上來看分為彩碼生成和彩碼識(shí)別兩大模塊。彩碼生成部分是輸入文本信息、對(duì)該文本進(jìn)行編碼、生成彩碼圖片、保存彩碼編碼數(shù)據(jù)庫。彩碼識(shí)別模塊主要包括用手機(jī)終端app掃描生成的彩碼圖片、自動(dòng)解碼并通過查詢數(shù)據(jù)庫還原初始文本信息。總體架構(gòu)如圖1所示：

每個(gè)彩碼對(duì)應(yīng)唯一的索引碼，索引碼采用ASCII碼編制，ASCII共128個(gè)，每個(gè)ASCII碼占用7 bits的空間，所以一個(gè)索引碼占用了7*5=35 bits，再在最后補(bǔ)一個(gè)0湊成偶數(shù)，則一個(gè)索引碼占用了18個(gè)彩色格子。索引碼占用的18個(gè)格子如圖2的方向箭頭所示。剩下7個(gè)格子用于存儲(chǔ)版本信息、和定位標(biāo)識(shí)，如圖中打圈（0）處。

彩碼為5*5的彩色矩陣，共有25個(gè)小格子，格子矩陣構(gòu)造所選用的顏色為：藍(lán)、黑、白、紅、綠 5種。其中藍(lán)色用于定位功能，其余四色用來填充生成不同彩碼。除去定位格，每個(gè)顏色格子可表示2 bits的數(shù)據(jù)，黑紅綠白四色分別對(duì)應(yīng)00、01、10、11顏色編碼。經(jīng)過這種編碼方式，設(shè)計(jì)出來的彩碼樣例如圖3所示。

四、五色彩碼的定位與識(shí)別技術(shù)

彩碼識(shí)別技術(shù)是彩碼系統(tǒng)系能的關(guān)鍵因素，因此彩碼設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要求設(shè)計(jì)出的彩碼易于識(shí)別、識(shí)別算法穩(wěn)定可靠。彩碼的識(shí)別取決于編碼方式的設(shè)計(jì)，不同的設(shè)計(jì)方式解碼的原理也不一樣。三維彩碼的編碼方式具有獨(dú)立性，這也是其具有高安全性的一個(gè)原因。彩碼的識(shí)別也需要開發(fā)專門的識(shí)別軟件。使用時(shí)一般是利用手機(jī)客戶端安裝解碼app，通過手機(jī)攝像頭掃描彩碼，程序自動(dòng)解析出原有的編碼信息。

除了編碼，彩碼最關(guān)鍵技術(shù)的是定位與識(shí)別技術(shù)。本文中五色彩碼采用藍(lán)色定位，藍(lán)色格子位于彩色矩陣的左上、左下、右上三個(gè)固定區(qū)域，如圖3所示。所以只要找到三個(gè)藍(lán)色格子就可以定位一個(gè)彩碼，這樣大大降低了定位難度，也體現(xiàn)了我們?cè)O(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

彩碼識(shí)別的過程就是解析彩色矩陣，還原彩碼原來的編碼信息。具體的實(shí)現(xiàn)步驟是：

1、手機(jī)攝像頭掃描彩碼圖片；

2、首先遍歷圖像像素，找到藍(lán)色定位標(biāo)識(shí)，確定彩碼區(qū)域及旋轉(zhuǎn)角度；

3、對(duì)掃描所得圖像旋轉(zhuǎn)至水平位置；

4、計(jì)算每個(gè)顏色格子的區(qū)域；

5、掃描確定每個(gè)格子的顏色，并將顏色存儲(chǔ)在臨時(shí)空間；

6、遍歷結(jié)束，依據(jù)編碼規(guī)則還原得到彩碼對(duì)應(yīng)的初始編碼；

7、連接到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)該編碼返回關(guān)聯(lián)的信息。

其中通過遍歷得到的定位標(biāo)識(shí)是藍(lán)色像素集合，未經(jīng)分類，無法獲知其具體是對(duì)應(yīng)到三個(gè)定位位置中的哪一個(gè)。所以在對(duì)圖像進(jìn)行定位前，需要對(duì)藍(lán)色像素進(jìn)行分類。分類可采用鄰域距離比較法。

鄰域距離比較法的思想是：給定一個(gè)距離閾值d，當(dāng)兩個(gè)藍(lán)色像素的距離小于d時(shí)，認(rèn)為這兩個(gè)藍(lán)色像素位于同一個(gè)定位位置中，否則不在同一個(gè)位置。

鄰域距離比較法的具體步驟如下：

（1）給定一個(gè)距離閾值d，d要求滿足以下條件：位于同一個(gè)位置探測(cè)圖形方格之中

的任意兩個(gè)像素之間的距離小于d，位于不同位置探測(cè)圖形方格中的任意兩個(gè)像素之間的距離大于d；

（2）在遍歷過程中，遇到第一個(gè)藍(lán)色像素時(shí)，新建第一個(gè)位置類別，將第一個(gè)藍(lán)色像素歸入其中，且此像素作為第一個(gè)位置類別的基準(zhǔn)像素；

（3）繼續(xù)遍歷，對(duì)于后面第n個(gè)藍(lán)色像素和第i（1≤i≤3）個(gè)位置類別，進(jìn)行如下操作：

①計(jì)算第n個(gè)藍(lán)色像素距離第i個(gè)位置類別基準(zhǔn)像素的距離dn；

②若dn小于d，則認(rèn)為同屬于第i個(gè)位置類別；若dn大于d，則新建第i+1個(gè)位置類別，并把此像素作為第i+1個(gè)位置類別的基準(zhǔn)像素；

③重復(fù)上面的兩個(gè)步驟，直到遍歷所有的像素；

（4）遍歷完成后，應(yīng)該得到三個(gè)定位位置；如果得到的不是三個(gè)，則重新定位。

五、應(yīng)用與小結(jié)

本文提出一種由藍(lán)、黑、紅、綠、白五色彩碼的生成與解碼技術(shù)，并開發(fā)實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)，在服務(wù)器端開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，能夠生成、存儲(chǔ)、管理彩色三維碼，手機(jī)端開發(fā)了一個(gè)針對(duì)該三維碼的一個(gè)識(shí)別應(yīng)用軟件APP。本文設(shè)計(jì)開發(fā)的五色三維碼在中心設(shè)備資產(chǎn)管理方面有較好的應(yīng)用效果。

基于這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的彩碼簡(jiǎn)單高效、成本低，識(shí)別率高、信息容量大，較易操作、擁有更好地用戶體驗(yàn)，可推廣至電子商務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)、物流管理等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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