QR CODE二维条码编解码系统的研究与实现

南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：务道科 日期：1。 ！南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。 论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生部办理。研究生签名：啊.a叫导师签名：日期：1, 1。Y1754705WW”南京邮电大学 硕士学位论文摘要学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：现代信息理论与通信信号处理作 者：陈先明 指导老师：张宗橙教授题 目：QR Code 二维条码编解码系统的研究与实现 英文题目：Research and Implementation of the 2D barcode-QR Code Encoding& Decoding system主题词：二维条码，QR码，RS码，图像预处理 Keywords： Two-Dimensional Bar Code, Quick Response Code, Reed-Solomon Code, Image Pretreatment南京邮电大学硕士研究生学位论文ABSTRACT摘要随着信息科学技术的发展，作为当今主要自动识别技术之一的条码技术得到了大力发 展和广泛应用，大大提高了各行业的生产工作效率。二维条码凭借其信息量大、容错能力 强、可靠性高等优点，.其应用越来越广泛。QR Code是一种矩阵式二维条码，它除具有二 维条码的一般优点外，还有全方位、超高速识读，能够有效表示汉字等特点，是最适合在 中国发展的二维条码之一。本课题研究的主要内容就是QR码编解码系统的理论与实现。 本文简要介绍了各种条码技术与二维条码的研究应用现状，结合QR码国家标准，详 细分折了 QR码的基本特点、符号结构与编码流程等内容，并在VC平台上完成了 QR码 编码系统的设计与编码算法的软件实现。在QR码符号图像的译码方面，研究并提出了一 种基于定位旋转的QR Code符号图像的预处理流程，并对预处理后的条码图像的译码原理 与方案进行了研究，最后采用基于采样网格的方法，在VC平台上完成了 QR码符号图像 解码系统的实现。此外，QR Code的纠错性能是基于先进的差错控制编码RS码来实现的，因此，本文 还研究了 RS码的编译码算法这一关键性技术问题，具体包括代数基础、编码译码理论及 软件实现等各方面内容。关键词：二维条码，QR码，RS码，图像预处理ABSTRACTWith the evolution of information science, barcode technology, as one of the major automatic recognition technologies, has been vigorously developed and widely used in more and more fields to improve the efficiency of production. QR code, a kind of matrix 2D barcode, owns lots of virtues like other 2D barcodes, and has its own advantages such as super speed of all-directions recognizing and higher efficient expression of the Chinese characters.This thesis aims to conduct research on the theory and implementation of QR codes encoding & decoding system.Briefly, this thesis introduces a variety of bar code technologies and the development state of 2D barcodes, and detailedly analyzes the characteristics, symbol structure and encoding processes of QR code. Besides, it describes the design and algorithm implementation of QR code encoding system on VC platform. In the aspect of decoding, this thesis studies and raises the pretreatment steps of QR code symbol images, then focuses on the decoding principles and methods of QR code. This QR code decoding system is implemented on the VC platform, and based on a sampling grids method.In addition, the error correction performance of QR code is abtained from an advanced error control code, the RS code adopted in QR code coding system. Therefore, this thesis regards the encoding and decoding algorithms of RS code as a key technical issue, and research into it from different aspects, including the algebraic basis, coding&decoding theory and the software implementation of RS code.Key words: Two-Dimensional Bar Code, Quick Response Code, Reed-Solomon Code, ImagePretreatment南京邮电大学硕士研究生学位论文巨录n m11.1 弓 it11.2 二维条码的研究状况21.2.1国外的研究状况21.2.2国内的研究状况21.3课题研究意义及内容3第二章条码技术介绍52.1条码基本概念52.1.1条码的概念及特点52.1.2条码的分类52.2 一维条码概述62.2.1 一维条码的码制62.2.2 维条码的结构72.3 二维条码概述72.3.1 二维条码及其特点72.3.2 二维条码的分类82.3.3 二维条码的应用92.4 QR Code 二维条码102.4.1 QR Code 简介102.4.2 QR Code的基本特性102.4.3 QR Code的符号结构112.4.4 QR Code的编码模式132.4.5 QR Code的纠错编码182.4.6 QR Code的码字布置192.4.7 QR Code符号的数据容量.20第三章QR码中的纠错编码理论223.1线性分组码223.2 BCH 码与 RS 码233.3 RS码的编码243.3.1 RS码的编码电路243.3.2 RS码的构造过程253.4 RS码的译码263.4.1 RS码的译码原理263.4.2 RS码的译码过程27ill南京邮电大学硕士研究生学位论文.目录第四章QR Code编码系统的设计与实现294.1 QRCode编码系统的概要设计294.2 QR Code的编码流程304.2.1数据分析304.2.2 数据编码314.2.3纠错编码314.2.4构造最终信息3.24.2.5在矩阵中布置模块324.2.6 掩模334.2.7版本及格式信息的布置354.3 QR Code编码系统的程序设计364.3.1 VC+编程简介364.3.2 QR Code编码系统的程序设计36第五章QRCode译码系统的设计与实现405.1 QRCode图像的预处理405.1.1 QR码图像预处理算法的设计思想405.1.2 QR码图像的灰度化405.1.3 QR码图像的中值滤波415.1.4 QR码图像的二值化435.1.5 QR码图像几何失真的矫正.445.2 QRCode符号的译码485.2.1 QR Code译码基本流程485.2.2 QRCode的译码算法495.2.3 RS码的工程译码算法515.3 QRCode译码系统的程序设计555.3.1 QRCode译码系统类的设计555.3.2 QR Code译码系统的程序设计56第六章总结与展望5960m63作者在读期间发表论文64m65IV南京邮电大学硕士研究生学位论文第五章QR Code译码系统的设计与实现第一章绪论1.1引言条码是印刷在商品或货物表面上的，基于光谱原理的可被机器扫描识读的数据标识。 条码技术是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的，容编码、印刷、识别、数据采集 和处理于一身，并以快速、准确而可靠地采集数据、识别商品和自动读取商品相关信息为 目的的一种自动识别技术。条码技术及应用解决了数据录入和数据采集的“瓶颈”问题， 在商业、工业生产、仓储运输配送等物流领域及图书管理、票证等各领域应用非常广泛2】。 目前，我们通常所说的条码是指一维条码，它是将线条与空白按照一定的编码规则组 合起来的符号，用以代表一定的字母、数字等资料。由于其识读快速、准确、可靠、制作 成本低，自问世以来它一直受到人们的青睐。但是随着应用领域的不断扩展，一维条码渐 渐表现出了它的局限性。首先，一维条码的信息容量很小，它对物品信息的描述依赖于预 先建立的计算机数据库或网络，必须通过连接数据库的方式提取信息才能明确条码所表达 的信息含义，因此一维条码的使用受到了局限，有时甚至变得毫无意义；其次，一维条码 只能表达字母和数字，而不能表达汉字和图像，这使得一维条码的使用在某些场合就显得 十分不方便；此外，大信息容量的一维条码通常还受到标签尺寸的限制，给产品的包装和 印刷带来不便31。在这种情况下，二维条码应运而生，它的出现是条码技术的一次革新。二维条码是在20世纪80年代末，随着计算机和自动识别技术的发展而诞生的。它通 过在二维空间即平面上用某种特定的黑白相间的几何图形来表示数据信息。二维条码突破 了线性条码的局限性，使条码不再是_个代码，而是一个完整的数据文件，可随时随地进 行识读，而不必时时与主计算机联网进行数据操作。从应用角度讲，一维条码是对物品的 “标识”，二维条码则是对物品的“描述”。二维条码的出现是条码发展史上的里程碑。二维条码可以分为堆叠/行排式和矩阵式这两大类。堆叠/行排式的二维条码在形态上 是由多行短截的一维条码堆叠而成，以Codel6K、Code 49、PDF417等条码为代表。而矩 阵式二维条码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用 “空”表示二进制“0”，由“点”和“空”的排列组成代码。代表性的矩阵式二维条码有： Code One、Maxi Code、QRCode、Data Matrix 等。其中，QR code 的应用较为广泛，它 是由日本Denso公司于1994年9月研制的一种矩阵式二维条码，除具有信息容量大，可 靠性高的优点外，它还具有超高速、全方位识读，能够更高效地表示汉字等特点，因而QR code 二维条码更适合在我国使用11。1.2 二维条码的研究状况1.2.1国外的研究状况国外对二维条码技术的研究起步较早，并己研制出多种码制，常见的有PDF417、QR Code、Data Matrix、Aztec、Maxicode、Code 49、Code 16K、Code One、Vericode、Ultracode、 Philips Dot Code、Softstrip等。这些二维条码的密度都比传统的一维条码有了很大提高。 在二维条码标准化研究方面，国际自动识别制造商协会（AIM)、美国标准化协会（ANSI) 已完成了 Code 49、Code 16K、Code One等码制符号标准。国际标准化组织已制定了 QR Code国际标准（ISO/IEC 18004： 2000自动识别与数据采集技术条码符号技术规范 QR 码），以及 PDF417，Data Matrix, Maxicode 等二维条码的 ISO/IEC 标准。在二维条码设备幵发方面，美国、日本等国的设备制造商生产的符号生成、识读设备， 已广泛应用于各类二维条码应用系统。美国Symbol(讯宝)公司是世界上最大的条码阅读设 备制造商之一，其带光栅的激光阅读器和光电扫描技术及译码技术一直领导着世界的潮 流。美国韦林(Welch Allyn)公司也是主要的二维条码阅读设备制造商之一，其CCD技术、 图像式阅读器(Image Reader)技术以及译码技术处于世界领先地位41【51。在应用方面，美国、德国、日本、墨西哥、埃及、哥伦比亚、巴西、新加坡、菲律宾、 南非、加拿大等国，已将二维条码技术应用于公安、外交、军事等部门对各类证件的管理， 海关、税务等部门对各类报表和票据的管理，商业、交通运输等部门对商品及货物运输的 管理，邮政部门对邮政包裹的管理，工业生产领域对工业生产线的自动化管理等4】。1.2.2国内的研究状况我国对二维条码技术的研究虽然起步较晚（始于1993年)，但从一开始就对二维条码 技术高度重视。国内在大力进行条码推广应用的同时积极跟踪国外技术的发展，进行条码 理论基础和关键技术的研究。中国物品编码中心对PDF417, QR Code, Data Matrix, Maxicode, Code 49，Code 16K, Code One等各种二维条码的技术规范进行了翻译和跟踪 研究，出版了我国第一本有关二维条码技术的专著二维条码技术，并在国家质量技术 监督局等有关部门的大力支持下，制定了两个二维条码的国家标准：GB/T 17172-1997四 一七条码和GB/T 18284-2000快速响应矩阵码。为了对二维条码技术开展全面研究并 幵辟应用试点，中国物品编码中心开展了 二维条码技术研究与应用试点”的课题研究， 并被列为国家科委“九五”重点攻关项目。此外，物品编码中心还对二维条码的图象处理 译码解码算法以及隐形码等关键技术进行了研究，并己取得了许多重要成果。“十五”期间，我国己相继开发出了 “矽感码”、“汉信码”、“紫光码”、“龙贝码”等一批二南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论维条码系统，并已应用在了国防、检疫、电子商务等领域。特别值得一提的是，2006年5 月25日，信息产业部批准颁布了由武汉矽感科技有限公司研发的紧密矩阵码(CM码)和网 格矩阵码(GM码)这两项条码码制，这意味着，中国具有自主知识产权的二维条码【26。与国外相比，我国在二维条码应用方面还存在一定的差距。但是，二维条码在国内应 用试点的成功已经引起了众多用户群体的兴趣，再加上国外二维条码应用方向的引导，国 内许多厂商与经销商已经开始致力于二维条码的研究、设备开发与应用系统的应用推广及 新市场的培育。例如，中国移动在06年8月初就己测试完毕基于QR码的手机条码服务， 推出了 QR码的离线业务。2008年，中国移动发送的二维条形码已经超过1亿，伴随着中 国3G业务的上马，中国电信与中国联通两大电信运营商也即将开启手机二维条码业务。 而二维条码在中国的银行、国防、海关、税务、公共安全、交通运输、民用商品等领域的 应用也正在如火如荼地开展。从2009年12月10日起，铁道部对我国铁路计算机车票（含 磁介质车票）票样进行修改，将原车票正面一维条码改为二维条码（QR码)，大大提高了 车票辨伪速度和对制售假票行为的打击力度，同时为向火车票实名制过渡打下了基础。此 外，目前我国发行的彩票也利用二维条码技术以有效遏制造假现象。可以预见，在不久的 将来，二维条码在中国将会越来越多地走进普通人的生活。1.3课题研究意义及内容条码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术。在一维条码基础上发展起来的二 维条码凭借其在信息载体的成本、信息量、保密性、抗污染和抗干扰及标准化等方面独具 的优势，必将具有不可限量的市场潜力。条码技术在我国的研究推广及应用也必将为我国 信息产业的发展和现代化的经济建设带来可观的社会效益和经济效益。因此，研究二维条 码技术具有重大的现实意义。目前国际上应用最广泛的二维条码（如PDF417和QRcode等）的技术与标准都是由 美国和日本研发、制定的，而我国自己的二维条码标准则主要是在国外标准的基础上再结 合自身的需求特点而制定的。通常国际ISO标准条码(含二维条码)的编码规则是公开的， 但是编码中采用的信息压缩编码算法和纠错算法的实现，却需要制造商自行研究开发，而 目前国际上只有少数厂商掌握这些核心技术。由于国外公司的技术垄断，造成二维条码系 统成本过高，影响了二维条形码在我国的推广。只有开发出拥有自主知识产权的编码软件 和译码设备，我们才能够在条码市场上占据一席之地，降低使用成本，促进二维条码的普 及应用，因此深入研究二维条码的生成与识别技术，进而自主开发具有独立知识产权的二 维条码编解码系统，这对于我国二维条码技术的应用与推广具有极其深远的意义。南京邮电大学硕士研究生学位论文第五章QR Code译码系统的设计与实现南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论由于QRCode 二维条码用特定的数据压缩模式表示中国汉字和日本汉字，其专有高效 的汉字编码模式更加适合我国应用。如果能够研究出我国自己的更为高效的QR码编译码 算法，实现QR码的编解码系统并使之实用化，将是条码技术在我国应用的创新，必将推 进二维条码的在我国的普及过程7。本文在充分了解条码技术的发展现状及趋势的基础上，认真研究QRCode 二维条码国 家标准GB/T 18284-2000,并对QR码的编解码技术进行细致分析，结合纠错编码理论， 在Visual C+6.0平台上用C+语言实现了 QR码的编解码算法。在QR码的译码过程中还 有一个对QRCode符号进行图像预处理的步骤，因此本文对图像预处理过程中涉及到的图 像处理算法进行了研究，并用C+语言实现了其中的部分功能。本论文的具体章节内容安 排如下：第一章简要介绍了条码、一维条码与二维条码的基本概念，着重分析了二维条码技术 的产生、发展及国内外的研究与应用状况，并介绍了本课题的研究内容和论文的章节安排。 第二章首先介绍了条码的基本概念、特点及分类等内容，然后分别对一维和二维条码的概 念、特点、码制分类与应用等内容进行了简要描述，最后重点介绍作为本论文研究对象的 QRCode 二维条码，根据QR码的国家标准，对其符号结构、纠错规则、编码理论等内容 进行了全方位的描述，为后续章节打下理论基础。第三章主要分析QR码中的纠错编码理 论，包括BCH码及RS码的基本原理等内容，并着重分析了 RS码的编码与译码理论。第 四章介绍了 QR码编码系统的设计与基于VC+平台的软件实现方案，详细介绍了编码过 程中各个阶段的实现方法和流程。第五章详细描述了 QRCode的译码方案及其基于Visual C+平台的软件实现方案。主要包括图像预处理流程的设计及实现，QRCode符号译码的 流程及其软件实现中类及相关程序的设计这三个方面内容。此外，本章还对QRCode数据 码字译码中的RS译码算法的实现进行了描述。最后一章对全文进行了总结。第二章条码技术介绍2.1条码基本概念2.1.1条码的概念及特点条码(Bar Code)是印刷在商品或货物表面上的，基于光谱原理的可被机器扫描识读的 数据标识。条码是由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标记，用以表示一定的信 息（GB/T12905-2000),其中条码反射率较低的部分为条，反射率较高的部分为空。图2-1 所示是一维条码（EAN-13)及二维条码（QRCode)实例。条码技术就是以快速、准确而 可靠地采集数据、识别商品和自动读取商品相关信息为目的的一种自动识别技术。回目回 回叙901234 567892图2-1 维条码及二维条码实例 作为迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术，条码技术具有以下几个方面的优点：1、输入速度快，效率高。条码输入的速度是键盘输入的5倍，并且能够实现“即时 数据输入”。条码读取的速度可以达到每秒40个字符。2、可靠性高。键盘输入数据出错率为三百分之一，光学字符识别技术出错率为万分 之一，而采用条码技术误码率低于百万分之一。3、采集信息量大。一维条码一次可采集几十位字符的信息，二维条码更可以携带数 千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。.4、制作与使用成本低。条码可自行编写，仅要一小张贴纸用以印刷，并使用构造相 对简单的光学扫描仪读取信息，与其它管理信息系统无需特别接口。5、实用灵活。条码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和其它识别设备 组成自动化识别系统，还可以和其他控制设备组合起来实现整个系统的自动化管理。例如， 现代物流中自动化立体仓库（AS/RS)就是利用条码实现了仓储的自动化管理m4、2.1.2条码的分类条码种类很多，条码分类主要是从码制和维数两个方面进行的： 1、按码制分类码制即指条码中条和空的排列规则。目前世界常用码制有EAN条码、UPC条码、128 条码、PDF417条码及QRCode条码等，而目前，商品上最常使用的就是EAN商品条码。6南京邮电大学硕士研究生学位论文.第二章条码技术介绍2、按维数分类一维条码：只在一维方向表示信息的条码符号。二维条码：二维条码是在二维方向上都表示信息的条码符号。除具有普通条码的优点 外，二维条码还具有信息容量大、可靠性高、保密防伪性强等优点。多维条码：进入20世纪80年代以来，人们围绕如何提高条码符号的信息密度，进行 了研究工作。多维条码和集装箱条码成为研究、发展与应用的方向。多维条码而不是简单 地依据条码的黑白对比率识别数据，可以通过条码高度、全息技术等方式隐藏更多的信息， 提高条码的信息密度。2.2 一维条码概述一维条码是由二组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记，“条”指对光 线反射率较低的部分，“空”指对光线反射率较高的部分，这些条和空组成的数据表 示一定的信息，并能够用特定的设备识读，转换成与计算机兼容的二进制和十进制信 息。通常对于每一种物品，其条码的编码是唯一的，对于普通的一维条码来说，还要 通过数据库建立条码与商品信息的对应关系。当条码数据传到计算机上时，由计算机 上的应用程序对数据进行操作和处理。因此，普通的一维条码在使用过程中仅作为识 别信息，它的意义是通过在计算机系统的数据库中提取相应的信息而实现的。2.2.1 一维条码的码制常用的一维码的码制包括：UPC码、EAN码、39码、128码、及Codabar (库德 巴码）等。UPC条码：美国统一代码委员会制定的一种条码，它是一种定长的、连续型、数字式 码制，其字符集为数字09。1973年美国率先在国内的商业系统中应用UPC码之后， 加拿大也在商业系统中采用了 UPC码。UPC码有两种类型，即UPC-A码和UPC-E码。 前者常用于零售商店的销售结算，后者常用于小商品标识，如罐装饮料、卷烟和糖果等。 EAN码：1977年，原欧洲经济共同体各国按照UPC码的标准制定了欧洲物品 编码EAN码，与UPC码兼容，字符编码结构与UPC码相同。EAN码是国际通用的 符号体系，主要应用于在世界各地（除美国和加拿大）标记零售商店的实体货物” EAN码有两种类型，即EAN-13 (标准版）和EAN-8码（缩短版）。三九码和128码是目前国内企业内部自定义码制，可以根据需要确定条码的长 度和信息，它编码的信息可以是数字，也可以包含字母，主要应用于工业生产线领域、 图书管理等。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍库德巴码出现于1972年，是一种长度可变的、连续型、自校验和数字式码制， 字符集为数字09和6个特殊字符，常用于仓库、血库和航空快递包裹中。2.2.2 一维条码的结构一个完整的一维条码符号是由静区（前）、起始字符、数据字符、中间分割符 (主要用于EAN码）、校验符（可选）、终止字符和静区（后）组成，如图2-2所| i I12345I a_I区|图2-2 维条码静区，指条码左右两端外侧与空的反射率相同的限定区域，它能使阅读器进入 准备阅读的状态，当两个条码相距距离较近时，静区还有助于对它们加以区分。起始/终止字符，指位于条码开始和结束的若干条与空，标志条码的开始和结束， 同时提供了码制识别信息和阅读方向的信息。数据字符，位于条码中间的条、空结构，它包含条码所表达的特定信息。 校验字符，又叫校验码，用于数据传输中对数据进行校验的特定附加码，通过 对数据字符进行一系列算术运算确定。对于不同的码制，校验字符是可选的。构成条码的基本单位是模块，模块是指条码中最窄的条或空，模块的宽度通常以 mm或mil (千分之一英寸）为单位。构成条码的一个条或空称为一个单元，一个单 元包含的模块数是由编码方式决定的，有些码制，如EAN码，所有单元均可能由一 个或多个模块组成；而对另一些码制，如三九码，所有单元只有两种宽度，即宽单元 和窄单元，其中的窄单元即为一个模块p】。2.3 二维条码概述2.3.1 二维条码及其特点12345二维条码是在二维方向上都表示信息的条码符号，它是在一维条码无法满足实 际应用需求的前提下产生的。相对于一维条码而言，二维条码具有高密度、大容量、 抗磨损等优点，拓宽了条码的应用领域，其特点如下： 1、编码密度高，信息容量大二维条码通过利用垂直方向的尺寸来提高条码的信息密度，通常情况下其密度是一维条码的几十到几百倍。可以把产品信息存储在一个二维条码中，要查看产品信息，只要扫南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍描二维条码即可，不需要事先建立数据库，实现了条码对物品的描述。2、容错能力强，具有纠错功能二维条码引入错误纠正机制，这种纠错机制使得二维条码因污染、破坏引起局部损坏 时，照样可以正确得到识读。二维条码的纠错算法与人造卫星和VCD等所用的 Reed-Solomon纠错箅法相同，这种纠错机制使得二维条码成为一种安全可靠的信息存储和 识别的方法，这是一维条码无法相比的。3、编码范围广，可以表示多种语言文字和图像数据多数二维条码都具有字节表示模式。不论何种语言文字，它们在计算机中存储时都以 机内码的形式表现，而机内码都是字节码，这样我们就可以设法将各种语言文字信息转换 成字节流，然后再将字节流用二维条码表示。另外，图像多以字节形式存储，因此二维条 码也可以存储图像(如照片、指纹等)信息。4、可引入加密机制用二维条码表示照片时，我们可以先用一定的加密算法将图像信息加密，然后再用二 维条码表示。在识别二维条码时，再加以一定的解密算法，就可以恢复所表示的照片，以 防止各种证件、卡片等的伪造。此外，二维条码还具有成本低，易制作，持久耐用；条码符号形状、尺寸大小比例可 变；可以使用激光或CCD阅读器识读；可影印、传真等特点t8191。2.3.2 二维条码的分类按码制的编码原理不同，可分为堆叠/行排式二维条码和矩阵式二维条码两种类型。1、堆叠式二维条码堆叠式二维条码，又称行排式二维条码或层排式二维条码，它形态上是由多行截短的 一维条码堆叠而成，其编码原理是建立在一维条码的基础之上，按需要堆积成二行或多行。 堆叠式二维条码在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点，识 读设备与条码印刷与一维条码技术兼容，可以使用激光或CCD阅读器识读。但由于行数 的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件不完全相同于一维条码。有代表性的行排式二维条码有：PDF417、Code49, Codel6K等，如图2-3所示。Hfflfi IllilllllCode 49条码PDF417条码图2-3堆叠式二维条码示例2、矩阵式二维码矩阵式二维条码，又称棋盘式二维条码。它是在矩阵相应元素位置上通过黑、白像素 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上用点（方点、圆点或其他形状） 的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维 条码所代表的意义。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础 上的一种新型图形符号自动识读处理码制，但它只能用二维的CCD阅读器进行识读18例。有代表性的矩阵式二维条码有：Code One、Aztec, Maxi Code、QRCode、Data Matrix 等，如图2-4所示。脚纖illEJL&： 癎 回嚇Data Matrix 条码 Maxi Code 条码 Code One 条码 QR Code 条码 图2-4矩阵式二维条码示例2.3.3 二维条码的应用二维条码作为一种新的信息存储和传递技术，现已广泛应用于国防、公共安全、交通 运输、医疗保健、工业、商业、金融、海关及政府管理等多个领域。二维条码依靠其庞大 的信息携带量，可以直接通过阅读条码得到相应的信息并且二维条码还有错误修正技术 及防伪功能，增加了数据的安全性。二维条码可把照片、指纹编制于其中，将证件上的个 人信息及照片编在二维条码中，不但可以实现身份的自动识读，而且可以有效防止伪冒证 件事件的发生。菲律宾、埃及、巴林等许多国家也已在身份证或驾驶证上采用了二维条码, 我国香港特区护照上亦采用了二维条码技术。另外在海关报关单、长途货运单、税务报表、 保险登记表上也都有使用二维条码技术来解决数据输入及防止伪造、删改表格的例子。在 国内注册会计师证和汽车销售及售后服务等方面，二维条码也得到了初步应用3|41。在国际上二维条码的研究方兴未艾，新的二维条码码制层出不穷，实际中应当根据不 同的应用对象和应用场合的需要选择最适合的二维条码。目前，世界上具有代表性的几种 二维条码的适用范围见表2-1所示。表2-1典型二维条码的适用范围类型条码名称适用范围行排式Code 49小型包装容器或物品PDF417ED【/高品质运输/产品行销/设备管理/物品安全管制表矩阵式QR Code工业自动化生产线管理/表示中日文字Maxicode搜寻追踪/包裹的分拣和跟踪Vericode航空/电子/自动化/制造业/医疗卫生Data Matrix小零件标识/电路板的零组件南京邮电大学硕士研究生学位论文第五章QRCode译码系统的设计与实现2.4 QR Code 二维条码2.4.1 QRCode 简介QR Code是Quick Response Code的简称。QR码是由日本Denso公司于1994年9月 研制的一种矩阵式二维条码符号1】【1()1。它除具有一维条码及其它二维条码所具有的信息容 量大、可靠性高、可表示文字、图像等多种信息、保密性强等优点外，还具有如下特点：1、超高速识读。从QR码的英文名称QuickResponse Code可以看出，超高速识读特 点是QR码区别于PDF417、Data Matrix等二维条码的主要特性。用CCD 二维条码识读设 备，每秒可识读30个QR码字符，而对于含有相同数据信息的PDF417条码字符，每秒仅 能识读3个条码字符；对于DataMartix矩阵码，每秒仅能识读23个条码字符。2、全方位识读。QR码具有全方位（360)识读的特点，这是QR码优于堆叠式二维 条码如PDF417条码的另一个主要特点。由于PDF417码是将一维条码符号在行排高度上 截短并叠加来实现的，因此，它很难实现全方位识读，其识读方位角仅为10。3、能够有效地表示汉字。由于QR码用特定的数据压缩模式表示中国汉字和日本汉字， 其专有的汉字模式更加适合我国应用。QR码仅用13紐表示一个汉字而PDF417条码、 DataMartix等二维条码没有特定的汉字表示模式，只能用字节模式表示汉字，一个汉字需 要用I6bit轰示。因此，QR码比其他的二维条码表示汉字的效率提高了 20%。4、编码字符集广泛。QR码的编码字符集包括数字型数据、字母数字型数据、8位字 节型数据、日本汉字字符及中国汉字字符（GB2312对应的汉字和非汉字字符）等。2.4.2 QRCode的基本特性归纳QR Code的一些基本特性如表2-2示1】表2-2 QR码的基本特性符号规格从版本1 (21X21模块）到版本40 (177X 177模块)，版本;T符号由（4Z+17) 的平方个模块组成（Z=l40)编码字符集(1) 数字型数据（09);(2) 字母数字型数据（数字09;大写字母AZ;9个其它字符space、$、(3) 8位字节型数据（ASCII字符集)；(4) 中国汉字字符（GB2312图形字符代码表示的字符集，其中QRCode中中 国汉字字符值为16进制表示的A1A1FAFE,可以压缩为13位)(5) 日本汉字字符，需转化为JIS字符集10南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍表2-2(续）QR码的基本特性数据类型及最 大容量(1) 数字型数据7089个字符(2) 字母数字型数据4296个字符(3) 8位字节型数据2953个字符(4) 中国汉字字符1817个字符数据表示方法深色模块表示二进制1,浅色模块表示二进制0纠错能力(1) L级：约可纠错7%的数据码字(2) M级：约可纠错15%的数据码字(3) Q级：约可纠错25%的数据码字(4) H级：约可纠错30%的数据码字独立定位功能具备掩模可以使符号中的深色模块和浅色模块的比例接近1: 1,使得因相邻模块的排列 造成译码困难的可能性降为最低。“结构链接允许把数据文件最多用16个QR码符号在逻辑上连续地表示，以任意的顺序扫 描，而原始数据能正确地重新连接起来。扩充解释使符号可以表示缺省字符集以外的数据（如阿拉伯字符、希腊字母等)，以及其 他数据解释（如用一定的压缩方法表示的数据）或者对行业特点的需要进行编 码。本文用V-E的方式表示QRCode的符号版本，其中V表示版本号（140), E表示纠 错等级（L，M, Q, H)。例如2-M表示版本2、纠错等级为M的QR码符号。2.4.3 QRCode的符号结构每个QR Code符号是一个由正方形矩形，由3个位置探测图形、0到若干个校正图形、 分隔符、若干个定位图形以及编码区域构成。如图2-5所示，编码区域是用于对数据或纠 错码字进行编码的区域，功能图形不用于数据编码，是符号中用于符号定位与特征识别的 特定图形。图2-5 QRCode的符号结构（版本7)南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍1、符号版本和规格QRCode符号共有40种规格，分别对应于版本1、版本2、版本40。版本X的 规格是（4X+17) X (4X+17)模块，当版本为1时为21X21模块，版本为7时为45X45 模块，且自版本7幵始，出现版本信息和格式部分。 2、寻像图形寻像图形包括三个相同的位置探测图形，分别位于符号的左上角、右上角和左下角， 如图2-5所示。每个位置探测图形是由三个重叠的同心正方形组成，它们分别为7X7个深 色模块、5X5个浅色模块和3X3个深色模块。位置探测图形的结构见图2-6，其模块宽度 比为1: 1： 3： 1： 1。在QRCode符号中的其他地方遇到类似图形的可能性极小，因此可 以在视场中迅速地识别可能的QRCode符号。识别组成寻像图形的三个位置探测图形可以 明确地确定视场中QRCode符号的位置和方向。5?决决 崎-、 AtsclT广I) c -1 图2-6位置探测图形结构3、分隔符在每个位置探测图形和编码区域之间有宽度为1个模块的分隔符，它全部由浅色模块 组成。分隔符用于将位置探测图形与符号的其余部分分幵。4、定位图形水平和垂直的定位图形分别为一个模块宽的一行和一列，由深色与浅色模块交替组 成，其开始和结尾都是深色模块。如图2-5所示，水平定位图形位于符号上侧的两个位置 探测丨图形之间，在第7行。垂直定位图形位于符号左侧的两个位置探测图形之间，在第7 列。定位图形能提供决定模块坐标的基准位置。5、校正图形校正图形是用于确定矩阵符号位置的一个固定的参照图形，在图像有一定程度损坏的 情况下，译码软件可以通过它同步图像模块的坐标映像。每个校正图形可看作是3个重叠 的同心正方形，由5X5个深色模块、3X3个浅色模块以及位于中心的一个深色模块组成, 校正图形的数量根据QR Code符号的版本号而定，版本2以上（含版本2)才有校正图形。6、格式信息格式信息是包含符号所使用的纠错等级以及掩模图形信息的功能图形，用于对编码区南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍域的剩余部分进行译码。它在符号中出现两次以提供冗余，因为它的正确译码对整个符号 的译码至关重要。格式信息为15位，其中有5个数据位，包括纠错等级指示符和掩模图 形参考；10个是用BCH(15, 5)编码计算得到的纠错位。格式信息的计算方法详见4.2.7。7、版本信息版本信息用于表示符号规格的系列，同时也可指示符号所应用的纠错等级。它是一个 由6个数据位和12个BCH纠错位组成的18位序列。由于版本信息的正确译码是整个符 号正确译码的关键，因此版本信息在符号中也出现两次以提供兀余。如图2-5所示，6行 X3列模块组成的版本信息块放在水平定位图形的上侧，其右侧紧邻符号右上角位置探测 图形的分隔符，3行X6列模块组成的版本信息块放在垂直定位图形的左侧，其下侧紧邻 符号左下角位置探测图形的分隔符。8、空白区(空白区为环绕在符号四周的4个模块宽的区域，其反射率与浅色模块相同。 2.4.4 QRCode的编码模式QR码的编码字符集包括数字型数据、字母数字型数据、8位字节型数据和中国汉字字 符。对应不同的字符集，QRCode采用不同的编码模式来进行编码。QRCode码的编码模 式有扩充解释（ECI)、数字模式、字母数字模式、8位字节模式、中国汉字模式、混合模 式、结构链接模式和FNC1模式等。1、扩充解释（ECI)模式扩充解释（ECI)协议允许输出的数据流有与缺省的字符集不同的解释。EC1协议在 一些码制中有一致的定义。QRCode支持以下4类：(1) 国际字符集；(2) 用于诸如加密或压缩等一般目的的解释；(3) 闭环系统中用户自定义的解释；(4) 无缓冲模式中用于结构链接的控制信息。ECI协议在AIM ECI规范中有全面的定义，协议提供了一个对印刷前和译码后的字节 值进行详细解释的方法。QRCode缺省的解释是ECI000020,表示ASCII字符集。如果最 初的ECI不是缺省的ECI,则将输入数据转换为一个位流时，在其前面要有ECI标头，后 接一个或多个不同模式的段，每段的结构包括模式指示符（4位)、字符计数指示符和数据 位流，其中字符计数指示符由字节的数量决定（在中国汉字及日本汉字模式中为双字节) 如果是以缺省的ECI开始，位流的开头则为第一个模式的指示符。南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍表2-3给出了每个模式的模式指示符，表2-4给出了采用不同模式和符号版本的字符 计数指示符的长度。表2-3模式指示符模式指示符模式指不符ECI模式0111中国汉字模式1101数字模式0001结构链接0011字母数字模式0010FNCI1001 (第二位置） 0101 (第一位置）8位字节模式0100终止符（信息结尾）0000表2-4字符计数指示符的长度版本数字模式字母数字模式8位字节模式中国汉字校式191098810 ：2612n161027 4014131612ECI标头包含ECI模式指示符（4位）和ECI指定符（8、16或位)。ECI模式用于 按可选的字节值解释（如不同的字符集）对某类数据进行编码。每个扩充解释被分配一个 6位（十进制）的任务号，为紧接QRCode符号的ECI模式指示符后的1个、2个或3个 码字，这就是所谓的8、16或24位二进制的ECI指定符，其编码规则见表2-5所示（其中 bb”是ECI任务号的二进制值)。表2-5 ECI任务号的编码ECI任务号码字数码字值000000-0001271Obbbbbbb000000-0163832lObbbbbb bbbbbbbb000000-9999993llObbbbb bbbbbbbb例如：编码4个希腊字母，字符集为IS0 8859-7(ECI000009)，符号的版本为1-H。编码数据：BEAr (字符值为 A2hex、A5hex、A4HEx A3hex)ECI模式指示符：0111ECI 指定符(任务号 000009): 00001001字符计数指示符（4个字符)：00000100数据：10100010 10100101 10100100 10100011最终的位串：0111 00001001 0100 00000100 10100010 10100101 10100100 10100011 2、数字模式数字模式对十进制数字09编码，通常的密度为每10位二进制数表示3个字符。 数字模式编码将输入的数据每三位分为一组，将每组数据转换为10位二进制数。如南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章条码技术介绍果输入数据的长度不是3的整数倍，剩余的1位或2位数字应分别转换为4位或者7位二 进制数。转换后将得到的二进制数据序列连接起来并在前面加上模式指示符（0001)和字 符计数指示符。数字模式中，字符计数指示符的长度如表2-4中定义的有10、12或14位， 输入数据字符的数量转换为10、12或14位二进制数后，放置在模式指示符之后，二进制 数据序列之前。例如：符号版本1-H,输入的数据为0123456789 将输入数据分为3位一组：012 345 678 9 将每组转换为二进制数：012-0000001100345-0101011001 678-1010100110 9- 1001将二进制数连接为一个序列：0000001100 0101011001 1010100110 1001 将字符计数指示符转换为二进制（版本1-H为10位)：输入字符个数10-0000001.010 加入模式指示符0001以及字符计数指示符后的二进制序列为：0001 0000001010 0000001100 0101011001 1010100110 1001 数字模式中位流长度计算公式为：5=4+C+10 (Ddiv3) +R(2-1)其中位流长度；C=字符计数指示符的长度（见表2-4); )=输入数据的字符个数； 当 D mod 3=0 时及=0;当 D mod 3=1 时当 D mod 3=2 时及=7。 3、字母数字模式字母数字模式对45个字符进行编码，即10个数字（09)、26个字母字符（AZ) 以及9个符号（space, $, %，+, ., /,:)。通常情况下两个输入字符用11位表示。 该模式对每一个输入的字符赋予一个数值，它的值为0到44,详见附录中表1的字母数字 模式编/译码表。字母数字模式将每两个输入的数据分为一组，用11位二进制表示，将第一个字符的值 乘以45与第二个字符的值相加，再将所得的结果转换为11位二进制数。如果输入数据的 字符数不是2的整数倍，将最后一个字符编码为6位二进制数。转换完成后将所得的二进 制数据连接起来并在前面加上模式指示符（0010)和字符计数指示符，在字母数字模式中, 字符计数指示符的长度为9, 11或13位，见表2-4。例如：(符号版本1-H)输入的数据为：PDF 417 (注:F与4之间有space) 根据附录的表1查出字符的值：PDF417- (25, 13, 15, 36, 4，1, 7)南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章mrn-rn将结果分为 2 个一组：（25，13) (15，36) (4，1) (7) 将每组数据转换为11位二进制数 (25， 13) 25*45+13=1138-10001110010 (15, 36) 15*45+36=711-01011000111 (4, 1) 4*45+1=181-00010110101 (7) 7-000111将二进制数据顺次连接得到的位流：10001110010 01011000111 00010110101 000111 将字符计数指示符转换为二进制（版本1-H为9位)输入字符个数7-000000111 在二进制数据前加上模式指示符0010和字符计数指示符后得到的二进制序列为:0010 000000111 10001110010 01011000111 00010110101 000111 字母数字模式的位流长度计算公式为：B=4+CH (Ddiv2) +6(Dmod2)(2-2)其中位流的长度；O字符计数指示符的长度（见表2-4); 输入数据的字符个数。 4、8位字节模式8位字节模式用于表示ASCII字符集（字符值为00HEXFFhex),其编码密度为每个字 符8位。在本模式中一个8位码字直接表示一个输入数据字符的ASCII字符值。在非缺省 的其他ECI中，它直接