申 冉 陳 威

（曲阜師范大學工學院）

QR碼技術(shù)及其在煙酒包裝防偽中的應用

申 冉 陳 威

（曲阜師范大學工學院）

QR碼具有很強的實用性、可靠性、安全性以及可拓展性，其簡單方便的操作方式深受消費者與煙酒生產(chǎn)廠家的歡迎。從QR碼的特點、結(jié)構(gòu)、編碼識別原理以及在煙酒包裝的應用等方面，闡述了QR碼技術(shù)的重要性及產(chǎn)生的必然性。

煙酒防偽QR碼防偽系統(tǒng)

引言

當今社會，假冒偽劣的煙酒產(chǎn)品猖獗，不僅擾亂了煙酒市場的銷售秩序，而且嚴重危害消費者的生命健康。防偽標識是消費者辨別真?zhèn)蔚闹饕罁?jù)，但是過于簡單的防偽標識易于被仿制偽造，復雜的標識消費者又難于使用，因此易識別而難仿造的QR碼防偽技術(shù)應運而生。應用QR碼進行防偽包裝能夠有效地保護消費者的利益，提高品牌煙酒的防偽能力，維護企業(yè)自身形象，促進煙酒市場的現(xiàn)代化管理和健康發(fā)展。

1、QR碼概述

1.1 QR碼簡介

QR碼（Quick Response Code）又叫做快速響應矩陣碼，屬二維碼范疇。它存儲量大、可靠性能好，還具有快速識別的特點，可以高效的表示漢字，在國內(nèi)擁有良好的應用前景。

如圖1所示，QR碼呈正方形，只有黑白兩色，其中3個角上印有較小的“回”字形圖案。這3個圖案是幫助解碼軟件定位的圖案，使用者不需要對準，無論以任何角度掃描，資料仍可正確被讀取［1］。

圖1 QR碼

1.2 QR碼的特點

（1）信息容量大、密度高。二維碼的垂直方向尺寸表示的是條碼的信息密度，與一位條碼相比，二維條碼能夠表示字節(jié)，這就為多種語言文字表示提供了可能?？梢园旬a(chǎn)品的全部信息存儲在一個二維碼中，若查看產(chǎn)品的信息，需要使用讀取設備掃描二維碼即可，不需要建立數(shù)據(jù)庫。

（2）編碼范圍廣。二維碼可以把聲音、圖片、文字等用數(shù)字化信息編碼，然后以條碼形式表示出來，能表示多種文字和圖像。

（3）保密防偽效果好。二維碼可以采用密碼、簽字、指紋等多種信息形式進行防偽，因此保密性能高。

（4）表示文字多。與一位條碼相比，二維條碼能夠表示字節(jié)，為多種語言文字表示提供了可能。

（5）制作簡單、成本低廉。利用現(xiàn)有打印技術(shù)在紙張、卡片、PVC以及金屬表面都能夠印出二維條碼。

（6）可進行360度識別。

（7）QR碼與其他二維碼有很大區(qū)別［1］，如表1所示。

表1 QR碼與其他二維碼的比較

1.3 QR碼的符號結(jié)構(gòu)

如圖2所示，QR碼為正方形，是由顏色深淺不同的正方形模塊組成。每個不同深淺的模塊都表示一組特定的數(shù)據(jù)信息，深色表示二進制的“1”，淺色表示二進制的“0”。QR碼圖形是由編碼區(qū)和功能圖組成的，前者是表示圖像信息后者則與識別有關(guān)。功能圖形是由空白區(qū)、尋像圖形、矯正定位圖形和位置探測圖形分隔符組成［2］。

圖2 QR碼基本結(jié)構(gòu)

2、QR碼編碼與識別原理

2.1 QR碼的編碼原理

如圖3所示，QR碼的編碼步驟大體上可以分為7步，即數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)編碼、糾錯編碼、構(gòu)造最終信息、構(gòu)造最終模塊、掩模運算、添加版本信息和構(gòu)造信息［3］。

圖3 編碼流程圖

（1）數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是對輸入數(shù)據(jù)進行比較，是所有編碼方法中最合適的編碼模式。QR碼有多種編碼模式，尋找一種合適的編碼方式可提高編碼效率，在數(shù)據(jù)分析階段需要進行選擇編碼糾錯等操作。此外，在數(shù)據(jù)分析階段還需要選擇編碼版本，若沒有規(guī)定版本，將會采用默認與數(shù)據(jù)匹配的最小版本。

（2）數(shù)據(jù)編碼

數(shù)據(jù)編碼是指數(shù)據(jù)流按照特定的方式編成二進制的字符串，在字符串之前按照編碼模式和編碼版本選擇相應的模式指示符和字符計數(shù)指示符，并將其合并成最終的完整數(shù)據(jù)流。表2是不同編碼方式下，模式指示符與字符計數(shù)指示符的長度規(guī)定。

表2 模式指示符與字符計數(shù)指示符的長度規(guī)定

（3）生成糾錯碼

QR碼的糾錯碼采用RS糾錯算法生成。糾錯碼能夠使QR碼圖像在污損后也能防止丟失數(shù)據(jù)。糾錯碼的等級分為L、M、Q和H，糾錯能力為7%、15%、25%和30%。具體糾錯步驟：

①根據(jù)糾錯等級把獲得的數(shù)據(jù)碼進行分塊；

②生成數(shù)據(jù)碼多項式，系數(shù)是步驟1當中分塊之后的數(shù)據(jù)碼。多項式的最高項系數(shù)是第1位數(shù)據(jù)碼，最低項系數(shù)是最后1位數(shù)據(jù)碼；

③按照版本號和糾錯等級生成對應的糾錯碼多項式。使用多項式除以數(shù)據(jù)碼多項式，得到另一個剩余多項式。該多項式最高項的系數(shù)就是這組數(shù)據(jù)碼的第1位糾錯碼字，最低項系數(shù)是最后1位糾錯碼字。

（4）構(gòu)造信息排布序列

經(jīng)過前兩步在得到了數(shù)據(jù)碼字與糾錯碼字之后，按照一定的規(guī)則排列得出信息的排布序列。

（5）布置模塊

如圖4所示，在每個8位的碼字以兩模塊寬的縱列從符號的右下角開始，按照蛇形排列。位序列在縱列中從右至左，按照模塊的排列方向從最高位至最低位依次排放。圖5是圖4中部分模塊的位序列排列。

圖4 模塊排列

圖5 位序列排列

（6）掩模

為了確保符號模塊的深淺比例相近，避免符號的其他位置出現(xiàn)位置探測圖形1011101序列，需要進行掩模。根據(jù)表3所示的掩模生成條件，生成8種掩模圖形，分別與上述布置好的模塊進行異或運算。對8種結(jié)果進行測試，選擇最低的作為最終結(jié)果，并把相應的掩模圖形參考添進格式信息。

表3 掩模圖形生成條件

（7）添加格式版本信息

根據(jù)糾錯等級以及掩模圖形的參考，得到格式信息的5位數(shù)據(jù)位。使用BHC（15，5）編碼得到10位糾錯位。15位的格式信息和掩模圖形進行異或運算，將結(jié)果放到格式信息對應的位置。

依據(jù)版本號生成6位數(shù)據(jù)位的版本信息，再經(jīng)過BHC（18，6）糾錯編碼得到12位的糾錯位。將18位版本信息放入相應位置。版本7以上才有版本信息，版本1－6的信息全是0。

2.2 QR碼的識別原理

QR碼的識別讀取主要分為3個步驟，即圖像的預處理、識別和解碼［4］［5］。圖像的預處理主要是定位QR碼圖像，識別過程是通過識別找到單位模塊的條碼符號矩陣，之后再將符號矩陣轉(zhuǎn)化成一維的字節(jié)，QR碼解碼過程通過糾錯得到在符號矩陣中存儲的信息數(shù)據(jù)。

（1）QR碼圖像的預處理

圖像的預處理就是為了解決在設備掃描圖像時出現(xiàn)的失真、傾斜、偏光模糊等影響圖像讀取的現(xiàn)象，為提高識別率提供前提。

（2）QR碼的識別

識別后得到的QR碼單元符號矩陣決定QR碼是否正確解碼，所以圖像的識別必須依據(jù)圖像的黑白特點避免光照不均勻產(chǎn)生的影響。識別算法的根本思路是根據(jù)黑白塊是否均勻來求二值化圖像的閾值，所以要對圖像進行灰度圖的二值化處理，這樣可以消除光照不均勻產(chǎn)生的影響，用邊緣檢測的方法和投影計算法來計算水平和垂直兩邊界峰點的集合，利用峰點對QR碼模塊劃分，求出模塊對應圖像，最后得到QR碼的符號矩陣。

（3）QR碼的解碼

解碼流程如下：

①識別讀取格式信息；

②用掩模圖形對矩陣進行異或處理，消除掩模；

③利用模塊的排列規(guī)則，識讀符號字符，恢復數(shù)據(jù)和糾錯碼字；

④用同等級的糾錯信息檢測錯誤，有則改正；

⑤將得到的字符計數(shù)指示符和模式指示符按照使用的模式進行譯碼，輸出結(jié)果。

3、QR碼在煙酒包裝防偽中的應用

QR碼防偽性能的優(yōu)越性表現(xiàn)在它攜帶的信息無法被偽造，煙酒企業(yè)可以將他們的產(chǎn)品信息經(jīng)過加密技術(shù)存放到QR碼中，然后把條碼貼在產(chǎn)品的外包裝和開口處，消費者在購買產(chǎn)品時可以用手機把條碼拍攝下來，以圖片的形式發(fā)送到指定服務器，經(jīng)過服務器的解密處理后再將明文的產(chǎn)品信息反饋給消費者，這樣消費者在辨別產(chǎn)品的同時也了解到詳細的產(chǎn)品信息。

對于消費者來說，越簡單有效地防偽技術(shù)越受歡迎，消費者只需要拿出手機拍下QR碼防偽圖像發(fā)送給生產(chǎn)廠家就能得到結(jié)果，方便快捷。對于生產(chǎn)者來說，QR碼防偽技術(shù)可靠性好、技術(shù)成本低、裝配簡單、不需要改變生產(chǎn)工藝流程和設備就能輕松實現(xiàn)產(chǎn)品的防偽。

在實際操作過程中，涉及到的業(yè)務流程包括QR碼個性化信息安全處理、QR碼印刷、商品的流通和真?zhèn)螜z測等環(huán)節(jié)。具體操作流程［6］如下：

（1）可變信息安全處理環(huán)節(jié)。產(chǎn)品出廠之前，將不同的煙酒生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品的名稱、凈含量、生產(chǎn)日期、構(gòu)成成分、生產(chǎn)批次、產(chǎn)地等信息經(jīng)過加密處理，與每一產(chǎn)品的唯一識別碼混合起來生成QR碼圖像；

（2）二維碼印刷環(huán)節(jié)。根據(jù)上一步驟產(chǎn)生的QR碼圖像，在包裝車間的生產(chǎn)流水線上，利用噴墨印刷系統(tǒng)在產(chǎn)品內(nèi)外包裝的封口處進行印刷。與此同時，將可變信息處理環(huán)節(jié)得到的唯一性的商品編碼也發(fā)送到噴墨印刷設備上，以數(shù)字印刷的方式噴印在包裝盒上，最終完成出廠流通；

（3）商品的流通環(huán)節(jié)。代理商在經(jīng)過申請審查合格后，在企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)上注冊認證，由系統(tǒng)分配一個具有唯一性的賬號。當產(chǎn)品到達此經(jīng)銷商處之后，由經(jīng)銷商負責掃碼，然后將產(chǎn)品信息發(fā)送給企業(yè)終端系統(tǒng)，經(jīng)企業(yè)驗證為真品后將信息回饋給經(jīng)銷商并在二維碼上添加經(jīng)銷商的信息；若為假冒產(chǎn)品則啟動警報，提示經(jīng)銷商為假貨。零售商系統(tǒng)功能與代理商一致，只是在產(chǎn)品銷售前還需要再次掃碼，此時QR碼的信息上會多出一條“此產(chǎn)品已售出”的標識； （4）真?zhèn)螜z測環(huán)節(jié)。消費者辨別真?zhèn)蔚姆绞接腥N，第一是在購買產(chǎn)品時由零售商負責向消費提供真?zhèn)我罁?jù)。第二是消費者利用手機或拍照設備將條碼發(fā)送到企業(yè)終端，根據(jù)反饋的信息辨別真?zhèn)?。第三是利用廠家在商場里設立的條碼查詢機器，將條碼對準掃描器用機器來辨別真?zhèn)危?］。

4 結(jié)語

與目前我國存在的包裝防偽、數(shù)碼防偽和破壞性防偽技術(shù)相比，QR碼技術(shù)具有優(yōu)越的保密防偽性能和簡單易行的編碼操作性能，能有效保護我國的煙酒品牌，維護消費者和生產(chǎn)者雙方的利益，且能對其它商品的防偽保護起到示范作用。因此，推動QR碼防偽技術(shù)在我國商品生產(chǎn)流通領(lǐng)域內(nèi)的應用勢在必行。

［1］中國物品條碼中心.條碼技術(shù)基礎［M］.武漢：武漢大學出版社，2008.

［2］郭琳.QR Code二維條碼編譯碼及自動識別技術(shù)的研究［D］.云南：昆明理工大學，2008.

［3］宋維.二維條碼QR Code糾錯算法的研究與實現(xiàn)［D］.北京：北京機械工業(yè)學院，2007.

［4］盧鑌.QR碼識別方法研究及應用［J］.南京：南京理工大學，2013.

［5］劉東，高西全.QR碼圖像處理及識別算法研究［J］.信息技術(shù)，2004.

［6］解龍.基于加密QR碼的商品流通管理應用研究［J］.北京：北京印刷學院，2014.

［7］包宋德.基于二維條碼品牌白酒防偽系統(tǒng)研究［J］.湖南：湖南大學，2010.

項目來源：山東省高等學校科技計劃項目（No：J14LD51）曲阜師范大學博士科研啟動基金（No：BSQD2012058）曲阜師范大學科技計劃項目（No：xkj201413）

QR Technology and Application in Alcohol and Tobacco Packaging Anti－counterfeiting

Shen Ran Chen Wei
（College of Engineering Qufu Normal University）

QR codes have strong practicability，reliability，security and expansibility，its simple and convenient operating mode is popular among consumers and tobacco manufacturers.From the characteristics，structure，identification principle and application in alcohol and tobacco packaging，this paper expounds the importance and inevitability of QR code technology.

Alcohol and Tobacco Anti－counterfeiting QR codes Anti－counterfeiting System