燕雨薇 余粟

摘 要：隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的飛速發(fā)展，二維碼在改變?nèi)藗兩罘绞街邪l(fā)揮了重要的作用。二維碼以其存儲容量大、無需依賴數(shù)據(jù)庫等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通訊。為了加深人們對二維碼的了解，使得二維碼更好地應(yīng)用于生活、發(fā)揮其更大的價值，本文對二維碼的基本概念進行了詳細介紹，包括二維碼的分類和編碼過程。并以QR二維碼為例，分析其編解碼的重點原理，在此基礎(chǔ)上簡要介紹了其在當前幾個主要領(lǐng)域的應(yīng)用，并結(jié)合其編解碼過程分析尚存在的問題，為今后的研究提供指向。

關(guān)鍵詞： 二維碼;QR碼;編碼;解碼;應(yīng)用

【Abstract】 With the rapid development of mobile Internet era， two-dimensional code plays an important role in changing people's lifestyle. Two-dimensional code is widely used in network communication because of its large storage capacity and no need to rely on database.In order to deepen people's knowledge of the QR code， to make the QR Code more useful to life and more valuable， in this paper， the basic concept of two-dimensional code is introduced in detail， and taking the QR code as an example， the key principles of its coding and decoding are analyzed. After that， the paper briefly discusses the application of QR code in several main fields at present， and analyzes the existing problems in combination with its encoding and decoding process， so as to provide the direction for future research.

【Key words】 ?two-dimensional code; QR Code; coding; decoding; application

0 引 言

二維碼是在一維碼基礎(chǔ)上演變而來的，在設(shè)計上改善了一維條碼低密度信息、存儲容量較小、必須依賴數(shù)據(jù)庫和通信網(wǎng)絡(luò)等缺點，而且其自動識讀技術(shù)及低廉的成本即使得二維碼現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生活的各個方面，如生產(chǎn)系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、稅務(wù)系統(tǒng)等等。二維碼種類很多，編解碼方式也是各不相同，因此不同種類二維碼的應(yīng)用領(lǐng)域也存在差異。當前熱門流行的當屬Q(mào)R二維碼，對二維碼的研究也主要集中在該類二維碼上。下文將論述二維碼的基本概念，并以QR碼為例詳細分析其編解碼過程及原理。

1 二維碼的基本概念

20世紀以來，二維碼以其成本低廉、存儲容量大、識別速度快等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展將二維碼技術(shù)應(yīng)用推向了一個新高潮，極大地改善了人們的生活方式。接下來，將簡要闡述二維碼的分類及其編碼的概念。

1.1 二維碼分類

有2種類型的二維碼，分別是行排式二維碼和矩陣式二維碼[1]。對此可做分析表述如下。

（1）行排式二維碼：該類二維碼由一維條碼組成，在編碼原理上類似于一維條碼，并且通常不具備糾錯能力。其中頗具代表性的有：Code49碼、Code16K碼、PDF417碼。

（2）矩陣式二維碼：該類二維碼以矩陣形式組成，具有自動識別的能力，且通常都有糾錯功能。其中頗具代表性的有：Data Matrix碼、Code One碼、Quick Response碼（簡稱QR碼）、漢信碼。

上述各類型二維碼參數(shù)對比詳見表1。研究可知，表1中的QR二維碼是當前最受歡迎的二維碼類型之一，而且因為能對漢字進行編碼，在國內(nèi)的應(yīng)用尤為廣泛。

1.2 二維碼編碼

根據(jù)編碼的對象和功能，二維碼編碼一般包括信息編碼、糾錯編碼和加密編碼三種。研究可得闡釋總述如下。

（1）信息編碼：是指根據(jù)不同的規(guī)則將不同的數(shù)據(jù)信息編碼成二進制數(shù)據(jù)流的過程，具體流程如圖1所示。

（2）糾錯編碼：是形成二維碼糾錯碼的過程，使得生成的二維碼具有一定的糾錯功能。通常行排式二維碼不具備糾錯功能，大多數(shù)矩陣式二維碼具有糾錯功能。

（3）加密編碼：為保障二維碼存儲信息的安全，還需對信息進行加密，這樣就可以避免傳輸過程中信息的泄露。

2 QR碼編解碼

快速響應(yīng)碼，簡稱QR碼，由于具有糾錯和快速識別的能力、能夠?qū)h字進行編碼，已成為中國當前應(yīng)用最為廣泛的一種矩陣式二維碼。QR碼共有40種版本，4個糾錯等級，其圖像由黑白塊組成，存儲著數(shù)據(jù)信息、糾錯碼字、版本信息等。在此，擬展開研究論述如下。

2.1 QR碼編碼

QR碼的編碼過程包括3個重要部分，即：數(shù)據(jù)編碼、糾錯碼字構(gòu)造和掩膜技術(shù)[2]。這里，對每一部分，將給出研究詳述如下。

2.1.1 數(shù)據(jù)編碼

數(shù)據(jù)編碼是指將原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)分析，并按照該數(shù)據(jù)類型對應(yīng)的編碼模式，轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)流的過程。其中，數(shù)據(jù)可能包括數(shù)字、字母、字符集或者漢字，不同數(shù)據(jù)形式的編碼模式也不相同，下面以數(shù)字模式的編碼為例說明數(shù)據(jù)編碼的大致過程。輸入數(shù)據(jù)00301001105，研究步驟內(nèi)容具體如下。

2.1.2 糾錯碼字構(gòu)造

QR碼使用RS（Reed-Solomon）糾錯碼，該糾錯碼具有強大的糾錯能力，主要用于糾正突發(fā)錯誤。RS碼的編碼原理[3]如下：

RS碼生成的多項式為：C（X）=m（X）+r（X）=C0+C1X+...+Cn-1Xn-1 ，其中m（X）=C2tX2t+C2t+1X2t+1+...+Cn-1Xn-1為信息多項式，且r（X）=C0+C1X+...+C2t-1X2t-1為校驗多項式。當C（X）是合法碼字時，就必須是生成多項式g（X）的倍數(shù)，即C（X）=q（X）g（X），此時m（X）=q（X）g（X）+p（X），其中p（X）為本原多項式。

研究時，根據(jù)上述原理來對RS碼進行編碼，從而生成糾錯碼字。

2.1.3 掩膜技術(shù)

在編排好QR碼圖像后增加掩膜技術(shù)[4]，其目的旨在使得二維碼圖像中黑白塊的分布更加均衡，避免出現(xiàn)圖像結(jié)構(gòu)相同的情況，從而提高二維碼的可讀性。對QR碼進行掩膜操作的步驟見如下：

（1）通過不同的掩膜方案生成相應(yīng)的掩膜圖形。

（2）將QR碼圖像與不同的掩膜圖形分別進行異或操作。

（3）對生成的圖像進行評估，選出最適合的掩膜方案。目前使用的評估方法包括加權(quán)計分評估和基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計思想的評估。

2.2 QR碼解碼

在QR碼的解碼算法中，目前更多地使用基于圖像處理的二維碼解碼算法，解碼算法的流程即如圖2所示[5]。這里，對該流程中的核心設(shè)計內(nèi)容可做重點解析論述如下。

（3）圖像分割。是指將圖像分為若干特定的區(qū)域以便進行研究，QR碼由黑、白塊組成，所以一般使用二值化方法進行圖像分割.也就是說，通過所選定的閾值，將圖像中所有像素點與該閾值進行比較，若像素點的灰度值大于等于該閾值則將該像素點的灰度值改為255，反之則用0代替該像素點的灰度值。該方法速度較快，且易于實現(xiàn)。

2.2.2 定位與校正

在對QR碼圖像進行預(yù)處理后，即涉及到圖像的定位及校正。探討后可得分析表述如下。

定位實際就是確定二維碼矩陣4個頂點的坐標，由矩形的特點分為2種定位方法。其一是，QR碼的3個頂點均有位置探測圖形，可以通過掃描確定這3個位置探測圖形的中心坐標，然后計算得到第四個頂點的坐標;其二是，QR碼的4條邊由邊緣檢測確定，4條邊的交點即為4個頂點。受光照、拍攝角度等環(huán)境問題的影響，傳統(tǒng)的方法對二維碼并不能獲得較好的定位效果。近年來，學(xué)者們提出多種優(yōu)化方法。例如，基于凸包及最小面積外接矩形的定位算法[8]，該算法通過獲取圖像邊緣的系列點集來計算其凸包及最小外接矩形，從而確定位置及角度信息，實驗證明該方法比傳統(tǒng)方法占用更少資源，節(jié)約更多時間;基于最小二乘的定位算法[9]，該算法通過識別到的位置探測圖形提取其中心坐標，進行間接調(diào)整，實現(xiàn)校正和定位;基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定位算法[10]，該算法即運用滑動窗口技術(shù)將二值圖像分為若干候選塊，再通過訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別和分類這些候選塊，以找出屬于QR碼位置探測圖形的候選塊，與此同時還將基于探測圖形的比例特征，快速并精確地進行定位。

2.2.3 數(shù)據(jù)糾錯

QR碼成功定位后能夠確定并提取對應(yīng)位置的信息，對于所接收的數(shù)據(jù)使用Reed-Solomon糾錯算法進行糾錯。Reed-Solomon糾錯過程如下：

（1）計算校正子：校正子由信息多項式和校驗碼通過運算所得。

（2）計算錯誤位置：根據(jù)校正子的值判斷、計算錯誤位置。

（3）修改錯誤值：找到錯誤的位置以更正此位置的值。

至此，可將通過數(shù)據(jù)糾錯后所獲的數(shù)據(jù)流傳入譯碼器進行譯碼，最終會得到初始數(shù)據(jù)，完成二維碼的數(shù)據(jù)傳輸工作。

3 二維碼的應(yīng)用

二維碼以其快速識別、存儲信息等優(yōu)勢應(yīng)用于生活的方方面面，例如移動支付、網(wǎng)頁導(dǎo)航、票務(wù)系統(tǒng)、公共交通等等，給人們的生活帶來諸多便利。除此之外，二維碼可以和其它的眾多學(xué)科領(lǐng)域相結(jié)合，研究可得分析綜述如下。

（1）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：將二維碼應(yīng)用于藥品流通監(jiān)管中，如中藥材的流通監(jiān)管，中藥材種類繁多，監(jiān)管難度較大。通過實驗獲取每種藥材的DNA序列，選取其中一段標準且相對短的序列作為序列號進行編碼，生成二維碼圖像，這樣就將便于對藥材實施有效監(jiān)管[12]。與此相似的應(yīng)用還有很多，如樣片檢測、患者信息等等。

（2）工農(nóng)業(yè)：現(xiàn)在很多產(chǎn)品包裝上都會印刷二維碼。這些二維碼不僅能提取廠商網(wǎng)址信息，還能提供產(chǎn)品的生產(chǎn)、質(zhì)量信息，尤其是與農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)的一系列信息的追蹤溯源。這樣一來，消費者能夠通過智能終端掃描，追溯到選購產(chǎn)品質(zhì)量安全的全部信息[13]。

（3）安全技術(shù)領(lǐng)域：在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，信息的安全傳輸尤為重要。二維碼具備存儲信息的功能，加上其獨特的編碼模式，將信息放入二維碼中成為一種保障信息安全的簡單、且有效的方式[14]。同時，二維碼本身也能作為一種防偽標識，幫助消費者有效地辨別產(chǎn)品的真假。

4 結(jié)束語

移動終端的發(fā)展促進了二維碼的大規(guī)模應(yīng)用，在對二維碼的編碼和解碼過程進行了詳盡討論后，研究發(fā)現(xiàn)二維碼的探索應(yīng)用上仍存在廣闊的研發(fā)創(chuàng)新空間。例如，在編碼階段，可以對糾錯算法進行優(yōu)化升級，提升糾錯能力;改進掩膜評估方法，以便找出更加合適的掩膜圖形，最大程度避免圖像的重復(fù)。在解碼階段，對于圖像的定位和校正，因受環(huán)境影響傳統(tǒng)定位方法不能進行正確定位操作，如何有效定位則是下一步的研究方向;對于圖像扭曲、破損的情況，需要融合圖像處理和二維碼技術(shù)來對圖像進行復(fù)原。目前，二維碼大多仍是用于信息的存儲，在網(wǎng)絡(luò)通信中，信息安全始終都是當前學(xué)界密切關(guān)注的研究課題，時下已有很多加強二維碼安全的研究，但卻仍需加大研究投入力度，致力于解決二維碼應(yīng)用中現(xiàn)存的各種安全隱患，從而優(yōu)化、及改進二維碼應(yīng)用的總體安全性能。

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