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1、 南京航空航天大学课程设计题 目二维码的生成及辨认小构成员： 何俊豪韩怀晓晋晓飞 瞿诗华 薛莉十一月第一章QR码简介QR码是由日本Dnso公司与1994年制定出来的一种矩阵二维码符号，它除了具有信息容量大、可靠性高、可表达中文及图像信息、保密性强等长处外,还具有超高速响应、全方位辨认等特点。Q码符号是由正方形的细小模块构成,分为功能区和编码区。功能图形涉及位置探测图形、分隔符、定位图形、校正图形、格式信息、版本信息等，编码区域涉及数据编码块和纠错码图形。一般Q码基本图形及区域功能对照图如图.1所示。图1.1 QR码基本构造1.1 QR码的密度标记图形位于两个“回”字标记符之间的黑白相间的条纹,
2、用红色线标注的,这个区域可以用于拟定Q码符号的像素方块的密度(即一种像素的大小），标记辨认模块如图1.所示。图1.2 QR码密度标记图形1.2 位置探测图形位置探测图形由三个重叠的同心正方形构成，如图1.3所示。通过探测位置探测图形可以迅速的从背景图像中判断出Q码符号的大体位置。图13 Q码探测图形二维码定位就是找到二维码符号的位置探测图形，对有明显条码特性的区域进行定位，然后根据图形构造特性值对不同的条码符号进行进一步的解决。通过QR码的定位图形,可以得到左上角位置探测图形的边界点和左下角位置探测图形的边界点如图1.4()所示，因此可以采用鲁棒性较好的算法拟合条码左边框，然后通过直线拟合得到
3、条码的上边框直线。在此基本上构建直角三角形，寻找出图形中心,如图1（b）所示,并可以得到第四个交点，如图1.()所示。(a）拟定左边界和上边界 (b)拟定探测图形中心 (c)拟定第四个交点图14 条码图像初步定位流程 1.3 版本信息QR码符号共有40种规格，版本1的规格为21模块21模块,版本2为25模块2模块,以此类推,每一版本符号比前一版本每边增长4个模块，直到版本40，规格为77模块17模块。QR码的版本信息图形在整个二维码图像中的位置如图.5所示，R码最高版本40可容纳多达1850个大写字母或1个数字或1108个字节,或0多种中文,比一般条码信息容量约高几十倍。图1.5 版本信息图形
4、.4纠错码QR码具有“纠错能力”，虽然在使用过程中遇到污损、折叠等现象，也可以自动恢复数据。这一“纠错能力”具有四个级别，级别越高，纠错能力越高,但是数据量也会增长,编码尺寸也会变大。Q码各级别纠错码纠错能力如表1.1所示。表1.1 纠错码级别纠错能力对照表QR码的纠错能力级别约7%级别约%级别Q约25级别约30%第二章Q码编码规则简介将输入的数据转变为一种位流，如果最开始的模式批示符不是默认的,其前面要用ECI标头,如果以默认的开始,位流的开头为第一种模式的批示符，如表21 所示，该表定义了不同模式下的模式批示符。表22定义了不同模式和符号版本下的字符计数批示符的长度。表2.1模式批示符模式
5、批示符ECI01数字0001字母数字0108位字节010日本中文100中国中文1101构造链接0011NC0101（第一位置）1001（第二位置）终结符(信息结尾）0000表2.2 字符计数批示符的位数版本数字模式字母数字模式8位字节模式中国中文模式1910981262116102744131612.1 数字模式编码实现将输入的数据从左至右每三位转化成一种10位的二进制数，剩余的一位或者两位数据分别转化成4位或位二进制数。然后在转换后的二进制数据前加上模式批示符和字符计数批示符。例如输入数据:88999，编码环节如图2.1所示。图2.数字模式编码流程.2 字母模式编码实现字母模式编码规则与数字
6、模式编码规则类似，但是一方面要根据相应的字母模式编码转换表.3将字符转化为相应的数值,再将每两个字母分为一组，前面字符的值乘以与第二个字符的值相加,所得的成果转换为位二进制数。表3 字母模式编码转换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00662I18O23SP6.421177D1J19P25V31$7/4328E4K0Q2W3%8:44399F15L21R7X33*394A10G1622S8Y3+405511H17N23T31.3中国中文模式编码实现GB212原则规定的中文字符为双字节表达。QR的中文编码模式将位的转换为1位二进制字符序列,提高了编码效率。编码具体环节:（1） 将
7、第一字节值减去0xA6；（2） 将(1）的成果乘以0x60；（3） 将第二字节值减去xA1；（4） 将(）的值加上（3）的值;（5） 将成果转化成13位二进制。4 纠错编码按需要将码字序列分块,并根据纠错级别和分块的码字，产生纠错码字,并把纠错码字加入到数据码字序列背面，成为一种新的序列。在二维码规格和纠错级别拟定的状况下,其实它所能容纳的码字总数和纠错码字数也就拟定了。纠错码重要通过里德-所罗门纠错算法算出来,例如：版本1，纠错级别时时,总共能容纳346个码字,其中24个纠错码字。就是说二维码区域中大概1/的码字时冗余的。对于这24个纠错码字，它可以纠正1个替代错误(如黑白颠倒)或者224个
8、据读错误(无法读到或者无法译码）。在规格拟定的条件下,将原先产生的序列按顺序放如分块中，按规定把数据分块，然后对每一块进行计算，得出相应的纠错码字区块,把纠错码字区块按顺序构成一种序列，添加到原先的数据码字序列背面,如图所示。 图22 二维码矩阵构造2.5 Zxing简介Zxing是一种开放源码的,用Java实现的多种格式一维或者二维的条码图像解决库,它涉及了联系到其她语言的端口,一般使用Zing生成相应的二维码码以及解码。生成二维码的编码技术是指基于给定内容生成二维条码图片，ing可以对生成的二维码的图片格式、各项参数以及二维码类型进行设立,生成的图片涉及给定的内容，当使用辨认设备进行扫描时
9、，可以读出给定的内容。使用Zxing进行编码的环节重要如下：一方面，将所需的xing类库中的包导入工程；另一方面，对需要生成二维条码的给定内容进行编码方式解决,避免在显示中文时浮现乱码问题,并指定所生成二维条码图片的途径、名称和文献格式;然后，找到Zn中二维码R码所相应的编码类QR-Coderiter，调用ecoe措施生成给定内容相应的比特矩阵；最后将比特矩阵转化为制定的图片格式。第三章 解决流程及成果演示3.1解决流程二维码解决流程如图31所示,若已有二维码图像，直接读取该图像,在此基本上完毕解码辨认等过程,顾客也可按照自己的意愿在文本框里输入中文或数值等内容,调用Zxng,生成相应的二维码
10、图像。后对图像进行灰度化、加噪平滑、二值化、旋转校正、畸变校正等预解决,并在此基本上再次调用Zing完毕解码辨认的过程。图3.1二维码生成及解决流程图3.2 界面设计 本实验设计界面如图2所示,界面可实现功能:打开一幅二维码图像,对该图像进行灰度化、加噪平滑、二值化、旋转校正、畸变校正等预解决，并在这些过程的基本上完毕对二维码图像的解码过程。还可以对顾客自身想要的文字或者网址进行二维码图形的制作,并完毕解码显示。 图3.2 界面设计.3 预解决及其成果演示通过读取图像打开待解决原始二维码图像，并显示该二维码图像如图 所示。根据待辨认图像各自特点施以不同的预解决手段。图3.3 原始QR图像3.1
11、 灰度化解决一般状况下,使用数码相机等摄像设备获取的QR码是彩色的,和灰度图像相比,彩色图像具有的信息量较大,所占存储空间更多，将彩色图像转化成灰度图像是为了减少存储空间,减少运算量。灰度化解决后图像如图34所示。图3.4灰度化解决图像. 平滑解决对图像加入椒盐噪声，然后采用中值滤波对图像进行平滑滤波解决，加噪及平滑解决后图像分别如图.5(a)和（b）所示。 （a）加噪图像 （b）平滑图像图.5 加噪平滑解决3.3 二值化解决原则的二维码图像是由黑白两种小的模块组合而成的，灰度化之后需对图像进行二值化解决,以便数据的压缩、特性的突出以及图形的辨认。图像二值化的措施是通过预先设定的一种阈值,将灰
12、度图像分为不不小于这个阈值和不小于这个阈值的两部分,通过阈值的选用可以将图像的背景区和条码符号分开,本文采用自适应阈值法对图像进行二值化解决。自适应阈值法的基本原理是采用某一假定的灰度值t将图像的灰度分为两组,当两组的类间方差最大时，此灰度值就是二值化的最佳阈值，二值化解决成果如图3.6所示。图6 二值化解决3.4 旋转校正在二维码图像采集的过程之中,由于拍摄角度的问题,会导致图像产生一定的旋转畸变,本文采用霍夫变换的措施对此状况进行校正，旋转校正前后的图像如图3.7所示。 图3.7 原图(左）以及旋转校正后的图像(右)在旋转校正之前,需要对图像做边沿检测。本实验使用的边沿检测算子为“cann
13、”算子，“nny”算子可寻找图像梯度的局部最大值，且不易受噪声干扰,可以较好地检测出弱边沿,边沿检测成果如图3.8所示。图. 边沿检测采用霍夫变换的措施对图像进行旋转校正，重要是在图像空间和参数空间建立起一种“线-点”之间的相应关系,每条曲线表达一种点,Hough变换记录所有变化的峰值,并标记,得到个顶点，如图.9所示。图3Hugh空间显示图使用Hou变换检测线段，标出线段以及线段的起始和端点,得到每条线段的斜率,并计算倾斜角度值,最后将图像中的线条与点显示出来，如图3.1所示。图3.10 直线标记图像图像的坐标原点默觉得平面的左上角，根据得到的角度值，将图像按照角度进行旋转,便可以完毕对图像的旋转校正。33.畸变矫正也许会由于角度的问题，导致图像产生几何形变,使本来的QR码呈现不规则的四边形,从而影响二维码信息的对的提取。使用双线性插值法将不规则则的四边形区域通过一定的映射关系变为R码原则正方形,从而以便了对二维码信息的提取。畸变校正前后如图3.10所示。 图.10 原图(左)以及畸变
