一種創新型五色彩碼的設計與實現

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外研究現狀，然后提出了一種創新型五色三維碼的概念，并詳細說明了該彩碼的編碼設計、定位與識別技術，最后簡單介紹了該彩碼的應用情況及后續進一步擴展的應用優勢。

【關鍵詞】 條碼 三維碼 彩色 編碼 識別 解析算法

一、引言

條形碼已經越來越多的出現在我們的生活中，如商品包裝、供應商的選擇、生產經營管理等；隨著智能手機的大眾化普及，二維碼也應用推廣開來：網上購物、消費打折、付款、資訊閱讀、電子票務、訂餐、公交等。那么進一步隨之而來的自然是三維碼的問世與廣泛應用。

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之上衍生出來的一種新型識別碼，簡單來講就是在原來二維空間維度上，加上了顏色維度。彩碼技術不同于傳統條碼技術，它并非將所有信息編入條碼中，它只需要存儲一些類似于指針的信息，比如網頁鏈接、服務器地址等。彩碼本身不是信息攜帶型碼，它提供的是后臺內容的快速指向和數據雙向管理。

與傳統二維條碼相比，三維碼具有更大的信息容量、相同的識別便易性和較好的安全性。三維碼的出現是圖像識別以及信息時代的需求共同催生的產物。三維圖像碼的可設計特性決定其相對于傳統二維碼或條碼具有更廣闊的市場環境，可以說三維圖像碼是對傳統二維碼或一維條碼的顏色革命。

二、彩碼介紹及研究現狀

彩碼是為解決目前二維碼的技術和應用瓶頸，而發展起來的新型條碼技術。彩碼不僅能夠保持二維碼的固有特性，同時能夠延展其服務外延，同時能夠降低對讀識設備的要求，即便支持普通攝像功能的中低端手機都能主動識別，為該項技術的廣泛應用提供保證。由于采用了有別于傳統二維碼的識別技術，彩碼具有較高的容錯能力，并允許圖形有一定的歧變，同時在顏色選取上也有較大的范圍。

彩色三維碼的特點是：

1、安全系數高：閉源技術仿制破解可能極低，保密性、防偽性好。

2、應用率高：適應各類行業，易操作簡易，可更新發布，可循環回收利用。

3、品牌契合度高：可結合品牌專屬設計，可申請專屬編碼與鏈接保護。

4、信息容量大：不同于傳統碼制內嵌式信息，以提供URL內容轉鏈接擴展信息內容，信息無限擴展。

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

6、容錯能力強：彩色碼因污染、扭曲、損化等引起局部損壞時，仍然可以正確得到識讀，損毀面積達50%以上仍可恢復信息。

目前在國外，尤其是日本、韓國，彩色三維碼應用范圍極其廣泛，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、公共信息服務、會務展覽服務、廣告傳媒服務、商品電子標識、醫療服務管理、企業商務管理、社區互動服務等各個方面。彩碼顏色方面也由目前的4色，增加到8色、16色、256色等一些列相關研究課題，相關的三維碼產品也比較成熟，如ColorZip推廣的“彩色條碼”，以及美國微軟開發的“HCCB”等。我國目前尚在二維碼識別使用的初級普及階段，技術模式相應比較落后。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。在彩色三維碼的應用方面非常少，只有很少的用戶群體。

三、五色彩碼的設計

本文提出一種創新型的五色三維碼，研究的是該五色彩碼的生成與應用。五色彩碼是采用藍、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算機設計生成，從結構上來看分為彩碼生成和彩碼識別兩大模塊。彩碼生成部分是輸入文本信息、對該文本進行編碼、生成彩碼圖片、保存彩碼編碼數據庫。彩碼識別模塊主要包括用手機終端app掃描生成的彩碼圖片、自動解碼并通過查詢數據庫還原初始文本信息。總體架構如圖1所示：

每個彩碼對應唯一的索引碼，索引碼采用ASCII碼編制，ASCII共128個，每個ASCII碼占用7 bits的空間，所以一個索引碼占用了7*5=35 bits，再在最后補一個0湊成偶數，則一個索引碼占用了18個彩色格子。索引碼占用的18個格子如圖2的方向箭頭所示。剩下7個格子用于存儲版本信息、和定位標識，如圖中打圈（0）處。

彩碼為5*5的彩色矩陣，共有25個小格子，格子矩陣構造所選用的顏色為：藍、黑、白、紅、綠 5種。其中藍色用于定位功能，其余四色用來填充生成不同彩碼。除去定位格，每個顏色格子可表示2 bits的數據，黑紅綠白四色分別對應00、01、10、11顏色編碼。經過這種編碼方式，設計出來的彩碼樣例如圖3所示。

四、五色彩碼的定位與識別技術

彩碼識別技術是彩碼系統系能的關鍵因素，因此彩碼設計中關鍵的一點就是要求設計出的彩碼易于識別、識別算法穩定可靠。彩碼的識別取決于編碼方式的設計，不同的設計方式解碼的原理也不一樣。三維彩碼的編碼方式具有獨立性，這也是其具有高安全性的一個原因。彩碼的識別也需要開發專門的識別軟件。使用時一般是利用手機客戶端安裝解碼app，通過手機攝像頭掃描彩碼，程序自動解析出原有的編碼信息。

除了編碼，彩碼最關鍵技術的是定位與識別技術。本文中五色彩碼采用藍色定位，藍色格子位于彩色矩陣的左上、左下、右上三個固定區域，如圖3所示。所以只要找到三個藍色格子就可以定位一個彩碼，這樣大大降低了定位難度，也體現了我們設計的優勢。

彩碼識別的過程就是解析彩色矩陣，還原彩碼原來的編碼信息。具體的實現步驟是：

1、手機攝像頭掃描彩碼圖片；

2、首先遍歷圖像像素，找到藍色定位標識，確定彩碼區域及旋轉角度；

3、對掃描所得圖像旋轉至水平位置；

4、計算每個顏色格子的區域；

5、掃描確定每個格子的顏色，并將顏色存儲在臨時空間；

6、遍歷結束，依據編碼規則還原得到彩碼對應的初始編碼；

7、連接到服務器，服務器根據該編碼返回關聯的信息。

其中通過遍歷得到的定位標識是藍色像素集合，未經分類，無法獲知其具體是對應到三個定位位置中的哪一個。所以在對圖像進行定位前，需要對藍色像素進行分類。分類可采用鄰域距離比較法。

鄰域距離比較法的思想是：給定一個距離閾值d，當兩個藍色像素的距離小于d時，認為這兩個藍色像素位于同一個定位位置中，否則不在同一個位置。

鄰域距離比較法的具體步驟如下：

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

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

（2）在遍歷過程中，遇到第一個藍色像素時，新建第一個位置類別，將第一個藍色像素歸入其中，且此像素作為第一個位置類別的基準像素；

（3）繼續遍歷，對于后面第n個藍色像素和第i（1≤i≤3）個位置類別，進行如下操作：

①計算第n個藍色像素距離第i個位置類別基準像素的距離dn；

②若dn小于d，則認為同屬于第i個位置類別；若dn大于d，則新建第i+1個位置類別，并把此像素作為第i+1個位置類別的基準像素；

③重復上面的兩個步驟，直到遍歷所有的像素；

（4）遍歷完成后，應該得到三個定位位置；如果得到的不是三個，則重新定位。

五、應用與小結

本文提出一種由藍、黑、紅、綠、白五色彩碼的生成與解碼技術，并開發實現了該系統，在服務器端開發了一個系統，能夠生成、存儲、管理彩色三維碼，手機端開發了一個針對該三維碼的一個識別應用軟件APP。本文設計開發的五色三維碼在中心設備資產管理方面有較好的應用效果。

基于這種技術實現的彩碼簡單高效、成本低，識別率高、信息容量大，較易操作、擁有更好地用戶體驗，可推廣至電子商務、物聯網、物流管理等領域，具有廣泛的應用前景。

參 考 文 獻

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