彩碼技術的生成原理的分析與研究

吳佳怡，馮鋒

（寧夏大學信息工程學院，寧夏銀川750021）

條碼技術是當今最流行的一種自動識別與數據采集技術，條碼技術就像基因一樣可以攜帶物品的大部分數據[1]，條碼技術憑借其便捷、成本低信息可隨載體移動、儲存信息量大等優勢[2]，迅速在各個行業中得到了廣泛的應用和推廣。條碼技術的出現極大地優化了數據采集和信息處理的流程[3]。目前，一維條碼和二維條碼已在商業、農業、交通運輸等多個行業有著廣泛的應用，但它們存在安全性低、存儲信息較少等方面的缺點。彩碼，作為新一代條碼技術產品應運而生并且得到廣泛的關注，彩碼具有成本低、識別度高等方面的優勢，能很大程度上解決目前條碼技術的瓶頸。彩碼技術的發展會在自動識別技術中占有重要地位，能大大提高工作效率。

1 彩碼技術的分析

1.1 條碼技術的發展

條碼技術最早產生于二十世紀二十年代[4]，在Westinghouse實驗室里，Kermode發明了最早的條碼標識，即一個“條”表示數字1，兩個“條”表示數字2，以此類推。條碼最初的設想是應用于郵政行業，Kermode“異想天開”地對郵政單據實現自動分揀。即在信封上做標記（條碼），條碼中所傳達的信息便是收件人的信息。然后他又發明了條碼識讀設備，即掃描器和譯碼器。此后不久Douglas Young又對這種最初的條碼加以改良。Kermode這種條碼所含信息量相當的低，很難編出十個以上的不同代碼。而Douglas Young的條碼利用了各個條之間的空間尺寸的變化，這樣可以使用更少的條，從而占用更小的空并傳達更多的信息。但直到1949年專利文獻中才第一次出現了條形碼符號的記載。二十世紀七、八十年代開始應用于工業領域[5]，這項專利也在發展中不斷改良，變成了今天我們常見的一維條碼。但那時候由于條碼識讀設備以及成本等因素的影響，條碼技術并未得到廣泛的應用。

隨著計算機的發展，針對一維碼存儲容量不足等缺點[6]，二維條碼在1970年由Iterface Mechanisms公司開發出來，自二維碼問世以來，便普遍得到人們的關注。我國是從八十年代中期開始，在一些高等院校、科研部門及一些出口企業開始廣泛的研究和應用條形碼技術[7]。而彩碼是在二維碼基礎上而發展的一種新型信息條碼產品。隨著條碼技術的廣泛使用，提高了數據采集和數據處理的速度，極大提高了生產效率[8]。

1.2 彩碼的起源

彩碼最初是由韓國著名私立大學延世大學的科研團隊發明的，原本的設想是改變殘障人士的生活，通過電腦自帶的攝像頭來檢測，殘障人士只需簡單的操作數字鍵或按鍵即可。但彩碼應用于手機上時，由于手機按鍵并不十分方便，彩碼便改為直接由攝像頭掃描，即可讀取出需要的信息。日本Colorzip公司率先獲得專利，并在2000年推出相關產品，成為全球第一家開發出運用于智能手機的5×5四色矩陣彩碼。在日本得到了很好的發展。在2011年初，伴隨著易清互動（北京）信息技術有限公司的成立，彩碼正式登陸中國市場。

目前，彩碼技術在韓國、日本等國家已經有較為成熟的市場，彩碼已經普及到百姓的日常生活中。小到路邊的LED廣告牌，大到各大公司的標志，全都有彩碼的身影。而在我國，大部分使用的條碼技術還局限于一維條碼和二維條碼，相信隨著我國各個行業的迅猛發展，彩碼必定作條碼技術的主導力量而應用在各個領域之中。

1.3 彩碼的定義及工作原理

彩碼又叫彩色碼，麗碼等，如圖1所示。彩碼是在傳統的黑色的二維碼的基礎上發展而來。彩碼圖形是由一個n×n的矩陣圖構成，矩陣的外框通過黑色線條封閉，并且在外框黑邊外留白[9]。

圖1 彩碼

彩碼技術不同于以往的一維碼或二維碼技術，它并非將所有信息加密后編入編碼之中，它只需存儲一些類似“指針”的信息，比如服務器地址等等[10]。彩碼的工作原理是運用讀取器和手機向服務器發送索引資訊，經過驗證，把索引資訊上傳到彩碼所在的服務器上，轉換成URL資訊，調轉到相應的存儲服務器上，便可以把需要讀取的信息顯示在手機上。彩碼的工作原理如圖2所示。彩碼的矩陣狀態和顏色數字化的模擬數據，與其他的數據處理，是通過專用的服務器地址。可將必要的信息（如文字信息、視頻信息、URL內容和其他數據等）通過網絡快速傳播。

圖2 彩碼的工作原理

1.4 彩碼的特點

彩碼作為條碼技術的一份子，不僅具有成本低、易推廣、存儲信息量大、使用便捷等其他條碼擁有特點，還具有其他條碼技術不存在的優勢。彩碼由于其特殊的識別方式（即通過對單元中顏色的判斷，已確定傳達的信息）導致彩碼具有較高的抗形變能力。由此特性，彩碼矩陣的每個小單元都可以做形變，可以調整顏色取值或插入其他非識別顏色來改變和擴充彩碼圖案，使得彩碼圖案整體是可以進行圖像和創作設計的。這便是彩碼最大的特性，即在遵循一定的規則下，彩碼可以通過平面創意設計，將企業的行業特質、服務特性及CIS標志融合其中，形成具有視覺意義的移動領域的信LOGO[11]，使彩碼成為企業“新名片”。經過畸變的彩碼如圖3所示。

圖3 畸變后的彩碼

其次，彩碼的識別范圍廣，對識別設備要求低，具有很強的扛畸變能力，可良好適應于戶外大型LED顯示屏，地鐵公交等多種復雜的環境中。

2 彩碼技術與二維碼技術的比較研究

2.1 二維碼技術

二維碼，也稱二維條碼，是相對于一維條碼而言的，它根據某種特定的幾何圖形，按一定規律在平面上分布的黑白相間的圖形[12]。二維碼是將需要保存的信息（如文字，圖片等）通過相應的編碼算法編譯為一個方塊條形碼。當需要讀取信息時，通過專門的掃碼器和掃碼軟件，自動讀取條碼（重新解碼信息），從而獲得相應的信息。二維碼以它的高容量、高密度、快速定位與自動解碼等特點[13]，迅速登陸各個行業并廣泛使用。在我國，目前使用范圍最廣的條碼技術，非二維碼莫屬。

2.2 彩碼和二維碼的存儲量的比較分析

二維碼，是通過對信息（照片，文字等）進行相應的編碼處理。因此，二維碼的存儲量有限，二維碼最多能存儲1850個大寫字母，或2710個小寫字母，或1108個字節，或500多個漢字。如果使用標準狀態下的一維碼EAN13與糾錯等級為M的QR二維碼相比較，相同面積下二維碼所表示的信息約為一維碼的八十多倍[14]。雖然二維碼相比于一維條碼，信息容量已經高越出十幾倍。但隨著近幾年各個行業的飛速發展，信息量存儲有限已經成為二維碼的瓶頸了。并且二維碼一旦生成便不可修改其內容，二維碼并不存在“有效期”的說法，如果需要銷毀信息，已經傳播出去的二維碼無法撤回。

而彩碼是所攜帶的信息，可以理解為一個“指針”，其相應的信息全都儲存在后臺服務器上。而當我們要傳輸的信息改變時，并不需要重新生成一個新的彩碼，可以直接通過對后臺服務器上所存儲的信息的改變，而更新彩碼所傳輸的內容，可以實現彩碼的二次利用，因此彩碼所能存儲的信息是無限量的。當彩碼需要被銷毀時，可直接對其后臺服務器進行操作，并不需要對已經傳輸出去的彩碼進行回收等工作。相信彩碼能滿足各個行業的需求應用。

2.3 彩碼和二維碼的安全性的比較分析

目前。隨著二維碼的廣泛運用，其安全性也成為各方關注的焦點。二維碼建立了一個信息傳輸的通道[15]，但由于二維碼的編譯和解碼過程是完全對公眾開放，以及市面上存在多種多樣的二維碼編譯和解析軟件質量無法預測，導致二維碼內容與制作難以監管，因此二維碼所攜帶信息的安全性及其防偽就成了廣泛關注的焦點[16]。常見為木馬植入、信息劫持、web攻擊、誘導登陸惡意網站等。由于二維碼與生俱來的安全隱患，影響了二維碼的進一步發展。

彩碼，作為解決傳統條碼的各類瓶頸應運而生的新產品，其安全性自然有所提高。彩碼真正要傳輸的信息都存儲在相應的服務器上，所以可以通過對服務器的監管以防止各類問題的產生。彩碼本身的信息只是相當于一個指針，所以無需特別對其本身所存儲信息的加密花費過多的研究。

2.4 彩碼和二維碼的模糊識別的比較分析

二維碼在識別時，需要先尋找“位置探測器”，即在二維碼的左上，左下，右上角3個位置，然后進行編譯解碼。二維碼允許最大容錯能力為30%，即當在手機像素不高、二維碼破損或污染、強光照射等情況時，導致二維碼部分缺失，只要不超過其本身的30%，即可讀取。但30%為最高情況并且在相對條件下（由于破損的位置、讀取軟件的能力等），通常情況下大約能達到15%。二維碼并不允許彎曲，所以二維碼只能用于平面中。而且印刷時也需要有高品質印刷，并對印刷材料有所要求。

彩碼相對于二維碼，最顯著的優勢就是在于其識別時的要求。第一，彩碼在容錯能力方面表現突出，彩碼允許最大可連續污染面積高達16.6%，最大可污染離散面積高達56%。第二，彩碼還擁有抗畸變能力，彩碼圖形在上下、左右相對變形夾角可以達到30°。第三，彩碼還允許圖案表面彎曲，最高允許的彎曲角度為90°。其四，彩碼不需要“位置探測器”，即彩碼在任何角度都能被識別。在識別距離是大于單邊外框尺寸的15倍時，允許最大識別角度為45°。這樣的優勢，使得彩碼不僅能在傳統的平面廣告中使用，還可以在戶外大型屏幕、雜志、海報等情況下使用，并且能印刷在塑料制品、易拉罐、無紡布等材質上。這使彩碼又一大顯著特性。

2.5 彩碼和二維碼的其他方面的比較分析

二維碼讀取時對拍攝的鏡頭有一定要求，需要高精度的攝像頭，并且需要有近攝功能的攝像頭才能讀取。而彩碼對讀取器的像素要求不高，并且拍攝距離最遠可以達到數十米之外，還支持多角度拍攝。

二維碼對其大小尺寸有一定要求，需要在一定面積內表達出所需傳達的信息。而彩碼是最小需要6×6mm的識別尺寸，最大直至用戶滿意的尺寸。

3 結論

條碼技術是現代信息科學的重要手段。條碼技術從產生到趨于趨成熟的今天，已經取得巨大的進步條碼技術的應用也趨于多樣化、行業化的發展。條碼技術的應用很大程度上提高了我國商品再國際上的競爭力，促進了經濟的發展[17-20]。彩碼技術，憑借其自身特點，可更好的應用于流媒體行業，彩碼可以很好的適應戶外宣傳屏幕、海報、流動宣傳車等；彩碼可以印刷在產品的外包裝來追蹤產品的安全性及其生產的全過程；彩碼還可以經過精心設計，成為企業宣傳的一張“新名片”；彩碼運用于票務系統中，除了能實現現有的功能，還能大大提升安全性，并能時刻通過后臺服務器修改票務信息。

在日常生活中，已經離不開條碼技術，彩碼作為新一代條碼技術，隨著我國通訊行業的發展及5G時代的到來，相信彩碼憑借其“與生俱來”的優勢，能得到各個行業的青睞，并快速發展。