一种光谱二维码的编码和解码方法
【专利摘要】本发明将光谱编码技术与二维码技术融合，公开了一种光谱二维码的编码和解码方法。在该方法中，光谱二维码的编码具体过程如下：(1)将图形编码信息写入二维码的图形中，将光谱编码信息写入二维码的图形单元中，每个图形单元由1×N的一维光谱向量构成，包含N位的光谱编码信息；(2)根据编码信息利用光谱二维码生成器对每个图形单元进行光谱向量的编码，然后对二维码的图案进行图形编码，最终生成光谱二维码。本发明利用光谱编码技术增加了光谱维度的信息通道，进一步提高了二维码的信息存储量，存储量为传统二维码技术的2N?1倍，从而解决了目前二维码的存储信息量低的问题。
【专利说明】
-种光谱二维码的编码和解码方法
技术领域
[0001] 本发明将光谱编码技术与二维码技术融合，设及一种新型的光谱二维码的编码和 解码方法。
【背景技术】
[0002] 二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上）分布的黑白相 间的图形记录数据符号信息的；在代码编制上利用构成计算内部逻辑基础的"0"、"r比特 流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设 备或光电扫描设备自动识读W实现信息自动处理。
[0003] 二维码信息容量的大小取决于二维码的物理尺寸和扫码设备的分辨能力，理论上 二维码的信息容量可W达到无穷大，但是考虑到实际应用场景，二维码的尺寸受到限制，目 前主流的增大二维码信息容量的方法为:减小二维码像素尺寸增大二维码像素数、改变编 码方式提高编码效率、存储短网址指向保存在云端的信息等，然而运些方法并不能从根本 上提升二维码的信息容量。另一方面，目前二维码技术均是采用无差别扫码技术，任意对象 均可通过手机等其他工具对二维码进行扫码识别其中的信息。该种二维码技术作为信息传 播媒介存在一定的安全隐患，尤其是对于设及用户信息安全的领域，如财产安全、个人私密 信息等。此外，目前传统的二维码技术自身虽然具有一定的保密防伪性能，但所采用的方式 仅是利用简单的位异或方法，并不能算得上是严格的安全防伪技术。
【发明内容】
[0004] 针对传统二维码技术存在信息容量低、安全系数低的缺陷，本发明的目的是将光 谱编码技术与二维码技术结合，提供一种新型的编码和解码方法。目前在二维码领域还没 有利用光谱编码进行二维码编码的方式。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0006] -种光谱二维码的编码和解码方法，该光谱二维码包括图形编码和光谱编码，其 特征在于，所述光谱二维码的编码具体过程如下：
[0007] (1)将图形编码信息写入二维码的图形中，将光谱编码信息写入二维码的图形单 元中，每个图形单元由IXN的一维光谱向量iSj构成，包含N位的光谱编码信息，其中向量 长度N的值为；
[000引
[0009] 式中，Ar为光谱二维码的光谱范围，A A和FWHM为读取光谱二维码的光谱仪的光谱 分辨率和半峰宽；
[0010] (2)根据编码信息利用光谱二维码生成器对每个图形单元进行光谱向量的编 码，然后对二维码的图案进行图形编码，最终生成光谱二维码。
[0011] 所述光谱向量赢苗的编码方式为二值编码，具体实现过程如下:N位的编码信息由 O和I组成，即每个有效波长的编码值为O或I，光谱二维码生成器根据二值编码信息对二维 码每个图形单元的发射光谱进行设置，如果波长、处的二值编码值为1，则对应的在此波段 有中屯、能量幅值为Amp(Ai)的光谱分量生成;如果波长、处的二值编码值为0,则对应的在此 波段没有光谱分量生成，即Amp(Ai)=O,其中，i = l，2,…，N;由于二值编码不受能量幅值的 影响，Amp(Ai)的设置只需要大于最小能量阔值AmpJh即可。
[0012] 进一步地，所述光谱二维码的解码过程如下：利用光谱二维码扫描机器拍摄光谱 二维码，获取光谱二维码的图形信息和光谱信息;通过解码分别获取二维码的图形编码信 息和光谱编码信息，并将二者信息进行融合，最终获得光谱二维码的信息;其中光谱二值编 码的解码步骤如下:对光谱能量幅值Amp (Ai)进行判定，如果光谱能量幅值Amp (Ai)大于阔值 Amp_Th，则输出为1;如果小于阔值Amp_Th，则输出为0。
[0013] 所述光谱向量i品g的编码方式为幅值编码，具体实现过程如下:N位的编码信息由 函数f(、)生成，函数f(、)输出值存在幅值上的差异，其中，i = l，2,…，N;光谱二维码生成 器根据幅值编码信息对二维码每个图形单元的发射光谱进行设置;发射光谱的能量幅值 Amp(入 i)为：
[0014] Amp(Ai) =H(f (Ai))
[0015] 其中H为转换函数，二维码不同图形单元采用的转换函数H可W相同或者不同。
[0016] 进一步地，所述光谱二维码的解码过程如下：利用光谱二维码扫描机器拍摄光谱 二维码，获取光谱二维码的图形信息和光谱信息;通过解码分别获取二维码的图形编码信 息和光谱编码信息，并将二者信息进行融合，最终获得光谱二维码的信息;其中光谱幅值编 码的解码步骤如下:对光谱能量幅值Amp (Ai)进行判定，如果光谱能量幅值Amp (Ai)小于阔值 AmpJh，则输出为0;如果大于阔值Amp_Th，则利用转换函数H的反函数H-I对Amp (Ai)进行处 理，输出解码值。
[0017] 所述光谱二维码生成器利用半导体发光技术、光干设技术、或者巧光发光技术生 成光谱二维码。
[0018] 进一步地，在步骤(1)中，对光谱编码信息进行加密处理。
[0019] 相比现有技术，本发明的优点在于：
[0020] (1)本发明利用光谱编码技术增加了光谱维度的信息通道，进一步提高了二维码 的信息存储量，存储量为传统二维码技术的2^-1倍，从而解决了目前二维码的存储信息量低 的问题；
[0021] (2)本发明的光谱二维码，只有特定用户利用特殊的光谱相机才能够得到光谱二 维码的完整信息，保证了信息安全和用户隐私，继而实现二维码技术针对特定人群的读取 和识别；
[0022] (3)本发明在光谱编码阶段，相对于传统的二维码技术又引入了一层加密机制，使 得二维码的安全性和可靠性得到大大的提高。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明光谱二维码组成元素示意图；
[0024] 图2为本发明光谱二维码的生成流程图；
[0025] 图3为光谱二维码光谱二值编解码原理图；
[0026] 图4为光谱二维码光谱幅值编解码原理图；
[0027] 图5为本发明光谱二维码的识别流程图；
[0028] 图6为实施例中InP量子点吸收和激发光谱与粒子尺寸关系图（引用出处：0.1. Micic,H.M.Cheong,H.Fu,et al.Size-Dependent Spectroscopy of InP Quantum Dots [J].Journal of Physical Qiemistry B,1997,101(25));
[0029] 图7为QR二维码结构分布示意图；
[0030] 图8为实施例中光谱二维码光谱幅值编码的光谱示意图；
[0031] 图9为实施例中平面反射光栅原理图；
[0032] 图10为实施例中光栅光谱二维码示意图。
【具体实施方式】
[0033] 本发明光谱二维码的每个图形单元由IXN的一维光谱向量i品5构成，包含N位的 光谱信息，如图1所示。向量长度N取决于光谱二维码生成器的光谱范围^，读取光谱二维码 的光谱仪光谱分辨率A A和半峰宽为FWHM，理论上N的最大值N,max为
[0034]
(1)
[0035] 生成二维码的流程图如图2所示，需要写入光谱二维码的信息通过各自的编码方 式分别进行图形编码和光谱编码，图形编码是将信息写入二维码的图形中，与传统二维码 方法相似;光谱编码是将信息写入二维码图形单元的光谱中。图形编码程序和光谱编码程 序共同写入硬件驱动，作用于专业的光谱二维码生成硬件，根据硬件的不同，利用不同的生 成原理生成光谱二维码，包括半导体发光技术、光干设技术、或者巧光发光技术等。
[0036] 根据光谱向量编码方式不同，有二值编码和幅值编码两种生成方式。
[0037] 光谱二值编码的实现方式如图3所示，N位的编码信息f由0和1组成，即每个有效波 长的编码值为0或1，光谱二维码生成器根据二值编码信息对二维码的发射光谱进行设置。 如果波长、Q = I，2,…，N)处的二值编码值为1，则对应的在此波段有中屯、能量幅值为Amp (、)的光谱分量生成;如果波长、(i = 1，2，…，N)处的二值编码值为0，则对应的在此波段没 有光谱分量生成，Amp(、）= 〇。由于二值编码不受能量幅值的影响，Amp(Ai)的设置只需要大 于最小能量阔值Amp_Th即可。
[00：3 引
口）
[0039] 光谱幅值编码的实现方式如图4所示，N位的编码信息由函数f (Al)生成，函数f输 出值存在幅值上的差异，因此称为幅值编码。光谱二维码生成器根据幅值编码信息对二维 码的发射光谱进行设置。发射光谱的能量幅值Amp(Ai)表达式如(3)所示。H为转换函数，输 入为幅值编码信息f(、），输出为发射光谱的能量幅值Amp(、）。为了提高编码速度，函数H可 W取系数为1的正比函数，即Amp(、）=f (Al)，此时同一个编码波段光谱处的能量幅值与编 码信息值相等。为了提高二维码的保密性，可W设置复杂的转换函数H，此时光谱能量幅值 Amp(Ai)不再等于编码函数f (Al)。
[0040] Amp(、）=H(f(入 i))(i = l，2，...N) (3)
[0041] 另外，因为二维码由多个元素单元组成，不同元素单元之间的转换函数H可W相互 独立，W提高二维码的保密性。包含mXn个元素单元的二维码，公式(3)可写成公式(4)。
[0042] Amp(x'y)(入i)=H(x'y)(f(x'y)(、))(i = l，2,...N，x=l,2,...m,y=l,2,...n) (4)
[0043] 光谱二维码除了对每个元素进行光谱编码，对二维码图案也可进行图像编码，包 含m X n个元素，并且光谱向量长度为N的光谱二维码，若采用光谱二值编码和图像编码结合 的方式可包含的信息量为2mxnxw;若采用光谱幅值编码和图像编码结合的方式可包含的信 息量为imXnXWj为光谱幅值编码的有效位数(1>2)。
[0044] 识别二维码的流程图如图5所示，利用专业的光谱二维码扫描机器，例如光谱相 机，拍摄光谱二维码，获取光谱二维码的图形信息和光谱信息，通过解码程序解码，分别获 取二维码图形和光谱中的信息，二维码光谱解码获得每个图形单元的光谱解码值，二维码 图形解码可W定位出数据编码区域和图形解码序列，用每个图形单元的光谱解码值代替每 个图形单元的图形解码值，形成新的图形解码序列，最终获得光谱二维码的信息。
[0045] 光谱二值解码的方式如图3,对光谱能量幅值Amp(Ai)进行判定，如果大于阔值 Amp_Th，则输出为1;如果小于阔值Amp_Th，则输出为0。
[0046]
按)
[0047] 光谱幅值解码的方式如图4所示，对光谱能量幅值Amp(Ai)进行判定，小于阔值 Amp_Th，则输出为0;如果大于阔值Amp_Th，则利用函数Ifi对Amp进行处理，输出解码值f/。 [004引 f' =H-I(Amp) (6)
[0049]除了利用转换函数H提高光谱二维码的保密性，也可W对编码信息f进行保密设 置，并将编码信息f的解密方法作为信息写入特定波长的光谱编码中。
[(K)加]实施例1:
[0051 ]基于量子点技术的光谱二维码编解码
[0052] 量子点由有限数目的原子组成，=个维度尺寸均在纳米数量级。量子点受激后可 W发射巧光，且发射光谱窄而对称，颜色可调，可利用其巧光发光技术来制备光谱二维码； 同时，量子点通过电激发也可W发光，利用其制备的量子点二极管也可W用来生成光谱二 维码。
[0053] 首先根据编码需求设计光谱编码向量^寡 =Ssn游苗成￡睐诚…與:游為|；|。
[0054] 根据光谱编码向量态的波长信息，调整量子点的尺寸大小和化学物质组成，从 而改变量子点的发射光谱。WInP量子点为例，发射光谱和粒子尺寸如图6所示，当改变它的 粒径，从2.6nm调整到到6. Onm时，发射波长可W从595nm移到780nm，发光波段^为185皿，半 峰宽FWHM为30nm，光谱分辨率为Inm，根据公式(1)，光谱编码向量的长度最大为6,编码波长 为[595nm，635nm，680nm，725nm，750nm，780nm]，对应粒子的直径为[2.6nm，3nm，3.5nm， 4.2nm，4.8nm，6nm]。
[0055] W二值编码为例，编码信息f可设置为[I，0，I，I，0，I ]，对应的光谱编码向量
，为方便说明，可设置各分量值相等，即 根据光谱编码向量Iiif，改变量子点InP半导体的 粒子尺寸和浓度可获得对应的发射光谱。
[0056] 光谱二维码的单个元素完成编码后，下个步骤是对mXn阵列的量子点都按照同样 的方式进行光谱编码，并利用普通图像二维码编码方法，本实施例中WQR CODE二维码编码 方式进行说明。图7为QR二维码的结构分布图，二维码元素单元分为两部分:功能图形区域 和数据编码区域。第一步设置功能图形区域，该区域图形包括:位置探测图形、位置探测图 形分隔符、定位图形和校正图形;对该区域的二维码元素单元进行光谱编码，功能图形区域 的光谱编码不包含数值信息，只需要能够区分不同形状即可，参考图7,本实施例中可W对 功能图形区域中的黑色区域设置编码信息f为[1，0,0,0,0,0]，白色区域设置编码信息'为 [0,0，1，0,0,0];第二步设置数据编码区域，数据包括数据和纠错码字，与传统孤码的区别 在于，传统孤码的每个元素单元所包含的数据为二进制"r或者"0"，本实施例中每个元素 单元所包含的数据为化it的二进制数f。
[0057]光谱二维码解码阶段，可利用公开号为CN102279050A的专利《一种多光谱计算重 构方法及系统》中提到的光谱重构方法提取光谱编码信息。具体步骤如下：
[005引步骤1，获取光谱二维码的双路多光谱图像;步骤2,根据QR CODE二维码解码原理， 利用图像处理方法，识别出二维码的功能图形区域和二维码的数据编码区域;步骤3,对光 谱二维码数据编码区域单个元素单元的多光谱图像的采样点光谱信息进行主成分分析，得 到每个元素单元主成分光谱向量基;步骤4,根据主成分光谱向量基、相机采集的RGB向量、 相机的R通道积分曲线、相机的G通道积分曲线W及相机的B通道积分曲线重构未知光谱点 上的光谱信息Ampuy);步骤5,利用公式5获取二维码每个元素单元光谱编码信息步 骤6,将数据编码区域的每个元素单元的编码信息f/(x,y)按照既定的顺序进行组合，最终获 得二维码的全部数据信息。
[0化9]实施例2:
[0060] 幅值光谱编解码
[0061] WlnP量子点为例，光谱编码向量长度N=6。
[0062] 编码阶段
[0063] 第一步，设置编码信息并归一化编码信息，编码信息f为具有相对值大小的编码向 量，如'=[7,4,2,5,0,3];由于在解码阶段，拍摄距离和角度等因素会影响解码装备获取的 光谱绝对值，因此在编码阶段需设置归一化的编码信息，此实施例中W第=位为标准值，归 一化编码信I
[0064] 第二步，转换函数H采用系数为1的正比函数，即盃苗^/，各波段的发射光谱如图8 中的虚线所示；
[0065] 第S步，转换函数H校准，由于相邻波段之间存在重叠，因此实际发射光谱的^向 量与设计值存在偏差，如图8中的实线所示;利用软件仿真（例如Matlab、Mathematica等数 字处理软件进行数值模拟)或实际测量(例如利用光谱仪进行光谱测量)可获得实际的发射 光谱值利用公式(7)可计算获得校准后自勺转换函数吏飞；
[0066]
(T)
[0067] 解码阶段
[0068] 第一步，利用实施例1中的光谱重构方法科获取光谱向量
[0069] 第二步，对光谱向量进行阔值判定，小于Amp_^的光谱值对应的光谱解码值 f为0;大于Amp_^的光谱值对应的光谱解码值f/可利用公式(6)和校准后的转换函数1计 算得到；
[0070] 第=步，归一化解码值，对光谱解码值f/进行归一化操作W消除该影晌.电于在编 码阶段，采用第=位的数值进行归一化，因此在解码阶段，归一化解码值
[0071] 实施例3:
[0072] 光谱编码信息f加密
[0073] WlnP量子点为例，光谱编码向量长度N=6。
[0074] 编码阶段：
[0075] 第一步，建立加密算法E与代码对应关系的查找表格，例如1代表DES算法，2代表 DSA算法，3代表1DEA算法，4代表只对固定位编码，等等；
[0076] 第二步，选择加密算法，此实施例中设计加密算法对应代码为4,即f(l)=4;
[0077] 第=步，根据所选择的加密算法E对明文P加密生成密文C，赋值给编码信息f。根据 加密算法要求，对编码向量的固定位(例如第S位)进行编码，即f(3)=data，其余位的值为 随机值，良Pf (2/4/5) =r曰ndam,编石马向量f = [4，r曰ndam，d曰t曰，r曰ndam，r曰ndam，r曰ndam];
[0078] 第四步，采用实施例2中的方法生成光谱二维码。
[00巧]解码阶段：
[0080] 第一步，采用实施例2中的方法获取光谱解码值f/ ;
[0081] 第二步，提取f/第一位的值，f/ (1) =4,查表获取光谱加密算法；
[0082] 第=步，根据加密算法对f/进行解码，提取明文信息P = f(3)=da化。
[0083] 实施例4:
[0084] 基于反射光栅的光谱二维码编解码
[0085] 平面反射光栅是在高精度平面上刻有一系列等宽而又等间隔的刻痕所形成的元 件，一般的光栅在一毫米内刻有几十条至数千条的刻痕，如图9所示，当一束平行的复合光 入射到反射光栅上，光栅能将它按波长在空间分解为光谱，分散光谱波长与入射角度i、反 射角度e W及光栅刻痕长度d有如下关系：
[00 化]mA = d(sin 目+sini) (8)
[0087] 其中m为光谱级次，本实施例中，光谱级次固定为1。
[0088] 编码阶段，根据编码向量要求，对每一个二维码单元设计刻痕间隔d，如图10所示。 例如归一化的编码向量.IiJ为[1,1，0,1]，采用的波长为[400皿,500皿,600皿,700皿]，则 只需对400nm、5(K)nm、700nm对应的波长进行刻痕，分别对应刻痕间隔(11、(12、(13，在入射角和 反射角固定的情况下，有dl: d2: d3 = 4:5:7。
[0089] 解码阶段，采用复合平行光照射二维码，为了确保分解光谱各个波长对应的光谱 级次为1，复合平行光的波段采用400~800皿的复合光，任意入射角度照射光谱二维码，利 用光谱相机在任意反射角度拍摄光谱二维码，利用实施例1中的方法获得二维码的光谱信 息。W编码阶段的二维码单元为例，由于入射角度和反射角度固定，获得光谱峰值的比值关 系为公式(9)。参考编码波段比值为4:5:6:7,可W解码得到编码值为1101。
[0090] Al：A2：A3 = dl：d2：d3 = 4：5：7 (9)
[0091] W上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任 何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的 权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种光谱二维码的编码和解码方法，该光谱二维码包括图形编码和光谱编码，其特 征在于，所述光谱二维码的编码具体过程如下： (1) 将图形编码信息写入二维码的图形中，将光谱编码信息写入二维码的图形单元中， 每个图形单元由IXN的一维光谱向j构成，包含N位的光谱编码信息，其中向量长度N 的俨t.式中，为光谱二维码的光谱范围，△ λ和FWHM为读取光谱二维码的光谱仪的光谱分辨 率和半峰宽； (2) 根据编码信息利用光谱二维码生成器对每个图形单元进行光谱向量1^的编码， 然后对二维码的图案进行图形编码，最终生成光谱二维码。2. 根据权利要求1所述的一种光谱二维码的编码和解码方法，其特征在于，所述光谱向 量1?的编码方式为二值编码，具体实现过程如下:Ν位的编码信息由O和1组成，即每个有 效波长的编码值为〇或1，光谱二维码生成器根据二值编码信息对二维码每个图形单元的发 射光谱进行设置，如果波长A 1处的二值编码值为1，则对应的在此波段有中心能量幅值为 Amp (λ〇的光谱分量生成;如果波长\处的二值编码值为〇，则对应的在此波段没有光谱分量 生成，即Amp(Ai) =〇，其中，i = 1,2，···，Ν;由于二值编码不受能量幅值的影响，Amp(Ai)的设 置只需要大于最小能量阈值Amp_Th即可。3. 根据权利要求2所述的一种光谱二维码的编码和解码方法，其特征在于，所述光谱二 维码的解码过程如下：利用光谱二维码扫描机器拍摄光谱二维码，获取光谱二维码的图形 信息和光谱信息;通过解码分别获取二维码的图形编码信息和光谱编码信息，并将二者信 息进行融合，最终获得光谱二维码的信息;其中光谱二值编码的解码步骤如下:对光谱能量 幅值Amp (Ai)进行判定，如果光谱能量幅值Amp (Ai)大于阈值Amp_Th，则输出为1;如果小于阈 值Amp_Th，则输出为0。4. 根据权利要求1所述的一种光谱二维码的编码和解码方法，其特征在于，所述光谱向 量???的编码方式为幅值编码，具体实现过程如下:N位的编码信息由函数f (A1)生成，函数 f(M)输出值存在幅值上的差异，其中，? = 1，2，···，Ν;光谱二维码生成器根据幅值编码信息 对二维码每个图形单元的发射光谱进行设置;发射光谱的能量幅值Amp(M)为： Amp(Ai)=H(f(Ai)) 其中H为转换函数，二维码不同图形单元采用的转换函数H可以相同或者不同。5. 根据权利要求4所述的一种光谱二维码的编码和解码方法，其特征在于，所述光谱二 维码的解码过程如下：利用光谱二维码扫描机器拍摄光谱二维码，获取光谱二维码的图形 信息和光谱信息;通过解码分别获取二维码的图形编码信息和光谱编码信息，并将二者信 息进行融合，最终获得光谱二维码的信息;其中光谱幅值编码的解码步骤如下:对光谱能量 幅值41^(^〇进行判定，如果光谱能量幅值411^|(>〇小于阈值細?_1'11，则输出为0 ;如果大于阈 值Amp_Th，则利用转换函数H的反函数Γ1对Amp(M)进行处理，输出解码值。6. 根据权利要求1、2或3所述的一种光谱二维码的编码和解码方法，其特征在于，所述 光谱二维码生成器利用半导体发光技术、光干涉技术、或者荧光发光技术生成光谱二维码。7.根据权利要求1至5之一所述的一种光谱二维码的编码和解码方法，其特征在于，在 步骤(1)中，对光谱编码信息进行加密处理。
【文档编号】G06K7/14GK106022200SQ201610299246
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】丁健文, 李想, 闫锋, 朱曦, 潘巍松
【申请人】江苏南大五维电子科技有限公司