新型大容量二维条码与系统及其编解码方法和应用的制作方法

专利名称：新型大容量二维条码与系统及其编解码方法和应用的制作方法
新型大容量二维条码与系统及其编解码方法和应用技术领域
本发明所公开的大容量二维条码，涉及一种适应于行业应用和移动增值业务的二 维条码技术，涉及二维条码的码型和码字结构，涉及信息纠错编码和解码技术，信息加密和 解密技术，信息压缩和解压缩技术，图像识别和图像处理技术。
背景技术：
二维条形码是在一维条码基础上发展起来的，是普通条形码信息量的数十倍，甚 至上百倍。二维条形码包括在传统一维条形码编码原理的基础上，将多个一维码在纵向堆 叠产生的堆叠式二维条码和在一个矩形空间通过黑白单元在矩阵中的不同分布而进行编 码的矩阵二维条码。
一维条码从20世纪70年代问世以来发展迅速，已经被广泛应用于各个领域。一 维条码的特点是所含有的数据容量较小，只是作为一种对于物品等检索的手段，需要依靠 后台数据库的支持。一维条码不支持汉字，尺寸比较大，无法加密。针对一维条码的不足， 出现了二维条码。二维条码储存的信息容量更大，可以对于信息进行加密，和增加纠错编码 等处理，使得信息的保密性与纠错能力等得以极大的提高。
二维条形码的特征是以深色单元，和浅色单元为基本单位来表达特定的信息。二 维条码典型码字有 QR code, DataMatrix, VeriCode, CODE 16k, PDF417, C0DE49, MaxiCode, CodeOne等上百种，一维条形码，一般以水平方向表达信息，通过增加宽度，增大印刷面积来 扩大容量。与此相比，二维条形码是以纵横两元方向来表达信息，相同面积的图片里所记录 的信息量却是一维条形码的数百倍。而且普通的条形码是做为识别码来使用的，因此需要 通过在线调用实际详细数据信息等外部信息。与一维条形码相比，二维条形码数据存储密 度高，相同的信息量可以通过较小的面积来存储。因此，一维条形码无法印刷的部件，二维 条码却能，比如，电子部件，小型部件。也可能应用到生产，仓库，出售管理。二维条码分别 应用与各种不同的领域，包括，半导体，汽车，电子工业，钢铁小物件，医疗器械，药品，军事， 生产管理，物流领域，资讯管理(文档管理)，手机应用等。二维条码的出现，本身就具有 很大的容量以容纳实际详细数据信息，就不需要像一维条形码那样在线使用或调用外部信 息。在国外，二维码的行业应用正在普及，而二维码作为手机增值业务的应用主要是由日本 和韩国的移动运营商以及增值业务提供商的全力推进而获得极大普及。甚至在日本二维码 增值业务已经成为移动运营商在移动增值业务中的三大主营业务之一。
中国移动在2006年推出了二维条码业务，并确定了 QR码和DM码作为移动增值业 务应用的二维码。这两种二维条码并不是作为强制标准，而是作为推荐标准加以推广的。同 时2009年2月中国联通和中国电信都分别表示在2009年内推出二维条码移动增值业务。
从二维码的实际应用需求来说，主要包括行业应用和手机应用。
手机二维条码是二维条码与移动通讯终端(手机)结合运用的产物。近年来，随 着拍照、彩信手机的扩大推广及移动通信增值业务的快速增长，可应用在手机上的二维条 码技术应运而生。手机二维条码是指将相关信息用二维条码进行编码，使二维条码信息以彩信的形式在手机里存储、阅读、传播。手机既可作为二维条码信息的载体结合二维条码识 读设备加以应用，也可在手机中内置或下载二维条码识读引擎来识读商品、杂志上的二维 条码标识，从而获取二维条码内隐含的有效信息，来进行相关应用的开发。目前，手机二维 条码在欧美、日韩等发达国家和地区都有较成熟的市场应用。随着我国移动通讯行业的发 展，3G时代的到来，手机二维条码将融入到人们的衣、食、住、行等方方面面，深刻改变我们 的生活习惯，手机二维码的应用，在2008年登上了中国信息服务十大应用的首位。
目前在民航、铁路、影院、体育场馆、旅游景点等行业和部门，纸质票务的应用还占 据着绝对主要地位。相对于电子票务来说，传统的纸质票务，如机票、火车票、电影票、各种 门票等，在应用环节存在着比较明显的几个不足如印刷成本较高、容易被复制、仿冒、易损 毁等；对票券运营单位来说，面临着售票的人力成本高企、防止假票的安全验证、票务使用 信息不能留存等问题的困扰。对消费者来说，存在着要亲自到售票场地去取票，有时还要排 队等待、被假票欺骗、保存票券等诸多不便。随着手机二维条码电子票务应用市场的展开， 可以有效的解决传统票务领域存在的问题。在票务市场，将逐步实现纸质票的电子化，便 利、安全、时尚、高效。电子票的实现方式是结合售票单位的网站(对应于电脑和手机)、售 票信息发布平台共同来完成。消费者需要购票时，可以用电脑或手机上网查找相关的票务 信息，并登陆相关的票务网站，检索相关的票务信息，并通过网上电子商务交易平台订购票 务，并完成网上支付。支付完成后，售票系统会把电子票务以二维条码的形式发送到购票 者的手机中，完成购票流程。在消费时，经过终端的验票设备进行检验后，可享受相应的服 务。在需要发票、登机凭证的民航，铁道等场合，可在机场或火车站设置的打印票务的自助 终端，扫描条码后打印票务凭证，实现上述功能。
二维码电子票务的应用将扩大到以下各个领域
■移动订票中国第一张电子电影票2005年由中国移动推出，这种形式将传统票 变成电子票，将物流变成电子流，节省成本的同时，提高了效率。
■积分兑换采用手机二维码的积分兑换方式后，用户可以随时随地提出兑换申 请，并到就近的兑换点兑换礼品。
■电子VIP 以二维码VIP电子卡替代传统实体VIP卡，VIP客户只要携带手机，就 可享受服务。目前全球通VIP易登机的系统已经在全国除港澳台的62家主要机场安装完 毕。
■电子折扣券电子折扣券得以实现无纸化，直接发到用户手机中，使用者只需携 带手机即可享受餐饮、娱乐、旅游、百货购物服务的各种折扣优惠。
■电子提货券用电子凭证的形式替代传统的提货券，条码凭证已广泛应用到实 物营销、实物派送等方面，大大方便了商家和消费者。
■飞机票火车票等乘客购买电子客票后，登陆相关网站，输入身份证号及相关的 航班或车次等信息，便可以自行选择座位，完成自助购票。之后，乘客只需带着手机在机场 或火车站专用自助设备扫描换取实体的机票或火车票，就可通过安检登机或乘车。
■电子导诊用户可以通过手机终端预约挂号，凭二维码电子凭证在预约时间前 往医院直接取号，大大减少了排队挂号、候诊的时间，为用户提供了一种新型的就医模式。
■电子签到会议、展览、活动通知与签到，用于企业访客登记与安排。
■手机解码防伪应用二维条码具有多重防伪特性，它可以采用密码防伪、加密防伪及利用所包含的信息如指纹、照片等进行防伪，因此具有极强的保密防伪性能。
■数据录入以及解码上网手机二维条码阅读引擎是一种支持手机扫描、识别二 维条码的软件。带摄像头的手机只要内置或下载二维条码阅读引擎后，就可以通过扫描物 品上的二维条码，解读二维条码内所隐含的信息，畅享二维条码所带来的便利。
例如手机二维码可以应用于航空票务和火车票服上。刊登在中国民用航空局网 站的数字显示2008年国内航空公司旅客运输量达1. 91亿人次。而铁道部统计在2009年 春运期间旅客流量就达到1. 88亿，全年预计旅客流量达到数十亿。其中只要10%的旅客使 用二维码电子票务系统，就能为整个民航系统和铁道系统节省数十亿元人民币；其次是可 以节省机票代理费中物流配送的人力成本，第三可以减少销售过程所占用的资金，同时还 有助于解决航空公司和铁道部门与票务代理商之间的资金结算与回笼问题。节约大量的印 刷成本、人力成本，减少资源浪费，环保高效。带给消费者便利、自由的购票过程。符合行业 的信息化建设要求，提升企业管理水平，增强竞争力。
现有二维条码在应用上仍然存在各种不足之处，包括在平面介质上印刷的二维条 码，在流通和保管上会出现污迹或损坏，造成无法正确识读。因此增加了纠错编码，以及引 入为了识别二维条码图形而用的识别图形。而识别图形会占据比较大的面积，使得二维条 形码的实际信息所占的面积减小，同时，由于受到规格标准和实际应用效果的限制，现有二 维条形码的信息容量并不大，需要表示较大的信息量时一个码字不能够满足要求。另外，为 了在规定的面积上容纳尽可能多的信息，现有二维条形码对于不同的信息，如数字，字母， 以及不同国家的文字采用不同的编码方法，以便压缩信息增加容量。而这种对于不同的信 息采用不同的编码压缩的方法导致了一个二维码不能对于各种不同的信息同时进行二维 码编码。发明内容
针对现有二维条码所存在的不足，解决现有二维条码所存在的问题，本发明公开 了一种新型大容量二维条码。与其他二维条码的实现技术不同。本发明的二维条码，直接 对于二进制的信息数据进行编码和处理，不论编码的原始信息是数字，字母，各种文字(包 括英文，汉字，同文，韩文，以及其他各国文字)，或是音乐，声音，照片，图像，代码等所有二 进制信息的混合都可以直接进行二维条码编码，并且可以根据需要在进行二维条码编码时 对于信息进行加密和压缩。同时对于每一个二维条码图形所含的信息量大小，图形尺寸大 小，和二维码的矩阵形状，纠错等级等可以根据用户的需求加以动态设定。
本发明同时公开了上述二维条码的码型和码字结构，以及码字信息的纠错编码和 解码，信息的加密和解密，信息的压缩和解压缩的实现方法。
为了实现本发明的目的，本发明所采取的技术如下。
本专利发明公开了一种全新的具有大容量并适合于手机和行业设备使用的二维 条码和系统，以及该二维条码的编码和解码方法。该大容量二维码由定位区，定位间隔区， 数据区所组成。而定位区又由定位虚线外框，定位点，定位信息单位，定时单元所组成。数据 区由头文件数据区和编码信息数据区所组成。该二维条码中使用了信息压缩，信息编码，和 信息加密技术。该二维条码可控制纠错编码的纠错等级，可控制编码的信息量的大小，可控 制信息的压缩方法，并可控制信息的加密方法，该二维条码的码长，所含信息量，压缩方法，加密方法和强度，纠错编码方法和纠错等级，以及码型大小可以根据应用需求进行设定。
在解码时，可以根据该二维码的头文件信息进行动态解码。该二维码具有容量大， 可以快速定位，全方位读码，并可对信息加密和压缩的特点，不仅适合于手机的二维条码移 动应用业务，还适合于专用设备应用于各类固定和各种行业应用领域。
本发明的二维条码由矩阵排列的多个信息单元所组成，其特点是
位于所述矩阵的四边有用于二维条码图形寻找，识别，定位和定时的虚线外框单 元 101 ；
位于所述矩阵的虚线外框单元部分中的深色部分的定位图形信息单元102 ；
位于所述矩阵的虚线外框单元部分中的浅色部分的定时信息单元103 ；
位于所述矩阵的左上角，右上角，和左下角的三个不同形状的定位单元；分别为起 始定位点110，第二定位定111，以及第三定位点112 ；确定数据写入与读出的顺序；
位于所述矩阵的虚线外框内侧的浅色的定位隔离区201 ；
位于所述矩阵的虚线外框内浅色的定位隔离区内侧的数据区210，以及深色和浅 色的数据信息单元130 ；
位于所述数据区域中按从第一定位点开始向第二定位点移动，再向第三定位点移 动的顺序方式，每n)(r!个矩阵列的数据单元构成一个数据单位220，221 ；η可以是等于7，8， 9，10，11，12，13 等的整数；
位于所述第一定位点为起始点的第L(L= 1，2，3，，，)个数据单位为头文件信息单 位220，包含有头文件信息，其余的数据单位221为加密，压缩和编码后的信息单位；
根据客户的需要可以对于L的值进行调整。如一般情况下可以设定L = 1，2。
本发明的二维码的编码方式，信息编码包含如下步骤。
1)原始信息加密；
2)原始加密信息压缩；
3)原始加密压缩信息纠错编码；
4)编码信息长度计算，编码信息长度小于规定长度的补足特定信息，如固定数据 或是某一部分数据的重复；
5)头文件生成；头文件中包含，编码信息长度，加密方法及等级，压缩方法和等 级，纠错编码方法和等级等的相关信息；
6)头文件纠错编码；
7)编码后的头文件和编码后的原始信息转换为二维码图案；
本发明的二维码的识别与解码方式，信息解码包含如下步骤。
1)通过图像采集设备采集二维码图像信号，将采集到的模拟信号转换为数字信号 输出；
2) 二维码图像的二值化处理将图像的数字信号转换成灰度值信号；将彩色图像 或多灰度值的图像还原为只有黑和白二色，分别以灰度值用0和灰度值用255来表示；完成 二值化图像处理；
3) 二维码图像检测从二值化处理的图像中，通过二维码的虚线边框判断规则， 判断所拍摄的图像中是否含有二维码；并通过二维码的四个虚线边框确定二维码的外框位 置；如果没有检测到二维码的图像，放弃该幅图像，重新进入图像采集；
4) 二维码图像变形的确认和恢复通过上述幻二维码图像虚线外框位置的检测， 可以检测出二维码图，并可检测出该二维码是否产生线性或非线性变形，在发生线性或非 线性变形时，将其恢复成矩阵二维码图形；
5) 二维码图像中的数据读取位置检测检测到二维码四边外框的位置后，再找出 三个不同形状的定位点的位置，确定二维码二值图像中的起始定位点，并确定读取数据时 的起始和终止方向和位置；如果检测不到二维码的三个定位点，或不能确定起始定位点，或 终止方向和位置，则放弃该幅图像，重新进入图像采集；
6)数据区中的黑白二色图像按信息单元大小转换为相应的二进制数据将数据 区中的黑白二色图像按信息单元大小，以编码时同样的方式，分别以二进制的0，1或1，0来 表不；
7)信息单位分组确定读取数据时的起始和终止方向和位置后，由于二维码四边 外框由深色的线和浅色的虚线所组成，确定外框虚线的每个浅色的点的正中央为分组点， 由二维码四边外框的分组点与四边的外框平行画虚线，将二维码中的数据区分成MXN个信 息单位，每个信息单位由nfti个二进制数据所组成；M，N可以分别是等于或大于2的整数。
8)头文件信息还原由读取数据的起始方向读取第一个，和第二个信息单位中 的头文件长度的数据，并将其用相应的纠错码解码算法进行解码，所得数据为头文件的信 息；
9)头文件信息读取；从头文件信息中，获取二维码原始信息的大小，二维码原始 信息的加密算法和等级所对应的代码，压缩方式和等级所对应的代码，纠错编码方法和等 级所对应的代码，以及是否有截断信息需要链接等信息；
10)纠错解码根据上述8)中的纠错方法和纠错等级信息，对于二维码数据区中 的信息数据部分进行相应的纠错解码；
11)解压缩根据上述8)中的压缩方式和等级，从头文件中获取的相应的压缩算 法和等级所对应的代码信息，对于二维码数据区中的数据进行相应的解压缩；
12)信息解密根据上述8)的加密算法和等级，从头文件中获取的相应的加密算 法和等级所对应的代码信息，对于二维码数据区中的信息数据进行相应的解密；
13)信息链接处理根据8)解码所得的头文件中的信息，确认是否有截断信息需 要链接，需要链接时，将从11)所获得的相应信息保存到相应的链接文件中；不需要时将从 11)所获得的相应信息保存到文件中，完成二维码的解码过程；
对于二维码的二值处理，其详细流程如下。
1)对于采集到的二维码数字图像部分进行二值化处理将图像的数字信号转换 成灰度值信号；并进行信号预处理包括直方图均衡，去噪，锐化，边缘增强；
2)将进行预处理后的整个图像分成均等分割成JXK个区域的矩形图像，J，K分别 可以是等于或大于1的整数；
3)统计各个区域中的像素灰度值分布，再计算出各个区域中像素灰度值分布图中 的两个峰值，
4)再由各个区域中的两个峰值，计算出各个区域中的两个峰值之间的阀值。
5)将各个区域中小于该区域阀值的像素点的灰度值用0表示，将大于该区域阀值 的像素点的灰度值用255表示；完成二值化处理；
对于信息解码过程中的二维码图像变形处理方法
通过虚线外框单元发生变形的数据，计算出每一排和每一列位置的变形系数，将 二维码图像虚线外框的各个点的位置，以及数据区的各数据单元的位置分别以线性或非线 性变形系数相乘，将其恢复成矩阵二维码图形；
本发明的二维条码的优点
1，与其他二维码的实现技术不同，本发明的二维码，直接对于二进制的信息数据 进行编码和处理，不论要编码的原始信息是数字，字母，各种文字(包括英文，汉字，日文， 韩文，以及其他各国文字)，或是音乐，声音，照片，图像，代码等信息都可以直接对于二进制 信息进行二维条码编码，并且可以根据需要在进行二维条码编码前对于信息进行加密和压 缩。
2，普通二维条形码，固定了数据结构，错误处理，并且形状，尺寸都有限制。而本发 明所公开的二维码的形状和尺寸不受限制，使用者可以根据需要来进行设定二维码的数据 结构，错误处理的等级，加密和压缩方法等，从而可以自由改变二维码的形状和尺寸以及压 缩和加密方法。本发明的二维码由于参数可以由客户来自由设定，因此可以适合于不同行 业和领域以及不同应用目的之需求。既可以作为QR码和DM码一样的公码(开标准的二维 码)使用，也可作为私码(非公开标准的二维码)使用。
3，不需要专用二维条码打印机，只需要市面上出售的激光打印机或喷墨打印机， 并使用普通打印纸就可以打印本发明所公开的二维条码。也可以使用市面上出售的标签打 印机。
4，不需要专用设备进行打印和识读。可以使用市面上销售的台式扫描仪，数码照 相机，或带摄像拍照功能的手机就可以对于本发明所公开的二维条码进行扫描或拍照读取 图像，并由二维码解码软件读取二维码中所包含的信息，对节约成本有利。而在专业使用领 域里，可以与现有的二维条码识别设备兼容。只要将本提案的二维码的解码软件加入到现 有的二维条码识别设备中即可。
本发明的二维码可以应用于以下各个领域。
■手机应用只要具有摄像头的手机，并在手机上安装相应的本发明二维码的解 码软件，就可以识别和阅读本发明的二维码所表示的相应内容；并且通过手机上网功能能 够进一步丰富获取相应的内容。
■认证(防伪，产品质量)可以提供离线和在线的双重认证功能。
应用于离线认证由于本发明的二维码码具有较大的信息容量以及具有加密和纠 错功能，在码中可以加入防伪和产品质量认证所需要的全部信息，并且可以加入加密和纠 错功能可最大限地确保信息的安全。
应用于在线认证离线显示中的所有信息还可以手机上网，短信，以及电话查询等 方式交互认证确认所显示的信息的真伪。确保信息的真实可靠。
■物流，库存管理与生产管理所有信息都编成本发明的二维码并打印在物品的 外部，以确保自动识别和确认。
■证券票据(火车票，机票，音乐，电影票等，以及各种打折券)可以打印成纸质 二维码码，也可以通过拍摄或下载保存于手机中作为票据凭证，在检查确认时，
只要对于本发明的二维码码进行解码确认就可以使用。
■资讯管理(文件，书籍出版以及保存)可以将大量的纸质文档信息通过本发明 的二维码编码打印在纸质媒体上，大大缩小保存的纸张数量，可缩小到50分之1至100分 之1左右。大大缩小了文件保存的量，节约成本和存储空间。
■信息加密本发明的二维码具有加密功能，可以对于文档的信息进行加密，只有 拥有(或下载)相应的解密参数的二维码解码器才能正确解读相应的内容。
■医疗器械，药品，以及医院病历管理可以将信息直接通过本发明的二维码印刷 在物品或药物的外袋上，用户可以通过相应的手机解码软件直接拍照解读二维码中的信息 内容，确保药物以及内容的正确无误。并且病人的病历卡中的内容可以通过本发明的二维 码保存和打印到病人的病历卡中，病人或医生可以通过手机或专用读码器读出病历信息。 而现在医院所用的IC病历卡，许多内容是储存在电脑中，不便于病人自己读取信息，也不 便于停电等的紧急情况下对病人进行相应的医疗处理。
■政府，公安，军事，保密领域文件的保密，个人信息的保密，包括证件，护照，身 份证中的信息，以及相应的文件文档。
■老人和儿童的安全确保通过在老人或儿童的衣服上的特殊位置打印特殊墨水 (水印等)的本发明的二维码，使得这些人群有了一定的信息标识，而这种特殊墨水打印的 DS码只有特殊解码器才能够解码，万一当这些人员走失后，公安人员等特殊群体可以使用 特殊的解码器读取并识别。同样原理，本方法也可以用于部队军队中战斗人员的标识。
一般A4—页纸的内容以1000汉字或2000以上的英文字母计算，可以通过本发明 的二维码变换保存到2X2平方厘米乃至更小的纸质面积上。因此一本50-100页的A4纸的 书的文字内容可以通过本发明的二维码打印保存到仅仅一页的A4纸上，读取时通过专用 扫描设备，摄像设备，或手机以及专用解码软件进行解码复原出原来的信息，大大提高了纸 质储存的效率。适合于国家政府机关，图书馆，新闻机构，军队，警察，以及保密机构对于信 息的纸质保存和保密的需求。本发明的二维码所保存的信息不依赖于计算机的文字阅览软 件，可以轻松对应阅览软件更新所带来的软件升级的问题。可以应用于报纸和杂志，对于 不能全文刊登的内容只要刊登一个标题和简介，而详细内容可以用本发明的二维码印刷， 供具有摄像功能的手机用户读取和显示(用户只需通过手机下载本发明的二维码读码软 件)，并可通过手机的发音功能将内容朗读出来。本发明的二维码还可以作为广告媒体，将 广告和打折等的信息内容直接制作成本发明的二维码，用户通过手机直接读取内容后阅读 或直接应用与打折，也可应用于商品的防伪检验和确认，还可应用与商品的品质检验和确 认。


图1本发明所公开的大容量二维条码的码字实例
图2本发明所公开的大容量二维条码的码字实例
图3本发明所公开的大容量二维条码的码字实例
图4 一维条码的码字实例
图5QR 二维条码的码字实例
图6DM 二维条码的码字实例
图7本发明所公开的大容量二维条码的编码流程
图8本发明所公开的大容量二维条码的解码流程
图9本发明所公开的大容量二维条码的解码二值处理流程
图10大容量二维码的使用方式之一
图11大容量二维码的使用方式之二
图12大容量二维码的使用方式之三
图13大容量二维码的使用方式之四具体实施方式
结合附图以及实施例对于本发明的二维码系统以及编码流程和解码流程做进一 步的详细说明。
图1描述了二维码的码字结构。二维码由虚线外框定位区101，定位间隔区201， 数据区所组成210。而定位区又由定位虚线外框101，定位点110，111，112，定位信息单位 102，定时单元所103组成。数据区由头文件数据区和编码信息数据区所组成。
本发明的二维码码字中，定位虚线外框101由深色的定位信息单元102，浅色的定 时单元103，以及三个定位点单元111，112和113所组成。定位信息单元102的长度为n_2 个单元长度，定时单元的长度为2个单元长度；
本发明的大容量二维码的码字由MXN个数据单位所构成。而每一个数据单位由 nfti个数据单元所构成。每一个数据单元即为一个二进制信息比特。其中，M，N的值是大 于或等于2的整数，η的值可以是7，8，9，10，11，12，13，，等的整数。图1所表示的是M = N =3,η = 9，头文件大小为L = 2的数据单位的二维条码实例。此时，码字的信息量为2个 头文件数据单位和7个编码信息单位。
该码字的外形大小和信息量的多少可以通过设定来改变。在数据区中的深色和浅 色的信息单元分别表示不同的二进制数据。
图2是表示大容量二维码的虚线外框定位区101，定位间隔区201，数据区210 ；
图3是表示大容量二维码的数据区210中的头文件信息单位301，以及编码信息数 据单位302 ；
参照图7所示的本发明所公开的大容量二维条码的编码流程图，对于二维码的产 生进行说明。其详细流程如下
1)首先，根据需要设定加密算法，压缩算法，RS纠错编码算法和纠错强度，以及设 定所生成的二维条码的Μ, N, n，L之值；
2)读入要进行编码的原始信息，根据设定对信息进行加密处理；或不进行加密处 理；
3)根据设定对信息进行压缩处理；或不进行压缩处理；
4)计算经上述幻，幻处理后的信息的长度，并根据纠错编码方式与等级，以及二 维条码的Μ，N, n，L之参数设定，确定该长度的信息需要生成一个或是几个二维条码；如果 信息过长，可以分段生成二个或两个以上的二维条码。对于信息数据量没有达到生成二维 码所要求的规定数据量时，增加固定比特的冗余数据或特定信息数据来填补。并将分段信 息加入到头文件中。以便在解码时合成，生成一个信息文件；
5)根据上述1)，与4)的信息，产生相应的头文件信息(包括加密方式，压缩方式，纠错编码方式与等级，经加密和压缩后的信息长度，以及分段信息)；
6)对头文件信息进行指定的RS码编码；产生编码后的头文件信息；
7)对于经过幻，幻处理的信息，根据1)设定的RS纠错编码算法和纠错强度进行 编码；
8)将上述经6)产生的头文件经编码后的数据串，和幻处理的原始信息经编码后 的数据串整合为一个数据串；
9)将6)产生的头文件经RS编码后的二进制信息和7)纠错编码后的数据信息按 从左到右从上到下的形式编成MXN个nfti比特的数据矩阵，每一个数据矩阵的二进制数据 按从左到右，从上到下编成一个nfti比特的数据矩阵；
10)头文件数据排在最前面，其他数据编码跟在其后，从上到下的顺序形成一个大 的由MXN个数据矩阵所组成的矩阵。每个数据矩阵也称作数据单位；
11)产生定位虚线外框，定位点，以及定位隔离区，并将MXN个数据矩阵中的二进 制数据的0和1，分别以深色和浅色表示，或分别用浅色和深色表示，生成二维码图形；深色 和浅色的最常用的表示方法是用灰度值O和255分别表示。并保存该生成的二维码图形；
12)根据4)的计算，确认是否还有分段的信息需要进行处理，需要处理时，返回 5)，再产生相应的下一个二维码；
13)保存并按需要打印所生成的二维码图形。
参照图8和图9所示的本发明所公开的大容量二维条码的解码流程图，对于二维 码的解码进行说明。其详细流程如下。
1)通过图像采集设备采集二维码图像信号，将采集到的模拟信号转换为数字信号 输出；
2) 二维码图像的二值化处理将图像的数字信号转换成灰度值信号；将彩色图像 或多灰度值的图像还原为只有黑和白二色，分别以灰度值用0和灰度值用255来表示；完成 二值化图像处理；
3) 二维码图像检测从二值化处理的图像中，通过二维码的虚线边框判断规则， 判断所拍摄的图像中是否含有二维码图像；并通过二维码的四个虚线边框确定二维码的外 框位置；如果没有检测到二维码的图像，放弃该幅图像，重新进入图像采集；
4) 二维码图像变形的确认和恢复通过上述幻的二维码图像虚线外框位置的检 测，可以检测出二维码图是否产生线性或非线性变形，在发生线性或非线性变形时，通过发 生变形的外框的数据，计算出每一排和每一列位置的变形系数，将二维码图像虚线外框的 各个点的位置，以及数据区的各数据单元的位置分别以线性或非线性变形系数相乘，将其 恢复成矩阵二维码图形；
5) 二维码图像中的数据读取位置检测检测到二维码四边外框的位置后，再找出 三个不同形状的定位点的位置，确定二维码二值图像中的起始定位点，并确定读取数据时 的起始和终止方向和位置；如果检测不到二维码的三个定位点，或不能确定起始定位点，或 终止方向和位置，则放弃该幅图像，重新进入图像采集；
6)数据区中的黑白二色图像按信息单元大小转换为相应的二进制数据将数据 区中的黑白二色图像按信息单元大小分别以二进制的0，1或1，0来表示；
7)信息单位分组确定读取数据时的起始和终止方向和位置后，由于二维码四边外框由深色的线和浅色的虚线所组成，确定外框虚线的每个浅色的点的正中央为分组点， 由二维码四边外框的分组点与四边的外框平行画虚线，将二维码中的数据区分成MXN个信 息单位，每个信息单位由nfti个二进制数据的矩阵所组成；
8)头文件信息还原由读取数据的起始方向读取第一个信息单位中的数据，并将 其用相应的纠错码解码算法进行解码，所得数据为头文件的信息；
9)头文件信息读取；从头文件信息中，获取二维码原始信息的大小，二维码原始 信息的加密算法和等级，压缩方式和等级，纠错编码方法和等级，以及是否有分段信息需要 链接；
10)原始信息纠错解码根据上述9)中的纠错方法和纠错等级信息，对于二维码 数据区中的数据进行相应的纠错解码；
11)确认是否有分段链接信息，如果是分段信息中的第一段信息，将解码信息保存 到指定的文件；如果是不是第一段，将信息追加到上一段文件的信息中；如果还有分段信 息存在，需要链接时，返回1)，扫描下一个二维条码图形。不需要进一步链接时，转入12)；
12)信息解压缩从11)指定的保存文件中读出解码信息，根据上述9)中的压缩 方式和等级信息，对于数据进行相应的解压缩；
13)原始信息解密根据上述9)的加密算法和等级信息，对于经过12)处理后的 信息数据进行相应的解密处理，获得原始信息；
14)将原始信息保存于指定的文件之中或显示在指定的设备上；
参照图9所示的本发明所公开的大容量二维条码的二值处理的流程图，对于二维 码的二值处理进行说明。其详细流程如下
1)对于采集到的二维码数字图像部分进行二值化处理将图像的数字信号转换 成灰度值信号；并进行信号预处理包括直方图均衡，去噪，锐化，边缘增强；
2)将进行预处理后的整个图像分成均等分割成JXK个区域的矩形图像，其中，J和 K分别为大于或等于1的整数；J和K取得数字越大，分割的区域越多，所取的二值的峰值越 精确；
3)统计各个区域中的像素灰度值分布，再计算出各个区域中像素灰度值分布图中 的两个峰值；
4)再由各个区域中的两个峰值，计算出各个区域中的两个峰值之间的阀值；
5)将各个区域中小于该区域阀值的像素点的灰度值用0表示，将大于该区域阀值 的像素点的灰度值用255表示；完成二值化处理。
具体实施中，本发明的大容量二维条码，对应于不同的应用，加密算法，压缩算法， 纠错编码算法和纠错等级，以及二维条码相关的M, N, n, L等参数值可以设定为不一样的数 值，以满足不同的需要。并可以根据不同的需求将本发明的二维码设定为一种公开的可以 满足广大需求的如QR码和DM码一样的公开的二维码(公码)，也可以设定为不公开其加密 算法或加密和解密参数的非公开二维码(私码)。
实施案例1
如在移动增值业务应用时，可以设定L = l，n = 9，M = N = 3，4，5，，，等数值。在 移动增值业务应用时，数据量一般不是特别大，不需要对于数据进行链接，即不需要使用多 个二维码的链接。如图1所示，L = 1，η = 9，M = N = 3。
实施案例2:
而在应用于文档保存等时，特别是保密以及大型文档的保存，可以采用几种方法 的二维条码，来实现信息的有效保存。
1，对于大容量的信息，可以按照每页A4纸大小的信息容量设置二维条码的信息 量。如可以将在每一页纸张上(如A4纸)的信息，编成一个二维条码，并将该页所含的信 息生成一个二维条码，打印在该页纸张的某个部位，以便于对于该页信息的阅读和保存；如 图10所示。
2，对于新闻或图书说明等的某些内容，不是特别重要的，可以只刊登一个标题和 简要说明，具体内容生成一个具有二维条码；只有持有该二维码的二维条码解码器就能够 解读其中的内容，如使用手机下载二维码阅读软件后进行阅读并可以发声，也可以使用专 用二维码解码阅读器进行阅读和发声。可以解决新闻报纸和图书说明等的版面不足的问 题，也可以解决老年人眼力受限，不易阅读的纸质文字的问题如图12所示。
3，对于一些特殊信息，如需要保密或加密的信息，也可只刊登一个标题或一部分 简要说明等内容，具体内容可以生成在一个具有加密和压缩特性的二维条码中；只有持有 该二维码的解密和解压缩功能的二维条码解码器以及相应的密钥才能够通过解密和解压 缩来解读其中的信息内容，而且，对于不同等级的加密内容，可以由不同等级的解码密钥来 解密并阅览，只有持有相应密钥的人员，才能阅读相应的文件资料内容，起到很好的保密作 用，解决文件保密的问题，如图11所示。
4，对于相对比较大容量的信息又希望在一个码字中保存时，可以通过设定M，N，η 的值的大小，使得信息保存在一个二维条码中，而该二维条码的尺寸的大小可以不受限制， 甚至设置为一页Α4纸的大小。如图12所示。
5，对于大容量的信息，可以按页进行分割，而不采用链接的方法，在打印保存上， 按照一定的物理方向和顺序进行保存打印，在解码时，也按同样的顺序进行解码。如图13 所示。适用于专用扫描设备对于文件资料的保存与识读。大容量信息按照每页一个二维码 的形式进行打印保存。1页Α4纸可以保存几十个二维码图形，每个二维码图形含有一页Α4 纸大小的文字内容。
6，对于大容量的信息，固定Μ，Ν，η的值，而用链接的方法对于大容量的信息进行 分割生成多个级联的二维码。
实施案例3:
本发明的大容量二维码作为公码的实施方法。本发明的二维码，可以象QR码和DM 码一样通过标准化后，作为公开标准的二维码使用。也就是该二维码的编码方式，加密方 式，压缩方式，以及各种参数都公开化，便于公众的自由使用。包括公众可以通过编码软件 自由编辑生成各种所需的二维码码字信息，以及通过二维码解码软件对于各种不同的码字 进行解码，获取原始信息。
实施案例4:
本发明的大容量二维码作为私码的实施方法。本发明的二维码，也可以作为私码 使用，也就是该二维码的编码方式，加密方式，压缩方式，以及各种参数都非公开化，或其中 的一部分非公开化，就可以作为私码使用，具有很好的保密性。
实施案例5:
本发明的大容量二维条码作为公码使用时，只要改变其各项参数的设定，就可以 将其作为私码使用，由此即可实现作为私码使用的另一种实施方法。此时，其加密算法，压 缩算法，以及纠错算法可以是公开的算法。而其算法所对应的参数，是非公开的，通过非公 开的算法参数，如使用特殊的加密参数使其成为私码。可以在上述公码的编码和解码方式 的基础上增加非公开的加密和解密参数。由该非公开的加密参数，通过程序生成一个特定 的加密二维码。该二维码解码时，必须要下载一个特定的针对该加密参数的二维码解码的 解密参数。在对该二维码进行解码时，可以使用公码解码软件，并由该公码解码软件自动读 取该解密参数后才能对加密后的二维码私码进行正确解码。对于不持有该解密参数的用 户，哪怕使用了公码解码软件，也不能够正确解析该二维码的信息。
实施例6
只有指定的特殊设备才能够正确解码的实施方法。上述实施例5中的非公开的加 密和解密参数，可以是含有解码用终端设备中的可由程序自动读取的特别序列号等的特别 参数。如用手机终端解码时，该特别参数可以是手机终端的手机号码，SIM卡序列号，卡号 等，或手机终端序列号等终端相关联的序列号码。如用专用设备解码时，可以是该专用设备 中的可以由程序自动获取的序列号等的终端相关联的序列号码，只有与指定序列号码相符 的设备才能够正确读取二维码的信息；而不具有该序列号码的终端都无法正确读取该二维 码的信息。
以上所述的实施例及实施方法仅为本发明的实施例。本发明不仅限于上述实施 例。对于本领域的一般技术人员而言，在违背本发明原理的前提下对它作出的任何显而易 见的改动，都属于本发明的构思和附属权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种大容量二维条码，由矩阵排列的多个信息单元所组成，其特点是位于所述矩阵的四边有虚线外框单元101 ；位于所述矩阵的左上角，右上角，和左下角有三个不同形状的定位单元；位于所述矩阵的虚线外框内侧有浅色的定位隔离区201 ；位于所述矩阵的虚线外框内定位隔离区内侧有数据区210 ；
2.如上述权利要求1所述的大容量二维条码，其特征在于，虚线外框单元由深色部分 的定位信息单元102，和浅色部分的定时信息单元103所组成，用于二维条码图形寻找，识 别，定位和定时；
3.如上述权利要求1所述的大容量二维条码，其特征在于，定位单元分布在矩阵的左 上角，右上角，和左下角，并且图像形状不同，分别为起始定位点110，第二定位定111，以及 第三定位点112 ；用于确定数据写入与读出的顺序；
4.如上述权利要求1所述的大容量二维条码，其特征在于，位于所述数据区中的数据 按从第一定位点开始向第二定位点移动，然后再由第一定位点向第三定位点方向移动的顺 序方式，每nfti个矩阵列的数据单元构成一个数据单位220，221 ；η为大于等于7的整数；
5.如上述权利要求1所述的大容量二维条码，其特征在于，位于所述第一定位点为起 始点的第一个数据单位为头文件信息单位220，包含有头文件信息，其余的数据区221为加 密，压缩和编码后的编码信息数据区；
6.如权利要求1所述的大容量二维码，其特征在于，数据区中的二进制数据信息单元 的光学特性为用深，浅二种颜色分别表示二进制信息位的1和0，或0和1 ；每个1和0的信 息单元在二维码图形中用1个基本单位长度的正方形表示130 ；
7.如上述权利要求1所述的大容量二维码，其特征在于，虚线外框中的每个深色部分 定位信息单元102的长度和宽度分别为η-2个基本单元长度和2个基本单位长度；虚线外 框中的每个浅色部分定时单元的长度和宽度分别各为2个基本单元长度；而1个深色部分 加1个浅色部分组成1个信息单位的长度121 ；
8.如上述权利要求1所述的大容量二维码，其特征在于，位于定位虚线外框内侧具有 定位间隔区，且定位间隔区的宽度为1个基本单位长度201 ；
9.如上述权利要求1，4所述的大容量二维码，其特征在于，数据区中的每个信息单位 为由nfti个信息单元所组成。信息单元的写入和读取顺序是，在数据区中由起始定位点110 为起始点，向第二定位点方向的η个信息单元，再由起始定位点向第三定位点η个信息单元 所组成的nfti的信息单元为一个信息单位；
10.如上述权利要求1所述的大容量二维条码，其特征在于，二维码的矩阵形状和大小 可以按信息单位大小自由设定；可以根据编码信息量的大小设定二维条码为MXN个信息单 位大小；而每个信息单位由nfti 二进制信息比特所组成；其中M, N分别为大于等于2的整 数；
11.如上述权利要求1和5所述的大容量二维码，头文件信息单位中包含有二维码长度 和宽度的单位信息，数据部分的压缩方式，加密方式，纠错编码方式和纠错码等级等信息经 过纠错编码后形成头文件编码信息；
12.如上述权利要求1和5所述的大容量二维码，数据编码区中包含有，经过加密，压 缩，以及纠错编码后的编码信息；
13.如上述权利要求1所述的大容量二维条码，其特点在于，信息编码包含如下步骤。1)原始信息加密；2)原始加密信息压缩；3)原始加密压缩信息纠错编码；4)编码信息长度计算，编码信息长度小于规定长度的补足固定数据；5)头文件生成；头文件中包含，编码信息长度，加密方法及等级，压缩方法和等级，纠 错编码方法和等级；6)头文件纠错编码；7)编码后的头文件和编码后的原始信息转换为二维码图案；
14.如上述权利要求1，13所述的大容量二维码，其特征在于，包含有加密算法，其加密 算法可以为现有的公开或非公开的加密算法，如DES算法，IDEA算法，RSA算法，MD5算法，以及其他加密算法等；也可以是非公开的加 密算法；
15.如上述权利要求1，13所述的大容量二维码，其特征在于，包含有压缩算法，其压缩 编码算法可以为现有已公开或未公开的压缩编码算法，如ZIP算法，RAR算法，以及其他压 缩算法等；也可以是非公开的压缩算法；
16.如上述权利要求1，13所述的大容量二维码，其特征在于，其头文件部分，以及信息 部分，包含有纠错编码算法，其纠错编码算法可以为现有已公开或未公开的纠错编码算法， 如RS码，BCH码，或其他纠错编码等；
17.如上述权利要求1，13所述的大容量二维码，其特点在于，信息解码包含如下步骤1)通过图像采集设备采集二维码图像信号，将采集到的模拟信号转换为数字信号；2)二维码图像的二值化处理将图像的数字信号转换成灰度值信号；将彩色图像或多 灰度值的图像还原为只有黑和白二色，分别以灰度值用0和灰度值用255来表示；完成二值 化图像处理；3)二维码图像检测从二值化处理的图像中，通过二维码的虚线边框判断规则，判断 所拍摄的图像中是否含有二维码；并通过二维码的四个虚线边框确定二维码的外框位置； 如果没有检测到二维码的图像，放弃该幅图像，重新进入图像采集；4)二维码图像变形的确认和恢复通过上述幻二维码图像虚线外框位置的检测，可以 检测出二维码图，并可检测出该二维码是否产生线性或非线性变形，在发生线性或非线性 变形时，将其恢复成矩阵二维码图形；5)二维码图像中的数据读取位置检测检测到二维码四边外框的位置后，再找出三个 不同形状的定位点的位置，确定二维码二值图像中的起始定位点，并确定读取数据时的起 始和终止方向和位置；如果检测不到二维码的三个定位点，或不能确定起始定位点，或终止 方向和位置，则放弃该幅图像，重新进入图像采集；6)数据区中的黑白二色图像按信息单元大小转换为相应的二进制数据将数据区中 的黑白二色图像按信息单元大小，以编码时同样的方式，分别以二进制的0，1或1，0来表 示；7)信息单位分组确定读取数据时的起始和终止方向和位置后，由于二维码四边外框 由深色的线和浅色的虚线所组成，确定外框虚线的每个浅色的点的正中央为分组点，由二维码四边外框的分组点与四边的外框平行画虚线，将二维码中的数据区分成MXN个信息单 位，每个信息单位由nfti个二进制数据所组成；8)分离头文件区和信息区由读取数据的起始方向读取第一个信息单位中的数据；9)头文件信息读取；将头文件区信息用相应的纠错码解码算法进行解码，所得数据为 头文件的信息；从头文件信息中，获取二维码原始信息的大小，二维码原始信息的加密算法 和等级，压缩方式和等级，纠错编码方法和等级，以及是否有二维码分段信息需要链接等信 息；10)原始信息纠错解码根据上述8)中的纠错方法和纠错等级信息，对于二维码数据 区中的数据进行相应的纠错解码；11)原始加密信息解压缩根据上述8)中的压缩方式和等级信息，对于二维码数据区 中的数据进行相应的解压缩；12)原始信息解密根据上述8)的加密算法和等级信息，对于二维码数据区中的信息 数据进行相应的解密；13)信息链接处理根据8)解码所得的头文件中的信息，确认是否有截断信息需要链 接，需要链接时，将从11)所获得的相应信息保存到相应的链接文件中；不需要链接时时将 从11)所获得的相应信息保存到文件中，完成二维码的解码过程；
18.如上述权利要求1，17所述的大容量二维码，其特点在于，信息解码过程中的二值 化处理为1)对于采集到的二维码数字图像部分进行二值化处理将图像的数字信号转换成灰 度值信号；并进行信号预处理包括直方图均衡，去噪，锐化，边缘增强；2)将进行预处理后的整个图像均等分割成JXK个区域的矩形图像，3)统计各个区域中的像素灰度值分布，再计算出各个区域中像素灰度值分布图中的两 个峰值，4)再由各个区域中的两个峰值，计算出各个区域中的两个峰值之间的阀值。5)将各个区域中小于该区域阀值的像素点的灰度值用0表示，将大于该区域阀值的像 素点的灰度值用255表示；完成二值化处理；
19.如上述权利要求1，17所述的大容量二维码，其特点在于，信息解码过程中的二维 码图像变形处理方法为通过虚线外框单元发生变形的数据，计算出每一排和每一列位置的变形系数，将二维 码图像虚线外框的各个点的位置，以及数据区的各数据单元的位置分别以线性或非线性变 形系数相乘，将其恢复成矩阵二维码图形；
20.如上述权利要求1，13，14，15，16所述的加密算法，压缩算法，以及纠错算法，其特 点在于，其加密算法，压缩算法，以及纠错算法可以是公开的算法，并可公开相应的各种参 数，以作为公开的二维码(公码)使用。
21.如上述权利要求1，13，14，15，16所述的加密算法，压缩算法，以及纠错算法，其特 点在于，其加密算法，压缩算法，以及纠错算法可以是非公开的算法，并且其相应的各种参 数不予公开，以作为非公开的二维码(私码)使用。
22.如上述权利要求1，13，14，15，16所述的加密算法，压缩算法，以及纠错算法，其特 点在于，其加密算法，压缩算法，以及纠错算法可以是公开的算法。而其算法所对应的参数，可以是非公开的。通过不公开其算法所对应的参数的方法来实现码字的非公开。如加密方 法是公开的，而使用的加密参数是非公开的，以实现二维码码字的非公开。
23.如上述权利要求1，13，14，22所述的加密算法，其特点在于，其加密算法可以是公 开的，而其加密和解密参数是非公开。该非公开的加密和解密参数，可以是含有解码用的终 端设备的可由程序自动读取的特别序列号的特别参数，如用手机终端解码时，可以是与该 手机终端的手机号码，SIM卡号，或手机本体识别号等相关联的序列数据。如用专用设备解 码时，可以是该专用设备中的可以由程序自动获取的设备序列号等的序列数据，可以指定 只有与指定序列数据相符的设备才能够正确读取该二维码的信息。
全文摘要
本发明公开了一种全新的具有大容量并适合于手机和专用设备使用的二维条码和系统及其编码和解码方法。该大容量二维条码由定位区，定位间隔区，数据区所组成。定位区又由定位虚线外框，定位点，定位信息单位，定时单元所组成。数据区由头文件区和编码信息区所组成。该二维条码中使用了信息压缩，信息编码，以及信息加密技术。该二维条码可控制纠错编码的纠错等级，编码的信息量的大小，以及信息的压缩方法，并可控制信息的加密方法。解码时，可根据该二维码的头文件信息进行动态解码。该二维码具有容量大，可快速定位，全方位读码，并可对信息加密，可指定持有特殊的解密密钥，或指定的解密设备才能对该二维码的信息进行解读的多项特点。
文档编号G06K7/10GK102034127SQ20091019661
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者赵辉 申请人:上海易悠通信息科技有限公司