動態二維碼及其解碼方法
2023-06-04 15:57:36
專利名稱：動態二維碼及其解碼方法
技術領域：
本發明屬於信息安全領域，特別涉及動態二維碼及其解碼方法。
背景技術：
二維碼，又稱靜態二維 條碼，靜態二維條形碼最早發明於日本，它是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面(二維方向上)分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息的，在代碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的比特流的概念，使用若干個與二進位相對應的幾何形體來表示文字數值信息，通過圖象輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理。它具有條碼技術的一些共性每種碼制有其特定的字符集；每個字符佔有一定的寬度；具有一定的校驗功能等。同時還具有對不同行的信息自動識別功能、及處理圖形旋轉變化等特點。多行組成的條形碼，不需要連接一個資料庫，本身可存儲大量數據，應用於醫院、駕駛證、物料管理、貨物運輸，當條形碼受一定破壞時，錯誤糾正能使條形碼能正確解碼二維碼。它是一個多行、連續性、可變長、包含大量數據的符號標識。每個條形碼有3 90行，每一行有一個起始部分、數據部分、終止部分。它的字符集包括所有128個字符，最大數據含量是1850個字符。一維條形碼只是在一個方向(一般是水平方向)表達信息，而在垂直方向則不表達任何信息，其一定的高度通常是為了便於閱讀器的對準。一維條形碼的應用可以提高信息錄入的速度，減少差錯率，但是一維條形碼也存在一些不足之處數據容量較小30個字符左右；只能包含字母和數字；條形碼尺寸相對較大(空間利用率較低)；條形碼遭到損壞後便不能閱讀；在水平和垂直方向的二維空間存儲信息的條形碼，稱為二維條形碼(dimensionalbar code)。從以上的介紹可以看出，與一維條形碼相比二維條形碼有著明顯的優勢，歸納起來主要有以下幾個方面一)數據容量更大；二)超越了字母數字的限制；三)條形碼相對尺寸小；四)具有抗損毀能力；但是，隨著社會的發展，二維條形碼的數據容量仍然滿足不了現在人們的需要。急需解決如何擴大二維條形碼的數據容量這個問題
發明內容
為了克服上述缺陷，本發明提供一種具有大數據容量的二維條形碼及其解碼方法，該條形碼在具有現有的二維條形碼的基礎上，增大了數據容量。為實現上述發明目的，提出該動態二維碼包括至少兩幀二維碼，在單位時間內以一定的幀率連續展示二維碼；其中，每一幀二維碼包括用於探測每一幀二維碼邊界的位置探測像素點和數據區，且組成數據區的顏色數大於等於2 ;所述幀率小於等於一半攝像設備的幀率。更優選地，該動態二維碼還包括用於區分連續的任意兩幀和判斷是否出現拖影現象的幀奇偶校驗像素點。更優選地，還包括用於探測每一幀二維碼的亮度分布的亮度探測區域。更優選地，還包括用於降低動態二維碼信息出錯概率的行/列數據奇偶校驗區 域。更優選地，所述數據區是一個(a+2)*(b+2)的像素矩陣；其中，第一列為顏色模式列，從左到右依次是從0到n所表示的顏色(n為顏色數)，最後一行和最後一列為空白；中間a*b的區域的編碼方式人為定製。更優選地，所述幀率< 10。為實現上述發明目的，本發明還提出一種對動態二維碼解碼方法，其特徵在於，步驟I):對動態二維碼中每一幀二維碼的第二行顏色點進行採樣，並用最近點算法構造顏色映射表；步驟2):將對應幀的數據區的(a+2)*(b+2)個點進行採樣，儲存幀奇偶校驗位、文件開始位及文件結束位，將採樣信息通過所述步驟I)中的顏色映射表映射為二進位數據；把二進位信息存入第一內存緩衝區中；步驟4):將所述步驟2)中的二進位數據進行解碼；其中，若解碼不成功，則獲取動態二維碼完整信息失敗；若解碼成功，則判斷該幀二維碼中文件開始位是否有效，如果無效，則對其他幀二維碼中的開始位是否有效進行判斷直至找到有效的開始位；如果有效，則獲取動態二維碼表示的文件長度L及文件類型信息；步驟5):根據所述步驟4獲取的動態二維碼的文件類型在第二內存緩衝區中建立相同類型的文件F，設置計數器，計數器的取值為t，並判斷當前幀的數據量是否小於等於文件長度L ;若是，則開始讀取數據，直到t = L ;否則，則開始讀取數據，從第一幀開始，對每次進入第二內存緩衝區的前delta = min(L-t,223)字節數據存入文件F中，並使t =t+delta,直至Ij t = L ；步驟6):判斷文件結束位是否有效，如果無效，則獲取動態二維碼完整信息失敗，否則，則成功獲取動態二維碼完整信息。更優選地，所述步驟4)中的解碼算法為RS (255，R)解碼算法，其中，R為表示每一幀表示數據的字節數。更優選地，所述步驟4)探測所述位置探測像素點的方法包括將每一有效幀的某一區域的Y分量最大與Y分量最小按I : 4的比例取平均數為閾值；當採樣點小於或等於閾值時，該採樣點視為有效採樣，並記錄該點的坐標信息，取所有有效採樣點的平均坐標，若在該平均坐標上的Y分量小於閾值，則視為已找到該區域的位置探測像素點；否則，視為未檢測到位置探測像素點。本發明的優點在於，我們可以通過該技術利用可見光傳輸各種類型的數據，如文本、定長文件、流媒體數據等，設備上也只需要可以彩色動態顯示的設備和可以攝像的設備，目前的智慧型手機、平板電腦、電紙書等設備已遍及千家萬戶。由於不需要其他新型設備，作為一個嶄新的技術，它可以應用的領域是十分廣泛的。首先，普通二維碼的用途動態二維碼都可以實現，如商品標識和商品描述。由於動態二維碼的特點，它更適合虛擬商品和數碼商品。動態二維碼最基礎的用途便是數據傳輸。我們可以在任何擁有顯示器的設備和任何擁有攝像功能的設備之間傳遞輕量級數據，傳輸速率也比較可觀。在此基礎上，動態二維 碼可以擁有許多的應用。該技術可以用於廣告。在電視、電影、網頁等媒體中的廣告中，可能需要包含一些難以通過視頻展示的信息，或者一些需要用戶儲存的信息，如商品圖片、介紹、商品說明書、地點、甚至商品本身等。我們可以通過將表示這些信息的動態二維碼嵌入到廣告的一個角落中循環播放。用戶只需要一個可拍攝的設備，如安卓手機，即可將這些信息儲存在設備中方便查閱。這在廣告中用處很大，通過增大廣告的信息量，並且用戶可以儲存信息，可以讓廣告起到更好的「廣而告之」的作用。普通二維碼由於數據量較小，甚至連一張完整的圖片都無法表示，所以幾乎無法實現該應用。該技術也可以在大量的公共場所得以應用。比如說，我們可以在博物館、運動場等公共場所通過動態二維碼向人們傳遞物品的介紹、圖片、價格等信息，方便人們獲取並儲存這些信息。也可以在公共運輸樞紐通過動態二維碼向路人傳遞地圖、公交信息等數據，讓人們更為方便的獲取、檢索並儲存位置信息；還可以在教學、演講時通過動態二維碼向觀眾傳遞課件、論文等資料，起到一定的互動作用。還有，該技術可以用來安全的傳遞數據。LIFI技術的本意便是數據安全，因為它是通過可見光進行傳遞的。動態二維碼技術本質上屬於廣義上的LIFI技術，所以它十分安全如果你看不到它，你便無法知道它表示的數據。另外，其編解碼方式都是人為定義的，所以我們可以通過改變顏色、跳過指定的幀或像素點等方式來實現數據的混淆。
圖I為動態二維碼中每一幀二維碼的組成結構示意圖；圖2為動態二維碼中一幀二維碼的示意圖；圖3為一種對所述的動態二維碼解碼方法流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
，對本發明的技術方案進行進一步詳細的說明。首先，定義以下「深色」和「淺色」，「深淺」決定於背景。不同於背景顏色均統稱為「深色」;相似於背景顏色統稱為「淺色」。通過對普通二維碼進行「多色化」及「動態化」處理，設計一種動態二維碼，使其可以在目前已逐漸普及的彩色顯示設備和彩色攝像設備的幫助下，傳遞數據量更大的信息，如普通文件等；也可以傳遞流媒體，如音樂等。
多色化指構成二維碼的顏色數大於或等於2，這樣的二維碼稱為多色二維碼。普通二維碼的顏色數只有深淺兩種，雖然可以通過更改深淺兩色的具體顏色來表示一個可見的圖案，但是其單個數據單位的信息量依然為I位。通過使單個數據單位的顏色增大到n種不同的顏色，每個顏色對應著
中的一個數字，可以使單個數據單位的信息量增大到fl00r(l0g2n位。顏色的選取與識別率關係很大。首先，其不能對亮度敏感，因為其可在不同的亮度環境中使用。所以在定義顏色的不同時，應對其亮度分量進行忽略。其次，各個顏色之間應儘可能有明顯的區別。考慮到目前的電子攝像設備大多採用YUV格式的顏色空間，所以應忽略其Y (亮度)分量(可以使用一個合適的固定的Y分量)，並使用明顯不同的UV (藍色及紅色)分量。動態化指二維碼在單位時間內以一定的幀率連續展示多張多色二維碼，這樣的 二維碼稱為動態二維碼。幀率與拍攝質量相關。一般來講，幀率需要最多小於等於攝像的幀率的一半，因為可能會出現拍攝的每一幀均穿過了動態二維碼的連續兩幀的情況。同時，由於光線原因，可能會出現拖影的現象，所以動態二維碼的幀率不應過高，一般為10以下。為了區分不同的幀，我們用一個特定的像素點來表示幀的奇偶。如圖I所示，圖I為動態二維碼中每一幀二維碼的組成結構示意圖。對於淺色背景的動態二維碼，其每一幀的組成為位置探測像素I是一個深色的像素點。通過四個位置探測像素的中心點，便可以較為精確的知道該幀的具體位置。亮度探測區域2是橫豎兩排純白色的像素點。通過探測它們的亮度差異便可知道該幀的亮度分布，進而便可以對數據區的圖像信息進行調整，以克服深色條紋所帶來的錯誤。在顯示效果較好時，該區域可以忽略。行/列數據奇偶校驗區域3是橫豎兩排深淺二色的像素點。每一個像素代表該行/列的所有像素所代表的值的和的奇偶。該值為黑白兩色並且在二維碼的邊緣，出錯的概率很小。所以通過該像素可以以較大的概率確定該行/列是否有錯誤。通過一個行數據奇偶校驗像素和一個列數據奇偶校驗像素，便可以較大的概率確定在該行和該列的像素點是否出現錯誤。在引入糾錯算法後，該區域用處不大，可以忽略。數據區4表示要傳遞的數據，是一個(a+2)*(b+2)的像素矩陣，其中最後一行、第一列、最後一列為空白以提高位置探測像素的識別準確率，第一列為顏色模式列，從左到右依次是從0到n所表示的顏色(n為顏色數)。中間a*b的區域的編碼方式可以人為定製，如在傳遞定長文件時，可採用以下編碼方法首先要求a*b能夠被256整除。我們在文件具體內容之前插入一個長度為8位元組的數據，前四字節表示文件長度，後四字節表示文件類型。隨後，將這8位元組與文件具體內容分為長度為223位元組的多部分，每部分編碼使其具有255位元組中任意16位元組的糾錯能力。在其末尾加上一個值為0的字節，然後，將這256位元組組合起來，將其轉換為n進位串，通過數字-顏色的映射表，將其轉換為動態二維碼的顏色數據，並順序填充到數據區中。若一幀被填充完畢，則繼續進行下一幀的編碼。通過兩個特定位置的像素表示文件開始及文件結束。若文件剛剛開始，則文件開始像素為深色，否則為淺色；若文件傳遞結束，則文件結束像素為深色，否則為淺色。文件傳遞結束後，繼續在下一幀從頭進行文件的傳遞，以此循環往復。幀奇偶校驗像素5是一個深淺二色的像素點。若該幀為奇數幀則為深色，否則則為淺色，反之亦可。幀像素分布於左上角和右下角，通過判斷它們是否相同，便可確定是否出現拖影。幀奇偶校驗像素與位置探測像素不相連，可以提高位置探測像素的識別準確率。該動態二維碼包括至少兩幀靜態二維碼，在單位時間內以一定的幀率連續展示靜態二維碼；其中，每一幀二維碼包括用於探測每一幀二維碼中心點的位置探測像素點和數據區，且顏色數大於等於2 ;所述頻率小於等於一半攝像設備的幀率。如圖2所示，圖2為動態二維碼中一幀二維碼的示意圖。當前的規格有如下幾種其中c為顏色數，a為行數，b為列數。當然，規格可以因軟硬體的發展而變化。I) :c = 2，a = 32，b = 32，幀率=6幀/秒。傳輸速率為0. 75KB/s。可在不支 持彩色的顯示設備和攝像設備上實現編解碼；2) :c = 4，a = 32，b = 32，幀率=6幀/秒。傳輸速率為I. 5KB/s。可在幾乎任何可以攝像的設備上實現解碼；3) :c = 4，a = 32，b = 32，幀率=10幀/秒。傳輸速率為2. 5KB/s。同上，在光線較好時可以採用；4) c = 4, a = 64, b = 64,巾貞率=6巾貞/秒。傳輸速率為6KB/s。可在支持720p解析度攝像的設備上實現解碼；5) c = 4, a = 64，b = 64，幀率=10幀/秒。傳輸速率為10KB/s。同上，在光線較好時可以採用；6) :c = 4，a = 96，b = 96，幀率=6幀/秒。傳輸速率為13. 5KB/s。可在支持IOSOp解析度攝像的設備上實現解碼；7) :c = 4，a = 96，b = 96，幀率=10幀/秒。傳輸速率為22. 5KB/s。同上，在光線較好時可以採用。其他動態二維碼的屬性類似於普通二維碼。本發明還提出一種對所述的動態二維碼解碼方法，如圖3所示。步驟I):對動態二維碼中每一幀二維碼的第二行顏色點進行採樣，並用最近點算法構造顏色映射表；步驟2):將對應幀的數據區的(a+2)*(b+2)個點進行採樣，儲存幀奇偶校驗位、文件開始位及文件結束位，將採樣信息通過所述步驟I)中的顏色映射表映射為二進位數據；把二進位信息存入第一內存緩衝區中；步驟4):將所述步驟2)中的二進位數據進行解碼；其中，若解碼不成功，則獲取動態二維碼完整信息失敗；若解碼成功，則判斷該幀二維碼中文件開始位是否有效，如果無效，則對其他幀二維碼中的開始位是否有效進行判斷直至找到有效的開始位；如果有效，則獲取動態二維碼表示的文件長度L及文件類型信息；步驟5):根據所述步驟4獲取的動態二維碼的文件類型在第二內存緩衝區中建立相同類型的文件F，設置計數器，計數器的取值為t，並判斷當前幀的數據量是否小於等於文件長度L ;若是，則開始讀取數據，直到t = L ;否則，則開始讀取數據，從第一幀開始，對每次進入第二內存緩衝區的前delta = min(L-t,223)字節數據存入文件F中，並使t =t+delta,直至Ij t = L ；步驟6):判斷文件結束位是否有效，如果無效，則獲取動態二維碼完整信息失敗，否則，則成功獲取動態二維碼完整信息。在步驟4中解碼方法可以採用解碼算法現有的技術。但是建議優選RS解碼算法。因為該算法在本技術方案中應用起來比其他算法要簡便，不易出錯。任何一個可以支持數字攝像的設備都可以進行圖像處理的處理進而實現解碼。以下以最為普遍使用的Android設備為例。從手機攝像頭傳來的原始緩衝區數據為YUV格式的圖像數據。我們首先定義如下情況的處理I、未檢測到位置探測像素；2、文件未開始並未檢測到該幀的文件開始位為深色；3、該幀的幀奇偶校驗位與上一幀的奇偶校驗位相同；4、該幀的數據經RS解碼算法無法解碼；5、該幀的文件結束位為深色。若出現情況I或情況4並正在進行傳輸，則停止傳輸，傳輸失敗；出現情況2或情況3則該幀為無效幀，否則為有效幀；出現情況5則繼續處理圖像並提示傳輸成功。我們再定義圖像採樣方式。由於原始數據中存在噪點，所以我們需要為採樣進行濾波。我們通過鄰域先中值再均值的濾波方法，取像素及其周圍8個像素去掉亮度最高及亮度最低的像素後，取平均值作為該像素的採樣值。對於每一有效幀，在左上、右上、右下、左下四個區域搜尋位置探測像素點1，方法是分別將指定區域的最亮像素(Y分量最大)與最暗像素(Y分量最小)按I : 4的比例取平均數為閾值，對區域內的所有點進行採樣得到的亮度值(Y分量值)小於或等於該值的採樣視為有效採樣並記錄它的坐標。最後取所有有效採樣的平均坐標，若在該坐標上的採樣亮度小於閾值則視為已找到該區域的位置探測像素，否則視為未檢測到位置探測像素。接下來是構造網格。默認顯示設備為平面。通過四個頂點構造四條邊，將兩組對邊平均分為a+3和b+3份用點分隔開。加上四個頂點，連接相對的對應點構成一個網絡，其所有交點即為動態二維碼中的所有像素點所在位置。若為第一次處理，則對第二行的顏色點進行採樣並用最近點算法構造顏色映射表；對中間數據區的(a+2)*(b+2)個點進行採樣，儲存幀奇偶校驗位、文件開始位及文件結束位，並對其中的a*b個數據點通過顏色映射表映射為二進位數據，存入第一內存緩衝區。一個靜態二維碼所能表示的最大數據為256位元組的倍數，每一部分為256位元組，為了保證信息的正確率，這256個字節中還有一些糾錯校驗位。比如256位元組中取223位元組為數據位，其餘32位元組為糾錯校驗位。對於每次進入緩衝區的一幀二維碼進行RS(255，R)解碼。其中，R表示每一幀表示數據的字節數，取R= 223。若解碼成功，則取它所表示的223位元組數據加入第二內存緩衝區中，若該幀的開始位為有效位，則獲取該動態二維碼所表示的文件的長度L及文件類型T，並判斷當前幀的數據量是否小於等於文件長度L，若是，則在存儲器(如SD卡)中建立T類型的文件F，開始讀取數據。因為第一幀的數據量已經表達出了文件信息，前面已經提到了動態二維碼包括至少2幀的靜態二維碼，那麼第二幀的靜態二維碼的數據區4表示的信息為無效的信息。若當前幀的數據量大於文件長度L，則在存儲器(如SD卡)中建立T類型的文件F，開始讀取數據，並設置一個計數器，計數器的取值為t，表示已處理的數據長度，起初為零。從該幀開始，對每次進入第二內存緩衝區的前、delta = min(L-t,223)字節數據存入文件F中，並使t = t+delta,直到計數器中的值等於文件長度L為止。若此時的幀為文件結束幀，則接收成功；否則接收失敗。最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵 蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.動態二維碼，其特徵在於，該動態二維碼包括至少兩幀二維碼，在單位時間內以一定的幀率連續展示二維碼；其中，每一幀二維碼包括用於探測每一幀二維碼邊界的位置探測像素點(I)和數據區(4)，且組成數據區的顏色數大於等於2;所述幀率小於等於一半攝像設備的幀率。
2.根據權利要求I所述的動態二維碼，其特徵在於，該動態二維碼還包括用於區分連續的任意兩幀和判斷是否出現拖影現象的幀奇偶校驗像素點(5)。
3.根據權利要求I或2所述的動態二維碼，其特徵在於，還包括用於探測每一幀二維碼的亮度分布的亮度探測區域(2)。
4.根據權利要求I或2所述的動態二維碼，其特徵在於，還包括用於降低動態二維碼信息出錯概率的行/列數據奇偶校驗區域(3)。
5.根據權利要求I或2所述的動態二維碼，其特徵在於，所述數據區(4)是一個(a+2)*(b+2)的像素矩陣；其中，第一列為顏色模式列，從左到右依次是從O到n所表示的顏色，最後一行和最後一列為空白；中間a*b的區域的編碼方式人為定製；n為顏色數。
6.根據權利要求I或2所述的動態二維碼，其特徵在於，所述幀率<10。
7.一種對權利要求I所述的動態二維碼解碼方法，其特徵在於， 步驟I):對動態二維碼中每一幀二維碼的第二行顏色點進行採樣，並用最近點算法構造顏色映射表； 步驟2):將對應幀的數據區的(a+2)*(b+2)個點進行採樣，儲存幀奇偶校驗位、文件開始位及文件結束位，將採樣信息通過所述步驟I)中的顏色映射表映射為二進位數據；把二進位信息存入第一內存緩衝區中； 步驟3):將所述步驟2)中的二進位數據進行解碼；其中， 若解碼不成功，則獲取動態二維碼完整信息失敗； 若解碼成功，則判斷該幀二維碼中文件開始位是否有效，如果無效，則對其他幀二維碼中的開始位是否有效進行判斷直至找到有效的開始位；如果有效，則獲取動態二維碼表示的文件長度L及文件類型信息； 步驟4):根據所述步驟3)獲取的動態二維碼的文件類型在第二內存緩衝區中建立相同類型的文件F，設置計數器，計數器的取值為t，並判斷當前幀的數據量是否小於等於文件長度L ;若是，則開始讀取數據，直到t=L ;否則，則開始讀取數據，從第一幀開始，對每次進入第二內存緩衝區的前delta=min(L-t, 223)字節數據存入文件F中，並使t=t+delta,直到 t=L ； 步驟5):判斷文件結束位是否有效，如果無效，則獲取動態二維碼完整信息失敗，否貝U，則成功獲取動態二維碼完整信息。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述步驟4)中的解碼算法為RS解碼算法。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述步驟4)探測所述位置探測像素點(I)的方法包括 將每一有效幀的某一區域的Y分量最大與Y分量最小按I : 4的比例取平均數為閾值；當採樣點小於或等於閾值時，該採樣點視為有效採樣，並記錄該點的坐標信息，取所有有效採樣點的平均坐標，若在該平均坐標上的Y分量小於閾值，則視為已找到該區域的位置探測像素點(I);否則，視為未檢測 到位置探測像素點(I)。
全文摘要
本發明公開了動態二維碼，其特徵在於，該動態二維碼包括至少兩幀二維碼，在單位時間內以一定的幀率連續展示二維碼；其中，每一幀二維碼包括用於探測每一幀二維碼邊界的位置探測像素點(1)和數據區(4)，且組成數據區的顏色數大於等於2；所述幀率小於等於一半攝像設備的幀率。另外，該動態二維碼還包括用於區分連續的任意兩幀和判斷是否出現拖影現象的幀奇偶校驗像素點(5)、用於探測每一幀二維碼的亮度分布的亮度探測區域(2)和用於降低動態二維碼信息出錯概率的行/列數據奇偶校驗區域(3)。
文檔編號G06K7/10GK102750564SQ201210149439
公開日2012年10月24日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者王安然 申請人:牛建偉, 王安然