一种创新型五色彩码的设计与实现

付金莹 戴治城

【摘要】 本文首先介绍了彩色三维码以及目前国内外研究现状，然后提出了一种创新型五色三维码的概念，并详细说明了该彩码的编码设计、定位与识别技术，最后简单介绍了该彩码的应用情况及后续进一步扩展的应用优势。

【关键词】 条码 三维码 彩色 编码 识别 解析算法

一、引言

条形码已经越来越多的出现在我们的生活中，如商品包装、供应商的选择、生产经营管理等；随着智能手机的大众化普及，二维码也应用推广开来：网上购物、消费打折、付款、资讯阅读、电子票务、订餐、公交等。那么进一步随之而来的自然是三维码的问世与广泛应用。

彩色三维码，全称：彩色图像三维矩阵，又称彩码。多维彩码是在条形码和二维码基础之上衍生出来的一种新型识别码，简单来讲就是在原来二维空间维度上，加上了颜色维度。彩码技术不同于传统条码技术，它并非将所有信息编入条码中，它只需要存储一些类似于指针的信息，比如网页链接、服务器地址等。彩码本身不是信息携带型码，它提供的是后台内容的快速指向和数据双向管理。

与传统二维条码相比，三维码具有更大的信息容量、相同的识别便易性和较好的安全性。三维码的出现是图像识别以及信息时代的需求共同催生的产物。三维图像码的可设计特性决定其相对于传统二维码或条码具有更广阔的市场环境，可以说三维图像码是对传统二维码或一维条码的颜色革命。

二、彩码介绍及研究现状

彩码是为解决目前二维码的技术和应用瓶颈，而发展起来的新型条码技术。彩码不仅能够保持二维码的固有特性，同时能够延展其服务外延，同时能够降低对读识设备的要求，即便支持普通摄像功能的中低端手机都能主动识别，为该项技术的广泛应用提供保证。由于采用了有别于传统二维码的识别技术，彩码具有较高的容错能力，并允许图形有一定的歧變，同时在颜色选取上也有较大的范围。

彩色三维码的特点是：

1、安全系数高：闭源技术仿制破解可能极低，保密性、防伪性好。

2、应用率高：适应各类行业，易操作简易，可更新发布，可循环回收利用。

3、品牌契合度高：可结合品牌专属设计，可申请专属编码与链接保护。

4、信息容量大：不同于传统码制内嵌式信息，以提供URL内容转链接扩展信息内容，信息无限扩展。

5、编码范围广：彩色码可以表示各种多媒体形态信息，如图片、声音、视频、文字、文件等。

6、容错能力强：彩色码因污染、扭曲、损化等引起局部损坏时，仍然可以正确得到识读，损毁面积达50%以上仍可恢复信息。

目前在国外，尤其是日本、韩国，彩色三维码应用范围极其广泛，在商品溯源防伪、品牌衍生营销、品牌传播推广、综合信息服务、公共信息服务、会务展览服务、广告传媒服务、商品电子标识、医疗服务管理、企业商务管理、社区互动服务等各个方面。彩码颜色方面也由目前的4色，增加到8色、16色、256色等一些列相关研究课题，相关的三维码产品也比较成熟，如ColorZip推广的“彩色条码”，以及美国微软开发的“HCCB”等。我国目前尚在二维码识别使用的初级普及阶段，技术模式相应比较落后。市面上大部分都是使用条形码和部分二维码，仅有一家公司拥有彩码专利。在彩色三维码的应用方面非常少，只有很少的用户群体。

三、五色彩码的设计

本文提出一种创新型的五色三维码，研究的是该五色彩码的生成与应用。五色彩码是采用蓝、黑、红、绿、白五色生成的三维码，采用5*5的彩色矩阵块表示。五色彩码主要是利用计算机设计生成，从结构上来看分为彩码生成和彩码识别两大模块。彩码生成部分是输入文本信息、对该文本进行编码、生成彩码图片、保存彩码编码数据库。彩码识别模块主要包括用手机终端app扫描生成的彩码图片、自动解码并通过查询数据库还原初始文本信息。总体架构如图1所示：

每个彩码对应唯一的索引码，索引码采用ASCII码编制，ASCII共128个，每个ASCII码占用7 bits的空间，所以一个索引码占用了7*5=35 bits，再在最后补一个0凑成偶数，则一个索引码占用了18个彩色格子。索引码占用的18个格子如图2的方向箭头所示。剩下7个格子用于存储版本信息、和定位标识，如图中打圈（0）处。

彩码为5*5的彩色矩阵，共有25个小格子，格子矩阵构造所选用的颜色为：蓝、黑、白、红、绿 5种。其中蓝色用于定位功能，其余四色用来填充生成不同彩码。除去定位格，每个颜色格子可表示2 bits的数据，黑红绿白四色分别对应00、01、10、11颜色编码。经过这种编码方式，设计出来的彩码样例如图3所示。

四、五色彩码的定位与识别技术

彩码识别技术是彩码系统系能的关键因素，因此彩码设计中关键的一点就是要求设计出的彩码易于识别、识别算法稳定可靠。彩码的识别取决于编码方式的设计，不同的设计方式解码的原理也不一样。三维彩码的编码方式具有独立性，这也是其具有高安全性的一个原因。彩码的识别也需要开发专门的识别软件。使用时一般是利用手机客户端安装解码app，通过手机摄像头扫描彩码，程序自动解析出原有的编码信息。

除了编码，彩码最关键技术的是定位与识别技术。本文中五色彩码采用蓝色定位，蓝色格子位于彩色矩阵的左上、左下、右上三个固定区域，如图3所示。所以只要找到三个蓝色格子就可以定位一个彩码，这样大大降低了定位难度，也体现了我们设计的优势。

彩码识别的过程就是解析彩色矩阵，还原彩码原来的编码信息。具体的实现步骤是：

1、手机摄像头扫描彩码图片；

2、首先遍历图像像素，找到蓝色定位标识，确定彩码区域及旋转角度；

3、对扫描所得图像旋转至水平位置；

4、计算每个颜色格子的区域；

5、扫描确定每个格子的颜色，并将颜色存储在临时空间；

6、遍历结束，依据编码规则还原得到彩码对应的初始编码；

7、连接到服务器，服务器根据该编码返回关联的信息。

其中通过遍历得到的定位标识是蓝色像素集合，未经分类，无法获知其具体是对应到三个定位位置中的哪一个。所以在对图像进行定位前，需要对蓝色像素进行分类。分类可采用邻域距离比较法。

邻域距离比较法的思想是：给定一个距离阈值d，当两个蓝色像素的距离小于d时，认为这两个蓝色像素位于同一个定位位置中，否则不在同一个位置。

邻域距离比较法的具体步骤如下：

（1）给定一个距离阈值d，d要求滿足以下条件：位于同一个位置探测图形方格之中

的任意两个像素之间的距离小于d，位于不同位置探测图形方格中的任意两个像素之间的距离大于d；

（2）在遍历过程中，遇到第一个蓝色像素时，新建第一个位置类别，将第一个蓝色像素归入其中，且此像素作为第一个位置类别的基准像素；

（3）继续遍历，对于后面第n个蓝色像素和第i（1≤i≤3）个位置类别，进行如下操作：

①计算第n个蓝色像素距离第i个位置类别基准像素的距离dn；

②若dn小于d，则认为同属于第i个位置类别；若dn大于d，则新建第i+1个位置类别，并把此像素作为第i+1个位置类别的基准像素；

③重复上面的两个步骤，直到遍历所有的像素；

（4）遍历完成后，应该得到三个定位位置；如果得到的不是三个，则重新定位。

五、应用与小结

本文提出一种由蓝、黑、红、绿、白五色彩码的生成与解码技术，并开发实现了该系统，在服务器端开发了一个系统，能够生成、存储、管理彩色三维码，手机端开发了一个针对该三维码的一个识别应用软件APP。本文设计开发的五色三维码在中心设备资产管理方面有较好的应用效果。

基于这种技术实现的彩码简单高效、成本低，识别率高、信息容量大，较易操作、拥有更好地用户体验，可推广至电子商务、物联网、物流管理等领域，具有广泛的应用前景。

参 考 文 献

[1]刘宁钟.杨静宇 三维条码的编码理论和设计[J].计算机学报.2007年4期

[2] Okol·nishnikova L V.Polynomial algorithm for recognition of bar codes. Pattern Recognition and Image Analysis，2001，11（2）：361-364.

[3]黄乃映.詹宜巨 彩色三维PDF417条码的设计 自动化与信息工程2011，32（3）.