二维码标准与检测质量的研究

严　风（福建省标准化研究院，福建 福州 350013）



二维码标准与检测质量的研究

严风
（福建省标准化研究院，福建 福州 350013）

摘要：二维码质量是二维码技术应用的关键因素，针对我国对二维码标准和质量研究的成熟度远远低于一维码的现状，文中对二维码标准和主要质量指标“符号等级”进行深入研究，探讨层排式和矩阵式二维条码符号的符号等级与印刷质量评判以及相关参数指标对符号等级的影响，旨在提高二维码印制质量，促进二维码技术推广应用。

关键词：二维码；标准；质量；符号等级

当前，云计算、大数据、电子商务、物联网、移动互联网等新一代信息技术迅猛发展，二维码技术更加广泛应用于生产流通、交通物流、质量追踪、电子商务等领域，我们身边也随时随处遇见二维码技术应用，如互联网支付、手机微信、书报票据等等。二维码的标准和质量是扫码知世界的关键，然而，我国对二维码标准和质量研究的成熟度远远低于一维条码。文中就二维码的起源、标准及质量指标等方面进行探究。

1　二维条码概述

商品条码是一种国际通用的一维条码，1973年，美国IBM公司的UPC条码被率先选作零售结算使用的条码，时至今日，商品条码在零售超市、生产、物流、质量追踪等领域获得广泛应用并取得巨大成功。受制于信息容量限制，一维条码只能应用数字或字母的编码形式对“物品”进行标识，同时还必须依靠数据库的支持，才能实现快速高效的自动识别与信息检索。基于此因，研究人员将信息标识扩展到二维，在一维条码基础上衍生出二维码。起初，将若干个裁短的一维条码沿高度方向叠加形成层排式二维条码，其后，通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码形成矩阵式二维码。国家标准GB12095对条码是这样定义的：由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标记，用以表示一定的信息。其中，只在一维方向上表示信息的条码符号称一维条码，在二维方向上表示信息的条码符号称二维条码。[1]

1987年David Allals博士提出Code 49开创了二维条码研究先河，1989年美国国际资料公司发明DataMatrix，广泛用于商品的防伪、统筹标识，1990年美国SYMBOL公司设计出PDF417，PDF是英文“Portable Data File”的缩写，寓意此码是一个便携式数据文件，现已广泛地应用在国防、公共安全、金融、海关及政府管理等领域，1994年日本Denso公司研制QR码，QR是英文 “Quick Response” 的缩写，寓意此码是一种快速响应码，手机微信中二维码名片就是采用QR码，2005年我国研发并隆重推出我国首个完全自主知识产权的二维条码码制——汉信码，支持GB18030的全部中文汉字，具有汉字表达能力最高、信息容量大、纠错能力强等特点，综合技术性能达到国际先进水平，汉信码在我国增值税防伪税控发票上应用，通过与GPS结合，可以及时定位发票，确定发票来源，防止发票造假。

在二维码应用端，二维码技术将数字、文字以及图像等信息转化成几何图形，通过使用扫描设备识读二维码符号，并运用恰当的译码算法进行解析，最后实现原始数据的还原，实际上，二维码技术就是一种信息存储、传递和识别技术。

二维条码比一维条码表达更多信息，信息更加可靠，并增设检错与纠错功能，国际标准将二维码分成两类，即层排式二维条码和矩阵式二维条码。

层排式二维码是由多行短小的一维条码堆叠而成，随着行数的增加，增加了行的判定，其译码算法与一维码有所不同，在编码设计、校验、识读等方面与一维码是兼容的，可以采用一维码的识读设备与条码印刷技术。代表性的层排式二维码有CODE49（图1）、CODE16K、PDF417（图2）等。

图1　层排式二维码CODE49

图2　层排式二维码 PDF417

矩阵式二维码，是通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵元素位置上，用圆点或其他形状表示“1”，用空白表示“0”，以二者的排列组合来确定二维码所代表的含义。矩阵式二维码采用了计算机图像处理技术与组合编码原理，是一种在二维空间上表达信息的图形符号，能够实现自动识读与处理。代表性的矩阵式二维码有汉信码（图3）、 CodeOne、DataMatrix（图4）、MaxiCode、QRCode（图5）等。

图3　矩阵式二维码 汉信码

图4　矩阵式二维码Data Matrix

图5　矩阵式二维码QR Code

2　二维条码国内外标准发展状况

二维条码作为一种信息存储、传递和识别技术在开放环境中应用，因此，二维码设备制造商、二维码制作者和使用者必须需要标准来共同遵守。[2]

国际自动识别制造商协会(AIM)积极致力于二维码标准的制修订，1997年，AIM ITS 97/001 Automamtic Identification Manufacturers标准颁布，为世界各国提供一个二维码码制规范，紧随其后国际标准化组织也颁发了一些常用的二维码标准如PDF417、DataMatrix、QR码等码制规范，即：ISO/IEC 16022—2006Information technology—Automatic identification and data capture techniques—Data Matrix bar code symbology specification，ISO/IEC18004-2006 QRCode等等。

美国是率先研发一维和二维条码并获得卓越成效的国家，日本研发的QR码已经成为国际标准在全球广为应用，各国制定QR码标准紧锣密鼓：1999年1月，日本颁发JIS-X0510；2000年12月，中国颁布GB/T 18284-2000标准；2002年，韩国颁布KSX ISO/IEC18004标准；2003年12，越南和新加坡分别颁布标准TCVN7322和SS543，正是基于标准先行，QR码已经在全球风行，并广泛应用于制造业、物流与媒体等领域，我们日常生活离不开微信，微信中“我的二维码”就是一种QR码。

我国对二维码的研究始于上世纪90年代，1995年第一本专著《二维条码》出版，1997年第一份国家标准GB/T 17172 四一七条码颁布，2000年再次颁布国家标准GB/T 18284快速响应矩阵码，从而解决了我国二维码推广应用中存在的无标准可依的问题。虽然，我国二维码研究起步晚，但近几年也取得长足进步。2003年，国家重大科技项目《二维条码新码制开发与关键技术标准研究》启动，研究成果是发布我国第一个明确核心知识产权免费的自主知识产权二维码码制——汉信码；2007年颁布其国家标准GB/T 21049；2011年颁布其国际自动识别制造商协会标准；2015年汉信码国际标准制订获得立项。目前，汉信码以其独特的优势在医疗、证照管理、食品追溯等领域获得规模化应用。

3　二维码符号检测指标探究

二维码符号印制质量检验的国际标准是ISO/IEC 15415 Information technology—Automatic identification and data capture techniques—Bar code symbol print quality test specifica，为二维条码符号印制者和应用者提供一个质量评估的通用的标准化的手段。2009年，我国在修改采用ISO/IEC 15415基础上颁布了国家标准GB/T 23704-2009 《信息技术 自动识别与数据采集技术 二维条码符号印制质量的检验》，两份标准均以“符号等级”作为主要质量指标对二维码印制质量进行符合性评判。

GB/T 23704规定了层排式和矩阵式二维条码符号的检测、分级以及符号整体质量评价的方法。无论是层排式二维条码，还是矩阵式二维条码，最终均以“符号等级”来评价二维码符号印制质量。其表达形式：等级/孔径/测量光波长/角度。如：3.0/5/660/30表示此二维条码符号的符号等级为3.0级，使用检测仪的检测孔径为0.125mm（孔径标号05），测量光波长为660nm，入射角为30°。

那么，符号等级如何评判一维和二维条码质量？如何分析层排式和矩阵式二维条码“符号等级”？笔者研究如下：

3.1符号等级评判一维和二维条码质量异同点

ISO标准与国家标准均以“符号等级”作为主要质量指标对一维和二维条印制质量的判定和过程控制，虽然评判项目名称相同，但其内涵有所异：

（1）检测方法区别

一维条码：对条码符号扫描测量反射率，作出一条沿着扫描路径，反射率信号随线性距离变化的关系曲线，即扫描反射率曲线（如图6所示），通过分析该曲线确定条码印制各个参数值，进而得出符号等级；

二维条码：同样是基于符号反射率的测量，但以光敏阵列每个像素对应的实际反射率值组合起来的图像，即原始图像（如图7所示），对原始图像进行卷积运算获得参考灰度图像，分析参考灰度图像（图8）获得符号反差、调制比和固有图形污损等参数等级，以整体阈值将参考灰度图像转化二值化图像（图9），分析二值化图像获得参考译码等级和二维码特有的参数：轴向不一致性、网格不一致性、未使用的纠错等等级，综合所有参数等级确定二维码符号等级。

图6　扫描反射率曲线

图7　原始图像

图8　参考灰度图像

图9　二值化图像

（2）表达形式不同

一维条码符号等级表达形式：等级/孔径/测量光波长，二维条码符号等级表达形式：等级/孔径/测量光波长/角度，二维条码表达增加了测量光的入射角，以不同的入射角检测同一个二维码符号，其符号等级不同。

（3）内涵不同

一维和二维条码符号的“符号等级”指标所表征的内涵有所不同，如表1所示，逐行扫描的层排式二维码与一维条码其符号等级所表征的参数项目完全相同，允许跨行扫描的层排式二维码增加了三项二维码特有的参数指标，如码字读出率、未使用的纠错、码字的印制质量，矩阵式二维条码其符号等级所表征的参数指标增加了固有图形的污损、轴向不一致性、网格不一致性三项指标，同时，减少了最低反射率、最小边缘反差、缺陷度、可译码度等参数指标。

表1　一维和二维条码符号的“符号等级”指标所表征的内涵

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3.2层排式二维码的“符号等级”

层排式二维码符号的检测，需要逐行扫描二维码符号，并依据GB/T 14258标准确定二维码符号等级。允许跨行扫描的二维码符号，需检测出基于扫描反射率曲线分析、码字读出率、未使用的纠错、码字的印制质量等各参数指标等级，然后依据各个参数等级确定单次扫描等级，进而对多次扫描的等级进行平均得出该二维码的“符号等级”。

由此可见，允许跨行扫描层排式二维码的“符号等级”由基于扫描反射率曲线分析、码字读出率、未使用的纠错、码字的印制质量等各参数等级所决定。

（1）基于扫描反射率曲线分析的等级

该指标是用于判断二维码的起始符、终止符或等效图案质量的参数指标。

依据GB/T 14258，采用条码符号印制质量的检测方法扫描二维码的起始符、终止符或等效图案，分析扫描所得的扫描反射率曲线，由最低反射率、最小边缘反差、符号反差、调制比、缺陷度、可译码度等参数等级的最低值确定基于扫描反射率曲线分析的等级。

（2）码字读出率的等级

该指标是用于判断层排式二维码在符号高度方向上印刷质量的参数指标。

所谓的码字读出率（CY)是指有效译码的码字数目占应能够译码的码字最大数目的百分比，用以衡量一维扫描从层排式二维条码中读取数据的能力，表2给出了码字读出率的分级方法。

如果二维码其他参数等级都符合标准，仅仅码字读出率等级偏低，说明二维码在符号高度方向上印刷质量存在问题。

（3）未使用的纠错的等级

持续扫描二维码符号，当译码的码字数目趋于稳定时，未使用的纠错计算公式如下：UEC=1–（e + 2t）/Ecap

式中：

e——拒读错误数；

t——替代错误数；

Ecap——符号的纠错容量。

表2给出未使用纠错的的分级方法。

表2　码字读出率和未使用纠错分级方法

（4）码字的印制质量的等级

该指标是用于判断二维码码字质量的参数指标。

基于GB/T 14258中的扫描反射率曲线进行参数分级，但参数分级与一维条码有所不同，二维码码字的印制质量的等级考虑了纠错对符号的可译码度、缺陷度、调制比的修正，最后得到的等级能够体现二维码特性，即码字和模块质量对识读性能的影响受到符号纠错能力和识读器对符号固有图形模块错误容忍的制约。

（5）符号等级

“符号等级”为扫描反射率曲线等级、码字读出率等级、未使用的纠错等级以及码字印刷质量等级的最低值。符号等级评定流程见图10。

图10　符号等级评定流程图

3.3 矩阵式二维条码的“符号等级”

矩阵式二维条码的质量评价指标有：符号等级、附加的分级参数和印刷增量，其中，符号等级取之于参考译码、符号反差、调制比、固有图形的污损、轴向不一致性、网格不一致性、未使用的纠错等参数等级的最低值。

（1）参考译码等级

该指标用于评价二维码符号是否能正确识读，如果参考译码算法不能对二维码符号图形正确译码，参考译码等级为0，反之为4。

（2）符号反差

该指标用于评价二维条码符号中深浅两种反射状态的差异是否足够明显。符号反差为参考灰度等级图像中最高反射率和最低反射率值之差。

（3）调制比等级

该指标用于评价二维条码符号深（浅）色模块反射率一致性。调制比MOD计算公式：

式中：

（4）固有图形污损等级

该指标用于评价寻像图形、空白区、定位图形、导引图形以及其他固有图形的污损情况。

这种污损是因为一个或多个模块由浅到深或由深到浅反转造成的，评价基于模块的颜色反转的数目，不同的码制，应用相应的阈值进行分级。

（5）轴向不一致性等级

该指标用于评价符号轴向尺寸不均匀的程度，轴向不一致性（AN）不合格会引起二维码识读障碍。在理想情况下，组成矩阵式二维条码符号数据区域的模块应位于一个正多边形的网格中，轴向不一致性（AN）用于评价每个网格轴向上的相邻模块中心点的间距在不同的轴向之间的差异量。轴向不一致性的计算公式如下：

式中：

（6）网格不一致性（GN）等级

网格不一致性衡量网格交叉位置偏离于其理想位置的最大矢量偏差。网格交叉位置可通过使用参考译码算法对给定符号的二值化图像进行处理后得出。

使用符号的参考译码算法，在符号数据区域内将所有的网格交叉位置画出来。将这些位置和同等尺寸理想符号的理论位置进行比较。对于所有交叉位置，实际的交叉位置和理论的交叉位置之间的距离的最大值以X尺寸为单位进行表示，并用于网格不一致性等级分级。图11给出二维码与网格示意图。

图11　二维码与网格交叉位置示意图

（7）未使用的纠错等级

未使用的纠错用于评价为纠正符号局部或点的各种错误所消耗的纠错容量。

未使用的纠错按公式：UEC =1–(e + 2t)/Ecap计算。表1给出未使用纠错的的分级方法。

（8）符号等级

符号等级为多次扫描二维码符号的扫描等级的算术平均值，每次扫描等级应为参考译码、符号反差、调制比、固有图形的污损、轴向不一致性、网格不一致性、未使用的纠错等参数等级的最低值。表3给出了矩阵式二维条码符号各参数指标分级。

表3　矩阵式二维条码符号各参数指标分级

（9）附加的分级参数

该参数是指各码制规范规定的参与符号等级分级的附加参数。

（10）印刷增量

该指标用于评级构成符号的图形相对于标称尺寸增大或减小的程度，标志二维码图形的深浅色模块边界扩张程度，是一项与二维码识读性能相关的质量控制参数。

4　总结

（1）二维码质量评价方法有多种，文中研究的检测方法采用国际标准，最终以“符号等级”指标作为二维码印制质量评价主要指标，以“符号等级”方法来评价二维码印制质量，与一维条码质量评价看似相同，但所用参数和方法有所不同，二维码质量检测还必须结合符号的码制规范，层排式与矩阵式二维码参数指标也有所不同；（2）这种质量评价方法优点是表达简洁，通过参数指标能及时查找二维码质量印制问题，为条码设备制造商、条码符号制作者和使用者提供一个共同的测试规范，符号等级不仅用于质量判定和过程控制，同时还用于预测在不同环境中二维码的识读性能；（3）这种质量评价方法存在缺点是未能用于评价电脑、手机、电视等显示屏二维条码质量，而屏幕显示二维码应用有日渐增多趋势。

参考文献

[1] GB/T 12905-2000 商品条码 术语[S].

[2] GB/T 23704 信息技术 自动识别与数据采集技术 二维条码符号印制质量的检验[S].

[3] GB/T 14258 信息技术 自动识别与数据采集技术 条码符号印制质量的检验[S].

Research of Two-dimensional Code Standard and Test Quality

YAN Feng
(Fujian Institute of Standardization, Fuzhou 350013, Fujian, China)

Abstract:The two-dimensional code quality is a key factor in theapplication of two-dimensional code technology.In view of the situation that the research maturity of the standard and the quality on two-dimensional code is far below one-dimensional code.The article makes a deep study about the two-dimensional code standard and the main quality index of "symbol level".In order to improve two-dimensional code printing quality and promote the popularization and application of two-dimensional code technology,the article also discusses the influence of line type and matrix two-dimensional bar code symbol level on printing quality evaluation,as well as the influence of relative parameters on the symbol level.

Key Words:Two-dimensional code;Standardization;Quality;Symbol grade

作者简介：严风，女，福建省标准化研究院，福建省条码质检站质量负责人，高级工程师

收稿日期：2016-01-15