王 野，宋 欣，宋占偉

(1.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012;2.吉林省啟明軟件園企業(yè)孵化有限公司結(jié)構(gòu)部，長(zhǎng)春130117)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，飲食和醫(yī)療的健康與安全越來(lái)越受到人們的重視。但近些年隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，產(chǎn)品種類急劇上升，加大了監(jiān)管部門對(duì)產(chǎn)品監(jiān)管的難度，導(dǎo)致食品和藥品市場(chǎng)中存在一定數(shù)量的假冒偽劣產(chǎn)品，這無(wú)疑正危害著消費(fèi)者的健康。

利用二維碼查詢便捷、易于普及等特點(diǎn)，使食品、藥品從生產(chǎn)、加工、檢測(cè)，到物流、倉(cāng)儲(chǔ)以及銷售等環(huán)節(jié)做到有據(jù)可查，迅速追溯出問(wèn)題環(huán)節(jié)，減輕政府監(jiān)管部門的工作量，使消費(fèi)者對(duì)所購(gòu)產(chǎn)品更加放心。目前，國(guó)內(nèi)基于Android系統(tǒng)的查詢系統(tǒng)大多數(shù)是針對(duì)所有商品的某一項(xiàng)查詢內(nèi)容，查詢商品種類過(guò)多且查詢內(nèi)容單一，不符合消費(fèi)者的需求［1］。筆者僅針對(duì)食品、藥品領(lǐng)域的信息管理，通過(guò)提供全面的信息查詢功能，實(shí)現(xiàn)食品、藥品全產(chǎn)業(yè)鏈的無(wú)縫溯源和監(jiān)管。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要以Android 4.0.3平板電腦為嵌入式硬件開發(fā)平臺(tái)，基本研究?jī)?nèi)容包括二維碼編碼模塊的實(shí)現(xiàn)、Android功能界面的設(shè)計(jì)以及MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)等［2］。其中二維碼編碼模塊的實(shí)現(xiàn)基于C#編程，可對(duì)食品、藥品的基本信息(如漢字、字母、數(shù)字等)進(jìn)行編碼，采用Byte編碼模式，M－7糾錯(cuò)級(jí)別，可使編碼誤差控制在5%以內(nèi)。Android功能界面的設(shè)計(jì)基于Java編程，主要有系統(tǒng)主界面、二維碼識(shí)別界面、信息顯示界面、信息錄入界面、系統(tǒng)設(shè)置界面等。MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用使系統(tǒng)可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用。圖1描述了系統(tǒng)的主要功能框圖，Android功能界面的兩大主要功能是信息查詢和信息錄入，使用信息查詢功能時(shí)，首先利用Android功能界面中的二維碼識(shí)別界面進(jìn)行QR Code解碼，識(shí)別碼內(nèi)信息，該信息包括專屬于每種食品、藥品的回溯碼及其基本信息，如商品產(chǎn)地、生產(chǎn)公司、檢測(cè)結(jié)果等［3］。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸進(jìn)入到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，利用產(chǎn)品專屬的回溯碼進(jìn)行相應(yīng)食品、藥品詳細(xì)信息的調(diào)用，詳細(xì)信息包括商家名稱、入貨時(shí)間、進(jìn)貨來(lái)源。使用信息錄入功能時(shí)，同樣先識(shí)別碼內(nèi)信息，再利用回溯碼將產(chǎn)品的詳細(xì)信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。而包含產(chǎn)品基本信息和回溯碼的二維碼標(biāo)識(shí)的生成則由二維碼編碼模塊實(shí)現(xiàn)，在檢測(cè)單位進(jìn)行信息驗(yàn)證后由其發(fā)放二維碼標(biāo)識(shí)。

圖1 系統(tǒng)主要功能框圖Fig.1 The diagram of the system main functions

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 二維碼編碼模塊的實(shí)現(xiàn)

目前常見的二維條碼主要有4種:QR Code，PDF417，Maxi Code和Data Matrix。其中PDF417，Maxi Code和Data Matrix二維條碼只能編碼全部及擴(kuò)展的ASCII字符，不能編碼漢字，而人們需要能對(duì)漢字進(jìn)行編碼的二維條碼，所以采用QR Code［4］。QR Code即快速響應(yīng)矩陣碼，是目前最具優(yōu)勢(shì)的二維碼之一，它具有存儲(chǔ)信息容量大、安全性高、保密防偽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能有效地表示中文、日文等方塊文字，因而，在亞洲國(guó)家得到普及。

QR Code的編碼過(guò)程有:數(shù)據(jù)分析及編碼，糾錯(cuò)編碼，構(gòu)造數(shù)據(jù)碼字和糾錯(cuò)碼字，置入功能模塊和碼字模塊，加入掩膜，加入格式信息和版本信息等步驟。編碼漢字與其他字符的區(qū)別主要在于數(shù)據(jù)分析及編碼方式的不同，筆者以“食”字為例敘述QR Code對(duì)漢字進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及編碼的具體過(guò)程［5］。

QR Code碼對(duì)漢字的編碼需要借用漢字的GB2312編碼，GB2312編碼按照QR Code碼所特有的編碼方式轉(zhuǎn)換為13位的二進(jìn)制碼，再將中國(guó)漢字模式指示符(1101)、中國(guó)漢字子集指示符(4位二進(jìn)制數(shù))和字符計(jì)數(shù)指示符(1－M編碼版本為8位二進(jìn)制數(shù))依序放在13位二進(jìn)制碼前，終止符(0000)放在序列末尾。漢字在GB2312編碼中由兩個(gè)字節(jié)表示，設(shè)第1個(gè)字節(jié)用M表示，第2個(gè)字節(jié)用N表示，當(dāng)漢字的GB2312編碼中第1個(gè)字節(jié)值在0xAl～0xAA之間時(shí)，13位二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換公式為

當(dāng)漢字的GB2312編碼中第1個(gè)字節(jié)值在0xB0～0xFA之間時(shí)，13位二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換公式為

“食”字的GB2312編碼為CAB3，第1個(gè)字節(jié)值CA在0xB0～0xFA之間，所以，帶入式(2)，計(jì)算結(jié)果為D92，轉(zhuǎn)換為13位二進(jìn)制數(shù)為0 1101 1001 0010。GB2312的漢字子集指示符為0001，只有一個(gè)字符，則8位字符計(jì)數(shù)指示符為0000 0001，所以“食”字QR Code碼的二進(jìn)制流如圖2所示。

圖2 “食”字QR Code碼二進(jìn)制流Fig.2 The binary stream of QR Code for word“食”

將二進(jìn)制流分為8位一組的碼字，不足位補(bǔ)零，得到序列為:

下劃線部分為補(bǔ)充位。1－M版本數(shù)據(jù)容量為16個(gè)字節(jié)，因此，上述序列還需繼續(xù)補(bǔ)充碼字，用補(bǔ)充碼11101100和00010001交替補(bǔ)充，最終得到QR Code的編碼序列:

得到QR Code的數(shù)據(jù)編碼序列后，再經(jīng)過(guò)糾錯(cuò)編碼、置入功能模塊、加入掩膜等步驟，生成二維碼標(biāo)識(shí)。根據(jù)上述編碼方法，利用C#編程實(shí)現(xiàn)QR Code編碼的操作界面如圖3所示［6］。用戶可以根據(jù)信息的形式及信息量的大小選擇不同的編碼模式、糾錯(cuò)級(jí)別和編碼版本，在產(chǎn)品基本信息框中輸入產(chǎn)品的信息，點(diǎn)擊編碼，二維碼圖框中就會(huì)顯示該信息的二維碼標(biāo)識(shí)。

圖3 QR Code編碼操作界面Fig.3 QR Code operation interface

2.2 Android功能界面的設(shè)計(jì)

Android功能界面主要包括系統(tǒng)主界面、QR Code識(shí)別界面、顯示界面和登陸界面等，其中QR Code識(shí)別界面和識(shí)別結(jié)果界面是本環(huán)節(jié)的技術(shù)難點(diǎn)，下面分別予以闡述。

2.2.1 基于Java編程實(shí)現(xiàn)QR Code識(shí)別界面

程序主要流程如圖4所示。實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1)創(chuàng)建一個(gè)CaptureActivity類，復(fù)寫onCreate()方法導(dǎo)入layout布局文件，并對(duì)識(shí)別界面進(jìn)行初始化。

2)調(diào)用并配置Camera。識(shí)別界面在進(jìn)行二維碼掃描時(shí)需調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)的相機(jī)對(duì)二維碼標(biāo)識(shí)進(jìn)行捕捉，這一過(guò)程由相機(jī)初始化函數(shù)private void initCamera(SurfaceHolder surfaceHolder){}實(shí)現(xiàn)。主要語(yǔ)句如下:

3)構(gòu)建掃描窗口。在相機(jī)界面內(nèi)構(gòu)建一個(gè)二維碼掃描窗口，以便二維碼置于窗口內(nèi)時(shí)可以自動(dòng)識(shí)別，掃描窗口的構(gòu)建通過(guò)如下函數(shù):

類viewfinderView控制掃描窗口的參數(shù)，掃描窗口如圖5所示。

4)捕捉畫面。掃描窗口打開后即可進(jìn)行掃描，利用類Camera.PreviewCallback設(shè)置一個(gè)監(jiān)聽器，監(jiān)聽二維碼畫面是否已經(jīng)捕捉到。若捕捉成功，則向handleDecode()解碼函數(shù)發(fā)送一個(gè)解碼消息，handleDecode()收到消息后會(huì)立即執(zhí)行解碼程序;若捕捉失敗則返回繼續(xù)捕捉，不發(fā)送解碼消息［7］。

5)QR Code解碼。解碼由以下函數(shù)實(shí)現(xiàn):

圖4 QR Code識(shí)別流程圖Fig.4 Flow chart of QR Code recognition

圖5 QR Code掃描窗口Fig.5 QR Code scanning window

2.2.2 QR Code顯示界面的實(shí)現(xiàn)

在對(duì)二維碼標(biāo)識(shí)進(jìn)行掃描時(shí)，可能因掃描角度等問(wèn)題導(dǎo)致捕捉到的二維碼圖像失真而無(wú)法定位，影響識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性，這是實(shí)現(xiàn)QR Code顯示界面的技術(shù)難點(diǎn)。筆者采用四線聚焦法對(duì)捕捉圖像進(jìn)行矯正，以解決上述問(wèn)題。

QR Code碼的標(biāo)識(shí)中主要分為功能區(qū)域以及數(shù)據(jù)區(qū)域兩部分，功能區(qū)域包括位置探測(cè)區(qū)域、校正區(qū)域和分隔符等。其中位置探測(cè)區(qū)域是最重要的功能區(qū)域，存儲(chǔ)二維碼的位置信息，只有準(zhǔn)確定位才能有效地從數(shù)據(jù)區(qū)域中識(shí)別出碼內(nèi)信息。本系統(tǒng)所采用的四線聚焦法是利用位置探測(cè)區(qū)中深、淺像素交替的比例進(jìn)行識(shí)別。如圖6a的虛線所示，當(dāng)一條過(guò)探測(cè)區(qū)中心點(diǎn)的水平直線L穿過(guò)探測(cè)區(qū)時(shí)，探測(cè)區(qū)中的深、淺區(qū)域依次交替，并按1∶1∶3∶1∶1比例出現(xiàn)［8］。當(dāng)位置探測(cè)區(qū)發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，這種交替模式及其比例并不發(fā)生改變，所以根據(jù)探測(cè)區(qū)的這個(gè)特征便可對(duì)其進(jìn)行定位。

在對(duì)二維碼標(biāo)識(shí)進(jìn)行掃描時(shí)，分別從水平和豎直方向進(jìn)行掃描，當(dāng)深、淺像素按1∶1∶3∶1∶1比例出現(xiàn)時(shí)，記錄此時(shí)的行、列位置，并繼續(xù)掃描直至所有具備此特征的行、列均被記錄。然后分別取最先和最后出現(xiàn)的行、列，共4條線組成一個(gè)正方形，連接對(duì)角線便得到位置探測(cè)區(qū)的中心點(diǎn)［9］。根據(jù)上述方法可找到二維碼標(biāo)識(shí)中3個(gè)位置探測(cè)區(qū)的中心點(diǎn)，連接3個(gè)中心點(diǎn)可組成一個(gè)直角三角形(見圖6b)。以直角三角形頂點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，則兩條直角邊的直線方程分別為其中φ1，φ2分別為兩條直角邊與水平軸所夾的銳角。選擇φ1或φ2對(duì)二維碼圖像進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)，便可矯正二維碼標(biāo)識(shí)的方向［10］。

圖6 四線聚焦法示意圖Fig.6 The diagram of method of four lines focusing

以圖3所生成的二維碼標(biāo)識(shí)為例進(jìn)行測(cè)試，對(duì)標(biāo)識(shí)以45°角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，識(shí)別結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，該算法可以有效地對(duì)二維碼標(biāo)識(shí)進(jìn)行矯正。

2.3 MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，選擇時(shí)要確保其合理性，該系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小選擇MySQL作為系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足系統(tǒng)對(duì)食品藥品詳細(xì)信息調(diào)用、存儲(chǔ)功能的應(yīng)用。

該系統(tǒng)共需要2張表，分別為食品藥品詳細(xì)信息表和管理員信息表。

1)食品藥品詳細(xì)信息表:用于記錄食品藥品的詳細(xì)信息，具體如表1所示。

圖7 QR Code顯示界面Fig.7 QR Code display interface

表1 食品藥品詳細(xì)信息表Tab.1 Sheet of food and medicine details

建立表1的MySQL語(yǔ)句如下:

2)管理員信息表:用于記錄管理員的基本信息，具體如表2所示。

表2 管理員信息表Tab.2 Sheet of administrator information

建立表2的MySQL語(yǔ)句如下:

3 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)食品藥品信息中漢字字符的準(zhǔn)確編碼，筆者采用QR Code編碼方式，保證了二維碼標(biāo)識(shí)生成的準(zhǔn)確性和可靠性，并采用四線聚焦法對(duì)二維碼捕捉圖像進(jìn)行矯正，較好地解決了掃描過(guò)程中二維碼圖像的失真問(wèn)題。測(cè)試結(jié)果表明，以最大旋轉(zhuǎn)角45°對(duì)二維碼標(biāo)識(shí)進(jìn)行掃描，仍可準(zhǔn)確識(shí)別碼內(nèi)信息，具有較高的抗干擾性和穩(wěn)定性，且操作方便，移動(dòng)性強(qiáng)，在食品藥品領(lǐng)域中具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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