林釗羽，曾旺紅

武漢理工大學(xué)

基于圖像處理的彩色漢信碼擴(kuò)容研究

林釗羽，曾旺紅

武漢理工大學(xué)

漢信碼具有超強(qiáng)的漢字表示能力，信息容量高，抗污損能力強(qiáng)。本文以四進(jìn)制為例，選取了色差較大的白、紅、藍(lán)、黑生成四色漢信碼，提高了信息容量。在彩色漢信碼譯碼過(guò)程中，通過(guò)RGB加權(quán)計(jì)算將色彩轉(zhuǎn)化成灰度值，利用自適應(yīng)中值濾波算法去除噪聲且防止圖像失真。經(jīng)計(jì)算，四色漢信碼的信息容量為黑白漢信碼的兩倍，可用于編碼含大量漢字的隱秘信息。

彩色漢信碼；RGB模型；灰度化；自適應(yīng)中值濾波

1、引言

漢信碼是中國(guó)第一個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的二維碼。相對(duì)市場(chǎng)上流通的二維碼，漢信碼有其優(yōu)越性：其漢字編碼能力超強(qiáng)，漢字信息編碼效率在現(xiàn)有二維碼中最高；信息密度大，編碼大量漢字字符時(shí)，相同內(nèi)容的漢信碼面積為快速響應(yīng)二維碼面積的90%、數(shù)據(jù)矩陣碼的63.7%，是編碼漢字信息的首選碼制[3,4]；抗污損、抗畸變能力強(qiáng)，漢信碼在碼圖放置和糾錯(cuò)識(shí)讀算法方面進(jìn)行了優(yōu)化。因此，漢信碼適合于中國(guó)市場(chǎng)。

二維碼的信息容量較一維碼有了可觀的提升，能描述更多的商品信息，但是其信息容量還是在一定程度上限制了其部分應(yīng)用。漢信碼的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其成為擴(kuò)容的理想二維碼，為漢信碼增加更多顏色能達(dá)到擴(kuò)容的效果。

2、彩色漢信碼的編碼設(shè)計(jì)

由于通用移動(dòng)設(shè)備的分辨率限制，如果二維碼的圖片尺寸和密度過(guò)大，識(shí)別效率、識(shí)別結(jié)果將會(huì)受到影響。識(shí)別時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致人們失去耐心。當(dāng)然，對(duì)于尺寸大、密度高的二維碼，可以將位圖傳到電腦或移動(dòng)設(shè)備的識(shí)讀器上進(jìn)行解碼，不受設(shè)備精度影響，這樣一來(lái)，二維碼更多地起到加密的作用。

在研究編碼方案前，首先要明確編碼容量與數(shù)據(jù)容量的區(qū)別。編碼容量是指二維碼最多能表示的字符集中的字符數(shù)。而數(shù)據(jù)容量是指二維碼能夠存儲(chǔ)的最大信息量?，F(xiàn)有的二維碼中，QR碼、漢信碼均足已能夠表示常用漢字，提高編碼容量意義不大，而提高數(shù)據(jù)容量則為本論文研究重點(diǎn)。

2.1擴(kuò)容方案

方案一：原本1個(gè)碼字包含8個(gè)模塊，每個(gè)模塊放置1個(gè)二進(jìn)制位，改進(jìn)為每個(gè)模塊放置更多的二進(jìn)制位[3,4]。以每個(gè)模塊放入2個(gè)二進(jìn)制位為例，則僅用一個(gè)碼字便可以表示原來(lái)兩個(gè)碼字才能表示的信息。每個(gè)模塊的數(shù)字位的可能取值為：00、01、10、11，普通漢信碼的黑白兩色不夠，需要增加到四種顏色表示這些可能的取值。

方案二：原本黑白兩色代表二進(jìn)制數(shù)字0和1，現(xiàn)在更改編碼規(guī)則，使用n（n=2k，k=2、3、4…）種顏色代表n進(jìn)制，即在將輸入信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字位流的過(guò)程中，按一定規(guī)則編碼后，生成n進(jìn)制序列作為字符編碼，模式指示符和結(jié)束符。每k位二進(jìn)制數(shù)可以轉(zhuǎn)換為1位n進(jìn)制數(shù)，改進(jìn)后彩色漢信碼的容量將為原來(lái)的k倍。漢信碼用手持設(shè)備掃描時(shí)，k不宜過(guò)大。本論文選取四進(jìn)制（n=4）進(jìn)行論述，二進(jìn)制到四進(jìn)制的數(shù)值轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系為：（00）bin-（0）qua、（01）bin-（1）qua、（10）bin-（2）qua、（11）bin-（3）qua。

兩種擴(kuò)容方案的區(qū)別：方案一是在數(shù)據(jù)排布時(shí)進(jìn)行空間壓縮，信息位流并沒(méi)有改變；方案二則通過(guò)使用更高的進(jìn)制對(duì)信息位流進(jìn)行壓縮，數(shù)據(jù)排布規(guī)則不變。方案二可同時(shí)提高編碼容量和信息容量，分別變?yōu)樵瓉?lái)的（n/2）k倍和k倍。本論文選用方案二。

2.2顏色的選取

顏色的選取是彩色二維碼研究的重要部分，既要保證圖像預(yù)處理對(duì)色彩易于分辨，即顏色區(qū)分度大，又要考慮顏色的協(xié)調(diào)性和美觀性。本文需要四種填充顏色，因此可以在普通漢信碼黑、白兩色的基礎(chǔ)上，添加兩種易于識(shí)別且相互之間不易干擾的顏色構(gòu)成彩色二維碼。

我們知道，光的三原色是紅、綠、藍(lán)。這三種顏色不能由任何其他顏色混合產(chǎn)生，無(wú)法被分解，而且RGB顏色值差距大，任意兩種都可以作為彩碼的顏色填充顏色。為了確保識(shí)讀的準(zhǔn)確性，本文選取相關(guān)性大的四種顏色——白、藍(lán)、紅、黑作為彩色二維碼的填充顏色，分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)位流值0、1、2、3。

2.3彩色漢信碼編碼過(guò)程

漢信碼數(shù)據(jù)編碼模式有八種，包括：數(shù)字模式、Text模式、二進(jìn)制字節(jié)模式、常用漢字一區(qū)模式、常用漢字二區(qū)模式、GB 18030雙字節(jié)區(qū)模式、GB 18030四字節(jié)區(qū)模式和ECI模式[1]。每種模式有對(duì)應(yīng)的模式指示符和模式結(jié)束符，全部應(yīng)轉(zhuǎn)換為四進(jìn)制。

以常用漢字一區(qū)模式為例說(shuō)明編碼規(guī)則。彩色漢信碼常用漢字一區(qū)模式的模式指示符為（10）qua，模式結(jié)束符為（333333）qua。其編碼對(duì)象共4074個(gè)，為GB 18030雙字節(jié)二區(qū)里第一字節(jié)在B0hex~D7hex、第二字節(jié)在A1hex~FEhex（共3760個(gè)）范圍內(nèi)的漢字或字符，以及GB 18303雙字節(jié)一區(qū)里第一字節(jié)在A1hex~A3hex、第二字節(jié)在A1hex~FEhex（共282個(gè)）和A8A1hex~A8C0hex（共32個(gè)）范圍內(nèi)的漢字或字符。

編碼步驟如下：

Ⅰ.若編碼對(duì)象在GB 18030雙字節(jié)二區(qū)里第一字節(jié)在B0hex~D7hex、第二字節(jié)在A1hex~FEhex范圍內(nèi)：

（1）第二字節(jié)減去A1hex，得到結(jié)果a；

（2）第一字節(jié)減去B0hex，得到結(jié)果b；

（3）b乘以5Ehex，得到結(jié)果c；

（4）a與c相加，得到結(jié)果d；

（5）將d轉(zhuǎn)換為六位四進(jìn)制序列。

Ⅱ.若編碼對(duì)象在GB 18303雙字節(jié)一區(qū)里第一字節(jié)在A1hex~A3hex、第二字節(jié)在A1hex~FEhex范圍內(nèi)：

（1）第二字節(jié)減去A1hex，得到結(jié)果a；

（2）第一字節(jié)減去A1hex，得到結(jié)果b；

（3）b乘以5Ehex，得到結(jié)果c；

（4）a與c相加，再加上EB0hex，得到結(jié)果d；

（5）將d轉(zhuǎn)換為六位四進(jìn)制序列。

Ⅲ.若編碼對(duì)象在GB 18303雙字節(jié)一區(qū)里在A8A1hex~A8C0hex范圍內(nèi)：

（1）第二字節(jié)減去A1hex，得到結(jié)果a；

（2）a加上FCAhex，得到結(jié)果b；

（5）將b轉(zhuǎn)換為六位四進(jìn)制序列。

計(jì)算出屬于常用漢字一區(qū)模式的漢字二進(jìn)制序列后，按輸入順序依次連接，在其首尾分別加模式指示符和模式結(jié)束符，即構(gòu)成常用漢字一區(qū)模式的信息位流[2]。

例如：讀取字符“全”，其字節(jié)值為C8ABhex，編碼過(guò)程如下：

（1）ABhex減去A1hex，得到結(jié)果0Ahex；

（2）C8hex減去B0hex，得到結(jié)果18hex；

（3）18hex乘以5Ehex，得到結(jié)果8D0hex；

（4）0Ahex與8D0hex相加，得到結(jié)果8DAhex；

（5）將8DAhex轉(zhuǎn)換為六位四進(jìn)制序列（203122）qua。

3 彩色漢信碼譯碼的改進(jìn)

3.1圖像預(yù)處理

彩色漢信碼的譯碼包括圖像預(yù)處理、功能尋像與符號(hào)定位、功能信息編碼、建立取樣網(wǎng)絡(luò)、恢復(fù)數(shù)字碼字序列、糾錯(cuò)譯碼和信息譯碼等七個(gè)主要步驟[3]。由于顏色的增多，彩色漢信碼的圖像預(yù)處理相較普通漢信碼有所改變，其他的步驟基本等同于普通漢信碼的處理方式。

圖像預(yù)處理是條碼識(shí)別系統(tǒng)中不可或缺的一步。譯碼設(shè)備在對(duì)彩色二維碼譯碼前，需要對(duì)原圖進(jìn)行獲取，這個(gè)步驟大多由光學(xué)鏡頭拍攝完成，因此，不可避免地會(huì)出現(xiàn)圖像失真。為了提高彩碼的識(shí)讀率，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行一系列的預(yù)處理，包括彩色圖像灰度化、降噪處理、邊緣檢測(cè)、輪廓提取等環(huán)節(jié)來(lái)解決圖像失真問(wèn)題[6]。

3.2彩碼灰度化

在RGB模型中有三個(gè)顏色通道R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)），三種顏色按不同比例疊加可以得到各種顏色。當(dāng)三種顏色比例相同時(shí)，得到的就是一種灰度顏色，三種顏色比例相同時(shí)的值叫灰度值。三種顏色分量值的取值范圍是0-255，因此灰度值范圍為0-255。RGB顏色空間中過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的對(duì)角線就是灰度值線。

本文選用的四種顏色白、藍(lán)、紅、黑的亮度區(qū)分大，在灰度化后容易區(qū)分，灰度化處理簡(jiǎn)化了譯碼過(guò)程，因此彩色圖像灰度化是一種可行而有效的圖像預(yù)處理方式。

人眼對(duì)不同的顏色有著不同程度的敏感度，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)三種分量進(jìn)行加權(quán)平均，得到灰度值W的計(jì)算公式，如公式1所示：

W=0.30R+0.59G+0.11B（公式1）

從上式可知，白色的灰度值是255，黑色的灰度值是0。

3.3降噪處理

光學(xué)設(shè)備所采集到的圖像一般會(huì)含有噪聲，干擾主要來(lái)自兩個(gè)方面：圖像的污損和光學(xué)采集設(shè)備的性能。由于目前的光學(xué)采集設(shè)備的硬件功能比較完善，這方面的干擾并不大。我們主要處理漢信碼圖像中的噪聲，常用的方法是中值濾波。中值濾波是一種典型的非線性濾波方法，能夠有效地處理脈沖信號(hào)。傳統(tǒng)的中值濾波其基本原理是把數(shù)字圖像中像素點(diǎn)的值用該點(diǎn)鄰域中各點(diǎn)的中值代替，從而消除噪聲點(diǎn)[3]。該方法濾波窗口大小固定，通常尺寸為3×3或5×5，濾波結(jié)果難以兼顧平滑性和圖像的細(xì)節(jié)性。

為了使采集的圖像能夠保持原圖細(xì)節(jié)，我們選用改進(jìn)后的自適應(yīng)中值濾波算法。

首先定義如下符號(hào)：

Wxy：濾波窗口工作區(qū)域，設(shè)像素點(diǎn)坐標(biāo)為（x，y）；

Wmax：可選取的最大窗口；

Gxy：像素點(diǎn)（x，y）的灰度；

Gmax：Wxy中像素點(diǎn)灰度最大值；

Gmin：Wxy中像素點(diǎn)灰度最小值；

Gmed：Wxy中像素點(diǎn)灰度中值；

自適應(yīng)中值濾波步驟：

（1）若Gmin

（2）若Wxy

（3）若Gmin

該算法通過(guò)判斷Gmin

4 彩色漢信碼的應(yīng)用

很多人有這樣的經(jīng)歷，在書(shū)店看到感興趣的書(shū)，想要試讀一番以決定是否購(gòu)買，但書(shū)店的書(shū)往往封裝良好，我們無(wú)法獲知圖書(shū)的更多信息。彩色漢信碼可以解決這一問(wèn)題，為讀者提供圖書(shū)預(yù)覽功能。

圖書(shū)預(yù)覽是將圖書(shū)的部分信息轉(zhuǎn)換成二維碼印刷在書(shū)的封面上，讀者在不能拆封新書(shū)而想了解圖書(shū)的情況下，通過(guò)手持設(shè)備掃描彩色二維碼閱讀圖書(shū)信息。由于彩色漢信碼的信息容量在普通漢信碼的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了幾倍，例如本文中的四色漢信碼最多能存儲(chǔ)一千多個(gè)漢字，封面上的彩色漢信碼可以摘取書(shū)中的重點(diǎn)片段或圖書(shū)的目錄提供一定信息供讀者參考。

圖書(shū)預(yù)覽只是彩色漢信碼應(yīng)用的一個(gè)領(lǐng)域。彩色漢信碼具有漢字壓縮表達(dá)能力強(qiáng)、保密性高、信息容量大、抗污損能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合于存儲(chǔ)大量漢字的場(chǎng)景，在信息傳輸、信息追蹤、信息管理等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出兩種彩色漢信碼擴(kuò)容思想，對(duì)比了兩種思想的差異，選取了可同時(shí)提高編碼容量的方案二，將編碼規(guī)則中的二進(jìn)制改為四進(jìn)制。在顏色選取方面，本文選取了區(qū)分度較大的四種顏色。譯碼時(shí)，通過(guò)將色彩灰度化簡(jiǎn)化譯碼操作。本文采用了自適應(yīng)中值濾波算法去除圖像中的噪音，防止圖片失真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，擴(kuò)容后的四色漢信碼信息容量為普通漢信碼的兩倍，有效提高了信息容量。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，彩色漢信碼還可以編碼音頻和圖片信息，以實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用，這也是我們進(jìn)一步的研究目標(biāo)。

[1]中國(guó)物品編碼中心.GB/T 21049-2007中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——漢信碼[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[2]吳昊.國(guó)標(biāo)漢信碼的分析與實(shí)現(xiàn)——編碼過(guò)程的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2010.

[3]李朝輝.基于圖像處理的彩色二維條碼的研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2010.

[4]袁遠(yuǎn)松.具有高壓縮比漢字編碼能力的彩色二維條碼的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2008.

[5]張霞，葛蘆生.自適應(yīng)中值濾波算法的研究與應(yīng)用[J]微計(jì)算機(jī)信息，2007，06:217-218+237.

[6]何成平，龔益民，俞亞珍.漢信碼圖像預(yù)處理技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J].包裝工程，2010,01:72-75.

林釗羽（1995-），女，民族：漢，湖北孝感人，學(xué)歷：本科在讀，主要研究方向：二維碼生成與識(shí)別；

曾旺紅（1994-），女，民族：漢，湖南常德人，學(xué)歷：本科在讀，主要研究方向：二維碼生成與識(shí)別。