廖景輝，樓喜中

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

一種新型二維條碼的生成和識(shí)讀

廖景輝，樓喜中

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

提出了一種新型的二維碼編碼和譯碼方案，基于Turbo碼的編碼和軟譯碼方法，對(duì)二維條碼進(jìn)行改進(jìn)，使其具有更強(qiáng)的識(shí)讀能力.使用(13，15)的Turbo碼編碼器和矩陣交織器對(duì)源信息流進(jìn)行編碼得到一組二進(jìn)制流，對(duì)編碼得到的二進(jìn)制流進(jìn)行圖像生成得到新型的二維條碼.對(duì)使用后的二維條碼圖片進(jìn)行圖像采集，然后進(jìn)行灰度量化得到軟比特信息流，對(duì)軟比特信息流使用矩陣解交織器和Turbo碼譯碼器進(jìn)行譯碼得到源信息流.通過這樣的方法可以提高二維條碼圖片的可識(shí)別性.運(yùn)用這種新型的二維條碼圖片在工業(yè)零部件和軍事零部件上，可減少因二維條碼無法識(shí)別產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失.

二維碼；Turbo編碼；Turbo譯碼

Abstract: A novel encode and decode project, which improves the readability of the two-dimensional bar code, was proposed based on Turbo. A Turbo encoder and a matrix interleaver were used to encode the source information to get a set of binary streams. The new two-dimensional bar code picture was procuced by using the algorithm of picture encoding. The image of the used pictures was processed with the algorithm of grey level quantization to get soft-bit information stream information. The soft-bit information stream was decoded by using a matrix deinterleaver and a Turbo soft decoder to get the source information. This method improved the recognizability of two-dimensional bar code pictures. The application of the two-dimensional bar code pictures to the industry and military can reduce economic losses.

Keywords: two dimensional bar code; Turbo encode; Turbo decode

全球現(xiàn)有的二維碼中，最常見的有QRCode二維碼、PDF417二維碼、DataMatrix二維碼等幾十種.在日常百姓的生活當(dāng)中最常見的是由日本Denso-Wave公司在1994年所發(fā)明的QRCode二維碼[1]，QR來自英文Quick Response的縮寫，即快速反應(yīng)的意思，其高速的識(shí)別能力有區(qū)別與其他二維碼.運(yùn)用特定的數(shù)據(jù)壓縮來表示漢字，只需要13比特就可以表示一個(gè)漢字，而其他二維碼因?yàn)闆]有特定的漢字模式因此需要16比特才能表示一個(gè)漢字，效率相對(duì)其他二維碼提高了20%，并且QRCode碼可以存儲(chǔ)4 296個(gè)字母數(shù)據(jù)或者7 089個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，相比于其他二維碼可以存儲(chǔ)更多的字母、數(shù)字、字符.

工業(yè)當(dāng)中最常見使用的是由RVSI Acuity Cimatrix發(fā)明的DataMatrix[2]的二維碼，相對(duì)于QRCode二維碼，DataMatrix二維碼密集度高，應(yīng)用簡(jiǎn)單，易被普通攝像頭識(shí)別，且更加安全，糾錯(cuò)能力約為33%，相比QRCode碼最大糾錯(cuò)能力不超過30%略高，因此只需要讀取一定量的資料即可精確讀取出信息.

二維碼識(shí)別是通過使用圖像采集設(shè)備對(duì)黑白色塊的辨識(shí)和對(duì)二維碼的糾錯(cuò)將二維碼中所攜帶的源數(shù)據(jù)信息流讀取出來.現(xiàn)有的二維碼利用計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”、“1”比特流的概念，使用的是深色表示“1”比特、淺色表示“0”比特.各個(gè)二維碼具有一定的糾錯(cuò)能力，因此當(dāng)二維碼圖片有部分污染、破損、褶皺時(shí)仍可識(shí)別出源數(shù)據(jù)信息流.當(dāng)二維碼被大規(guī)模污染、破損、褶皺時(shí)，掃描設(shè)備無法通過識(shí)別二維碼進(jìn)行糾錯(cuò)從而獲得源數(shù)據(jù)信息流.

為了提高二維碼的可識(shí)讀能力，本文在編碼方面運(yùn)用由Turbo碼編碼器和矩陣交織器，將源數(shù)據(jù)信息流通過Turbo碼編碼器和矩陣交織器在滿足ECC200表格規(guī)則后得到二維碼圖片.在譯碼方面，對(duì)二維碼圖片進(jìn)行灰度量化得到軟比特信息，對(duì)軟比特信息運(yùn)用矩陣解交織技術(shù)和Turbo譯碼器得到源數(shù)據(jù)信息流.運(yùn)用交織技術(shù)將因?yàn)槲廴酒茡p褶皺而產(chǎn)生的突發(fā)錯(cuò)誤變成隨機(jī)錯(cuò)誤；運(yùn)用Turbo譯碼器可更好的識(shí)別出二維碼圖片中所攜帶的比特信息.將通過這種編碼得到的二維碼圖片用于工業(yè)零部件、軍事零部件，由于識(shí)別率提高因而可以更廣泛地運(yùn)用于激光雕刻在零部件上.這種二維碼圖片不僅可以使用更長(zhǎng)的時(shí)間，而且可以減少因污染、破損、褶皺而導(dǎo)致無法識(shí)別二維碼.在越來越多的場(chǎng)合，比如汽車工業(yè)領(lǐng)域，零部件的更新和維修需要及時(shí)追溯零件產(chǎn)生和使用過程的記錄信息，二維碼可以唯一確定零部件的信息，配合系統(tǒng)軟件的使用，可以知道零部件的日常維護(hù)和維修記錄，從而更好地對(duì)零部件進(jìn)行管理.

現(xiàn)有的二維碼一般使用的是Reed-Solomon[3]算法，Reed-Solomon譯碼算法基于求解線性方程組來對(duì)輸入編碼進(jìn)行糾錯(cuò).如果二維碼譯碼選用可以軟信息輸出的Turbo譯碼算法，通過給出譯碼結(jié)果的軟信息輸出值并將這個(gè)值作為外部信息傳遞給下級(jí)譯碼器從而得到最大似然序列，實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)簡(jiǎn)單.通過計(jì)算每個(gè)色塊黑白占有比率直接輸出占有比率，可以更加準(zhǔn)確地分析和讀出二維碼當(dāng)中的源數(shù)據(jù)信息流，從而提高了譯碼性能，增強(qiáng)了二維碼可識(shí)別能力.

1 一種新型二維碼編碼方法

將源數(shù)據(jù)信息流通過轉(zhuǎn)換成8位源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流輸入到遞歸系統(tǒng)卷積碼編碼器和矩陣交織器最終轉(zhuǎn)換為二維碼圖片，具體步驟如下.

步驟一：將源數(shù)據(jù)信息流通過查詢ASCII碼表轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的8位二進(jìn)制流，將二進(jìn)制流通過Turbo編碼器計(jì)算得到二進(jìn)制流的個(gè)數(shù)，將計(jì)算所得到的二進(jìn)制流的個(gè)數(shù)與ECC200表格規(guī)則中由數(shù)據(jù)區(qū)域預(yù)設(shè)規(guī)定所需要輸入的二進(jìn)制流個(gè)數(shù)相比較，來判斷源數(shù)據(jù)信息流是否滿足ECC200表格規(guī)則，將二維碼圖像填充完整.

步驟二：如果源數(shù)據(jù)信息流滿足ECC200表格規(guī)則，則將源數(shù)據(jù)信息流根據(jù)查詢ASCII碼表生成8位在(0,255)范圍內(nèi)的長(zhǎng)度為K源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流XK.為了將寄存器在編碼后歸零，含有遞歸系統(tǒng)卷積碼(RSC)編碼器[4]會(huì)根據(jù)編碼器中反饋結(jié)構(gòu)在后面添加3個(gè)尾比特使編碼器狀態(tài)W歸零.將源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流通過Turbo編碼器碼進(jìn)行編碼，編碼器結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 1/2的Turbo編碼器Figure 1 1/2 turbo encoder

根據(jù)原理圖1，它的生成多項(xiàng)式可由公式(1)(2)(3)來表示，其對(duì)應(yīng)的八進(jìn)制形式為(1,13/15)，書寫方便，通常都記為(13,15).

(1)

g1(D)=1+D+D3,

(2)

g0(D)=1+D2+D3.

(3)

(4)

π(i)=(f1i+f2i2)modK.

(5)

如果源數(shù)據(jù)信息流不滿足ECC200表格規(guī)則，那就要根據(jù)源數(shù)據(jù)信息流計(jì)算滿足ECC200數(shù)據(jù)區(qū)域表格規(guī)則所需要補(bǔ)充的二進(jìn)制流，同時(shí)將源數(shù)據(jù)信息流根據(jù)查詢ASCII碼表生成8位在(0,255)范圍內(nèi)源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流{xi}根據(jù)ECC200表格規(guī)則中由數(shù)據(jù)區(qū)域預(yù)設(shè)規(guī)定所需要轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制碼個(gè)數(shù)與源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流個(gè)數(shù)進(jìn)行比較，計(jì)算符合ECC200表格規(guī)則原本需要輸入的源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流與源數(shù)據(jù)信息流轉(zhuǎn)換成的源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流的差值個(gè)數(shù)a，在源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流后補(bǔ)充差值個(gè)數(shù)為a的“0”比特，得到新的源數(shù)據(jù)二進(jìn)制比特流XK，將源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流XK進(jìn)行編碼得到數(shù)據(jù)碼字.

步驟三：將步驟二中的數(shù)據(jù)碼字輸入到矩陣交織器[7]中進(jìn)行交織，其交織器首先對(duì)數(shù)據(jù)碼字進(jìn)行分組交織，將列數(shù)C預(yù)設(shè)為30，然后設(shè)數(shù)據(jù)碼字的碼字個(gè)數(shù)為U，找出滿足不等式U≤RC的最小整數(shù)R，得到行數(shù)R.確定行數(shù)R后，得到矩陣A，接下來將數(shù)據(jù)碼字逐行寫入矩陣A中，若數(shù)據(jù)碼字無法將R行寫入完整，則用數(shù)據(jù)二進(jìn)制流的0或1將R行其它空缺位置填補(bǔ)，將矩陣A進(jìn)行矩陣變換得到新矩陣B，如矩陣A按照表1進(jìn)行變換，最終將新矩陣B逐列讀出數(shù)據(jù)，并將之前不存在數(shù)據(jù)碼字中的數(shù)據(jù)二進(jìn)制流的0或1去掉，得到最終碼字.見表1.

表1 編碼交織器列排序

步驟四：將最終碼字按照輸出的排列順序從左到右、從上到下分別填充到二維碼數(shù)據(jù)區(qū)域.在已填充好的數(shù)據(jù)區(qū)域外加上取景器實(shí)心“L”型邊界和黑白交替的反“L”型虛線邊界，從而能夠得到可供識(shí)別的二維碼.

2 二維碼譯碼方法

用能夠識(shí)別新型二維碼的掃描器掃描二維碼，通過特定的圖像處理獲取二維碼的軟信息序列，將獲取得到的二維碼軟信息序列通過譯碼器譯碼得到源數(shù)據(jù)信息流，所述譯碼器由解調(diào)器、矩陣解交織譯碼器和維特比軟判決譯碼器構(gòu)成，具體的步驟如下.

步驟一：使用能夠識(shí)別新型二維碼的掃描器對(duì)二維碼進(jìn)行掃描，通過特定的圖像預(yù)處理采集二維碼圖像.

步驟二：對(duì)采集的二維碼圖像進(jìn)行灰度化.

步驟三：對(duì)灰度化的圖像進(jìn)行二值化.

步驟四：獲得圖像大概區(qū)域，對(duì)圖像進(jìn)行粗定位.

步驟五：檢測(cè)DataMatrix二維碼的“L”型邊界.

步驟六：計(jì)算圖像傾斜角度.

步驟七：根據(jù)傾斜角度對(duì)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn).

步驟八：對(duì)旋轉(zhuǎn)后的二維碼圖像進(jìn)行矯正處理.

步驟九：對(duì)矯正處理后的二維碼圖像進(jìn)行偏差處理.

步驟十：對(duì)偏差處理過后的二維碼圖像輸出，生成標(biāo)準(zhǔn)二維碼矩陣.

步驟十一：對(duì)生成的標(biāo)準(zhǔn)二維碼矩陣通過解調(diào)器運(yùn)用軟判決方法解調(diào)得到軟信息比特流.

步驟十二：將解調(diào)得到的軟信息比特流進(jìn)入矩陣解交織譯碼器進(jìn)行解交織得到一組新的軟信息比特流，其矩陣解交織譯碼器具體算法是會(huì)構(gòu)造一個(gè)解交織矩陣，其中規(guī)定解交織矩陣列數(shù)C為30，根據(jù)接收到的碼字，設(shè)碼字個(gè)數(shù)為U′，找出滿足不等式U′≤CR′中的最小整數(shù)R′，得到行數(shù)R′，確定行數(shù)R′后，得到矩陣D，將接收到的碼字逐列寫入矩陣D中，若輸入碼字無法將行數(shù)R′寫入完整，則用數(shù)據(jù)二進(jìn)制流的0或1將行數(shù)R′其它空缺位置填補(bǔ)，然后將矩陣D經(jīng)過矩陣變換，矩陣D按照表2進(jìn)行變換，從而得到新矩陣E，接下來將矩陣E逐行讀取，并將之前不存在數(shù)據(jù)碼字中的數(shù)據(jù)二進(jìn)制流0或1去掉，得到解交織后的軟信息比特流.

表2 譯碼交織列排序

步驟十三：將解交織后的軟信息比特流輸入到由兩個(gè)軟輸入軟輸出(SISO)構(gòu)成的串行級(jí)聯(lián)Turbo碼譯碼器DEC1和DEC2[8]，譯碼器DEC1對(duì)分量碼RSC1進(jìn)行最大似然譯碼，產(chǎn)生關(guān)于源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流XK中每一個(gè)比特的似然比信息，并將其中的“外部信息”經(jīng)過交織送給DEC2，譯碼器DEC2將此信息作為先驗(yàn)信息，對(duì)分量碼RSC2進(jìn)行最佳譯碼，產(chǎn)生交織后源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流中每一比特的似然比信息，然后將其中的“外部信息”經(jīng)過解交織后送給DEC1，進(jìn)行下一次解碼.經(jīng)過多次迭代后，DEC1或DEC2的外部信息趨于穩(wěn)定，似然比漸進(jìn)值逼近于對(duì)整個(gè)碼的最大似然估計(jì)譯碼，對(duì)此似然比進(jìn)行硬判決即可得到最佳估值序列.

步驟十四：根據(jù)最佳估值序列還原得到源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流.

步驟十五：根據(jù)還原得到的源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流解析出源數(shù)據(jù)信息流.

在此基礎(chǔ)上再引導(dǎo)學(xué)生仿寫練習(xí)，學(xué)生就知道可以從顏色、形狀、數(shù)量、神態(tài)等方面去寫好事物或人物，要結(jié)合事物特點(diǎn)去修飾，而不是一味照抄卻不知道抄的是什么，也不會(huì)張冠李戴，把“慈善的目光”用來形容小妹妹了。

3 實(shí) 驗(yàn)

以碼率為1/2的Turbo碼為例，輸入三個(gè)源數(shù)據(jù)信息流，源數(shù)據(jù)信息流轉(zhuǎn)換成八位二進(jìn)制碼，從而得到24位二進(jìn)制碼，根據(jù)Turbo編碼器得到54位二進(jìn)制碼，根據(jù)得到的二進(jìn)制碼選擇ECC200數(shù)據(jù)區(qū)域?yàn)?×8的表格，即源數(shù)據(jù)信息流不滿足ECC200表格規(guī)則，因此需要補(bǔ)充5個(gè)“0”比特到源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流XK，從而編碼得到64位二進(jìn)制碼以滿足ECC200表格規(guī)則[9].

例如輸入“ABC”兩個(gè)字符，查詢ASCII表格得到二進(jìn)制流{01000001

01000010

01000011}，根據(jù)Turbo編碼器要求得到54位二進(jìn)制碼，在添加5個(gè)“0”比特后重新對(duì)源數(shù)據(jù)二進(jìn)制流XK編碼得到{001001000101001001110

1000100100101100101011

011000001000000111011}，根據(jù)交織矩陣列變換排列規(guī)則可得到矩陣B

{001001000101001001110100010010

010110010101101100000100000011并且

101100000000000000000000000000}按列讀出并去掉補(bǔ)充的二進(jìn)制流0或1得到最終碼字{001000010011001100000

0101101011110000000111

001011010110101000010}，根據(jù)二維碼轉(zhuǎn)換規(guī)則得到滿足ECC200表格規(guī)則的可識(shí)別的二維碼如圖2.

圖2 源數(shù)據(jù)信息流ABC的二維碼Figure 2 Two-dimensional bar code of source data stream ABC

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)不同的源數(shù)據(jù)信息流進(jìn)行編碼，可以快速得到滿足不同字符要求的可識(shí)別二維碼圖片.利用MATLAB軟件對(duì)Turbo碼在加性高斯白噪聲信道環(huán)境下進(jìn)行仿真，系統(tǒng)采用的是BPSK調(diào)制方式，長(zhǎng)度為1 024.

對(duì)LOG-MAP算法、SOVA算法、MAX-LOG-MAP算法在AWGN信道中進(jìn)行仿真比較[10]，RSC子碼的生成多項(xiàng)式為(13,15)，系統(tǒng)碼率為1/2，譯碼迭代3次，結(jié)果如圖3所示.仿真結(jié)果表明，在這三種算法中，LOG-MAP算法表現(xiàn)最好，MAX-LOG-MAP算法表現(xiàn)次之，之后是SOVA算法.在高信噪比時(shí)，SOVA性能下降十分明顯.從算法復(fù)雜度而言，LOG-MAP算法最為復(fù)雜，之后是MAX-LOP-MAP算法，SOVA算法最簡(jiǎn)單.因此可以得到性能優(yōu)異的Turbo譯碼算法是以犧牲算法的簡(jiǎn)易性為代價(jià).

圖3 Turbo碼不同算法性能AWGN信道測(cè)試Figure 3 Different algorithm decoding performance in AWGN channel of turbo code

圖4 Turbo碼不同迭代次數(shù)譯碼性能AWGN信道測(cè)試Figure 4 Different iteration number decoding performance in AWGN channel of turbo code

對(duì)于不同的迭代次數(shù)，使用SOVA算法[11]，并且通過AWGN信道進(jìn)行仿真比較，RSC子碼的生成多項(xiàng)式為(13,15)，系統(tǒng)碼率為1/2，結(jié)果如圖4所示.仿真結(jié)果表明，第一次迭代的誤比特性能較差，因?yàn)閮蓚€(gè)分量譯碼器之間的外部信息沒有很好的互相利用，隨著迭代次數(shù)的增加，兩個(gè)分量譯碼器之間的外部信息得到更好的利用，似然比漸進(jìn)值逼近于最大似然估計(jì)譯碼，解析得到源數(shù)據(jù)信息流的可能性也就越大.當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，譯碼性能趨于穩(wěn)定，增加新的迭代對(duì)性能的改善非常小并且運(yùn)行時(shí)間顯著增加.因此選擇合適的迭代次數(shù)對(duì)二維碼的譯碼效率也尤為重要.

對(duì)于不同的約束長(zhǎng)度，使用SOVA算法并且通過AWGN信道進(jìn)行仿真比較，RSC子碼的生成多項(xiàng)式為(13,15)，系統(tǒng)碼率為1/3，結(jié)果如圖5所示.仿真結(jié)果表明，約束長(zhǎng)度越長(zhǎng)，Turbo碼的糾錯(cuò)能力越好.但約束長(zhǎng)度的增加會(huì)提高譯碼的復(fù)雜性，因此為了二維碼的譯碼效率需要選擇適當(dāng)?shù)募s束長(zhǎng)度.

對(duì)于不同的碼率，使用SOVA算法并且通過AWGN信道進(jìn)行仿真比較，RSC子碼的生成多項(xiàng)式為(13,15)，系統(tǒng)迭代次數(shù)為3次，結(jié)果如圖6所示.仿真結(jié)果表明，在達(dá)到誤幀率10-5時(shí)，碼率1/3比碼率1/2低1.5分貝.說明碼率越大，對(duì)于信道的糾錯(cuò)能力也就越弱.對(duì)于約束度確定的RSC編碼器，為了讓二維碼攜帶更多的源信息數(shù)據(jù)需要改變刪余矩陣對(duì)校驗(yàn)流的刪減，增大碼率.

圖5 Turbo碼不同約束長(zhǎng)度性能AWGN信道測(cè)試Figure 5 Different constraint length of Turbo code performance in AWGN channel

圖6 Turbo碼不同譯碼速率性能AWGN信道測(cè)試Figure 6 Different decoding speed performance in AWGN channel of turbo code

對(duì)于DataMatrix、QRCode等常用的糾錯(cuò)算法Reed-Solomon(基于NASA標(biāo)準(zhǔn))，運(yùn)用RS(255,223)與Turbo碼進(jìn)行比較.上述幾個(gè)比較實(shí)驗(yàn)可以確定使用Turbo碼的幾個(gè)參數(shù).在AWGN的信道中編碼BPSK性能中，使用RSC子碼的生成多項(xiàng)式為(13,15)，系統(tǒng)碼率為1/2，系統(tǒng)迭代次數(shù)為3次的SOVA譯碼算法的Turbo碼與使用硬判決的RS(255,223)譯碼相比，在達(dá)到誤幀率10-5時(shí)，Turbo碼性能比RS碼低4分貝，可以在更低的信噪比下?lián)碛懈〉恼`幀率，仿真結(jié)果如圖7.

圖7 RS碼，Turbo碼性能AWGN信道測(cè)試Figure 7 RS code, Turbo code performance in AWGN channel

5 結(jié) 論

本文通過使用基于Turbo編碼方法與基于Turbo譯碼算法和矩陣交織技術(shù)對(duì)二維碼圖片進(jìn)行軟譯碼方法，能夠提高二維碼的可識(shí)別能力和自我糾錯(cuò)能力.為了提高二維碼的譯碼速度選擇使用SOVA譯碼方法，系統(tǒng)迭代次數(shù)為3次，約束長(zhǎng)度為1 024.根據(jù)源數(shù)據(jù)信息流的長(zhǎng)度選擇ECC200表格規(guī)格，參考表格的糾錯(cuò)率對(duì)不同長(zhǎng)度的源數(shù)據(jù)信息流選擇不同的譯碼速率.但Tubro碼固有缺點(diǎn)有較大的延時(shí)，在低速的二維碼中，要求源數(shù)據(jù)信息流的長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng).鑒于此問題，我們需要對(duì)其中的二維碼圖片編碼和譯碼方法做進(jìn)一步的改進(jìn)，以便在實(shí)際應(yīng)用中能夠得到更廣泛的運(yùn)用.

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Anoveltwo-dimensionalbarcodegeneratingandreading

LIAO Jinghui,LOU Xizhong

(College of Information Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

2096-2835(2017)03-0365-06

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2017-07-06 《中國(guó)計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址zgjl.cbpt.cnki.net

TN911.2

A

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.03.019