二维码及其识别技术

柔光的暖阳◎ 2022-08-07 11:34 871阅读 0赞

## [二维码及其识别技术][Link 1] ##

什么是二维码

二维条码是指在一维条码的基础上扩展出另一维具有可读性的条码，使用黑白矩形图案表示二进制数据，被设备扫描后可获取其中所包含的信息。一维条码的宽度记载着数据，而其长度没有记载数据。二维条码的长度、宽度均记载着数据。二维条码有一维条码没有的“定位点”和“容错机制”。容错机制在即使没有辨识到全部的条码、或是说条码有污损时，也可以正确地还原条码上的资讯。

二维码的分类

二维码的种类很多，不同的机构开发出的二维码具有不同的结构以及编写、读取方法。主要有堆叠式二维码（又称:行排式二维条码或堆积式二维条码或层排式二维条码)和矩阵式二维码(又称棋盘式二维条码)两类：

(1)**堆叠式二维码**

*  **PDF417**
 *  **Code49**
 *  **Code16K**
 *  **Ultracode**

(2)**矩阵式二维码**

*  **QR码**
 *  **Code One**
 *  **Aztec**
 *  **Data Matrix**
 *  **Maxicode**
 *  **龙贝码**
 *  **矽感网格矩阵（GM）**
 *  **矽感紧密矩阵（CM）**
 *  **汉信码**

其中**龙贝码、矽感网格矩阵（GM）、矽感紧密矩阵（CM）和汉信码**具有**国内专利技术**的二维码。

国外的二维码主要类型见下图

![国外的二维码类型][7544e.png]

国内技术的二维码主要类型见下图

![041501.tiff][]汉信码![2009112392723880.tiff][]GM码

![CM.tiff][]CM码![21.tiff][]龙贝码

**PDF417码**

PDF417条码是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，是实现**证件及卡片等大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的理想手段**。

PDF417码是由留美华人王寅敬（音）博士发明的。PDF是取英文**Portable Data File**三个单词的首字母的缩写，意为“**便携数据文件**”。因为组成条码的每一符号字符都是由4个条和4个空构成，如果将组成条码的最窄条或空称为一个模块，则上述的4个条和4个空的总模块数一定为17，所以称417码或PDF417码。

![PDF417][] PDF4-17码

PDF417二维条码是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，是实现证件及卡片等大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的理想手段。PDF417条码可表示数字、字母或二进制数据，也可表示汉字。一个PDF417条码最多可容纳1850个字符或1108个字节的二进制数据，如果只表示数字则可容纳2710个数字。**PDF417的纠错能力分为9级，级别越高，纠正能力越强**。由于这种纠错功能，使得污损的417条码也可以正确读出。我国目前已制定了PDF417码的国家标准。中国-PDF417二维条码已列为95期间的国家重点科技攻关项目。97年12月PDF417条码国家标准《四一七条码》已经正式颁布。

PDF417条码的特点及优点：

1.  信息容量大：根据不同的条空比例每平方英寸可以容纳250到1100个字符。在国际标准的证卡有效面积上(相当于信用卡面积的2/3，约为76mm\*25mm), PDF417条码可以容纳1848个字母字符或2729个数字字符，约500个汉字信息。这种二维条码比普通条码信息容量高几十倍。
2.  编码范围广：PDF417条码超越了字母数字的限制，可以将**照片、指纹、掌纹、签字、声音、文字等凡可数字化的信息进行编码**。
3.  保密、防伪性能好：PDF417条码具有多重防伪特性，它可以采用**密码防伪、软件加密及利用所包含的信息如指纹、照片等进行防伪**，因此具有极强的保密防伪性能。
4.  译码可靠性高：普通条码的译码错误率约为百万分之二左右，而PDF417条码的误码率不超过千万分之一，译码可靠性极高。
5.  修正错误能力强：PDF417条码采用了世界上最先进的数学纠错理论，如果**破损面积不超过50％，条码由于沾污、破损等所丢失的信息，可以照常破译出丢失的信息**。
6.  容易制作且成本很低：利用现有的点阵、激光、喷墨、热敏/热转印、制卡机等打印技术，即可在纸张、卡片、PVC、甚至金属表面上印出PDF417二维条码。由此所增加的费用仅是油墨的成本，因此人们又称PDF417是“零成本”技术。
7.  条码符号的形状可变：同样的信息量，PDF417条码的形状可以根据载体面积及美工设计等进行自我调整。

PDF417在我国的应用前景:

由于二维条码具有成本低，信息可随载体移动、不依赖于数据库和计算机网络、保密防伪性能强等优点，结合我国人口多、底子薄、计算机网络投资资金难度较大、对证件的防伪措施要求较高等特点，可以预见，PDF417条码在我国极有推广价值。可以应用在如下领域：

1.  **证件管理**：由于二维条码可以把照片或指纹编在二维条码中，有效地解决了证件的可机读及防伪等问题，因此可广泛地应用在护照、身份证、驾驶证、暂住证、行车证、军人证、健康证、保险卡等任何需要唯一识别个人身份的证件上。
2.  **执照年检**：**行车证、驾驶证的年审，各种工商营业执照、税务登记证、卫生检疫证、企事业代码证、 统计登记证等各种政府部门登记证件的年检**，可以通过采用二维条码，解决年检登记的计算机录入问题，既节约了政府工作人员的时间，同时，为企事业单位提供了良好的服务。 采用这种先进的技术，有利于改善政府的服务和公众形象。
3.  **报表管理**：**海关报关单、税务报表、保险登记表**等任何需重复录入或禁止伪造、删改的表格，都可以将表中填写的信息编在PDF417条码中，以解决表格的自动录入和防止篡改表中内容。
4.  机电产品的生产和组配线：如汽车总装线、电子产品总装线，皆可采用二维条码并通过二维条码实现数据的自动交换。
5.  **银行票据**管理。
6.  行包、货物的运输和邮递。

**QR二维码**

QR码是二维条码的一种，1994年由日本DENSO WAVE公司发明。QR来自英文“**Quick Response**”的缩写，即快速反应的意思，源自发明者希望QR码可让其内容快速被解码。根据Denso Wave公司的网站数据，QR码是属于开放式的标准，QR码的规格公开，虽由Denso Wave公司持有的专利权益，但不会被运行。QR码最常见于日本，并为目前日本最流行的二维空间条码。QR码比普通条码可存储更多数据，亦无需像普通条码般在扫描时需直线对准扫描仪。

QR码呈正方形，只有黑白两色。在3个角落，印有较小，像“回”字的的正方图案。这3个是帮助解码软件定位的图案，用户不需要对准，无论以任何角度扫描，数据仍可正确被读取。符号规格21×21模块（版本1）-177×177 模块（版本40）(每一规格：每边增加4个模块)。数据表示方法：**深色模块表示二进制“1”，浅色模块表示二进制“0”**。除了标准的QR码之外，也存在一种称为“微型QR码”的格式，是QR码标准的缩小版本，主要是为了无法处理较大型扫描的应用而设计。微型QR码同样有多种标准，最高可存储35个字符。

![诫子书][2577f.png]  
QR码示例：

内容为诸葛亮的《诫子书》：夫君子之行，静以修身，俭以养德，非澹薄无以明志，非宁静无以致远。夫学须静也，才须学也，非学无以广才，非志无以成学。淫慢则不能励精，险躁则不能治性。年与时驰，意与日去，遂成枯落，多不接世，悲守穷庐，将复何及。

QR码与PDF417比较:

1.  **QR码比PDF417识别速度快**，可达到30个/秒，而PDF417为3个/秒；
2.  **QR码可以实现360°全方向旋转识读**，PDF417需要在+/-10°的范围内才能被识读；
3.  **QR码表示汉字的效率比PDF417码高20%，QR码使用13bit表示一个汉字，而PDF417使用16bits表示一个汉字**；
4.  **QR码数据容量大，信息密度大，最多可表示多达3KB的内容，PDF417最多确只能表示1KB的内容**；
5.  QR码是正方形，PDF417是长方形，同样数据容量、有限的面积的情况下QR码可以表示更多的内容；
6.  **QR码对识读设备要求较低**，PDF417当容量比较大时长度也会随之增加，所以就要求识读设备可以读取较长的空间；
7.  支持QR码开发的工具控件非常多，使用起来非常方便；
8.  QR码又被称为**手机二维码**，所以QR码不但支持了传统PC设备上的Windows、Linux等系统，还支持了手机平台的主要系统，例如：Windows Mobile、Symbian OS、等，而PDF417尚未见过类似的应用。

QR码数据容量：

<table style="float:left"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>数字</td> 
   <td>最多7,089字符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>字母</td> 
   <td>最多4,296字符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>二进制数（8 bit）</td> 
   <td>最多2,953 字节</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>日文汉字／片假名</td> 
   <td>最多1,817字符（采用Shift JIS）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>中文汉字</td> 
   <td>最多984字符（采用UTF-8）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>中文汉字</td> 
   <td>最多1,800字符（采用BIG5）</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![千字文上][6c0e1.png] ![千字文下][53480.png]

以上是用QR码制作的《千字文》，前图960个字符，后图为290个字符，两图合起来共1250个字，为千字文全文（含标点）。

QR码的纠错能力：

<table style="float:left"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>L水平</td> 
   <td>7%的字码可被修正</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>M水平</td> 
   <td>15%的字码可被修正</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Q水平</td> 
   <td>25%的字码可被修正</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>H水平</td> 
   <td>30%的字码可被修正</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

QR code有容错能力，QR码图形如果有破损，仍然可以被机器读取内容，最高可以到**7%~30%面积破损仍可被读取**。所以 QR code 可以被广泛使用在运输外箱上。相对的，**容错愈高， QR code 图形面积愈大。所以一般折衷使用15%容错能力。**

QR码的应用：

利用30万像素以上的照相手机，搭配手机内的QR码解码软件，对着QR码一照，解码软件会自动解读此信息，显示于手机屏幕上面。目前也有运用到Webcam的镜头来解码，预计未来所有有镜头的科技产品，都会被导入此QR码的机制。

此外，QRDOOR、QuickMark提供PC版的QR码解码软件，让没有照相手机的用户也能直接通过PC版QR码解码软件直接截取屏幕上的QR码，以得到相关信息，让一般手机和PC用户也能体验QR码带来的方便性。

运用QR码及GPS的手机导航技术，让用户简化在手机中输入座目标程序，只须通过QR码照像手机一照，便可及时将地理座标存储在手机当中。

![3e385.png][]

QR码的主要应用的项目可分成四类：

1.  **自动化文字传输**：通常应用在文字的传输，利用快速方便的模式，让人可以**轻松输入如地址、电话号码、行事历等**，进行**名片、进程数据等的快速交换**。
2.  **数字内容下载**：通常应用在电信公司游戏及影音的下载，在帐单中打印相关的QR码信息供消费者下载，消费者通过QR码的解码，就能轻易连接到下载的网页，下载需要的数字内容。
3.  **网址快速链接**：以提供用户进行**网址快速链接、电话快速调用**等。
4.  **身分鉴别与商务交易**：许多公司现在正在推行QR码防伪机制，**利用商品提供的QR码链接至交易网站，付款完成后系统发回QR码当成购买身分鉴别**，应用于购买票券、贩卖机等。在**消费者端，也开始有企业提供了商品品牌确认的服务，通过QR码链接至统一验证中心，去核对商品数据是否正确，并提供生产履历供消费者查询，消费者能够更明白商品的信息，除了能够杜绝仿冒品，对消费者的购物更是多了一层保护**。

与一维条码一样，二维条码也有许多不同的编码方法，或称码制。就这些码制的编码原理而言，通常可分为以下两种类型  
  
**1. 行排式二维条码  
  
　　行排式二维条码（又称堆积式二维条码或层排式二维条码）**，其编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。有代表性的行排式二维条码有：**Code 16K、Code 49、PDF417**等。  
  
**2. 矩阵式二维条码**   
  
　　**短阵式二维条码（又称棋盘式二维条码）**它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表的意义。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维条码有：Code One、Maxi Code、QR Code、 Data Matrix等。  
  
　　在目前几十种二维要码中，常用的码制有：PDF417, Data Matrix, Maxi Code,QR Code, Code 49, Code 16K ,Code one,等，除了这些常见的二维条码之外，还有Vericode条码、CP条码、Codablock F条码、田字码,Ultracode条码，Aztec条码。

[Link 1]: http://www.cnblogs.com/heiyue/p/3571841.html
[7544e.png]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/7544e.png
[041501.tiff]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/28efa.png
[2009112392723880.tiff]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/3fe62.png
[CM.tiff]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/da727.png
[21.tiff]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/3c10f.png
[PDF417]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/26879.png
[2577f.png]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/2577f.png
[6c0e1.png]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/6c0e1.png
[53480.png]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/53480.png
[3e385.png]: http://www.medialab.pku.edu.cn/groups/7d880/wiki/b810e/images/__thumbs__/3e385.png