CN110610219B

CN110610219B - 一种彩色环形二维码及其生成和解码方法

Info

Publication number: CN110610219B
Application number: CN201910740414.0A
Authority: CN
Inventors: 易馥旺; 翟广涛; 朱泽昊
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2039-08-12
Also published as: CN110610219A

Abstract

本发明公开了一种彩色环形二维码及其生成和解码方法，该二维码包括黑白的定位区，所述定位区包含一个实心圆和位于所述实心圆外的第一圆环、第二圆环，所述第一圆环和所述第二圆环为两个同心圆环；彩色的数据区，所述数据区是一个与所述定位区同心的第三圆环，所述定位区位于所述第三圆环内侧，所述第三圆环上划分多个数据块。该二维码生成方法为：将数据流转换为四进制数，根据四进制数与颜色对应关系，为多个数据块上色。解码时先找到定位区的中心，然后在极坐标下进行扫描解码。本发明通过采用颜色编码和基于扫描的解码方法，新的二维码在达到基本信息容量同时，可以有效地提高图像抗畸变能力。

Description

一种彩色环形二维码及其生成和解码方法

技术领域

本发明涉及二维码领域，特别涉及一种彩色环形二维码及其生成和解码方法。

背景技术

近年来，二维码的应用越来越来广泛，尤其是在移动支付和在线社交等领域。由于其较大的信息容量和快速的识别，在人们的日常生活中得到了迅速的普及。尽管目前二维码已经得到了大范围的推广，在许多场景下现有二维码仍有一定的局限性，最突出的就是二维码的抗图像畸变的能力不足。事实上，以QR Code为代表的矩阵型二维码的正确识别建立在一个基础上：二维码被打印在一个平整的平面上。如果二维码所在的平面发生了凸起或凹陷，例如二维码被打印在球体上，二维码的识别率会大幅下降。对于柱体、椎体等的曲面甚至织物等非刚体的表面，二维码的识别能力非常有限。公告号为CN103793735A的中国发明专利就提出了一种新的圆形二维条码及其编码解码方法来提高二维码抗图像畸变能力。但是该二维码以圆环为数据单位，数据密度很低，同时通过不同灰度值来编码数据，对二维码读取设备的精度要求高，故而该二维码实际应用受限。所以现阶段二维码的应用主要集中在平整表面上的识别。

随着物联网的发展，对于二维码在各种物体上的识别的需求在不断增加，二维码的低成本和高信息量的特点使其相对于RFID芯片有较大的优势。因此，如果能够大幅提升二维码的抗图像畸变能力，二维码的应用将会得到更大的扩展。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种彩色环形二维码及其生成和解码方法，采用颜色编码和新的解码方法，在可以达到基本的信息容量的同时，有效地提高图像抗畸变能力。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的。

根据本发明的第一方面，提供一种彩色环形二维码，所述二维码包括：

黑白相间的定位区，所述定位区包含一个实心圆和位于所述实心圆外的第一圆环、第二圆环，所述第一圆环和所述第二圆环为两个同心圆环；

彩色的数据区，所述数据区是一个与所述定位区同心的第三圆环，所述定位区位于所述第三圆环内侧，所述第三圆环上划分多个数据块。

较佳地，所述的定位区，其中：

所述实心圆是黑色，所述第一圆环为白色，所述第二圆环为黑色，所述实心圆外侧依次接一白一黑的所述第一圆环、所述第二圆环；或者

所述实心圆是白色，所述第一圆环为黑色，所述第二圆环为白色，所述实心圆外侧依次接一黑一白的所述第一圆环、所述第二圆环。

较佳地，所述第一圆环、所述第二圆环的圆环环宽相同。进一步的，所述第一圆环、所述第二圆环的圆环环宽为所述实心圆直径的1/3。

较佳地，所述第三圆环是一个角度多等分的圆环，形成多个相等的数据块，其中一个所述数据块为白色，作为数据读取的起始点，其他所述数据块分别用红、绿、蓝和黄四种颜色编码，分别编码为0、1、2和3，相邻所述数据块颜色不同。

较佳地，所述第三圆环是一个角度16等分的圆环，且内径等于所述第二圆环的外径，环宽大于或等于所述实心圆直径的1/3。

根据本发明的第二方面，提供一种彩色环形二维码的生成方法，所述方法：将数据流转换为四进制数，并跳过相邻四进制字节相同的结果，根据四进制数与颜色对应关系，往数据区的第三圆环中的多个数据块上色。

根据本发明的第三方面，提供一种彩色环形二维码的解码方法，包括：

S1：将原始彩色环形二维码图片的彩色像素进行颜色转换，当定位区的实心圆为黑色时，彩色像素转换为白色；当定位区的实心圆为白色时，彩色像素转换为黑色；

S2：扫描S1处理后的二维码图片，找到定位区中心；

S3：以定位区中心为坐标原点，将原始彩色环形二维码图片转换到极坐标系下；

S4：沿所述极坐标系的r轴扫描找到数据区，沿所述极坐标系的φ轴扫描解码数据区。

较佳地，所述方法在S1之前，还包括对原始彩色环形二维码图片进行白平衡处理。

较佳地，所述方法在S1之后，还包括对图像依次进行灰度化、二值化、高斯滤波处理。

较佳地，S3中，所述沿所述极坐标系的r轴扫描找到数据区是指每一行像素扫描时，遇到的第一个彩色像素即认定为所述数据区的像素采样点。

较佳地，所述沿所述极坐标系的φ轴扫描解码数据区是指沿所述极坐标系的φ轴识别每行的像素采样点的颜色，遇到颜色跳变即判定到达新的数据块。

相较于现有技术，本发明的优点是：

本发明上述的彩色环形二维码通过采用颜色编码，新的二维码的信息容量较传统环形二维码有所提升。

本发明上述的彩色环形二维码的解码方法，采用基于扫描的解码方法能够提升二维码的抗图像畸变能力，在应对桶形失真、枕形失真、透视失真以及打印在不规则几何体上导致的失真，都有更好的解码效果。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明一实施例的彩色环形二维码结构图；

图2为本发明一实施例彩色环形二维码的解码流程图；

图3为本发明一较优实施例彩色环形二维码的解码流程图；

图4为本发明一较优实施例极坐标系下的二维码图像；

图5为本发明另一较优实施例的的彩色环形二维码结构图；

标号说明：1-实心圆，2-第一圆环，3-第二圆环，4-第三圆环，5-数据块，501-白色数据块，502-黑色数据块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一实施例中的彩色环形二维码示意图，图中所示的彩色环形二维码包括：黑白相间的定位区和彩色的数据区，定位区包含一个实心圆1位于实心圆1外的第一圆环2、第二圆环3，第一圆环2和第二圆环3为两个同心圆环；数据区是一个与定位区同心的第三圆环4，定位区位于第三圆环4内侧，第三圆环4上划分多个数据块5。

在图1所示的实施例中，定位区的实心圆1是黑色，第一圆环2为白色，第二圆环3为黑色，实心圆1外侧依次接一白一黑的第一圆环2、第二圆环3，即，黑色实心圆1位于最里面，然后第一圆环2外套在黑色实心圆1外，第二圆环3在外套在第一圆环2外。在较优实施例中，第一圆环2、第二圆环3的圆环环宽相同，第一圆环2、第二圆环3的圆环环宽为实心圆1直径的1/3。第三圆环4外套在第二圆环3外，实心圆1以及三个圆环均同心设置。在图1所示的实施例中，第三圆环4是一个角度16等分的圆环，形成16个相等的数据块5，其中一个为白色数据块501，白色数据块501作为数据读取的起始点，其他15个数据块5分别用红、绿、蓝和黄四种颜色编码，分别编码为0、1、2和3，相邻数据块5颜色不同。

以上实施例中，采用的是16等分的圆环，在其他实施例中，也可以是其他等分，一般等分为4的倍数，等分越多，数据密度越大，对扫码设备的分辨率要求越高；等分越少，对扫码设备的分辨率要求越低，但数据密度也会变低。上述实施例中优选16等分，此时信息容量为10⁷数量级，可以保证数据密度和传统的几种小尺寸二维码的数据密度差不多，例如同尺寸下Micro QR Code数据量为10⁵、DataMatrix为10⁶，即保证数据密度的最小等分。同样的，在其他实施例中，也可以是其他的颜色，颜色用的越多，对设备的分辨率要求越高，所以为达到基本的信息容量，上述实施例优选用四种颜色编码。进一步的，像素的颜色由RGB三通道组成的三元数表示，识别颜色时，通常根据颜色的三元数所处的范围来确定，例如(255,0,0)左右范围内识别为红色。当采用红绿蓝黄四色组合时，解码不用涉及数据具体所在范围，只需比较三元数之间的相对大小即可判定是四色中的哪一种。例如红色通道的值(第一个数)远大于绿色通道的值(第二个数)和蓝色通道的值(第三个数)，就认为是红色，绿色蓝色同理，黄色是蓝色的补色，第一个数和第二个数数值接近，远大于第三个数，即判定为黄色。这样设计的解码方法更简洁，稳定性更高。因此，上述实施例采用红绿蓝黄四种颜色能够提升二维码的数据量到现有常见小尺寸二维码的水平，同时稳定性最高。

在较优实施例中，第三圆环4是一个角度16等分的圆环，且内径等于第二圆环3的外径，环宽大于或等于实心圆1直径的1/3。

以上实施例中，二维码的实心圆和圆环采用的1:1:3:1:1的直径比例，当然，在其他实施例中，也可以是其他比例，例如1:1:4:1:1也可以，只是定位区尺寸会更大一些。1:1:3:1:1的直径比例是一个比较优选比值。

在本发明另一较优实施例中，提供一种彩色环形二维码的生成方法，具体的：首先生成一个环形二维码模板，包括黑白的定位区和彩色的数据区，具体结构如上实施例中的彩色环形二维码。然后进行数据的转换，以数据410720541为例，首先将其转换为4进制数120132301210131，检查发现无相邻字节相同，按0、1、2、3分别对应红、绿、蓝、黄，得到数据区颜色序列为“绿蓝红绿黄蓝黄红绿蓝绿红绿黄绿”，在白色数据块501后逆时针按照颜色序列上色。

在本发明另一实施例中，提供上述彩色环形二维码的解码方法。参照图2所示，解码方法可以按如下步骤进行：

S1：将原始彩色环形二维码图片的彩色像素都转换为白色；

S2：扫描S1处理后的二维码图片，找到定位区的中心；由于定位区的两个圆环和实心圆是同心的，所以定位区中心和实心圆圆心是一样的；定位时扫描每一行像素，如果像素的颜色比例是黑：白：黑：白：黑＝1:1:3:1:1，则认为是定位区。

S3：以S2得到的定位区中心为坐标原点，将原始彩色环形二维码图片转换到极坐标系下；

S4：沿极坐标系的r轴扫描找到数据区，沿极坐标系的φ轴扫描解码数据区；其中：沿r轴扫描找到数据区是指每一行像素扫描时，遇到的第一个彩色像素即认定为数据区的像素采样点；扫描解码数据区是指沿极坐标的φ轴识别每行的像素采样点的颜色，遇到颜色跳变即判定到达新的数据块5。

从白色数据块501开始依序读取数据区的每个数据块5的颜色后，再根据颜色和4进制数的对应关系即可得到4进制数据，再转换为10进制数，即可得到原始数据。

图4是极坐标系下的二维码图像，横轴是r轴，纵轴是φ轴，每一行的像素颜色顺序都是黑、白、黑、彩色(或者白色，只在白色数据块的几行是白色，图中的最后几行)、其他颜色(由于二维码周围可能有各种颜色，这里用其他颜色代替表示)，扫描遇到的第一个彩色像素作为数据区的像素采样。实际中对于区分数据区中的白色像素和第二圆环的白色像素，增加了一个设定，当第二次遇到白色像素时认为是数据块的白色像素，如最后几行，颜色顺序是黑、白、黑、白，第二次白的像素才是数据块的像素。

在本发明另一较优实施例中，提供上述彩色环形二维码的解码方法。参照图3所示，解码方法可以按如下步骤进行：

S1：对彩色环形二维码图片进行图像预处理；图像预处理包括白平衡，白平衡可以去除光照对图像颜色的影响；

S2：将S1预处理后的二维码图片的彩色像素都转换为白色；进一步的，在转换成白色后，还可以依次进行图像的灰度化、二值化、高斯滤波处理；灰度化和二值化是为了方便后续定位操作，高斯滤波是为了消除一些图像的噪声；

S3：扫描S2处理后的二维码图片，找到定位区的中心；

S4：以S3得到的定位区中心为坐标原点，将原始彩色环形二维码图片转换到极坐标系下；

S5：沿极坐标系的r轴扫描找到数据区，沿极坐标系的φ轴扫描解码数据区；该步骤与图2所示实施例相同，不再赘述。

参照图5所示，为本发明另一较优实施例中的彩色环形二维码示意图，包括：黑白相间的定位区和彩色的数据区，定位区包含一个实心圆1位于实心圆1外的第一圆环2、第二圆环3，第一圆环2和第二圆环3为两个同心圆环；数据区是一个与定位区同心的第三圆环4，定位区位于第三圆环4内侧，第三圆环4上划分多个数据块5。与图1所示不同之处在于：定位区的实心圆1是白色，第一圆环2为黑色，第二圆环3为白色，实心圆1外侧依次接一黑一白的第一圆环2、第二圆环3，即，白色实心圆1位于最里面，然后黑色的第一圆环2外套在白色实心圆1外，白色的第二圆环3在外套在黑色的第一圆环2外。第三圆环4是一个角度16等分的圆环，形成16个相等的数据块5，其中一个为黑色数据块502，黑色数据块502作为数据读取的起始点，其他15个数据块5分别用红、绿、蓝和黄四种颜色编码，分别编码为0、1、2和3，相邻数据块5颜色不同。其他设置于图1所示实施例相同，不再赘述。

对应图5所示的彩色环形二维码，提供彩色环形二维码的解码方法，包括：

S1：对彩色环形二维码图片进行白平衡预处理，白平衡是为了去除光照对图像颜色的影响；

S2：将S1预处理后的二维码图片的彩色像素都转换为黑色；进一步的，在转换成黑色后，还可以依次进行图像的灰度化、二值化、高斯滤波处理；灰度化和二值化是为了方便后续定位操作，高斯滤波是为了消除一些图像的噪声；

S3：扫描S2处理后的二维码图片，找到定位区的中心；

S5：沿极坐标系的r轴扫描找到数据区，沿极坐标系的φ轴扫描解码数据区；该步骤与图2所示实施例相同。

以上没有详细描述的部分，可以参照图1-3所示实施例中的技术实现，这对于本领域技术人员来说，是容易实现的，不再赘述。

本发明上述实施例提出的二维码数据区仅为一个圆环，通过等分圆环划分数据区，提高了数据密度，同时通过坐标系的转换和颜色编码，解码算法的复杂度更低，对设备的精度要求更低。背景技术中CN103793735A的二维码数据区需要多个圆环，且最外层需要两个圆环来分隔二维码周围像素干扰，而本发明的二维码仅需一个圆环，且通过彩色转白色或黑色的操作，使得数据区可以在定位时复用为静止区，起到分隔二维码周围像素干扰的功能，而不用多加两个圆环，使得二维码的数据密度进一步提升。举例来说，本发明上述的二维码的最大数据量约为2*10⁷，在其他条件一样的情况下，相同数据量的上述CN103793735A的二维码，尺寸是本发明二维码的19.75倍。

综上本发明上述实施例，通过采用颜色编码和基于扫描的解码方法，新的二维码在达到基本信息容量同时，可以有效地提高图像抗畸变能力。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims

1.一种彩色环形二维码，其特征在于：所述二维码包括：

彩色的数据区，所述数据区是一个与所述定位区同心的第三圆环，所述定位区位于所述第三圆环内侧，所述第三圆环上划分多个数据块，相邻所述数据块颜色不同；

其中：

所述二维码的解码方法，包括：

S2：扫描S1处理后的二维码图片，找到定位区的中心；

S3：以定位区中心为坐标原点，将彩色二维码图片转换到极坐标系下；

2.根据权利要求1所述的一种彩色环形二维码，其特征在于：所述定位区，其中：

3.根据权利要求2所述的一种彩色环形二维码，其特征在于：所述第一圆环、所述第二圆环的圆环环宽相同。

4.根据权利要求2所述的一种彩色环形二维码，其特征在于：所述第一圆环、所述第二圆环的圆环环宽为所述实心圆直径的1/3。

5.根据权利要求1所述的一种彩色环形二维码，其特征在于：所述第三圆环是一个角度多等分的圆环，形成多个相等的数据块，其中一个所述数据块为白色，作为数据读取的起始点，其他所述数据块分别用红、绿、蓝和黄四种颜色编码，分别编码为0、1、2和3。

6.根据权利要求5所述的一种彩色环形二维码，其特征在于：所述第三圆环是一个角度16等分的圆环，且内径等于所述第二圆环的外径，环宽大于或等于所述实心圆直径的1/3。

7.一种权利要求1-6任一项所述的彩色环形二维码的生成方法，其特征在于：将数据流转换为四进制数，并跳过相邻四进制字节相同的结果，根据四进制数与颜色对应关系，往数据区的第三圆环中的多个数据块上色。

8.一种权利要求1-6任一项所述的彩色环形二维码的解码方法，其特征在于：所述方法在S1之前，还包括对原始彩色环形二维码图片进行白平衡处理。

9.根据权利要求8所述的一种彩色环形二维码的解码方法，其特征在于：所述方法在S1之后，还包括对图像依次进行灰度化、二值化、高斯滤波处理。

10.根据权利要求8所述的一种彩色环形二维码的解码方法，其特征在于：S3中，

所述沿所述极坐标系的r轴扫描找到数据区是指每一行像素扫描时，遇到的第一个彩色像素即认定为所述数据区的像素采样点；

所述沿所述极坐标系的φ轴扫描解码数据区是指沿所述极坐标系的φ轴识别每行的像素采样点的颜色，遇到颜色跳变即判定到达新的数据块。