二維條碼技術(shù)及其在３Ｇ中的應(yīng)用

摘要：二維條碼作為一種新的信息存儲和傳遞技術(shù)，具有信息容量大、不依賴于數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、可靠性高、保密防偽性強(qiáng)和易于制作等優(yōu)點，在各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。文章簡要介紹了二雛條碼的基本概念及其分類，并以PDF417條碼為倒介紹了二維條碼的碼圖結(jié)構(gòu)和編解碼過程。最后介紹了二維條碼在3G中的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：二維條碼；PDF417； 手機(jī)二維條碼；3G

0 引言

條碼技術(shù)的發(fā)明給計算機(jī)賦予了視覺功能，解決了計算機(jī)快速識讀數(shù)字信息的困難，為管理的科學(xué)化和現(xiàn)代化做出了很大貢獻(xiàn)。但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，一維條碼漸漸表現(xiàn)出了它的局限。首先，一維條碼對物品信息的描述依賴于預(yù)先建立的計算機(jī)數(shù)據(jù)庫或網(wǎng)絡(luò)，必須通過連接數(shù)據(jù)庫的方式提取信息才能明確條碼所表達(dá)的信息含義；其次，一維條碼表達(dá)的只能為字母和數(shù)字，而不能表達(dá)漢字和圖像；另外，在某些場合下，大信息容量的一維條碼通常受到標(biāo)簽尺寸的限制，給產(chǎn)品的包裝和印刷帶來了不便?；谝陨显蚨S條碼技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 二維條碼簡介

1.1二維條碼的基本概念

二維條碼可以理解為一維條碼在縱向上的疊加，如圖1所示，它用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面上分布的條、空相問的圖形來記錄數(shù)據(jù)符號信息。在特定的編碼規(guī)則下，二維條碼技術(shù)可以將數(shù)字、文字和圖像等一切可數(shù)字化的數(shù)據(jù)源壓縮成為幾何圖形，而譯碼設(shè)備在讀取此圖形后，根據(jù)適當(dāng)?shù)淖g碼算法，便可將此圖形還原成對應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。

1.2二維條碼的分類

二維條碼可以分為堆疊式二維條碼、矩陣式二維條碼和郵政碼三大類。堆疊式二維條碼形態(tài)上是由多行短截的一維條碼堆疊而成；矩陣式二維條碼以矩陣的形式組成，在矩陣相應(yīng)元素位置上用“點”表示二進(jìn)制“1”，用“空”表示二進(jìn)制“0”，由“點”和“空”的排列組成代碼。郵政碼是通過不同長度的條進(jìn)行編碼，主要用于郵件編碼。

(1)堆疊式二維條碼

堆疊式二維條碼，又稱行排式、堆積式或?qū)优攀蕉S條碼。圖1中的二維條碼就是一種堆疊式二維條碼。它的識讀設(shè)備與條碼印刷與一維條碼技術(shù)兼容，但由于行數(shù)的增加，需要對行進(jìn)行判定，其譯碼算法和軟件也不同于一維條碼。有代表性的堆疊式二維條碼有：Code 16K、Code 49、PDF417等。

(2)矩陣式二維條碼

矩陣式二維條碼，又稱棋盤式二維條碼，它是在一個矩形空間通過黑白像素在矩陣中的不同分布進(jìn)行編碼。圖2中給出了幾種矩陣式二維條碼的示意圖。在矩陣相應(yīng)元素位置上，用點(方點、圓點或其他形狀)的出現(xiàn)表示二進(jìn)制“1”，點的不出現(xiàn)表示二進(jìn)制的“0”，點的排列組合確定了矩陣式二維條碼所代表的意義。代表性的矩陣式二維條碼有：Code One、MaxiCode、QR Code、Data Matrix等。

二維條碼中，矩陣式比對堆疊式帶有更高的信息密度，它只能被二維的CCD圖像式閱讀器識讀，并能以全向的方式掃描。

2 二維條碼編解碼舉例

本文以PDF417為例介紹二維條碼的碼圖結(jié)構(gòu)和編解碼方法。PDF417是—種可通用的便攜式數(shù)據(jù)庫庫(Portable Data Files)，是一種二維堆疊式的條碼符號。圖3所示為PDF417符號的結(jié)構(gòu)示意圖。

PDF417條碼符號的頂部和底部為空白區(qū)，上下空白區(qū)之間為多層結(jié)構(gòu)，層數(shù)范圍是3～90。每層構(gòu)成如下：A-空白區(qū)；B-起始符；C-終止符；D-左層指示符號字符；E-右層指示符號字符；F-1～30個數(shù)據(jù)和符號字符。

PDF417每個數(shù)據(jù)字符包括4個條和4個空，每個條或空由1-6個模塊組成。一個數(shù)據(jù)符中的4個條和空的總模塊數(shù)為17，故名PDF417。每個數(shù)據(jù)符都以深色模塊開始，以淺色模塊結(jié)束。

PDF4]7的符號字符集可分為三個互相獨立的子集，即三個簇，每個簇均有以不同的條空形式表示929個符號字符值，即碼字。三個簇的邏輯簇號為0，3和6，每層只使用一個簇中的符號字符。同一簇每三層重復(fù)一次。第。一層使用0簇符號字符，第二層使用3簇符號字符，第四層使用。簇符號字符，以此類推。對于—個給定的符號字符，其簇號定義為：簇號=(b1-b2+b3-b4+9)mod9。b1、b2，b3、b4分別表示從左向右四個條的模塊數(shù)，見圖4。PDF417條碼的這種層編碼規(guī)則能解決閱讀堆疊式二維條碼丟失垂直同步信號的問題，使譯碼器能利用穿過層的掃描。每一層的指示符號字符由層號(i)、符號層數(shù)(3～90)、每層符號字符個數(shù)(1～30)以及糾錯等級(0-8)決定。PDF417中的起始符和終止符是惟一的。

由以上的介紹可以總結(jié)出二維條碼的碼圖結(jié)構(gòu)可以分為兩個部分：碼圖標(biāo)識符區(qū)域和數(shù)據(jù)存儲區(qū)域。標(biāo)識符區(qū)域的作用是用于拍攝或掃描的二維條碼圖形的快速識別定位。數(shù)據(jù)存儲區(qū)域則用來存放用戶數(shù)據(jù)。一般來說存放的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制的“0”、“1”字符串，它們按一定的編碼規(guī)則和糾錯算法規(guī)則對應(yīng)為相應(yīng)的數(shù)字串、西文字符串、中文字符串或者是其它信息。

PDF417條碼在編碼時，首先對未編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。有三種數(shù)據(jù)壓縮模式：文本壓縮模式TC、字節(jié)壓縮模式BC、數(shù)字壓縮模式NC。每種模式結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的算法。通過應(yīng)用模式鎖定／轉(zhuǎn)移碼字，可在一個PDF417條碼符號中應(yīng)用一種或者多種模式表示數(shù)據(jù)。圖5為417條碼的模式切換圖。

二維條碼符號表示包括數(shù)據(jù)流編碼和碼字流表示兩個部分內(nèi)容，如圖6所示。

數(shù)據(jù)流編碼過程又可以分為兩個部分：一是將數(shù)據(jù)源信息流根據(jù)一定的數(shù)據(jù)壓縮模式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)碼字流的過程；二是根據(jù)RS錯誤控制碼算法及數(shù)據(jù)糾錯要求在數(shù)據(jù)碼字流基礎(chǔ)上生成糾錯碼字流的過程。

碼字流表示過程是指在完成數(shù)據(jù)流編碼之后，按照特定的規(guī)則將碼字流表示成相應(yīng)的二維條碼符號字符。

例如超市商品的二維條碼，就是把商品信息(如生產(chǎn)地、廠家名稱。生產(chǎn)日期、保質(zhì)期，主要原料等信息)制成二維條碼，打印出來貼在商品上以便保存。通過條碼識讀設(shè)備對條碼進(jìn)行譯碼即可得相應(yīng)商品信息。

在商品標(biāo)識信息中漢字占多數(shù)，所以采用字節(jié)壓縮模式進(jìn)行編碼。字節(jié)壓縮模式通過基256至基900的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)信息流轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)碼字流。當(dāng)所要表示的字節(jié)總數(shù)不是6的倍數(shù)時，用模式鎖定901；當(dāng)所要表示的字節(jié)總數(shù)是6的倍數(shù)時，用模式鎖定924。在應(yīng)用模式鎖定924的情況下，6個字節(jié)可通過基256至基900的轉(zhuǎn)換用5個碼字表示，從左到右進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用模式鎖定901的情況下，每前6個字節(jié)的轉(zhuǎn)換方法與上述方法相同，對被6整除所剩余的字節(jié)應(yīng)每個字節(jié)對應(yīng)一個碼字，逐字節(jié)用碼字表示。

對于數(shù)據(jù)碼字流d_n-1，…d₀，根據(jù)RS錯誤控制碼算法及預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)糾錯要求，可以生成符合要求的糾錯碼字流c_k-1…c₀。把數(shù)據(jù)字符流和糾錯碼字流加上起始符等控制信息就可以對條碼字符按照PDF417符號的結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列。PDF417條碼的符號表示規(guī)則指出每行的數(shù)據(jù)需要用三個不同的簇表示，每一簇都有其相應(yīng)的“符號字符一碼字集表”，通過查找這些表可以得到碼字流的正確條空形式，即設(shè)計出了二維條碼。

二維條碼的譯碼過程是通過二維條碼識讀器來完成的。二維條碼有兩種基本識讀方法：一是存儲一系列線性掃描序列進(jìn)行動態(tài)識讀；二是用CCD攝像機(jī)攝取二維條碼并存儲圖像，然后用靜態(tài)技術(shù)識別有用區(qū)域。

PDF417具有層編碼信息，解決了垂直同步信息的問題，可以采用存儲一系列線性掃描序列進(jìn)行動態(tài)識讀。譯碼器必須精確測量掃描器掃描條碼符號時所發(fā)出的一系列脈沖數(shù)字信號的寬度?？梢詫呙杵鬏敵鲂盘柵c其反相信號分別與中斷O、中斷1相連，并同時采用定時器0和定時器1進(jìn)行寬度測量。譯碼器解譯的數(shù)據(jù)通過鍵盤口傳送給計算機(jī)，再通過相應(yīng)的譯碼軟件就可以識讀PDF417條碼。

3 二維條碼的應(yīng)用

二維條碼作為一種薪的信息存儲和傳遞技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在國防、公共安全、交通運(yùn)輸、醫(yī)療保健、工業(yè)、商業(yè)、海關(guān)及政府管理等的領(lǐng)域。下面主要介紹二維條碼在移動增值業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用。

手機(jī)二維條碼技術(shù)采用手機(jī)作為二維條碼信息的載體和識讀設(shè)備，將帶有信息的二維條碼以彩信的形式在手機(jī)里存儲、閱讀、傳播，它是二維條碼技術(shù)與移動增值業(yè)務(wù)的完美結(jié)合。如果手機(jī)具有10萬像素拍照功能且安裝了二維條碼軟件，就可以拍攝二維條碼，并解析出其中信息。中國移動在2005年8月首次發(fā)布關(guān)于手機(jī)二維條碼的規(guī)范并在10月的通信展中展示了利用二維條碼進(jìn)行奧運(yùn)購票以及信息查詢等功能；在2006年8月中國移動又推出了“條碼識別”業(yè)務(wù)，采用的是DM碼和QR碼相融合的一種碼型。目前手機(jī)二維條碼已經(jīng)有了多種應(yīng)用方案，例如手機(jī)條碼閱讀引擎，電子票務(wù)等。手機(jī)二維條碼業(yè)務(wù)將會成為3G時代的主流業(yè)務(wù)。

3.1手機(jī)二維條碼閱讀引擎的應(yīng)用

手機(jī)二維條碼閱讀引擎是一種支持手機(jī)掃描、識別二維條碼的軟件。帶攝像頭的手機(jī)只要內(nèi)置或下載二維條碼閱讀引擎后，就可以通過掃描物品上的二維條碼解讀二維條碼內(nèi)所隱含的信息。主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)錄入、解碼上網(wǎng)、解碼防偽等方面。

數(shù)據(jù)錄入應(yīng)用包括用手機(jī)拍攝二維條碼，識讀條碼內(nèi)的信息并儲存等的應(yīng)用。例如應(yīng)用二維條碼技術(shù)進(jìn)行交通管理：在執(zhí)照年審?fù)ㄖ獑位蛟趫?zhí)照上印刷一個二維條碼，將所有年審或頒發(fā)新牌照所需要的信息放在二維條碼里，參加年審者只須攜帶年審?fù)ㄖ獑位驁?zhí)照，工作人員只須用手機(jī)掃讀一下通知單或執(zhí)照上的二維條碼便可獲取全部審驗信息。

如果把網(wǎng)站鏈接錄入到商品、名片、廣告上面的二維條碼中，用戶用內(nèi)置二維條碼閱讀引擎的手機(jī)掃描該條碼，解析出網(wǎng)址IP后就可以自動鏈接到相應(yīng)的網(wǎng)站上直接瀏覽商品、下載折扣券、用手機(jī)支付購票。這為消費者帶來了一種全新的手機(jī)上網(wǎng)模式。

二維條碼具有多重防偽特性，它可以采用密碼防偽、軟件加密及利用所包含的信息如指紋、照片等進(jìn)行防偽。廠家根據(jù)相應(yīng)的編碼標(biāo)準(zhǔn)給每件出廠商品分配二維編碼，并建立商品信息數(shù)據(jù)庫存儲出廠商品的相關(guān)信息。消費者購買商品時，用安裝了二維條碼閱讀引擎的手機(jī)掃描產(chǎn)品上的二維條碼并查詢生產(chǎn)商的商品信息數(shù)據(jù)庫就可以辨識該商品的真?zhèn)巍?/p>

3.2電子票務(wù)的應(yīng)用

在日常生活中紙質(zhì)票務(wù)相對于電子票務(wù)來說存在很多不足：如印刷成本較高、容易被復(fù)制仿冒、易損毀等；票券運(yùn)營單位面臨著售票的人力成本高、防止假票的安全驗證、票務(wù)使用信息不能留存等問題的困擾；消費者存在著要親自到售票場地去取票、被假票欺騙、保存票券等諸多不便。而應(yīng)用手機(jī)二維條碼技術(shù)產(chǎn)生的電子票可以有效地解決傳統(tǒng)票務(wù)領(lǐng)域存在的上述問題。電子票務(wù)的實現(xiàn)是結(jié)合售票單位的網(wǎng)站、售票信息發(fā)布平臺共同來完成的。首先，消費者有購票的需求，查找相關(guān)的票務(wù)信息，根據(jù)相關(guān)信息的指引，發(fā)短信到售票系統(tǒng)，按提示進(jìn)行支付。支付完成后，售票系統(tǒng)把電子票以二維條碼的形式發(fā)送到購票者的手機(jī)中，完成購票流程。消費時經(jīng)過終端的驗票設(shè)備進(jìn)行檢驗后，可享受相應(yīng)的服務(wù)。

4 結(jié)束語

隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，二維條碼的應(yīng)用前景越來越廣泛，二維條碼技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用必將為我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來可觀的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。二維條碼的出現(xiàn)是條形碼發(fā)展史上的里程碑，它提高了條形碼技術(shù)的應(yīng)用水平，拓寬了條形碼技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。