彩碼技術(shù)的生成原理的分析與研究

吳佳怡，馮鋒

（寧夏大學(xué)信息工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

條碼技術(shù)是當(dāng)今最流行的一種自動(dòng)識(shí)別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)，條碼技術(shù)就像基因一樣可以攜帶物品的大部分?jǐn)?shù)據(jù)[1]，條碼技術(shù)憑借其便捷、成本低信息可隨載體移動(dòng)、儲(chǔ)存信息量大等優(yōu)勢(shì)[2]，迅速在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。條碼技術(shù)的出現(xiàn)極大地優(yōu)化了數(shù)據(jù)采集和信息處理的流程[3]。目前，一維條碼和二維條碼已在商業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，但它們存在安全性低、存儲(chǔ)信息較少等方面的缺點(diǎn)。彩碼，作為新一代條碼技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生并且得到廣泛的關(guān)注，彩碼具有成本低、識(shí)別度高等方面的優(yōu)勢(shì)，能很大程度上解決目前條碼技術(shù)的瓶頸。彩碼技術(shù)的發(fā)展會(huì)在自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中占有重要地位，能大大提高工作效率。

1 彩碼技術(shù)的分析

1.1 條碼技術(shù)的發(fā)展

條碼技術(shù)最早產(chǎn)生于二十世紀(jì)二十年代[4]，在Westinghouse實(shí)驗(yàn)室里，Kermode發(fā)明了最早的條碼標(biāo)識(shí)，即一個(gè)“條”表示數(shù)字1，兩個(gè)“條”表示數(shù)字2，以此類(lèi)推。條碼最初的設(shè)想是應(yīng)用于郵政行業(yè)，Kermode“異想天開(kāi)”地對(duì)郵政單據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀。即在信封上做標(biāo)記（條碼），條碼中所傳達(dá)的信息便是收件人的信息。然后他又發(fā)明了條碼識(shí)讀設(shè)備，即掃描器和譯碼器。此后不久Douglas Young又對(duì)這種最初的條碼加以改良。Kermode這種條碼所含信息量相當(dāng)?shù)牡?，很難編出十個(gè)以上的不同代碼。而Douglas Young的條碼利用了各個(gè)條之間的空間尺寸的變化，這樣可以使用更少的條，從而占用更小的空并傳達(dá)更多的信息。但直到1949年專(zhuān)利文獻(xiàn)中才第一次出現(xiàn)了條形碼符號(hào)的記載。二十世紀(jì)七、八十年代開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[5]，這項(xiàng)專(zhuān)利也在發(fā)展中不斷改良，變成了今天我們常見(jiàn)的一維條碼。但那時(shí)候由于條碼識(shí)讀設(shè)備以及成本等因素的影響，條碼技術(shù)并未得到廣泛的應(yīng)用。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，針對(duì)一維碼存儲(chǔ)容量不足等缺點(diǎn)[6]，二維條碼在1970年由Iterface Mechanisms公司開(kāi)發(fā)出來(lái)，自二維碼問(wèn)世以來(lái)，便普遍得到人們的關(guān)注。我國(guó)是從八十年代中期開(kāi)始，在一些高等院校、科研部門(mén)及一些出口企業(yè)開(kāi)始廣泛的研究和應(yīng)用條形碼技術(shù)[7]。而彩碼是在二維碼基礎(chǔ)上而發(fā)展的一種新型信息條碼產(chǎn)品。隨著條碼技術(shù)的廣泛使用，提高了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的速度，極大提高了生產(chǎn)效率[8]。

1.2 彩碼的起源

彩碼最初是由韓國(guó)著名私立大學(xué)延世大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)明的，原本的設(shè)想是改變殘障人士的生活，通過(guò)電腦自帶的攝像頭來(lái)檢測(cè)，殘障人士只需簡(jiǎn)單的操作數(shù)字鍵或按鍵即可。但彩碼應(yīng)用于手機(jī)上時(shí)，由于手機(jī)按鍵并不十分方便，彩碼便改為直接由攝像頭掃描，即可讀取出需要的信息。日本Colorzip公司率先獲得專(zhuān)利，并在2000年推出相關(guān)產(chǎn)品，成為全球第一家開(kāi)發(fā)出運(yùn)用于智能手機(jī)的5×5四色矩陣彩碼。在日本得到了很好的發(fā)展。在2011年初，伴隨著易清互動(dòng)（北京）信息技術(shù)有限公司的成立，彩碼正式登陸中國(guó)市場(chǎng)。

目前，彩碼技術(shù)在韓國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)有較為成熟的市場(chǎng)，彩碼已經(jīng)普及到百姓的日常生活中。小到路邊的LED廣告牌，大到各大公司的標(biāo)志，全都有彩碼的身影。而在我國(guó)，大部分使用的條碼技術(shù)還局限于一維條碼和二維條碼，相信隨著我國(guó)各個(gè)行業(yè)的迅猛發(fā)展，彩碼必定作條碼技術(shù)的主導(dǎo)力量而應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域之中。

1.3 彩碼的定義及工作原理

彩碼又叫彩色碼，麗碼等，如圖1所示。彩碼是在傳統(tǒng)的黑色的二維碼的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。彩碼圖形是由一個(gè)n×n的矩陣圖構(gòu)成，矩陣的外框通過(guò)黑色線條封閉，并且在外框黑邊外留白[9]。

圖1 彩碼

彩碼技術(shù)不同于以往的一維碼或二維碼技術(shù)，它并非將所有信息加密后編入編碼之中，它只需存儲(chǔ)一些類(lèi)似“指針”的信息，比如服務(wù)器地址等等[10]。彩碼的工作原理是運(yùn)用讀取器和手機(jī)向服務(wù)器發(fā)送索引資訊，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，把索引資訊上傳到彩碼所在的服務(wù)器上，轉(zhuǎn)換成URL資訊，調(diào)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的存儲(chǔ)服務(wù)器上，便可以把需要讀取的信息顯示在手機(jī)上。彩碼的工作原理如圖2所示。彩碼的矩陣狀態(tài)和顏色數(shù)字化的模擬數(shù)據(jù)，與其他的數(shù)據(jù)處理，是通過(guò)專(zhuān)用的服務(wù)器地址?？蓪⒈匾男畔ⅲㄈ缥淖中畔?、視頻信息、URL內(nèi)容和其他數(shù)據(jù)等）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)快速傳播。

圖2 彩碼的工作原理

1.4 彩碼的特點(diǎn)

彩碼作為條碼技術(shù)的一份子，不僅具有成本低、易推廣、存儲(chǔ)信息量大、使用便捷等其他條碼擁有特點(diǎn)，還具有其他條碼技術(shù)不存在的優(yōu)勢(shì)。彩碼由于其特殊的識(shí)別方式（即通過(guò)對(duì)單元中顏色的判斷，已確定傳達(dá)的信息）導(dǎo)致彩碼具有較高的抗形變能力。由此特性，彩碼矩陣的每個(gè)小單元都可以做形變，可以調(diào)整顏色取值或插入其他非識(shí)別顏色來(lái)改變和擴(kuò)充彩碼圖案，使得彩碼圖案整體是可以進(jìn)行圖像和創(chuàng)作設(shè)計(jì)的。這便是彩碼最大的特性，即在遵循一定的規(guī)則下，彩碼可以通過(guò)平面創(chuàng)意設(shè)計(jì)，將企業(yè)的行業(yè)特質(zhì)、服務(wù)特性及CIS標(biāo)志融合其中，形成具有視覺(jué)意義的移動(dòng)領(lǐng)域的信LOGO[11]，使彩碼成為企業(yè)“新名片”。經(jīng)過(guò)畸變的彩碼如圖3所示。

圖3 畸變后的彩碼

其次，彩碼的識(shí)別范圍廣，對(duì)識(shí)別設(shè)備要求低，具有很強(qiáng)的扛畸變能力，可良好適應(yīng)于戶外大型LED顯示屏，地鐵公交等多種復(fù)雜的環(huán)境中。

2 彩碼技術(shù)與二維碼技術(shù)的比較研究

2.1 二維碼技術(shù)

二維碼，也稱(chēng)二維條碼，是相對(duì)于一維條碼而言的，它根據(jù)某種特定的幾何圖形，按一定規(guī)律在平面上分布的黑白相間的圖形[12]。二維碼是將需要保存的信息（如文字，圖片等）通過(guò)相應(yīng)的編碼算法編譯為一個(gè)方塊條形碼。當(dāng)需要讀取信息時(shí)，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的掃碼器和掃碼軟件，自動(dòng)讀取條碼（重新解碼信息），從而獲得相應(yīng)的信息。二維碼以它的高容量、高密度、快速定位與自動(dòng)解碼等特點(diǎn)[13]，迅速登陸各個(gè)行業(yè)并廣泛使用。在我國(guó)，目前使用范圍最廣的條碼技術(shù)，非二維碼莫屬。

2.2 彩碼和二維碼的存儲(chǔ)量的比較分析

二維碼，是通過(guò)對(duì)信息（照片，文字等）進(jìn)行相應(yīng)的編碼處理。因此，二維碼的存儲(chǔ)量有限，二維碼最多能存儲(chǔ)1850個(gè)大寫(xiě)字母，或2710個(gè)小寫(xiě)字母，或1108個(gè)字節(jié)，或500多個(gè)漢字。如果使用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的一維碼EAN13與糾錯(cuò)等級(jí)為M的QR二維碼相比較，相同面積下二維碼所表示的信息約為一維碼的八十多倍[14]。雖然二維碼相比于一維條碼，信息容量已經(jīng)高越出十幾倍。但隨著近幾年各個(gè)行業(yè)的飛速發(fā)展，信息量存儲(chǔ)有限已經(jīng)成為二維碼的瓶頸了。并且二維碼一旦生成便不可修改其內(nèi)容，二維碼并不存在“有效期”的說(shuō)法，如果需要銷(xiāo)毀信息，已經(jīng)傳播出去的二維碼無(wú)法撤回。

而彩碼是所攜帶的信息，可以理解為一個(gè)“指針”，其相應(yīng)的信息全都儲(chǔ)存在后臺(tái)服務(wù)器上。而當(dāng)我們要傳輸?shù)男畔⒏淖儠r(shí)，并不需要重新生成一個(gè)新的彩碼，可以直接通過(guò)對(duì)后臺(tái)服務(wù)器上所存儲(chǔ)的信息的改變，而更新彩碼所傳輸?shù)膬?nèi)容，可以實(shí)現(xiàn)彩碼的二次利用，因此彩碼所能存儲(chǔ)的信息是無(wú)限量的。當(dāng)彩碼需要被銷(xiāo)毀時(shí)，可直接對(duì)其后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行操作，并不需要對(duì)已經(jīng)傳輸出去的彩碼進(jìn)行回收等工作。相信彩碼能滿足各個(gè)行業(yè)的需求應(yīng)用。

2.3 彩碼和二維碼的安全性的比較分析

目前。隨著二維碼的廣泛運(yùn)用，其安全性也成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。二維碼建立了一個(gè)信息傳輸?shù)耐ǖ繹15]，但由于二維碼的編譯和解碼過(guò)程是完全對(duì)公眾開(kāi)放，以及市面上存在多種多樣的二維碼編譯和解析軟件質(zhì)量無(wú)法預(yù)測(cè)，導(dǎo)致二維碼內(nèi)容與制作難以監(jiān)管，因此二維碼所攜帶信息的安全性及其防偽就成了廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)[16]。常見(jiàn)為木馬植入、信息劫持、web攻擊、誘導(dǎo)登陸惡意網(wǎng)站等。由于二維碼與生俱來(lái)的安全隱患，影響了二維碼的進(jìn)一步發(fā)展。

彩碼，作為解決傳統(tǒng)條碼的各類(lèi)瓶頸應(yīng)運(yùn)而生的新產(chǎn)品，其安全性自然有所提高。彩碼真正要傳輸?shù)男畔⒍即鎯?chǔ)在相應(yīng)的服務(wù)器上，所以可以通過(guò)對(duì)服務(wù)器的監(jiān)管以防止各類(lèi)問(wèn)題的產(chǎn)生。彩碼本身的信息只是相當(dāng)于一個(gè)指針，所以無(wú)需特別對(duì)其本身所存儲(chǔ)信息的加密花費(fèi)過(guò)多的研究。

2.4 彩碼和二維碼的模糊識(shí)別的比較分析

二維碼在識(shí)別時(shí)，需要先尋找“位置探測(cè)器”，即在二維碼的左上，左下，右上角3個(gè)位置，然后進(jìn)行編譯解碼。二維碼允許最大容錯(cuò)能力為30%，即當(dāng)在手機(jī)像素不高、二維碼破損或污染、強(qiáng)光照射等情況時(shí)，導(dǎo)致二維碼部分缺失，只要不超過(guò)其本身的30%，即可讀取。但30%為最高情況并且在相對(duì)條件下（由于破損的位置、讀取軟件的能力等），通常情況下大約能達(dá)到15%。二維碼并不允許彎曲，所以二維碼只能用于平面中。而且印刷時(shí)也需要有高品質(zhì)印刷，并對(duì)印刷材料有所要求。

彩碼相對(duì)于二維碼，最顯著的優(yōu)勢(shì)就是在于其識(shí)別時(shí)的要求。第一，彩碼在容錯(cuò)能力方面表現(xiàn)突出，彩碼允許最大可連續(xù)污染面積高達(dá)16.6%，最大可污染離散面積高達(dá)56%。第二，彩碼還擁有抗畸變能力，彩碼圖形在上下、左右相對(duì)變形夾角可以達(dá)到30°。第三，彩碼還允許圖案表面彎曲，最高允許的彎曲角度為90°。其四，彩碼不需要“位置探測(cè)器”，即彩碼在任何角度都能被識(shí)別。在識(shí)別距離是大于單邊外框尺寸的15倍時(shí)，允許最大識(shí)別角度為45°。這樣的優(yōu)勢(shì)，使得彩碼不僅能在傳統(tǒng)的平面廣告中使用，還可以在戶外大型屏幕、雜志、海報(bào)等情況下使用，并且能印刷在塑料制品、易拉罐、無(wú)紡布等材質(zhì)上。這使彩碼又一大顯著特性。

2.5 彩碼和二維碼的其他方面的比較分析

二維碼讀取時(shí)對(duì)拍攝的鏡頭有一定要求，需要高精度的攝像頭，并且需要有近攝功能的攝像頭才能讀取。而彩碼對(duì)讀取器的像素要求不高，并且拍攝距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到數(shù)十米之外，還支持多角度拍攝。

二維碼對(duì)其大小尺寸有一定要求，需要在一定面積內(nèi)表達(dá)出所需傳達(dá)的信息。而彩碼是最小需要6×6mm的識(shí)別尺寸，最大直至用戶滿意的尺寸。

3 結(jié)論

條碼技術(shù)是現(xiàn)代信息科學(xué)的重要手段。條碼技術(shù)從產(chǎn)生到趨于趨成熟的今天，已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步條碼技術(shù)的應(yīng)用也趨于多樣化、行業(yè)化的發(fā)展。條碼技術(shù)的應(yīng)用很大程度上提高了我國(guó)商品再?lài)?guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[17-20]。彩碼技術(shù)，憑借其自身特點(diǎn)，可更好的應(yīng)用于流媒體行業(yè)，彩碼可以很好的適應(yīng)戶外宣傳屏幕、海報(bào)、流動(dòng)宣傳車(chē)等；彩碼可以印刷在產(chǎn)品的外包裝來(lái)追蹤產(chǎn)品的安全性及其生產(chǎn)的全過(guò)程；彩碼還可以經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，成為企業(yè)宣傳的一張“新名片”；彩碼運(yùn)用于票務(wù)系統(tǒng)中，除了能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的功能，還能大大提升安全性，并能時(shí)刻通過(guò)后臺(tái)服務(wù)器修改票務(wù)信息。

在日常生活中，已經(jīng)離不開(kāi)條碼技術(shù)，彩碼作為新一代條碼技術(shù)，隨著我國(guó)通訊行業(yè)的發(fā)展及5G時(shí)代的到來(lái)，相信彩碼憑借其“與生俱來(lái)”的優(yōu)勢(shì)，能得到各個(gè)行業(yè)的青睞，并快速發(fā)展。