英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
摘要
为了提高编码信息的可传输能力，提出了一种与标准二维码解码器前向兼容的彩色二维码。该方法将三个标准双色QR码分配到YCbCr颜色空间的彩色通道中，使得Y通道中的一个QR码可以被标准QR解码器解码。此外，专有解码器还对Cb和Cr信道中的另外两个QR码进行解码。该方法在编解码过程中基于标准的双色QR码，而传统的提高传输容量的方法需要复杂的专用编解码器或不同的技术。实验结果表明了该方法的有效性。索引项二维码，矩阵码，彩色空间转换，彩色信道分复用，数字水印
关键词：索引项二维码，矩阵码，彩色空间转换，彩色信道分复用，数字水印
一、导言
快速响应码（QR码）主要是针对物流中的项目管理而开发的[1][2]，随着带解码器的移动电话的普及，在当今变得流行起来[3]-[8]。二维码是二维矩阵条码，它比一维条码编码的信息量大。可传送的信息量根据代码的版本、大小指定，对于安装在移动电话上的QR解码器，版本限制为10。也就是说，信息容量有限。已经提出了几种提高容量的方法，这些方法分为两类：一类使用数据隐藏技术，另一类基于多级强度。前者通过数据隐藏技术在标准双色QR码中隐藏额外信息[4]-[9]。尽管数据隐藏技术将QR码作为图像稍微失真，以隐藏码中的额外数据,但通过数据隐藏产生的失真不会干扰标准QR解码器对QR码的解码。专用解码器可以对QR码进行解码并取出嵌入的数据。为了增加可嵌入的额外数据量，需要增加二维码的像素数，即使二维码的版本很小，因为这些方法将二维码视为图像。此外，在专用解码器与QR码解码器完全不同的情况下，专用解码器需要一个用于隐藏数据提取的专用解码器[11]-[14]。后者基于多级强度直接编码许多信息，而不是将额外数据添加到现有的二维码中。这些方法产生多级QR码，而标准的QR码由两层强度组成。这一类别进一步分类为两类：灰度和颜色。前者引入多级强度以增加可编码数据，但多级强度降低了对几何变换和噪声的容忍度。因此，这种方法只能使容量加倍。后者引入颜色变化以进一步增加容量。从QR码的设计增强的角度研究了彩色QR码。灰度方法符合标准的二维码，但这些着色方法需要一个专有的编解码器和复杂的[15]-[18]。本文提出了一种新的彩色二维码，它与标准的双色二维码正向兼容。在所提出的方法中，标准QR解码器解码三个QR码中的一个，其中每个QR码被分配到YCbCr颜色空间中的颜色信道。由颜色空间转换器和标准QR码解码器组成的专有解码器对所提出的QR码中的所有三个QR码进行解码。
二.准备工作
本节简要介绍了二维码[1][2]，并回顾了传统的多级二维码。
A、二维码
二维码是一种二维矩阵码，其数据容量比普通条码（一维码）高出一倍。
输入数据
数据分析
纠错码
编码
二维码
格式（版本）信息
安排
掩蔽
图1. 标准二维码编码器的框图
版本3 版本10
图2. 标准QR码示例（纠错级别：H）
二维码由称为模块的小正方形组成，其中每个模块为浅色（白色）或深色（黑色）。二维码有40种不同的版本，其中模块数根据版本的不同而有所不同，从21times;21到177times;177，水平和垂直各步4个模块。根据版本，定义了信息容量。Reed-Solomon（RS）编码作为一种纠错信道编码技术被引入到QR码中。二维码中定义了四个纠错（EC）级别，即L、M、Q和H，其中7%、15%、25%和30%的符号可以分别进行纠错。容量不仅随版本而变化，还随EC级别而变化。图1显示了标准二维码编码器的框图。编码器首先将输入数据识别为字母和/或数字，以便对输入数据应用源代码。编码后的数据随后被传递给RS编码器，用于前向EC。信息符号、奇偶校验符号和一些开销信息通过模块排列在QR码中。此外，二维码中还排列了补偿几何变换的功能模式。为了平衡明暗模以减少误差，在QR码中采用了8种不同的掩模，并选择了明暗模均匀分布的掩模。最后，版本信息和所用掩模图案的信息被安排在QR码中以输出最终代码。图2显示了版本3和版本10的二维码，其中两种代码的EC级别均为H。图3显示了标准二维码解码器的框图。通过使用功能模式，解码器首先从捕获的图像中检测二维码并补偿码的几何变换。识别二维码中的模块，取出版本信息和所用掩模图案的信息。对二维码进行消隐，提取信息符号和奇偶校验符号。提取的符号由RS解码器解码，源解码器输出解码后的信息。二维码是根据这些亮度解码的。区分亮模和暗模的阈值由
其中Lmax和Lmin分别是捕获图像中的最大亮度和最小亮度。
B、灰度二维码
为了提高QR码的信息容量，在标准QR码中引入了多级强度来代替二级强度。图4显示了四个级别的模块的强度分配。在该方法中，标准QR码解码器通过使用式（1）从捕获的图像中导出L来区分明暗模块，即标准QR码解码器可以从具有多电平强度的QR码中提取与标准二电平QR码一样多的信息。专有解码器可识别二维码中的四个不同强度级别，因此使用专有解码器可对加倍的信息进行解码。但是，引入的强度级别越多，对几何变换和误差的公差就越小。这种方法表明它可以将强度级别增加到4级[11]。
读
掩蔽解除
格式（版本）信息恢复
模块识别
输出数据
数据恢复
错误代码的检测、纠正
数据恢复、纠错
图3. 一种标准QR码解码器的框图
图4. 灰度QR码的多级强度的示例[11]（2位符号的四个级别）
R通道
G通道
B通道
图5. 传统彩色二维码中彩色通道的多级强度示例[12]。
C、彩色二维码
为了进一步提高QR码的信息容量，在QR码中引入了颜色变化[12][13]。与前一节中提到的灰度QR码类似，在每个RGB颜色通道中分配多级强度。图5显示了RGB颜色通道中的强度示例，其中每个通道中分配了四个级别。在图4所示的条件下，可以表示64种不同的颜色。由于在实际环境中，即使是专有解码器也很难区分64种不同颜色，因此这些方法无法为每个颜色通道分配灰度QR码。取而代之的是，从64种颜色中提取一组可以相互区分的颜色，形成彩色二维码。据报道，这种方法使用16种颜色将信息容量提高了4倍[14]。通过引入更复杂的规则来排列颜色集，颜色二维码与标准二维码解码器向前兼容，但该方法需要一个考虑到颜色组合的专用编码器，即需要与标准二维码编码器完全不同的编码器。本节提出了一种新的颜色二维码，它与标准的二维码解码器正向兼容，并基于标准的双色二维码，以增加信息容量。所提出的方法通过彩色信道分复用复用三个双色QR码，即在该方法中，每个彩色信道独立地具有一个双色QR码。为了保证标准QR码译码器在多路彩色QR码中解码一个QR码，该方法在YCbCr颜色空间而不是RGB颜色空间中分配QR码。专有解码器根据标准双色QR码的解码过程对彩色信道中的所有QR码进行解码。
A、编码
该方法采用以下算法生成彩色二维码。步骤1将输入数据分成三部分，使用标准QR码编码器c.f.生成三个标准双色QR码，如图6所示。注：三种二维码的版本和EC级别可能不同。步骤2为YCbCr颜色空间的每个颜色通道中的黑暗和光明模块选择两个强度级别；（Y1，Y2），（Cb1，Cb2）和（Cr1，Cr2）。在Y通道中将暗模块和光模块的强度级别分别设置为Y1和Y2。类似地，模块的强度级别在Cb和Cr信道中设置。注意，选择强度水平的策略和定义方法在第节中有描述。III-D.步骤3 YCbCr颜色空间中的三个二维码转换为RGB颜色空间。本文中的颜色转换由下面的三个方程[19]组成。
通过这种转换，强度在Y通道可以在16到255之间变化，在Cb和Cr通道可以在16到240之间变化。在R G B颜色空间中，所有R、G和B通道中的强度从0覆盖到255。图6显示了由上述算法提供的QR码的示例。在所有Y、Cb和Cr通道中，版本和EC水平分别为3和H。
B、解码
彩色二维码由标准二维码解码器和专有解码器解码。
Y通道 通道 通道 一个彩色二维码
图6. 该方法给出了彩色二维码及其组成部分的一个实例。
Y
图3的解码过程
Y
转换
彩色二维码
图3的解码过程
图3的解码过程
图7. 所提出方法中专有解码器的框图。解码器由彩色空间转换器和标准二维码解码器组成
1） 通过标准二维码解码器：
步骤1 如图3所示，彩色QR码被捕获并由标准QR码解码器解码。Y色信道中的双色QR码由标准QR码解码器解码。
2） 通过专有的二维码解码器：
步骤1将由RGB颜色空间中的彩色成像设备捕获的彩色QR码转换为YCbCr颜色空间。颜色转换由以下三个方程组成
式中，这些方程对应于式（2）。
步骤2将彩色通道分成三个不同的通道，即Y、Cb和Cr。
步骤3使用标准的QR码解码器对每个彩色通道中的双色QR码进行解码。该算法如图7所示。
C、 特点
本节总结了所提出方法的三个主要特点，即：（a）与标准QR解码器前向兼容；（b）提高信息容量；（c）由于使用了标准QR码的基本原理，因此高度可行。该方法与现有的标准QR码译码器是正向兼容的。即，标准QR码解码器部分解码所提出的彩色QR码。标准二维码解码器直接解码Y色通道中的标准双色二维码，因为标准二维码解码器只使用捕获图像的亮度，而忽略了Cb和Cr色通道等色度。由于Y色信道中的QR码是标准QR码，标准QR码解码器解码的信息量与标准QR码传输的信息量相同。值得注意的是，传统的彩色QR码没有充分考虑到与标准QR码解码器的前向兼容性，而提出的方法在充分考虑兼容性的情况下设计了一种新的彩色QR码。该方法的这一特点有望开辟新的应用前景，使该方法得到广泛应用。该方法可以将彩色二维码中的信息编码为标准双色二维码的三倍。所提出的彩色二维码在信息容量上优于灰度二维码，其容量比标准二维码提高了两倍[11]。传统的彩色QR码通过引入多级强度将容量提高了三倍以上，而本文提出的方法并没有将它们引入到评价下文所述方法的最后一个特征。结果表明，在该方法中引入多级强度可以大大提高系统的容量。该方法实质上是将三个标准的双色QR码复用成一个彩色QR码。因此，该方法需要额外的颜色空间转换，但这都是新提出的。二维码编解码由标准二维码编解码器提供。因此，该方法具有标准二维码对几何变换和噪声的容忍度。此外，三种标准二维码在版本和EC级别上可能完全不同。利用这一特性，实现了一种不等重要度的信息传输。也就是说，在Y色信道中，信息的最重要部分被编码为QR码，因为标准的QR码解码器可以从所提出的彩色QR码中解码出来。另一方面，Cb和Cr彩色信道中的QR码传输补充信息。
D、 光模块和暗模块的强度级别
如图8所示，所提出的方法为每个颜色通道中的光和暗模块选择强度等级。本节介绍确定强度等级{（Y1，Y2），（Cb1，Cb2），（Cr1，Cr2）}的策略和算法。每个颜色通道中强度级别之间的距离
Y通道
通道
通道
图8. 提出了一种在彩色通道中进行亮度级分配的方法。
预计将设置尽可能大，以准确区分光和暗模块。然而，所提出的方法没有将Y1设置为最小值16，也没有将Y2设置为最大值235。对于8位图像，RGB颜色空间中的转换强度被剪裁为[0255]，并且此剪裁将Y通道中的重新转换强度从这些原始值更改。也就是说，编码过程中的Y1和y2与解码过程中的Y1和y2不同。结果导致了该方法的译码误差。因此，强度等级的要求总结如下：
1.RGB颜色空间中的转换强度在[0255]，
2.尽可能大地设置Delta;Y，Delta;Cb和Delta;Cr。
在此基础上，提出了满足上述要求的策略和算法。方程式（2）以及（3）在YCbCr颜色空间中定义跨距子空间，其中子空间中的所有点始终转换为RGB空间中每个颜色分量中跨距大于〔0255〕的子空间。图9显示了YCbCr颜色空间中不同Y的实际子空间的横截面表面。该表面内矩形的两个对角线顶点在指定Y下为（Cb1，Cb2）和（Cr1，Cr2），并且由（Cb1，Cb2）和（Cr1，Cr2）给出Delta;Cb和Delta;Cr。注意，表面的形状和大小随Y而变化，表面中存在许多矩形，例如，图9（a）中显示了两个矩形，其中矩形1使Delta;Cb变大，Delta;Cr变小，矩形2放大并平衡Delta;Cb和Delta;Cr。图10绘制了各种Y的可能Cb1、Cb2、Cr1和Cr2，其中在图9（a）中，Cb和Cr被设置为尽可能大的平衡矩形2。基于此策略，算法发展如下。
步骤1确定所需的Delta;Y，并选择Y1和Y2=Y1 Delta;Y。
步骤2导出（）和（）对应于所选Y1。类似地，导出与所选Y2相对应的（）和（）。见图10。
第3步通过和Delta;
第4步如果Delta;Cb和Delta;Cr可接受，则退出此算法。否则，选择不同的Delta;Y或Y1并返回步骤2
下一节给出了这些参数的具体设置
图9. Y、Cb和Cr分量的范围，以保证实际RGB值
a）对应的Y b）对应的Y
图10. 根据Y值确定的Cb和Cr值
表1. 评价条件
|
后天环境 |
白色斑点下 |
|
显示 |
普林斯顿PTFWHF-19W <!--剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[240956]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
