專利名稱：空頻域二維碼的構建和解碼方法
技術領域：
本發明屬于信息存儲、傳輸和識別技術領域，涉及二維碼的編碼和解碼方法，為一種二維碼的構建和解碼方法。
背景技術：
近年來二維條形碼在表單、安全保密、追蹤、證照、存貨盤點、資料備援等領域得到的充分的應用。已有的如圖1所示的二維條碼/ 二維碼O-dimensional bar code)，用按一定規律在二維平面上分布的黑白相間的某種特定的幾何圖形來表示構成計算機內部邏輯基礎的“0”、“1”比特的概念。使用若干個與二進制相對應的幾何形體來表示英文、中文、數字、 圖形等信息。可以通過圖象輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理。存儲數據量大，可以直接掃描讀取內容，可以通過加密來提高保密性。二維碼具有條碼技術的一些共性每種碼制有其特定的字符集；每個字符占有一定的寬度；具有一定的校驗功能等。同時還具有對不同行的信息自動識別功能、及處理圖形旋轉變化等特點。在許多種類的二維條碼中，常用的碼制有Data Matrix, Maxi Code, Aztec, QR Code, Vericode, PDF417, Ultracode, Code 49，Code 16K 等。其中 QR 碼是 1994 年由日本Denso-Wave公司發明，是目前日本最流行的二維空間條碼。但是，目前所有的二維碼都是在空域來表示圖形。容易受到圖像采集設備信道的影響，容易受到畸變和光污染的影響。數據的存儲有很多的冗余，比如說要用好幾個像素來表示一個比特信息。

發明內容
本發明要解決的問題是目前的二維碼在解碼時易受圖像采集設備信道的影響， 易收到畸變和光污染的影響，數據存在冗余，需要提高二維碼對畸變、信道、光污染的抵抗能力，降低冗余，提高每個像素所帶的信息比特數目。本發明的技術方案為一種基于空頻域的二維碼編碼和解碼方法，包括以下步驟1)將待轉換為二維碼的數據按照ASCII或者Unicode編碼成0和1組成的比特流；2)使用擾碼，把步驟1)得到的比特流順序打亂，使得0和1均勻分布；3)對順序打亂后的比特流進行級聯碼編碼，級聯碼包括RS碼和卷積碼；4)采用交織技術對步驟幻得到的編碼進行交織；5)將經過編碼和交織的比特流按照一個二維碼符號所能容納的比特數進行分組， 不足處填充0作為一組，每個二維碼符號定義為一幀，在每組比特前和后分別加上幀頭和幀尾對應一個二維碼符號，所加的幀頭包含接收端正確恢復所發送數據所必需的信息，包括幀總數、本幀的幀號、擾碼的種類、RS碼和卷積碼的種類，幀尾包含一個特定長度的比特序列，用于標志幀的結束，所述特定長度的比特序列為不屬于數據部分的序列；6)將步驟5)得到的各組比特流經星座圖映射，變換成相應的復數矩陣，對所述復數矩陣根據信道情況選擇插入導頻，或者對復數矩陣進行差分編碼；如選擇插入導頻，每隔多行/列插入一行/列導頻以滿足通信的質量要求，當通信的質量得不到滿足的時候，每隔一行/列插入一行/列導頻，在接收端重采樣后首先估計出這些行/列所在處的信道，然后在估計數據時用這些估計出來的信道做信道均衡；如進行差分編碼，用相鄰兩行/列復數間的相位差代表數據；7)根據矩陣的共軛對稱性將插入導頻或差分編碼后的復數矩陣的補充為N*N的符號矩陣，用二維傅立葉反變換對具有共軛對稱性的所述符號矩陣進行變換，變換成實數矩陣，即空域矩陣；8)將空域矩陣進行非線性映射和量化；9)對步驟8)中得到的矩陣添加循環前綴和定位信息，得到發送矩陣，去控制空頻域二維碼中處于不同位置處像素的顏色和亮度，當空域矩陣是實數的時候，控制不同位置處像素黑色的亮度；10)在接收時使用相反的過程就可以得到編碼前的數據將獲得的圖像，根據定位算法找到數據所在位置，然后對其進行重采樣，得到發送矩陣的估計，用發送矩陣的估計經過和發送相反的過程，得到發送數據的估計，實現解碼。或者，在步驟7)中，直接將插入導頻或差分編碼后的復數矩陣進行二維傅立葉反變換，得到一個復數，做為空域矩陣，將其實部矩陣和虛部矩陣分別經過步驟8)和9)放在兩個不同顏色的信道里表達發送，即當沒有使用共軛對稱性，空域矩陣是復數的時候，用其實部和虛部分別控制不同位置處像素上兩種不同顏色A、B的亮度，用實部矩陣控制空頻域二維碼中處于不同位置處像素的顏色A的亮度，用虛部矩陣來控制空頻域二維碼中處于不同位置處像素的顏色B的亮度，所述顏色A、B頻譜相隔較遠，滿足區分。步驟5)中幀尾包含的特定長度的比特序列為01010101。用戶待轉換的數據按照ASCII或者Unicode編碼成“0”和“1”組成的比特流，并使用級聯碼進行編碼，可以利用現有的信道編碼技術提高本發明的糾錯性能。本發明在空頻域存放數據可以將空域中信道卷積的影響轉化成空頻域中信道乘積的影響，便于在空頻域中使用差分編碼或者信道均衡來去除信道的影響。相比較于空域的均衡，降低了復雜度。在每個符號都加上幀頭和幀尾，便于在接收端將接收到的一系列的圖像恢復為發送的文件。 將實部矩陣和虛部矩陣分別放在兩個不同顏色的信道里表達發送可以充分利用光頻譜，提高信道的容量。本發明采用交織結合信道編碼來提高抗錯和糾錯能力，使用插入導頻或者差分編碼來抵消信道的空頻域失真。本發明將變換后的矩陣進行非線性映射和量化，充分利用量化階，提高了性能。本發明對比已有技術具有以下創新點1)在空頻域中利用導頻或者差分編碼去除信道的影響。相臨兩個頻點上的復數信道很接近。因為差分是利用相鄰兩行復數之間的相位差來表示數據，接收得到的相鄰兩個頻點上因為信道引入一定的復數，但是對于兩個頻點間的相位差是沒有多少影響的。所以， 差分可以消除信道影響。同理，信道可以通過導頻估計出來并加以消除。
2)利用導頻或者差分編碼可以抵抗定位誤差和畸變的影響。因為定位誤差和畸變可以在每個空頻域頻點上引入一個復數的系數。而相臨兩個頻點上引入的復數系數很接近。因為差分是利用相鄰兩行復數之間的相位差來表示數據，接收得到的相鄰兩個頻點上因為定位誤差和畸變引入一定的復數，但是對于兩個頻點間的相位差是沒有多少影響的。 所以，差分可以抵抗定位誤差和畸變。同理，定位誤差和畸變引入的復數系數和信道可以通過導頻估計出來加以消除。3)交織和級聯碼的結合大大提高了級聯碼的糾錯能力，降低了冗余度。根據錯誤圖樣采用的交織技術是可以將錯誤盡可能的打散，這樣相同的錯誤圖樣可以用更高效的級聯碼來糾正。4)比現有的技術存儲的信息量大。簡單的說，就是本發明一個頻點可以攜帶多位比特信息，而現有技術是通過多個像素表示一個比特信息。


圖1為現有常見的QR碼。圖2為本發明編碼方法框圖。圖3為本發明塊交織的實現方法。圖4為本發明實施例矩陣對稱性的示意圖。圖5為本發明實施例添加循環前綴的示意圖。圖6為本發明實施例一個512*512的空頻域二維碼示意圖。圖7為本發明實施例1中，加定位信息后得到的圖像。
具體實施例方式如圖2，本發明的包括以下步驟1)將待轉換為二維碼的數據按照ASCII或者Unicode編碼成0和1組成的比特流；2)使用擾碼，把步驟1)得到的比特流順序打亂，使得0和1均勻分布；3)對順序打亂后的比特流進行級聯碼編碼，級聯碼包括RS碼和卷積碼；4)根據錯誤圖樣采用交織編碼對步驟幻得到的編碼進行交織，這里所述交織編碼為公知技術。在設計過程當中首先通過實驗來確定錯誤圖樣，也就是說要確定哪些頻點錯誤相對而言比較多，然后確定交織的長度和深度，目的是讓錯誤密集的頻點上的數據在交織后要盡可能分散，這樣可以充分利用級聯碼的糾錯和檢錯能力。5)將比特流按照一個二維碼符號所能容納的比特數進行分組，不足處填充0作為一組，每個二維碼符號定義為一幀，在每組比特前和后分別加上幀頭和幀尾對應一個二維碼符號，所加的幀頭包含接收端正確恢復所發送數據所必需的信息，比如幀總數、本幀的幀號、擾碼的種類、RS碼和卷積碼的種類。幀尾包含一個特定長度的比特序列，如01010101， 用于標志幀的結束，這里所述特定長度的比特序列的選擇要使得數據部分不容易出現該序列為宜。6)將步驟幻得到的各組比特流經星座圖映射，變換成相應的復數矩陣。根據信道情況插入導頻，或者對復數矩陣進行差分編碼。插入導頻的話，每隔一定行/列插入導頻，一般情況下，每隔多行/列插入一行/列導頻以滿足通信的質量要求，當通信的質量得不到滿足的時候，每隔一行/列插入一行/列導頻，在接收端重采樣后首先估計出這些行/列所在處的信道，然后在估計數據時用這些估計出來的信道做信道均衡。差分編碼的話，用相鄰兩行/列復數間的相位差代表數據；7)根據矩陣的共軛對稱性將插入導頻或差分編碼后的復數矩陣的補充為N*N的符號矩陣，用二維傅立葉反變換對具有共軛對稱性的所述符號矩陣進行變換，變換成實數矩陣，即空域矩陣；8)將空域矩陣進行非線性映射和量化；9)對步驟8)中得到的矩陣添加循環前綴和定位信息，得到發送矩陣，去控制空頻域二維碼中處于不同位置處像素的顏色和亮度；當空域矩陣是實數的時候，控制不同位置處像素黑色的亮度；10)在接收時使用相反的過程就可以得到編碼前的數據將獲得的圖像，根據定位算法找到數據所在位置，然后對其進行重采樣，得到發送矩陣的估計，用發送矩陣的估計經過和發送相反的過程，得到發送數據的估計，實現解碼。步驟7)中，可以不將矩陣補充成具有共軛對稱性的完整矩陣，直接將插入導頻或差分編碼后的復數矩陣進行二維傅立葉反變換，得到一個復數，做為空域矩陣，這樣在二維傅立葉反變換后就是一個復數，將實部矩陣和虛部矩陣分別經過8)和9)兩個步驟放在兩個不同顏色的信道里表達發送，如紅色和藍色，也就是，用實部矩陣控制空頻域二維碼中處于不同位置處像素的紅色的亮度，用虛部矩陣來控制空頻域二維碼中處于不同位置處像素的藍色的亮度，紅色和藍色也可以換成另外兩種顏色，只要兩種顏色頻譜相隔較遠，滿足區分即可。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明的基本思想是利用空頻域來存儲信息，并用差分編碼或者導頻來抵消信道的影響。實施例1現在要生成一個N*N(N = 5)的像素矩陣。5*5的復數矩陣如果使用QAM映射可以容納((N-I)/2-1) *N*log2 (L)個比特。L是星座圖的點數。1、在步驟3)中選用(255，223)的RS碼作為外碼，選用參數為(2，1，3)生成多項式為(111，101)的卷積碼作為內碼。在步驟4)中使用塊交織方式，如圖3所示，輸入比特序列按列寫入存儲器，每列M = 4個數據，共K = 5列。交織器按行從存儲器讀出數據。設經過步驟1)-4)后得到的數據為1001111011。2、在步驟5)選用常見的星座圖進行0，1到復數數據的映射。在本實施例中選用 QAM映射。規則為連續的兩個比特映射為一個復數的星座圖符號，詳見表1。表1 4QAM映射表
權利要求
1.空頻域二維碼的構建和解碼方法，其特征是包括以下步驟1)將待轉換為二維碼的數據按照ASCII或者Unicode編碼成0和1組成的比特流；2)使用擾碼，把步驟1)得到的比特流順序打亂，使得0和1均勻分布；3)對順序打亂后的比特流進行級聯碼編碼，級聯碼包括RS碼和卷積碼；4)采用交織技術對步驟幻得到的編碼進行交織；5)將經過編碼和交織的比特流按照一個二維碼符號所能容納的比特數進行分組，不足處填充0作為一組，每個二維碼符號定義為一幀，在每組比特前和后分別加上幀頭和幀尾對應一個二維碼符號，所加的幀頭包含接收端正確恢復所發送數據所必需的信息，包括幀總數、本幀的幀號、擾碼的種類、RS碼和卷積碼的種類，幀尾包含一個特定長度的比特序列， 用于標志幀的結束，所述特定長度的比特序列為不屬于數據部分的序列；6)將步驟幻得到的各組比特流經星座圖映射，變換成相應的復數矩陣，對所述復數矩陣根據信道情況選擇插入導頻，或者對復數矩陣進行差分編碼；如選擇插入導頻，每隔多行 /列插入一行/列導頻以滿足通信的質量要求，當通信的質量得不到滿足的時候，每隔一行 /列插入一行/列導頻，在接收端重采樣后首先估計出這些行/列所在處的信道，然后在估計數據時用這些估計出來的信道做信道均衡；如進行差分編碼，用相鄰兩行/列復數間的相位差代表數據；7)根據矩陣的共軛對稱性將插入導頻或差分編碼后的復數矩陣的補充為N*N的符號矩陣，用二維傅立葉反變換對具有共軛對稱性的所述符號矩陣進行變換，變換成實數矩陣， 即空域矩陣；8)將空域矩陣進行非線性映射和量化；9)對步驟8)中得到的矩陣添加循環前綴和定位信息，得到發送矩陣，去控制空頻域二維碼中處于不同位置處像素的顏色和亮度，當空域矩陣是實數的時候，控制不同位置處像素黑色的亮度；10)在接收時使用相反的過程就可以得到編碼前的數據將獲得的圖像，根據定位算法找到數據所在位置，然后對其進行重采樣，得到發送矩陣的估計，用發送矩陣的估計經過和發送相反的過程，得到發送數據的估計，實現解碼。
2.根據權利要求1所述的空頻域二維碼的構建和解碼方法，其特征是，在步驟7)中，直接將插入導頻或差分編碼后的復數矩陣進行二維傅立葉反變換，得到一個復數，做為空域矩陣，將其實部矩陣和虛部矩陣分別經過步驟8)和9)放在兩個不同顏色的信道里表達發送，即當沒有使用共軛對稱性，空域矩陣是復數的時候，用其實部和虛部分別控制不同位置處像素上兩種不同顏色A、B的亮度，用實部矩陣控制空頻域二維碼中處于不同位置處像素的顏色A的亮度，用虛部矩陣來控制空頻域二維碼中處于不同位置處像素的顏色B的亮度， 所述顏色A、B頻譜相隔較遠，滿足區分。
3.根據權利要求1或2所述的空頻域二維碼的構建和解碼方法，其特征是步驟5)中幀尾包含的特定長度的比特序列為01010101。
全文摘要
空頻域二維碼的構建和解碼方法，將待轉換為二維碼的數據轉換為比特流，經過比特流均勻分布、級聯碼編碼、交織對比特流分組，進行空頻域編碼。本發明屬于信息存儲、傳輸和識別技術領域，利用空頻域來存儲信息，方便利用均衡的技術來抵抗信道、光污染的影響，利用導頻或差分編碼抵抗定位誤差和畸變的影響。本發明交織和級聯碼的結合，大大提高了級聯碼的糾錯能力，降低了冗余度，比現有技術的二維碼具有更大的存儲信息量。
文檔編號H04L1/00GK102427397SQ20111036183
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者余旭濤, 張在琛, 張樹劍, 方文驍, 裴誠誠 申請人:東南大學