二维码的生成与解码学士学位论文.docx

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二维码的生成与解码学士学位论文

二维码的生成与解码

摘要

随着信息技术的发展,智能移动终端的不断普及,二维码的便捷性,决定了二维码技术具有良好的应用前景.二维码是按章某种规律在二维空间中分布的黑白相间的几何图形,主要用于表示数据,其优点是方便,快捷.目前光蛋用于电子商务,票务系统等.可以说二维码与人们的生活息息相关.作为一项前沿技术,二维码更赋予了神秘的面纱.本系统主要目的是让二维码的使用更加便利,让二维码真正的走到寻常人间.因此二维码的生成与解码的课题研究无论从理论上还是在实践上都具有十分重要的意义。

本文结合与市面上常见的工程项目,完成如下的几项内容:

第一,介绍二维码的国内外研究趋势,以及二维码的主要类别,特点,应用,实现对二维码的深刻的理论研究。

第二,探讨面向android手机的图像处理技术.因为手机的处理能力有限,一些效果不错但是处理时间开销大运算复杂的经典处理方法并不适用,如何使用时间复杂度都合适的方法识别快速响应码成为本文探讨的重点。

第三,研究二维码生成采用的不同算法对识别的影响,开发二维码生成与解码基于手机的系统（APP）。

关键字:

二维码；快速反应码；定位；android

QRcodegenerationanddecoding

Abstract

Alongwiththedevelopmentofinformationtechnology,intelligentmobileterminalexpansion,qrcodeconvenience,determinestheqrcodetechnologyhasgoodapplicationprospect.Qrcode'schapteraccordingtocertainrulein2dspacedistributionofthegeometryofblackandwhitealternatewith,ismainlyusedtorepresentdata,itsadvantageisconvenient,fast.Thecurrentlighteggfore-commerce,ticketingsystem,etc.Tosaytheqrcodeiscloselyrelatedtopeople'slife.Asaleadingedgetechnology,qrcodegivesmoremysteriousveil.Thissystemmainpurposeistolettheqrcodetousemoreconvenient,lettheqrcodereallywenttothecommonroom.Sotheqrcodegenerationanddecodingofresearchbothintheoryorinpracticeisofgreatsignificance.

Inthispaper,combiningwithcommonengineeringprojectsonthemarket,completethefollowingseveralcontents:

First,introducetheresearchtrendofqrcode,andthemaincategoriesofqrcode,characteristic,application,realizetheprofoundtheoreticalresearchofqrcode.

Second,exploretheimageprocessingtechnologyforandroidmobilephones.Becauseofmobilephoneprocessingabilityislimited,somegoodbutprocessingtimespendinglargecomputingcomplexclassicalprocessingmethodisnotapplicable,howtousethetimecomplexityissuitablemethodtoidentifytheresponsecodetobecomethefocusofthispaper.

Third,studytheqrcodegenerationusingdifferentalgorithmstoidentifytheinfluenceofdevelopmentofqrcodegenerationanddecodingsystembasedonmobilephones（APP）.

Keywords:

QRcode;rapidresponsecode;positioning;android

目　录

摘要i

Abstractii

1绪论1

1.1论文研究的背景及意义1

1.1.1论文研究的背景1

1.1.2课题研究的意义1

1.2课题主要目的2

1.3本系统的开发环境2

1.4本课题的主要成果及论文结构2

1.4.1主要成果2

1.4.2论文的主要结构2

1.5本章小结2

2相关技术分析3

2.1android技术3

2.2二维码4

2.2.1什么是二维码：

 4

2.2.2国外研究发展现状4

2.2.3国内研究发展现状4

2.2.4国内外发展对比分析5

2.3QR码的结构与编码理论5

2.3.1什么是QRCODE5

2.4QR码的编码技术6

2.5.本章小结7

3二维码android手机识别系统设计8

3.1需求分析8

3.1.1概述8

3.1.2任务概述8

3.1.3需求规定9

3.2系统设计10

3.2.1概述10

3.2.2编写目的10

3.2.3定义11

3.2.4总体设计11

3.2.5运行设计14

3.2.6系统出错处理15

3.3基于android的二维码识别系统概要设计15

3.3.1本系统包含模块15

3.3.2系统主要模块16

3.3.3系统流程图18

3.4导入项目18

3.4.1简化过程18

3.4.2解码原理19

3.5Android扫描系统概括22

3.6Androidcamera的调用24

3.7生成二维码的功能实现26

3.8其它处理功能的实现27

4Android条形码扫描功能结果展示29

4.1Android条形码模拟器及配置文件29

4.2Android识别条形码扫描功能和生成模块介绍30

4.3二维码扫描结果展示31

5系统调试及测试33

5.1程序调试33

5.2程序的测试33

5.2.1测试的重要性及目的33

5.2.2测试的步骤34

5.2.3测试的主要内容34

5.3本章小结35

结论36

参考文献37

致谢38

外文原文39

中文翻译50

1绪论

1.1论文研究的背景及意义

1.1.1论文研究的背景

条形码技术⑴起源于二次大战以后。

在40年代后期,美国JoewoodLand工程师就开始研究用条码表示食品项目及相应的自动识别设备,并于1949年获得了环形条码的专利。

1970年,美国开始在超市中推广使用UPC码。

直到1973年,UCC（美国统一编码协会）实现了UPC码制的标准化并建立UPC条码系统。

1974年,美国国防部采用Interme公司推出的39码作为军用条形码码制。

由于39码是第一个字母、数字式的条形码,所以被广泛应用于工业领域。

1977年,欧洲共同体基于UPC-12码,制定出EAN码,将其用于欧洲物品编码。

并正式成立了EAN（欧洲物品编码协会）,后来发展为IAN（国际物品编码协会）。

条码技术的发源地是在美国,然而应用最广泛的确是在欧洲。

条码技术在亚洲的兴起比较晚,相比较而言,日本是亚洲最早使用条码的国家,应用和发展也是最快的。

早在1978年,日本加入EAN,然而10年后,日本已成为EAN组织的最大用户。

在我国,直到1988年底,成立“中国物品编码中心”。

“中国物品编码中心”于1991年7月1日代表中国加入IAN。

推动了条码技术开发和推广应用工作的发展。

在曰常生活中最常见的是条形一维码,而随着计算机的发展,针对一维码存储容量不足等缺点,产生了二维码,并广泛运用于生活。

1.1.2课题研究的意义

目前，很难在实际应用中找到一套比较完善的、适合中国实际需要的二维码应用系统。

很多公司在应用二维码系统时，都存在“硬件投入较大、系统过于庞大、系统架构复杂，不适合修改调整或稳定性及实用性不强”等问题。

目前，识别二维码的设备基本上采用专用设备，即使采用手持识别设备带来了便捷性，但仍需要专用的计算机设备完成数据采集和处理，这种方式已经成了阻碍二维码应用系统的推广的重要因素。

其中本系统的研究意义:

1、通过分析二维码编码、解码和纠错步骤，提出适合中国应用的二维码应用系统的架构方案。

2、设计符合实际需求的系统内部功能模块，使该系统的友善度、稳定性、使用度、识别率以及识别速度都达到一个比较不错的水平，适合中国市场。

3、本系统直接将识别系统内置在智能手机进行条码的识别处理，极大地节省系统成本，且由于手机可随时、随地、随身携带，给用户提供极大的便捷性。

4、通过3G网络，进行数据传输和数据采集，节省了传统条码识别系统采用专用计算机进行数据处理的开销，使得系统的运行更加方便和有效。

5、由于现代社会当中对于手机以及其他电子设备的依赖性，以及二维码信息传递的便捷性，android手机的普及率，还有社会发展的快速性，制作一款简单实用的androidapp，对于市场以及时代发展都有很重要的意义。

1.2课题主要目的

本文讲述了“针对中国汉字编码，将一种符合QRCODE标准的二维码软件识别系统，在智能手机上的设计和实现”。

该二维码软件系统，在能完成基本采集识别功能的同时，增加了纠错处理、图像矫正、多国语转换、网络传输等功能，满足各种用户的需求。

该产品可以应用在多种商务应用中，只要让该系统链接不同的网络服务器就可以实现不同的业务处理，使得其市场使用范围增加。

1.3本系统的开发环境

本系统开发环境和工具：

开发平台：

MicrosoftWindows7

开发环境：

eclipseandroid专版

开发工具：

android4.4SDK

开发语言：

java，android

1.4本课题的主要成果及论文结构

1.4.1主要成果

本系统主要是基于zxing二维码扫描系统为基础，设计属于我们自己的二维码识别与生成系统，功能上实现了二维码的生成与解码，并可以在真机上正常运行。

功能简单实用。

1.4.2论文的主要结构

本文主要结构是综述，设计总体概述，系统结构详解，成果展示，结论，致谢，外文文献等部分。

综述主要内容是介绍国内外二维码发展的现状以及本系统的发展现状；系统的结构主要是配置安卓虚拟机环境，导入zxing二维码识别的源码，配置相关类库，调试，以及修改源码简化zxing类库的整个部分，还有增加二维码生成的部分文件；成果展示是展示本系统完成的结果，以及可以接下来升级下一版本的需求或者功能；致谢，有关对于完成本论文整个部分给予我支持和帮助的工作机构以及个人致以感谢；参考文献是完成本次论文一毕业设计所参考的各种图书和论文等文献资料；外文文献是相关文献的翻译。

其中还有有关测试的部分，测试和运维是一个长期的部分，伴随着一个系统的很长时间，据统计一个系统的整个生命周期有80%的时间都是维护，成本也是相当高的，几乎是整个系统预算的一半以上。

1.5本章小结

本章简要描述了本课题研究的目的、意义，以及论文的总体组织。

下面会结

合系统需求分析提出总体设计。

2相关技术分析

2.1android技术

Android是一种以linux为基础的开放源码操作系统,主要用于编写手持设备.目前尚未有统一的中文名称,中国大陆地区较多人使用安卓（非官方）或安致（官方）的名称.Android草纸系统最初由AndyRubin开发,最初主要支持手持设备.2005年由google收购注资,并联合多家制造商组成开发手机联盟开发改良后,逐渐扩展到平板电脑及其他领域上.2010年末数据显示,仅正式推出两年的Android操作系统已经超越称霸十年的诺基亚symbian系统,粤剧最受欢迎的智能手机平台.Android的主要竞争对手是同处于手持设备市场的苹果IOS,微软的]WP7以及RIM的BlackberryOS.

2007年11月5日,google与其他33家手机制造商（包括摩托罗拉,HTC,三星,LG）、手机晶片供应商、软硬件供应商、电信业者联合组成的开放手持装置联盟（简称OpenHandsetAlliance），发布了名为Android的开放手机软硬件平台。

现今，OHA是由65间企业组成的商业联盟，以为移动装置开放自由标准。

在Android平台公布一周后，google随即发布了供开发者免费自由下载，能在Windows、MacOSX、Linux多平台上使用的Android软件开发工具（SoftwareDevelopmentKit简称SDK）与相关文件。

间隔数天，又在发布作业系统核心（kernel），与部分硬件驱动程式的原始码，充分展示了google欲将手机这个现代人不可或缺的工具推向开放的平台，让开发者可以自由修改创造出符合用户需求的手机应用的决心。

2008年9月24日，T-Mobile收地公布第一台Android手机（G1）。

同日google放出了AndroidSDK1.0rc1。

此版本的推出代表了开发者可以放心的使用API，而不必担心会有太大的变动。

2009年10月26日，又一个主要版本升级以创纪录的速度放出。

这次，大版本升级到了Android2.1“Eclair.”2011年2月3日凌晨，谷歌正式发布了专用于平板电脑的Android3.0Honeycomb系统。

这是首个基于Android的平板电脑专用操作。

首款采用Android3.0系统的是MOTOXOOM。

该机是摩托罗拉移动在2011年1月5日，在美国拉斯维加斯CES电子消费展推出的旗下首款平板电脑。

可以从版本看出android的系统在手机市场以很短的时间迅速崛起。

也迅速得到众厂商的认可加盟，最后android3.0推出很明显的标示的android系统进入MID市场可以看出android将来一段时间的市场主要在手机和平板电脑市场。

但是2010年5月19日，在2010GoogleI/O大会上Google公司发布了它最新的产品——GoogleTV。

GoogleTV就是要将网络和电视结合在一起，成为一套新的全家娱乐系统。

Android手机可以当作Googletv的遥控器使用。

这说明google将全面进军物联网时代，android可能成为物联网时代的主导系统。

未来Android会进入各行各业，发展前景无限光明。

2.2二维码

2.2.1什么是二维码

二维码（2-dimensionalbarcode），是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。

在许多种类的二维条码中，常用的码制有：

DataMatrix,MaxiCode,Aztec,QRCode,Vericode,PDF417,Ultracode,Code49,Code16K等。

1.堆叠式/行排式二维条码，如，Code16K、Code49、PDF417（如下图）等。

图2.1行排式二维码

2.矩阵式二维码，最流行莫过于QRCODE二维码的名称是相对与一维码来说的，比如以前的条形码就是一个“一维码”，它的优点有：

二维码存储的数据量更大；可以包含数字、字符，及中文文本等混合内容；有一定的容错性（在部分损坏以后可以正常读取）；空间利用率高等。

2.2.2国外研究发展现状

国外对二维码技术的研究开始于二十世纪八十年代。

在二维码符号表示技术研究方面，已研制出多种码制，常见的有PDF417，QR码，Code49，Code16K，CodeOne等。

这些二维码的密度都比传统的一维条码有了较大的提高。

在二维码设备开发研制、生产各个方面，国外的设备制造商生产的识读设备、符号生成设备，已广泛应用于各类二维码应用系统。

二维码作为一种全新的信息存储、传递和识别技术，自诞生之日起就得到了世界上许多国家的关注。

2.2.3国内研究发展现状

1993年，国内开始对二维码技术进行研究。

中国物品编码中心对几种常用的二维码PDF417，QR码，DataMatrix，MaxiCode，Code49，Code16K，CodeOne的技术规范进行了翻译和跟踪研究。

随着我国经济和信息科技技术的不断发展，国内对二维码这一新技术的需求与日俱增。

中国物品编码中心在国家有关部门的大力支持下，对二维要码技术的研究不断深入。

在消化国外相关技术资料的基础上，制定了GB/T17172-1997《四一七条码》和GB/T18284-2000《快速响应矩阵码》。

为了使二维码技术能够在证照管理领域得到广泛应用，在国外应用软件平台的基础上，中国物品编码中心率先开发了人像照片和指纹数据压缩软件。

随着时间的推移、互联网的迅猛发展，手机将成为人们获取信息用的必备工具。

2010年，按官方统计数字，中国的手机用户将达到7.4亿，我国移动电话用户的庞大规模，为移动增值服务的发展提供了坚实的市场基础。

近年来我国移动增值市场年成长率高于60%，规模不断扩大。

与如此大的市场相比移动增值业务种类较少，目前的业务远远满足不了广大消费者的需求，扩大增值业务的覆盖面已经成为当务之急。

鉴于此二维码技术就可在移动增值业务领域中发挥出不可替代的重要作用。

2.2.4国内外发展对比分析

对比国内外二维码产品，不难发现：

大部分二维码系统，都使用专用识别设备进行数据采集。

在这种情况下，要使产品有更广阔的市场，必须在功能的多元化、操作简单、识别速度快、可靠性强等方面做改进。

本产品对传统二维码系统做了以下扩展：

采用智能手机摄像头采集二维码图像，采用摄像模式，可动态连续采集、识别，加快解码速度。

智能手机直接通过3G网络，与服务器进行数据交互，无需采用专用计算机与专用条码采集设备进行数据处理。

针对手机摄像头的特性，加入图像矫正算法，提高识别率。

2.3QR码的结构与编码理论

2.3.1什么是QRCODE

QR码呈正方形，只有黑白两色。

在3个角落，印有较小，像「回」字的的正方图案。

这三个是帮助解码软件定位的图案，使用者不需要对准，无论以任何角度拍摄，内容仍可正确被读取。

日本QR码的标准JIS X0510在1999年1月发布，而其对应的ISO国际标准ISO/IEC18004，在2000年6月获得批准。

根据DensoWave公司的资料，QR码是属于开放式的标准，QR码虽然由DensoWave公司持有的专利，但不会被执行。

QR（Quick-Response）code是被广泛使用的一种二维码，解码速度快。

它可以存储多用类型。

图2.2QR码结构图

1.位置探测图形、位置探测图形分隔符：

用于对二维码的定位，对每个QR码来说，位置都是固定存在的，只是大小规格会有所差异；这些黑白间隔的矩形块很容易进行图像处理的检测。

2.校正图形：

根据尺寸的不同，矫正图形的个数也不同。

矫正图形主要用于QR码形状的矫正，尤其是当QR码印刷在不平坦的面上，或者拍照时候发生畸变等。

3.定位图形：

这些小的黑白相间的格子就好像坐标轴，在二维码上定义了网格。

4.格式信息：

表示该二维码的纠错级别，分为L、M、Q、H；

5.数据区域：

使用黑白的二进制网格编码内容。

8个格子可以编码一个字节。

6.版本信息：

即二维码的规格，QR码符号共有40种规格的矩阵（一般为黑白色），从21x21（版本1），到177x177（版本40），每一版本符号比前一版本每边增加4个模块。

7.纠错码字：

用于修正二维码损坏带来的错误。

2.4QR码的编码技术

1.数据分析：

确定编码的字符类型，按相应的字符集转换成符号字符；选择纠错等级，在规格一定的条件下，纠错等级越高其真实数据的容量越小。

2.数据编码：

将数据字符转换为位流，每8位一个码字，整体构成一个数据的码字序列。

其实知道这个数据码字序列就知道了二维码的数据内容。

图2.3二维码资料容量

图2.4二维码提示符

数据可以按照一种模式进行编码，以便进行更高效的解码，例如：

对数据：

01234567编码（版本1-H），1）分组：

012345672）转成二进制：

012→0000001100345→010101100167→10000113）转成序列：

0000001100010101100110000114）字符数转成二进制：

8→00000010005）加入模式指示符（上图数字）0001：

00010000001000000000110001010110011000011对于字母、中文、日文等只是分组的方式、模式等内容有所区别。

基本方法是一致的  

3.纠错编码：

按需要将上面的码字序列分块，并根据纠错等级和分块的码字，产生纠错码字，并把纠错码字加入到数据码字序列后面，成为一个新的序列。

在二维码规格和纠错等级确定的情况下，其实它所能容纳的码字总数和纠错码字数也就确定了，比如：

版本10，纠错等级时H时，总共能容纳346个码字，其中224个纠错码字。

就是说二维码区域中大约1/3的码字时冗余的。

对于这224个纠错码字，它能够纠正112个替代错误（如黑白颠倒）或者224个据读错误（无法读到或者无法译码），这样纠错容量为：

112/346=32.4%  

4.构造最终数据信息：

在规格确定的条件下，将上面产生的序列按次序放如分块中按规定把数据分块，然后对每一块进行计算，得出相应的纠错码字区块，把纠错码字区块按顺序构成一个序列，添加到原先的数据码字序列后面。

如：

D1,D12,D23,D35,D2,D13,D24,D36,...D11,D22,D33,D45,D34,D46,E1,E23,E45,E67,E2,E24,E46,E68，...

5.构造矩阵：

将探测图形、分隔符、定位图形、校正图形和码字模块放入矩阵中。

把上面的完整序列填充到相应规格的二维码矩阵的区域中  

6.掩摸：

将掩摸图形用于符号的编码区域，使得二维码图形中的深色和浅色（黑色和白色）区域能够比率最优的分布。

一个算法，不研究了，有兴趣的同学可以继续。

7.格式和版本信息：

生成格式和版本信息放入相应区域内。

版本7-40都包含了版本信息，没有版本信息的全为0。

二维码上两个位置包含了版本信息，它们是冗余的。