基于遗传算法的抗干扰二维码设计与实现

 2022-01-17 11:01

论文总字数:21964字

目 录

1 绪论 1

1.1 二维码的历史 1

1.2二维码的类别 1

1.3 二维码的应用 1

1.4研究主要内容 2

2 二维码编码方案综述 2

2.1主流二维码的介绍 2

2.2 QR码的编码 5

2.2.1 QR码的介绍 5

2.2.2 QR码的编码方法 7

2.2.3 QR码的编码模式 8

2.3 二维码干扰及本文解决思路 9

2.3.1 二维码的干扰 9

2.3.2 本文的解决思路 10

3 基于遗传算法的抗干扰二维码编码设计 11

3.1遗传算法介绍 11

3.1.1 基本框架 13

3.2.2 术语说明 14

3.2 基于遗传算法的二维码编码表的生成 14

3.2.1 编码图形单元及码间距的定义 14

3.2.2 二维码的编码规则 16

4 实验以及代码 17

4.1 遗传算法基本过程 17

4.2 重要的函数以及代码 18

4.2.1产生一个随机图形单元 18

4.2.1 衡量符号集的适应度函数 19

4.2.3 交叉运算 19

4.2.4 变异运算 21

4.2.5 对符号集的操作 21

4.2.6 产生随机符号集 22

4.2.7 生成最优的符号集 22

4.3 实验的结果截图 23

5 总结与展望 28

参考文献 29

致谢 31

基于遗传算法的抗干扰二维码设计与实现

王莹

,China

Abstract : With the development of the business, the bar code business has been rapid growth. More and more places need to use bar code. Although qr code had a big enhancement on the storage capacity,but the qr code still has the interference factors in the recognition,such as marks, scratches, etc. Those will affect the graphic coding unit.In order to solve the above problem,we have two solutions.The first is that designing new encoding rules(increase the encoding redundancy) which can improve the ability to resist damage.The second solution is that designing new coding graphics unit of qr code,which can still identify correctly when the unit was partially damaged.We consider the coding graphic unit may have interference in the direction of horizontal, vertical and diagonal.This paper proposes a new definition of coding distance.We design the coding graphical unit and coding table.We use genetic algorithm to select the encoding of graphic unit and then generate the code table.In order to further improve the anti-interference ability of the qr code,in the coding rules of qr code, the paper chooses the redundancy coding method between the adjacent coding unit.

Key word : Qr code;Code distance;Genetic algorithm;anti-interference

1 绪论

1.1 二维码的历史

二维码源于日本Denso Wave 公司,为了追踪汽车零部件设计出了这种条码。它是在一维条码的基础上发展出另一维具有可读性能的条形码,通过使用黑白矩阵图案来表示二进制数据。相比一维码,二维码存储的数据量更多,并且可以记录很复杂的数据。不仅仅是英文字母和数字,甚至像图片和网络链接。此外二维码还存在“定位点”以及“容错机制。”

1.2二维码的类别

二维码的总体的编码方式就是在二次元方向上的分布的线条或者是块按照规则形成特定的几何图形。它和一维条码拥有共同的条码技术特点,并且有一定的检查功能。当前,二维码可以分为两个类型:堆叠式和矩阵式。

  1. 堆叠式二维码。根据需要堆叠成许多的线。它不仅兼容一维码的相关技术,并且继承了一维码的许多特点:代码设计、原则、识别模式。
  2. 矩阵式二维码。编码的原理是用点或者是其他图形,在矩阵的相应位置表示二进制数。一般情况下,若出现点,则为二进制数‘1’,否则为‘0’。这些点组成的图形,表示不同的码字。

二维码的特点如下:

  1. 成本较低,实用价值好;
  2. 容错性很好,实用寿命长;
  3. 信息容量大,空间利用率高,
  4. 对网络的依赖性降低;
  5. 识别速度快和防伪保密。

1.3 二维码的应用

二维码的优点:存储信息容量大、安全性高、实现追踪功能、抗干扰能力强等。目前二维码在生活、商业以及娱乐等方面应用广泛。主要包括:

  • 身份认证:主要是名片,微信的身份二维码,会议签到认证等等。
  • 产品信息:一些产品的基本信息,还可以用于物流,进行跟踪。
  • 电子票:电影票取票码,火车票的防伪标识,景点门票等等。
  • 娱乐信息:放入广告,音乐视频图片等链接。

1.4研究主要内容

二维码的编码方案是将数据按预定的编码规则转换成图形。二维码图形可以印刷在不同介质的表面,再由机器识别和阅读,从而实现一定距离内非接触信息传递。因为容量大,可靠以及成本低等特点,二维码在物联网、云计算、移动计算中具有重要的作用。由于二维码的广泛使用,二维码的干扰问题不可避免。本文主要研究基于遗传算法的抗干扰二维码的设计和实现。

针对二维码的干扰问题,我们抽象为在水平方向、垂直方向以及对角线方向受到干扰。对此,主要有两个解决办法:①设计新的编码规则,增加编码冗余度,提高二维码的抗损能力。②设计新的二维码抗损图形编码单元,即该单元在部分受损情况下仍能正确地识别。本文仍然使用黑白矩形块来分别代表二进制0,1比特,但不同的是将多个黑白矩形块组合成一个图形单元。然后对编码图形单元和编码表的设计,本文对码距给出了新的定义。基于该定义本文使用遗传算法来实现编码图形单元的选择以及编码表的生成。同时在二维码的编码规则中,采用相邻编码单元异或冗余编码,进一步提高了二维码的抗损抗干扰能力。

下面给出本文的主要内容安排:

本文首先主要介绍二维码的相关背景知识以及本文的主要研究内容。在第二章介绍二维码编码方案。主要简述目前主流的二维码,以及二维码的编码以及相关算法。在第三章主要引入遗传算法相关知识以及介绍基于遗传算法二维码编码表的生成。在该章中,定义了码距,以及二维码的编码规则。第四章主要是实践以及讨论部分。最后一章是对本文的总结。

2 二维码编码方案综述

2.1主流二维码的介绍

二维码也可称为矩阵码。它是指用二维的方法来描述信息。它与一维码(线性条码)相似,但是它比一维码在每个编码单元存储更多的信息。不同种类的二维码有自己的编码规则,下面对一些二维码给出介绍。

  • Aztec 码

由美国伟伦公司的Andrew Longacre设计创造出来。目前它主要应用于公共领域。这个二维码遵循国际标准ISO / IEC 24778。它图片的示例如下图2.1。

图2.1 Aztec 码的示例

  • CrontoSign

CrontoSign(也被人们称为photoTAN),它是一个可视密码,包含数据加密的规则以及一次性使用的TAN。它图片的示例如下图2.2。

图2.2 CrontoSign码的示例

  • Data Matrix 码

它由美国国际资料公司发明的。目前用于小零件的标识。因此DM二维码的大小可以随着信息量的大小进行调整,这类二维码意图通过较小的条码来储存更多的信息量。DM码最大的不同之处就是大小可变。大小从2.1*10^-6到0.009m^2。DM码有两种标准:ECC000-140(四种不同等级的纠错能力)和ECC200(R-S纠错译码算法)。它图片的示例如下图2.3。

图2.3 Data Matrix码的示例

  • Digital paper

这个类型的二维码好像使用花纹纸,用数字笔勾勒出图形,最后形成手写的文件。每个打印点都标识了该纸上唯一的一个位置坐标。它图片的示例如下图2.4。

图2.4 Digital paper的示例

  • 汉型码

汉字码主要是为了对中国的汉字进行编码与识别。它在2011年,被AAIM(Association for Automatic Identification and Mobility)协会推出。它图片的示例如下图2.5。

图2.5 汉型码的示例

  • QR码

OR(Quick Response)快速响应的意思。QR码能够存储更多的数据信息(包括中国汉字),同时还可和加密技术相结合来提高信息安全性。QR码识别速率快,安全性高;360°全方位识读;能较好的表示中国汉字信息。在数据压缩模式的选择上,QR选择采用通过某种特定的数据压缩模式以此来提高汉字表示效率和信息的存储容量。它图片的示例如下图2.6。

图2.6 QR码的示例

  • PDF417码

它不仅能够检测并且恢复出图像信息中的错误数据。当图像破损率为35%,PDF417还能够恢复图像的数据信息。PDF417主要是应用与包裹的传递和文件资料中的标识。 PDF417具有保密防伪性能超级好,还能够能利用加密技术进行多重防伪,PDF417的译码可靠性相当高。它图片的示例如下图2.7。

图2.7 PDF417码的示例

2.2 QR码的编码

2.2.1 QR码的介绍

OR快速回应的意思(Quick Response)。QR码速识速度快和安全性高;360°全方位识读;能较好的表示中国汉字信息,这是其他种类码制的二维码所没有的优点。如图2.1(f)QR码的示例,QR码为黑白色矩阵块构成的正方形。黑色模块表示二进制中的“1”,而白色模块表示“0”。在一个QR中,有三个顶角上有类似汉子“回”字的正方图案。QR码进行译码定位需要它们作为标志图形,360度全方位识读。QR码共有40个版本,模块宽度从21到177。随着版本号的增加,模块宽度也随之增加。每增加一个版本号,则模块宽度增加4。版本之间的区别主要表现在存储信息能力和纠错能力这两个方面。目前采用的纠错标准是2000年发布的国际标准ISO/IEC1804,它分为四个纠错等级,它采用先进的R-S算法进行纠错,如表2.1(a)所示。

表2.1(a)QR码纠错等级

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