彩码技术在智能科学与技术专业教学中的应用

摘要：智能科学与技术是面向前沿高新技术的基础性本科专业，是现代科学技术的多学科交叉焦点核心。在二维码技术不断普及，并且弊端不断显现的情况下，彩色三维码技术正在不断成熟。文章通过对彩色三维码技术的分析与研究，结合本专业关于图像处理的有关内容，利用图像信息隐藏和提取的相关知识点，在三维码中简单的隐藏一些信息，通过信息提取得到相应的隐藏信息，从而加深学生对所学专业知识的运用，培养学生对前沿技术探索的兴趣。

关键词：教学实践；二维码；彩色三维码；智能科学与技术

0 引言

智能科学与技术是信息科学技术的核心和现代科学技术的前沿和制高点，是面向前沿高新技术的基础性本科专业，是现代科学技术的多学科交叉焦点核心。该专业融合了机械、电子、传感器、计算机软硬件、人工智能、智能系统集成等众多先进技术，是现代检测技术、电子技术、计算机技术、自动化技术、光学工程和机械工程等学科相互交叉和融合的综合学科；它涉及检测技术、控制技术、计算机技术、网络技术及有关工艺技术，充分地体现了当代信息技术多个领域的先进技术，正影响着国民经济的很多领域，且已成为一个国家科技发展水平和国民经济现代化、信息化的重要标志。

二维码作为一种信息载体，可以通过手机扫描获取相关信息。作为解决二维码技术和应用瓶颈而发展起来的新型条码技术，手机彩码对手机摄像头的技术要求不高，具有普通摄像功能的中低端手机都能主动识别。并且彩码是通过形状和颜色承载信息量，包含相当大的信息量。为了更好地利用有限的实验资源、教学资源和课时约束，我们实行将现有的技术与教学实验相结合的原则，利用现在应用较为广泛的彩码技术与教学实验相结合。

1 彩色三维码的概述

1.1 条码的发展

条码的发展总共经历了3个阶段：条形码、二维码、彩码，如图1所示。

彩色三维码属于第3代条码，它继承了条形码和二维码的优势，并不断进行改进，是在传统黑白二维码基础上发展起来的一种全新图像信息矩阵产品，由R、G、B、K4色矩阵构成的独特彩色图像三维矩阵产品。

1.2 彩色三维码技术

彩色三维码又称彩码，是以4种相关性最大的单一颜色：红、绿、蓝和黑来表述信息的。彩码的架构是一个6×6的矩阵图，36个矩阵单位由上述4色中的单一颜色来填充，矩阵的外框通过黑色线条封闭。

彩码和二维码的识别原则不同，通过对单元的灰度及面积来识别所载信息，采用的是模糊识别机制，仅仅对单元中的颜色进行识别，来确定所载信息，并且具有较强的抗形变能力，从而使其对光学设备的要求大大地降低，同时不需要微距和静摄的功能。因此，在一定的原则下，彩码矩阵的每个单元都可以进行变形、调整颜色取值和插入其他非识别颜色等动作，使彩码的整体是可以被识别的。彩码采用了新的信息携带方式和新的识读手段，具有承载信息量大、安全性高，信息变更快捷、适用范围广阔等优势。

1.3 彩码和二维码的对比

彩码是在传统黑白二维码基础上发展而来的一种全新图像信息矩阵产品，包含了二维码的许多优点，同时也在一定程度上对其进行了改进。对比当前常见的二维码技术，彩码具有安全性强，识别率高、识读成本低、信息容量大、抗畸变性强等特点。表1列出了彩码与二维码之间的区别。

2 彩码技术在智能科学与技术实验教学中的应用

智能科学与技术专业是国内新增开设的面向前沿高新技术的基础性本科专业。与其他专业相比，该专业更要求教学内容的基础性、实用性和前沿性。彩码作为新发展起来的技术，将其应用在智能科学与技术教学实验中，反映当前的科学技术发展的现状和研究方向，这是课堂教学质量的关键所在。结合图像处理方面的关于图像信息隐藏和提取的知识，突出了智能科学与技术的学科性特点，与模式识别与智能系统、机器视觉及应用等相关专业具有较高的相关性，机器视觉及应用课程是专业的核心课程。智能科学与技术专业利用彩色信息隐藏技术作为专业能力的提升环节。

信息隐藏利用人体感觉器官的不敏感（感觉冗余），以及多媒体数字信号本身存在的冗余（数据特性冗余），将需要隐藏的信息隐藏在另一个文件中，使其不被察觉到或不易注意到，而且不会影响到载体信号的感觉效果和使用价值。它可以保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提品的附加信息，具有广泛的应用。图像信息隐藏和提取示意图如图2所示。

图像信息隐藏的方法有多种，如LSB嵌入法、DCT域图像水印、DWT域图像水印等。数字水印技术将一些标识信息（即数字水印）直接嵌入数字载体（包括多媒体、文档、软件等）当中，这种被嵌入的水印可以是任何形式数据，如一段文字、标识、序列号等，它不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统（如视觉或听觉系统）觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。

彩码本身不携带任何信息，本文通过利用图像信息隐藏和提取技术，将信息嵌入彩码中，含有隐藏信息的彩码与原彩码本身视觉效果相差不大。由于彩码采用的是模糊识别机制，仅对单元中的颜色进行识别，来确定所载信息，加上彩码识别抗畸变能力比较强，将信息隐藏在彩码中并不影响彩码本身的颜色信息，因此在用设备扫描彩码时基本不影响彩码的识读。彩码信息隐藏的过程如图3所示。

需要考虑的一点是：大部分情况下彩码的整体颜色信息是不变的，但不排除特殊情况，这时候可以结合图像处理的相关内容，利用一种基于奇异值分解的三维彩码零水印算法，该算法通过对比高斯低通滤波、中值滤波、均值滤波等方式，有效地去除高斯噪声、椒盐噪声等噪声，解决了三维彩码中数字水印的不可感知性和鲁棒性之间的矛盾。

3 智能科学与技术实验教学与彩码技术结合的好处

通过图像处理的相关知识，对图像进行各种图像增强、编码、复原、检测，实现图像信息的隐藏和提取，结合对彩码的研究，构造一个统一的实验架构，成功地将彩码应用到智能科学与技术教学中，实现对专业知识的掌握和对前沿技术的了解。这样的结合符合本科生的研究方向要求和面向当前社会发展、经济建设的需要，有利于提高学生对相关课程等诸多方面的学习和实践，提高学生对未知领域的求知热情。在具体教学过程中，再结合比较教学法、举例法等方法使学生能够把握事物的本质；从应用角度上，创造性地理解彩码信息隐藏的实现形式，使学生摆脱被动的模仿学习方式。教师讲解教材上所没有但与教材密切相关的知识，这样吸引学生的注意力，使学生有兴趣去思索和理解问题，有利于提升学生对先进技术的学习和理解能力。

4 结语

彩码技术因其识别率高、识读成本低、信息容量大等优点正在被广泛应用到各种广告媒体中。我们将其应用到智能科学与技术教学实验中，实现图像信息隐藏或和提取与彩码相结合，针对学生的实际情况，不断完善教学手段，促使学生对专业知识的更加全面的掌握，培养学生的信息素养、创新的思维方式，激发他们对最新信息技术的追求，以及对新技术的加深了解，更有利于以后对本专业就业方向的确定，提高自身专业技能，因此逐步将彩码技术充分应用到各教学中，也是顺理成章的事情。