二维条码技术及其在3G中的应用

摘要：二维条码作为一种新的信息存储和传递技术，具有信息容量大、不依赖于数据库和计算机网络、可靠性高、保密防伪性强和易于制作等优点，在各个领域有着广泛的应用前景。文章简要介绍了二雏条码的基本概念及其分类，并以PDF417条码为倒介绍了二维条码的码图结构和编解码过程。最后介绍了二维条码在3G中的应用方案。

关键词：二维条码；PDF417；　手机二维条码；3G

0　引言

条码技术的发明给计算机赋予了视觉功能，解决了计算机快速识读数字信息的困难，为管理的科学化和现代化做出了很大贡献。但随着应用领域的不断扩展，一维条码渐渐表现出了它的局限。首先，一维条码对物品信息的描述依赖于预先建立的计算机数据库或网络，必须通过连接数据库的方式提取信息才能明确条码所表达的信息含义；其次，一维条码表达的只能为字母和数字，而不能表达汉字和图像；另外，在某些场合下，大信息容量的一维条码通常受到标签尺寸的限制，给产品的包装和印刷带来了不便。基于以上原因二维条码技术应运而生。

1　二维条码简介

1.1二维条码的基本概念

二维条码可以理解为一维条码在纵向上的叠加，如图1所示，它用某种特定的几何图形按一定规律在平面上分布的条、空相问的图形来记录数据符号信息。在特定的编码规则下，二维条码技术可以将数字、文字和图像等一切可数字化的数据源压缩成为几何图形，而译码设备在读取此图形后，根据适当的译码算法，便可将此图形还原成对应的原始数据。

1.2二维条码的分类

二维条码可以分为堆叠式二维条码、矩阵式二维条码和邮政码三大类。堆叠式二维条码形态上是由多行短截的一维条码堆叠而成；矩阵式二维条码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用“空”表示二进制“0”，由“点”和“空”的排列组成代码。邮政码是通过不同长度的条进行编码，主要用于邮件编码。

(1)堆叠式二维条码

堆叠式二维条码，又称行排式、堆积式或层排式二维条码。图1中的二维条码就是一种堆叠式二维条码。它的识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容，但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法和软件也不同于一维条码。有代表性的堆叠式二维条码有：Code 16K、Code 49、PDF417等。

(2)矩阵式二维条码

矩阵式二维条码，又称棋盘式二维条码，它是在一个矩形空间通过黑白像素在矩阵中的不同分布进行编码。图2中给出了几种矩阵式二维条码的示意图。在矩阵相应元素位置上，用点(方点、圆点或其他形状)的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表的意义。代表性的矩阵式二维条码有：Code One、MaxiCode、QR Code、Data Matrix等。

二维条码中，矩阵式比对堆叠式带有更高的信息密度，它只能被二维的CCD图像式阅读器识读，并能以全向的方式扫描。

2　二维条码编解码举例

本文以PDF417为例介绍二维条码的码图结构和编解码方法。PDF417是―种可通用的便携式数据库库(Portable Data Files)，是一种二维堆叠式的条码符号。图3所示为PDF417符号的结构示意图。

PDF417条码符号的顶部和底部为空白区，上下空白区之间为多层结构，层数范围是3～90。每层构成如下：A-空白区；B-起始符；C-终止符；D-左层指示符号字符；E-右层指示符号字符；F-1～30个数据和符号字符。

PDF417每个数据字符包括4个条和4个空，每个条或空由1-6个模块组成。一个数据符中的4个条和空的总模块数为17，故名PDF417。每个数据符都以深色模块开始，以浅色模块结束。

PDF4]7的符号字符集可分为三个互相独立的子集，即三个簇，每个簇均有以不同的条空形式表示929个符号字符值，即码字。三个簇的逻辑簇号为0,3和6，每层只使用一个簇中的符号字符。同一簇每三层重复一次。第。一层使用0簇符号字符，第二层使用3簇符号字符，第四层使用。簇符号字符，以此类推。对于―个给定的符号字符，其簇号定义为：簇号=(b1-b2+b3-b4+9)mod9。b1、b2,b3、b4分别表示从左向右四个条的模块数，见图4。PDF417条码的这种层编码规则能解决阅读堆叠式二维条码丢失垂直同步信号的问题，使译码器能利用穿过层的扫描。每一层的指示符号字符由层号(i)、符号层数(3～90)、每层符号字符个数(1～30)以及纠错等级(0-8)决定。PDF417中的起始符和终止符是惟一的。

由以上的介绍可以总结出二维条码的码图结构可以分为两个部分：码图标识符区域和数据存储区域。标识符区域的作用是用于拍摄或扫描的二维条码图形的快速识别定位。数据存储区域则用来存放用户数据。一般来说存放的数据为二进制的“0”、“1”字符串，它们按一定的编码规则和纠错算法规则对应为相应的数字串、西文字符串、中文字符串或者是其它信息。

PDF417条码在编码时，首先对未编码数据进行压缩。有三种数据压缩模式：文本压缩模式TC、字节压缩模式BC、数字压缩模式NC。每种模式结构对应不同的算法。通过应用模式锁定／转移码字，可在一个PDF417条码符号中应用一种或者多种模式表示数据。图5为417条码的模式切换图。

二维条码符号表示包括数据流编码和码字流表示两个部分内容，如图6所示。

数据流编码过程又可以分为两个部分：一是将数据源信息流根据一定的数据压缩模式转换为数据码字流的过程；二是根据RS错误控制码算法及数据纠错要求在数据码字流基础上生成纠错码字流的过程。

码字流表示过程是指在完成数据流编码之后，按照特定的规则将码字流表示成相应的二维条码符号字符。

例如超市商品的二维条码，就是把商品信息(如生产地、厂家名称。生产日期、保质期，主要原料等信息)制成二维条码，打印出来贴在商品上以便保存。通过条码识读设备对条码进行译码即可得相应商品信息。

在商品标识信息中汉字占多数，所以采用字节压缩模式进行编码。字节压缩模式通过基256至基900的转换，将数据信息流转换为数据码字流。当所要表示的字节总数不是6的倍数时，用模式锁定901；当所要表示的字节总数是6的倍数时，用模式锁定924。在应用模式锁定924的情况下，6个字节可通过基256至基900的转换用5个码字表示，从左到右进行转换。在应用模式锁定901的情况下，每前6个字节的转换方法与上述方法相同，对被6整除所剩余的字节应每个字节对应一个码字，逐字节用码字表示。

对于数据码字流dn-1，…d0，根据RS错误控制码算法及预先设定的数据纠错要求，可以生成符合要求的纠错码字流 ck-1…c0。把数据字符流和纠错码字流加上起始符等控制信息就可以对条码字符按照PDF417符号的结构进行排列。PDF417条码的符号表示规则指出每行的数据需要用三个不同的簇表示，每一簇都有其相应的“符号字符一码字集表”，通过查找这些表可以得到码字流的正确条空形式，即设计出了二维条码。

二维条码的译码过程是通过二维条码识读器来完成的。二维条码有两种基本识读方法：一是存储一系列线性扫描序列进行动态识读；二是用CCD摄像机摄取二维条码并存储图像，然后用静态技术识别有用区域。

PDF417具有层编码信息，解决了垂直同步信息的问题，可以采用存储一系列线性扫描序列进行动态识读。译码器必须精确测量扫描器扫描条码符号时所发出的一系列脉冲数字信号的宽度。可以将扫描器输出信号与其反相信号分别与中断O、中断1相连，并同时采用定时器0和定时器1进行宽度测量。译码器解译的数据通过键盘口传送给计算机，再通过相应的译码软件就可以识读PDF417条码。

3　二维条码的应用

二维条码作为一种薪的信息存储和传递技术已经广泛地应用在国防、公共安全、交通运输、医疗保健、工业、商业、海关及政府管理等的领域。下面主要介绍二维条码在移动增值业务方面的应用。

手机二维条码技术采用手机作为二维条码信息的载体和识读设备，将带有信息的二维条码以彩信的形式在手机里存储、阅读、传播，它是二维条码技术与移动增值业务的完美结合。如果手机具有10万像素拍照功能且安装了二维条码软件，就可以拍摄二维条码，并解析出其中信息。中国移动在2005年8月首次关于手机二维条码的规范并在10月的通信展中展示了利用二维条码进行奥运购票以及信息查询等功能；在2006年8月中国移动又推出了“条码识别”业务，采用的是DM码和QR码相融合的一种码型。目前手机二维条码已经有了多种应用方案，例如手机条码阅读引擎，电子票务等。手机二维条码业务将会成为3G时代的主流业务。

3.1手机二维条码阅读引擎的应用

手机二维条码阅读引擎是一种支持手机扫描、识别二维条码的软件。带摄像头的手机只要内置或下载二维条码阅读引擎后，就可以通过扫描物品上的二维条码解读二维条码内所隐含的信息。主要应用于数据录入、解码上网、解码防伪等方面。

数据录入应用包括用手机拍摄二维条码，识读条码内的信息并储存等的应用。例如应用二维条码技术进行交通管理：在执照年审通知单或在执照上印刷一个二维条码，将所有年审或颁发新牌照所需要的信息放在二维条码里，参加年审者只须携带年审通知单或执照，工作人员只须用手机扫读一下通知单或执照上的二维条码便可获取全部审验信息。

如果把网站链接录入到商品、名片、广告上面的二维条码中，用户用内置二维条码阅读引擎的手机扫描该条码，解析出网址IP后就可以自动链接到相应的网站上直接浏览商品、下载折扣券、用手机支付购票。这为消费者带来了一种全新的手机上网模式。

二维条码具有多重防伪特性，它可以采用密码防伪、软件加密及利用所包含的信息如指纹、照片等进行防伪。厂家根据相应的编码标准给每件出厂商品分配二维编码，并建立商品信息数据库存储出厂商品的相关信息。消费者购买商品时，用安装了二维条码阅读引擎的手机扫描产品上的二维条码并查询生产商的商品信息数据库就可以辨识该商品的真伪。

3.2电子票务的应用

在日常生活中纸质票务相对于电子票务来说存在很多不足：如印刷成本较高、容易被复制仿冒、易损毁等；票券运营单位面临着售票的人力成本高、防止假票的安全验证、票务使用信息不能留存等问题的困扰；消费者存在着要亲自到售票场地去取票、被假票欺骗、保存票券等诸多不便。而应用手机二维条码技术产生的电子票可以有效地解决传统票务领域存在的上述问题。电子票务的实现是结合售票单位的网站、售票信息平台共同来完成的。首先，消费者有购票的需求，查找相关的票务信息，根据相关信息的指引，发短信到售票系统，按提示进行支付。支付完成后，售票系统把电子票以二维条码的形式发送到购票者的手机中，完成购票流程。消费时经过终端的验票设备进行检验后，可享受相应的服务。

4　结束语

随着计算机技术和信息技术的发展，二维条码的应用前景越来越广泛，二维条码技术在我国的推广应用必将为我国信息产业的发展带来可观的社会效益和经济效益。二维条码的出现是条形码发展史上的里程碑，它提高了条形码技术的应用水平，拓宽了条形码技术的应用领域。