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一种向下兼容标准QR码解码器的彩色QR码
摘要：
本文提出了一种新的彩色QR码向着兼容标准QR码并且增强了编码信息输送能力的方向发展。该方法分配三种标准双色QR码于YCb Cr颜色空间的颜色通道上，使得QR码在Y通道可以由一个标准的QR解码器解码。另外，一个专用的解码器进一步将QR码通过Cb和Cr两通道解码。所提出的方法是基于标准双色的QR码的编码和解码过程，而传统的方法提高输送能力需要复杂的专有的编解码器或不同技术。实验结果表明所提出的方法非常有效。
关键字：二维矩阵码，代码，颜色空间转换，颜色通道复用，数字水印
1.介绍
近年来二维码的广泛传播和大规模使用使之变得越来越流行，这都要归功于移动手机的解码器的应用。二维码是一种矩阵条码，相比一维条码而言，它能够编码更多的数据在里面。大量的信息可以被转换为同一种版本的数据，QR码的可识别型号的大小和版本（1-10）限制都被绑定在手机解码器当中。也就是说信息处理能力已被限制。关于扩大信息性能方面的主题已经有几个被踢出来了[9]-[14],这些传统的课题被分为两大类；一种是数据隐藏技术[9],[10]，另一种是基于等级制的信息变化[11]-[14]。
那种运用数据隐藏技术在双色QR码中隐藏额外信息的形式[9],[10]，尽管数据隐藏技术略微扭曲了QR码，但也不影响一般解码器按照标准方式去解读QR码。一个专用解码器可以识别并读出嵌入在其中的资料。如果有嵌入式的资料隐藏在QR码中，那么其相应的像素也应该增加在增加即便其型号很小，因为这种主题视QR码为一种图形而已。更有甚者，还有一种专用解码器会运用完全不同于标准QR码解码器的解码方式来进行对隐藏信息的解码工作。
后者基于强度等级的划分思想则可以直接编码更多的信息[11]-[14]来替代在原有QR码中附加隐藏数据的方法。这种方式是直接生成多等级（信息）的QR码。标准QR码包括两个等级分化，这一类又可分为两种；灰度和颜色。前者介绍多层次强度的增加可编码的。数据，但是前者多层次--密度降低奶几何变换干扰。因此这种做法只增加了一倍能力。后者介绍的颜色变化直接增强了其能力。上色的QR码已从该角度研究了增强对QR码的设计[15]-[18]。灰度
方法将符合标准的QR码,但这些着色方法需要一个复杂的专有编解码器。
本文提出了一种新的QR码的颜色与标准色QR码兼容。在这种理论当中，一个标准QR码解码器将其分为三个部分并且每部分分配一个颜色通道空间Y、Cb、Cr。一个特定的解码器包含颜色转换器和对标准二维码三通道的解码系统。
2.准备知识
本节简要介绍了QR码，和传统的多级QR码进行了综述。
A.QR Code
QR码是一种二维矩阵码，并且其在数据容量上优于普通一维码，因为它增加了一倍的维数。
QR码是由黑白的小方块组成的，称之为模块。QR码有40个不同的版本，在数模块时根据不同版本从21x21到177x177通过横向和纵向的4个模块。根据不同的版本，信息的存储能力已经定型。
识别网络码（RS）涉及到QR码作为信道编码技术的抗差错性。QR码中定义了4种纠错EC（error correction）等级，称为L、M、Q、H，分别可以纠正7%、15%、25%、30%的字符。纠错能力如何完全取决于EC等级。
图1显示了一个标准的QR码的方框图编码器。编码器首先识别出输入的字符类型（字母还是数字）再根据此以找到相应资源代码。被编码的资料之后就会被送给RS编码器前往EC等级定义。信息符号、奇偶校验符和一些上层信息被安排在特定的矩阵块中以形成QR码。另外，被安排在该功能模式的几何变换，将补偿在QR码中。
平衡亮与暗模块以减少误差，八种不同的掩模应用QR码和其中光和暗模块分布均匀被选中。最后，在应用面板的版本信息和数据将输出并形成最终的二维码。图2展示了版本3和版本10的QR码EC等级H的示例。
图3显示了一个标准QR码的解码器方框图。利用功能模式，解码器首先检测从捕获的图像和补偿几何代码转换的QR码，识别QR码模块并且把版本信息和信息掩模。QR码提取信息符号和奇偶校验符号。提取出的符号经过RS解码器解码，资源解码器输出信息解。QR码的解码基于这些亮度的识别；辨别光与暗的阈模块给出公式：
L=（Lmax Lmin）/2
这里Lmax和Lmin分别指拍摄图像亮暗度的最大和最小值。
B.QR码的灰度
替代双级强度的标准二维码。多级强度介绍了QR码的改进方法，提高信息能力。图4展示了模块分配的四种等级的强度。在这种方法中，一个标准QR码解码器使用Eq从拍摄到的图形中导出L以区分亮暗模块。标准QR码解码器可以从多级强度QR码中提取到同双级码一样多的信息量，但是专用解码器在QR码中识别出4种不同强度等级，由此可得到两倍于之前的数据量。然而，越强的等级被引入，就会造成越低的几何容忍度和越多的误差出现。这种方法表明强度增加能到4级。
C.彩色QR码
这部分介绍QR码通过颜色的变化来增强其对信息的处理。类似于之前板块中提到的灰度值部分，多级强度被分配到各个RGB颜色通道中。图5展示了4个等级分配到各个颜色通道中的例子。
根据图4所示的条件，64种不同的颜色可以被表示出。即使是专有的解码器，在一个实践环境中区分64种不同的颜色也是相当困难的，这种方法不能分配灰度给各个通道。取而代之，一系列可互相区分的颜色组成了QR码。据报道，这种方法通过使用16种颜色提高了信息容量高达四倍。通过引入复杂的排色规则，彩色解码器变得兼容标准解码器，但是编码器则需要特殊专用的，那是一个完全不同于标准QR码编码器的编码器。
3.提出方法
这部分提出了一种新的彩色QR码，这种新彩色码是基于标准双色码，并兼容标准解码器的代码，以增强其信息存储能力。该方法将双色码的三颜色通道复用，在这种方法中，每个通道都有一个双色QR码独立。为确保标准的QR码解码器解一个多路复用的彩色二维码，将QR码分配到Y、Cb、Cr色彩空间代替RGB彩色空间。专用的QR解码器在解码标准双色码的基础上将之放到彩色通道中去再解码。
A.编码
彩色二维码是通过以下算法产生的。
第一步：将输入资料划分为三个部分并按照标准双色码生成编码，如图6。这三部分的字符版本和EC等级根据需要可能是不同的。
第二步：在Y、Cb、Cr空间通道中选择2种强弱等级的明暗模块（Y1，Y2）（Cb1，Cb2）（Cr1,Cr2）；在Y通道中分别设置明暗等级到模块Y1和Y2。类似地同样设置相同项目到Cb和Cr中。注意选择强度等级的策略和确定的方法。
第三步：在三种通道Y，Cb，Cr的QR码已被转换进入RGB色彩空间。这里的颜色转换有三个方程组成：
R=1.164（Y-16） 1.596（Cr-128），
G=1.164（Y-16）-0.391（Cb-128）
G=1.164（Y-16）-0.813（Cr-128），
B=1.164（Y-16） 2.018（Cb-128），
用这种转换模式，Y强度改变可以在16到255之间，Cb和Cr强度改变在16到240之间。在RGB色彩空间中R，G，B三通道的强弱覆盖度为0到255。
图6展示了图6显示了上述QR码算法所提供的一个例子，在Y，Cb，Cr通道中的版本为3版，纠错等级为H。
B.解码
一个彩色QR码既可以使用专用解码器解码也可以使用标准解码器解码。
- 使用标准解码器：
第一步：使用标准解码器解码彩色二维码的示例已被截取至图3。Y通道的双色码被一个标准解码器解码。
2）使用特殊解码器：
第一步：一个用摄影设备截取的彩色QR码在RGB色彩空间中被转换至Y，Cb，Cr色彩空间中。转换公式如下：
Y =0.257R 0.504G 0.098B 16
Cb=-0.148R-0.291G 0.439B 128
Cr=0.439R-0.368G-0.071B 128
第二步：分离色彩通道为Y，Cb，Cr。
第三步：使用标准解码器直接解码存于三个通道中的双色码。
C.优点
这部分总结了本主题的三个主要优点。
(a)兼容标准QR码解码方式。
(b)增进了信息存储能力。
(c)可行性高，由于使用了标准QR码的基本原则。
所提出的方法兼容着现存的标准QR码解码器。这就一个标准QR解码器部分地提出了彩色二维码。Y色彩通道的QR码直接被标准解码器解码，因为标准解码器只区分所截取的图形亮度，忽略掉了Cb和Cr通道。因为Y色彩通道中的QR码属于标准码，标准解码器解析的代码信息量与之等同。需要注意的是传统彩色QR码并没有充分考虑到与标准码的兼容性，只有这种新型的彩色二维码才注重了对标准码的兼容性。此种方式正被广泛运用并有望打开一片新的传播天地。
此种方式编码的彩色QR码所容纳的信息量有3倍于标准双色码。同时和相比采用灰色度提升2倍于标准码的代码而言仍然具有优势。而传统彩色码通过引入多级强度后，其数据处理能力可比原能力高3倍以上，所提出的方法下面不引入它们的价值。值得注意的是如果引入多级强度概念则会大幅增加其性能。
该方法本质上是将三个标准双色的QR码合成一个彩色的QR码。因此本方法需要一个额外的色彩转换空间，但这是所有方法中新推出的。无论是编码还是解码都需要用到编解码器。因此，这种方法可以无视公差和几何转换的干扰。
更多的，3种标准码的版本和EC等级互相都不同。有了这种特性，即可实现不同的信息传输。也就是说，最重要的信息被编码在QR码的Y通道上，因为标准QR解码器就可以在其上直接解码尽管是彩色码。另一方面，QR码在Cr和Cb通道上也能传输补充信息。
D.亮暗模块级别
这种提出的方法在各个通道上选择了模块的亮暗强度级别，示例在图8,。这部分描述了确定强度等级的方法。
任意两通道的等级距离如下公式
△Y =Y1-Y2，
△Cb=Cb2-Cb1，
△Cr=Cr2-Cr1，
这些结果应该尽可能的大以便准确滴区分亮暗模块。然而，这法子并没有设置Y1Y2的最小值16，也没有设置最大值235。在RGB颜色空间转换的强度在0到255之间，并且其夹在新转换的数值于Y通道上的初始值。也就是说Y1Y2在编码过程中是不同于解码过程的。这就引入了解码错误在这个概念当中。所以，强度等级需求可总结为如下：
- 在RGB色彩空间中转换强度{0,255}
- 设置△Y，△Cb，△Cr尽可能的大。
从现在开始，满足上述的策略和算法所提到的要求。Eqs(2)(3)在Y，Cb，Cr色彩空间定义跨越总空间，在每一RGB组件空间，所有在子空间中的点总是被跨越地转换成子空间。图9展示了实际的截面表面子空间在Y，Cb，Cr颜色空间在不同的Y通道的一个矩形的两对角顶点在(Cb1,Cb2)和(Cr1,Cr2)表面。根据Y注意存在于表面的矩形的形状和型号。在图9(a)已示例2个矩形，矩形1使得△Cb变大，△Cr变小，矩形2扩大和平衡△Cb和△Cr。
图10是在△Cb和△Cr设置的足够大和平衡的时候作出了Cb1的，Cb2的，Cr1的，Cr2的各种在Y上的可能。图9(a)中的矩形2。算法是基于以下策略。
第一步：确定所需的△Y，并选择Y1和Y2=Y1 △Y
第二步：从(Crsquo;b1，Crsquo;b2)和(Crsquo;r1，Crsquo;r2)中选择符合要求的给Y1。类似地，如何选择符合Y2的见图10。
第三步：用公式计算△Cb△Cr
△Cb=max{Crsquo;b1，Crsquo;rsquo;b1}-min{Crsquo;b2，Crsquo;rsquo;b2}，
△Cr=max{Crsquo;r1，Crsquo;rsquo;r2}-min{Crsquo;r1，Crsquo;rsquo;r2}，
第四步：如果△Cb和△Cr是可接受的，则保留结果。否则另选△Y或Y1返回步骤2。
下一部分给出有形的参数算法。
4.实验结果
该颜色的QR码是由照相机拍摄用于评估设备的解码性能的。
A.条件
在表一中总结的环境中的性能进行了评价。提出的彩色二维码是显示在屏幕上或是打印在纸上。评估中涉及到了三种标准解码器。
B.兼容着标准QR解码器
这部分主要讲彩色QR码兼容标准码的性能。利用部分3中介绍的表2中的算法来设定亮暗模块强度等级。在Cb和Cr色彩通道设置(a)值以代替在Y上的。在各通道设置(b)值同样重要。设置(c)提供更高优先在Y和Cr通道的QR码。
表三总结结果，QR码显示在显示器上，在一张纸上打印。可以确定的是，Y通道上的彩色QR码被标准解码器解码时，和△Y同样足够大。也就是说这种彩色码兼容着标准解码器。
C.彩色码的有效性
这一部分彩色码的被解码性能；在Y，Cb，Cr通道上解码所有的双色码。彩色码被打印在纸上并被相机拍摄。抓拍的代码在RGB色彩空间上转换至YCbCr空间上，并且通过在每一通道上判别分析将灰度图二值化。图11展示了二值化图片。
表4表示了二值化代码被解码的结果。可以确定的是，在条件(a)应用时QR码在Cb和Cr通道上可以被解码。类似地，在(c)条件下Y和Cr通道上的QR码可以被解码。条件(b)的结果显示在所有通道上的任意强度等级都可以被解码。lt;
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