手機(jī)客戶端軟件—QR二維碼編解碼器的分析與設(shè)計(jì)

1、手機(jī)客戶端軟件一QR二維碼編解碼器的分析與設(shè)計(jì)2010-09-19來(lái)源：摘要：本論文在研究二維條碼知識(shí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)快速響應(yīng)矩陣碼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)完成了QR二維碼編解碼算法過程，尤其是Reed-Solomon糾錯(cuò)算法的電路編碼實(shí)現(xiàn)，對(duì)其他條碼技術(shù)的編解碼有著很強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義。同時(shí)，開發(fā)安裝完成手機(jī)上的二維碼編解碼客戶端軟件是手機(jī)上的一項(xiàng)增值業(yè)務(wù)，不僅可以滿足服務(wù)提供商推廣增值業(yè)務(wù)的需求，還有著廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。本論文的研究成果在于創(chuàng)新性地使用二維碼為兌付憑證，建立用戶手機(jī)和物品的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘幕A(chǔ)上，用網(wǎng)絡(luò)信息傳輸完成數(shù)據(jù)傳輸過程，從而提高了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源的利用率以及數(shù)據(jù)傳輸

2、的效率和安全。關(guān)鍵詞：快速矩陣響應(yīng)二維條碼；Reed-Solomon；手機(jī)客戶端軟件1 .引言隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)全球化、信息網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)國(guó)際化成為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的主流。同時(shí)，各行各業(yè)的管理體制和管理手段也在發(fā)生著日新月異的變化，現(xiàn)代化的高新技術(shù)推動(dòng)了自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的迅猛發(fā)展。條碼技術(shù)是在圖形識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種信息處理技術(shù)，目前在世界范圍內(nèi)已得到廣泛的應(yīng)用。二維碼的出現(xiàn)是條碼技術(shù)發(fā)展史上的里程碑，從質(zhì)的方面提高了條碼技術(shù)的應(yīng)用水平，從量的方面拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域1。本論文根據(jù)快速響應(yīng)矩陣碼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)完成了QR二維碼編解碼算法過程，其中對(duì)編碼版本和糾錯(cuò)等級(jí)有較高的要求，尤其是Reed

3、-Solomon糾錯(cuò)算法的電路編碼實(shí)現(xiàn)，對(duì)其他條碼技術(shù)的編解碼有著很強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義。同時(shí)，開發(fā)安裝完成手機(jī)上的二維碼編解碼客戶端軟件是手機(jī)上的一項(xiàng)增值業(yè)務(wù)，不僅可以滿足服務(wù)提供商推廣增值業(yè)務(wù)的需求，還有著廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。2 .快速響應(yīng)矩陣二維條碼編解碼實(shí)現(xiàn)在簡(jiǎn)單介紹二維條碼知識(shí)的基礎(chǔ)上，依據(jù)快速響應(yīng)矩陣碼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)闡述了QR二維碼的編碼過程，譯碼過程和糾錯(cuò)算法，最后給出結(jié)果演示。2.1 二維碼技術(shù)簡(jiǎn)介二維條碼(2-dimensionalbarcode)是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面(二維方向上)分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的，在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基

4、礎(chǔ)的0、1比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來(lái)表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過圖象輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理。QRCode碼是由日本Denso公司于1994年9月研制的一種矩陣二維碼符號(hào)，它除具有一維條碼及其它二維條碼所具有的信息容量大、可靠性高、可表示漢字及圖象多種文字信息、保密防偽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下主要特點(diǎn)：普通的一維條碼只能在橫向位置表示大約20為的字母或數(shù)字信息，無(wú)糾錯(cuò)功能，使用時(shí)候需要后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，而二維條碼是橫向縱向都存有信息，可以放入字母、數(shù)字、漢字、照片、指紋等大量信息，相當(dāng)一個(gè)可移動(dòng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。如果用一維條碼與二維條碼表示同樣的信息，QR二維

5、碼占用的空間只是條碼1/11的面積。圖1為QR碼符號(hào)版本5的示例。2.2QR碼符號(hào)結(jié)構(gòu)每個(gè)QR碼符號(hào)由正方形模塊組成的一個(gè)正方形陣列構(gòu)成，它由編碼區(qū)域和包括尋像圖形、分隔符、定位圖形和校正圖形在內(nèi)的功能圖形組成。功能圖形不用于數(shù)據(jù)編碼。符號(hào)的四周為空白區(qū)。圖2為以QR碼版本7符號(hào)為例的結(jié)構(gòu)圖2。編碼過程數(shù)據(jù)分析分析所輸入的數(shù)據(jù)流，確定要進(jìn)行編碼的字符的類型。QR碼包括幾種不同的模式，以便高效地將不同的字符子集轉(zhuǎn)換為符合字符。選擇所需的糾錯(cuò)等級(jí)。（如：版本1,每邊模塊數(shù)21,功能圖形模塊數(shù)202,格式及版本信息模塊數(shù)31,數(shù)據(jù)模塊數(shù)208,數(shù)據(jù)容量【碼字】26,剩余位0;版本2,每邊模塊數(shù)25,

6、功能圖形模塊數(shù)235,格式及版本信息模塊數(shù)31,數(shù)據(jù)模塊數(shù)359,數(shù)據(jù)容量【碼字】44,剩余位7。版本號(hào)每加1,模塊數(shù)加4,當(dāng)版本號(hào)>6時(shí)，格式及版本信息模塊數(shù)為67）模式轉(zhuǎn)換可以縮短位流長(zhǎng)度，但要有模式指示符和字符計(jì)數(shù)指示符（位數(shù)與版本號(hào)和模式相關(guān)）的附加開銷，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ教岣呔幋a效率。常用編碼模式數(shù)字模式：對(duì)十進(jìn)制數(shù)字09（ASCII值3039）編碼，密度通常為每10位表示三個(gè)字符。字母數(shù)字模式：對(duì)45個(gè)字符的字符集進(jìn)行編碼，包括10個(gè)數(shù)字09,26個(gè)字母字符AZ,9個(gè)符號(hào)SP密度通常為每11位表示兩個(gè)字符。8位字節(jié)模式：用于表示ASCII字符集（00FF）,編碼密度為每8位表示一

7、個(gè)字符。中國(guó)漢字模式：用于表示GB2312規(guī)定的雙字節(jié)表示的中國(guó)漢字和非漢字字符，字符值為字符對(duì)應(yīng)的內(nèi)碼值。編碼密度為每13位表示一個(gè)雙字節(jié)字符。數(shù)據(jù)編碼根據(jù)采用的模式，將數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為位流。當(dāng)需要進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)，在新的模式段開始前加入模式指示符進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)序列后面加入終止符，將產(chǎn)生的位流分為每8位一個(gè)碼字，必要時(shí)加入填充字符以填滿按照版本要求的數(shù)據(jù)碼字?jǐn)?shù)。位流=（ECI標(biāo)頭）+模式指示符（4位）十字符計(jì)數(shù)指示符（位數(shù)和版本號(hào)及編碼模式有關(guān)）+數(shù)據(jù)位流終止符（0000）位流到碼字的轉(zhuǎn)換：每個(gè)模式段的位流需要按順序連接在一起，最后添加終止符。所得的數(shù)據(jù)位流被分為一個(gè)個(gè)碼字，所有碼字的長(zhǎng)度

8、都是8位，如果位流長(zhǎng)度最后一個(gè)碼字不足8位，則用二進(jìn)制0填充至8位。然后按照版本號(hào)和糾錯(cuò)等級(jí)交替添加填充碼字1110110儕口00010001,將數(shù)據(jù)位流擴(kuò)展，以填滿符號(hào)的數(shù)據(jù)容量，所得結(jié)果加入糾錯(cuò)碼字。有些版本需要在信息的最后添加3、4或7個(gè)剩余位。（如版本1H,數(shù)據(jù)碼字?jǐn)?shù)為9,數(shù)據(jù)位數(shù)為9>8=72,數(shù)據(jù)容量：數(shù)字17;字母數(shù)字10;8位字節(jié)7;中國(guó)漢字4）糾錯(cuò)編碼按需要將碼字序列分塊，以便按塊生成相應(yīng)的糾錯(cuò)碼字，并將其加入到相應(yīng)數(shù)據(jù)碼字序列的后面。糾錯(cuò)碼添加在數(shù)據(jù)碼字序列后，使得符號(hào)可以在遇到損壞時(shí)不致丟失數(shù)據(jù)。糾錯(cuò)容量計(jì)算舉例：版本6-H符號(hào)中共有172個(gè)碼字，60個(gè)數(shù)據(jù)碼字，1

9、12個(gè)糾錯(cuò)碼字，這112個(gè)糾錯(cuò)碼字可以糾正56個(gè)替代錯(cuò)誤或112個(gè)拒讀錯(cuò)誤，符號(hào)糾錯(cuò)容量為56/172或32.6%。QR碼符號(hào)各版本的糾錯(cuò)特性舉例：版本1M,糾錯(cuò)塊數(shù)1,碼字總數(shù)26,數(shù)據(jù)碼字?jǐn)?shù)16,糾錯(cuò)碼字?jǐn)?shù)26-16=10,錯(cuò)誤檢測(cè)碼字?jǐn)?shù)2,糾錯(cuò)替代錯(cuò)誤數(shù)（102）/2=4;版本5H,糾錯(cuò)塊數(shù)4,碼字總數(shù)134,數(shù)據(jù)碼字?jǐn)?shù)11>2+12X2=48,糾錯(cuò)碼字?jǐn)?shù)88,錯(cuò)誤檢測(cè)碼字?jǐn)?shù)0,糾錯(cuò)替代錯(cuò)誤數(shù)88/2=44。將數(shù)據(jù)碼字分塊，每一塊分別計(jì)算出糾錯(cuò)碼字并添加到數(shù)字碼字后。糾錯(cuò)碼字是數(shù)據(jù)碼字被糾錯(cuò)多項(xiàng)式g（x）除得的余數(shù)。構(gòu)造最終信息在每一塊中置入數(shù)據(jù)和糾錯(cuò)碼字，必要時(shí)加剩余位。根據(jù)版本

10、和糾錯(cuò)等級(jí)將數(shù)據(jù)碼字序列分成n塊，對(duì)每一塊計(jì)算相應(yīng)的糾錯(cuò)碼字，最終序列生成方式：數(shù)據(jù)塊1的碼字1,數(shù)據(jù)塊2的碼字1,數(shù)據(jù)塊n的碼字1,數(shù)據(jù)塊1的碼字2,數(shù)據(jù)塊n的碼字2數(shù)據(jù)塊1的最后一個(gè)碼字，數(shù)據(jù)塊n的最后一個(gè)碼字；隨后，糾錯(cuò)塊1的碼字1,糾錯(cuò)塊2的碼字1,糾錯(cuò)塊n的最后一個(gè)碼字。正好填滿符號(hào)的碼字容量，必要時(shí)加3、4或7個(gè)剩余位。在矩陣中布置模塊將尋像圖形、分隔符、定位圖形、校正圖形與碼字模塊一起放入矩陣。將整個(gè)碼字序列視為一個(gè)單獨(dú)的位流，將其（最高位開始）按從右向左、向上和向下的方向交替的布置于兩個(gè)模塊寬的縱列中，并跳過功能圖形占用的區(qū)域，在縱列的頂部或底部改變方向，每一位應(yīng)放在第一個(gè)可用

11、的位置。掩模用8種掩模圖形依次對(duì)符號(hào)的編碼區(qū)域的位圖進(jìn)行掩模處理，評(píng)價(jià)所得到的8種結(jié)果，選擇最優(yōu)的一種。為了QR碼閱讀的可靠性，最好均衡地安排深色與淺色模塊，避免位置探測(cè)圖形的位圖1011101出現(xiàn)在符號(hào)的其他區(qū)域。掩模不用于功能圖形，用多個(gè)矩陣圖形（掩模圖形參考）對(duì)已知的編碼區(qū)域的模塊圖形（格式信息和版本信息除外）進(jìn)行XOR操作。對(duì)每個(gè)結(jié)果圖形的不合要求的部分記分，評(píng)估這些結(jié)果，選擇得分最低的圖形。評(píng)分特征（括號(hào)內(nèi)為罰分權(quán)重）：行列中相鄰模塊的顏色相同N1（3）;顏色相同的模塊組成的塊N2（3）;行列中出現(xiàn)1011101的圖形N3（40）;整個(gè)符號(hào)中深色模塊的比率（10）格式和版本信息生成版

12、本信息和格式信息，構(gòu)成符號(hào)。格式信息為15位，5位數(shù)據(jù)位，10位用BCH（15,5）編碼計(jì)算的糾錯(cuò)位。包含糾錯(cuò)等級(jí)信息（第1、2位）、掩模圖形參考信息（第3、4、5位）。15位格式信息與101010000010010進(jìn)行XOR操作（確保前五位不全為零），格式信息在符號(hào)中出現(xiàn)兩次，（4V+9,8）總是深色，V是版本號(hào)。版本信息位18位，6位數(shù)據(jù)位，12位用BCH（15,5）編碼計(jì)算的糾錯(cuò)位。只有版本740符號(hào)包含版本信息，沒有任何版本信息的結(jié)果全為0,所以不必掩模處理。版本信息在符號(hào)中也出現(xiàn)兩次，6行切列模塊組成的版本信息放在定位圖形的上面，其右側(cè)緊臨右上角位置探測(cè)圖形的分隔符，3行對(duì)列模塊組成

13、的版本信息放在定位圖形的左側(cè)，其下邊緊臨左下角位置探測(cè)圖形的分隔符。譯碼過程從識(shí)讀一個(gè)QR碼符號(hào)到輸出數(shù)據(jù)字符的譯碼步驟是編碼程序的逆過程，1定位并獲取符號(hào)圖像。深色與淺色模塊識(shí)別為由"叫“1組成的陣列。2識(shí)讀格式信息（按需要去除掩模圖形并完成對(duì)格式信息模塊的糾錯(cuò)，識(shí)別糾錯(cuò)等級(jí)與掩模圖形參考）。3識(shí)讀版本信息如果應(yīng)用），確定符號(hào)的版本。4用掩模圖形掩模圖形參考已經(jīng)從格式信息中得出）對(duì)編碼區(qū)域的位圖進(jìn)行異或處理，消除掩模。5根據(jù)模塊排列規(guī)則，識(shí)讀符號(hào)字符，恢復(fù)信息的數(shù)據(jù)與糾錯(cuò)碼字。6用與糾錯(cuò)等級(jí)信息相對(duì)應(yīng)的糾錯(cuò)碼字檢測(cè)錯(cuò)誤，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則進(jìn)行糾錯(cuò)。7根據(jù)模式指示符和字符計(jì)數(shù)指示符將數(shù)

14、據(jù)碼字劃分成多個(gè)部分。8最后，按照使用的模式進(jìn)行譯碼，得出數(shù)據(jù)字符并輸出結(jié)果。糾錯(cuò)算法Reed-Solomon碼是一種特殊形式的循環(huán)碼，是多元BCH碼的一種。RS碼基于有限域理論，特別是形如GF（qm）的有限域。在發(fā)送端發(fā)送信息之前，糾錯(cuò)編碼器根據(jù)要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息計(jì)算相應(yīng)的糾錯(cuò)信息，并把糾錯(cuò)信息作為冗余校驗(yàn)和數(shù)據(jù)信息一起組成糾錯(cuò)碼。在接收端收到這些碼后，通過糾錯(cuò)編碼器不僅能自動(dòng)地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，而且能自動(dòng)地糾正碼字在傳輸過程中的錯(cuò)誤，這種差錯(cuò)控制的系統(tǒng)屬于前向糾錯(cuò)系統(tǒng)4o糾錯(cuò)算法可以用如下多項(xiàng)式除法電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。寄存器b0到bk-1的初始值為0。生成編碼的狀態(tài)有2種，在第一種狀態(tài)，開關(guān)位置向下，數(shù)據(jù)碼

15、字同時(shí)經(jīng)過電路與輸出，第一種狀態(tài)在n個(gè)時(shí)鐘脈沖后結(jié)束，在第二種狀態(tài)（n+1,，n+k時(shí)鐘脈沖）時(shí)，開關(guān)位置向上，通過保持輸人為0順序釋放寄存器而生成糾錯(cuò)碼字5。如圖3所示。編譯碼和糾錯(cuò)演示以6L（版本6,糾錯(cuò)等級(jí)L）為例，輸入數(shù)據(jù)為：Reed-Solomoncodesareblock-basederrorcorrectingcodeswithawiderangeofapplicationsindigitalcommunicationsandstorage.手機(jī)客戶端軟件分析與設(shè)計(jì)客戶端軟件設(shè)計(jì)原則由于手機(jī)上的網(wǎng)絡(luò)帶寬，運(yùn)算能力，內(nèi)存和電量的硬件限制，以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某杀?，在開發(fā)手機(jī)客戶端的過

16、程中，要充分考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，有許多問題需要解決，客戶端程序研發(fā)的質(zhì)量將直接影響產(chǎn)品的在市場(chǎng)上的推廣和宣傳。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮軟件的靈活性，穩(wěn)定性，高效性，可擴(kuò)展性，實(shí)時(shí)性等原則3模塊分層映射架構(gòu)本文提出了一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)Java語(yǔ)言平臺(tái)間移植的模塊分層影射的架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在很大程度上降低平臺(tái)移植的工作難度，提高工作效率。這個(gè)設(shè)計(jì)將整個(gè)架構(gòu)劃分為三層：后臺(tái)服務(wù)器層、客戶端代理層和用戶界面層。服務(wù)器層用于擴(kuò)展增值業(yè)務(wù)和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能。中間層和用戶界面層之間是C/S,B/S混合式架構(gòu)，管理員和業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人使用瀏覽器進(jìn)行業(yè)務(wù)操作，實(shí)際用戶使用手機(jī)上的客戶端程序與服務(wù)器交互?？蛻舳舜韺邮鞘謾C(jī)與其他服務(wù)

17、器的代理，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商端架設(shè)，C-Server屏蔽了C/S的手機(jī)客戶端和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并承擔(dān)手機(jī)客戶端的管理工作，可以使上層的應(yīng)用更加容易擴(kuò)展。首先提取業(yè)務(wù)和平臺(tái)無(wú)關(guān)的功能，如網(wǎng)絡(luò)通訊，通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通用工具類等功能，以及通用的MVC架構(gòu)，用平臺(tái)無(wú)關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)，使其為上層提供穩(wěn)定的接口。這些功能只使用Java語(yǔ)言的基本功能，屬于J2SE范圍內(nèi)，如java.lang,java.util等包，所有廠商的Java語(yǔ)言的sdk都能夠編譯通過。這一層可以做到不做任何修改的移植，并且是業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)的，可以被所有產(chǎn)品應(yīng)用共享，獨(dú)立維護(hù)，并以.jar的靜態(tài)庫(kù)的方式提供給其他項(xiàng)目。中間層中主要包含了業(yè)務(wù)處理的核心邏

18、輯，網(wǎng)絡(luò)代理類。主要實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)處理邏輯，同一產(chǎn)品中的該層代碼可以共享，同時(shí)它可以封裝將上層的功能進(jìn)行封裝和屏蔽。業(yè)務(wù)相關(guān)層會(huì)涉及到不同平臺(tái)的特殊API。為了使這一層也實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)間相同功能的API做了同一的封裝，以接口定義的形式使用，這些接口的實(shí)現(xiàn)放在下一層，本產(chǎn)品在這一層各模塊間的組織符合上節(jié)中的插件設(shè)計(jì)，即沒有模塊間的耦合，將這些耦合降到下一層中實(shí)現(xiàn)。這一層包含了所有平臺(tái)間和手機(jī)型號(hào)間差異的特征和模塊間耦合的處理，實(shí)現(xiàn)了中間業(yè)務(wù)相關(guān)層中接口。這樣設(shè)計(jì)可以在平臺(tái)移植和功能擴(kuò)展上減少工作量，大大提高了代碼的重用。.總結(jié)本論文詳細(xì)分析討論了快速響應(yīng)矩陣二維條碼在PC端和手機(jī)終端的編解碼過程

19、，使用二維碼建立手機(jī)和物品的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩曰A(chǔ)上，提高了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源的利用率以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩诳蛻舳塑浖O(shè)計(jì)中，引入模塊分層映射架構(gòu)，使得便于在客戶端軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)產(chǎn)品和擴(kuò)展業(yè)務(wù)。編碼流程的每一步都是嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用程序?qū)崿F(xiàn)的，健壯性和可擴(kuò)展性都較強(qiáng)，擴(kuò)展問題得到很好的實(shí)現(xiàn)，可以直接投入使用。十年論文機(jī)構(gòu)京都名師論文中心，正規(guī)全面的論文刊物為您提供職稱論文，畢業(yè)論文，碩士論文，醫(yī)學(xué)論文，教育論文等各類論文發(fā)表服務(wù)。/、iv、rt'參考文獻(xiàn)1卓望信息技術(shù)（北京）有限公司，中國(guó)移動(dòng)條碼識(shí)別業(yè)務(wù)介紹，2006年10月2國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一快速