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研究生: 魏君如
Jun-Ru Wei
論文名稱: 利用視覺區圖像處理嵌入大面積彩圖美化支援標準解碼器之 QR 碼
Standard QR-Decoding Compatible Beautified QR Codes That Embed Large Color Images
指導教授: 賴坤財
Kuen-Tsair Lay
口試委員: 方文賢
Wen-Hsien Fang
曾德峰
Der-Feng Tseng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 80
中文關鍵詞: QR碼基線QR碼視覺性大面積美化里德-所羅門碼
外文關鍵詞: beautification, big-area images
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QR 碼是一種二維條碼,由於智慧型手機的普及,已成為日常生活中隨處可見的一種應用。疫情的影響造成社會民眾對於數位化的接受度大幅提升,使QR碼成為在日常生活中不可或缺的應用,目前市面上的智慧型手機都已經有內建標準QR碼的掃描器,使用者只須利用手機上的鏡頭,對著QR碼掃描,即可以快速讀取裡頭的資訊。QR碼的優點諸多,如存儲資料大,又擁有良好的抗錯能力,始近幾年來大量的被使用,為生活帶來許多便利性。由於標準的QR碼是由白色與黑色模組組成而我們實驗的目標是讓QR碼保有本身優點同時又擁有視覺性的效果,因此將利用依據里德-索羅門碼(Reed-Solomon code)與QR碼的特性,使QR碼擁有視覺性、大面積、彩圖美化和受標準解碼器直接解碼等效果。
基線QR碼編碼主要是讓利用里德-索羅門碼合法編碼的特性,使其能夠保留容錯能力,又能嵌入大面積的圖像,同時還能配合圖像色彩的亮度做視覺區域的排放,為了嵌入彩色圖片,針對視覺碼區域當中每一個模組為單位做圖像判別,調整的部位做圖像處理,進而產出彩色基線QR碼。
本研究隨機選擇一串訊息作為二維碼攜帶的資訊,以相同條件、資料量編碼的情況下做比較,視覺區域圖片的部分能佔總體面積大約60%,有別於市面上根據標準QR碼定義,直接利用容錯能力嵌入的小圖標的方式,圖標約佔總體面積7%-30%,針對視覺區域的部分也能成功嵌入彩色圖像,解決了若是直接以無失真的彩色圖像亮度值直接做取代,造成無法直接受標準解碼器解碼的問題,支援讓市面上的QR解碼器,利用手機鏡頭掃碼或是使用ZXing解碼。


The QR code is a two-dimensional barcode. Due to the development of smartphones, Internet, and image processing technologies, it has become a popular application that can be seen everywhere in our daily life. By simply scanning the QR codes, we can get the information from the barcode in real time. There are some advantages of QR code such as large storage capacity, strong error tolerance. It brings convenience to our society. On the other hand, QR code has low visualization problem for human. In order to embed logo into QR codes, the most common way is to embed small logo by taking advantage of Reed-Solomon code’s error correction capacity. This approach, however, suffers from size restriction on logo. According to the QR code’s standards book, the maximum area of logo cannot exceed 30% of the QR code [1], which is still too small for human eyes. Moreover, this approach needs to use up some (or even all) of the RS code’s error correction capacity.
The main goal of this thesis is to let the QR code maintain its own advantages and in the mean time shows visual effects such as beautification, big-area region, and colorfulness, etc. Moreover, it is sought that the beautified QR code can be directly decoded with the existing QR decoders, such as ZXing and any (or at least, most) QR-decoding APPs on smart phones. In the process, baseline QR code, which involves minor modification to the brightness of the image, is generated in accordance with the Reed-Solomon (RS) codes. The parts of the image that need to be modified only consist of as very small portion of the original image, and therefore, only minor degradation in visual quality is encountered.
Through experiments, it is verified that we are able to embed nearly lossless color images to QR codes, and the resultant QR codes can be decoded using standard QR decoders.

摘要 i ABSTRACT ii 誌謝 iv 目錄 v 圖索引 viii 表索引 x 符號索引 xii 中英文對照表 xiv 第一章緒論 1 1.1 前言 1 1.2 QR碼 1 1.3 研究動機 1 1.4 論文章節 2 第二章相關技術介紹 3 2.1 QR碼基本結構 3 2.1.1 外觀特徵 3 2.1.2 QR碼架構 3 2.1.3 錯誤更正能力 5 2.2 QR碼編碼 6 2.2.1 編碼模式 6 2.2.2 里德-所羅門碼 7 2.2.3 QR碼填入方式 8 2.2.4 QR碼遮罩 9 第三章基線QR碼的編碼 11 3.1 基線QR碼編碼 11 3.1.1 二值化的閾值介紹 11 3.1.1.1 區域閾值Local threshold 12 3.1.1.2 全域閾值Global threshold 13 3.1.2 圖像與遮罩進行XOR運算 15 3.1.3 挑選視覺碼 15 3.1.4 以同位檢測矩陣產生基線QR碼 18 3.1.5 基線QR碼編碼流程圖 20 3.2 針對視覺區域的圖像處理 21 3.2.1 以模組為單位覆蓋圖像 21 3.2.2 模組細分的觀念 22 3.2.3 調整靠近模組中心位置的像素亮度 25 3.2.4 漸層式的調整方式 25 3.2.5 保留與調整彩色圖片原始亮度條件 27 3.2.6 圖像亮度調整後的亮度檢測 30 3.2.7 基線QR碼與彩色圖像結合流程圖 31 第四章小角度歪斜彩色基線QR碼解碼 32 4.1 取得QR碼版本 32 4.2 利用投影轉換回正QR碼影像 33 4.3 彩色基線QR碼二值化及解碼 35 第五章實驗結果與討論 36 5.1 彩色基線QR碼實驗結果 36 5.2 結構相似性指標Structural similarity index 42 5.3 基線QR碼與彩色基線QR碼的比較 44 5.4 小角度歪斜模擬 48 5.5 小角度歪斜下使用標準及自研解碼器的比較 49 第六章結論與未來展望 58 參考文獻 60

[1] ISO, “Information technology Automatic identification and data capture techniques QR Code bar code symbology specification,” International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland, ISO /IEC 18004:2015.
[2] Gonzalo J. Garateguy, Gonzalo R. Arce, Daniel L. Lau, and Ofelia P. Villarreal “QR Images: Optimized Image Embedding in QR Codes”, IEEE Trans. on Image Processing, vol. 23, no. 7, pp. 284-2853, Jul. 2014.
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[4] Shih-Syun Lin, Min-Chun Hu, Chien-Han Lee, and Tong-Yee Lee” Efficient QR Code Beautification with High Quality Visual Content,” IEEE Trans. on Multimedia, vol. 17, no. 9, pp. 1515-1524, Sep. 2015.
[5] 陳亭君,“內嵌無失真標誌之高度視覺性QR碼,” 國立台灣科技大學電子工程所,2017。
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[9] 陳怡靜,“貼於平面及柱面上之帶有大標誌的QR碼之編解碼,”國立台灣科技大學電子工程所,2015。

[10] 吳建勳,“互動式加密之雙層QR碼,”國立台灣科技大學電子工程所,2017。
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