二维码生成与识别原理_修订版

QR二维码的生成与识别原理

一、简介

二维码（2-dimensional bar code），是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。二维码的种类包括：QR Code ,Data Matrix, Maxi Code, Aztec , Vericode, PDF417, Ultracode, Code 49, Code 16K等。

其中QR Code是被广泛使用的二维码，QR全称Quick Response，与其他编码方式相比，QR二维码具有存储容量大、编码速度快的特点，并且它也能表示更多的数据类型：比如：字符，数字，日文，中文等等。随着近几年智能手机的迅猛发展，QR二维码得到了广泛的应用。

关于QR二维码的标准，可参见标准文档（QR Code Spec）：

/files/datasheets/misc/qr_code.pdf

二、应用现状

随着智能机的普及和手机摄像头成像能力的提升，为了提高向机器内输入信息的速度，QR二维码得到迅猛发展，在许多行业中得到应用。

在一维码时代，“扫码”主要应用在超市或图书馆等场所，以获取商品价格或图书分类等有限的特定信息。二维码可以存储大容量数据，给人们的生活带来巨大方便。

从开始的扫描二维码提取文字或网址，到后来“扫一扫”添加好友、关注个人或公司微信或微博，再到扫码支付，二维码的应用已经非常普遍。

三、基础知识

QR码可分为不同的尺寸，或者叫版本Version。Version 1是21 x 21的矩阵，Version 2是25 x 25的矩阵，Version 3是29的尺寸，每增加一个version，就会增加4的尺寸，公式是：(V-1)*4 + 21（V是版本号）最高Version 40，(40-1)*4+21 = 177，所以最高是177 x 177 的正方形。

样例如下：

定位图案

Position Detection Pattern是定位图案，用于标记二维码的矩形大小。这三个定位图案有白边叫Separators for Postion Detection Patterns。之所以三个而不是四个意思就是三个就可以标识一个矩形了。

Timing Patterns也是用于定位的。原因是二维码有40种尺寸，尺寸过大了后需要有根标准线，不然扫描的时候可能会扫歪了。

Alignment Patterns 只有Version 2以上（包括Version2）的二维码需要这个东东，同样是为了定位用的。

功能性数据

Format Information 存在于所有的尺寸中，用于存放一些格式化数据的。

Version Information 在Version 7以上，需要预留两块3 x 6的区域存放一些版本信息。

数据码和纠错码

除了上述的那些地方，剩下的地方存放Data Code 数据码和Error Correction Code 纠错码。

四、数据编码

QR码支持如下的编码：

Numeric mode：数字编码，从0到9。如果需要编码的数字的个数不是3的倍数，那么，最后剩下的1或2位数会被转成4或7bits，则其它的每3位数字会被编成10，12，14bits，编成多长还要看二维码的尺寸。

Alphanumeric mode：字符编码，包括0-9，大写的A到Z（没有小写），以及符号$ % * + –. / : 包括空格。这些字符会映射成一个字符索引表。如下所示：（其中的SP 是空格，Char是字符，Value是其索引值）编码的过程是把字符两两分组，然后转成下表的45进制，然后转成11bits的二进制，如果最后有一个落单的，那就转成6bits的二进制。而编码模式和字符的个数需要根据不同的Version尺寸编成9, 11或13个二进制（如下表中Table 3）

Byte mode：字节编码，可以是0-255的ISO-8859-1字符。有些二维码的扫描器可以自动检测是否是UTF-8的编码。

Kanji mode：日文编码，也是双字节编码。同样，也可以用于中文编码。

Extended Channel Interpretation (ECI) mode：主要用于特殊的字符集。并不是所有的扫描器都支持这种编码。

Structured Append mode：用于混合编码，也就是说，这个二维码中包含了多种编码格式。

FNC1 mode：这种编码方式主要是给一些特殊的工业或行业用的。比如GS1条形码之类的。

这里我们主要介绍最常用的数字编码和字符编码。

下面两张表中，Table 2 是各个编码格式的“编号”（注：中文是1101），编号要写在Format Information中。Table 3 表示了不同版本（尺寸）的二维码，对于数字、字符、字节和Kanji模式下，对于单个编码的2进制的位数。（编码规范表可参见二维码规格说明书）

举例说明：

示例一：数字编码

例如，在Version 1的尺寸下，纠错级别为H的情况下，编码：01234567的编码方式如下：

1. 把上述数字分成三组: 012 345 67

2. 把他们转成二进制: 012 转成0000001100；345 转成010*******；67 转成1000011。

3. 把这三个二进制串起来: 0000001100 010******* 1000011

4. 把数字的个数转成二进制(version 1-H是10 bits ): 8个数字的二进制是0000001000

5. 把数字编码的标志0001和第4步的编码加到前面: 0001 0000001000 0000001100 010******* 1000011

示例二：字符编码

同样，在Version 1的尺寸下，纠错级别为H的情况下，编码: AC-42的编码方式如下：

1. 从字符索引表中找到AC-42 这五个字条的索引(10,12,41,4,2)

2. 两两分组: (10,12) (41,4) (2)

3. 把每一组转成11bits的二进制:

(10,12) 10*45+12 等于462 转成00111001110

(41,4) 41*45+4 等于1849 转成11100111001

(2) 等于2 转成000010

4. 把这些二进制连接起来：00111001110 11100111001 000010；