二维码(QR code)基本结构及生成原理

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了二维码(QR code)基本结构及生成原理相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

什么是二维码

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。

在许多种类的二维条码中,常用的码制有:Data Matrix, Maxi Code, Aztec, QR Code, Vericode, PDF417, Ultracode, Code 49, Code 16K等。

二维条码/二维码可以分为堆叠式/行排式二维条码和矩阵式二维条码。

1.堆叠式/行排式二维条码,堆叠式/行排式二维条码又称堆积式二维条码或层排式二维条码,其编码原理是建立在一维条码基础之上,按需要堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点,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,其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。有代表性的行排式二维条码有:Code 16K、Code 49、PDF417、MicroPDF417 等。

2.矩阵式二维码,最流行莫过于QR CODE ,我们常说的二维码就是它了。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。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。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维条码有:Code One、MaxiCode、QR Code、 Data Matrix、Han Xin Code、Grid Matrix 等。

二维码在现实生活中的应用越来越普遍由于QR CODE的流行,二维码又称QR code。

QR码的特点

1.存储大容量信息

传统的条形码只能处理20位左右的信息量,与此相比,QR码可处理条形码的几十倍到几百倍的信息量。

另外,QR码还可以支持所有类型的数据。(如:数字、英文字母、日文字母、汉字、符号、二进制、控制码等)。一个QR码最多可以处理7089字(仅用数字时)的巨大信息量。

2.在小空间内打印

QR码使用纵向和横向两个方向处理数据,如果是相同的信息量,QR码所占空间为条形码的十分之一左右。(还支持Micro QR码,可以在更小空间内处理数据。)

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3.有效表现各种字母

QR码是日本国产的二维码,因此非常适合处理日文字母和汉字。QR码字集规格定义是按照日本标准“JIS第一级和第二级的汉字”制定的,因此在日语处理方面,每一个全角字母和汉字都用13比特的数据处理,效率较高,与其他二维码相比,可以多存储20%以上的信息。

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4.对变脏和破损的适应能力强

QR码具备“纠错功能”,即使部分编码变脏或破损,也可以恢复数据。数据恢复以码字为单位(是组成内部数据的单位,在QR码的情况下,每8比特代表1码字),最多可以纠错约30%(根据变脏和破损程度的不同,也存在无法恢复的情况)。

5.可以从任意方向读取

QR码从360°任一方向均可快速读取。其奥秘就在于QR码中的3处定位图案,可以帮助QR码不受背景样式的影响,实现快速稳定的读取。

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6.支持数据合并功能

QR码可以将数据分割为多个编码,最多支持16个QR码。使用这一功能,还可以在狭长区域内打印QR码。另外,也可以把多个分割编码合并为单个数据。

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QR码的信息量和版本

QR码设有1到40的不同版本(种类),每个版本都具备固有的码元结构(码元数)。(码元是指构成QR码的方形黑白点。)

“码元结构”是指二维码中的码元数。从版本1(21码元×21码元)开始,在纵向和横向各自以4码元为单位递增,一直到版本40(177码元×177码元)。

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QR码的各个版本结合数据量、字符类型和纠错级别,均设有相对应的最多输入字符数。也就是说,如果增加数据量,则需要使用更多的码元来组成QR码,QR码就会变得更大。

例如,需要输入的数据为100位的数字时,通过以下步骤来选定。
1.假设要输入的数据种类为“数字”
2.从“L”“M”“Q”“H”中选择纠错级别。(假设选择“M”)
3.查看下表,先从数字列找出数字为100以上且接近100的,其次找出纠错级别“M”,两者交叉的部分就是最佳版本。

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通过下面的计算为每个字符类型,总比特数的计算方法。

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QR码的纠错

QR码具有“纠错功能”。即使编码变脏或破损,也可自动恢复数据。这一“纠错能力”具备4个级别,用户可根据使用环境选择相应的级别。调高级别,纠错能力也相应提高,但由于数据量会随之增加,编码尺寸也也会变大。
用户应综合考虑使用环境、编码尺寸等因素后选择相应的级别。 在工厂等容易沾染赃物的环境下,可以选择级别Q或H,在不那么脏的环境下,且数据量较多的时候,也可以选择级别L。一般情况下用户大多选择级别M(15%)。

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纠错级别的比率,是指全部码字与可以纠错的码字的比率。
例如,需要编码的码字数据有100个,并且想对其中的一半,也就是50个码字进行纠错,则计算方法如下。纠错需要相当于码字2倍的符号(RS编码※),因此在这种情况下的数量为50个×2=100码字。因此,全部码字数量为200个,其中用作纠错的码字为50个,所以计算得出,相对于全部码字的纠错率就是25%。这一比率相当于QR码纠错级别中的“Q”级别。

另外,在上述例子当中,也可以认为相对于码字数据的纠错率为50%,但变脏或破损的部位不仅仅局限于码字数据部分,因此,在QR码中,还是用相对于全部码字的比率来描述纠错率。

※ RS编码:QR码的纠错功能是通过将RS编码附加到原数据中的方式实现的。RS编码是应用于音乐CD等用途的数学纠错方法。它能以字节为单位进行纠错,适合用于错误位置会集中的突发错误。

QR码的种类

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QR码的基本结构

QR(Quick-Response) code是被广泛使用的一种二维码,解码速度快。它可以存储多用类型,下图是qrcode的基本结构:

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位置探测图形、位置探测图形分隔符、定位图形:用于对二维码的定位,对每个QR码来说,位置都是固定存在的,只是大小规格会有所差异;
校正图形:规格确定,校正图形的数量和位置也就确定了;
格式信息:表示改二维码的纠错级别,分为L、M、Q、H;

版本信息:即二维码的规格,QR码符号共有40种规格的矩阵(一般为黑白色),从21x21(版本1),到177x177(版本40),每一版本符号比前一版本 每边增加4个模块。

数据和纠错码字:实际保存的二维码信息,和纠错码字(用于修正二维码损坏带来的错误)。

QR码的编码过程

下面是简要QR编码过程:

1.数据分析:确定编码的字符类型,按相应的字符集转换成符号字符; 选择纠错等级,在规格一定的条件下,纠错等级越高其真实数据的容量越小。

2.数据编码:将数据字符转换为位流,每8位一个码字,整体构成一个数据的码字序列。其实知道这个数据码字序列就知道了二维码的数据内容。

容量如下:

格式 容量
数字 最多7089字符
字母 最多4296字符
二进制数(8 bit) 最多2953字节
日文汉字/片假名 最多1817字符(采用Shift JIS)
中文汉字 最多984字符(采用UTF-8)
中文汉字 最多1800字符(采用BIG5)
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模式编码如下:

模式 指示符
ECI 0111
数字 0001
字母数字 0010
8位字节 0100
日本汉字 1000
中文汉字 1101
结构链接 0011
FNCI 0101(第一位置)
1001(第二位置)
终止符(信息结尾) 0000

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数据可以按照一种模式进行编码,以便进行更高效的解码,例如:对数据:01234567编码(版本1-H),
1)分组:012 345 67
2)转成二进制:
012→0000001100
345→0101011001
67 →1000011
3)转成序列:0000001100 0101011001 1000011
4)字符数 转成二进制:8→0000001000
5)加入模式指示符(上图数字)0001:0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011

对于字母、中文、日文等只是分组的方式、模式等内容有所区别。基本方法是一致的。

3.纠错编码:按需要将上面的码字序列分块,并根据纠错等级和分块的码字,产生纠错码字,并把纠错码字加入到数据码字序列后面,成为一个新的序列。

纠错等级 纠错水平
L 7%字码修正
M 15%字码修正
Q 25%字码修正
H 30%字码修正

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在二维码规格和纠错等级确定的情况下,其实它所能容纳的码字总数和纠错码字数也就确定了,比如:版本10,纠错等级时H时,总共能容纳346个码字,其中224个纠错码字。

就是说二维码区域中大约1/3的码字时冗余的。对于这224个纠错码字,它能够纠正112个替代错误(如黑白颠倒)或者224个据读错误(无法读到或者无法译码),这样纠错容量为:112/346=32.4%。

4.构造最终数据信息:在规格确定的条件下,将上面产生的序列按次序放如分块中。

按规定把数据分块,然后对每一块进行计算,得出相应的纠错码字区块,把纠错码字区块 按顺序构成一个序列,添加到原先的数据码字序列后面。
如:D1, D12, D23, D35, D2, D13, D24, D36, … D11, D22, D33, D45, D34, D46, E1, E23,E45, E67, E2, E24, E46, E68,…

5.构造矩阵:将探测图形、分隔符、定位图形、校正图形和码字模块放入矩阵中。

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把上面的完整序列填充到相应规格的二维码矩阵的区域中。

6.掩摸:将掩摸图形用于符号的编码区域,使得二维码图形中的深色和浅色(黑色和白色)区域能够比率最优的分布。

7.格式和版本信息:生成格式和版本信息放入相应区域内。

版本7-40都包含了版本信息,没有版本信息的全为0。二维码上两个位置包含了版本信息,它们是冗余的。

版本信息共18位,6X3的矩阵,其中6位时数据为,如版本号8,数据位的信息时 001000,后面的12位是纠错位。

QR码的应用

QR码可以很“方便”地应用于各种场合。除了传单和名片等印刷物之外,还可以应用于各种广泛领域,如结算系统等与生活息息相关的领域以及工厂、流通等各种商业领域。QR码已经成为日常生活不可或缺的工具。2012年,公益财团法人日本设计振兴会对QR码表示了高度评价,由于QR码的功能非常贴近生活,设计精致,在其主办的设计推荐制度中授予QR码“优秀设计奖”。

QR码的标准化

“想让更多人使用QR码”,秉承这一理念,DENSO WAVE全面公开了QR码的相关标准。目前,QR码已经在国家标准和国际标准中实现标准化,任何人都可以随意查看该标准。

※DENSO WAVE INCORPORATED已宣布,不行使本公司就标准QR码拥有的专利权(专利第2938338号)。

1997年 10月 被采纳为AIM International(国际自动识别工业会)标准(ISS - QR Code)
1998年 3月 被采纳为JEIDA(日本电子工业振兴协会)标准(JEIDA-55)
1999年 1月 被采纳为JIS(日本工业标准)(JIS X 0510)
2000年 6月 被采纳为ISO国际标准 (ISO/IEC18004)
2004年 11月 Micro QR码被采纳为JIS(日本工业标准)(JIS X 0510)
2011年 12月 国际标准化组织GS1将QR码采纳为面向移动终端的标准

QR码的简要标准

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QR码标准文件下载

QR码在ISO(ISO/IEC18004)中得到 标准化。因此,请从以下团体的网站购买QR码标准文件,在下面网址中搜索18004。

http://www.iso.ch/iso/en/prods-services/ISOstore/store.html

不过2016标准版的价格略贵,可到本人的资源中下载2006标准版的,链接如下:

http://download.csdn.net/detail/u012611878/9687105

另外,这里提供一个c++编写的qrcode编码解码工具,基于zxing的编码库,libqrcode的解码库,通过命令行完成二维码图片与文本之间的相互转换,链接如下:

http://download.csdn.net/detail/u012611878/9705048

欢迎下崽。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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作者:MachineChen
来源:CSDN
原文:https://blog.csdn.net/u012611878/article/details/53167009?utm_source=copy
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