二维码生成原理

Posted 小杜比亚

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

原文链接:QR码生成原理-QR Code(ISO 18004)编码方式

一、什么是QR码

QR码属于矩阵式二维码中的一个种类,由DENSO(日本电装)公司开发,由JIS和ISO将其标准化。QR码的样子其实在很多场合已经能够被看到了,我这还是贴个图展示一下:

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这个图如果被正确解码,应该看到我的名字和邮箱。

二、QR码的特点

  说到QR码的特点:

  一是高速读取(QR就是取自“Quick Response”的首字母),对读取速度的体验源自于我手机上的一个软件,象上面贴出的码图,通过摄像头从拍摄到解码到显示内容也就三秒左右,对摄像的角度也没有什么要求;

  二是高容量、高密度;理论上内容经过压缩处理后可以存7089个数字,4296 个字母和数字混合字符,2953个8位字节数据,1817个汉字;

  三是支持纠错处理;纠错处理相对复杂,目前我还没有深入了解,按照QR码的标准文档说明,QR码的纠错分为4个级别,分别是:

    level L : 最大 7% 的错误能够被纠正;

    level M : 最大 15% 的错误能够被纠正;

    level Q : 最大 25% 的错误能够被纠正;

    level H : 最大 30% 的错误能够被纠正;

  四是结构化;看似无规则的图形,其实对区域有严格的定义,下图就是一个模式2、版本1的QR图结构(关于QR码的"模式"、"版本"将在后面进行介绍):

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  在上图21*21的矩阵中,黑白的区域在QR码规范中被指定为固定的位置,称为寻像图形(finder pattern) 和 定位图形(timing pattern)。寻像图形和定位图形用来帮助解码程序确定图形中具体符号的坐标。

  黄色的区域用来保存被编码的数据内容以及纠错信息码。

  蓝色的区域,用来标识纠错的级别(也就是Level L到Level H)和所谓的"Mask pattern",这个区域被称为“格式化信息”(format information)。

五是扩展能力。QR码的Structure Append特点,使一个QR码可以分解成多个QR码,反之,也可以将多个QR码的数据组合到一个QR码中来:

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三、QR码的模式和版本

  前面提到过QR码的模式(Model)和版本(Version)。QR码分为Model1和Model2两种模式,Model1是对QR的初始定义,Model2是对Model1的扩展,目前使用较为普遍的是Model2,本文的所有说明也仅用于Model2。

  QR图的大小(size)被定义为版本(Version),版本号从1到40。版本1就是一个21*21的矩阵,每增加一个版本号,矩阵的大小就增 加4个模块(Module),因此,版本40就是一个177*177的矩阵。(版本越高,意味着存储的内容越多,纠错能力也越强)。

 

四、QR码支持的编码内容

  QR码支持编码的内容包括纯数字、数字和字符混合编码、8位字节码和包含汉字在内的多字节字符。其中:

    数字:每三个为一组压缩成10bit。

    字母数字混合:每两个为一组,压缩成11bit。

    8bit字节数据:无压缩直接保存。

    多字节字符:每一个字符被压缩成13bit。

 

五、QR码编码原理(编码)

编码就是把常见的数字、字符等转换成QR码的方法。说具体的编码之前,先说一下QR码的最大容量问题。

5.1 最大容量

QR码的最大容量取决于选择的版本、纠错级别和编码模式(Mode:数字、字符、多字节字符等)。以版本1、纠错级别为Level Q的QR码为例,可以存储27个纯数字,或17个字母数字混合字符或11个8bit字节数据。如果要存储同样多的内容同时提高纠错级别,则需要采用更高的 版本。版本1~9 数据容量、纠错码容量对照如下表:

(version)

(error correcting level)

(count of data code words)

count of EC code words

(numeric)

(alphanumeric)

8bit

1

L

19

7

41

25

17

M

16

10

34

20

14

Q

13

13

27

16

11

H

9

17

17

10

7

2

L

34

10

77

47

32

M

28

16

63

38

26

Q

22

22

48

29

20

H

16

28

34

20

14

3

L

55

15

127

77

53

M

44

26

101

61

42

Q

34

36

77

47

32

H

26

44

58

35

24

4

L

80

20

187

114

78

M

64

36

149

90

62

Q

48

52

111

67

46

H

36

64

82

50

34

5

L

108

26

255

154

106

M

86

48

202

122

84

Q

62

72

144

87

60

H

46

88

106

64

44

6

L

136

36

322

195

134

M

108

64

255

154

106

Q

76

96

175

108

74

H

60

112

139

84

58

7

L

156

40

370

224

154

M

124

72

293

178

122

Q

88

108

207

125

86

H

66

130

154

93

64

8

L

194

48

461

279

192

M

154

88

365

221

152

Q

110

132

259

157

108

H

86

156

202

122

84

9

L

232

60

552

335

230

M

182

110

432

262

180

Q

132

160

312

189

130

H

100

192

235

143

98

如果要了解更详细的QR码容量信息,可以到电装的网站去看看:

http://www.denso-wave.com/qrcode/vertable1-e.html

 

下面,就举例说明将“ABCDE123”转换成为版本1、Level H的QR码转换方法。

5.2 模式标识符(Mode Indicator)

QR码的模式(Mode)就是前文提到的数字、字符、8bit 字节码、多字节码等。对于不同的模式,都有对应的模式标识符(Mode Indicator)来帮助解码程序进行匹配,模式标识符是4bit的二进制数:

1、数字模式(numeric mode ): 0001

2、混合字符模式(alphanumeric mode) : 0010

3、8bit byte mode: 0100

4、日本汉字(KANJI mode) : 1000

5、中国汉字(GB2312):1101

由于示例文本串是混合字符,因此将选择alphanumeric mode,其标识码为:0010

5.3 文本串计数标识符(Character count indicator)

文本串计数标识符用来存储源内容字符串的长度,在版本1-9的QR码中,文本串长度标识符自身的长度被定义为:

数字 : 10bit

混合字符 : 9bit

8bit 字节码 : 8bit

多字节码 : 8bit

在本例中,源文本串的长度为8个字符,混合字符的长度为9bit,因此将字符个数8编码为9位二进制表示:000001000

加上混合字符模式标识码,总的编码为0010 000001000

5.4 数据内容编码

 1、数字模式下的编码

在数字模式下,数据被限制为3个数字一段,分成若干段。如:"123456" 将分成"123" 和 "456",分别被编码成10bit的二进制数。“123”的10bit二进制表示法为:0001111011,实际上就是二进制的123。

当数据的长度不足3个数字时,如果只有1个数字则用4bit,如果有2个数字就用7个bit来表示。
如:"9876"被分成"987"和"6"两段,因此被表示为"1111011011 0110"。

2、混合字符模式下的编码

混合字符模式编码,其字符对照表如下:

0

 0

 

 A

 10

 

 K

 20

 

 U

 30

 

 +

 40

1

1

 

B

11

 

L

21

 

V

31

 

-

41

2

2

 

C

12

 

M

22

 

W

32

 

.

42

3

3

 

D

13

 

N

23

 

X

33

 

/

43

4

4

 

E

14

 

O

24

 

Y

34

 

:

44

5

5

 

F

15

 

P

25

 

Z

35

6

6

 

G

16

 

Q

26

 

[sp]

36

7

7

 

H

17

 

R

27

 

$

37

8

8

 

I

18

 

S

28

 

%

38

9

9

 

J

19

 

T

29

 

*

3

 

编码方式为:

源码被分成两个字符一段,如下所示,每段的第一个字符乘上45,再用第二个数字相加。因此每段变成了11bit的2进制码,如果字符个数只有1个,则用6bit表示。

 

示例:

 

 

 

"AB"

"CD"

"E1"

"23"

 

 

45*10+11

45*12+13

45*14+1

45*2+3

 

 

461

553

631

93

0010

000001000

00111001101

01000101001

01001110111

00001011101

 

3、8bit字节数据不经编码转换直接保存。

 

5.5 编码终止符(Terminator)

如果编码后的字符长度不足当前版本和纠错级别所存储的容量,则在后续补"0000",如果容量已满则无需添加终止符。此时得到的编码串为:

0010 000001000 00111001101 01000101001 01001110111 00001011101 0000

 

5.6 编成8bit码字(Code words)

将以上的编码再按8bit一组,形成码字(code words):

 00100000 01000001 11001101 01000101 00101001 11011100 00101110 10000

如果尾部数据不足8bit,则在尾部充0:

00100000 01000001 11001101 01000101 00101001 11011100 00101110 10000000

如果编码后的数据不足版本及纠错级别的最大容量,则在尾部补充 "11101100" 和"00010001",直到全部填满。最后,版本1、Level H下的"ABCDE123" 的QR码是:

00100000 01000001 11001101 01000101 00101001 11011100 00101110 10000000 11101100

十进制表示法为:

32 65 205 69 41 220 46 128 236

 

QR码编码原理(日本汉字和中文编码)

 

一、日本汉字(KANJI)是两个字节表示的字符码,编码的方式是将其转换为13字节的二进制码制。

转换步骤为:

1、对于JIS值为8140(hex) 到9FFC(hex)之间字符:

a)将待转换的JIS值减去8140(hex);

b)将高位字节乘以C0(hex);

c)将b)步骤生成的数据加上低位字节;

d)将结果转换为13位二进制串。

2、对于JIS值为E040(hex)到EBBF(hex)之间的字符:

a)将待转换的JIS值减去C140(hex);

b)将高位字节乘以C0(hex);

c)将b)步骤生成的数据加上低位字节;

d)将结果转换为13位二进制串。

 

二、中文汉字的与日文汉字转换步骤相似:

1、对于第一字节为0xA1~0xAA之间,第二字节在0xA1~0xFE之间字符:

a)第一字节减去0xA1;

b)上一步结果乘以0x60;

c)第二字节减去0xA1;

d)将b)步骤的结果加上c步骤的结果;

e)将结果转换为13位二进制串。

1、对于第一字节为0xB0~0xFA之间,第二字节在0xA1~0xFE之间字符:

a)第一字节减去0xA6;

b)上一步结果乘以0x60;

c)第二字节减去0xA1;

d)将b)步骤的结果加上c步骤的结果;

e)将结果转换为13位二进制串。

以上是关于二维码生成原理的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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