QR二維碼原理簡(jiǎn)介

1、-. z.QR二維碼原理簡(jiǎn)介普通文件版本共16 頁(yè)V0.1QR二維碼原理簡(jiǎn)介市文鼎創(chuàng)數(shù)據(jù)科技修訂歷史記錄A - 增加M - 修訂D - 刪除變更版本號(hào)日期變更類型A*M*D修改人摘要備注V0.12015/08/27AZYC初稿。文章主要來(lái)源：coolshell./articles/10590.html目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc428451369QR二維碼原理簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc428451369 h 1HYPERLINK l _Toc4284513701.二維碼簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc428451370 h 2HYPERLINK l

2、_Toc4284513712.QR二維碼的組成構(gòu)造 PAGEREF _Toc428451371 h 2HYPERLINK l _Toc4284513722.1根底知識(shí) PAGEREF _Toc428451372 h 2HYPERLINK l _Toc4284513732.2數(shù)據(jù)編碼 PAGEREF _Toc428451373 h 2HYPERLINK l _Toc4284513742.3完畢符和補(bǔ)齊符 PAGEREF _Toc428451374 h 2HYPERLINK l _Toc4284513752.4補(bǔ)齊碼Padding Bytes PAGEREF _Toc428451375 h 2HY

3、PERLINK l _Toc4284513762.5糾錯(cuò)碼 PAGEREF _Toc428451376 h 2HYPERLINK l _Toc4284513772.6最終編碼 PAGEREF _Toc428451377 h 2HYPERLINK l _Toc4284513783.形成二維碼圖案 PAGEREF _Toc428451378 h 2HYPERLINK l _Toc4284513793.1定位和功能性圖案 PAGEREF _Toc428451379 h 2HYPERLINK l _Toc4284513803.2數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)糾錯(cuò)碼 PAGEREF _Toc428451380 h 2HYP

4、ERLINK l _Toc4284513813.3掩碼圖案 PAGEREF _Toc428451381 h 21.二維碼簡(jiǎn)介二維碼技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代末，在二維碼符號(hào)表示技術(shù)研究方面已研制出多種碼制，有PDF417、QR Code、Code 49、Code 16K、Code One等。二維碼比傳統(tǒng)的Bar Code條形碼能存更多的信息，也能表示更多的數(shù)據(jù)類型：比方：字符，數(shù)字，日文，中文等等。如今應(yīng)用最常見(jiàn)的二維碼是QR Code，全稱Quick Response Code。2.QR二維碼的組成構(gòu)造2.1根底知識(shí)首先， QR二維碼以下簡(jiǎn)稱二維碼一共有40個(gè)尺寸，官方叫版本Versio

5、n。Version 1是21 * 21的矩陣，Version 2是 25 * 25的矩陣，每增加一個(gè)version，就會(huì)增加4的尺寸，公式是：(V-1)*4 + 21V是版本號(hào)最高Version 40，(40-1)*4+21 = 177，所以最高是177 * 177 的正方形。下面我們看看一個(gè)二維碼的樣例：定位圖案Position Detection Pattern是定位圖案，用于標(biāo)記二維碼的矩形大小。這三個(gè)定位圖案有白邊叫Separators for Postion Detection Patterns。之所以三個(gè)而不是四個(gè)意思就是三個(gè)就可以標(biāo)識(shí)一個(gè)矩形了。Timing Patterns也是

6、用于定位的。原因是二維碼有40種尺寸，尺寸過(guò)大了后需要有根標(biāo)準(zhǔn)線，不然掃描的時(shí)候可能會(huì)掃歪了。Alignment Patterns 只有Version 2以上包括Version2的二維碼需要這個(gè)東東，同樣是為了定位用的。功能性數(shù)據(jù)Format Information 存在于所有的尺寸中，用于存放一些格式化數(shù)據(jù)的。Version Information 在 = Version 7以上，需要預(yù)留兩塊3 * 6的區(qū)域存放一些版本信息。數(shù)據(jù)碼和糾錯(cuò)碼除了上述的那些地方，剩下的地方存放 Data Code 數(shù)據(jù)碼和 Error Correction Code 糾錯(cuò)碼。2.2數(shù)據(jù)編碼我們先來(lái)說(shuō)說(shuō)數(shù)據(jù)編碼。

7、QR碼支持如下的編碼：2.2.3Numeric mode數(shù)字編碼，從0到9。如果需要編碼的數(shù)字的個(gè)數(shù)不是3的倍數(shù)，則，最后剩下的1或2位數(shù)會(huì)被轉(zhuǎn)成4或7bits，則其它的每3位數(shù)字會(huì)被編成 10，12，14bits，編成多長(zhǎng)還要看二維碼的尺寸下面有一個(gè)表Table 3說(shuō)明了這點(diǎn)Alphanumeric mode字符編碼。包括 0-9，大寫的A到Z沒(méi)有小寫字符編碼一定沒(méi)有小寫，這個(gè)需要注意，以及符號(hào)$ % * + . / : 包括空格。這些字符會(huì)映射成一個(gè)如所示的字符索引表其中的SP是空格，Char是字符，Value是其索引值編碼的過(guò)程是把字符兩兩分組，然后轉(zhuǎn)成表所示的45進(jìn)制，然后轉(zhuǎn)成11bi

8、ts的二進(jìn)制，如果最后有一個(gè)落單的，那就轉(zhuǎn)成6bits的二進(jìn)制。而編碼模式和字符的個(gè)數(shù)需要根據(jù)不同的Version尺寸編成9, 11或13個(gè)二進(jìn)制如下表中Table 32.2.1 字符索引表Byte mode, 字節(jié)編碼，可以是0-255的ISO-8859-1字符。有些二維碼的掃描器可以自動(dòng)檢測(cè)是否是UTF-8的編碼。Kanji mode這是日文編碼，也是雙字節(jié)編碼。同樣，也可以用于中文編碼。日文和漢字的編碼會(huì)減去一個(gè)值。如：在0*8140 to 0*9FFC中的字符會(huì)減去8140，在0*E040到0*EBBF中的字符要減去0*C140，然后把結(jié)果前兩個(gè)16進(jìn)制位拿出來(lái)乘以0*C0，然后再加上

9、后兩個(gè)16進(jìn)制位，最后轉(zhuǎn)成13bit的編碼。如下列圖例如：E*tended Channel Interpretation (ECI) mode主要用于特殊的字符集。并不是所有的掃描器都支持這種編碼。Structured Append mode用于混合編碼，也就是說(shuō)，這個(gè)二維碼中包含了多種編碼格式。FNC1 mode這種編碼方式主要是給一些特殊的工業(yè)或行業(yè)用的。比方GS1條形碼之類的。下面兩表中，Table 2 是各個(gè)編碼格式的編號(hào)，這個(gè)東西要寫在Format Information中。注：中文是1101Table 3 表示了，不同版本尺寸的二維碼，對(duì)于，數(shù)字，字符，字節(jié)和Kanji模式下，對(duì)于

10、單個(gè)編碼的2進(jìn)制的位數(shù)。在二維碼的規(guī)格說(shuō)明書中，有各種各樣的編碼規(guī)表，后面還會(huì)提到例如一：數(shù)字編碼2.2.3Numeric mode數(shù)字編碼，從0到9。如果需要編碼的數(shù)字的個(gè)數(shù)不是3的倍數(shù)，則，最后剩下的1或2位數(shù)會(huì)被轉(zhuǎn)成4或7bits，則其它的每3位數(shù)字會(huì)被編成 10，12，14bits，編成多長(zhǎng)還要看二維碼的尺寸下面有一個(gè)表Table 3說(shuō)明了這點(diǎn)在Version 1的尺寸下，糾錯(cuò)級(jí)別為H的情況下，下面是 01234567這八個(gè)數(shù)字的編碼流程。1. 把上述數(shù)字分成三組: 012 345 672. 把他們轉(zhuǎn)成二進(jìn)制: 012 轉(zhuǎn)成 0000001100；345 轉(zhuǎn)成 0101011001；6

11、7 轉(zhuǎn)成 1000011。3. 把這三個(gè)二進(jìn)制串起來(lái): 0000001100 0101011001 1000011。4. 把數(shù)字的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制 version 1-H表示版本號(hào)為1，糾錯(cuò)等級(jí)H在TABLE3中對(duì)應(yīng)的字符長(zhǎng)度編碼的二進(jìn)制位數(shù)是10 bits :01234567 這幾個(gè)數(shù)字的個(gè)數(shù)的二進(jìn)制是 0000001000。5. 把數(shù)字編碼的標(biāo)志0001和第4步的編碼加到前面: 0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011。例如二：字符編碼在Version 1的尺寸下，糾錯(cuò)級(jí)別為H的情況下，下面是AC-42這五個(gè)字符的編碼流程。1. 從字符索引表

12、中找到 AC-42 這五個(gè)字條的索引 (10,12,41,4,2)。2. 兩兩分組: (10,12) (41,4) (2)。3.把每一組轉(zhuǎn)成11bits的二進(jìn)制:(10,12) :10*45+12這就是前面提到的45進(jìn)制編碼方式等于462轉(zhuǎn)成；(41, 4 ) :41*45+4 等于 1849 轉(zhuǎn)成；(2 , ) : 等于 2 轉(zhuǎn)成 000010。4. 把這些二進(jìn)制連接起來(lái)： 0000105. 把字符的個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制 (Version 1-H)(表示版本號(hào)為1，糾錯(cuò)等級(jí)H) 在TABLE3中對(duì)應(yīng)的字符長(zhǎng)度編碼的二進(jìn)制位數(shù)是9 bits :5個(gè)字符，5轉(zhuǎn)成 0000001016. 在頭上加上編碼

13、標(biāo)識(shí) 0010 和第5步的個(gè)數(shù)編碼: 0010 000000101 000010從以上兩個(gè)例子可以看出：數(shù)字編碼和字符編碼的格式為4個(gè)bits的編碼標(biāo)識(shí)+字符長(zhǎng)度編碼位數(shù)需要查表+數(shù)字或者字符編碼2.3完畢符和補(bǔ)齊符假設(shè)我們有個(gè)HELLO WORLD的字符串要編碼，根據(jù)上面的例如二，我們可以得到下面的編碼，編碼字符數(shù)HELLO WORLD的編碼0010000001011 001101我們還要加上完畢符：編碼字符數(shù)HELLO WORLD的編碼完畢0010000001011 0011010000按8bits重排如果所有的編碼加起來(lái)不是8個(gè)倍數(shù)我們還要在后面加上足夠的0，比方上面一共有78個(gè)bits

14、，所以，我們還要加上2個(gè)0，然后按8個(gè)bits分好組：00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 010000002.4補(bǔ)齊碼Padding Bytes最后，如果還沒(méi)有到達(dá)我們最大的bits數(shù)的限制，我們還要加一些補(bǔ)齊碼Padding Bytes，Padding Bytes就是重復(fù)下面的兩個(gè)bytes：11101100 00010001這兩個(gè)二進(jìn)制轉(zhuǎn)成十進(jìn)制是236和17，我也不知道為什么，只知道Spec上是這么寫的關(guān)于每一個(gè)Version的每一種糾錯(cuò)級(jí)別的最大Bits限制，可

15、以參看QR Code Spec的第28頁(yè)到32頁(yè)的Table-7一表。假設(shè)我們需要編碼的是Version 1的Q糾錯(cuò)級(jí)，則，其最大需要104個(gè)bits，而我們上面只有80個(gè)bits，所以，還需要補(bǔ)24個(gè)bits，也就是需要3個(gè)Padding Bytes，我們就添加三個(gè)，于是得到下面的編碼：00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 0100000011101100 00010001 11101100上面的編碼就是數(shù)據(jù)碼了，叫Data Codewords，每一個(gè)8bits叫一個(gè)c

16、odeword，我們還要對(duì)這些數(shù)據(jù)碼加上糾錯(cuò)信息。2.5糾錯(cuò)碼上面我們說(shuō)到了一些糾錯(cuò)級(jí)別(Error Correction Code Level)二維碼中有四種級(jí)別的糾錯(cuò)，這就是為什么二維碼有殘缺還能掃出來(lái)，也就是為什么有人在二維碼的中心位置參加圖標(biāo)。錯(cuò)誤修正容量L水平7%的字碼可被修正M水平15%的字碼可被修正Q水平25%的字碼可被修正H水平30%的字碼可被修正則，QR是怎么對(duì)數(shù)據(jù)碼加上糾錯(cuò)碼的？首先，我們需要對(duì)數(shù)據(jù)碼進(jìn)展分組，也就是分成不同的Block，然后對(duì)各個(gè)Block進(jìn)展糾錯(cuò)編碼，對(duì)于如何分組，我們可以查看QR Code Spec的第33頁(yè)到44頁(yè)的Table-13到Table-22

17、的定義表。注意最后兩列：Number of Error Code Correction Blocks：需要分多少個(gè)塊。Error Correction Code Per Blocks：每一個(gè)塊中的code個(gè)數(shù)，所謂的code的個(gè)數(shù)，也就是有多少個(gè)8bits的字節(jié)。舉個(gè)例子：上述的Version 5 + Q糾錯(cuò)級(jí)：需要4個(gè)Blocks2個(gè)Blocks為一組，共兩組，頭一組的兩個(gè)Blocks中各15 bytes數(shù)據(jù) + 各 9 bytes的糾錯(cuò)碼注：表中的codewords就是一個(gè)8bits的byte再注：最后一例中的c, k, r 的公式為：c = k + 2 * r，因?yàn)楹竽_注解釋了：糾錯(cuò)碼的

18、容量小于糾錯(cuò)碼的一半下列圖給一個(gè)5-Q的例如因?yàn)槎M(jìn)制寫起來(lái)會(huì)讓表格太大，所以，我都用了十進(jìn)制，我們可以看到每一塊的糾錯(cuò)碼有18個(gè)codewords，也就是18個(gè)8bits的二進(jìn)制數(shù)組塊數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)塊的糾錯(cuò)碼1167 85 70 134 87 38 85 194 119 50 6 18 6 103 38213 199 11 45 115 247 241 223 229 248 154 117 154 111 86 161 111 392246 246 66 7 118 134 242 7 38 86 22 198 199 146 687 204 96 60 202 182 124 157 200

19、 134 27 129 209 17 163 163 120 13321182 230 247 119 50 7 118 134 87 38 82 6 134 151 50 7148 116 177 212 76 133 75 242 238 76 195 230 189 10 108 240 192 141270 247 118 86 194 6 151 50 16 236 17 236 17 236 17 236235 159 5 173 24 147 59 33 106 40 255 172 82 2 131 32 178 236注：二維碼的糾錯(cuò)碼主要是通過(guò)里德-所羅門糾錯(cuò)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

20、2.6最終編碼穿插放置最后把數(shù)據(jù)碼和糾錯(cuò)碼的各個(gè)codewords交替放在一起，規(guī)則如下：對(duì)于數(shù)據(jù)碼：把每個(gè)塊的第一個(gè)codewords先拿出來(lái)按順度排列好，然后再取第一塊的第二個(gè)，如此類推。如：上述例如中的Data Codewords如下：塊 167857013487388519411950618610338塊 224624666711813424273886221981991466塊 31822302471195071181348738826134151507塊 4702471188619461515016236172361723617236我們先取第一列的：67， 246， 182， 7

21、0然后再取第二列的：67， 246， 182， 70， 85，246，230 ，247如此類推：67， 246， 182， 70， 85，246，230 ，247， ，38，6，50，17，7，236對(duì)于糾錯(cuò)碼，也是一樣：塊 121319911451152472412232292481541171541118616111139塊 28720496602021821241572001342712920917163163120133塊 314811617721276133752422387619523018910108240192141塊 42351595173241475933106402551

22、7282213132178236和數(shù)據(jù)碼取的一樣，得到：213，87，148，235，199，204，116，159， 39，133，141，236然后，再把這兩組放在一起糾錯(cuò)碼放在數(shù)據(jù)碼之后得到：67, 246, 182, 70, 85, 246, 230, 247, 70, 66, 247, 118, 134, 7, 119, 86, 87, 118, 50, 194, 38, 134, 7, 6, 85, 242, 118, 151, 194, 7, 134, 50, 119, 38, 87, 16, 50, 86, 38, 236, 6, 22, 82, 17, 18, 198, 6,

23、 236, 6, 199, 134, 17, 103, 146, 151, 236, 38, 6, 50, 17, 7, 236, 213, 87, 148, 235, 199, 204, 116, 159, 11, 96, 177, 5, 45, 60, 212, 173, 115, 202, 76, 24, 247, 182, 133, 147, 241, 124, 75, 59, 223, 157, 242, 33, 229, 200, 238, 106, 248, 134, 76, 40, 154, 27, 195, 255, 117, 129, 230, 172, 154, 209,

24、 189, 82, 111, 17, 10, 2, 86, 163, 108, 131, 161, 163, 240, 32, 111, 120, 192, 178, 39, 133, 141, 236這就是我們的數(shù)據(jù)區(qū)。Remainder Bits最后再加上ReminderBits，對(duì)于*些Version的QR，上面的還不夠長(zhǎng)度，還要加上Remainder Bits，比方：上述的5Q版的二維碼，還要加上7個(gè)bits，Remainder Bits加零就好了。關(guān)于哪些Version需要多少個(gè)Remainder bit，可以參看QR Code Spec的第15頁(yè)的Table-1的定義表。3.形成二

25、維碼圖案3.1定位和功能性圖案Position Detection Pattern首先，先把Position Detection圖案畫在三個(gè)角上。無(wú)論Version如何，這個(gè)圖案的尺寸就是這么大Alignment Pattern然后，再把Alignment圖案畫上無(wú)論Version如何，這個(gè)圖案的尺寸就是這么大關(guān)于Alignment的位置，可以查看QR Code Spec的第81頁(yè)的Table-E.1的定義表下表是不完全表格下列圖是根據(jù)上述表格中的Version8的一個(gè)例子6，24，42Timing Pattern接下來(lái)是Timing Pattern的線這個(gè)不用多說(shuō)了Format Information再接下來(lái)是Formation Information，下列圖中的藍(lán)色局部。For