二维码的工作原理是什么?
liuian 2024-12-02 22:28 30 浏览
二维码生成原理(即工作原理):
二维码官方叫版本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。
下面是一个二维码的样例:
1、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。
2、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。
3、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(下面有一个表Table 3说明了这点)
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 这是日文编码,也是双字节编码。同样,也可以用于中文编码。日文和汉字的编码会减去一个 值。如:在0X8140 to 0X9FFC中的字符会减去8140,在0XE040到0XEBBF中的字符要减去0XC140,然后把前两位拿出来乘以0XC0,然后再加上后两位,最 后转成13bit的编码。如下图示例:
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。
简单起见,后面三种不会在本文 中讨论。
下面两张表中,
Table 2 是各个编码格式的“编号”,这个东西要写在Format Information中。注:中文是1101
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。(在二维码的规格说明书中,有各种各样的编码规范表,后面还会提到)
示例一:数字编码
在Version 1的尺寸下,纠错级别为H的情况下,编码: 01234567
把上述数字分成三组: 012 345 67
把他们转成二进制: 012 转成 0000001100; 345 转成 0101011001; 67 转成 1000011。
把这三个二进制串起来: 0000001100 0101011001 1000011
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
把数字编码的标志0001和第4步的编码加到前面: 0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011
示例二:字符编码
在Version 1的尺寸下,纠错级别为H的情况下,编码: AC-42
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
5. 把字符的个数转成二进制 (Version 1-H为9 bits ): 5个字符,5转成 000000101
6. 在头上加上编码标识 0010 和第5步的个数编码: 0010 000000101 00111001110 11100111001 000010
结束符和补齐符
假如我们有个HELLO WORLD的字符串要编码,根据上面的示例二,我们可以得到下面的编码,
编码
字符数
HELLO WORLD的编码
0010 000001011 01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101
我们还要加上结束符:
编码
字符数
HELLO WORLD的编码
结束
0010 000001011 01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101 0000
按8bits重排
如果所有的编码加起来不是8个倍数我们还要在后面加上足够的0,比如上面一共有78个bits,所以,我们还要加上2个0,然后按8个bits分好组:
00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 01000000
补齐码(Padding Bytes)
最后,如果如果还没有达到我们最大的bits数的限制,我们还要加一些补齐码(Padding Bytes),Padding Bytes就是重复下面的两个bytes:11101100 00010001 (这两个二进制转成十进制是236和17,我也不知道为什么,只知道Spec上是这么写的)关于每一个Version的每一种纠错级别的最大Bits限 制,可以参看QR Code Spec的第28页到32页的Table-7一表。
假设我们需要编码的是Version 1的Q纠错级,那么,其最大需要104个bits,而我们上面只有80个bits,所以,还需要24个bits,也就是需要3个Padding Bytes,我们就添加三个,于是得到下面的编码:
00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 01000000 11101100 00010001 11101100
纠错码
上面我们说到了一些纠错级别,Error Correction Code Level,二维码中有四种级别的纠错,这就是为什么二维码有残缺还能扫出来,也就是为什么有人在二维码的中心位置加入图标。
错误修正容量
L水平 7%的字码可被修正
M水平 15%的字码可被修正
Q水平 25%的字码可被修正
H水平 30%的字码可被修正
那么,QR是怎么对数据码加上纠错码的?首先,我们需要对数据码进行分组,也就是分成不同的Block,然后对各个Block进行纠错编码,对于如何分组,我们可以查看QR Code Spec的第33页到44页的Table-13到Table-22的定义表。注意最后两列:
Number of Error Code Correction Blocks :需要分多少个块。
Error Correction Code Per Blocks:每一个块中的code个数,所谓的code的个数,也就是有多少个8bits的字节。
举个例子:上述的Version 5 + Q纠错级:需要4个Blocks(2个Blocks为一组,共两组),头一组的两个Blocks中各15个bits数据 + 各 9个bits的纠错码(注:表中的codewords就是一个8bits的byte)(再注:最后一例中的(c, k, r )的公式为:c = k + 2 * r,因为后脚注解释了:纠错码的容量小于纠错码的一半)
对每个块的纠错码
1 1 67 85 70 134 87 38 85 194 119 50 6 18 6 103 38 213 199 11 45 115 247 241 223 229 248 154 117 154 111 86 161 111 39
2 246 246 66 7 118 134 242 7 38 86 22 198 199 146 6 87 204 96 60 202 182 124 157 200 134 27 129 209 17 163 163 120 133
2 1 182 230 247 119 50 7 118 134 87 38 82 6 134 151 50 7 148 116 177 212 76 133 75 242 238 76 195 230 189 10 108 240 192 141
2 70 247 118 86 194 6 151 50 16 236 17 236 17 236 17 236 235 159 5 173 24 147 59 33 106 40 255 172 82 2 131 32 178 236
注:二维码的纠错码主要是通过Reed-Solomon error correction(里 德-所罗门纠错算法)来实现的。对于这个算法,对于我来说是相当的复杂,里面有很多的数学计算,最终编码。
穿插放置
二维码的混乱技术还没有玩完,它还要把数据码和纠错码的各个codewords交替放在一起。如何交替呢,规则如下:
对于数据码:把每个块的第一个codewords先拿出来按顺度排列好,然后再取第一块的第二个,如此类推。如:上述示例中的Data Codewords如下:
块 1 67 85 70 134 87 38 85 194 119 50 6 18 6 103 38
块 2 246 246 66 7 118 134 242 7 38 86 22 198 199 146 6
块 3 182 230 247 119 50 7 118 134 87 38 82 6 134 151 50 7
块 4 70 247 118 86 194 6 151 50 16 236 17 236 17 236 17 236
我们先取第一列的:67, 246, 182, 70
然后再取第二列的:67, 246, 182, 70, 85,246,230 ,247
如此类推:67, 246, 182, 70, 85,246,230 ,247 ……… ……… ,38,6,50,17,7,236
对于纠错码,也是一样:
块 1 213 199 11 45 115 247 241 223 229 248 154 117 154 111 86 161 111 39
块 2 87 204 96 60 202 182 124 157 200 134 27 129 209 17 163 163 120 133
块 3 148 116 177 212 76 133 75 242 238 76 195 230 189 10 108 240 192 141
块 4 235 159 5 173 24 147 59 33 106 40 255 172 82 2 131 32 178 236
和数据码取的一样,得到:213,87,148,235,199,204,116,159,…… …… 39,133,141,236
然后,再把这两组放在一起(纠错码放在数据码之后)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, 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, 189, 82, 111, 17, 10, 2, 86, 163, 108, 131, 161, 163, 240, 32, 111, 120, 192, 178, 39, 133, 141, 236
Remainder Bits
最后再加上Reminder Bits,对于某些Version的QR,上面的还不够长度,还要加上Remainder Bits,比如:上述的5Q版的二维码,还要加上7个bits,Remainder Bits加零就好了。关于哪些Version需要多少个Remainder bit,可以参看QR Code Spec的第15页的Table-1的定义表。
4、画二维码图
Position Detection Pattern
首先,先把Position Detection图案画在三个角上。
Alignment Pattern
然后,再把Alignment图案画上
关于Alignment的位置,可以查看QR Code Spec的第81页的Table-E.1的定义表(下表是不完全表格)
下图是根据上述表格中的Version8的一个例子(6,24,42)
Timing Pattern
接下来是Timing Pattern的线(这个不用多说了)
Format Information
再接下来是Formation Information,下图中的蓝色部分。
Format Information是一个15个bits的信息,每一个bit的位置如下图所示:(注意图中的Dark Module,那是永远出现的)
这15个bits中包括:
5个数据bits:其中,2个bits用于表示使用什么样的Error Correction Level, 3个bits表示使用什么样的Mask
10个纠错bits。主要通过BCH Code来计算
然后15个bits还要与101010000010010做XOR操作。这样就保证不会因为我们选用了00的纠错级别,以及000的Mask,从重造成全部为白色,这会增加我们的扫描器的图像识别的困难。
下面是一个示例:
关于Error Correction Level如下表所示:
关于Mask图案如后面的Table 23所示。
Version Information
再接下来是Version Information(版本7以后需要这个编码),下图中的蓝色部分。
Version Information一共是18个bits,其中包括6个bits的版本号以及12个bits的纠错码,下面是一个示例:
而其填充位置如下:
数据和数据纠错码
然后是填接我们的最终编码,最终编码的填充方式如下:从左下角开始沿着红线填我们的各个bits,1是黑色,0是白色。如果遇到了上面的非数据区,则绕开或跳过。
5、掩码图案
这样下来,图就填好了,但是,也许那些点并不均衡,所以还要做Masking操作QR的Spec中说了,QR有8个 Mask可以使用,如下所示:其中,各个mask的公式在各个图下面。所谓mask,说白了,就是和上面生成的图做XOR操作。Mask只会和数据区进 行XOR,不会影响功能区。
其Mask的标识码如下所示:(其中的i,j分别对应于上图的x,y)
Mask过后的二维码就成最终的图了。
Baidu搜索“二维码应用平台”,可以找到很多免费的软件使用
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