QR code 二维码基础入门教程

QR code 二维码基础入门教程

• 本文为 QR Code Tutorial: Introduction 的总结，详细内容请查看原文

Introduction

History and Information

• QR code 于 1994 年，由 日本公司 Denso-Wave 发明。其标准为ISO/IEC 18004:2006

• QR code 最小为 21*21，最大为177*177，其大小被称为“Version”

  • Version=1, 21*21
  • Version=2, 25*25
  • Version=3, 29*29
  • …
  • Version=40, 177*177
  • 计算公式：(V-1)*4+21。其中V为版本号

• QR code 有4种纠错等级，可恢复的码字比例为
  Error Correction Level| Error Correction Capability|
  :- | :- |
  L | 恢复7%的数据
  M | 恢复15%的数据
  Q | 恢复25%的数据
  H | 恢复30%的数据

• 数据模式包括：数字模式，数字字母模式，8字节模式，日本汉字模式，扩充解释模式(ECI),结构链接模式，FNC1模式 （实际上不同的标准支持的模式类型不同，我们不妨从简单的开始，重点关注前4种模式）

General Overview of Creating a QR Code

1. 数据分析。对需要编码的数据进行分析，然后选择最佳的模式
2. 数据编码。根据步骤1的模式，对数据进行编码
3. 纠错编码。生成纠错码
4. 构造最终消息。填充数据码和纠错码填入矩阵
5. 在矩形中放置模块。将寻像图形、分隔符等一起放入矩阵
6. 掩摸。用8中掩摸对编码区域图形做XOR，评价8种结果，选择最优的一种
7. 格式和版本信息。生成版本信息和格式信息
   接下来，我们对每个步骤进行说明

数据分析

• 数据编码将输入数据编码为一串0/1比特流，选择合适的数据模式，能够这串流尽量的短
• 各个模式可编码的字符
  • 数字模式：数字0-9
  • 数字字母模式：数字0-9，所有大写字母，符号 $ % * + - . / : 还有空格。具体请看数字字母模式译码表
  • 8字节模式：默认情况下，可编码 ISO-8859-1 所有字符
  • 日本汉字模式(Kanji，或者叫双字节模式)：编码Shift JIS。也可以编码UTF-8，但是需要的字节可能更多。
  • 扩充解释模式：可指定缺省字符集(这里我们不讨论这种模式)
  • 结构链接模式：可以将一个数据编码为多个QR code（最多16个，这里我们不讨论这种模式）
  • FNC1模式：允许QR code像GS1 code一样（这里我们不讨论这种模式）
• 如何选择合适的模式
  • 输入数据都是数字，选择数字模式
  • 当数字模式不满足且输入数据都在数字字母模式译码表时，选择数字字母模式（注意：数字字母模式只能编码大写字母）
  • 输入数据不在数字字母模式译码表，但都在ISO-8859-1是，选择8字节模式
• 如何选择合适的模式Plus，摘自QR Code二维码–一种新型的矩阵符号 27页

下列导则可以形成对给定的输入数据决定最短位流的算法的基础。在方括号中的字符数如[5,7,9]分别用于版本1_9，版本1026和版本27~40.在导则中，术语“专有子集”是指一种模式的字符集中的一组字符，不能与另一种更有限的字符集共享，例如，8位字节字符集的专有子集由JIS
8的值$00_{HEX}$~$F{F}_{HEX}$组成，但它不包括十六进制的值
20,24,25,2A,2B,2D_3D和415A；因为它们是字符字符集的一组字符{A~Z,space,$,%,*,+,-,’, /,:}

• 混合多种模式（这里不讨论这种模式）
• 选择好了合适的模式，接下来是数据编码

数据编码

Step 1 选择纠错等级

Error Correction Level	Error Correction Capability
L	恢复7%的数据
M	恢复15%的数据
Q	恢复25%的数据
H	恢复30%的数据

• 纠错等级越高，纠错码就越多，那么可编码的数据就变少，因此QR code的版本可能要更大

Step 2 确定数据的最小版本

• QR code的数据容量由模式和纠错等级决定，详勘Character Capacities by Version, Mode, and Error Correction
• 如何确定数据的最小版本：
  1. 确定模式和纠错等级
  2. 根据输入数据的字符个数，查表得到结果
  3. 举个例子，输入数据：HELLO WORLD，模式：数字字母模式，纠错等级：Q，字符个数：11,查表得到版本1为最小版本（版本1Q在数字字母模式最多可编码16个字符）。同理，输入数据改为：HELLO THERE WORLD，查表得到版本2为最小版本
• 容量上限。版本40，纠错等级L时，容量最大，可容纳的字符数如下表
  编码模式|最大可编码字符数(纠错等级L，版本40)|
  -|-|
  数字模式| 7089
  字母数字模式|4296
  8字节模式|2953
  日本汉字模式|1817

Step 3 添加模式指示符

• 比特流最前面是模式指示符，模式指示符是一个4比特的指示符，指示符如下

编码模式	模式指示符
数字模式	0001
数字字母模式	0010
8字节模式	0100
日本汉字模式	1000
ECI模式	0111

• 国标的指示符长这样：

Step 4 添加字符计数指示符

• 将输入数据的字符数 编码为一串指示符。不同版本字符数字指示符的长度不一样。
  

• 举个例子：HELLO WORLD，版本1，模式=字母数字模式，字符数=11，那么字符计数指示符的长度为9个比特。11的二进制：1011，不满9位则左边填充0，得到 000001011。结合上一步的模式指示符，当前编码比特流为：0010 0000001011

Step 5 利用模式对输入数据编码

• 不同模式的编码方式不同，通过具体例子我们来不同模式的熟悉编码过程

数字模式编码

1. 将输入数据分为3位一组。8675309 -> {867, 530, 9}
2. 将每组数据转为二进制，如果一组数据是3个，那么转换为10位二进制，如果是2位，转换为7位，如果是1位，转换为4位
   • 867 -> 1101100011
   • 530 -> 1000010010
   • 9 -> 1001

字母数字模式编码

1. 将输入数据分为2个一组。HELLO WORLD -> {HE, LL, O , WO, RL, D}
2. 通过查表 字母数字模式的编码/译码表，将数据转为对应的值。{{17,14}, {21,21}, {24,36},{32,24},{27,21},{13}}
3. 每组的第一个数乘上45，然后加上第二个数。{17,14} -> 17*45+14=779。
4. 将3得到的结果转为11位二进制。779 -> 01100001011
5. 如果只有一个字符，，转换为6位二进制。{D} -> {13} -> 001101
6. 重复3-5步，得到结果 01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101

8字节模式

1. 默认字符集为ISO 8859-1。如果输入字符不在ISO 8859-1中，可转换为UTF-8。
2. 通过查表，将输入数据转为16进制。例如，“Hello, world!”
   • H → 0x48
   • e → 0x65
   • l → 0x6c
   • l → 0x6c
   • o → 0x6f
   • , → 0x2c
   • → 0x20
   • w → 0x77
   • o → 0x6f
   • r → 0x72
   • l → 0x6c
   • d → 0x64
   • ! → 0x21
3. 将十六进制转为二进制
   • H → 0x48 → 01001000
   • e → 0x65 → 01100101
   • l → 0x6c → 01101100
   • l → 0x6c → 01101100
   • o → 0x6f → 01101111
   • , → 0x2c → 00101100
   • → 0x20 → 00100000
   • w → 0x77 → 01110111
   • o → 0x6f → 01101111
   • r → 0x72 → 01110010
   • l → 0x6c → 01101100
   • d → 0x64 → 01100100
   • ! → 0x21 → 00100001

日本汉字模式

• 我们先略过

编码结果

• 根据上述编码方式我们目前得到的结果：
  模式指示符|字符计数指示符|编码序列|
  -|-|-|
  0010|000001011|01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101

Step 6 填充空余的比特位

• 通过查表error correction table得到最大数据比特位数。例如，1-Q共有13个码字，每个码字有8位，因此最大数据比特位数：13*8=104
• 添加终止符。终止符位4比特长度：0000。但是如果编码序列为102，只剩下2位，那么只需要填充2位的0。添加了终止符后的编码序列为

模式指示符	字符计数指示符	编码序列	终止符
0010	000001011	01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101	0000

• 如果当前编码序列的最后一个码字不满8位，那么填充0至8位
  当前数据：00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 010000
  填充后的数据：00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 010000 00

• 如果当前数据太短了，没有填满最大比特位数，那么重复填充 11101100 00010001
  最终数据： 00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 010000 00 11101100 00010001 11101100

最后，用一张图来总结以上过程