QR code 二维码基础入门教程

时间  2021-07-13 标签 qrcode 二维码 教程

QR code 二维码基础入门教程

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10~26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 H E X ~ F F H E X 组成，但它不包括十六进制的值
20,24,25,2A,2B,2D~3D和41~5A；因为它们是字符字符集的一组字符{A~Z,space,$,%,*,+,-,’, /,:}

P80719-102344_编辑_编辑.jpg-242.5kB

  • 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：image_1cio78g2fs0n1fe752og6121cq.png-45.7kB

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。QQ图片20180719105523.png-21.2kB
  • 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
QR Code编码流程图.png-45kB

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