二維碼的原理是什么？

1.1二維碼為什么是黑白相間的？黑色表示二進(jìn)制的“1”，白色表示二進(jìn)制的“0”

“我們之所以對二維碼進(jìn)行掃描能讀出那么多信息，就是因?yàn)檫@些信息被編入了二維碼之中。”黃海平說，“制作二維碼輸入的信息可以分成三類，文本信息，比如名片信息；字符信息，比如網(wǎng)址、電話號碼；還有圖片信息，甚至還可以包括簡短的視頻。”數(shù)據(jù)信息是怎么被編入的呢？信息輸入后，首先要選擇一種信息編碼的碼制。現(xiàn)在常見的二維碼都是以QR碼作為編碼的碼制。QR碼是矩陣式二維碼，它是在一個(gè)矩形空間內(nèi)，通過黑、白像素在矩陣中的不同分布，來進(jìn)行編碼的。我們知道電腦使用二進(jìn)制（0和1）數(shù)來貯存和處理數(shù)據(jù)，而在二維碼中，用黑白矩形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)我們?nèi)庋勰芸吹降暮谏硎镜氖嵌M(jìn)制“1”，白色表示二進(jìn)制的“0”，黑白的排列組合確定了矩陣式二維條碼的內(nèi)容，以便于計(jì)算機(jī)對二維碼符號進(jìn)行編碼和分析。

2.2

QR CODE 介紹：QR(Quick-Response) code是被廣泛使用的一種二維碼，解碼速度快。它可以存儲(chǔ)多用類型。如下圖時(shí)一個(gè)qrcode的基本結(jié)構(gòu)，其中：位置探測圖形、位置探測圖形分隔符、定位圖形：用于對二維碼的定位，對每個(gè)QR碼來說，位置都是固定存在的，只是大小規(guī)格會(huì)有所差異；校正圖形：規(guī)格確定，校正圖形的數(shù)量和位置也就確定了；格式信息：表示改二維碼的糾錯(cuò)級別，分為L、M、Q、H；版本信息：即二維碼的規(guī)格，QR碼符號共有40種規(guī)格的矩陣（一般為黑白色），從21x21（版本1），到177x177（版本40），每一版本符號比前一版本 每邊增加4個(gè)模塊。數(shù)據(jù)和糾錯(cuò)碼字：實(shí)際保存的二維碼信息，和糾錯(cuò)碼字（用于修正二維碼損壞帶來的錯(cuò)誤）。

 

3.3

簡要的編碼過程：數(shù)據(jù)分析：確定編碼的字符類型，按相應(yīng)的字符集轉(zhuǎn)換成符號字符； 選擇糾錯(cuò)等級，在規(guī)格一定的條件下，糾錯(cuò)等級越高其真實(shí)數(shù)據(jù)的容量越小。數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為位流，每8位一個(gè)碼字，整體構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)的碼字序列。其實(shí)知道這個(gè)數(shù)據(jù)碼字序列就知道了二維碼的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

數(shù)據(jù)可以按照一種模式進(jìn)行編碼，以便進(jìn)行更高效的解碼，例如：對數(shù)據(jù)：01234567編碼（版本1-H），1）分組：012 345 672）轉(zhuǎn)成二進(jìn)制：012→0000001100 345→0101011001 67 →10000113）轉(zhuǎn)成序列：0000001100 0101011001 10000114）字符數(shù) 轉(zhuǎn)成二進(jìn)制：8→00000010005）加入模式指示符（上圖數(shù)字）0001：0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011對于字母、中文、日文等只是分組的方式、模式等內(nèi)容有所區(qū)別。基本方法是一致的

 

4.4

糾錯(cuò)編碼：按需要將上面的碼字序列分塊，并根據(jù)糾錯(cuò)等級和分塊的碼字，產(chǎn)生糾錯(cuò)碼字，并把糾錯(cuò)碼字加入到數(shù)據(jù)碼字序列后面，成為一個(gè)新的序列。在二維碼規(guī)格和糾錯(cuò)等級確定的情況下，其實(shí)它所能容納的碼字總數(shù)和糾錯(cuò)碼字?jǐn)?shù)也就確定了，比如：版本10，糾錯(cuò)等級時(shí)H時(shí)，總共能容納346個(gè)碼字，其中224個(gè)糾錯(cuò)碼字。就是說二維碼區(qū)域中大約1/3的碼字時(shí)冗余的。對于這224個(gè)糾錯(cuò)碼字，它能夠糾正112個(gè)替代錯(cuò)誤（如黑白顛倒）或者224個(gè)據(jù)讀錯(cuò)誤（無法讀到或者無法譯碼），這樣糾錯(cuò)容量為：112/346=32.4%

 

5.5

構(gòu)造最終數(shù)據(jù)信息：在規(guī)格確定的條件下，將上面產(chǎn)生的序列按次序放如分塊中，按規(guī)定把數(shù)據(jù)分塊，然后對每一塊進(jìn)行計(jì)算，得出相應(yīng)的糾錯(cuò)碼字區(qū)塊，把糾錯(cuò)碼字區(qū)塊 按順序構(gòu)成一個(gè)序列，添加到原先的數(shù)據(jù)碼字序列后面。如：D1, D12, D23, D35, D2, D13, D24, D36, ... D11, D22, D33, D45, D34, D46, E1, E23,E45, E67, E2, E24, E46, E68，...構(gòu)造矩陣：將探測圖形、分隔符、定位圖形、校正圖形和碼字模塊放入矩陣中。

6.6

掩摸：將掩摸圖形用于符號的編碼區(qū)域，使得二維碼圖形中的深色和淺色（黑色和白色）區(qū)域能夠比率最優(yōu)的分布。 一個(gè)算法，不研究了，有興趣的同學(xué)可以繼續(xù)。格式和版本信息：生成格式和版本信息放入相應(yīng)區(qū)域內(nèi)。版本7-40都包含了版本信息，沒有版本信息的全為0。二維碼上兩個(gè)位置包含了版本信息，它們是冗余的。版本信息共18位，6X3的矩陣，其中6位時(shí)數(shù)據(jù)為，如版本號8，數(shù)據(jù)位的信息時(shí) 001000，后面的12位是糾錯(cuò)位。