二维码的生成细节和原理
2018-03-08 16:19
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二维码的生成细节和原理
转载自:https://coolshell.cn/articles/10590.html二维码又称QR Code,QR全称Quick Response,是一个近几年来移动设备上超流行的一种编码方式,它比传统的Bar Code条形码能存更多的信息,也能表示更多的数据类型:比如:字符,数字,日文,中文等等。这两天学习了一下二维码图片生成的相关细节,觉得这个玩意就是一个密码算法,在此写一这篇文章 ,揭露一下。供好学的人一同学习之。关于QR Code Specification,可参看这个PDF:http://raidenii.net/files/datasheets/misc/qr_code.pdf
基础知识
首先,我们先说一下二维码一共有40个尺寸。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。下面我们看看一个二维码的样例: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。
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。
数据编码
我们先来说说数据编码。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,然后把结果前两个16进制位拿出来乘以0XC0,然后再加上后两个16进制位,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)
下面我们看几个示例,<
4000
/p>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: 012345671. 把上述数字分成三组: 012 345 672. 把他们转成二进制: 012 转成 0000001100; 345 转成 0101011001; 67 转成 1000011。3. 把这三个二进制串起来: 0000001100 0101011001 10000114. 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 00000010005. 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-421. 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 0000104. 把这些二进制连接起来:00111001110 11100111001 0000105. 把字符的个数转成二进制 (Version 1-H为9 bits ): 5个字符,5转成 0000001016. 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 |
编码 | 字符数 | HELLO WORLD的编码 | 结束 |
---|---|---|---|
0010 | 000001011 | 01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101 | 0000 |
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 |
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)下图给一个5-Q的示例(因为二进制写起来会让表格太大,所以,我都用了十进制,我们可以看到每一块的纠错码有18个codewords,也就是18个8bits的二进制数)
组 | 块 | 数据 | 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 |
最终编码
穿插放置如果你以为我们可以开始画图,你就错了。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 |
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 |
画二维码图
Position Detection Pattern首先,先把Position Detection图案画在三个角上。(无论Version如何,这个图案的尺寸就是这么大)Alignment Pattern然后,再把Alignment图案画上(无论Version如何,这个图案的尺寸就是这么大)
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的纠错级别和000的Mask,从而造成全部为白色,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。
掩码图案这样下来,我们的图就填好了,但是,也许那些点并不均衡,如果出现大面积的空白或黑块,会告诉我们扫描识别的困难。所以,我们还要做Masking操作(靠,还嫌不复杂)QR的Spec中说了,QR有8个Mask你可以使用,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。(注:选择一个合适的Mask也是有算法的)
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)
下面是Mask后的一些样子,我们可以看到被某些Mask XOR了的数据变得比较零散了。
Mask过后的二维码就成最终的图了。好了,大家可以去尝试去写一下QR的编码程序,当然,你可以用网上找个Reed Soloman的纠错算法的库,或是看看别人的源代码是怎么实现这个繁锁的编码。