万物互联 | 二维码的前世今生
原创
写在前面：
前段时间，基于“类付款码”的原理，通过手机二维码+人脸设备摄像头实现了IoT设备通信互联，有感兴趣的小伙伴可以私我交流一下，其中涉及了一些二维码的基础知识和底层原理，我们一起来看一下~
什么是二维码？
二维码又称二维条码，常见的二维码为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。
二维条码/二维码（2-dimensional bar code）是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的、黑白相间的、记录数据符号信息的图形；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化点。（信息来源于百科词条）
最初在1994年由日本DENSO WAVE公司腾弘原团队发明，后来DENSO WAVE 公司宣布，不行使本公司就标准QR码拥有的专利权(专利第2938338号)，目前，QR码已经在国家标准和国际标准中实现标准化，任何人都可以随意查看该标准。
二维码的历史-条形码：
简介：
条形码或称条码（英语：barcode）：是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）排成的平行线图案。
发展：
进入上个世纪60年代之后，日本迎来的高速增长期，经销食品、衣料等种类繁多的商品的超市开始在城市中出现。
为了解决很多场景需要手动录入繁杂工作负担，条形码（一维码）运营而生，通过光感读取条形码，名称、价格等信息可以直接显示在出纳机（计算机）上，后被广泛应用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域的一种自动识别技术，具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，在当今的自动识别技术中占有重要的地位。
定义：
条形码-码制：
常用的一维码的码制（类型）包括：EAN码、39码、交叉25码、UPC码、128码、93码，ISBN码，及Codabar（库德巴码）等。
EAN 码：是国际通用的符号体系，是一种长度固定、无含意的条码，所表达的信息全部为数字，主要应用于商品标识 39码和128码：为国内企业内部自定义码制，可以根据需要确定条码的长度和信息，它编码的信息可以是数字，也可以包含字母，主要应用于工业生产线领域、图书管理等。Code 39 码，是用途广泛的一种条形码，可表示数字、英文字母以及“?”、“.”、“/”、“+”、“%”、“$”、 “”（空格）和“*”共 44 个符号，其中“*”仅作为起始符和终止符。既能用数字，也能用 字母及有关符号表示信息。信息全部为数字，主要应用于商品标识。
93码：是一种类似于39码的条码，它的密度较高，能够替代39码。 25码：主要应用于包装、运输以及国际航空系统的机票顺序编号等。 Codabar码：应用于血库、图书馆、包裹等的跟踪管理。 ISBN：用于图书管理。
条形码-结构：
一个完整的条码的组成次序依次为：静区（前）、起始符、数据符、（中间分割符，主要用于EAN码）、(校验符）、终止符、静区（后），如上图：
- 静区：指条码左右两端外侧与空的反射率相同的限定区域，就是左右空白区，它能使阅读器进入准备阅读的状态，当两个条码相距距离较近时，静区则有助于对它们加以区分，静区的宽度通常应不小于6mm（或10倍模块宽度）。
- 起始/终止符：指位于条码开始和结束的若干条与空，标志条码的开始和结束，同时提供了码制识别信息和阅读方向的信息。
- 数据符：位于条码中间的条、空结构，它包含条码所表达的特定信息。
- 校验字符：检验读取到的数据是否正确。不同编码规则可能会有不同的校验规则（部分条形码在数据字符和终止字符之间还有校验字符）
- 模块：构成条码的基本单位是模块，模块是指条码中最窄的条或空，模块的宽度通常以mm或mil（千分之一英寸）为单位。构成条码的一个条或空称为一个单元，一个单元包含的模块数是由编码方式决定的。有些码制中，如EAN码，所有单元由一个或多个模块组成；而另一些码制，如39码中，所有单元只有两种宽度，即宽单元和窄单元，其中的窄单元即为一个模块。
条形码-识别原理：
要将按照一定规则编译出来的条形码转换成有意义的信息，需要经历扫描和译码两个过程。
（1）扫描过程：
物体的颜色是由其反射光的类型决定的，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当条形码扫描器光源发出的光在条形码上反射后，反射光照射到条码扫描器内部的光电转换器上，光电转换器根据强弱不同的反射光信号，转换成相应的电信号。根据原理的差异，扫描器可以分为光笔、CCD、激光三种。电信号输出到条码扫描器的放大电路增强信号之后，再送到整形电路将模拟信号转换成数字信号。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。
（2）译码过程：
译码器通过测量脉冲数字电信号0、1的数目来判别条和空的数目，通过测量0、1信号持续的时间来判别条和空的宽度。此时所得到的数据仍然是杂乱无章的，要知道条形码所包含的信息，则需根据对应的编码规则（例如：EAN-8码），将条形符号换成相应的数字、字符信息。最后，由计算机系统进行数据处理与管理，物品的详细信息便被识别了。
条形码-存在问题：
随着普及，新的问题出现：条形码的容量有限，英文数字最多只能容纳20个字符
有了新的诉求：
- 编码本身要是能够含有更多的信息就好了
- 希望具有汉字和假名的处理功能
当时负责QR码研发负责人，也就是二维码之父-原昌宏，思考：条形码只能横向（一维）存储信息，相比之下，如果能纵横排列，就可以容纳更多信息。并且要在这个基础上，做到便于读取。于是就有了后来的二维码。
二维码之父-原昌宏
二维码的种类
这里也叫做二维码的码制，常见的码制有：
QRCode、汉信码、PDF417二维条码(opens new window)、Datamatrix二维条码、Code 49、Code 16K、Code one等。样例如图所示：
二维码的特点
特点1-存储大容量信息：
传统的条形码只能处理20位左右的信息量，与此相比，QR码可处理条形码的几十倍到几百倍的信息量。
另外，QR码还可以支持所有类型的数据。（如：数字、英文字母、日文字母、汉字、符号、二进制、控制码等）。一个QR码最多可以处理7089字(仅用数字时)的巨大信息量。
特点2-支持小空间打印：
QR码使用纵向和横向两个方向处理数据，如果是相同的信息量，QR码所占空间为条形码的十分之一左右。(还支持Micro QR码，可以在更小空间内处理数据。)
特点3-有效处理各种文字：
QR码是日本国产的二维码，因此非常适合处理日文字母和汉字。
QR码字集规格定义是按照日本标准“JIS第一级和第二级的汉字”制定的，因此在日语处理方面，每一个全角字母和汉字都用13比特的数据处理，效率较高，与其他二维码相比，可以多存储20%以上的信息。
特点4-容错率高，抗破损：
QR码具备“纠错功能”，即使部分编码变脏或破损，也可以恢复数据。数据恢复的单位是“码字”（是组成内部数据的单位，在QR码的情况下，每8比特代表1码字。） 根据变脏和破损程度的不同，也存在无法恢复的情况。
特点5-任意方向识别：
QR码从360°任一方向均可快速读取。原因在于QR码中的3处定位图案，可以帮助QR码不受背景样式的影响，实现快速稳定的读取。
特点6-支持数据合并功能：
QR码可以将数据分割为多个编码，最多支持16个QR码。使用这一功能，还可以在狭长区域内打印QR码。另外，也可以把多个分割编码合并为单个数据。
二维码的组成
二维码的版本和容量：
（1）什么是版本容量：
QR码设有1到40的不同版本（种类)，每个版本都具备固有的码元结构(码元数)。（码元是指构成QR码的方形黑白点。)
“码元结构”是指二维码中的码元数。从版本1(21码元×21码元)开始，在纵向和横向各自以4码元为单位递增，一直到版本40(177码元×177码元)。
QR码的各个版本结合数据量、字符类型和纠错级别，均设有相对应的最多输入字符数。也就是说，如果增加数据量，则需要使用更多的码元来组成QR码，QR码就会变得更大。
（2）什么是纠错级别：
QR码具有“纠错功能”。即使编码变脏或破损，也可自动恢复数据。这一“纠错能力”具备4个级别，用户可根据使用环境选择相应的级别。调高级别，纠错能力也相应提高，但由于数据量会随之增加，编码尺寸也也会变大。
用户应综合考虑使用环境、编码尺寸等因素后选择相应的级别。 在工厂等容易沾染赃物的环境下，可以选择级别Q或H，在不那么脏的环境下，且数据量较多的时候，也可以选择级别L。一般情况下用户大多选择级别M(15%)。
恢复率：相对比全部码字的比率
（3）纠错码原理：
纠错级别的比率，是指全部码字与可以纠错的码字的比率。 例如，需要编码的码字数据有100个，并且想对其中的一半，也就是50个码字进行纠错，则计算方法如下。纠错需要相当于码字2倍的符号（RS编码），因此在这种情况下的数量为50个×2＝100码字。因此，全部码字数量为200个，其中用作纠错的码字为50个，所以计算得出，相对于全部码字的纠错率就是25%。这一比率相当于QR码纠错级别中的“Q”级别。
RS编码：QR码的纠错功能是通过将RS编码附加到原数据中的方式实现的。RS编码是应用于音乐CD等用途的数学纠错方法。它能以字节为单位进行纠错，适合用于错误位置会集中的突发错误。
（4）二维码版本选定：
例如，需要输入的数据为100位的数字时，通过以下步骤来选定。
1．假设要输入的数据种类为“数字” 2．从“L”“M”“Q”“H”中选择纠错级别。（假设选择“M”） 3．查看下表，先从数字列找出数字为100以上且接近100的，其次找出纠错级别“M”，两者交叉的部分就是最佳版本。
问题：面对不同混合字符的数据怎么办？参考：https://www.qrcode.com/zh/about/version.html
二维码的结构：
二维码结构图示意图
（1）位置探测图形、位置探测图形分隔符、定位图形：
用于对二维码的定位，对每个QR码来说，位置都是固定存在的，只是大小规格会有所差异； 这三个定位图案有白边即位置探测图形分隔符，之所以三个而不是四个，因为三个就可以标识一个矩形了
（2）校正图形
规格确定，校正图形的数量和位置也就确定了，Version 2以上（包括Version2）的二维码才需要这个。
（3）格式信息
表示该二维码的纠错级别，分为L、M、Q、H，存在于所有的尺寸中，用于存放一些格式化数据的。
（4）版本信息
即二维码的规格，QR码符号共有40种规格的矩阵（一般为黑白色），从21x21（版本1），到177x177（版本40），每一版本符号比前一版本 每边增加4个模块。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。
（5）数据和纠错码字
实际保存的二维码信息，和纠错码字（用于修正二维码损坏带来的错误）。
二维码的原理：
1、二维码的编码过程：
二维码内容：123456
（1）添加位置探测图形
首先，先把位置探测图形图案画在三个角上。（无论Version如何，这个图案的尺寸就是这么大7*7）
（2）绘制校正图形（ 5*5）
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）
（3）绘制定位图形
接下来是定位图形的线。
再接下来是格式信息，下图中的蓝色部分。
格式信息是一个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，会永远出现）
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。
（4）错误级别：
（5）添加版本信息
（版本7以后需要这个编码），下图中的蓝色部分。
版本信息 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
而其填充位置如下图：
（6）绘制数据和数据纠错码
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。
（7）转换为掩码图案
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,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，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）
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。
2、二维码的解码过程：
将上述编码过程反过来就是解码过程：
- 拿到版本信息、格式信息，反向异或一次就可以得到原始信息
- 原始信息里包含掩码图案信息，将二维码和源码图案再做一次异或，就能得到原始二维码图案
- 去掉位置探测区域、校正区域等等所有功能图形，留下的部分就是源数据编码+纠错码+若干用于补齐的0
- 根据版本+纠错级别，可以知道源数据编码和纠错码分别有多长，以及交替顺序是怎样的
- 源数据编码的前 4 位表示编码模式，紧接着的 9 位表示原始字符串长度，根据版本+纠错级别也能知道随后的哪些表示源字符串的编码部分
- 根据编码模式解码得到源字符串
写在最后
参考文档:
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