QR code 二維碼基礎入門教程

時間  2021-07-13 標籤 qrcode 二維碼 教程

QR code 二維碼基礎入門教程

Introduction

History and Information

  • QR code 於 1994 年，由 日本公司 Denso-Wave 發明。其標準爲ISO/IEC 18004:2006
  • QR code 最小爲 21*21，最大爲177*177，其大小被稱爲「Version」
    • Version=1, 21*21
    • Version=2, 25*25
    • Version=3, 29*29
    • ……………
    • Version=40, 177*177
    • 計算公式：(V-1)*4+21。其中V爲版本號
  • QR code 有4種糾錯等級，可恢復的碼字比例爲
Error Correction Level Error Correction Capability
L 恢復7%的數據
M 恢復15%的數據
Q 恢復25%的數據
H 恢復30%的數據
  • 數據模式包括：數字模式，數字字母模式，8字節模式，日本漢字模式，擴充解釋模式(ECI),結構鏈接模式，FNC1模式 （實際上不同的標準支持的模式類型不同，我們不妨從簡單的開始，重點關注前4種模式）

General Overview of Creating a QR Code

  1. 數據分析。對需要編碼的數據進行分析，然後選擇最佳的模式
  2. 數據編碼。根據步驟1的模式，對數據進行編碼
  3. 糾錯編碼。生成糾錯碼
  4. 構造最終消息。填充數據碼和糾錯碼填入矩陣
  5. 在矩形中放置模塊。將尋像圖形、分隔符等一起放入矩陣
  6. 掩摸。用8中掩摸對編碼區域圖形做XOR，評價8種結果，選擇最優的一種
  7. 格式和版本信息。生成版本信息和格式信息
    接下來，我們對每個步驟進行說明

數據分析

  • 數據編碼將輸入數據編碼爲一串0/1比特流，選擇合適的數據模式，能夠這串流盡量的短
  • 各個模式可編碼的字符
    • 數字模式：數字0-9
    • 數字字母模式：數字0-9，所有大寫字母，符號 $ % * + - . / : 還有空格。具體請看數字字母模式譯碼錶
    • 8字節模式：默認情況下，可編碼 ISO-8859-1 所有字符
    • 日本漢字模式(Kanji，或者叫雙字節模式)：編碼Shift JIS。也可以編碼UTF-8，但是需要的字節可能更多。
    • 擴充解釋模式：可指定缺省字符集(這裏我們不討論這種模式)
    • 結構鏈接模式：可以將一個數據編碼爲多個QR code（最多16個，這裏我們不討論這種模式）
    • FNC1模式：允許QR code像GS1 code一樣（這裏我們不討論這種模式）
  • 如何選擇合適的模式
    • 輸入數據都是數字，選擇數字模式
    • 當數字模式不滿足且輸入數據都在數字字母模式譯碼錶時，選擇數字字母模式（注意：數字字母模式只能編碼大寫字母）
    • 輸入數據不在數字字母模式譯碼錶，但都在ISO-8859-1是，選擇8字節模式
  • 如何選擇合適的模式Plus，摘自QR Code二維碼–一種新型的矩陣符號 27頁

下列導則可以形成對給定的輸入數據決定最短位流的算法的基礎。在方括號中的字符數如[5,7,9]分別用於版本1~9，版本10~26和版本27~40.在導則中，術語「專有子集」是指一種模式的字符集中的一組字符，不能與另一種更有限的字符集共享，例如，8位字節字符集的專有子集由JIS
8的值 00 H E X ~ F F H E X 組成，但它不包括十六進制的值
20,24,25,2A,2B,2D~3D和41~5A；因爲它們是字符字符集的一組字符{A~Z,space,$,%,*,+,-,’, /,:}

P80719-102344_編輯_編輯.jpg-242.5kB

  • 混合多種模式（這裏不討論這種模式）
  • 選擇好了合適的模式，接下來是數據編碼

數據編碼

Step 1 選擇糾錯等級

Error Correction Level Error Correction Capability
L 恢復7%的數據
M 恢復15%的數據
Q 恢復25%的數據
H 恢復30%的數據
  • 糾錯等級越高，糾錯碼就越多，那麼可編碼的數據就變少，因此QR code的版本可能要更大

Step 2 確定數據的最小版本

  • QR code的數據容量由模式和糾錯等級決定，詳勘Character Capacities by Version, Mode, and Error Correction
  • 如何確定數據的最小版本：
    1. 確定模式和糾錯等級
    2. 根據輸入數據的字符個數，查表得到結果
    3. 舉個例子，輸入數據：HELLO WORLD，模式：數字字母模式，糾錯等級：Q，字符個數：11,查表得到版本1爲最小版本（版本1Q在數字字母模式最多可編碼16個字符）。同理，輸入數據改爲：HELLO THERE WORLD，查表得到版本2爲最小版本
  • 容量上限。版本40，糾錯等級L時，容量最大，可容納的字符數如下表
編碼模式 最大可編碼字符數(糾錯等級L，版本40)
數字模式 7089
字母數字模式 4296
8字節模式 2953
日本漢字模式 1817

Step 3 添加模式指示符

  • 比特流最前面是模式指示符，模式指示符是一個4比特的指示符，指示符如下
編碼模式 模式指示符
數字模式 0001
數字字母模式 0010
8字節模式 0100
日本漢字模式 1000
ECI模式 0111
  • 國標的指示符長這樣：image_1cio78g2fs0n1fe752og6121cq.png-45.7kB

Step 4 添加字符計數指示符

  • 將輸入數據的字符數 編碼爲一串指示符。不同版本字符數字指示符的長度不一樣。QQ圖片20180719105523.png-21.2kB
  • 舉個例子：HELLO WORLD，版本1，模式=字母數字模式，字符數=11，那麼字符計數指示符的長度爲9個比特。11的二進制：1011，不滿9位則左邊填充0，得到 000001011。結合上一步的模式指示符，當前編碼比特流爲：0010 0000001011

Step 5 利用模式對輸入數據編碼

  • 不同模式的編碼方式不同，通過具體例子我們來不同模式的熟悉編碼過程

數字模式編碼

  1. 將輸入數據分爲3位一組。8675309 -> {867, 530, 9}
  2. 將每組數據轉爲二進制，如果一組數據是3個，那麼轉換爲10位二進制，如果是2位，轉換爲7位，如果是1位，轉換爲4位
    • 867 -> 1101100011
    • 530 -> 1000010010
    • 9 -> 1001

字母數字模式編碼

  1. 將輸入數據分爲2個一組。HELLO WORLD -> {HE, LL, O , WO, RL, D}
  2. 通過查表 字母數字模式的編碼/譯碼錶，將數據轉爲對應的值。{{17,14}, {21,21}, {24,36},{32,24},{27,21},{13}}
  3. 每組的第一個數乘上45，然後加上第二個數。{17,14} -> 17*45+14=779。
  4. 將3得到的結果轉爲11位二進制。779 -> 01100001011
  5. 如果只有一個字符，，轉換爲6位二進制。{D} -> {13} -> 001101
  6. 重複3-5步，得到結果 01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101

8字節模式

  1. 默認字符集爲ISO 8859-1。如果輸入字符不在ISO 8859-1中，可轉換爲UTF-8。
  2. 通過查表，將輸入數據轉爲16進制。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. 將十六進制轉爲二進制
    • 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

日本漢字模式

  • 我們先略過

編碼結果

  • 根據上述編碼方式我們目前得到的結果：
模式指示符 字符計數指示符 編碼序列
0010 000001011 01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101

Step 6 填充空餘的比特位

  • 通過查表error correction table得到最大數據比特位數。例如，1-Q共有13個碼字，每個碼字有8位，因此最大數據比特位數：13*8=104
  • 添加終止符。終止符位4比特長度：0000。但是如果編碼序列爲102，只剩下2位，那麼只需要填充2位的0。添加了終止符後的編碼序列爲
模式指示符 字符計數指示符 編碼序列 終止符
0010 000001011 01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101 0000

  • 如果當前編碼序列的最後一個碼字不滿8位，那麼填充0至8位
    當前數據：00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 010000
    填充後的數據：00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 010000 00

  • 如果當前數據太短了，沒有填滿最大比特位數，那麼重複填充 11101100 00010001
    最終數據： 00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 010000 00 11101100 00010001 11101100

最後，用一張圖來總結以上過程
QR Code編碼流程圖.png-45kB

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