二维码原理、制作和识别

参考：

二维码（QR code）基本结构及生成原理（附标准下载）
二维码到底是怎么被识别的？黑白小方块又是怎么储存数据的？

一、矩阵式二维条码QR

矩阵式二维条码（又称棋盘式二维条码）
QR码的设计理念之一就是尽可能地容错和自适应
它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码，扫二维码时将色块转为0和1
在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”.

二、QR码的特点

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。
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）。

2.在小空间内打印

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。

3.纠错

纠错功能
- 即使部分编码变脏或破损，也可以恢复数据
数据恢复以码字为单位（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），最多可以纠错约30%
QR码的纠错功能原理
- 是通过将RS编码附加到原数据中的方式实现的，
- 由于RS编码的存在，即使在QR码中出现一定数量的像素损坏或丢失，也能够通过纠错机制来保证数据的完整性和准确性。
- 因此，在不同的纠错等级下，QR码所能存储的真实数据容量并没有太大差异
- RS编码提供了一定的冗余，增强了QR码的容错性
等级选择
- 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。

纠错等级	纠错水平
L	7%
M	15%
Q	25%
H	30%

三、码元结构

码元结构”是指二维码中的码元数，越大存储信息越多。
最小21X21，最大177*177，每隔一个横纵加4，共40个版本

四、QR码的编码过程

1.数据分析

确定QR码的字符类型、纠错等级以及数据内容，需要将数据转换为符号字符，并根据所选纠错等级计算出相应的冗余信息。

2.数据编码

将符号字符序列转化为二进制位流，并组织成若干个数据码字。
每个数据码字中包含固定数量的比特位和一个检验码字（纠错码）。
将所有的数据码字和纠错码字组合在一起，就构成了最终的QR码。

具体来说，数据编码过程可以分为以下几个步骤：

确定所需数据容量和纠错等级，根据所选纠错等级计算出纠错码字数目和位置。
将原始数据按照所选字符集进行编码，得到符号字符序列。
根据所选字符类型和编码规则，将符号字符序列转化为二进制位流。
将位流分割成若干个数据码字，每个数据码字包含一定数量的比特位和一个检验码字。检验码字通过纠错编码算法生成。
将所有的数据码字和纠错码字组合在一起，形成QR码的编码序列。

格式	容量
数字	最多7089字符
字母	最多4296字符
二进制(8bit)	最多2953字节
中文汉字	最多984字符(UTF-8)
…	…

五、扫码

扫二维码时按读取顺序(已经支持多种角度)将色块转为0和1。

1.定位

下方的三个大框、一个小框和两个横条用于定位

2.了解基本信息

红色区域：二维码的版本信息、数据编码信息等

3.存储区域

下方绿色区域，包含纠错和实际数据

黄色是纠错区域，随着纠错等级增加，可存储区域减小
- 在不同的纠错等级下，QR码所能存储的真实数据容量并没有太大差异
存储数据较多时，可以选择较低的纠错等级

4.掩码

可以看到：
- 二维码并没有出现大面积的黑和白，黑和白的分配较为均匀
- 为了方便扫描，对二维码进行了掩码操作
- 一般会在下面的款式选择一个对二维码处理使其均匀

六、制作与识别

1.制作

import qrcode# 创建 QRCode 对象，并指定需要生成二维码的内容
qr = qrcode.QRCode(version=1,box_size=10,border=5,error_correction=qrcode.constants.ERROR_CORRECT_Q,  # 设置错误纠正等级为 Q
)qr.add_data("https://www.baidu.com")  # 内容
qr.make(fit=True)  # 生成可以使用 make_image() 方法创建图像的 QR 码图案# 生成图片，并保存到本地文件
img = qr.make_image(fill_color="black", back_color="#F5DEB3")  # 设置填充色为黑色，背景颜色为 "#F5DEB3"（淡褐色）
img.save("1.png")

2.识别

import cv2  # 导入 OpenCV 库，用于处理图像
from pyzbar.pyzbar import decode  # 导入 pyzbar 库，用于识别二维码# 使用 OpenCV 库读取图像文件
img = cv2.imread("1.png")# 使用 pyzbar 库对图像中的二维码进行解码
decoded_objs = decode(img)# 遍历解码后的对象列表，并打印出二维码包含的数据信息
for obj in decoded_objs:print(f"Data[{obj.data.decode('utf-8')}]")

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二维码原理、制作和识别

一、矩阵式二维条码QR

二、QR码的特点

1.存储大容量信息

2.在小空间内打印

3.纠错

三、码元结构

四、QR码的编码过程

1.数据分析

2.数据编码

五、扫码

1.定位

2.了解基本信息

3.存储区域

4.掩码

六、制作与识别

1.制作

2.识别

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