KING_C#学习之QRCode二维码(一)——基础知识扫盲
在移动互联网快速发展下,二维码的应用非常广泛,且前景甚好。现在的登陆、分享等功能都可以利用二维码快速便捷地把信息传送出去,我个人是比较喜欢用这个技术,所以凭着兴趣以及二维码的强大,对二维码的相关知识做了一些整理。
一、二维码
1.定义:
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)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。它是指在一维条码的基础上扩展出另一维具有可读性的条码,使用黑白矩形图案表示二进制数据,被设备扫描后可获取其中所包含的信息。一维条码的宽度记载着数据,而其长度没有记载数据。二维条码的长度、宽度均记载着数据。二维条码有一维条码没有的“定位点”和“容错机制”。容错机制在即使没有辨识到全部的条码、或是说条码有污损时,也可以正确地还原条码上的信息。
2.类别:
二维条码的种类很多,不同的机构开发出的二维条码具有不同的结构以及编写、读取方法。常见的二维码有:
- PDF417码
- QR码
- 汉信码
- 颜色条码
- quick mark code
- data matrix
二维码
内容为 http://zh.wikpedia.org
横向纵向都含有信息
3、定位标记:
二维条码通常有特定的定位标记(如QR码为三个大的定位点),通过定位标记使读码机正确辨识进行解读,所以二维条码不管是从何种方向读取都可以被辨识。
4、特性:
二维条码比一维条码记载数据量更多。而且可以记载更复杂的数据,比如图片链接、网络链接等。
二、QR码:
QR码(全称为快速响应矩阵码;英语:Quick Response Code)是二维条码的一种,于1994年由日本DENSO WAVE公司发明。QR来自英文Quick Response的缩写,即快速反应,因为发明者希望QR码可以让其内容快速被解码。QR码使用四种标准化编码模式(数字,字母数字,字节(二进制)和汉字)来存储数据。QR码最常见于日本,为目前日本最流行的二维空间条码。QR码比较普通条码可以存储更多数据,也无需要像普通条码般在扫描时需要直线对准扫描仪。因此其应用范围已经扩展到包括产品跟踪,物品识别,文档管理,营销等方面。
1、简介
QR码呈正方形,常见的是黑白两色。在3个角落,印有较小,像“回”字的正方图案。这3个是帮助解码软件定位的图案,用户不需要对准,无论以任何角度扫描,数据仍然可以正确被读取。
日本QR码的标准JIS X 0510在1999年1月发布,而其对应的ISO国际标准ISO/IEC18004,则在2000年6月获得批准。根据Denso Wave公司的网站数据,QR码是属于开放式的标准,QR码的规格公开,虽由Denso Wave公司持有的专利权益,但不会被运行。
除了标准的QR码之外,也存在一种称为“微型QR码”的格式,是QR码标准的缩小版本,主要是为了无法处理较大型扫描的应用而设计。微型QR码同样有多种标准,最高可存储35个字元。
2、技术特性
结构
如上图时一个qrcode的基本结构,其中:
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;
校正图形:
规格确定,校正图形的数量和位置也就确定了;
格式信息:
表示改二维码的纠错级别,分为L、M、Q、H;
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。
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。
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)。
存储
Qr码一共提供40种不同版本存储密度的结构,对应指示图的“版本信息”,版本1为21*21像素,每升一个版本长宽各增加4像素,最大的版本40为177*177像素。
QR码最大数据容量(对于版本40) | |
---|---|
数字 | 最多7,089字元 |
字母 | 最多4,296字元 |
二进制数(8 bit) | 最多2,953 字节 |
日文汉字/片假名 | 最多1,817字元(采用Shift JIS) |
中文汉字 | 最多984字元(采用UTF-8) |
最多1,800字元(采用BIG5/GB2312)提供40种不同版本存储密度的结构,对应指示图的“版本信息”,版本1为21×21像素,每机一级长宽各增加4像素,最大的版本40为177×177像素。 |
对于不同版本的二维码,容量也是不同的。理论上内容经过压缩处理后可以存7089个数字,4296 个字母和数字混合字符,2953个8位字节数据,1817个汉字;在上面我们看到,不同的Version的QR Code是不同的矩阵,Version版本越过,也就意味着容量越大。关于容量的计算我没有找到比较权威的算法,这里以第一版的来进行计算,第一版(21×21)的格式如下:
其中的只有黄色的是存储数据的内容,在第一版本中只有217(21×21 - 8*9*3 -8)个存储数据的数空间,而其中有用的数据是 217 - 1个数据结尾标志 = 216 ,在216bit
216bit/8 = 27Byte 在版本一的QR码中只能够存储27Byte的数据(要是有校验容错就更少了),当然在不同的容错级别下,容量也是有变化的。
所以,version为1的QR Code大概也就能容下十几个字符。
容错能力
QR码有容错能力,QR码图形如果有破损,仍然可以被机器读取内容,最高可以到7%~30%面积破损仍可被读取。所以QR码可以被广泛使用在运输外箱上。
相对而言,容错率愈高,QR码图形面积愈大。所以一般折衷使用15%容错能力。
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 |
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。
3、编码过程
简要的编码过程:
1. 数据分析:确定编码的字符类型,按相应的字符集转换成符号字符; 选择纠错等级,在规格一定的条件下,纠错等级越高其真实数据的容量越小。
2. 数据编码:将数据字符转换为位流,每8位一个码字,整体构成一个数据的码字序列。其实知道这个数据码字序列就知道了二维码的数据内容。
数据可以按照一种模式进行编码,以便进行更高效的解码,例如:对数据:01234567编码(版本1-H),
1)分组:012 345 67
2)转成二进制:012→0000001100
345→0101011001
67 →1000011
3)转成序列:0000001100 0101011001 1000011
4)字符数 转成二进制:8→0000001000
5)加入模式指示符(上图数字)0001:0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011
对于字母、中文、日文等只是分组的方式、模式等内容有所区别。基本方法是一致的
3. 纠错编码:
按需要将上面的码字序列分块,并根据纠错等级和分块的码字,产生纠错码字,并把纠错码字加入到数据码字序列后面,成为一个新的序列。
在二维码规格和纠错等级确定的情况下,其实它所能容纳的码字总数和纠错码字数也就确定了,比如:版本10,纠错等级时H时,总共能容纳346个码字,其中224个纠错码字。
就是说二维码区域中大约1/3的码字时冗余的。对于这224个纠错码字,它能够纠正112个替代错误(如黑白颠倒)或者224个据读错误(无法读到或者无法译码),
这样纠错容量为:112/346=32.4%
4. 构造最终数据信息:
在规格确定的条件下,将上面产生的序列按次序放如分块中
按规定把数据分块,然后对每一块进行计算,得出相应的纠错码字区块,把纠错码字区块 按顺序构成一个序列,添加到原先的数据码字序列后面。
如:D1, D12, D23, D35, D2, D13, D24, D36, ... D11, D22, D33, D45, D34, D46, E1, E23,E45, E67, E2, E24, E46, E68,...
5.构造矩阵:
将探测图形、分隔符、定位图形、校正图形和码字模块放入矩阵中。
把上面的完整序列填充到相应规格的二维码矩阵的区域中
6. 掩摸:将掩摸图形用于符号的编码区域,使得二维码图形中的深色和浅色(黑色和白色)区域能够比率最优的分布。
一个算法,不研究了,有兴趣的同学可以继续。
7. 格式和版本信息:生成格式和版本信息放入相应区域内。
版本7-40都包含了版本信息,没有版本信息的全为0。二维码上两个位置包含了版本信息,它们是冗余的。
版本信息共18位,6X3的矩阵,其中6位时数据为,如版本号8,数据位的信息时 001000,后面的12位是纠错位。
参考:
二维码的生成细节和原理
QR码生成原理(一)
二維條碼
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- QRCode二维码相关资料
QRCode二维码相关资料 链接:https://pan.baidu.com/s/1GBphCLeiz4u4cv-668d-FA 提取码:gcep
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