二维码编码规范解读

1 QR码符号的结构

QR 码符号的结构如下:
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1.1 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。

1.2 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。

1.3 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。

2 定位符

问题:为什么定位符是如下形式?
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寻象图形包括三个相同的位置探测图形,分别位于符号的左上角、右上角和左下角,如图 2 所示。每个位置探测图形可以看作是由 3 个重叠的同心的正方形组成,它们分别为 7×77 \times 77×7 个深色模块、5×55 \times 55×5 个浅模块和 3×33 \times 33×3 个深色模块。如图 9 所示,位置探测图形的模块宽度比为 1:1:3:1:1。符号中其他地方遇到类似图形的可能性极小,因此可以在视场中迅速地识别可能的 QR 码符号。识别组成寻象图形的三个位置探测图形,可以明确地确定视场中符号的位置和方向。
定位符有三种:

  • Position Detection Pattern(位置探测图形)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 Position 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(定位图形)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(矫正图形) 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。

3 QR版本

问题:QR 码规格是固定的吗?
QR 码符号共有 40 种规格,分别为版本 1、版本 2……版本 40。版本 1 的规格为 21 模块×21 模块,版本 2 为 25 模块×25 模块,以此类推,每一版本符号比前一版本每边增加 4 个模块,直到版本 40,规格为 177 模块×177 模块。图 3至 8 为版本 1,2,6,7,14,21 和 40 的符号结构。
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4 QR码重要信息部分

问题:QR 码哪些部分是重要的,哪些部分不重要,可以损失?

5 数据编码

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)

5.1 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(表3说明了这点)
例子
在Version 1的尺寸下,纠错级别为H的情况下,编码: 01234567

  1. 把上述数字分成三组: 012 345 67
  2. 把他们转成二进制: 012 转成0000001100345 转成 010101100167 转成 1000011
  3. 把这三个二进制串起来: 0000001100 0101011001 1000011
  4. 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 0000001000
  5. 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

5.2 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。如表5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(如表3)

例子
在Version 1的尺寸下,纠错级别为H的情况下,编码: AC-42

  1. 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) 1045+12 等于 462 转成 00111001110
    (41,4) 41
    45+4 等于 1849 转成 11100111001
    (2) 等于 2 转成 000010
  4. 把这些二进制连接起来:00111001110 11100111001 000010
  5. 把字符的个数转成二进制 (Version 1-H为9 bits ): 5个字符,5转成 000000101
  6. 在头上加上编码标识 0010 和第5步的个数编码: 0010 000000101 00111001110 11100111001 000010

5.3 kanji编码

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:

5.4 Byte mode字节编码

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。

5.5 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。

5.6 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。

5.7 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。

5.8 结束符和补齐符

假如我们有个HELLO WORLD的字符串要编码,根据5.2节字符编码的例子,我们可以得到下面的编码:

编码字符数HELLO WORLD的编码
001000000101101100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101

5.8.1 结束符

我们还要加上结束符

编码字符数HELLO WORLD的编码结束符
001000000101101100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 0011010000

5.8.2 按8bits重排

如果所有的编码加起来不是8个倍数我们还要在后面加上足够的0,比如上面一共有78个bits,所以,我们还要加上2个0,然后按8个bits分好组:

00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 01000000

5.8.3 补齐码(Padding Bytes)

最后,如果如果还没有达到我们最大的bits数的限制,我们还要加一些补齐码(Padding Bytes),Padding Bytes就是重复下面的两个bytes:11101100 00010001 (这两个二进制转成十进制是236和17,我也不知道为什么,只知道Spec上是这么写的)关于每一个Version的每一种纠错级别的最大Bits限制,可以参看QR Code Spec的第28页到32页的Table-7一表。

假设我们需要编码的是Version 1的Q纠错级,那么其最大需要104个bits,而我们上面只有80个bits,所以,还需要补24个bits,也就是需要3个Padding Bytes,我们就添加三个,于是得到下面的编码:

00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101 01000011 01000000 11101100 00010001 11101100
上面的编码就是数据码了,叫Data Codewords,每一个8bits叫一个codeword,我们还要对这些数据码加上纠错信息。

6 纠错机制及纠错码

问题:纠错码的位置及纠错原理?
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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

那么,QR是怎么对数据码加上纠错码的?首先,我们需要对数据码进行分组,也就是分成不同的Block,然后对各个Block进行纠错编码,对于如何分组,我们可以查看QR Code Spec的第33页到44页的Table-13到Table-22的定义表。注意最后两列:

  • Number of Error Code Correction Blocks :需要分多少个块。
  • 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

下表给一个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)

数据对每个块的纠错码
1167 85 70 134 87 38 85 194 119 50 6 18 6 103 38213 199 11 45 115 247 241 223 229 248 154 117 154 111 86 161 111 39
2246 246 66 7 118 134 242 7 38 86 22 198 199 146 687 204 96 60 202 182 124 157 200 134 27 129 209 17 163 163 120 133
21182 230 247 119 50 7 118 134 87 38 82 6 134 151 50 7148 116 177 212 76 133 75 242 238 76 195 230 189 10 108 240 192 141
270 247 118 86 194 6 151 50 16 236 17 236 17 236 17 236235 159 5 173 24 147 59 33 106 40 255 172 82 2 131 32 178 236

注:二维码的纠错码主要是通过Reed-Solomon error correction(里德-所罗门纠错算法)来实现的。

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7 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167857013487388519411950618610338
块224624666711813424273886221981991466
块31822302471195071181348738826134151507
块4702471188619461515016236172361723617236

我们先取第一列的:67, 246, 182, 70

然后再取第二列的:67, 246, 182, 70, 85,246,230 ,247

如此类推:67, 246, 182, 70, 85,246,230 ,247 ……… ……… ,38,6,50,17,7,236

对于纠错码,也是一样:

块 121319911451152472412232292481541171541118616111139
块 28720496602021821241572001342712920917163163120133
块 314811617721276133752422387619523018910108240192141
块 423515951732414759331064025517282213132178236

和数据码取的一样,得到:213,87,148,235,199,204,116,159,…… …… 39,133,141,236

然后,再把这两组放在一起(纠错码放在数据码之后)得到:

67, 246, 182, 70, 85, 246, 230, 247, 70, 66, 247, 118, 134, 7, 119, 86, 87, 118, 50, 194, 38, 134, 7, 6, 85, 242, 118, 151, 194, 7, 134, 50, 119, 38, 87, 16, 50, 86, 38, 236, 6, 22, 82, 17, 18, 198, 6, 236, 6, 199, 134, 17, 103, 146, 151, 236, 38, 6, 50, 17, 7, 236, 213, 87, 148, 235, 199, 204, 116, 159, 11, 96, 177, 5, 45, 60, 212, 173, 115, 202, 76, 24, 247, 182, 133, 147, 241, 124, 75, 59, 223, 157, 242, 33, 229, 200, 238, 106, 248, 134, 76, 40, 154, 27, 195, 255, 117, 129, 230, 172, 154, 209, 189, 82, 111, 17, 10, 2, 86, 163, 108, 131, 161, 163, 240, 32, 111, 120, 192, 178, 39, 133, 141, 236

这就是我们的数据区。

Remainder Bits

最后再加上Reminder Bits,对于某些Version的QR,上面的还不够长度,还要加上Remainder Bits,比如:上述的5Q版的二维码,还要加上7个bits,Remainder Bits加零就好了。关于哪些Version需要多少个Remainder bit,可以参看QR Code Spec的第15页的Table-1的定义表。

8 画二维码图

8.1 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)
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8.2 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)
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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)
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下图是根据上述表格中的Version8的一个例子(6,24,42)
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8.3 Timing Pattern

接下来是Timing Pattern的线(这个不用多说了)
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8.4 Format Information

再接下来是Formation Information,下图中的蓝色部分。
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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)
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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:
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关于Error Correction Level如下表所示:
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关于Mask图案如后面的Table 23所示。

8.5 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。
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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:
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而其填充位置如下:
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8.6 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。
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8.7 掩模图形

问题:为什么需要掩模?
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9 接下来的工作

https://blog.csdn.net/search_129_hr/article/details/120841195

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