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QR碼生成原理-QR Code（ISO 18004）編碼方式 一、什么是QR碼 QR碼屬于矩陣式二維碼中的一個(gè)種類，由DENSO(日本電裝)公司開發(fā)，由JIS和ISO將其標(biāo)準(zhǔn)化。QR碼的樣子其實(shí)在很多場合已經(jīng)能夠被看到了
2. 校正圖形：根據(jù)尺寸的不同，矯正圖形的個(gè)數(shù)也不同。矯正圖形主要用于QR碼形狀的矯正，尤其是當(dāng)QR碼印刷在不平坦的面上，或者拍照時(shí)候發(fā)生畸變等。 3. 定位圖形：這些小的黑白相間的格子就好像坐標(biāo)軸，在二維碼上定義了網(wǎng)格。 4. 格式信息：表示該二維碼的糾錯(cuò)級別，分為L、M、Q、H； 5. 數(shù)據(jù)區(qū)域：使用黑白的二進(jìn)制網(wǎng)格編碼內(nèi)容。8個(gè)格子可以編碼一個(gè)字節(jié)。 6. 版本信息：即二維碼的規(guī)格，QR碼符號(hào)共有40種規(guī)格的矩陣（一般為黑白色），從21x21（版本1），到177x177（版本40），每一版本符號(hào)比前一版本 每邊增加4個(gè)模塊。 7. 糾錯(cuò)碼字：用于修正二維碼損壞帶來的錯(cuò)誤。 2.2 QR二維碼的識(shí)別原理 2.2.1定位 手機(jī)拍攝QR 碼圖像時(shí)，可能會(huì)同時(shí)采集到條碼周圍其他的圖像。這些干擾圖像會(huì)增加圖像處理的復(fù)雜度，因此，可以把這些沒必要的干擾圖像通過裁切的方式去除。校正后，直接對正方形A'B'C'D'外的區(qū)域裁切，就可以去除其余背景。 QR 碼符號(hào)中有3 個(gè)位置探測圖形，分別位于符號(hào)圖像4 個(gè)角中的3 個(gè)角，每個(gè) 4 位置探測圖像都是由固定深淺顏色的模塊組成。模塊深淺顏色順序?yàn)樯钌獪\色—深色—淺色—深色，各元素寬度的比例為1∶ 1∶ 3∶ 1∶ 1（如下圖所示）。
即使圖像有旋轉(zhuǎn)，位置探測圖像的模塊顏色順序和寬度比例也不變。對二值化后的圖像按行、列分別逐點(diǎn)掃描，把同一灰度級的相鄰像素記錄為線段。如果有5 段線段的長度比例符合1∶ 1∶ 3 ∶ 1 ∶ 1，且深淺顏色順序?yàn)樯睢獪\—深—淺—深，則記錄該線段。掃描完后，把行相鄰的線段分為1 組，去除與所有線段都不相鄰的行線段( 可能是隨機(jī)的干擾線段) 。同樣處理列線段，把行線段組和列線段組中相互交叉的組分類，求出交叉的行、列線段組的中心點(diǎn)，即為位置探測圖形的中心。 2.2.2 預(yù)處理 基本原理：QR 碼作為手機(jī)二維碼，其應(yīng)用模式如下圖所示。手機(jī)等智能設(shè)備通過攝像頭采集帶有條碼符號(hào)的圖像，對圖像進(jìn)行灰度化、二值化、旋轉(zhuǎn)校正等預(yù)處理，進(jìn)行條碼檢測。如果檢測到非QR 碼，則重新采集; 如果是QR 碼，則進(jìn)行圖像信息的取樣。用Reed － Solomon 碼的譯碼算法對取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量。如果錯(cuò)誤數(shù)量超出糾錯(cuò)容量，則糾錯(cuò)譯碼失敗，重新采集圖像; 如果可以正確進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼，則把糾錯(cuò)后的信息進(jìn)行各種數(shù)據(jù)模式下的譯碼，恢復(fù)出編碼信息，繼而根據(jù)應(yīng)用模式進(jìn)行信息輸出、發(fā)送短信或網(wǎng)址跳轉(zhuǎn)等后續(xù)處理。 二、QR碼的特點(diǎn) 說到QR碼的特點(diǎn)： 一）是高速讀取(QR就是取自“Quick Response”的首字母)，對讀取速度的體驗(yàn)源自于我手機(jī)上的一個(gè)軟件，象上面貼出的碼圖，通過攝像頭從拍攝到解碼到顯示內(nèi)容也就三秒左右，對攝像的角度也沒有什么要求； 二）是高容量、高密度；理論上內(nèi)容經(jīng)過壓縮處理后可以存7089個(gè)數(shù)字，4296 個(gè)字母和數(shù)字混合字符，2953個(gè)8位字節(jié)數(shù)據(jù)，1817個(gè)漢字； 三）是支持糾錯(cuò)處理；糾錯(cuò)處理相對復(fù)雜，目前我還沒有深入了解，按照QR碼的標(biāo)準(zhǔn)文檔說明，QR碼的糾錯(cuò)分為4個(gè)級別，分別是： level L : 最大 7% 的錯(cuò)誤能夠被糾正； level M : 最大 15% 的錯(cuò)誤能夠被糾正； level Q : 最大 25% 的錯(cuò)誤能夠被糾正； level H : 最大 30% 的錯(cuò)誤能夠被糾正； 四）是結(jié)構(gòu)化；看似無規(guī)則的圖形，其實(shí)對區(qū)域有嚴(yán)格的定義，下圖就是一個(gè)模式2、版本1的QR圖結(jié)構(gòu)(關(guān)于QR碼的"模式"、"版本"將在后面進(jìn)行介紹)：
在上圖21*21的矩陣中，黑白的區(qū)域在QR碼規(guī)范中被指定為固定的位置，稱為尋像圖形（finder pattern） 和 定位圖形(timing pattern)。尋像圖形和定位圖形用來幫助解碼程序確定圖形中具體符號(hào)的坐標(biāo)。 黃色的區(qū)域用來保存被編碼的數(shù)據(jù)內(nèi)容以及糾錯(cuò)信息碼。 藍(lán)色的區(qū)域，用來標(biāo)識(shí)糾錯(cuò)的級別（也就是Level L到Level H)和所謂的"Mask pattern",這個(gè)區(qū)域被稱為“格式化信息”（format information）。 五）是擴(kuò)展能力。QR碼的Structure Append特點(diǎn)，使一個(gè)QR碼可以分解成多個(gè)QR碼，反之，也可以將多個(gè)QR碼的數(shù)據(jù)組合到一個(gè)QR碼中來： 版本 (error correcting level) (count of data code words) count of EC code words (numeric) (alphanumeric) 8bit 1 L 19 7 41 25 17 M 16 10 34 20 14 Q 13 13 27 16 11 H 9 17 17 10 7 2 L 34 10 77 47 32 M 28 16 63 38 26 Q 22 22 48 29 20 H 16 28 34 20 14 3 L 55 15 127 77 53 M 44 26 101 61 42 Q 34 36 77 47 32 H 26 44 58 35 24 4 L 80 20 187 114 78 M 64 36 149 90 62 Q 48 52 111 67 46 H 36 64 82 50 34 5 L 108 26 255 154 106 M 86 48 202 122 84 Q 62 72 144 87 60 H 46 88 106 64 44 6 L 136 36 322 195 134 M 108 64 255 154 106 Q 76 96 175 108 74 H 60 112 139 84 58 7 L 156 40 370 224 154 M 124 72 293 178 122 Q 88 108 207 125 86 H 66 130 154 93 64 8 L 194 48 461 279 192 M 154 88 365 221 152 Q 110 132 259 157 108 H 86 156 202 122 84 9 L 232 60 552 335 230 M 182 110 432 262 180 Q 132 160 312 189 130 H 100 192 235 143 98 如果要了解更詳細(xì)的QR碼容量信息，可以到電裝的網(wǎng)站去看看： http://www./qrcode/vertable1-e.html。 下面，就舉例說明將“ABCDE123”轉(zhuǎn)換成為版本1、Level H的QR碼轉(zhuǎn)換方法。 二、模式標(biāo)識(shí)符(Mode Indicator) QR碼的模式（Mode)就是前文提到的數(shù)字、字符、8bit 字節(jié)碼、多字節(jié)碼等。對于不同的模式，都有對應(yīng)的模式標(biāo)識(shí)符（Mode Indicator)來幫助解碼程序進(jìn)行匹配,模式標(biāo)識(shí)符是4bit的二進(jìn)制數(shù)： 1、數(shù)字模式（numeric mode ）: 0001 2、混合字符模式（alphanumeric mode） : 0010 3、8bit byte mode: 0100 4、日本漢字（KANJI mode） : 1000 5、中國漢字(GB2312):1101 由于示例文本串是混合字符，因此將選擇alphanumeric mode，其標(biāo)識(shí)碼為：0010 三、文本串計(jì)數(shù)標(biāo)識(shí)符（Character count indicator) 文本串計(jì)數(shù)標(biāo)識(shí)符用來存儲(chǔ)源內(nèi)容字符串的長度，在版本1-9的QR碼中，文本串長度標(biāo)識(shí)符自身的長度被定義為： 數(shù)字 : 10bit 混合字符 : 9bit 8bit 字節(jié)碼 : 8bit 多字節(jié)碼 : 8bit 在本例中，源文本串的長度為8個(gè)字符，混合字符的長度為9bit，因此將字符個(gè)數(shù)8編碼為9位二進(jìn)制表示：000001000 加上混合字符模式標(biāo)識(shí)碼，總的編碼為0010 000001000 四、數(shù)據(jù)內(nèi)容編碼 在數(shù)字模式下，數(shù)據(jù)被限制為3個(gè)數(shù)字一段，分成若干段。如："123456" 將分成"123" 和 "456"，分別被編碼成10bit的二進(jìn)制數(shù)?！?23”的10bit二進(jìn)制表示法為：0001111011，實(shí)際上就是二進(jìn)制的123。 當(dāng)數(shù)據(jù)的長度不足3個(gè)數(shù)字時(shí)，如果只有1個(gè)數(shù)字則用4bit，如果有2個(gè)數(shù)字就用7個(gè)bit來表示。 2、混合字符模式下的編碼 混合字符模式編碼，其字符對照表如下：
編碼方式為： 源碼被分成兩個(gè)字符一段，如下所示，每段的第一個(gè)字符乘上45，再用第二個(gè)數(shù)字相加。因此每段變成了11bit的2進(jìn)制碼，如果字符個(gè)數(shù)只有1個(gè)，則用6bit表示。 示例：
3、8bit字節(jié)數(shù)據(jù)不經(jīng)編碼轉(zhuǎn)換直接保存。 五、編碼終止符(Terminator) 如果編碼后的字符長度不足當(dāng)前版本和糾錯(cuò)級別所存儲(chǔ)的容量，則在后續(xù)補(bǔ)"0000",如果容量已滿則無需添加終止符。此時(shí)得到的編碼串為： 0010 000001000 00111001101 01000101001 01001110111 00001011101 0000 六、編成8bit碼字(Code words) 將以上的編碼再按8bit一組，形成碼字(code words): 如果尾部數(shù)據(jù)不足8bit,則在尾部充0: 00100000 01000001 11001101 01000101 00101001 11011100 00101110 10000000 如果編碼后的數(shù)據(jù)不足版本及糾錯(cuò)級別的最大容量，則在尾部補(bǔ)充 "11101100" 和"00010001",直到全部填滿。最后，版本1、Level H下的"ABCDE123" 的QR碼是： 00100000 01000001 11001101 01000101 00101001 11011100 00101110 10000000 11101100 十進(jìn)制表示法為： 32 65 205 69 41 220 46 128 236 QR碼編碼原理（日本漢字和中文編碼） 一、日本漢字(KANJI)是兩個(gè)字節(jié)表示的字符碼，編碼的方式是將其轉(zhuǎn)換為13字節(jié)的二進(jìn)制碼制。 轉(zhuǎn)換步驟為： 1、對于JIS值為8140(hex) 到9FFC(hex)之間字符： a)將待轉(zhuǎn)換的JIS值減去8140(hex)； b)將高位字節(jié)乘以C0(hex); c）將b)步驟生成的數(shù)據(jù)加上低位字節(jié); d)將結(jié)果轉(zhuǎn)換為13位二進(jìn)制串。 2、對于JIS值為E040(hex)到EBBF(hex)之間的字符： a)將待轉(zhuǎn)換的JIS值減去C140(hex); b)將高位字節(jié)乘以C0(hex); c)將b)步驟生成的數(shù)據(jù)加上低位字節(jié); d)將結(jié)果轉(zhuǎn)換為13位二進(jìn)制串。 二、中文漢字的與日文漢字轉(zhuǎn)換步驟相似： 1、對于第一字節(jié)為0xA1~0xAA之間,第二字節(jié)在0xA1~0xFE之間字符： a)第一字節(jié)減去0xA1； b)上一步結(jié)果乘以0x60; c）第二字節(jié)減去0xA1; d)將b)步驟的結(jié)果加上c步驟的結(jié)果; e)將結(jié)果轉(zhuǎn)換為13位二進(jìn)制串。 1、對于第一字節(jié)為0xB0~0xFA之間,第二字節(jié)在0xA1~0xFE之間字符： a)第一字節(jié)減去0xA6； b)上一步結(jié)果乘以0x60; c）第二字節(jié)減去0xA1; d)將b)步驟的結(jié)果加上c步驟的結(jié)果; e)將結(jié)果轉(zhuǎn)換為13位二進(jìn)制串。
掩模 眾所周知，為了增加QR碼閱讀的可靠性，最好均衡地安排深色與淺色模塊。應(yīng)盡可能避免類似“位置探測圖形”的位圖1011101出現(xiàn)在符號(hào)的其他區(qū)域。 為了滿足上述條件，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行掩模： 1)掩模不用于功能圖形；2)用多個(gè)矩陣圖形連續(xù)地對已知的編碼區(qū)域的模塊圖形（格式信息和版本信息除外）進(jìn)行XOR操作。XOR操作將模塊圖形依次放在每個(gè)掩模圖形上，并將對應(yīng)于掩模圖形的深色模塊的模塊取反（淺色變成深色，或相反）； 3)對每個(gè)結(jié)果圖形的不合要求的部分記分，以評估這些結(jié)果； 4)選擇得分最低的圖形。 下表給出了掩模圖形的參考（放置于格式信息中的二進(jìn)制參考）和掩模圖形生成的條件。掩模圖形是通過將編碼區(qū)域（不包括為格式信息和版本信息保留的部分）內(nèi)那些條件為真的模塊定義為深色而產(chǎn)生的。所示的條件中，i代表模塊的行位置，j代表模塊的列位置，(i,j)=(0,0)代表符號(hào)中左上角的位置。
圖1 掩模圖形參考及條件
圖2 QRCode的八種掩模方案
圖3 掩模結(jié)果（版本1符號(hào)的所有的掩模圖形，用掩模圖形參考000到111的掩模結(jié)果）。 下圖為掩模過程：
圖4 符號(hào)的掩模過程 罰點(diǎn)記分： 在依次用每一個(gè)掩模圖形進(jìn)行掩模操作之后，要通過對每一次如下情況的出現(xiàn)進(jìn)行罰點(diǎn)記分，以便對每一個(gè)結(jié)果進(jìn)行評估，分?jǐn)?shù)越高，其結(jié)果越不可用。在下表中，N1到N4為對不好的特征所罰分?jǐn)?shù)的權(quán)重（N1=3，N2=3，N3=40，N4=10），i為緊鄰的顏色相同模塊數(shù)大于5的次數(shù)，k為符號(hào)深色模塊所占比率離50%的差距，步長為5%。雖然掩模操作僅對編碼區(qū)域進(jìn)行，不包括格式信息，但評價(jià)是對整個(gè)符號(hào)進(jìn)行的。 最終，應(yīng)選擇掩模結(jié)果中罰分最低的掩模圖形用于符號(hào)掩模。
圖5 罰點(diǎn)記分表 |
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