.net之qrcode二维码（一）——基础知识

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1.二维码定义：

　　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

一维码　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　二维码

　　一维条码——Code 128　　　　　　　　　　　　　　较为常见的二维条码——QR码

 　  仅有横向信息　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　横行纵向都包含信息

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。

5.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）技术特征

　　　　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）。

　　（3）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。

　　　　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。

　　（4）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。

 　　（5）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。

6.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

.net之qrcode二维码（一）——基础知识

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