二维码 QR码编码原理详解

QR(Quick-Response) code是被广泛使用的一种二维码，解码速度快。

它可以存储多用类型

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。

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)。

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。

至此，二维码的编码流程基本完成了，下面就来实践一下吧，当然不用自己再去编写上面的算法了，使用三方包zxing 就可以了。

编码：
   public static void encode(String content, String format, String filePath) {
try {
Hashtable hints = new Hashtable();//设置编码类型
hints.put(EncodeHintType.CHARACTER_SET, DEFAULT_ENCODING);
//编码
                           BitMatrix bitMatrix = new QRCodeWriter().encode(content,
BarcodeFormat.QR_CODE, DEFAULT_IMAGE_WIDTH,
DEFAULT_IMAGE_HEIGHT,hints);
//输出到文件，也可以输出到流
File file = new File(filePath);
MatrixToImageWriter.writeToFile(bitMatrix, format, file);

} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} catch (WriterException e1) {
e1.printStackTrace();
}
}

解码：   
   BufferedImage image = ImageIO.read(file);//读取文件
LuminanceSource source = new BufferedImageLuminanceSource(image);
BinaryBitmap bitmap = new BinaryBitmap(new HybridBinarizer(
source));
                  //解码
Result result = new MultiFormatReader().decode(bitmap);
String resultStr = result.getText();
                System.out.println(resultStr);