二维码的生成细节和原理

二维码又称QR Code，QR全称Quick Response，是一个近几年来移动设备上超流行的一种编码方式，它比传统的Bar Code条形码能存更多的信息，也能表示更多的数据类型：比如：字符，数字，日文，中文等等。这两天学习了一下二维码图片生成的相关细节，觉得这个玩意就是一个密码算法，在此写一这篇文章 ，揭露一下。供好学的人一同学习之。

关于QR Code Specification，可参看这个PDF：http://raidenii.net/files/datasheets/misc/qr_code.pdf

基础知识

首先，我们先说一下二维码一共有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。

下面我们看看一个二维码的样例：

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。

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。

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。

数据编码

我们先来说说数据编码。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。

Kanji mode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：

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。

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。

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。

简单起见，后面三种不会在本文 中讨论。

下面两张表中，

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 表示了，不同版本(尺寸)的二维码，对于，数字，字符，字节和Kanji模式