知晓：二维码的原理是什么？

liukai · 发表于 2023-9-2 13:40:37

　　声明：原文首发于个人微信公众号：cxd1301，转载请注明。怎么把视频生成二维码https://www.erweicaihong.cn/shipinshuomingshu二维彩虹提供专业的二维码在线生成和美化。在线生成器可把文本、电子邮件、名片、网址、微信收款等信息一键制作自定义动态二维码图片，不仅能够随时让用户更改二维码背后的信息而无需更改二维码，而且能够让用户追踪最有价值的市场数据！

　　序言

　　最近因为项目需要，要实现扫描一份纸质文件上的二维码即可获取对应文件的电子版功能。

　　原理也不算复杂，就是给每个二维码里写入了调用文件的服务器地址，以及这份纸质文件的唯一标识ID，只要手机扫描二维码，就可以获取到地址加具体ID拼接的完整下载路径。

　　出于好奇，我就想知道二维码是怎么存储这些信息的，能否肉眼识别二维码信息，或者手工生成二维码呢？

　　什么是二维码？

　　大家平时都用惯了各种二维码了，扫码支付、扫码骑车、扫码点餐等等。对那些黑白方块大家都很熟悉了。长啥样就不贴图。

　　之所以叫二维码，因为它是二维的，这里的二维不是黑、白，而是有横向、纵向之分，就是初中数学里的x轴，y轴。

　　类比的一维码就是条形码，看上去也是有横向和纵向高度啊？但因为每个x对应的y是一样的，就是两条平行横线切过去，获取到的信息是一样的。

　　二维码是怎么构成的

　　以QR Code为例，也就是我们最常见的二维码，参照上面那个cxd1301的二维码。里面存储的信息其实是分割成多个部分的。

　　（1）探测区（红色圈），就是三个回字型正方形框。用来定位二维码边界。为啥是三个回字型，不是两个，不是4个？两个不足以定位，已知两个顶点，至少可以向上或向下画出两个不同正方形。4个顶点可以确定唯一正方形，但没办法做图形旋转角度矫正了，没法确定左上角、右下角，因为四个顶点全对称了。三个刚好，既能确定出唯一位置，又能任何角度拍照都可以旋转恢复成只有右下角没有探测区的0旋转标准图。

　　（2）定位线（蓝色框），用来做分割不同区域，方便定位，定位线始终是黑白相间的，且只有一行、一列，非常明显。

　　（3）版本信息（红色框），版本信息存的是这个二维码是什么版本，不同版本二维码大小不一样，比如版本1，是2121的正方形，版本2，是2525的正方形，最大版本是版本40，是177177的正方形，显然版本越大，能存的信息就越多。

　　（4）格式信息（黄色圈），格式信息里存储了这个二维码数据是按什么模式解析。比如数字是0001，字母数字是0010，汉字是1101。cxd1301是字母数字，所以格式信息是0010。

　　（5）数据区域（绿色圈），二维码的有效数据是存储在绿色区域里，这里不仅存储了有效数据，还有纠错码字，这样的话，就算二维码损坏部分都可以识别。

　　二维码里的数据怎么读

　　首先二维码是一个个小方块构成的，其中黑色小方块代表“1”，白色小方块代表“0”。实质上二维码是存储的0和1的二进制比特流。

　　那cxd1301，这个数据是怎么存进去的呢？

　　小写c的ASCII码对应十进制99，转化成二进制就是01100011，对应写入二维码就是白、黑、黑、白、白、白、黑、黑。

　　cxd1301,在二维码里存的就是01100011 01111000 01100100 00110001 00110011 00110000 00110001。

　　然后这些二进制比特流，还需要加上字符个数7对应的二进制0000111，编码标识字母数字是0010，以及结束符0000，纠错级别H，对应的AC-42，对应二进制10，以及补齐符00，最后串成一大串的01比特串一起存入二维码。转化为黑、白点变化。

　　这些还没有完，为了让数据区域不出现大面积空白或黑块，还要进行底图叠加。这个叠加采用的是异或操作，将要写入的数据和底图异或处理后就得到最终的二维码。最完蛋的是我不知道是和8个底图中的那个进行了异或，所以要肉眼读二维码，就要读取8个，放弃了。

　　最后要说的是，二维码的数据读取顺序是从右下角开始的，顺序参照网上找的以下这张图片。

　　二维码缺损是否可以用

　　对于条形码，如果有破损，只要有其中一行没有坏就问题不大，那二维码呢，如果有破损什么的是否还可以扫描成功？肯定是可以的，这个也一直是我认为二维码比较神奇的地方。

　　二维码的容错有7%（L）、15%（M）、25%（Q）、30%（H）四种，以H为例，表示30%的字码可以被修复，换句话说就是30%的破损不影响扫码。这就比较牛了，大大提高了二维码的使用场景。

　　有这么几种情况是会影响二维码识别的：

　　（1）探测区破损，至少一个探测区破损了，这种情况下，不能准确识别出这是否是一个二维码，就更没有后续的识别了；

　　（2）版本信息全没，且格式信息也不全，那就识别不出来了。但凡只要有一个版本信息及一个格式信息正常，就可以识别。

　　（3）数据区域破损超过30%。基本上就算大面积污损数据区域，识别率都还能有一定保障，例如下面这个数据区的破损情况，拿手机多扫一下还是可以扫出来。

　　最后来一张极限污损的情况下，仍然能扫描的二维码：

　　注：因为存在识别率问题，可能要多扫两次。

　　二维码可以存储多少信息

　　通过查询QR码的技术文档，可以发现，如果二维码使用最大版本40，也就是177*177的的二维码，最大可存储信息是：

　　（1）纯数字，7089字符；

　　（2）纯字母，4296字符；

　　（3）二进制，2953字节；

　　（4）汉字（UTF-8），最多984汉字。

　　考虑到，一般情况下，没有人真往二维码里存一篇小说的或一部电影，基本上就是存小说和电影的观看或下载地址，所以最大到3K的二维码，容量基本上满足使用要求了。

　　这里来一个超大信息的二维码，这个二维码由于信息过多，所以密密麻麻，小图的情况下基本上是没法识别了，但放大到一定程度，还是有可以会被识别出来。这里要注意如果是单纯汉字最多984个汉字。因为一个标点和数字是1个字符，一个汉字是3个字节，所以如果有字母和数字，看上去就不止983个字了。

　　是不是可以发明三维码

　　有些伙伴可能会想是不是可以发明三维码、四维码，甚至更高级呢？首先理论上是可以的。

　　以三维为例，二维平面、三维立体，关键要找到第三维，z维度是啥，比如是深浅、或者是颜色，甚至是看不到的时间。

　　但肯定不是直接将二维码从平面拉伸成三维柱状就是三维码。因为第三维是要存储信息的，如果是简单拉伸，那投影后的二维码是完全一样的，就像条形码，拉多长都不会是二维码一样。

　　那为啥现在用的是二维呢？

　　两个原因：

　　1、我们手机扫描扫到的是平面图，平面图就是二维的，要扫描三维需要特别的仪器了，比如增加红外距离传感、颜色辨析器等；

　　2、目前二维码存储的信息还足够用，暂时不需要增加更多维度来存储信息。

　　更高维度的三维码什么的还有没有市场？

　　这个我个人觉得还是有可能有市场的，特别是防伪。假设我们在第三维增加的是时间维度，就是一个二维码随着时间变化，可以不断自我更新，这样就在二维码基础上多了个时间属性的z轴，即动态二维码。至于具体场景，这就需要进一步挖掘发现了。

　　写在最后

　　整理了那么多二维码基础知识，有兴趣的小伙伴可以试试扫下面这个二维码。