走進(jìn)二維碼(QR Code)的世界之引言

大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家分享的是走進(jìn)二維碼(QR Code)的世界專(zhuān)題的引言。

如今二維碼可以說(shuō)是深入走進(jìn)大家的生活了，推送名片、掃碼支付都離不開(kāi)它，大家?guī)缀趺刻於紩?huì)和二維碼打交道。雖然大家都知道二維碼的各種應(yīng)用，但很多人并不知道二維碼的原理。做嵌入式這行的人一大特質(zhì)就是喜歡研究各種技術(shù)本身，痞子衡早就對(duì)二維碼技術(shù)感興趣了。上期《嵌入式半月刊》的最后，痞子衡介紹了一個(gè)基于 i.MXRT1050 的掃碼支付終端(QM50)，這是一個(gè)二維碼識(shí)別的應(yīng)用。這個(gè)應(yīng)用徹底激活了痞子衡對(duì)二維碼的好奇心，所以接下來(lái)痞子衡打算帶大家一起深入研究一下二維碼技術(shù)，從零開(kāi)始認(rèn)識(shí)二維碼，并最終在 MCU 上實(shí)現(xiàn)二維碼生成與識(shí)別的設(shè)計(jì)。

如下圖左邊所示的矩形二維碼是大家最?？吹降念?lèi)型，網(wǎng)上可以找到很多資料，也有很多成熟的開(kāi)源庫(kù)，痞子衡的最終目標(biāo)不是研究這個(gè)已經(jīng)沒(méi)啥秘密可言的二維碼，右邊那個(gè)放射狀的圓形二維碼才是痞子衡更感興趣的，這是微信于 2017 年推出的全新設(shè)計(jì)的小程序二維碼，網(wǎng)上關(guān)于這種二維碼的設(shè)計(jì)資料非常少，也沒(méi)有開(kāi)源庫(kù)，所以痞子衡打算實(shí)現(xiàn)一下圓形二維碼。

今天痞子衡就先給大家簡(jiǎn)單介紹一下 QR Code 基本知識(shí)以及這個(gè)專(zhuān)題后續(xù)的推進(jìn)計(jì)劃：

一、QR Code 入門(mén)

1.1 二維碼起源與種類(lèi)

在介紹二維碼之前，很有必要先提一下它的老大哥條形碼（barcode），條形碼技術(shù)早在 20 世紀(jì) 40 年代就被發(fā)明出來(lái)了，只不過(guò)到了 70 年代激光束掃描器的問(wèn)世才使得條形碼技術(shù)真正落地。條形碼常用的碼制有 EAN、UPC、Codabar、Code 39、Code 128 等。

條形碼本質(zhì)上屬于一維碼，一維碼所攜帶的信息量有限，如 EAN-13 碼僅能容納 13 位阿拉伯?dāng)?shù)字，更多的信息只能依賴(lài)數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，離開(kāi)了預(yù)先建立的數(shù)據(jù)庫(kù)，這種條形碼就沒(méi)有意義了，因此，在一定程度上也限制了條形碼的應(yīng)用范圍?；谶@個(gè)原因，在 20 世紀(jì) 80 年代出現(xiàn)了二維碼。

二維碼依靠其龐大的信息攜帶量，能夠把過(guò)去使用一維條形碼時(shí)存儲(chǔ)于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息包含在二維條形碼中，可以直接通過(guò)閱讀二維條形碼得到相應(yīng)的信息，并且二維條形碼還有錯(cuò)誤修正技術(shù)及防偽功能，增加了數(shù)據(jù)的安全性。全球現(xiàn)有 250 多種二維碼，其中常見(jiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有 PDF417，QRCode，Code49、Code16K，CodeOne 等 20 余種。

1.2 QR Code 發(fā)明人

目前最流行的二維碼非 QR Code 標(biāo)準(zhǔn)莫屬，這是來(lái)自日本的電裝公司發(fā)明的一種二維碼。關(guān)于 QR Code 的發(fā)展歷史可以看電裝公司自己寫(xiě)的軟文《QR 碼的成功之路》。QR Code 于 2000 年被正式采納為 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) (ISO/IEC18004)。

• 電裝公司官網(wǎng)：https://www.denso-wave.com/QR Code 官網(wǎng)：https://www.qrcode.com/

這是 QR Code 的簡(jiǎn)要標(biāo)準(zhǔn)，大家先睹為快：

• 規(guī)范手冊(cè)：ISO/IEC 18004:2015 Information technology — Automatic identification and data capture techniques — QR Code bar code symbology specification 在線閱讀：https://www.doc88.com/p-3847760679293.html 中文譯本：https://www.jianshu.com/p/7f0f30f20ef5

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1.3 QR Code 基本概念

QR Code 有三個(gè)基本概念你必須要知道，分別是模型、版本、糾錯(cuò)能力。

QR Code 一共有兩個(gè)模型，分別是模型 1 和模型 2。模型 1 是最早制作的 QR Code，最高版本為 14（73×73 碼元），最多可以處理 1167 位數(shù)字。模型 2 是模型 1 的改良版，它在二維碼變形的情況下也能順利讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)二維碼被打印在曲面上，或者由于讀取角度等原因?qū)е露S碼變形時(shí)，仍然可以通過(guò)設(shè)置在二維碼內(nèi)部的對(duì)齊模式有效讀取。模型 2 最高版本為 40（177×177 碼元），最多可以處理 7089 位數(shù)字。

現(xiàn)在市面上主流的就是 QR Code 模型 2，后面文章所提的 QR Code 均指模型 2。QR Code 設(shè)有 1 到 40 的不同版本（種類(lèi))，每個(gè)版本都具備固有的碼元結(jié)構(gòu)(碼元數(shù))。（碼元是指構(gòu)成 QR Code 的方形黑白點(diǎn))。“碼元結(jié)構(gòu)”是指二維碼中的碼元數(shù)。從版本 1(21 碼元×21 碼元)開(kāi)始，在縱向和橫向各自以 4 碼元為單位遞增，一直到版本 40 (177 碼元×177 碼元)。

QR Code 具有“糾錯(cuò)功能”。即使編碼變臟或破損，也可自動(dòng)恢復(fù)數(shù)據(jù)。這一“糾錯(cuò)能力”具備 4 個(gè)級(jí)別，用戶(hù)可根據(jù)使用環(huán)境選擇相應(yīng)的級(jí)別。調(diào)高級(jí)別，糾錯(cuò)能力也相應(yīng)提高，但由于數(shù)據(jù)量會(huì)隨之增加，編碼尺寸也也會(huì)變大。

QR Code 的糾錯(cuò)功能是通過(guò)將 Reed-solomon Codes（RS 碼）附加到原數(shù)據(jù)中的方式實(shí)現(xiàn)的。RS 編碼是應(yīng)用于音樂(lè) CD 等用途的數(shù)學(xué)糾錯(cuò)方法。它能以字節(jié)為單位進(jìn)行糾錯(cuò)，適合用于錯(cuò)誤位置會(huì)集中的突發(fā)錯(cuò)誤。

二、QR Code 變種：微信小程序碼

2.1 QR Code 變種

前面介紹的是最標(biāo)準(zhǔn)的 QR Code 樣式，但二維碼發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了很多變種，有彩色圖片、動(dòng)圖、甚至非矩形的。這些變異二維碼本質(zhì)上與標(biāo)準(zhǔn) QR Code 原理一致，只是在編碼排版上有所不同，因此生成和識(shí)別工具也不同。

2.2 微信小程序碼

微信小程序碼也是一種異形碼，這是騰訊 2017 年 1 月為微信小程序?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)的一種二維碼式樣，這種異形并不是微信的首創(chuàng)，F(xiàn)acebook、Snap 等公司都已經(jīng)推出過(guò)類(lèi)似的異形碼。這種小程序碼相比標(biāo)準(zhǔn)二維碼有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

• 觀賞性：小程序碼與普通二維碼相比，看起來(lái)更美觀掃碼預(yù)期：掃碼前能明確知道掃碼之后將會(huì)體驗(yàn)到一個(gè)小程序安全性：小程序碼目前只能通過(guò)微信產(chǎn)生，并且只能通過(guò)微信識(shí)別，安全性更高品牌宣傳：每個(gè)小程序碼右下角都是固定的微信小程序 Logo，每見(jiàn)到一次小程序碼，大家就能多一次聯(lián)想到微信小程序高容錯(cuò)性：當(dāng)一張二維碼圖片中間嵌有某些 Logo 圖片時(shí)，其實(shí)相當(dāng)于是把最中間部分有用的編碼信息挖掉，再貼一張 Logo 圖片上去。而小程序碼不同，中間的 Logo 區(qū)并不包含數(shù)據(jù)編碼的部分，因此小程序碼擁有更高的容錯(cuò)性
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目前小程序碼一共支持 3 種容量，分別是 36 射線、54 射線和 72 射線：

因?yàn)樾〕绦虼a的專(zhuān)用性，目前它的生成都只能通過(guò)調(diào)用微信官方 API 接口，關(guān)于小程序碼的設(shè)計(jì)文檔寥寥無(wú)幾，來(lái)自騰訊官方的文章《你一定不知道，小程序碼是這樣綻放的》只稍稍透露了一些。

三、走進(jìn) QR Code 世界之路

鑒于以上介紹，痞子衡新開(kāi)的這個(gè)專(zhuān)題后續(xù)推進(jìn)計(jì)劃如下：

• 階段一：學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn) QR Code 原理，使用 Python 搭建一個(gè)二維碼生成與識(shí)別平臺(tái)（基于現(xiàn)有開(kāi)源庫(kù)）階段二：深入標(biāo)準(zhǔn) QR Code 原理，純手工寫(xiě) Python 代碼實(shí)現(xiàn) Version1，ECC Level 為 L 的二維碼生成與識(shí)別階段三：學(xué)習(xí)微信小程序碼原理，純手工寫(xiě) Python 代碼實(shí)現(xiàn) 36 射線小程序碼生成與識(shí)別階段四：將 Python 端手工實(shí)現(xiàn)移植到 MCU 端，在 i.MXRT1060-EVK 板上實(shí)現(xiàn)二維碼生成與識(shí)別階段五：移植一個(gè)成熟開(kāi)源庫(kù)到 MCU 端，在 i.MXRT1060-EVK 板上實(shí)現(xiàn)二維碼生成與識(shí)別
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至此，走進(jìn)二維碼(QR Code)的世界專(zhuān)題的引言痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~