二维码相关技术研究

刘晓慧

摘要：该文对QR二维码相关问题进行了研究，从QR二维码的编码模式、编码方法、纠错编码、图像生成及图像解码等几个方面进行了阐述。

关键词：QR二维码；纠错；编码模式

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）26-0049-03

1 引言

二维码是在一维码技术的基础上发展起来的一门技术，它集信息编码、信息传递、图像处理、数据加密等技术为一体，是一种最新的条码技术。随着移动互联网的快速发展，二维码技术作为一种新型信息传递技术，近年来在世界各国迅速发展并发挥着重要作用。二维码分为行排式二维码和矩阵式二维码，目前应用最为广泛的QR二维码（Quick Response Code，简称QR码）属于矩阵式二维码，QR二维码具有编码范围广泛灵活，快速识别和解码等优势，因而得到广泛应用。因此，对QR二维码及相关技术的研究具有重要意义。

2 QR二维码

QR二维码共有40个版本和4个错误纠错等级，纠错等级分别用L（低）、M（中）、Q（标准）、H（高）来表示，不同的纠错等级使用不同数量的纠错码字，纠错等级越高，使用的纠错码字越多，而纠错码字的增加也会使二维码携带的信息量减少。

2.1 QR二维码的编码模式及编码方法

QR二维码具有多种编码模式，包含了互联网用到的绝大多数字符，主要有数字模式、字符模式、字节模式、中文模式、日文模式、扩充解释模式（ECI）、结构链接、FNC1模式等。其中扩充解释模式用于特殊的字符集，结构链接用于混合编码，FNC1模式主要在一些特殊行业使用。

二维码的编码是要将不同信息编码成二进制数据流，编码之前首先要进行数据分析，确定要进行编码的字符类型，决定使用哪种模式进行编码，并选择二维码版本。编码后的二进制数据流由三部分构成：模式指示符、字符计数指示符和信息数据流。其中各编码模式指示符如表1所示。

表1 模式指示符

[模式＼&指示符＼&模式＼&指示符＼&数字＼&0001＼&扩充解释（ECI）＼&0111＼&字符＼&0010＼&日文＼&1000＼&结构链接＼&0011＼&中文＼&1101＼&字节＼&0100＼&FNC1＼&0101/1001＼&]

字符计数指示符表示信息数据流在编码前含有的字符个数，字符计数指示符的长度随编码模式不同和二维码版本不同而不同，其长度规定见表2。

表2 字符计数指示符长度

[版本＼&数字模式＼&字符模式＼&字节模式＼&中文模式＼&日文模式＼&1-9＼&10＼&9＼&8＼&8＼&8＼&10-26＼&12＼&11＼&16＼&10＼&10＼&27-40＼&14＼&13＼&16＼&12＼&12＼&]

信息数据流是对数据信息的编码，在不同模式下编码方式不同。

QR二维码在进行汉字编码时，采用的是国标码GB2312，其中包括了6768个汉字字符，每个字符占用两个字节，在编码时将每个汉字字符转换为13位的二进制数，并在其前面加上模式指示符、汉字子集指示符和字符计数指示符。

2.2 QR二维码的纠错编码

信息在含噪信息通道中传送时会被噪声干扰而失真，从而影响信息有效传递，因此，在信息传递之前要对其附加冗余，即编码，信息接收后再进行解码，这样可以纠正信息中的错误，而由信息和附加在其上的冗余构成的编码序列称为纠错码。冗余加入到信息中的方式有两种，即分组码和卷积码，在实用中更多的使用的是分组码，QR二维码使用的纠错码RS（Reed-Solomon）码就是分组码。

RS码是在GF（Galois Field）域中运算的，码系数在GF（28）中取值，GF（28）与线性空间{0，1}8同构（“+”），运算时可以用异或运算代替加法，在工程上实现更为方便，RS码是多项式编码中的一种，用来构造GF（28）域的多项式是：

P（x）=x8+x4+x3+x2+1

RS码在纠错时首先计算校正子，之后计算错误位置并得到错误值，最后将求得的错误值对应的补数加到每个错误位置，纠错完成。

2.3 QR二维码图像生成

QR二维码一共有40个尺寸，即版本（Version），版本1是21×21矩阵，每增加一个版本，尺寸增加4，计算公式是：（Version-1）×4+21。QR二维码的基本结构如图所示：

位置探测图形共有3个，位置固定，用于识别确认此图形是QR二维码图形，同时确定二维码的方向；位置探测图形分隔符是宽度为1的留白，以便更好的识别位置探测图形；定位图形有两条，位置固定在第6行和第6列，作为二维码扫描的标准线；校正图形在版本2及以上的版本中存在，版本不同，校正图形的个数也不同，图形与位置探测图形相似，用于对二维码符号形状校正；格式信息用于存放一些格式化数据，表示该二维码的纠错级别；版本信息表示二维码的规格，在Version 7及以上版本中，需要预留两块3×6的区域存放版本信息；数据和纠错码字区域用于存放实际的数据信息和纠错信息。

绘制二维码时，先在二维码区域三个角上放置位置探测图形，接下来是校正图形和两条定位图形；之后添加格式信息，格式信息是一个15位的信息，其位置排列如图所示，其中包括5个数据位和10个纠错位，5个数据位包括2位纠错等级信息和3位掩膜图形模式，15位格式信息还要与101010000010010进行XOR操作，这样可以避免因为选用了00的纠错级别以及000的掩膜图形，从而造成全部为白色，增加扫描器图像识别的难度；再接下来是版本信息，共18位，其中包含6位版本号和12位纠错码，在两块区域填充方式如图所示；然后是填充数据编码和纠错编码，填充时每个码字放入2×4个模块中，填充方式如图4所示，从右下角开始按M型排列，1是黑色，0是白色。如果遇到了上述的功能区图形，则使用不规则的8个模块图形。

不同版本的数据和纠错码字区域由不同个数的数据块组成，每个数据块包含若干个数据码字和纠错码字，数据码字和纠错码字在填充前，要按一定顺序进行排列，排列方式是：对于数据码，将每个块中的第一个码字进行排列，然后再取每个块中的第二个码字进行排列，依此类推；纠错码排列方式相同，最终得到整个码字序列。如果最后区域有剩余位，则填充0。如版本7-H由5个数据块组成，其数据块和纠错码字块如表3所示。

表3 版本7-H数据块码字

[块＼&数据码字＼&纠错码字＼&1＼&D1～D13＼&E1～E26＼&2＼&D14～D26＼&E27～E52＼&3＼&D27～D39＼&E53～E78＼&4＼&D40～D52＼&E79～E104＼&5＼&D53～D66＼&E105～E130＼&]

按如上所述排列方式，得到的码字序列是：D1，D14，D27，D40，D53，…，D13，D26，D39，D52，D65，D66，E1，E27，E53，E79，E105，…，E26，E52，E78，E104，E130，在二维码图形中排列方式如图5所示。

完成上述操作后，最后要进行掩膜，来减小识别难度，掩膜只对数据和纠错码字区域进行，就是和上面生成的图形做XOR操作，使图形中深色和浅色模块均衡，同时尽量不干扰对功能区域的识别。QR二维码有8种掩膜方案可供选择，如图所示。掩膜之后，QR二维码图像最终生成。

2.4 QR二维码图像识读

二维码的识读是在距离0～0.5米内非接触识读，识读得到图像后，若出现图像旋转、扭曲、伸缩等问题，要对其进行修正，若图像出现污损、模糊，则要进行图像优化，优化后图像识读过程是：首先，对彩色图像进行灰度化，以提高后继的运行速度；其次，去除噪音对二码图像的干扰；再次，使用迭代法选取适当的阈值，对二维码进行二值化处理，使其变为黑白图像；最后，确定二维码的位置探测图形，对二维码进行定位，旋转至水平，建立取样网络，去掩膜，按排列规则恢复码字序列。

3 结束语

QR二维码作为二维码家族中最具代表性，同时也是应用最为广泛的成员，已经越来越多的进入我们的生活，本文针对二维码的编码模式和方法、纠错编码、图像生成和识读几个方面作了阐述。在实应用中二维码在支付、车票等方面出现了对其信息进行加密的需求，因此对二维码加密技术的研究，既不影响其功能，又能使其具备较强的加密性，也具有重要意义。

参考文献：

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