走进二维码(QR Code)的世界之引言

大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是走进二维码(QR Code)的世界专题的引言。

如今二维码可以说是深入走进大家的生活了，推送名片、扫码支付都离不开它，大家几乎每天都会和二维码打交道。虽然大家都知道二维码的各种应用，但很多人并不知道二维码的原理。做嵌入式这行的人一大特质就是喜欢研究各种技术本身，痞子衡早就对二维码技术感兴趣了。上期《嵌入式半月刊》的最后，痞子衡介绍了一个基于 i.MXRT1050 的扫码支付终端(QM50)，这是一个二维码识别的应用。这个应用彻底激活了痞子衡对二维码的好奇心，所以接下来痞子衡打算带大家一起深入研究一下二维码技术，从零开始认识二维码，并最终在 MCU 上实现二维码生成与识别的设计。

如下图左边所示的矩形二维码是大家最常看到的类型，网上可以找到很多资料，也有很多成熟的开源库，痞子衡的最终目标不是研究这个已经没啥秘密可言的二维码，右边那个放射状的圆形二维码才是痞子衡更感兴趣的，这是微信于 2017 年推出的全新设计的小程序二维码，网上关于这种二维码的设计资料非常少，也没有开源库，所以痞子衡打算实现一下圆形二维码。

今天痞子衡就先给大家简单介绍一下 QR Code 基本知识以及这个专题后续的推进计划：

一、QR Code 入门

1.1 二维码起源与种类

在介绍二维码之前，很有必要先提一下它的老大哥条形码（barcode），条形码技术早在 20 世纪 40 年代就被发明出来了，只不过到了 70 年代激光束扫描器的问世才使得条形码技术真正落地。条形码常用的码制有 EAN、UPC、Codabar、Code 39、Code 128 等。

条形码本质上属于一维码，一维码所携带的信息量有限，如 EAN-13 码仅能容纳 13 位阿拉伯数字，更多的信息只能依赖数据库的支持，离开了预先建立的数据库，这种条形码就没有意义了，因此，在一定程度上也限制了条形码的应用范围。基于这个原因，在 20 世纪 80 年代出现了二维码。

二维码依靠其庞大的信息携带量，能够把过去使用一维条形码时存储于后台数据库中的信息包含在二维条形码中，可以直接通过阅读二维条形码得到相应的信息，并且二维条形码还有错误修正技术及防伪功能，增加了数据的安全性。全球现有 250 多种二维码，其中常见技术标准有 PDF417，QRCode，Code49、Code16K，CodeOne 等 20 余种。

1.2 QR Code 发明人

目前最流行的二维码非 QR Code 标准莫属，这是来自日本的电装公司发明的一种二维码。关于 QR Code 的发展历史可以看电装公司自己写的软文《QR 码的成功之路》。QR Code 于 2000 年被正式采纳为 ISO 国际标准 (ISO/IEC18004)。

• 电装公司官网：https://www.denso-wave.com/QR Code 官网：https://www.qrcode.com/

这是 QR Code 的简要标准，大家先睹为快：

• 规范手册：ISO/IEC 18004:2015 Information technology — Automatic identification and data capture techniques — QR Code bar code symbology specification 在线阅读：https://www.doc88.com/p-3847760679293.html 中文译本：https://www.jianshu.com/p/7f0f30f20ef5

1.3 QR Code 基本概念

QR Code 有三个基本概念你必须要知道，分别是模型、版本、纠错能力。

QR Code 一共有两个模型，分别是模型 1 和模型 2。模型 1 是最早制作的 QR Code，最高版本为 14（73×73 码元），最多可以处理 1167 位数字。模型 2 是模型 1 的改良版，它在二维码变形的情况下也能顺利读取数据。当二维码被打印在曲面上，或者由于读取角度等原因导致二维码变形时，仍然可以通过设置在二维码内部的对齐模式有效读取。模型 2 最高版本为 40（177×177 码元），最多可以处理 7089 位数字。

现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 设有 1 到 40 的不同版本（种类)，每个版本都具备固有的码元结构(码元数)。（码元是指构成 QR Code 的方形黑白点)。“码元结构”是指二维码中的码元数。从版本 1(21 码元×21 码元)开始，在纵向和横向各自以 4 码元为单位递增，一直到版本 40 (177 码元×177 码元)。

QR Code 具有“纠错功能”。即使编码变脏或破损，也可自动恢复数据。这一“纠错能力”具备 4 个级别，用户可根据使用环境选择相应的级别。调高级别，纠错能力也相应提高，但由于数据量会随之增加，编码尺寸也也会变大。

QR Code 的纠错功能是通过将 Reed-solomon Codes（RS 码）附加到原数据中的方式实现的。RS 编码是应用于音乐 CD 等用途的数学纠错方法。它能以字节为单位进行纠错，适合用于错误位置会集中的突发错误。

二、QR Code 变种：微信小程序码

2.1 QR Code 变种

前面介绍的是最标准的 QR Code 样式，但二维码发展到现在已经出现了很多变种，有彩色图片、动图、甚至非矩形的。这些变异二维码本质上与标准 QR Code 原理一致，只是在编码排版上有所不同，因此生成和识别工具也不同。

2.2 微信小程序码

微信小程序码也是一种异形码，这是腾讯 2017 年 1 月为微信小程序专门设计的一种二维码式样，这种异形并不是微信的首创，Facebook、Snap 等公司都已经推出过类似的异形码。这种小程序码相比标准二维码有如下几个优点：

• 观赏性：小程序码与普通二维码相比，看起来更美观扫码预期：扫码前能明确知道扫码之后将会体验到一个小程序安全性：小程序码目前只能通过微信产生，并且只能通过微信识别，安全性更高品牌宣传：每个小程序码右下角都是固定的微信小程序 Logo，每见到一次小程序码，大家就能多一次联想到微信小程序高容错性：当一张二维码图片中间嵌有某些 Logo 图片时，其实相当于是把最中间部分有用的编码信息挖掉，再贴一张 Logo 图片上去。而小程序码不同，中间的 Logo 区并不包含数据编码的部分，因此小程序码拥有更高的容错性
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目前小程序码一共支持 3 种容量，分别是 36 射线、54 射线和 72 射线：

因为小程序码的专用性，目前它的生成都只能通过调用微信官方 API 接口，关于小程序码的设计文档寥寥无几，来自腾讯官方的文章《你一定不知道，小程序码是这样绽放的》只稍稍透露了一些。

三、走进 QR Code 世界之路

鉴于以上介绍，痞子衡新开的这个专题后续推进计划如下：

• 阶段一：学习标准 QR Code 原理，使用 Python 搭建一个二维码生成与识别平台（基于现有开源库）阶段二：深入标准 QR Code 原理，纯手工写 Python 代码实现 Version1，ECC Level 为 L 的二维码生成与识别阶段三：学习微信小程序码原理，纯手工写 Python 代码实现 36 射线小程序码生成与识别阶段四：将 Python 端手工实现移植到 MCU 端，在 i.MXRT1060-EVK 板上实现二维码生成与识别阶段五：移植一个成熟开源库到 MCU 端，在 i.MXRT1060-EVK 板上实现二维码生成与识别
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至此，走进二维码(QR Code)的世界专题的引言痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~