1.二維碼定義：
二維碼（2-Dimensional Bar Code），是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息的。它是指在一維條碼的基礎上擴展出另一維具有可讀性的條碼，使用黑白矩形圖案表示二進制數據，被設備掃描后可獲取其中所包含的信息。一維條碼的寬度記載着數據，而其長度沒有記載數據。二維條碼的長度、寬度均記載着數據。二維條碼有一維條碼沒有的“定位點”和“容錯機制”。容錯機制在即使沒有辨識到全部的條碼、或是說條碼有污損時，也可以正確地還原條碼上的信息。
2.類別：
二維條碼的種類很多，不同的機構開發出的二維條碼具有不同的結構以及編寫、讀取方法。常見的二維碼有：PDF417碼、QR碼、漢信碼、顏色條碼、quick mark code、data matrix
一維碼 二維碼
一維條碼——Code 128 較為常見的二維條碼——QR碼
僅有橫向信息 橫行縱向都包含信息
3.定位標記
二維條碼通常有特定的定位標記（如QR碼為三個大的定位點），通過定位標記使讀碼機正確辨識進行解讀，所以二維條碼不管是從何種方向讀取都可以被辨識。
4.特性
二維條碼比一維條碼記載數據量更多。而且可以記載更復雜的數據，比如圖片鏈接、網絡鏈接等。
5.QR碼
QR碼（全稱為快速響應矩陣碼；英語：Quick Response Code）是二維條碼的一種，於1994年由日本DENSO WAVE公司發明。QR來自英文Quick Response的縮寫，即快速反應，因為發明者希望QR碼可以讓其內容快速被解碼。QR碼使用四種標准化編碼模式（數字，字母數字，字節（二進制）和漢字）來存儲數據。QR碼最常見於日本，為目前日本最流行的二維空間條碼。QR碼比較普通條碼可以存儲更多數據，也無需要像普通條碼般在掃描時需要直線對准掃描儀。因此其應用范圍已經擴展到包括產品跟蹤，物品識別，文檔管理，營銷等方面。
（1）簡介
QR碼呈正方形，常見的是黑白兩色。在3個角落，印有較小，像“回”字的正方圖案。這3個是幫助解碼軟件定位的圖案，用戶不需要對准，無論以任何角度掃描，數據仍然可以正確被讀取。
日本QR碼的標准JIS X 0510在1999年1月發布，而其對應的ISO國際標准ISO/IEC18004，則在2000年6月獲得批准。根據Denso Wave公司的網站數據，QR碼是屬於開放式的標准，QR碼的規格公開，雖由Denso Wave公司持有的專利權益，但不會被運行。
除了標准的QR碼之外，也存在一種稱為“微型QR碼”的格式，是QR碼標准的縮小版本，主要是為了無法處理較大型掃描的應用而設計。微型QR碼同樣有多種標准，最高可存儲35個字元。
（2）技術特征
如上圖時一個qrcode的基本結構，其中：
位置探測圖形、位置探測圖形分隔符、定位圖形：
用於對二維碼的定位，對每個QR碼來說，位置都是固定存在的，只是大小規格會有所差異；
校正圖形：規格確定，校正圖形的數量和位置也就確定了；
格式信息：表示改二維碼的糾錯級別，分為L、M、Q、H；
版本信息：即二維碼的規格，QR碼符號共有40種規格的矩陣（一般為黑白色），從21x21（版本1），到177x177（版本40），每一版本符號比前一版本 每邊增加4個模塊。
二維碼一共有 40 個尺寸。官方叫版本 Version。Version 1 是 21 x 21 的矩陣，Version 2 是 25 x 25 的矩陣，Version 3 是 29 的尺寸，每增加一個 version，就會增加 4 的尺寸，公式是：(V-1)*4 + 21（V是版本號） 最高 Version 40，(40-1)*4+21 = 177，所以最高是 177 x 177 的正方形。
數據和糾錯碼字：實際保存的二維碼信息，和糾錯碼字（用於修正二維碼損壞帶來的錯誤）。
（3）存儲
Qr碼一共提供40種不同版本存儲密度的結構，對應指示圖的“版本信息”，版本1為21*21像素，每升一個版本長寬各增加4像素，最大的版本40為177*177像素。
| QR碼最大數據容量（對於版本40） | |
| 數字 | 最多7089字元 |
| 字母 | 最多4296字元 |
| 二進制數（8bit） | 最多2953字節 |
| 日文漢子/片假名 | 最多1,817字元（采用Shift JIS） |
| 中文漢子 | 最多984字元（采用UTF-8） |
| 最多1,800字元（采用BIG5/GB2312）提供40種不同版本存儲密度的結構，對應指示圖的“版本信息”，版本1為21×21像素，每機一級長寬各增加4像素，最大的版本40為177×177像素。 | |
對於不同版本的二維碼，容量也是不同的。理論上內容經過壓縮處理后可以存7089個數字，4296 個字母和數字混合字符，2953個8位字節數據，1817個漢字；在上面我們看到，不同的Version的QR Code是不同的矩陣，Version版本越過，也就意味着容量越大。關於容量的計算我沒有找到比較權威的算法，這里以第一版的來進行計算，第一版（21×21）的格式如下：
其中的只有黃色的是存儲數據的內容，在第一版本中只有217（21×21 - 8*9*3 -8）個存儲數據的數空間，而其中有用的數據是 217 - 1個數據結尾標志 = 216 ，在216bit
216bit/8 = 27Byte 在版本一的QR碼中只能夠存儲27Byte的數據（要是有校驗容錯就更少了），當然在不同的容錯級別下，容量也是有變化的。
所以，version為1的QR Code大概也就能容下十幾個字符。
（4）容錯能力
QR碼有容錯能力，QR碼圖形如果有破損，仍然可以被機器讀取內容，最高可以到7%~30%面積破損仍可被讀取。所以QR碼可以被廣泛使用在運輸外箱上。
相對而言，容錯率愈高，QR碼圖形面積愈大。所以一般折衷使用15%容錯能力。
| 錯誤修正容量 | |
| L水平 | 7%的字碼可被修正 |
| M水平 | 15%的字碼可被修正 |
| Q水平 | 25%的字碼可被修正 |
| H水平 | 30%的字碼可被修正 |
（5）編碼
QR 碼支持如下的編碼：
Numeric mode 數字編碼，從 0 到9。如果需要編碼的數字的個數不是 3 的倍數，那么，最后剩下的 1 或 2 位數會被轉成 4 或 7bits，則其它的每 3 位數字會被編成 10，12，14bits，編成多長還要看二維碼的尺寸（下面有一個表 Table 3 說明了這點）
Alphanumeric mode 字符編碼。包括 0-9，大寫的A到Z（沒有小寫），以及符號$ % * + – . / : 包括空格。這些字符會映射成一個字符索引表。如下所示：（其中的 SP 是空格，Char 是字符，Value 是其索引值） 編碼的過程是把字符兩兩分組，然后轉成下表的 45 進制，然后轉成 11bits 的二進制，如果最后有一個落單的，那就轉成 6bits 的二進制。而編碼模式和字符的個數需要根據不同的 Version 尺寸編成9, 11 或 13 個二進制（如下表中 Table 3）
Byte mode, 字節編碼，可以是0-255 的 ISO-8859-1 字符。有些二維碼的掃描器可以自動檢測是否是 UTF-8 的編碼。
6.編碼過程
簡要的編碼過程：
1. 數據分析：確定編碼的字符類型，按相應的字符集轉換成符號字符； 選擇糾錯等級，在規格一定的條件下，糾錯等級越高其真實數據的容量越小。
2. 數據編碼：將數據字符轉換為位流，每8位一個碼字，整體構成一個數據的碼字序列。其實知道這個數據碼字序列就知道了二維碼的數據內容。
數據可以按照一種模式進行編碼，以便進行更高效的解碼，例如：對數據：01234567編碼（版本1-H），
1）分組：012 345 67
2）轉成二進制：012→0000001100
345→0101011001
67 →1000011
3）轉成序列：0000001100 0101011001 1000011
4）字符數 轉成二進制：8→0000001000
5）加入模式指示符（上圖數字）0001：0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011
對於字母、中文、日文等只是分組的方式、模式等內容有所區別。基本方法是一致的
3.糾錯編碼
按需要將上面的碼字序列分塊，並根據糾錯等級和分塊的碼字，產生糾錯碼字，並把糾錯碼字加入到數據碼字序列后面，成為一個新的序列。
在二維碼規格和糾錯等級確定的情況下，其實它所能容納的碼字總數和糾錯碼字數也就確定了，比如：版本10，糾錯等級時H時，總共能容納346個碼字，其中224個糾錯碼字。
就是說二維碼區域中大約1/3的碼字時冗余的。對於這224個糾錯碼字，它能夠糾正112個替代錯誤（如黑白顛倒）或者224個據讀錯誤（無法讀到或者無法譯碼），
這樣糾錯容量為：112/346=32.4%
4. 構造最終數據信息：
在規格確定的條件下，將上面產生的序列按次序放如分塊中
按規定把數據分塊，然后對每一塊進行計算，得出相應的糾錯碼字區塊，把糾錯碼字區塊 按順序構成一個序列，添加到原先的數據碼字序列后面。
如：D1, D12, D23, D35, D2, D13, D24, D36, ... D11, D22, D33, D45, D34, D46, E1, E23,E45, E67, E2, E24, E46, E68，...
5.構造矩陣：
將探測圖形、分隔符、定位圖形、校正圖形和碼字模塊放入矩陣中。
把上面的完整序列填充到相應規格的二維碼矩陣的區域中
6. 掩摸：將掩摸圖形用於符號的編碼區域，使得二維碼圖形中的深色和淺色（黑色和白色）區域能夠比率最優的分布。
一個算法，不研究了，有興趣的同學可以繼續。
7. 格式和版本信息：生成格式和版本信息放入相應區域內。
版本7-40都包含了版本信息，沒有版本信息的全為0。二維碼上兩個位置包含了版本信息，它們是冗余的。
版本信息共18位，6X3的矩陣，其中6位時數據為，如版本號8，數據位的信息時 001000，后面的12位是糾錯位。
參考：
二維碼的生成細節和原理
QR碼生成原理（一）
二維條碼
出處：https://www.cnblogs.com/relices/p/QRCode.html
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二維碼（QR code）基本結構及生成原理
什么是二維碼
二維碼 （2-dimensional bar code），是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息的。
在許多種類的二維條碼中，常用的碼制有：Data Matrix, Maxi Code, Aztec, QR Code, Vericode, PDF417, Ultracode, Code 49, Code 16K等。
二維條碼/二維碼可以分為堆疊式/行排式二維條碼和矩陣式二維條碼。
1.堆疊式/行排式二維條碼，堆疊式/行排式二維條碼又稱堆積式二維條碼或層排式二維條碼，其編碼原理是建立在一維條碼基礎之上，按需要堆積成二行或多行。它在編碼設計、校驗原理、識讀方式等方面繼承了一維條碼的一些特點，識讀設備與條碼印刷與一維條碼技術兼容。但由於行數的增加，需要對行進行判定，其譯碼算法與軟件也不完全相同於一維條碼。有代表性的行排式二維條碼有：Code 16K、Code 49、PDF417、MicroPDF417 等。
2.矩陣式二維碼，最流行莫過於QR CODE ,我們常說的二維碼就是它了。矩陣式二維條碼（又稱棋盤式二維條碼）它是在一個矩形空間通過黑、白像素在矩陣中的不同分布進行編碼。在矩陣相應元素位置上，用點（方點、圓點或其他形狀）的出現表示二進制“1”，點的不出現表示二進制的“0”，點的排列組合確定了矩陣式二維條碼所代表的意義。矩陣式二維條碼是建立在計算機圖像處理技術、組合編碼原理等基礎上的一種新型圖形符號自動識讀處理碼制。具有代表性的矩陣式二維條碼有：Code One、MaxiCode、QR Code、 Data Matrix、Han Xin Code、Grid Matrix 等。
二維碼在現實生活中的應用越來越普遍由於QR CODE的流行，二維碼又稱QR code。
QR碼的特點
1.存儲大容量信息
傳統的條形碼只能處理20位左右的信息量，與此相比，QR碼可處理條形碼的幾十倍到幾百倍的信息量。
另外，QR碼還可以支持所有類型的數據。（如：數字、英文字母、日文字母、漢字、符號、二進制、控制碼等）。一個QR碼最多可以處理7089字(僅用數字時)的巨大信息量。
2.在小空間內打印
QR碼使用縱向和橫向兩個方向處理數據，如果是相同的信息量，QR碼所占空間為條形碼的十分之一左右。(還支持Micro QR碼，可以在更小空間內處理數據。)
3.有效表現各種字母
QR碼是日本國產的二維碼，因此非常適合處理日文字母和漢字。QR碼字集規格定義是按照日本標准“JIS第一級和第二級的漢字”制定的，因此在日語處理方面，每一個全角字母和漢字都用13比特的數據處理，效率較高，與其他二維碼相比，可以多存儲20%以上的信息。
4.對變臟和破損的適應能力強
QR碼具備“糾錯功能”，即使部分編碼變臟或破損，也可以恢復數據。數據恢復以碼字為單位（是組成內部數據的單位，在QR碼的情況下，每8比特代表1碼字），最多可以糾錯約30%（根據變臟和破損程度的不同，也存在無法恢復的情況）。
5.可以從任意方向讀取
QR碼從360°任一方向均可快速讀取。其奧秘就在於QR碼中的3處定位圖案，可以幫助QR碼不受背景樣式的影響，實現快速穩定的讀取。
6.支持數據合並功能
QR碼可以將數據分割為多個編碼，最多支持16個QR碼。使用這一功能，還可以在狹長區域內打印QR碼。另外，也可以把多個分割編碼合並為單個數據。
QR碼的信息量和版本
QR碼設有1到40的不同版本（種類)，每個版本都具備固有的碼元結構(碼元數)。（碼元是指構成QR碼的方形黑白點。)
“碼元結構”是指二維碼中的碼元數。從版本1(21碼元×21碼元)開始，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碼的各個版本結合數據量、字符類型和糾錯級別，均設有相對應的最多輸入字符數。也就是說，如果增加數據量，則需要使用更多的碼元來組成QR碼，QR碼就會變得更大。
例如，需要輸入的數據為100位的數字時，通過以下步驟來選定。
1．假設要輸入的數據種類為“數字”
2．從“L”“M”“Q”“H”中選擇糾錯級別。（假設選擇“M”）
3．查看下表，先從數字列找出數字為100以上且接近100的，其次找出糾錯級別“M”，兩者交叉的部分就是最佳版本。
通過下面的計算為每個字符類型，總比特數的計算方法。
QR碼的糾錯
QR碼具有“糾錯功能”。即使編碼變臟或破損，也可自動恢復數據。這一“糾錯能力”具備4個級別，用戶可根據使用環境選擇相應的級別。調高級別，糾錯能力也相應提高，但由於數據量會隨之增加，編碼尺寸也也會變大。
用戶應綜合考慮使用環境、編碼尺寸等因素后選擇相應的級別。 在工廠等容易沾染贓物的環境下，可以選擇級別Q或H，在不那么臟的環境下，且數據量較多的時候，也可以選擇級別L。一般情況下用戶大多選擇級別M(15%)。
糾錯級別的比率，是指全部碼字與可以糾錯的碼字的比率。
例如，需要編碼的碼字數據有100個，並且想對其中的一半，也就是50個碼字進行糾錯，則計算方法如下。糾錯需要相當於碼字2倍的符號（RS編碼※），因此在這種情況下的數量為50個×2＝100碼字。因此，全部碼字數量為200個，其中用作糾錯的碼字為50個，所以計算得出，相對於全部碼字的糾錯率就是25%。這一比率相當於QR碼糾錯級別中的“Q”級別。
另外，在上述例子當中，也可以認為相對於碼字數據的糾錯率為50%，但變臟或破損的部位不僅僅局限於碼字數據部分，因此，在QR碼中，還是用相對於全部碼字的比率來描述糾錯率。
※ RS編碼：QR碼的糾錯功能是通過將RS編碼附加到原數據中的方式實現的。RS編碼是應用於音樂CD等用途的數學糾錯方法。它能以字節為單位進行糾錯，適合用於錯誤位置會集中的突發錯誤。
QR碼的種類
QR碼的基本結構
QR(Quick-Response) code是被廣泛使用的一種二維碼，解碼速度快。它可以存儲多用類型，下圖是qrcode的基本結構：
位置探測圖形、位置探測圖形分隔符、定位圖形：用於對二維碼的定位，對每個QR碼來說，位置都是固定存在的，只是大小規格會有所差異；
校正圖形：規格確定，校正圖形的數量和位置也就確定了；
格式信息：表示改二維碼的糾錯級別，分為L、M、Q、H；
版本信息：即二維碼的規格，QR碼符號共有40種規格的矩陣（一般為黑白色），從21x21（版本1），到177x177（版本40），每一版本符號比前一版本 每邊增加4個模塊。
數據和糾錯碼字：實際保存的二維碼信息，和糾錯碼字（用於修正二維碼損壞帶來的錯誤）。
QR碼的編碼過程
下面是簡要QR編碼過程：
1.數據分析：確定編碼的字符類型，按相應的字符集轉換成符號字符； 選擇糾錯等級，在規格一定的條件下，糾錯等級越高其真實數據的容量越小。
2.數據編碼：將數據字符轉換為位流，每8位一個碼字，整體構成一個數據的碼字序列。其實知道這個數據碼字序列就知道了二維碼的數據內容。
容量如下：
| 格式 | 容量 |
|---|---|
| 數字 | 最多7089字符 |
| 字母 | 最多4296字符 |
| 二進制數（8 bit） | 最多2953字節 |
| 日文漢字/片假名 | 最多1817字符（采用Shift JIS） |
| 中文漢字 | 最多984字符（采用UTF-8） |
| 中文漢字 | 最多1800字符（采用BIG5） |
模式編碼如下：
| 模式 | 指示符 |
|---|---|
| ECI | 0111 |
| 數字 | 0001 |
| 字母數字 | 0010 |
| 8位字節 | 0100 |
| 日本漢字 | 1000 |
| 中文漢字 | 1101 |
| 結構鏈接 | 0011 |
| FNCI | 0101（第一位置） 1001（第二位置） |
| 終止符（信息結尾） | 0000 |
數據可以按照一種模式進行編碼，以便進行更高效的解碼，例如：對數據：01234567編碼（版本1-H），
1）分組：012 345 67
2）轉成二進制：
012→0000001100
345→0101011001
67 →1000011
3）轉成序列：0000001100 0101011001 1000011
4）字符數 轉成二進制：8→0000001000
5）加入模式指示符（上圖數字）0001：0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011
對於字母、中文、日文等只是分組的方式、模式等內容有所區別。基本方法是一致的。
3.糾錯編碼：按需要將上面的碼字序列分塊，並根據糾錯等級和分塊的碼字，產生糾錯碼字，並把糾錯碼字加入到數據碼字序列后面，成為一個新的序列。
| 糾錯等級 | 糾錯水平 |
|---|---|
| L | 7%字碼修正 |
| M | 15%字碼修正 |
| Q | 25%字碼修正 |
| H | 30%字碼修正 |
在二維碼規格和糾錯等級確定的情況下，其實它所能容納的碼字總數和糾錯碼字數也就確定了，比如：版本10，糾錯等級時H時，總共能容納346個碼字，其中224個糾錯碼字。
就是說二維碼區域中大約1/3的碼字時冗余的。對於這224個糾錯碼字，它能夠糾正112個替代錯誤（如黑白顛倒）或者224個據讀錯誤（無法讀到或者無法譯碼），這樣糾錯容量為：112/346=32.4%。
4.構造最終數據信息：在規格確定的條件下，將上面產生的序列按次序放如分塊中。
按規定把數據分塊，然后對每一塊進行計算，得出相應的糾錯碼字區塊，把糾錯碼字區塊 按順序構成一個序列，添加到原先的數據碼字序列后面。
如：D1, D12, D23, D35, D2, D13, D24, D36, … D11, D22, D33, D45, D34, D46, E1, E23,E45, E67, E2, E24, E46, E68，…
5.構造矩陣：將探測圖形、分隔符、定位圖形、校正圖形和碼字模塊放入矩陣中。
把上面的完整序列填充到相應規格的二維碼矩陣的區域中。
6.掩摸：將掩摸圖形用於符號的編碼區域，使得二維碼圖形中的深色和淺色（黑色和白色）區域能夠比率最優的分布。
7.格式和版本信息：生成格式和版本信息放入相應區域內。
版本7-40都包含了版本信息，沒有版本信息的全為0。二維碼上兩個位置包含了版本信息，它們是冗余的。
版本信息共18位，6X3的矩陣，其中6位時數據為，如版本號8，數據位的信息時 001000，后面的12位是糾錯位。
QR碼的應用
QR碼可以很“方便”地應用於各種場合。除了傳單和名片等印刷物之外，還可以應用於各種廣泛領域，如結算系統等與生活息息相關的領域以及工廠、流通等各種商業領域。QR碼已經成為日常生活不可或缺的工具。2012年，公益財團法人日本設計振興會對QR碼表示了高度評價，由於QR碼的功能非常貼近生活，設計精致，在其主辦的設計推薦制度中授予QR碼“優秀設計獎”。
QR碼的標准化
“想讓更多人使用QR碼”，秉承這一理念，DENSO WAVE全面公開了QR碼的相關標准。目前，QR碼已經在國家標准和國際標准中實現標准化，任何人都可以隨意查看該標准。
※DENSO WAVE INCORPORATED已宣布，不行使本公司就標准QR碼擁有的專利權(專利第2938338號)。
1997年 10月 被采納為AIM International(國際自動識別工業會)標准（ISS - QR Code）
1998年 3月 被采納為JEIDA（日本電子工業振興協會）標准（JEIDA-55）
1999年 1月 被采納為JIS（日本工業標准）（JIS X 0510）
2000年 6月 被采納為ISO國際標准 (ISO/IEC18004)
2004年 11月 Micro QR碼被采納為JIS（日本工業標准）（JIS X 0510）
2011年 12月 國際標准化組織GS1將QR碼采納為面向移動終端的標准
QR碼的簡要標准
QR碼標准文件下載
QR碼在ISO(ISO/IEC18004)中得到 標准化。因此，請從以下團體的網站購買QR碼標准文件，在下面網址中搜索18004。
http://www.iso.ch/iso/en/prods-services/ISOstore/store.html
不過2016標准版的價格略貴，可到本人的資源中下載2006標准版的，鏈接如下：
http://download.csdn.net/detail/u012611878/9687105
另外，這里提供一個c++編寫的qrcode編碼解碼工具，基於zxing的編碼庫，libqrcode的解碼庫，通過命令行完成二維碼圖片與文本之間的相互轉換，鏈接如下：
http://download.csdn.net/detail/u012611878/9705048
歡迎下崽。
出處：https://blog.csdn.net/u012611878/article/details/53167009