二维码的创建过程及原理

二维码的创建过程及原理

生活中随处可见的二维码，你知道其创建过程和对应的原理吗？

多伦多大学的工程师Nayuki做了一个JavaScript的网页Demo，分9步为我们解锁了其背后的原理：

1. 字符分析（Analyze Unicode characters）：检测输入文本中的每个字符及其Unicode编码，评估并选择最适合的编码模式（如数字、字母数字、字节、汉字）。【图1】

2. 创建数据段（Create data segment）：根据选择的编码模式，将输入的字符转换为对应的二进制位串，每个字符通常转换为8位二进制。【图2】

3. 选择版本号（Fit to version number）：根据数据段的总比特长度和所需的纠错级别，选择合适的二维码版本（1到40）。每个版本支持不同数量的数据和纠错能力。【图3】

4. 连接数据段并添加填充（Concatenate segments, add padding, make codewords）：将所有数据段的比特串连接起来，添加终止符和必要的比特填充，以确保总比特数符合所选二维码的版本容量。然后将比特串分割为8位一组的字节码。【图4】

5. 分割块、添加纠错码并交织（Split blocks, add ECC, interleave）：将字节码分割为多个块，为每个块生成纠错码（使用Reed–Solomon算法），并将字节码与纠错码交织在一起，以增强二维码的抗损坏能力。【图5】

6. 绘制定位图案（Draw fixed patterns）：在二维码的特定位置绘制定位图案（如三个角的寻址图）、时序图案和对齐图案，这些定位图案能帮助扫描设备正确定位二维码。【图6】

7. 绘制数据码字和剩余区域（Draw codewords and remainder）：按照锯齿形扫描顺序，将字节码和纠错码的比特值填充到二维码的模块中，跳过功能模块（如定位图案和格式信息区域）。【图7】

8. 应用掩码模式（Try applying each mask）：尝试使用不同的掩码模式（0到7），优化二维码的视觉效果，通过对数据模块进行异或操作，减少大面积相同颜色模块，提升扫描可靠性。【图8】

9. 评估并选择最佳掩码（Find penalty patterns & Calculate penalty points, select best mask）：根据一系列规则（如同色模块的连续长度、2x2同色块、寻址图案样式、黑白比例等）计算每种掩码模式的惩罚分。选择惩罚分最低的掩码模式作为最终二维码，以确保二维码的可读性和美观性。【图9】

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