​扫描二维码背后的原理和实现

一、引言

现在,扫描二维码已经成为我们生活中取款、付款、登录APP等常见操作中必不可少的一环。那么,当我们使用手机扫描二维码时,整个过程发生了什么?本文将从原理到实现两个方面,全面揭开扫描二维码的神秘面纱。

二、二维码的组成

二维码是一种矩阵式条码,是用某种特定的几何图形按一定规律在平面上分布的黑白相间的图形点组合。它具有以下特点:

• 数据容量大,一般可存500字节以上的数据
• 有误错检测和纠正功能,容错率高达30%
• 可以在全方向360度任意角度扫描识读
  一个二维码由功能模式、格式信息、版本信息、纠错级别等构成,其基本组成单元是“块”。每个块包含多个模块,每个模块表示一位二进制数据0或1。

块与块之间留有空白区域,二维码的三个位置检测图形位于Code Area的三个角上,识别时扫描仪可以通过它来判断二维码的朝向和尺寸。

三、二维码的编码原理

二维码的编码遵循一定的标准,主要包括以下步骤:

1. 收集需要编码的数据
2. 选择纠错级别,计算纠错码字
3. 按编码规则将数据转换成二进制位数组
4. 按照规定模式和格式信息添加功能模式、格式信息
5. 按照二维码块的结构,将二进制位数组分配到各个块中
6. 在编码区域周围添加分割线、定位标志等 assistants
7. 将每个模块按照颜色亮度编码成黑白点
   接下来我们重点来看一下其中的关键步骤:纠错编码和层次结构分配。3.1 纠错编码为了提高二维码的容错能力,需要对原始数据进行纠错编码。常见的纠错编码有 Reed-Solomon 码、BCH码等。以 Reed-Solomon码 为例,编码前需要先将数据进行CRC计算以产生校验码,然后将信息与校验码一起进行编码。编码后会产生一串纠错码字。

在解码时,只要码字中有30%以下出错,就可以完全恢复原始信息,从而实现高容错率。

3.2 层次结构分配

二维码的编码顺序是从右下角开始,按层次逐个分配的。分配时先确定当前层次的块数,然后顺序循环分配每一层的数据。

各层依次分配后,最终形成完整的二维码。

四、二维码的解码原理

手机扫描二维码时,整个解码流程如下:

1. 相机获取二维码图像
2. 图像预处理,包括滤波、阈值化等
3. 检测定位标志,确认二维码区域和朝向
4. 识别同心阵列查找图形中心
5. 将二维码分块,识别每个块的内容
6. 按解码规则转换为字节数组
7. 进行纠错解码,获取原始编码数据
8. 分析模式和格式信息,提取真实数据内容
   其中,定位和识别是解码的重点和难点。一般需要检测二维码区域的边缘、遍历像素判定颜色后确定各个块。常用的算法包括以下几种:
9. 基于contour的矩形检测
10. 基于直线检测的Hough变换
11. 基于覆盖的图形识别
12. 基于像素统计的阈值化分块
    各个算法都需要结合图像处理技术,通过扫描图形的几何特征来实现快速准确的定位和识别。五、二维码的应用实现5.1 生成二维码要生成二维码,可以使用一些成熟的二维码生成库,如 QRCode、libqrencode等。主要需要实现以下功能:
13. 收集需要编码的内容
14. 指定纠错级别
15. 调用库函数生成含定位标记和数据信息的矩阵
16. 按照编码色彩要求,将矩阵转换为黑白像素图片
    python
    import qrcode

data = ‘https://www.example.com’

qr = qrcode.QRCode(version=2, box_size=10, border=5)

qr.add_data(data)

qr.make(fit=True)

img = qr.make_image(fill=‘black’, back_color=‘white’)

img.save(‘qrcode.png’)

5.2 扫描二维码

扫描二维码常见的方案是结合相机与算法实现的扫描应用程序。主要流程如下:

1. 获取相机实时图像
2. 使用OpenCV或其他图像处理库进行预处理
3. 提取图像特徵,定位二维码区域
4. 分块识别码字信息
5. 解码转换并校验,输出解码结果
   这样就可以对准物理二维码实时扫描并解码,获得隐藏的数据。六、总结二维码作为一种编码存储方式,通过特定的编码规则和纠错机制,使物理世界中的信息可以被手机扫描快速识别。了解其基本组成结构、编码原理以及识别算法,对我们应用和开发二维码扫描功能很有帮助。