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Atitit java 二维码识别 图片识别

二维码又称QR Code,QR全称Quick
Response,是一个近几年来移动设备上超流行的一种编码方式,它比传统的Bar
Code条形码能存更多的信息,也能表示更多的数据类型:比如:字符,数字,日文,中文等等。这两天学习了一下二维码图片生成的相关细节,觉得这个玩意就是一个密码算法,在此写一这篇文章
,揭露一下。供好学的人一同学习之。

 

关于QR Code
Specification,可参看这个PDF:http://raidenii.net/files/datasheets/misc/qr_code.pdf

1.1. 解码1
1.2. 首先,我们先说一下二维码一共有40个尺寸。官方叫版本Version。1
1.3. 二维码的样例:2
1.4. 定位图案2
1.5. 数据编码3
1.6.
错误修正容量L水平7%的字码可被修正M水平15%的字码可被修正Q水平25%的字码可被修正H水平30%的字码可被修正3
1.7. QR是怎么对数据码加上纠错码的?3
1.8. 画二维码图4
1.9.
简要的编码过程:数据分析:确定编码的字符类型,按相应的字符集转换成符号字符;
选择纠错等级,7
1.10. qr长度容量7

基础知识

首先,我们先说一下二维码一共有40个尺寸。官方叫版本Version。Version 1是21
x 21的矩阵,Version 2是 25 x 25的矩阵,Version
3是29的尺寸,每增加一个version,就会增加4的尺寸,公式是:(V-1)*4 +
21(V是版本号) 最高Version 40,(40-1)*4+21 = 177,所以最高是177 x 177
的正方形。

下面我们看看一个二维码的样例:

必发bf88 1

1.1.解码
编码lib:Qrcode_swetake.jar   (官网介绍–
http://www.swetake.com/qr/index-e.html)             
解码lib:qrcode.jar                 (官网介绍–
http://sourceforge.jp/projects/qrcode/)

定位图案
  • Position Detection
    Pattern是定位图案,用于标记二维码的矩形大小。这三个定位图案有白边叫Separators
    for Postion Detection
    Patterns。之所以三个而不是四个意思就是三个就可以标识一个矩形了。

  • Timing
    Patterns也是用于定位的。原因是二维码有40种尺寸,尺寸过大了后需要有根标准线,不然扫描的时候可能会扫歪了。

  • Alignment Patterns 只有Version
    2以上(包括Version2)的二维码需要这个东东,同样是为了定位用的。

1.2.首先,我们先说一下二维码一共有40个尺寸。官方叫版本Version。
Version 1是21 x 21的矩阵,Version 2是 25 x 25的矩阵,Version
3是29的尺寸,每增加一个version,就会增加4的尺寸,公式是:(V-1)*4 +
21(V是版本号) 最高Version 40,(40-1)*4+21 = 177,所以最高是177 x 177
的正方形。

功能性数据
  • Format Information 存在于所有的尺寸中,用于存放一些格式化数据的。

  • Version Information 在 >= Version 7以上,需要预留两块3 x
    6的区域存放一些版本信息。

    /**
     * @param args the command line arguments
     */ 
    public static void main(String[] args) { 
        QRCodeDecoderHandler handler = new QRCodeDecoderHandler(); 
        String imgPath =
“c:\\3bf33a87e950352a5936aa0a5543fbf2b2118b59.jpg”; 
        String decoderContent = handler.decoderQRCode(imgPath,”gbk”); 
        System.out.println(“解析结果如下:”); 
        System.out.println(decoderContent); 
        System.out.println(“========decoder success  !!!”); 
    } 
1.3. 二维码的样例:

数据码和纠错码
  • 除了上述的那些地方,剩下的地方存放 Data Code 数据码 和 Error
    Correction Code 纠错码。

 
1.4.定位图案
Position Detection
Pattern是定位图案,用于标记二维码的矩形大小。这三个定位图案有白边叫Separators
for Postion Detection
Patterns。之所以三个而不是四个意思就是三个就可以标识一个矩形了。
Timing
Patterns也是用于定位的。原因是二维码有40种尺寸,尺寸过大了后需要有根标准线,不然扫描的时候可能会扫歪了。
Alignment Patterns 只有Version
2以上(包括Version2)的二维码需要这个东东,同样是为了定位用的。

数据编码

我们先来说说数据编码。QR码支持如下的编码:

Numeric
mode
数字编码,从0到9。如果需要编码的数字的个数不是3的倍数,那么,最后剩下的1或2位数会被转成4或7bits,则其它的每3位数字会被编成
10,12,14bits,编成多长还要看二维码的尺寸(下面有一个表Table
3说明了这点)

Alphanumeric mode字符编码。包括
0-9,大写的A到Z(没有小写),以及符号$ % * + – . / :
包括空格。这些字符会映射成一个字符索引表。如下所示:(其中的SP是空格,Char是字符,Value是其索引值)
编码的过程是把字符两两分组,然后转成下表的45进制,然后转成11bits的二进制,如果最后有一个落单的,那就转成6bits的二进制。而编码模式和字符的个数需要根据不同的Version尺寸编成9,
11或13个二进制(如下表中Table 3)

必发bf88 2

Byte mode,
字节编码,可以是0-255的ISO-8859-1字符。有些二维码的扫描器可以自动检测是否是UTF-8的编码。

Kanji
mode
这是日文编码,也是双字节编码。同样,也可以用于中文编码。日文和汉字的编码会减去一个值。如:在0X8140
to
0X9FFC中的字符会减去8140,在0XE040到0XEBBF中的字符要减去0XC140,然后把结果前两个16进制位拿出来乘以0XC0,然后再加上后两个16进制位,最后转成13bit的编码。如下图示例:

必发bf88 3

Extended Channel Interpretation (ECI)
mode
主要用于特殊的字符集。并不是所有的扫描器都支持这种编码。

Structured Append
mode
用于混合编码,也就是说,这个二维码中包含了多种编码格式。

FNC1
mode
这种编码方式主要是给一些特殊的工业或行业用的。比如GS1条形码之类的。

简单起见,后面三种不会在本文 中讨论。

下面两张表中,

  • Table 2 是各个编码格式的“编号”,这个东西要写在Format
    Information中。注:中文是1101

  • Table 3
    表示了,不同版本(尺寸)的二维码,对于,数字,字符,字节和Kanji模式下,对于单个编码的2进制的位数。(在二维码的规格说明书中,有各种各样的编码规范表,后面还会提到)

必发bf88 4

下面我们看几个示例,

功能性数据
Format Information 存在于所有的尺寸中,用于存放一些格式化数据的。
Version Information 在 >= Version 7以上,需要预留两块3 x
6的区域存放一些版本信息。
数据码和纠错码
除了上述的那些地方,剩下的地方存放 Data Code 数据码 和 Error Correction
Code 纠错码。
1.5.数据编码
我们先来说说数据编码。QR码支持如下的编码:数字,字符,byte

示例一:数字编码

在Version 1的尺寸下,纠错级别为H的情况下,编码: 01234567

  1. 把上述数字分成三组: 012 345 67

  2. 把他们转成二进制: 012 转成 0000001100; 345 转成 0101011001; 67 转成
    1000011。

  3. 把这三个二进制串起来: 0000001100 0101011001 1000011

  4. 把数字的个数转成二进制 (version 1-H是10 bits ):8个数字的二进制是
    0000001000

  5. 把数字编码的标志0001和第4步的编码加到前面: 0001 0000001000 0000001100
    0101011001 1000011

1.6.错误修正容量L水平7%的字码可被修正M水平15%的字码可被修正Q水平25%的字码可被修正H水平30%的字码可被修正

示例二:字符编码

在Version 1的尺寸下,纠错级别为H的情况下,编码: AC-42

  1. 从字符索引表中找到 AC-42 这五个字条的索引 (10,12,41,4,2)

  2. 两两分组: (10,12) (41,4) (2)

3.把每一组转成11bits的二进制:

(10,12) 10*45+12 等于 462 转成 00111001110
(41,4) 41*45+4 等于 1849 转成 11100111001
(2) 等于 2 转成 000010

  1. 把这些二进制连接起来:00111001110 11100111001 000010

  2. 把字符的个数转成二进制 (Version 1-H为9 bits ):5个字符,5转成
    000000101

  3. 在头上加上编码标识 0010 和第5步的个数编码: 0010 000000101 00111001110
    11100111001 000010

1.7.QR是怎么对数据码加上纠错码的?
首先,我们需要对数据码进行分组,也就是分成不同的Block,然后对各个Block进行纠错编码,对于如何分组,我们可以查看QR
Code Spec的第33页到44页的Table-13到Table-22的定义表。注意最后两列:

结束符和补齐符

假如我们有个HELLO
WORLD的字符串要编码,根据上面的示例二,我们可以得到下面的编码,

编码 字符数 HELLO WORLD的编码
0010 000001011 01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101

我们还要加上结束符:

编码 字符数 HELLO WORLD的编码 结束
0010 000001011 01100001011 01111000110 10001011100 10110111000 10011010100 001101 0000

1.8.画二维码图
Position Detection Pattern
首先,先把Position Detection图案画在三个角上。

按8bits重排

如果所有的编码加起来不是8个倍数我们还要在后面加上足够的0,比如上面一共有78个bits,所以,我们还要加上2个0,然后按8个bits分好组:

00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101
01000011 01000000

1.8.1.1.1.Alignment Pattern
然后,再把Alignment图案画上

补齐码(Padding Bytes)

最后,如果如果还没有达到我们最大的bits数的限制,我们还要加一些补齐码(Padding
Bytes),Padding Bytes就是重复下面的两个bytes:11101100 00010001
(这两个二进制转成十进制是236和17,我也不知道为什么,只知道Spec上是这么写的)关于每一个Version的每一种纠错级别的最大Bits限制,可以参看QR
Code
Spec
的第28页到32页的Table-7一表。

假设我们需要编码的是Version
1的Q纠错级,那么,其最大需要104个bits,而我们上面只有80个bits,所以,还需要补24个bits,也就是需要3个Padding
Bytes,我们就添加三个,于是得到下面的编码:

00100000 01011011 00001011 01111000 11010001 01110010 11011100 01001101
01000011 0100000011101100 00010001 11101100

上面的编码就是数据码了,叫Data
Codewords,每一个8bits叫一个codeword,我们还要对这些数据码加上纠错信息。

关于Ali
1.8.1.1.2.Timing Pattern
接下来是Timing Pattern的线(这个不用多说了)

纠错码

上面我们说到了一些纠错级别,Error Correction Code
Level,二维码中有四种级别的纠错,这就是为什么二维码有残缺还能扫出来,也就是为什么有人在二维码的中心位置加入图标。

错误修正容量

L水平

7%的字码可被修正

M水平

15%的字码可被修正

Q水平

25%的字码可被修正

H水平

30%的字码可被修正

那么,QR是怎么对数据码加上纠错码的?首先,我们需要对数据码进行分组,也就是分成不同的Block,然后对各个Block进行纠错编码,对于如何分组,我们可以查看QR
Code
Spec
的第33页到44页的Table-13到Table-22的定义表。注意最后两列:

  • Number of Error Code Correction Blocks:需要分多少个块。

  • Error Correction Code Per
    Blocks
    :每一个块中的code个数,所谓的code的个数,也就是有多少个8bits的字节。

必发bf88 5

举个例子:上述的Version 5 +
Q纠错级:需要4个Blocks(2个Blocks为一组,共两组),头一组的两个Blocks中各15个bits数据


  • 9个bits的纠错码(注:表中的codewords就是一个8bits的byte)(再注:最后一例中的(c,
    k, r )的公式为:c = k + 2 *
    r,因为后脚注解释了:纠错码的容量小于纠错码的一半)

下图给一个5-Q的示例(因为二进制写起来会让表格太大,所以,我都用了十进制,我们可以看到每一块的纠错码有18个codewords,也就是18个8bits的二进制数)

数据

对每个块的纠错码

1

1

67 85 70 134 87 38 85 194 119 50 6 18 6 103 38

213 199 11 45 115 247 241 223 229 248 154 117 154 111 86 161 111 39

2

246 246 66 7 118 134 242 7 38 86 22 198 199 146 6

87 204 96 60 202 182 124 157 200 134 27 129 209 17 163 163 120 133

2

1

182 230 247 119 50 7 118 134 87 38 82 6 134 151 50 7

148 116 177 212 76 133 75 242 238 76 195 230 189 10 108 240 192 141

2

70 247 118 86 194 6 151 50 16 236 17 236 17 236 17 236

235 159 5 173 24 147 59 33 106 40 255 172 82 2 131 32 178 236

注:二维码的纠错码主要是通过Reed-Solomon error
correction
(里德-所罗门纠错算法)来实现的。对于这个算法,对于我来说是相当的复杂,里面有很多的数学计算,比如:多项式除法,把1-255的数映射成2的n次方(0<=n<=255)的伽罗瓦域Galois
Field之类的神一样的东西,以及基于这些基础的纠错数学公式,因为我的数据基础差,对于我来说太过复杂,所以我一时半会儿还有点没搞明白,还在学习中,所以,我在这里就不展开说这些东西了。还请大家见谅了。(当然,如果有朋友很明白,也繁请教教我)

1.8.1.1.3.Format Information
再接下来是Formation Information,下图中的蓝色部分。

最终编码

Format
Information是一个15个bits的信息,每一个bit的位置如下图所示:(注意图中的Dark
Module,那是永远出现的)

穿插放置

如果你以为我们可以开始画图,你就错了。二维码的混乱技术还没有玩完,它还要把数据码和纠错码的各个codewords交替放在一起。如何交替呢,规则如下:

对于数据码:把每个块的第一个codewords先拿出来按顺度排列好,然后再取第一块的第二个,如此类推。如:上述示例中的Data
Codewords如下:

块 1 67 85 70 134 87 38 85 194 119 50 6 18 6 103 38  
块 2 246 246 66 7 118 134 242 7 38 86 22 198 199 146 6  
块 3 182 230 247 119 50 7 118 134 87 38 82 6 134 151 50 7
块 4 70 247 118 86 194 6 151 50 16 236 17 236 17 236 17 236

我们先取第一列的:67, 246, 182, 70

然后再取第二列的:67, 246, 182, 70, 85,246,230 ,247

如此类推:67, 246, 182, 70, 85,246,230 ,247 ……… ………
,38,6,50,17,7,236

对于纠错码,也是一样:

块 1 213 199 11 45 115 247 241 223 229 248 154 117 154 111 86 161 111 39
块 2 87 204 96 60 202 182 124 157 200 134 27 129 209 17 163 163 120 133
块 3 148 116 177 212 76 133 75 242 238 76 195 230 189 10 108 240 192 141
块 4 235 159 5 173 24 147 59 33 106 40 255 172 82 2 131 32 178 236

和数据码取的一样,得到:213,87,148,235,199,204,116,159,……
……39,133,141,236

然后,再把这两组放在一起(纠错码放在数据码之后)得到:

67, 246, 182, 70, 85, 246, 230, 247, 70, 66, 247, 118, 134, 7, 119, 86,
87, 118, 50, 194, 38, 134, 7, 6, 85, 242, 118, 151, 194, 7, 134, 50,
119, 38, 87, 16, 50, 86, 38, 236, 6, 22, 82, 17, 18, 198, 6, 236, 6,
199, 134, 17, 103, 146, 151, 236, 38, 6, 50, 17, 7, 236, 213, 87, 148,
235, 199, 204, 116, 159, 11, 96, 177, 5, 45, 60, 212, 173, 115, 202, 76,
24, 247, 182, 133, 147, 241, 124, 75, 59, 223, 157, 242, 33, 229, 200,
238, 106, 248, 134, 76, 40, 154, 27, 195, 255, 117, 129, 230, 172, 154,
209, 189, 82, 111, 17, 10, 2, 86, 163, 108, 131, 161, 163, 240, 32, 111,
120, 192, 178, 39, 133, 141, 236

这就是我们的数据区。

这15个bits中包括:
5个数据bits:其中,2个bits用于表示使用什么样的Error Correction Level,
3个bits表示使用什么样的Mask
10个纠错bits。主要通过BCH Code来计算
然后15个bits还要与101010000010010做XOR操作。这样就保证不会因为我们选用了00的纠错级别,以及000的Mask,从重造
1.8.1.1.4.Version Information
再接下来是Version
Information(版本7以后需要这个编码),下图中的蓝色部分。

Remainder Bits

最后再加上ReminderBits,对于某些Version的QR,上面的还不够长度,还要加上Remainder
Bits,比如:上述的5Q版的二维码,还要加上7个bits,Remainder
Bits加零就好了。关于哪些Version需要多少个Remainder bit,可以参看QR Code
Spec
的第15页的Table-1的定义表。

Version
Information一共是18个bits,其中包括6个bits的版本号以及12个bits的纠错码,下面是一个示例:
数据和数据纠错码
然后是填接我们的最终编码,最终编码的填充方式如下:从左下角开始沿着红线填我们的各个bits,1是黑色,0是白色。如果遇到了上面的非数据区,则绕开或跳过。

画二维码图

掩码图案
这样下来,我们的图就填好了,但是,也许那些点并不均衡,所以,我们还要做Masking操作(靠,还嫌不复杂)QR的Spec中说了,QR有8个
Mask你可以使用,如下所示:其中,各个mask的公式在各个图下面。所谓mask,说白了,就是和上面生成的图做XOR操作。Mask只会和数据区进
行XOR,不会影响功能区。

Position Detection Pattern

首先,先把Position
Detection图案画在三个角上。(无论Version如何,这个图案的尺寸就是这么大)

必发bf88 6

1.9.简要的编码过程:数据分析:确定编码的字符类型,按相应的字符集转换成符号字符;
选择纠错等级,
在规格一定的条件下,纠错等级越高其真实数据的容量越小。数据编码:将数据字符转换为位流,每8位一个码字,整体构成一个数据的码字序列。其实知道这个数据码字序列就知道了二维码的数据内容。
数据可以按照一种模式进行编码,以便进行更高效的解码,例如:对数据:01234567编码(版本1-H),1)分组:012
345 672)转成二进制:012→0000001100               345→0101011001        
        67 →10000113)转成序列:0000001100 0101011001 10000114)字符数
转成二进制:8→00000010005)加入模式指示符(上图数字)0001:0001
0000001000 0000001100 0101011001
1000011对于字母、中文、日文等只是分组的方式、模式等内容有所区别。基本方法是一致的
1.10.qr长度容量
Cn utf8 984 
Byte 2953byte 
Ch 4296   num 7089

Alignment Pattern

然后,再把Alignment图案画上(无论Version如何,这个图案的尺寸就是这么大)

必发bf88 7

关于Alignment的位置,可以查看QR Code
Spec
的第81页的Table-E.1的定义表(下表是不完全表格)

必发bf88 8

下图是根据上述表格中的Version8的一个例子(6,24,42)

必发bf88 9

1.11.二维码的解析

Timing Pattern

接下来是Timing Pattern的线(这个不用多说了)

必发bf88 10

1、定位图形:首先寻找探测图形,就是二维码上的三个方块。这三个方块的作用就是不管在哪个方向扫描图形,都可以扫到,不信可以将手机翻转测试一下。在通过二维码上的定位图形和分隔符确定二维码信息的图像。定位图形确定二维码符号中模块的坐标,二维码中的模块都是固定的,包括校正图形,版本信息,数据和纠错码。分隔符呢,就是将探测图形与二维码信息图像分开。

Format Information

再接下来是Formation Information,下图中的蓝色部分。

必发bf88 11

Format
Information是一个15个bits的信息,每一个bit的位置如下图所示:(注意图中的Dark
Module,那是永远出现的)

必发bf88 12

这15个bits中包括:

  • 5个数据bits:其中,2个bits用于表示使用什么样的Error Correction
    Level, 3个bits表示使用什么样的Mask
  • 10个纠错bits。主要通过BCH Code来计算

然后15个bits还要与101010000010010做XOR操作。这样就保证不会因为我们选用了00的纠错级别和000的Mask,从而造成全部为白色,这会增加我们的扫描器的图像识别的困难。

下面是一个示例:

必发bf88 13

关于Error Correction Level如下表所示:

必发bf88 14

关于Mask图案如后面的Table 23所示。

2、灰度化二维码信息像素:手机拍到的图像都是彩色的,所以拍摄到二维码也不列外,它也是彩色的,只不过除了黑白,其他颜色非常浅而已。灰度化是指通过颜色的深浅来识别二维码,就是说颜色深的按深灰处理,浅色的按浅灰处理,去掉其他颜色。

Version Information

再接下来是Version
Information(版本7以后需要这个编码),下图中的蓝色部分。
必发bf88 15

Version
Information一共是18个bits,其中包括6个bits的版本号以及12个bits的纠错码,下面是一个示例:

必发bf88 16

而其填充位置如下:

必发bf88 17

3、去掉二维码信息像素的噪点:相机的传感器在把光线作为接收信号和输出过程产生的粗糙像素,这些粗糙的像素是照片中不应该出现的干扰因素。噪点就是指这些粗糙的像素。

数据和数据纠错码

然后是填接我们的最终编码,最终编码的填充方式如下:从左下角开始沿着红线填我们的各个bits,1是黑色,0是白色。如果遇到了上面的非数据区,则绕开或跳过。

必发bf88 18

 

4、二值化二维码信息像素:二值化是说将图像上像素灰度值设置为0或者255,也就是变成只有黑白两种颜色。第一步已经灰度化变成只有深灰和浅灰两种颜色,现在二值化是将深灰变成黑色,浅灰变成白色。为什么变成黑白色呢。因为二维码图像其实是由二进制的0或者1组成,0代表白色,1代表黑色。二维码在二值化时会将二维码图像变成只有黑白色的条码,然后根据解析公式什么的(因为像素是0-255之间,要全部转变成0或者255,估计得经过一些计算,然后0就是0,255变为1)转化成二进制信息。

掩码图案

这样下来,我们的图就填好了,但是,也许那些点并不均衡,如果出现大面积的空白或黑块,会告诉我们扫描识别的困难。所以,我们还要做Masking操作(靠,还嫌不复杂)QR的Spec中说了,QR有8个Mask你可以使用,如下所示:其中,各个mask的公式在各个图下面。所谓mask,说白了,就是和上面生成的图做XOR操作。Mask只会和数据区进行XOR,不会影响功能区。(注:选择一个合适的Mask也是有算法的

必发bf88 19

其Mask的标识码如下所示:(其中的i,j分别对应于上图的x,y)

必发bf88 20

下面是Mask后的一些样子,我们可以看到被某些Mask
XOR了的数据变得比较零散了。

必发bf88 21

Mask过后的二维码就成最终的图了。

好了,大家可以去尝试去写一下QR的编码程序,当然,你可以用网上找个Reed
Soloman的纠错算法的库,或是看看别人的源代码是怎么实现这个繁锁的编码。

 

5、二维码译码和纠错:将得到的二进制信息进行译码和纠错。得到的二进制信息是版本格式信息、数据和纠错码经过一定的编码方式生成的,所以译码是对版本格式信息,数据和纠错码进行解码和对比。纠错是和译码同时进行的,将数据进行纠错。

Atitit.二维码功能的设计实践 attilax 总结 – attilaxAti – 博客园.html
atitit.二维码生成总结java zxing – attilax的专栏 – 博客频道 –
CSDN.NET.html
 
Java实现二维码QRCode的编码和解码 – 记忆是夏天 – 博客频道 –
CSDN.NET.html
二维码的生成细节和原理 – 51CTO.COM.html
二维码原理介绍_百度经验.html
二维码的生成和解析原理 – kelindame的专栏 – 博客频道 – CSDN.NET.html
二维码的工作原理_百度知道.html

作者:: 绰号:老哇的爪子 ( 全名::Attilax Akbar Al Rapanui 阿提拉克斯
阿克巴 阿尔 拉帕努伊 ) 
汉字名:艾提拉(艾龙),   EMAIL:1466519819@qq.com
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