二維碼詳解
一、二維碼的分類
二維碼，從字面上看就是用兩個維度（水平方向和垂直方向）來進行資料的編碼，條形碼只利用了一個維度（水平方向）表示資訊，在另一個維度(垂直方向)沒有意義，所以二維碼比條形碼有著更高的資料儲存容量。
從形成方式上，二維碼可以分為兩類，
1、堆疊式二維碼：在一維條形碼的基礎上，將多個條形碼堆積在一起進行編碼，常見的編碼標準有PDF417等
圖1 PDF417碼示例
2、矩陣式二維碼:在一個矩陣空間中通過黑色和白色的方塊進行資訊的表示，黑色的方塊表示1，白色的方塊表示0，相應的組合表示了一系列的資訊，常見的編碼標準有QR 碼，漢信碼等
圖2 QR碼示例 圖3 漢信碼示例
PDF417由美國研發，在美國地區使用廣泛
漢信碼由中國自主研發，目前已在政府相關領域得到初步的使用。
QR碼由日本研發，目前很多的應用都是用QR碼進行編碼，譯碼
目前使用最廣的是QR碼，所以接下來的內容會對QR碼進行講解，下文中提到的二維碼，指的就是QR碼
QR碼分為40個版本，版本1由21x21個方塊組成，每個版本增加4個方塊，版本40由177x177個方塊組成。每增加一個版本，QR碼可儲存的資訊數量也隨之增多。
版本1的二維碼最多可以儲存25個字元或41個數字，而版本40的二維碼最多可以儲存4296個字元或7089個數字
二、二維碼的結構
一個二維碼可以分為兩個部分，功能圖形和編碼區域
圖4
功能圖形起到定位的作用
位置探測圖形：由三個黑白相間的大正方形巢狀組成，分別位於二維碼左上角、右上角、左下角，目的是為了確定二維碼的大小和位置。
定點陣圖形 ：由兩條黑白相間的直線組成，便於確定二維碼的角度，糾正扭曲。
校正圖形 ：僅在版本2以上存在，由三個黑白相間的小正方形巢狀組成，便於確定中心，糾正扭曲。
資料區記錄了具體的資料資訊，糾錯資訊與版本資訊。
資料和糾錯碼：記錄了資料資訊和相應的糾錯碼，糾錯碼的存在使得當二維碼的資料出現允許範圍內的錯誤時，也可以正確解碼。
版本資訊 ：僅在版本7以上存在，記錄具體的版本資訊。
格式資訊 ：記錄使用的掩碼和糾錯等級。
此外二維碼的外圍還留有一圈空白區，主要是為了便於識別而存在。
三、資料編碼與例項
針對不同的資料，QR碼設計了不同的資料編碼編碼方式，我們可以根據資料的種類選擇合適的編碼方式進行編碼。
數字編碼（Numeric） ：可編碼0-9，10個數字，如果需要編碼的數字的個數不是3的倍數，最後剩下的1或2位數會被轉成4或7bits，其它的每3位數字會根據不同版本被編成 10，12，14bits
字元編碼（Alphanumeric) ：可編碼0-9,大寫的A-Z,以及9個其他的字元(space $ % * + – . / :);
8位位元組模式(8-bit Byte) ：可編碼JIS X 0201的8位Latin/Kana字符集
除此之外，QR還提供了其他的編碼方式，每一個編碼方式都有其獨有的id進行標識，這些標識會記錄在資料區的前端，使得解碼器可以根據二維碼使用的編碼方式對資料進行解碼
圖5 一些編碼方式及其標識
糾錯碼
二維碼存在4個級別的糾錯等級，每個糾錯級別可修正的錯誤與標識見圖6，糾錯級別越高，可以修正的錯誤就越多，需要的糾錯碼的數量也變多，相應的可儲存的資料就會減少，版本1的二維碼在L級別下可儲存25個字元，在H級別下只能儲存10個字元。
圖6
下面給一個01234567在版本1下用數字編碼(Numeric)，選擇的糾錯級別是M的示例
第一步，將定點陣圖案放到二維碼中
圖7
第二步：進行資料編碼
根據圖8，版本1下，採用Numeric Mode編碼時，每三個數字需要10個bits進行標示
圖8
012 ->0000001100
345 ->0101011001
67 ->1000011
組合起來為
0000001100 0101011001 1000011
在資料的頭尾加上一些標準要求的資訊
頭
數字個數 (8) = 0000001000
編碼格式 =0001
尾
終止符 =0000
組合起來為
0000001100 0101011001 1000011->
0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011 0000
按8bit一組重新排列，末尾不足的補零
0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011 0000->
00010000 00100000 00001100 01010110 01100001 10000000
不足最大bit的新增補齊碼（11101100 00010001），版本1 M下需要128bits
00010000 00100000 00001100 01010110 01100001
10000000->
00010000 00100000 00001100 01010110 01100001
10000000 11101100 00010001 11101100 00010001
11101100 00010001 11101100 00010001 11101100
00010001
第三步：新增糾錯碼
糾錯碼根據資料利用RS演算法來進行計算，篇幅所限，這裡就不具體講解了，最終的結果如下：
00010000 00100000 00001100 01010110 01100001
10000000 11101100 00010001 11101100 00010001
11101100 00010001 11101100 00010001 11101100
00010001->
00010000 00100000 00001100 01010110 01100001
10000000 11101100 00010001 11101100 00010001
11101100 00010001 11101100 00010001 11101100
00010001 10100101 00100100 11010100 11000001
11101101 00110110 11000111 10000111 00101100
01010101
第四步：將最終的資料編碼按順序放入二維碼中
圖9 圖10
從左下角開始，1為黑色，0為白色，按順序依次填入二維碼中
第五步:新增格式資訊和進行掩碼運算
得到的影象還需要對資料區進行掩碼運算，掩碼運算的目的是讓影象中黑色和白色方塊分佈的更加均勻一些，便於解碼
有以下幾種掩碼運算，相應的標識和變換方式見圖11,二維碼的左上角的座標為(0,0)
圖11
圖12 座標系和掩碼運算的圖案
這裡我們選擇標識為011的掩碼
格式資訊的組成為 ：糾錯標識+掩碼標識+BCH糾錯碼
所以前面的糾錯標識+掩碼標識為：00011
BCH糾錯碼計算為：
得到糾錯碼為 ：011 0101 1001
格式資訊為 ：00011 1101011001
為了避免選擇標識00的糾錯類別和標識000的掩碼運算，照成格式資訊為全0的數字，所得的格式資訊還要與101010000010010做異或運算
000111101011001
101010000010010 XOR
101101101001011
最終的格式資訊為 ：101101101001011
將格式資訊放入二維碼中
圖13
對加格式資訊後的二維碼 進行掩碼運算
得到的最終二維碼，儲存的資料資訊是01234567
圖14
整個流程見圖15
圖15
四、二維碼的安全知識
雖然二維碼本身承擔的只是一些文字資料，但仍會導致一些安全問題
1、攻擊者將一些惡意網站或者一些惡意程式碼製作成二維碼，使用者掃描後，會自動下載一些惡意軟體，或跳轉到一些虛假網站給使用者造成危害，
3、如果將一些敏感資訊不加密而直接儲存在二維碼中，便會存在資訊洩露的可能，比如11年火車票上的二維碼就存在洩露使用者的身份證號碼的問題。
五、總結
雖然我們在使用二維碼的時候只需要用手機一掃即可，但二維碼的編碼和解碼卻包含了很多的步驟和很多的知識，此外二維碼本身僅僅是資料的承載體，我們在使用時要針對一些敏感資訊進行加密處理，防範潛在的攻擊方式
參考文獻