如今二維碼可以說是深入走進大家的生活了，推送名片、掃碼支付都離不開它，大家幾乎每天都會和二維碼打交道。雖然大家都知道二維碼的各種應用，但很多人並不知道二維碼的原理。做嵌入式這行的人一大特質就是喜歡研究各種技術本身，痞子衡早就對二維碼技術感興趣了。上期嵌入式半月刊的最後，痞子衡介紹了一個基於i.MXR... ...
大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是走進二維碼(QR Code)的世界專題的引言。
如今二維碼可以說是深入走進大家的生活了，推送名片、掃碼支付都離不開它，大家幾乎每天都會和二維碼打交道。雖然大家都知道二維碼的各種應用，但很多人並不知道二維碼的原理。做嵌入式這行的人一大特質就是喜歡研究各種技術本身，痞子衡早就對二維碼技術感興趣了。上期《嵌入式半月刊》的最後，痞子衡介紹了一個基於i.MXRT1050的掃碼支付終端(QM50)，這是一個二維碼識別的應用。這個應用徹底激活了痞子衡對二維碼的好奇心，所以接下來痞子衡打算帶大家一起深入研究一下二維碼技術，從零開始認識二維碼，並最終在MCU上實現二維碼生成與識別的設計。
如下圖左邊所示的矩形二維碼是大家最常看到的類型，網上可以找到很多資料，也有很多成熟的開源庫，痞子衡的最終目標不是研究這個已經沒啥秘密可言的二維碼，右邊那個放射狀的圓形二維碼才是痞子衡更感興趣的，這是微信於2017年推出的全新設計的小程式二維碼，網上關於這種二維碼的設計資料非常少，也沒有開源庫，所以痞子衡打算實現一下這種圓形二維碼。
今天痞子衡就先給大家簡單介紹一下QR Code基本知識以及這個專題後續的推進計劃：
一、QR Code入門
1.1 二維碼起源與種類
在介紹二維碼之前，很有必要先提一下它的老大哥條形碼（barcode），條形碼技術早在20世紀40年代就被髮明出來了，只不過到了70年代激光束掃描器的問世才使得條形碼技術真正落地。條形碼常用的碼制有EAN、UPC、Codabar、Code 39、Code 128等。
條形碼本質上屬於一維碼，一維碼所攜帶的信息量有限，如EAN-13碼僅能容納13位阿拉伯數字，更多的信息只能依賴資料庫的支持，離開了預先建立的資料庫，這種條形碼就沒有意義了，因此，在一定程度上也限制了條形碼的應用範圍。基於這個原因，在20世紀80年代出現了二維碼。
二維碼依靠其龐大的信息攜帶量，能夠把過去使用一維條形碼時存儲於後臺資料庫中的信息包含在二維條形碼中，可以直接通過閱讀二維條形碼得到相應的信息，並且二維條形碼還有錯誤修正技術及防偽功能，增加了數據的安全性。全球現有250多種二維碼，其中常見技術標準有PDF417，QRCode，Code49、Code16K，CodeOne等20餘種。
1.2 QR Code發明人
目前最流行的二維碼非QR Code標準莫屬，這是來自日本的電裝公司發明的一種二維碼。關於QR Code的發展歷史可以看電裝公司自己寫的軟文《QR碼的成功之路》。QR Code於2000年被正式採納為ISO國際標準 (ISO/IEC18004)。
- 電裝公司官網：https://www.denso-wave.com/
- QR Code官網：https://www.qrcode.com/
這是QR Code的簡要標準，大家先睹為快：
1.3 QR Code基本概念
QR Code有三個基本概念你必須要知道，分別是模型、版本、糾錯能力。
QR Code一共有兩個模型，分別是模型1和模型2。模型1是最早製作的QR Code，最高版本為14（73×73碼元），最多可以處理1167位數字。模型2是模型1的改良版，它在二維碼變形的情況下也能順利讀取數據。當二維碼被列印在曲面上，或者由於讀取角度等原因導致二維碼變形時，仍然可以通過設置在二維碼內部的對齊模式有效讀取。模型2最高版本為40（177×177碼元），最多可以處理7089位數字。
現在市面上主流的就是QR Code模型2，後面文章所提的QR Code均指模型2。QR Code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 Code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 Code具有“糾錯功能”。即使編碼變臟或破損，也可自動恢複數據。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。
QR Code的糾錯功能是通過將Reed-solomon Codes（RS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。它能以位元組為單位進行糾錯，適合用於錯誤位置會集中的突發錯誤。
二、QR Code變種：微信小程式碼
2.1 QR Code變種
前面介紹的是最標準的QR Code樣式，但二維碼發展到現在已經出現了很多變種，有彩色圖片、動圖、甚至非矩形的。這些變異二維碼本質上與標準QR Code原理一致，只是在編碼排版上有所不同，因此生成和識別工具也不同。
2.2 微信小程式碼
微信小程式碼也是一種異形碼，這是騰訊2017年1月為微信小程式專門設計的一種二維碼式樣，這種異形並不是微信的首創，Facebook、Snap等公司都已經推出過類似的異形碼。這種小程式碼相比標準二維碼有如下幾個優點：
- 觀賞性：小程式碼與普通二維碼相比，看起來更美觀
- 掃碼預期：掃碼前能明確知道掃碼之後將會體驗到一個小程式
- 安全性：小程式碼目前只能通過微信產生，並且只能通過微信識別，安全性更高
- 品牌宣傳：每個小程式碼右下角都是固定的微信小程式 Logo，每見到一次小程式碼，大家就能多一次聯想到微信小程式
- 高容錯性：當一張二維碼圖片中間嵌有某些 Logo 圖片時，其實相當於是把最中間部分有用的編碼信息挖掉，再貼一張 Logo 圖片上去。而小程式碼不同，中間的 Logo 區並不包含數據編碼的部分，因此小程式碼擁有更高的容錯性
目前小程式碼一共支持 3 種容量，分別是 36 射線、54 射線和 72 射線：
因為小程式碼的專用性，目前它的生成都只能通過調用微信官方API介面，關於小程式碼的設計文檔寥寥無幾，來自騰訊官方的文章《你一定不知道，小程式碼是這樣綻放的》只稍稍透露了一些。
三、走進QR Code世界之路
鑒於以上介紹，痞子衡新開的這個專題後續推進計劃如下：
- 階段一：學習標準QR Code原理，使用Python搭建一個二維碼生成與識別平臺（基於現有開源庫）
- 階段二：深入標準QR Code原理，純手工寫Python代碼實現Version1，ECC Level為L的二維碼生成與識別
- 階段三：學習微信小程式碼原理，純手工寫Python代碼實現36射線小程式碼生成與識別
- 階段四：將Python端手工實現移植到MCU端，在i.MXRT1060-EVK板上實現二維碼生成與識別
- 階段五：移植一個成熟開源庫到MCU端，在i.MXRT1060-EVK板上實現二維碼生成與識別
至此，走進二維碼(QR Code)的世界專題的引言痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~
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