基于QRcode创建和识别二维码的研究

至于什么是二维码，大家都使用过，其实比较形象，对比之前的条形码，就很容易理解，就是基于水平方向排列的通过小竖条的宽度不同表示不同的信息，而二维码，表达信息的方式是基于二维的黑白相间（不一定就是黑白，多数看到的可能是黑白，其实颜色是可以随着自己的需要，灵活调整的）的小方块，按照一定的规则排列的一个矩形区域内，形成一个传递信息的编码方式。

二维码（本博客重点介绍的是目前主流的矩形二维码，堆叠的或者其他的模式，不做介绍），有其固有的特点，由定位矩形框，信息表达区域等功能识别器，特征明显，如下图：

一个可视的二维码，乍一看，就是上面这个样子，只是因为里面有很多信息码元（黑白相间的矩形块），看起来比这个更丰富。

就算这种矩阵式的二维码，也有几个不同的分支，请看下面的概要图片：

关于二维码的理论，这里先不做过多的介绍，后面会专题介绍理论，今天主要从代码实现的角度，介绍如何生成二维码，以及一些基本的参数调整，对二维码的影响。

下面直接上代码：

package qcode;

import com.swetake.util.Qrcode;

import javax.imageio.ImageIO;
import java.awt.*;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.io.File;
import java.io.IOException;

/**
 *
 * 基于QRcode包实现的矩阵式二维码的创建过程研究和学习
 *
 * Created by shihuc on 2020/12/13.
 */
public class QRCodeCreate {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int v = 3;
        for (v = 1; v <= 40; v++) {
            try {
                qrCreator(v, "Quick Response", 15, 3, 3);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }



    }

    public static void qrCreator(int ver, String info, int margin, int w, int h) throws IOException {
        /**
         * 计算二维码图片的高宽比
         * API文档规定计算图片宽高的方式 ，v是本次测试的版本号，v为0时，表示生成的二维码尺寸随存储内容的变化而变化
         */
        int v = ver;
        int width = 67 + 12 * (v - 1);
        int height = 67 + 12 * (v - 1);


        Qrcode x = new Qrcode();
        /**
         * 纠错等级分为
         * level L : 最大 7% 的错误能够被纠正；
         * level M : 最大 15% 的错误能够被纠正；
         * level Q : 最大 25% 的错误能够被纠正；
         * level H : 最大 30% 的错误能够被纠正；
         * 设置二维码排错率，可选L(7%)、M(15%)、Q(25%)、H(30%)，排错率越高可存储的信息越少，但对二维码清晰度的要求越小
         */
        x.setQrcodeErrorCorrect('L');
        //注意版本信息 N代表数字 、A代表 a-z,A-Z、B代表 其他)
        x.setQrcodeEncodeMode('B');
        //版本号1-40, 设置设置二维码尺寸，取值范围1-40，值越大尺寸越大，可存储的信息越大
        x.setQrcodeVersion(v);

        //设置二维码的边框留白信息，就是在原有的二维码外边框留下白色的边距，让二维码显得有结构感
        int qr_margin = margin;


        //String qrData = "https://www.cnblogs.com/shihuc";//内容信息
        String qrData = info + " " + v;

        // 获得内容的字节数组，设置编码格式，汉字转格式需要抛出异常
        byte[] d = qrData.getBytes("utf-8");

        //缓冲区
        BufferedImage bufferedImage = new BufferedImage(width+2*qr_margin, height+2*qr_margin, BufferedImage.TYPE_INT_BGR);

        //绘图, 用来画出二维码信息
        Graphics2D gs = bufferedImage.createGraphics();

        //设置二维码背景颜色和前景颜色，这里，可以设计出自己想要的颜色的二维码了，很方便
        gs.setBackground(Color.WHITE);
        gs.setColor(Color.RED);
        gs.clearRect(0, 0, width+2*qr_margin, height+2*qr_margin);

        /**
         * 偏移量 3, 可以将二维码较好的控制在最后输出的二维码图片的中央位置，太大，会导致向右下角偏移，
         * 太小，会导致向左上角偏移， 偏移太多，二维码识别时，无法找到三个定位的正方形，从而无法识别二维码
         */
        int pixOff = 3 + qr_margin;


        /**
         * 容易踩坑的地方
         * 1.注意for循环里面的i，j的顺序，
         *   s[j][i]二维数组的j，i的顺序要与这个方法中的 gs.fillRect(j*3+pixOff,i*3+pixOff, 3, 3);
         *   顺序匹配，否则会出现解析图片是一串数字
         *
         *  另外，还有需要注意的地方，fillRect里面后面的两个参数 width，height，指的是二维码里面填充的小方块，通常是指那个黑色
         *  的方块，太大了，导致整个二维码图片里面黑色太多，太小，里面的白色区域偏多，通常是选择长宽都为3居多, 不管是偏大还是偏小，
         *  都会导致最后的二维码识别有困难，甚至识别不出来
         */
        /**
         * 仔细观察，下面s数组的维度，就是码元的维度，这里将体现出版本v和码元大小的关系, 21 + 4*(v - 1)
         * v=1: 21*21
         * v=2: 25*25
         * v=3: 29*29
         * v=4: 33*33
         * .......
         */
        boolean[][] s = x.calQrcode(d); //计算需要打印前景色的位置，二维码核心算法函数
        for (int i = 0; i < s.length; i++) {
            for (int j = 0; j < s.length; j++) {
                if (s[j][i]) {
                    gs.fillRect(j * 3 + pixOff, i * 3 + pixOff, w, h);
                }
            }
        }
        gs.dispose();

        bufferedImage.flush();
        //设置图片格式，与输出的路径
        ImageIO.write(bufferedImage, "png", new File("D:\ProTempHome\margin\qrcode" + v + ".png"));
        System.out.println( "v: " + v + ",二维码生成完毕");
    }
}

这里要说明的是，生成二维码所需的包，只有一个QRcode.jar，可以到我的网盘下载（https://pan.baidu.com/s/1X8dNd47-5cYPQ7hgMUZB3g，提取密码：8v5q），就是一个jar文件，将其copy到项目的lib路径下，并添加到classpath路径下。

若想在maven项目里面使用这个包，其实可以自己基于maven的安装指令，将这个jar变成maven格式的dependency配置信息。

mvn install:install-file -Dfile=D:ProgramQRCodeQRCode.jar -DgroupId=QRCode -DartifactId=QRCode -Dversion=3.0 -Dpackaging=jar 

安装完成后，在maven的pom文件中，添加下面的内容：

<dependency>
       <groupId>QRCode</groupId>
       <artifactId>QRCode</artifactId>
       <version>3.0</version>
</dependency>

这里，代码里面的注释信息已经很丰富，下面，需要对几个重点内容强调一下：

1. 上述案例的代码，支持设置边框留白的大小，其实，二维码生成逻辑还是蛮容易理解的，基于一套算法（纠错级别L、M、Q、H，及Model，再就是版本v都能影响这个算法的输出），得出一个布尔值类型的二维数组，然后，控制绘图程序，在矩形区域将码元信息绘制出来，最后得到我们熟悉的二维码。

1.1 这里纠错级别，和版本号，模式等参数，影响生成的二维码的大小，能够容纳的信息，抗干扰的能力。下面，给出了版本v只有前3个的变化表，可以粗略对比，就能有所了解。

1.2 在model，纠错参数配置不变的情况下，版本v的取值（1-40）越大，得到的二维码的尺寸也越大，最终识别这个二维码的难度也越大（识别的时间会加长），但是能够存储的信息也越多，下面给几个基于上面的代码生成的二维码的图片，大家可以对比观察下。

v=1

v=6

v=11

v=16

v=21

v=26

v=40

大家若有兴趣，可以用微信的扫一扫功能，可以体会一下，这个识别的过程是不是会越来越有困难，时间会变得比较长。

2. 基于上诉代码，不仅可以实现各种尺寸，各种纠错码模式，各种编码模式的二维码的生成（纠错模式越高，【L最低，Q最高】，存储信息越少，抗干扰，或者说越容易识别，反之亦然）。另外，还有一个很有意思的点，需要分享，那就是码元块的大小是可以调整的，就是上述代码中的这个函数的后面两个参数w，h。

gs.fillRect(j * 3 + pixOff, i * 3 + pixOff, w, h);

当这个参数变大时，生成的二维码显得更厚重，这两个参数的值越小时，生成的二维码给人的感觉很稀疏，如下图：

                                                     

2.1 上面的图片是基于上述的代码（w,h有变化）生成的，v取值5。 从左向右，w=h=5， 3，2，1. 大家可以用微信扫一扫试试，最右边的这个w=1的二维码，我的手机微信识别不出来。基于这里的调整试验，得出一个信息，二维码的定位矩形框的大小（v不变的情况下），受到代码中pixOff的影响【准确的说是受到代码中pixOff = 3 + qr_margin中的3的影响，这个3变大，二维码中的定位矩形框越大，反之亦然；然而，仅仅调整这个数字是不科学的，会导致二维码不能完整的打印在公式中BufferImage定义的图片中】，基于上述代码，3已经是一个调整的算是不错的大小因子。

2.2 接下来说明w，h，他们的取值，在二维码定位矩形框大小不变时，w，h值越大，二维码看起来很厚重，w，h值越小，二维码越稀薄，上述的图片，当定位矩形框不是线条时（此时的码元大小也是缺失的），会导致二维码识别不出来。

3. 程序识别二维码

package qcode;

import jp.sourceforge.qrcode.data.QRCodeImage;

import java.awt.image.BufferedImage;

/**
 * 实现QRCodeImage接口，
 * 设置解码的图片信息
 * 核心就是告诉codeDecoder.decode()将要解析的图片类型
 *
 * Created by shihuc on 2020/12/13.
 */
public class MyQRCodeImage implements QRCodeImage{


    BufferedImage bufferedImage;

    public MyQRCodeImage(BufferedImage bufferedImage){
        this.bufferedImage=bufferedImage;
    }

    //宽
    @Override
    public int getWidth() {
        return bufferedImage.getWidth();
    }

    //高
    @Override
    public int getHeight() {
        return bufferedImage.getHeight();
    }

    //获取给定坐标位置的RGB点位的像素值
    @Override
    public int getPixel(int i, int j) {
        return bufferedImage.getRGB(i,j);
    }
}

package qcode;

import jp.sourceforge.qrcode.QRCodeDecoder;

import javax.imageio.ImageIO;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.io.File;
import java.io.IOException;

/**
 * 程序进行识别二维码的信息
 * 有点类似模拟手机微信扫一扫识别二维码的逻辑，只是这里图片已经存在，不像APP里面扫描二维码是拍摄照片，然后再识别。
 *
 * Created by shihuc on 2020/12/13.
 */
public class QRCodeRead {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        int v = 1;
        for ( v = 1; v <= 40; v++) {
            qrReader(v);
        }
    }

    public static void qrReader(int v) throws IOException {

        //图片路径
        File file = new File("D:\ProTempHome\margin\qrcode" + v + ".png");

        //读取图片到缓冲区
        BufferedImage bufferedImage = ImageIO.read(file);

        //QRCode解码器
        QRCodeDecoder codeDecoder = new QRCodeDecoder();

        //通过解析二维码获得信息
        String result = new String(codeDecoder.decode(new MyQRCodeImage(bufferedImage)), "utf-8");
        System.out.println("识别二维码 v=" + v + "的内容: " + result);
    }
}

直接上了代码，这里需要说明的是，基于前面的二维码生成算法，得到的二维码图片，经过上述的二维码解码程序，都能很好的识别出来。 但是，针对上面的调整w，h（其他参数都不变的情况下），会导致有些二维码识别不出来，直接报错了（v变高的时候，w,h值对识别的影响越发明显，具体的变化根源，有待后续进一步研究，有人若知道，可以给我留言，告知根源是什么）。 

微信的扫一扫对二维码识别的能力还是比较强的，如前面，我将二维码变得厚重后，微信基本还是能识别出二维码的内容（不能厚重的太过分。。。）

好了，今天，博文就分享到这里，还是有很多内容需要进一步去研究，希望看官，可以分享一下你的二维码研究心得。

下一篇博客，打算研究一下给二维码中间插入一个漂亮的logo的解决方案，并且研究一下矩阵式二维码的原理和理论，欢迎探讨！