前言
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
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：
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。
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。
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）
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：
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）
下面我们看几个示例，
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
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
4. 把这些二进制连接起来：00111001110 11100111001 000010
5. 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
6. 在头上加上编码标识 0010 和第5步的个数编码: 0010 000000101 00111001110 11100111001 000010
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 |
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
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 01000000 11101100 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。
画二维码图
1、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）
2、Alignment Pattern
然后，再把 Alignment 图案画上
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）
下图是根据上述表格中的 Version8 的一个例子（6，24，42）
3、Timing Pattern
接下来是 Timing Pattern 的线（这个不用多说了）
4、Format Information
再接下来是 Formation Information，下图中的蓝色部分。
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）
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：
关于 Error Correction Level 如下表所示：
关于 Mask 图案如后面的 Table 23 所示。
5、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。
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：
而其填充位置如下：
6、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。
7、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。
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）
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。
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。