IM扫码登录技术专题(四)：你真的了解二维码吗？刨根问底、一文掌握！

本文引用了ELab团队、腾讯大讲堂两个公众号分享的文章内容，引用内容见文末参考资料，感谢原作者的无私分享。

1、引言

对于市面上主流的IM来说，跟二维码有关的功能，比如扫码加好友、扫码登陆、扫码加群等，都是很常见的。

这是微信的扫码登录功能：


这是微信的扫码加好友功能：


二维码技术使用起来很简单，本系列的前三篇文章也专门针对IM扫码登录这个功能做了详细的分享，但本着学习技术不留死角的习惯，我认为有必要单独学习一下到底什么是二维码（说不定哪天被个刚入行的程序员轻轻一句“哥，啥是2维码”，给问的懵逼了，那时就不仅“头凉”，还会“心梗”...），这也是专门整理本文的目的所在。

说明：准确地说，我们平时见的最多的二维码其实是QR码，也就是目前我国应用最为广泛的一种二维码。为了表述简单，如无特指，本文中所述二维码皆指QR码。



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2、专题目录

本文是系列文章的第4篇，总目录如下：

• 《IM扫码登录技术专题(一)：微信的扫码登录功能技术原理调试分析》
• 《IM扫码登录技术专题(二)：市面主流的扫码登录技术原理调试分析》
• 《IM扫码登录技术专题(三)：通俗易懂，IM扫码登录功能详细原理一篇就够》
• 《IM扫码登录技术专题(四)：你真的了解二维码吗？刨根问底、一文掌握！》（* 本文）
  

推荐：本站另一篇《难得干货，揭秘支付宝的2维码扫码技术优化实践之路》可一并阅读。

3、二维码的源起

准确地说，我们平时见的最多的二维码其实是QR码，也就是目前我国应用最为广泛的一种二维码。为了表述简单，如无特指，本文中所述二维码皆指QR码。

3.1时代背景

上个世纪60年代之后，日本经济迎来的高速增长期，种类繁多的商品的超市开始在城市中出现。

当时超市使用的现金出纳机要靠手动输入商品价格，因此负责现金出纳的人常常会因手腕的麻木和“腱鞘炎”而苦恼。

“能否减轻超市收款员的负担呢？”

条形码的出现解决了这一苦恼。由于POS系统的成功开发，仅通过光感读取条形码，价格就会自动显示在出纳机上，同时读取的商品信息还能传送到计算机上。

如此一来，条形码得以普及，但新的课题又随之而来。问题在于条形码的容量有限，英文数字最多只能容纳20个字。

“编码本身要是能够含有更多的信息就好了”、“希望具有汉字和假名的处理功能”。

当时正在从事条形码读取机研发的Denso Wave公司（这家公司是日本电装株式会社（Denso Corporation）旗下的子公司）了解到了这类需求。在这一背景下，研发小组怀着“一定要满足客户需求”的心愿，投入到了新的二维码的研发之中。

3.2研发2人组

“当时其他公司研发的二维码把重点放在了信息量的纳入上”，当时负责二维码研发的腾弘原(Masahiro Hara)回首当年如是说。


▲ 上图中的“怪大叔”就是腾弘原(Masahiro Hara)

条形码只能横向（一维）存储信息，相比之下，二维码则能纵横二维存储信息。腾弘原的考虑是，除了能够容纳大量的信息外，“研发的编码还要便于读取”，据此投入了新的二维码的研发之中。研发小组仅仅只有两人。

3.3技术难题

腾弘原(Masahiro Hara)的研发小组面临的最大技术难题，是如何实现高速读取。

有一天，腾弘原的脑海里浮现出这样一个思路：“附上‘此处有编码’这样的位置信息会怎样？”

于是想到的是回字形的“定位图案”。将这一图形放入二维码中，便可实现其他公司无法模仿的高速读取。


▲ 上图中三个角的回字型图案就是“定位图案”


▲ “定位图案”黑白色块比例是1:1:3:1:1

3.4“定位图案”为何是回字型？

定位图案为何要使用那种回字型的呢？

腾弘原解释说：“因为这种图形在票据等当中出现频率最小”。

也就是说：如果附近有同样的图形，读取机就会将其误认为是编码，为了防止这种误读，定位图案必须是唯一的图形。

经过全面考虑：腾弘原等人决定将印刷在广告单、杂志、纸板等处的绘图和文字全部变成黑白两色，对其面积比率进行彻底的调查。

研发小组日以继夜地对无数的印刷品进行调查的结果，终于查明了印刷品中“最不常用的比率”，即1︰1︰3︰1︰1。

这样：便确定了定位图案黑白部分的宽幅比率。所形成的结构是，扫描线可以从360度方向扫描，无论从哪个方向扫描，一旦扫到其独特的比率，便可计算出编码的位置。


▲回字型 “定位图案”使得无论从哪个方向扫描都能正常识别

研发项目启动后经过一年半的时间，在经历了几多曲折之后，可容纳约7000个数字的二维码（准确地说是QR码）终于诞生了。其特点是能进行汉字处理，大容量，而且读取速度比其他编码快10倍以上。

3.5二维码的专利费

既然二维码（准确地说是QR码）这东西是由公司和个人研究完成，那为时至今日它的专利费到底该怎么收取呢？

坊间传闻，腾弘原说了这么一句话：“这种技术其实随便找个网络工具就能实现，所以这么简单的东西，我就不收专利费啦。”。

当然以上只是传闻，应该不是真的。

实际上Denso Wave公司拥有QR码的专利权，完全可以向使用QR码的公司或个人收费专利费，但Denso Wave公司明确表示不会行使这项权利。这是开始研发当初就定下来的方针，也反映了研发者的想法：“希望能有更多的人使用QR码”。

于是无需成本、可放心使用的QR码现已作为“公共的编码”，在全世界得到了广泛的应用。

4、二维码的优点

回到技术本身，用现代的视角先来总结一下二维码到底有什么优点。

二维码出现之前，在需要使用类似编码的场景时，采用的都是一维码（条形码）。

但是条形码承载的信息太少，只能用于一些很简单的场景，因此条形码除了用于商品等信息，并没有广泛流行。



总结一下，二维码具有以下优点：

• 1）信息容量大：可容纳多达 1850 个大写字母或 2710 个数字或 1108 个字节，或 500 多个汉字，比普通条码信息容量约高几十倍；
• 2）编码范围广：该条码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码，用条码表示出来；
• 3）容错能力强：具有纠错功能，这使得二维条码因穿孔、污损等引起局部损坏时，照样可以正确得到识读，损毁面积达 50% 仍可恢复信息；
• 4）译码可靠性：它比普通条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一；
• 5）可引入加密：保密性、防伪性好；
• 6）使用成本低：易制作，持久耐用。
  

5、初识二维码

我们可以先试着生成一个二维码，演示地址是：https://kazuhikoarase.github.io/qrcode-generator/js/demo/。



如上图所示：可以发现，二维码有 4 个可变项，其中主要的 2 个为版本和容错率。

1）版本（TypeNumber）：
一共有 40 个尺寸，对应 40 个版本；Version1是 21*21 的矩形，之后每增加一个版本，就增加4的尺寸，即（v-1）4+21，最高是Version40，177177 的正方形。

2）容错率（ErrorCorrectionLevel）：
二维码容错率即是指二维码图标被遮挡多少后，仍可以被扫描出来的能力。容错率越高，则二维码图片能被遮挡的部分越多。

二维码有 4 个容错等级：


根据以上配置不同，相同的内容，在不同的配置下产生的二维码不一样，但扫出的内容是一样的。

6、二难码的设计原理

日常我们看到的二维码就是一张由黑白色块混合在一起的一张图片，我们肯定也知道这些黑白色块就是内容的某种编码，但其实除了内容外，二维码还有许多其他辅助扫码识别的信息。



如上图所示，按右侧标识的从上到下的顺序，分别是功能区和数据区。

6.1功能区

功能区的主要内容是：

• 1）位置探测图形：位于左上、左下、右上的三个矩形，可以说是二维码最重要的组成部分；
• 2）位置探测图形分隔符：位置探测图形周围的白边，用于分割位置探测图形和数据。
• 3）定位图形：三个位置探测图形之间的两根“线”，用于确定二维码符号中模块的坐标（相当于坐标轴）；
• 4）校正图形：用于校正定位（只有版本2以上有），版本越高个数越多，以校正可能发生的定位偏移。
  

位置探测图形的作用主要是：

• 1）确定二维码的放置方向：不管顺着扫倒着扫，都可以准确找到第一个编码字符的位置（左上矩形的右边）；如果任一矩形被遮挡，扫描设备将无法定位；
• 2）确定编码字符的边界：确定编码字符的上下左右边界，不被周围其他信息干扰。
  

从网上搜二维码图片，可以观察下，这些二维码都具有位置探测图形、位置探测图形分隔符及定位图形。

其中第三幅，定位图形不太对，也确实就扫不出来：

6.2数据区

数据区的主要内容是：

• 1）格式信息：存放包括纠错码类型、掩码类型等信息；
• 2）数据和纠错码字：最主要的部分，用于存放数据和纠错信息。
  

除掉定位区以及格式信息，数据和纠错码字的排布如下：

7、二维码的生成流程

在所有数据都完成放置之后，还有一步操作：添加掩码。

掩码主要是为了避免，如果出现大面积的空白或黑块，导致我们扫描识别的困难。

常用的掩码如下：


数据经过掩码后，基本不会再出现大面积的黑块和白块，利于扫描。



注：掩码只会与数据区进行 XOR，不会影响功能区。

8、Show me the code

只要遵循以上二维码的规范，生成对应的二维码图形即可，具体实现逻辑不影响。

这里我们参考jquery-qrcode，简单看下实现。

主要流程如下：

makeImpl : function(test, maskPattern) {
    this.moduleCount = this.typeNumber * 4 + 17;
    this.modules = new Array(this.moduleCount);
    for (var row = 0; row < this.moduleCount; row++) {
      this.modules[row] = new Array(this.moduleCount);
      for (var col = 0; col < this.moduleCount; col++) {
        this.modules[row][col] = null;//(col + row) % 3;
      }
    }
    
    this.setupPositionProbePattern(0, 0);// 位置探测图形
    this.setupPositionProbePattern(this.moduleCount - 7, 0);// 位置探测图形
    this.setupPositionProbePattern(0, this.moduleCount - 7);// 位置探测图形
    this.setupPositionAdjustPattern(); // 校正图形
    this.setupTimingPattern(); // 定位图形（坐标轴）
    this.setupTypeInfo(test, maskPattern); // 版本信息

    if (this.typeNumber >= 7) {
      this.setupTypeNumber(test);
    }

    if (this.dataCache == null) {
      this.dataCache = QRCode.createData(this.typeNumber, this.errorCorrectLevel, this.dataList); // 生成数据
    }

    this.mapData(this.dataCache, maskPattern); // 加入掩码
  },

生成二维数据后，再把点一一绘制出来即可：

var createCanvas  = function(){
      // create the qrcode itself
      var qrcode  = new QRCode(options.typeNumber, options.correctLevel);
      qrcode.addData(options.text);
      qrcode.make();

      // create canvas element
      var canvas  = document.createElement('canvas');
      canvas.width  = options.width;
      canvas.height = options.height;
      var ctx   = canvas.getContext('2d');

      // compute tileW/tileH based on options.width/options.height
      var tileW = options.width  / qrcode.getModuleCount();
      var tileH = options.height / qrcode.getModuleCount();

      // draw in the canvas
      for( var row = 0; row < qrcode.getModuleCount(); row++ ){
        for( var col = 0; col < qrcode.getModuleCount(); col++ ){
          ctx.fillStyle = qrcode.isDark(row, col) ? options.foreground : options.background;
          var w = (Math.ceil((col+1)*tileW) - Math.floor(col*tileW));
          var h = (Math.ceil((row+1)*tileH) - Math.floor(row*tileH));
          ctx.fillRect(Math.round(col*tileW),Math.round(row*tileH), w, h);  
        } 
      }

      // return just built canvas
      return canvas;
    }

9、艺术二维码

日常我们见到的二维码都是黑白的，但其实二维码可以多姿多彩。



这里有很多样式，可以试一试：https://qrbtf.com/。

二维码之所以可以五颜六色，是因为二维码的有用信息只是 0 和 1，至于 0 和 1 用什么信息表达，只要扫码软件可以识别就行。目前的扫码软件一般都是对图片进行灰度处理，所以二维码上的点无论如何表达，只要经过灰度处理后 0 和 1 没有颠倒，则信息不会出错，不会影响扫码结果。

艺术二维码实现起来也不难，只要区分特定的数据区，并用特定的图片渲染即可，有兴趣可以参考：https://github.com/252860883/ArtQRCode。

更简单一点的，也可以直接降低黑白透明度，背景渲染特定的图片：


如果只是网页上显示，还可以做成 gif 动图形式（这里就不贴样本了）。

不过，艺术二维码由于颜色更丰富干扰信息更多，因此相比黑白二维码，艺术二维码对扫描软件的要求也更高。

10、微信小程序码

小程序码和二维码虽然看起来完全不一样，但是它们的设计思想及生成流程是基本一样的。



如上图所示，微信小程序码的特征有：

• 1）具有位置探测图形；
• 2）支持3种容量：36 射线、54 射线和 72 射线；
• 3）具有 L、M、Q、H 4种容错级别；
• 4）掩码操作均匀0、1码点。
  

题外话：了解二维码的原理后，其实我们自己也可以手画二维码。

11、一个有趣的问题：“二维码会被用完吗？”

这个问题很简单，答案是：会。

因为二维码的尺寸是有限的，那二维码的数量就是有限的。

但是用完所有的二维码，需要很长很长的时间。。。

现在的二维码有40个官方版本，从Version1-40，最小为21*21、最大为177*177矩阵。

其中，以微信名片为例，就是37×37 的矩阵规格，微信的付款码是 25×25 的矩阵规格。为了方便理解，我们用方块作为矩阵单位。


▲ 上图就是微信名片（即37×37矩阵的二维码）

如何计算，各矩阵中生成的二维码个数？

我们来举个例子：


如上图所示的四宫格，每个格子有两种颜色变化，请问一个四宫格可以组合出多少个图形？



答案是：一个格子两种颜色，那就是两种可能，两个格子就是四种可能，三个格子就是8种可能，四个格子就是16种可能。所以，四宫格能够组成2^4，共16个图形。

以此类推，以微信的 25X25 付款码为例：


每一排有 25 个方块，共 25 列，除去定位用的方块和冗余纠错的方块等，还剩下478 个方块。按照二进制，每个方块只有黑或白两种选择，所以 478 个小方块理论上一共可以组合 2^478 个二维码。

也就是一个25X25规格尺寸的二维码可以生成：

780437137578998057845399307448291576437149535666242787714789239906342934704941405030076525765872992789956732780351655723861993919822071326572544个二维码。

大家可以尝试念出来大概多少个？

根据疫情期间1400亿个二维码的数量来计算，假设微信一年会用掉6000亿个二维码。那微信用掉25X25这一个尺寸产生的二维码需要多少年呢？

我们来算一下：2^478/6000亿=1.301×10^132 年（超多亿亿亿亿年）。

所以：虽然理论上二维码确实有用完的那一天，但实际上这个时间帮长了，以至于我们现在完全可以不用考虑！

12、参考资料

[1] 难得干货，揭秘支付宝的2维码扫码技术优化实践之路
[2] 你每天都扫的二维码，知道它是怎么来的么？
[3] 二维码，你真的了解吗？
[4] 二维码会被人类扫完吗？
[5] QR码的成功之路
[6] 有趣的二维码

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