摘要：在二維碼編碼的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，分析了QR Code二維條碼的結(jié)構(gòu)、編碼步驟、編碼原理和Reed-Solomon算法，并以數(shù)字模式為實(shí)例按照QR Code編碼原理直觀的描述了實(shí)現(xiàn)二維碼QR Code的編碼、糾錯(cuò)等功能。采用VC++的編程環(huán)境，通過(guò)對(duì)二維碼編碼程序反復(fù)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了二維碼QR Code的編碼程序設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：QR Code；二維碼；編碼；VC++；糾錯(cuò)

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）12-2904-05

條碼是采用二進(jìn)制概念的一種可印刷機(jī)器語(yǔ)言，具體地就是以“1”和“0”表示編碼的特定單元組合，以排列規(guī)則的圖形符號(hào)表示數(shù)據(jù)。條碼技術(shù)是在20世紀(jì)70年代初快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的一門技術(shù)，早期的條碼稱為一維條碼，僅僅只是一種商品的標(biāo)識(shí)，不含商品的任何描述。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)和資料自動(dòng)收集技術(shù)的發(fā)展，最初的一維條碼技術(shù)已不能滿足人們的需求。于是在1987年David Allais博士提出了Code49的二維碼[1]，這實(shí)際是把一維條碼的高度截短并按行堆積的一種多行連續(xù)型長(zhǎng)度可變條碼。如今常用的二維碼有：PDF417碼、QR Code碼、DataMatrix碼等等。

1 二維碼QR Code編碼原理

1.1 QR Code簡(jiǎn)述

1994年9月日本Denso公司開(kāi)發(fā)了一種矩陣式二維條碼符號(hào)，即QR Code（Quick Response Code）快速響應(yīng)矩陣碼。QR Code除具有一維條碼及其它二維條碼所具有的優(yōu)點(diǎn)外，還具有識(shí)讀速度快、數(shù)據(jù)密度大、占用空間小的優(yōu)勢(shì)。QR Code基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，位置探測(cè)圖形、位置探測(cè)圖形分隔符、定位圖形：用于對(duì)二維碼的定位，對(duì)每個(gè)QR碼來(lái)說(shuō)，位置都是固定存在的，只是大小規(guī)格會(huì)有所差異；

校正圖形：規(guī)格確定，校正圖形的數(shù)量和位置也就確定了；

格式信息：表示改二維碼的糾錯(cuò)級(jí)別，分為L(zhǎng)、M、Q、H；

版本信息：即二維碼的規(guī)格，QR碼符號(hào)共有40種規(guī)格的矩陣（一般為黑白色），從21×21（版本1）如圖2，到177×177（版本40），每一版本符號(hào)比前一版本的每邊增加4個(gè)模塊。

數(shù)據(jù)和糾錯(cuò)碼字：實(shí)際保存的二維碼信息，和糾錯(cuò)碼字（用于修正二維碼損壞帶來(lái)的錯(cuò)誤）。

1.2 QR Code編碼

1.2.1 QR Code編碼步驟

QR Code編碼的主要步驟如下：

1）數(shù)據(jù)分析：確定編碼的字符類型，按相應(yīng)的字符集轉(zhuǎn)換成符號(hào)字符； 選擇糾錯(cuò)等級(jí)，在規(guī)格一定的條件下，糾錯(cuò)等級(jí)越高其真實(shí)數(shù)據(jù)的容量越小。

2）數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)字符轉(zhuǎn)換為位流，每8位一個(gè)碼字，整體構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)的碼字序列。其實(shí)知道這個(gè)數(shù)據(jù)碼字序列就知道了二維碼的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

3）糾錯(cuò)編碼：按需要將上面的碼字序列分塊，并根據(jù)糾錯(cuò)等級(jí)和分塊的碼字，產(chǎn)生糾錯(cuò)碼字，并把糾錯(cuò)碼字加入到數(shù)據(jù)碼字序列后面，成為一個(gè)新的序列。

4）構(gòu)造最終數(shù)據(jù)信息：在規(guī)格確定的條件下，將上面產(chǎn)生的序列按次序放入分塊中。

5）構(gòu)造矩陣：將探測(cè)圖形、分隔符、定位圖形、校正圖形和碼字模塊放入矩陣中。

6）掩摸：將掩摸圖形用于符號(hào)的編碼區(qū)域，使得二維碼圖形中的深色和淺色（黑色和白色）區(qū)域能夠比率最優(yōu)的分布，提高閱讀的可靠性。

7）格式和版本信息：生成格式和版本信息放入相應(yīng)區(qū)域內(nèi)。

1.2.2 Reed-Solomon算法

1960年Reed和Solomon共同提出了一種糾正隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤的編碼，及Reed-Solomon（簡(jiǎn)稱RS）碼。RS碼是循環(huán)碼的一種，在伽羅華域GF（2m）中對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行編碼。若a∈GF（2m）對(duì)于糾正r個(gè)錯(cuò)誤符號(hào)的RS碼生成多項(xiàng)式[2]可表示為：

g（x）=（x+a）（x+a2）（x+a3）……（x+a2r） （1）

若原始信息的多項(xiàng)式為：m（x）=（a0+a1x+a2x2+……+ak-1xk-1），進(jìn)行RS編碼后的表達(dá)式[2]為：

d（x）=x2rm（x）+x2rm（x） mod g（x） （2）

其中：x2rm（x）是原始數(shù)據(jù)碼；x2rm（x） mod g（x）是糾錯(cuò)碼字部分。

1.2.3 編碼實(shí)例

為了能使QR Code生成有個(gè)直觀了解，下面舉例進(jìn)行說(shuō)明。

例如：以“01234567”這8個(gè)字符為例，采用數(shù)字模式，編碼一個(gè)版本號(hào)為1-M糾錯(cuò)等級(jí)的QR Code。

1）將輸入字符分為3個(gè)一組，剩下的2個(gè)或1個(gè)一組，且將每一組都轉(zhuǎn)換為10位或7位二進(jìn)制數(shù)；

012：0000001100

345：0101011001

67 ：1000011

得到二進(jìn)制序列為：0000001100 0101011001 1000011

2）將模式指示符和字符數(shù)依次放到上述序列前，并在最后放入結(jié)束符0000結(jié)果為：0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011 0000

3）將上述得到的二進(jìn)制數(shù)分為8位一組的碼字，并加入所需的填充位后得到的序列為：

00010000 00100000 00001100 01010110 01100001 10000000

4）因?yàn)榘姹?-M數(shù)據(jù)碼字容量為16個(gè)碼字，因此上面序列還需10個(gè)填充碼字，故用填充碼11101100和00010001依次進(jìn)行填充，結(jié)果為：

00010000 00100000 00001100 01010110 01100001 10000000 11101100 00010001 11101100 00010001 11101100 00010001 11101100 00010001 11101100 00010001

5）根據(jù)版本1-M需要10個(gè)糾錯(cuò)碼字對(duì)應(yīng)的生成多項(xiàng)式g（x）為：

g（x）=x10+a251x9+a67x8+a46x7+a61x6+a118x5+a70x4+a64x3+a94x2+a32x+a45

6.糾錯(cuò)等級(jí)M其掩膜圖形參考為：101，二進(jìn)制字符串為：00101，生成多項(xiàng)式為：x2+1.

QR碼中用BCH（15，5）碼糾錯(cuò)，故將多項(xiàng)式次數(shù)提升（15-5）次方后為：x12+x10 被G（x）除后的結(jié)果是：（x10+x8+x5+x4+x2+x+1）x2+（x7+x6+x4+x3+x2）

把上面剩余多項(xiàng)式的系數(shù)字符串：001010011011100附加至格式信息數(shù)據(jù)串即可。

2 二維碼QR Code編碼實(shí)現(xiàn)

2.1 二維編碼對(duì)話框設(shè)計(jì)

在VC++中建立好工程后，就可以設(shè)計(jì)操作界面，類，變量，映射消息及及成員函數(shù)等。下圖是設(shè)計(jì)好的二維編碼對(duì)話框。

使用上面對(duì)話框，用戶可以選擇不同的糾錯(cuò)級(jí)別，掩膜號(hào)，版本信息，并在二維條碼輸入?yún)^(qū)輸入不同信息后，在二維條碼顯示區(qū)就能顯示相應(yīng)的二維碼形狀，若輸入“01234567”顯示為圖4，若輸入“四川長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院”顯示為圖5。

2.2 二維編碼算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面的描述，下面給出了二維編碼程序流程示意圖。

圖6 二維編碼程序流程示意圖

根據(jù)上面的程序流程示意圖，下面是編碼算法實(shí)現(xiàn)的主要代碼。

EncodeData（int nLevel， int nVersion， BOOL bAutoExtent， int nMaskingNo， LPCSTR lpsSource， int ncSource）

{ int i， j；

m_nLevel = nLevel；//糾錯(cuò)級(jí)別

m_nMaskingNo = nMaskingNo；//掩膜號(hào)

int ncLength = ncSource > 0 ？ ncSource ： lstrlen（lpsSource）；

if （ncLength == 0）

return FALSE；

// 獲取版本號(hào)

int nEncodeVersion = GetEncodeVersion（nVersion， lpsSource， ncLength）；

if （nEncodeVersion == 0）

return FALSE；

if （nVersion == 0）

{m_nVersion = nEncodeVersion；}

else

{if （nEncodeVersion <= nVersion）

{m_nVersion = nVersion；}

else

{if （bAutoExtent）

m_nVersion = nEncodeVersion；

else

return FALSE； }}

// "0000" 加入終止符號(hào)

int ncDataCodeWord = QR_VersonInfo[m_nVersion].ncDataCodeWord[nLevel]；

int ncTerminater = min（4， （ncDataCodeWord * 8） - m_ncDataCodeWordBit）；

if （ncTerminater > 0）

m_ncDataCodeWordBit = SetBitStream（m_ncDataCodeWordBit， 0， ncTerminater）；

//"11101100， 00010001"增加數(shù)據(jù)碼字

BYTE byPaddingCode = 0xec；

for （i = （m_ncDataCodeWordBit + 7） / 8； i < ncDataCodeWord； ++i）

{ m_byDataCodeWord[i] = byPaddingCode；

byPaddingCode = （BYTE）（byPaddingCode == 0xec ？ 0x11 ： 0xec）；}

m_ncAllCodeWord = QR_VersonInfo[m_nVersion].ncAllCodeWord；

ZeroMemory（m_byAllCodeWord， m_ncAllCodeWord）；

int nDataCwIndex = 0；

int ncBlock1 = QR_VersonInfo[m_nVersion].RS_BlockInfo1[nLevel].ncRSBlock；

int ncBlock2 = QR_VersonInfo[m_nVersion].RS_BlockInfo2[nLevel].ncRSBlock；

int ncBlockSum = ncBlock1 + ncBlock2；

int nBlockNo = 0；

//信息塊輸入

int ncDataCw1 = QR_VersonInfo[m_nVersion].RS_BlockInfo1[nLevel].ncDataCodeWord；

int ncDataCw2 = QR_VersonInfo[m_nVersion].RS_BlockInfo2[nLevel].ncDataCodeWord；

for （i = 0； i < ncBlock1； ++i）

{for （j = 0； j < ncDataCw1； ++j）

{m_byAllCodeWord[（ncBlockSum * j） + nBlockNo] = m_byDataCodeWord[nDataCwIndex++]；}

++nBlockNo；}

for （i = 0； i < ncBlock2； ++i）

{for （j = 0； j < ncDataCw2； ++j）

{if （j < ncDataCw1）

{m_byAllCodeWord[（ncBlockSum * j） + nBlockNo] = m_byDataCodeWord[nDataCwIndex++]；}

else

{m_byAllCodeWord[（ncBlockSum * ncDataCw1） + i] = m_byDataCodeWord[nDataCwIndex++]；}}

++nBlockNo；}

// 糾錯(cuò)塊輸入

int ncRSCw1 = QR_VersonInfo[m_nVersion].RS_BlockInfo1[nLevel].ncAllCodeWord - ncDataCw1；

int ncRSCw2 = QR_VersonInfo[m_nVersion].RS_BlockInfo2[nLevel].ncAllCodeWord - ncDataCw2；

nDataCwIndex = 0；

nBlockNo = 0；

for （i = 0； i < ncBlock1； ++i）

{ZeroMemory（m_byRSWork， sizeof（m_byRSWork））；

memmove（m_byRSWork， m_byDataCodeWord + nDataCwIndex， ncDataCw1）；

GetRSCodeWord（m_byRSWork， ncDataCw1， ncRSCw1）；//調(diào)用reed_solomon算法進(jìn)行糾錯(cuò)

for （j = 0； j < ncRSCw1； ++j）

{m_byAllCodeWord[ncDataCodeWord + （ncBlockSum * j） + nBlockNo] = m_byRSWork[j]；}

nDataCwIndex += ncDataCw1；

++nBlockNo；}

for （i = 0； i < ncBlock2； ++i）

{ZeroMemory（m_byRSWork， sizeof（m_byRSWork））；

memmove（m_byRSWork， m_byDataCodeWord + nDataCwIndex， ncDataCw2）；

GetRSCodeWord（m_byRSWork， ncDataCw2， ncRSCw2）； //調(diào)用reed_solomon算法進(jìn)行糾錯(cuò)

for （j = 0； j < ncRSCw2； ++j）

{m_byAllCodeWord[ncDataCodeWord + （ncBlockSum * j） + nBlockNo] = m_byRSWork[j]；}

nDataCwIndex += ncDataCw2；

++nBlockNo；}

m_nSymbleSize = m_nVersion * 4 + 17；

FormatModule（）；

return TRUE；}

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了在錄入數(shù)據(jù)時(shí)，能根據(jù)不同版本，糾錯(cuò)級(jí)別，掩膜號(hào)生成QR Code二維條碼。因二維條碼具有儲(chǔ)存量大、保密性高、追蹤性高、抗損性強(qiáng)、備援性大、成本便宜等特性，這些特性特別適用于表單如進(jìn)出口報(bào)單、安全保密如商業(yè)情報(bào)、追蹤如生產(chǎn)線零件自動(dòng)追蹤、證照如身份證、存貨盤點(diǎn)如物流中心等方面。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉葦娜.QR Code二維條碼的編碼與圖像處理技術(shù)的研究[D].湖北大學(xué)，2007.

[2] 馮漢祿，黃潁為，牛曉嬌，錢銀超.QR碼糾錯(cuò)碼原理及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011（6）：40-42.

[3] 黃宏博，肖峻嶺，佟俐鵑.基于Reed-Solomon算法的QR碼糾錯(cuò)編碼[J].計(jì)算機(jī)工程，2003，29（1）：93-95.

[4] 宋作玲，劉志海.基于VC++的QR Code條碼編程實(shí)現(xiàn)[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（6）：80-84.

[5] 曾子劍.基于QR二維碼編碼技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2007.

[6] 許統(tǒng).手機(jī)二維碼在國(guó)內(nèi)的發(fā)展及應(yīng)用[J]，電腦與信息技術(shù)，2011，19（3）：62-63.

[7] 楊平.QR Code條碼編解碼及應(yīng)用的研究[D].五邑大學(xué)，2009.

[8] 蔡文婷.移動(dòng)端二維條碼圖像增強(qiáng)及應(yīng)用研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2008.