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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!
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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:
0-0.jpg

这是微信的扫码加好友功能:
0-1.jpg

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。

cover_opti.png

本文已同步发布于“即时通讯技术圈”公众号,欢迎关注。公众号上的链接是:点此进入

2、专题目录


本文是系列文章的第4篇,总目录如下:


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。

author.jpg
▲ 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。

x-1.jpg
▲ 上图中三个角的回字型图案就是“定位图案”

x-2.jpg
▲ “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。

x3.png
▲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。

1.png

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/

2.png

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:
3.jpg

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。

4.png

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:
5.png

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:
6.png

7、二维码的生成流程


7.png

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:
8.png

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。

9.png

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。

10.png

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:
11.jpg

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。

13.png

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。

14.png

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:

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。

2-1.png
▲ 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:
2-2.png

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?

2-3.png

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:
2-4.png

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

附录:更多IM相关入门级文章


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