概述
二维码（2-Dimensional Bar Code），是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。
二维条码有一维条码没有的定位点和容错机制。容错机制在即使没有辨识到全部的条码、或是说条码有污损时，也可以正确地还原条码上的信息。
二维条码的种类很多，不同的机构开发出的二维条码具有不同的结构以及编写、读取方法。
常见的二维码有：PDF417 码、QR 码（Quick Response Code）、汉信码（Han Xin Code）、颜色条码、quick mark code、数据矩阵码（data matrix code）。
二维条码通常有特定的定位标记（如 QR 码为三个大的定位点），通过定位标记使读码机正确辨识进行解读，所以二维条码不管是从何种方向读取都可以被辨识。
QR码是二维条码的一种，于1994年由日本 DENSO WAVE 公司发明。QR 即快速反应，因为发明者希望 QR 码可以让其内容快速被解码。
QR 码使用四种标准化编码模式（数字，字母数字，字节（二进制）和汉字）来存储数据。
基本结构
QR 码包含编码区域（encoding region）和功能图形（ function patterns），其中功能图形包括：
位置探测图形（Position Detection Patterns）、位置探测图形分隔符、定位图形：用于对二维码的定位，对每个QR码来说，位置都是固定存在的，只是大小规格会有所差异；
校正图形：规格确定，校正图形的数量和位置也就确定了；
格式信息（Format Information）：表示改二维码的纠错级别，分为L、M、Q、H；
版本信息：即二维码的规格，QR 码符号共有40种规格的矩阵（一般为黑白色），从21x21（版本1），到177x177（版本40），每一版本符号比前一版本每边增加 4 个像素。二维码一共有 40 个尺寸（ Version），Version 1 是 21 x 21 的矩阵，Version 2 是 25 x 25 的矩阵，Version 3 是 29 x 29，计算公式即：(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 的矩阵。
数据和纠错码字：实际保存的二维码信息，和纠错码字（用于修正二维码损坏带来的错误）。
数据存储
| 存储内容 | QR码最大资料容量（对于版本40） |
|---|---|
| 数字 | 最多7,089字符 |
| 字母 | 最多4,296字符 |
| 二进制数（8 bit） | 最多2,953 字节 |
| 日文汉字／片假名] | 最多1,817字符（采用Shift JIS） |
| 中文汉字 | 最多984字符（采用UTF-8），最多1,800字符（采用BIG5/GB2312） |
容错能力
QR 码有容错能力，即使图形破损仍然可以读取，QR 码图形面积愈大，容错率愈高，所以一般折衷使用15%容错能力（M等级）。
| 错误修正容量 | |
|---|---|
| L等级 | 可修正7%的字码 |
| M等级 | 可修正15%的字码 |
| Q等级 | 可修正25%的字码 |
| H等级 | 可修正30%的字码 |
编码模式
二维码共有8种 Mode，模式编码如下：
| 模式 | 指示符 |
|---|---|
| Extended Channel Interpretation (ECI) Mode 特殊字符集 | 0111 |
| Numeric Mode，数字 | 0001 |
| Alphanumeric Mode， 大写英文字母(A-Z)、数字和9个符号。注意这个模式不包括小写字母 | 0010 |
| 8-bit Byte Mode（8位字节）， JIS X 0201，可以编码中文 | 0100 |
| Kanji Mode 双字节编码，中文和日文 | 1000 |
| Mixing modes 混合 | 1101 |
| Structured Append Mode 混合 | 0011 |
| FNC1 Mode 一些工业使用 | 0101（第一位置） 1001（第二位置） |
| 终止符（信息结尾） | 0000 |
掩膜模式
为避免出现不利于识别的图案，我们还需要对二维码进行掩膜 Mask 处理，掩膜模式（mask pattern）一共有 8 种。
- 以二维码的左上角为(0,0), i 代表横坐标，j 代表纵坐标，遍历二维码；
- 遇到符合条件的
(i,j)将该坐标的颜色反转，如下图（编码和条件）； - 注意，掩膜不应用于功能图形（ Function Pattern）
生成步骤
数据分析：确定编码的字符类型，按相应的字符集转换成符号字符； 选择纠错等级，在规格一定的条件下，纠错等级越高其真实数据的容量越小。
数据编码：将数据字符转换为位流，每 8 位一个码字，整体构成一个数据的码字序列。其实知道这个数据的码字序列就知道了二维码的数据内容。
纠错编码：按需要将上面的码字序列分块，并根据纠错等级和分块的码字，产生纠错码字，并把纠错码字加入到数据码字序列后面，成为一个新的序列。
构造最终数据：在规格确定的条件下，将上面产生的序列按次序放入分块中。
按规定把数据分块，然后对每一块进行计算，得出相应的纠错码字区块，把纠错码字区块按顺序构成一个序列，添加到原先的数据码字序列后面。
如：D1, D12, D23, D35, D2, D13, D24, D36, … , D11, D22, D33, D45, D34, D46, E1, E23,E45, E67, E2, E24, E46, E68，…构造矩阵：将探测图形、分隔符、定位图形、校正图形和码字模块放入矩阵中。
掩膜：将掩膜图形用于符号的编码区域，使得二维码图形中的深色和浅色（黑色和白色）区域能够比率最优的分布。
格式和版本信息：将生成格式和版本信息放入相应区域内。版本7-40都包含了版本信息，没有版本信息的全为0。二维码上两个位置包含了版本信息，它们是冗余的。版本信息共18位，6X3的矩阵，其中6位时数据为，如版本号8，数据位的信息时 001000，后面的12位是纠错位。
生成示例
我们以“Hello, world! 123”， 容错等级 L，版本 1，000 掩膜为例，来一步一步完成 QR 码的生成：
分析字符
“Hello, world! 123” 中包含 17 个字符，136 位，其中有数字字母符号，所以匹配的编码模式为 字节模式 Byte Mode （0100）：
| Index | Char | Values (hex) | Bits |
|---|---|---|---|
| 0 | H | 48 | 01001000 |
| 1 | e | 65 | 01100101 |
| 2 | l | 6C | 01101100 |
| 3 | l | 6C | 01101100 |
| 4 | o | 6F | 01101111 |
| 5 | , | 2C | 00101100 |
| 6 | 20 | 00100000 | |
| 7 | w | 77 | 01110111 |
| 8 | o | 6F | 01101111 |
| 9 | r | 72 | 01110010 |
| 10 | l | 6C | 01101100 |
| 11 | d | 64 | 01100100 |
| 12 | ! | 21 | 00100001 |
| 13 | 20 | 00100000 | |
| 14 | 1 | 31 | 00110001 |
| 15 | 2 | 32 | 00110010 |
| 16 | 3 | 33 | 00110011 |
匹配合适版本
| Version | ECC L | ECC M | ECC Q | ECC H |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 19 | 16 | 13 | 9 |
| 2 | 34 | 28 | 22 | 16 |
| 3 | 55 | 44 | 34 | 26 |
| 4 | 80 | 64 | 48 | 36 |
| 5 | 108 | 86 | 62 | 46 |
| 6 | 136 | 108 | 76 | 60 |
| 7 | 156 | 124 | 88 | 66 |
| 8 | 194 | 154 | 110 | 86 |
| 9 | 232 | 182 | 132 | 100 |
| … | … | … | … | … |
即版本 1 ，且纠错码等级为 L 时的容量为 19 是满足的，即选择版本 1。