Java——二维码详解

二维码

1、概述

二维码又称二维条码，常见的二维码为QR Code，QR全称Quick Response，是一种编码方式。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。

二维条码/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、记录数据符号信息的图形；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化点。

二维码按原理分类：

• 堆叠式/行排式：堆叠式/行排式二维条码又称堆积式二维条码或层排式二维条码），其编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。有代表性的行排式二维条码有：
  • Code 16K
  • Code 49
  • PDF417
  • MicroPDF417
• 矩阵式：矩阵式二维条码（又称棋盘式二维条码）它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表的意义。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维条码有：
  • Code One
  • MaxiCode
  • QR Code
  • Data Matrix
  • Han Xin Code
  • Grid Matrix

2、QR Code

2.1、特点

1. 存储大容量信息：传统的条形码只能处理20位左右的信息量，与此相比，QR码可处理条形码的几十倍到几百倍的信息量。
2. 支持多种数据类型：数字、英文字母、日文字母、汉字、符号、二进制、控制码等。
3. 在小空间内打印：QR码使用纵向和横向两个方向处理数据，如果是相同的信息量，QR码所占空间为条形码的十分之一左右。(还支持Micro QR码，可以在更小空间内处理数据。
4. 有效表现各种字母：QR码是日本国产的二维码，因此非常适合处理日文字母和汉字。QR码字集规格定义是按照日本标准“JIS第一级和第二级的汉字”制定的，因此在日语处理方面，每一个全角字母和汉字都用13比特的数据处理，效率较高，与其他二维码相比，可以多存储20%以上的信息。
5. 对变脏和破损的适应能力强：QR码具备“纠错功能”，即使部分编码变脏或破损，也可以恢复数据。数据恢复以码字为单位（是组成内部数据的单位，在QR码的情况下，每8比特代表1码字），最多可以纠错约30%（根据变脏和破损程度的不同，也存在无法恢复的情况）。
6. 可以从任意方向读取：QR码从360°任一方向均可快速读取。其奥秘就在于QR码中的3处定位图案，可以帮助QR码不受背景样式的影响，实现快速稳定的读取。
7. 支持数据合并功能：QR码可以将数据分割为多个编码，最多支持16个QR码。使用这一功能，还可以在狭长区域内打印QR码。另外，也可以把多个分割编码合并为单个数据。

2.2、基本结构

QR(Quick-Response) code是被广泛使用的一种二维码，解码速度快。它可以存储多用类型，下图是基本结构：

• 位置探测图形、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
• 矫正图形：规格确定，校正图形的数量和位置也就确定了
• 格式信息：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）
• 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）

2.3、版本

QR Code设有1到40的不同版本（种类)，每个版本都具备固有的码元结构(码元数)。

“码元结构”是指二维码中的码元数。从版本1(21码元×21码元)开始，在纵向和横向各自以4码元为单位递增，一直到版本40(177码元×177码元)。

2.4、纠错级别

QR码具有“纠错功能”。即使编码变脏或破损，也可自动恢复数据。这一“纠错能力”具备4个级别，用户可根据使用环境选择相应的级别。调高级别，纠错能力也相应提高，但由于数据量会随之增加，编码尺寸也也会变大。

用户应综合考虑使用环境、编码尺寸等因素后选择相应的级别。 在工厂等容易沾染赃物的环境下，可以选择级别Q或H，在不那么脏的环境下，且数据量较多的时候，也可以选择级别L。一般情况下用户大多选择级别M(15%)。

纠错级别	容错率
L	7%
M	15%
Q	25%
H	30%

2.5、存储容量

通过查询QR码的技术文档，可以发现，如果二维码使用最大版本40，也就是177*177的的二维码，最大可存储信息是：

• 纯数字：最多7089字符
• 纯字母：最多4396字符
• 二进制（8bit）：最多2953字节
• 中文汉字（UTF-8）：最多984字符
• 中文汉字（GIG5）：最多18000字符
• 日文汉字/片假名（Shift JIS）：最多1817字符

2.6、编码过程

1)、数据分析

1. 确定编码的字符类型，按相应的字符集转换成符号字符；
2. 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。

2)、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。其实知道这个数据码字序列就知道了二维码的数据内容。

模式	指示符
ECI	0111
数字	0001
字母数字	0010
8位字节	0100
日本汉字	1000
中文汉字	1101
结构链接	0011
FNCI	0101（第一位置） 1001（第二位置）
终止符（信息结尾）	0000

数据可以按照一种模式进行编码，以便进行更高效的解码，例如：对数据：01234567编码（版本1-H）:

1. 分组 ->  012 345 67
2. 转成二进制：012 -> 0000001100  345 -> 0101011001 67  -> 1000011 
3. 转成序列：0000001100 0101011001 1000011 
4. 字符数量：转成二进制添加到尾部 8 -> 0000001000
5. 加入模式指示符0001：0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011

对于字母、中文、日文等只是分组的方式、模式等内容有所区别。基本方法是一致的。

3)、纠错编码生成

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。

采用的算法是Reed-Solomon编码，其可以检测和修正一定数量的错误。

错等级确定的情况下，其实它所能容纳的码字总数和纠错码字数也就确定了，比如：版本10，纠错等级时H时，总共能容纳346个码字，其中224个纠错码字。

就是说二维码区域中大约1/3的码字时冗余的。对于这224个纠错码字，它能够纠正112个替代错误（如黑白颠倒）或者224个据读错误（无法读到或者无法译码），这样纠错容量为：112/346=32.4%。

4)、构造数据信息

在规格确定的条件下，将上面产生的序列按次序放如分块中。

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，…

5)、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。

把上面的完整序列填充到相应规格的二维码矩阵的区域中。

6)、掩摸

将掩摸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。

7)、格式和版本信息

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。

3、Java应用

基于SpringBoot环境，介绍二维码的生成与识别。

3.1、生成二维码

在Java中生成二维码，你可以使用第三方库，如Google的ZXing。

<dependency><groupId>com.google.zxing</groupId><artifactId>core</artifactId><version>3.3.3</version>
</dependency>
<dependency><groupId>com.google.zxing</groupId><artifactId>javase</artifactId><version>3.3.3</version>
</dependency>

1)、通用生成方法

此种方式可以生成ZXing库支持的各种类型二维码，且可以自定义二维码颜色。

import com.google.zxing.BarcodeFormat;
import com.google.zxing.EncodeHintType;
import com.google.zxing.MultiFormatWriter;
import com.google.zxing.WriterException;
import com.google.zxing.common.BitMatrix;
import com.google.zxing.qrcode.decoder.ErrorCorrectionLevel;
import org.springframework.util.ObjectUtils;import javax.imageio.ImageIO;
import javax.swing.filechooser.FileSystemView;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.io.File;
import java.io.OutputStream;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;/*** 二维码工具类*/
public class CodeUtil {//二维码类型，枚举类private static final BarcodeFormat CODE_TYPE = BarcodeFormat.QR_CODE;//二维码宽度，单位像素private static final int CODE_WIDTH = 400;//二维码高度，单位像素private static final int CODE_HEIGHT = 400;//二维码前景色，0x000000表示黑色private static final int FRONT_COLOR = 0x000000;//二维码背景色，0xFFFFFF表示白色private static final int BACKGROUND_COLOR = 0xFFFFFF;/*** 生成二维码并保存为文件* @param content 二维码内容* @param codeImgFileSaveDir 生成的二维码图片存储位置* @param fileName 二维码图片文件名*/public static void createCodeToFile(String content, File codeImgFileSaveDir, String fileName) {if (ObjectUtils.isEmpty(content) || ObjectUtils.isEmpty(fileName)) {return;}content = content.trim();if (codeImgFileSaveDir == null || codeImgFileSaveDir.isFile()) {//二维码图片存储目录为空，默认放在桌面FileSystemView.getFileSystemView().getHomeDirectory();}if (!codeImgFileSaveDir.exists()) {//二维码图片存储目录不存在，则创建codeImgFileSaveDir.mkdirs();}//生成二维码try {BufferedImage bufferedImage = getBufferedImage(content);File codeImgFile = new File(codeImgFileSaveDir, fileName);ImageIO.write(bufferedImage, "png", codeImgFile);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}/*** 生成二维码并输出到输出流，通常用于输出到网页上进行显示* @param content 二维码内容* @param outputStream 输出流*/public static void createCodeToOutputStream(String content, OutputStream outputStream) {if (ObjectUtils.isEmpty(content)) {return;}content = content.trim();//生成二维码try {BufferedImage bufferedImage = getBufferedImage(content);ImageIO.write(bufferedImage, "png", outputStream);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}/*** 核心代码，生成二维码* @param content* @return BufferedImage* @throws WriterException*/private static BufferedImage getBufferedImage(String content) throws WriterException {//com.google.zxing.EncodeHintType：编码提示类，枚举类型Map<EncodeHintType, Object> hints = new HashMap<>();//EncodeHintType.CHARACTER_SET：设置字符编码类型hints.put(EncodeHintType.CHARACTER_SET, "UTF-8");//EncodeHintType.ERROR_CORRECTION：设置纠错级别//ErrorCorrectionLevel：纠错级别，【L：%7】【M：15%】【Q：25%】[H：30%]//默认为L级别，纠错级别不同，生成的图案不同，但扫描结果一致hints.put(EncodeHintType.ERROR_CORRECTION, ErrorCorrectionLevel.M);//EncodeHintType.MARGIN：设置二维码边距，单位像素hints.put(EncodeHintType.MARGIN, 1);//创建工厂类MultiFormatWriter multiFormatWriter = new MultiFormatWriter();//指定二维码类型和参数，返回对应的Writter进行编码后的二维码对象BitMatrix bitMatrix = multiFormatWriter.encode(content, CODE_TYPE, CODE_WIDTH, CODE_HEIGHT, hints);//创建图像缓冲区BufferedImage bufferedImage = new BufferedImage(CODE_WIDTH, CODE_HEIGHT, BufferedImage.TYPE_INT_BGR);//填充for (int x = 0; x < CODE_WIDTH; x++) {for (int y = 0; y < CODE_HEIGHT; y++) {//bitMatrix.get(x, y)返回true，表示黑色即前景色bufferedImage.setRGB(x, y, bitMatrix.get(x, y) ? FRONT_COLOR : BACKGROUND_COLOR);}}return bufferedImage;}}

2)、生成QRCode

import com.google.zxing.BarcodeFormat;
import com.google.zxing.EncodeHintType;
import com.google.zxing.client.j2se.MatrixToImageWriter;
import com.google.zxing.common.BitMatrix;
import com.google.zxing.qrcode.QRCodeWriter;
import com.google.zxing.qrcode.decoder.ErrorCorrectionLevel;
import org.springframework.util.ObjectUtils;import javax.swing.filechooser.FileSystemView;
import java.io.File;
import java.io.OutputStream;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;/*** QRCode工具类*/
public class QRCodeUtil {//二维码宽度，单位像素private static final int CODE_WIDTH = 400;//二维码高度，单位像素private static final int CODE_HEIGHT = 400;/*** 生成QRCode并保存为文件* @param content 二维码内容* @param codeImgFileSaveDir 生成的二维码图片存储位置* @param fileName 二维码图片文件名*/public static void createQRCodeToFile(String content, File codeImgFileSaveDir, String fileName) {if (ObjectUtils.isEmpty(content) || ObjectUtils.isEmpty(fileName)) {return;}content = content.trim();if (codeImgFileSaveDir == null || codeImgFileSaveDir.isFile()) {//二维码图片存储目录为空，默认放在桌面FileSystemView.getFileSystemView().getHomeDirectory();}if (!codeImgFileSaveDir.exists()) {//二维码图片存储目录不存在，则创建codeImgFileSaveDir.mkdirs();}//生成QRCode//配置Map<EncodeHintType, Object> hints = new HashMap<>();//设置字符编码类型hints.put(EncodeHintType.CHARACTER_SET, "UTF-8");//设置纠错级别hints.put(EncodeHintType.ERROR_CORRECTION, ErrorCorrectionLevel.M);//设置二维码边距，单位像素hints.put(EncodeHintType.MARGIN, 1);//设置QRCode版本，1-40hints.put(EncodeHintType.QR_VERSION, 1);//直接使用QRCodeWriterQRCodeWriter qrCodeWriter = new QRCodeWriter();try {//编码为灰度的位矩阵BitMatrix bitMatrix = qrCodeWriter.encode(content, BarcodeFormat.QR_CODE, CODE_WIDTH, CODE_HEIGHT, hints);//获取PathPath path = Paths.get(codeImgFileSaveDir.getPath(), fileName);//写入文件MatrixToImageWriter.writeToPath(bitMatrix, "PNG", path);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}/*** 生成QRCode并输出到输出流，通常用于输出到网页上进行显示* @param content 二维码内容* @param outputStream 输出流*/public static void createQRCodeToOutputStream(String content, OutputStream outputStream) {if (ObjectUtils.isEmpty(content)) {return;}content = content.trim();//生成QRCode//配置Map<EncodeHintType, Object> hints = new HashMap<>();//设置字符编码类型hints.put(EncodeHintType.CHARACTER_SET, "UTF-8");//设置纠错级别hints.put(EncodeHintType.ERROR_CORRECTION, ErrorCorrectionLevel.M);//设置二维码边距，单位像素hints.put(EncodeHintType.MARGIN, 1);//设置QRCode版本，1-40hints.put(EncodeHintType.QR_VERSION, 1);//直接使用QRCodeWriterQRCodeWriter qrCodeWriter = new QRCodeWriter();try {//编码为灰度的位矩阵BitMatrix bitMatrix = qrCodeWriter.encode(content, BarcodeFormat.QR_CODE, CODE_WIDTH, CODE_HEIGHT, hints);//写入输出流MatrixToImageWriter.writeToStream(bitMatrix, "PNG", outputStream);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}

3)、Hutool工具包生成

hutool工具包内部也是使用了ZXing库，但是帮我们封装好了，还提供了配置类，使用上更加简单。

<dependency><groupId>cn.hutool</groupId><artifactId>hutool-all</artifactId><version>5.2.5</version>
</dependency>

@Configuration
public class QRCodeConfig {@Beanpublic QrConfig qrConfig() {QrConfig qrConfig = new QrConfig();qrConfig.setBackColor(Color.white);qrConfig.setForeColor(Color.black);qrConfig.setCharset(Charset.forName("UTF-8"));qrConfig.setMargin(1);qrConfig.setWidth(400);qrConfig.setHeight(400);//logo图片qrConfig.setImg(new File("./logo.jpeg"));//logo缩放比例qrConfig.setRatio(6);return qrConfig;}
}

@Service
public class QRCodeService {@Resourceprivate QrConfig qrConfig;public void generateFile(String content, File file) {//生成到本地文件QrCodeUtil.generate(content, qrConfig, file);}public void generateStream(String content, OutputStream outputStream) {//输出到流QrCodeUtil.generate(content, qrConfig, "png", outputStream);}}

4)、测试

@Controller
@RequestMapping("/code")
public class QRCodeController {@Autowiredprivate QRCodeService qrCodeService;@PostMapping("/toFile")public void toFile(String content) {qrCodeService.generateFile(content, new File("./test.png"));}@PostMapping("/toStream")public void toStream(String content, HttpServletResponse response) {try {qrCodeService.generateStream(content, response.getOutputStream());} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}

3.2、识别二维码

使用ZXing库识别。

import com.google.zxing.BinaryBitmap;
import com.google.zxing.MultiFormatReader;
import com.google.zxing.Result;
import com.google.zxing.client.j2se.BufferedImageLuminanceSource;
import com.google.zxing.common.HybridBinarizer;
import org.apache.tomcat.util.codec.binary.Base64;import javax.imageio.ImageIO;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.io.*;/*** QRCode识别*/
public class QRCodeReader {/*** 识别二维码文件* @param file 二维码文件* @return*/public static String readQRCodeFile(File file) {String content = null;try {//将二维码图片加载为BufferedImageBufferedImage bufferedImage = ImageIO.read(file);//创建BufferedImageLuminanceSourceBufferedImageLuminanceSource source = new BufferedImageLuminanceSource(bufferedImage);//使用HybridBinarizer将LuminanceSource转换为二进制位图BinaryBitmapBinaryBitmap bitmap = new BinaryBitmap(new HybridBinarizer(source));//使用工厂类MultiFormatReader reader = new MultiFormatReader();//解码Result result = reader.decode(bitmap);//获取内容content = result.getText();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return content;}public static String readQRCodeBase64(String base64Code) {String content = null;try {//解码为字节数组byte[] imageBytes = Base64.decodeBase64(base64Code);//转换为输入流ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(imageBytes);//创建BufferedImageBufferedImage bufferedImage = ImageIO.read(bis);//创建BufferedImageLuminanceSourceBufferedImageLuminanceSource source = new BufferedImageLuminanceSource(bufferedImage);//使用HybridBinarizer将LuminanceSource转换为二进制位图BinaryBitmapBinaryBitmap bitmap = new BinaryBitmap(new HybridBinarizer(source));//使用工厂类MultiFormatReader reader = new MultiFormatReader();//解码Result result = reader.decode(bitmap);//获取内容content = result.getText();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}return content;}public static void main(String[] args) throws Exception {File file = new File("./test.png");System.out.println(readQRCodeFile(file));//base64编码FileInputStream fis = new FileInputStream(file);int length = fis.available();byte[] bytes = new byte[length];fis.read(bytes);fis.close();String base64Code = Base64.encodeBase64String(bytes);System.out.println(readQRCodeBase64(base64Code));}
}