二维码的应用及原理解析

（一）条码技术的历史

条码技术最早出现在20世纪40年代。当时美国两位工程师研究用条码表示信息，并于1949年获得世界上第一个条码专利。这种最早的条码由几个黑色和白色的同心圆组成，被形象地叫作牛眼式条码。这个条码与我们广泛应用的一维条码在原理上一致，都是由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的，表示一定信息。其中，条为深色，空为浅色，用于条码识读设备的扫描识读，对应字符由一组阿拉伯数字组成，供人直接识读。但是当时印刷工业水平和商品经济发展还没有能力使用条码技术。1966年，IBM（International Business Machines Corporation）和NCR（National Cash Register Company）两家公司在调查了商店销售结算中使用扫描器和计算机的可行性的基础上推出了世界上首套条码技术应用系统。这个系统把物品价格记录在物品包装的磁条上，当物品通过扫描器时，扫描器就读出了磁条上的信息。

1970年由美国食品杂货工业协会发起组成了美国统一代码委员会（简称UCC），UCC的成立标志着美国工商界全面接受了条码技术。1972年UCC组织将UPC（商品通用代码条码）作为统一的商品代码，用于商品标识，并且确定通用商品代码UPC条码作为条码标准在美国和加拿大普遍应用。这一措施为今后商品条码统一和广泛应用奠定了基础。

1973年欧洲的法国、英国、联邦德国、丹麦等12个国家的制造商和销售商发起并筹建了欧洲的物品编码系统，并于1977年成立欧洲物品编码协会，简称EAN协会。EAN协会推出了与UPC条码兼容的商品条码——EAN条码。这一新生事物在欧洲一出现，立刻引起了世界上许多国家的制造商和销售商的兴趣。世界上许多非欧美地区的国家也纷纷加入了EAN协会。1981年，欧洲物品编码协会改名为国际物品编码协会，简称IAN，由于习惯叫法，直到今天仍然称EAN组织。

我国于1988年成立中国物品编码协会，并于1991年4月正式加入EAN组织。目前我国商品使用的前缀码就是EAN国际组织分配给我国的690、691、692、693。图5-1-1是两个一维EAN条码。EAN13能表示13位数字，广泛应用于零售业，超市收银时扫描的就是这种条码。EAN8为其精简版。

图5-1-1　一维EAN条形码

由于一维条码快速、准确、成本低、可靠性高等优点，很快受到了人们的青睐，发展十分迅速，已广泛应用于商业流通、仓储、图书情报、邮政、铁路、交通运输、生产自动化管理等领域。

二维条码技术是在一维条码无法满足一些实际应用需求的情况下产生的。一方面，由于受信息容量的限制，一维条码仅仅是对物品类别的标识，而不是对物品个体的描述。一维条码本身不表示该产品的其他特定信息。因此，在一维条码的应用系统中，对商品信息如生产日期、价格等的描述只能依赖数据库的支持。在没有预先建立商品数据库或不便联网的地方，一维条码的使用受到了较大的限制，有时甚至变得毫无意义。另一方面，要用一维条码表示汉字和图像等信息几乎是不可能的，即使可以表示，也显得十分不便且效率很低。

（二）二维码

二维码是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，用来记录数据符号信息。相对于一维码，二维码的优点有：存储数据量大，可以包含数字、字符及中文文本等混合内容；有一定的容错性（在部分损坏以后可以正常读取）；空间利用率高等。常见的二维码可以分为两类。

1.堆叠式二维条码

堆叠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，条码印刷及识读设备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。有代表性的堆叠式二维条码有code16K、code49、PDF417等。

最早的二维码是由David Allals博士于1987年提出的code49，其原理是把一维条码的高度截短并按照行堆积，由2到8行构成，是一种多行连续型，且长度可变的条码，可使用一维条码阅读设备和打印设备，这大大增加了条码信息容量且使用方便灵活。code16K码与code49相似，由2到16行组成，分隔条分离各行，利用一维条码的UPC码和128码字符集，最大信息长度可达77个ASCⅡ字符或154个数字。

最常见的堆叠式二维码是1991年美国symbol公司推出的PDF417码。PDF是取英文Portable Data File三个单词的首字母的缩写，意为“便携数据文件”。因为组成条码的每一符号字符都由4个条和4个空构成，如果将组成条码的最窄条或空称为一个模块，则上述的4个条和4个空的总模块数一定为17，所以称417码或PDF417码。图5-1-2即为一个PDF417码，图中条码所代表的字符为anticounterfeit，意为防伪技术。

图5-1-2　二维PDF417码(www.xing528.com)

2.矩阵式二维条码

矩阵式二维条码又称棋盘式二维条码，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。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，用点的出现表示二进制的“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。具有代表性的矩阵式二维条码有Code One、Maxi code、DataMatrix、QR码等。

（1）DataMatrix。DataMatrix是由美国International Data Matrix公司于1989年发明的，其发展的构想是希望在较小的条码标签上存入更多的资料信息。DataMatrix的最小尺寸是目前二维条码中最小的，尤其适用于小零件的标识。DataMatrix又可以分为ECC000-140和ECC200两种类型。ECC000-140具有多种不同等级的错误纠正功能。ECC200通过Reed-Solomon演算法产生多项式计算出错误纠正码，其尺寸可以按照需求印成不同大小，但采用的错误纠正码应与尺寸配合。由于算法较为容易，且尺寸较有弹性，故ECC200更为普遍。并且，由于只需要读取资料的20%就可以精确辨认，因此DataMatrix适合应用在条码容易受损的场合，例如印在暴露在高温、化学清洗剂、机械剥蚀等特殊环境的零件上。图5-1-3的二维码读取结果为anticounterfeit。

图5-1-3　DataMatrix码

（2）QR码。在日常生活中使用最广泛的二维码当属QR码。QR（Quick-Response）码是日本Denso公司于1994年研制的一种矩阵二维条码。它具有信息容量大、可靠性高、识别速度快、可表示汉字及图像多种文字信息、保密防伪性强等优点。QR码最多可以容纳7 089个数字，或4 296个字母，或984个汉字（UTF-8）/1800个汉字（BIG5）。图5-1-4是一个典型的QR码，其内容是：生活中的防伪技术。

图5-1-4　QR码

QR码的基本结构如图5-1-5，一个QR码由以下几个部分组成。

图5-1-5　QR码基本结构

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。对每一个QR码来说，位置标记都是固定存在的，只是大小规格会有所差异。通过手机“扫一扫”QR码时，就是通过这些标记来确定是否存在QR码和QR码的位置。

校正图形：用于校正QR码的几何投影。当从不同角度扫描QR码的时候，可以利用校正图形快速校正QR码图像，得到正面拍摄的效果。

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21×21（版本1），到177×177（版本40），每一版本符号比前一版本每边增加4个模块。

格式信息：表示该二维码的纠错级别，分为L、M、Q、H。L表示7%的错误可被纠正；M表示15%的错误可被纠正；Q表示25%的错误可被纠正；H表示30%的错误可被纠正。

数据和纠错码：实际保存的信息和纠错码。纠错码用于修正二维码损坏带来的错误。即使QR码的一部分被污损了，也能正确识读。纠错级别越高，可被纠正的错误越多，纠错码越多，能容纳的数据信息就越少。