本文引用了ELab團(tuán)隊(duì)、騰訊大講堂兩個(gè)公眾號(hào)分享的文章內(nèi)容，引用內(nèi)容見文末參考資料，感謝原作者的無(wú)私分享。
1、引言
對(duì)于市面上主流的IM來(lái)說(shuō)，跟二維碼有關(guān)的功能，比如掃碼加好友、掃碼登陸、掃碼加群等，都是很常見的。
這是微信的掃碼登錄功能：
這是微信的掃碼加好友功能：
二維碼技術(shù)使用起來(lái)很簡(jiǎn)單，本系列的前三篇文章也專門針對(duì)IM掃碼登錄這個(gè)功能做了詳細(xì)的分享，但本著學(xué)習(xí)技術(shù)不留死角的習(xí)慣，我認(rèn)為有必要單獨(dú)學(xué)習(xí)一下到底什么是二維碼（說(shuō)不定哪天被個(gè)剛?cè)胄械某绦騿T輕輕一句“哥，啥是2維碼”，給問(wèn)的懵逼了，那時(shí)就不僅“頭涼”，還會(huì)“心梗”...），這也是專門整理本文的目的所在。
說(shuō)明：準(zhǔn)確地說(shuō)，我們平時(shí)見的最多的二維碼其實(shí)是QR碼，也就是目前我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的一種二維碼。為了表述簡(jiǎn)單，如無(wú)特指，本文中所述二維碼皆指QR碼。
學(xué)習(xí)交流：
（本文同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-3735-1-1.html）
2、專題目錄
本文是系列文章的第4篇，總目錄如下：
- 《IM掃碼登錄技術(shù)專題(一)：微信的掃碼登錄功能技術(shù)原理調(diào)試分析》
- 《IM掃碼登錄技術(shù)專題(二)：市面主流的掃碼登錄技術(shù)原理調(diào)試分析》
- 《IM掃碼登錄技術(shù)專題(三)：通俗易懂，IM掃碼登錄功能詳細(xì)原理一篇就夠》
- 《IM掃碼登錄技術(shù)專題(四)：你真的了解二維碼嗎？刨根問(wèn)底、一文掌握！》（* 本文）
推薦：另一篇《難得干貨，揭秘支付寶的2維碼掃碼技術(shù)優(yōu)化實(shí)踐之路》可一并閱讀。
3、二維碼的源起
準(zhǔn)確地說(shuō)，我們平時(shí)見的最多的二維碼其實(shí)是QR碼，也就是目前我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的一種二維碼。為了表述簡(jiǎn)單，如無(wú)特指，本文中所述二維碼皆指QR碼。
3.1 時(shí)代背景
上個(gè)世紀(jì)60年代之后，日本經(jīng)濟(jì)迎來(lái)的高速增長(zhǎng)期，種類繁多的商品的超市開始在城市中出現(xiàn)。
當(dāng)時(shí)超市使用的現(xiàn)金出納機(jī)要靠手動(dòng)輸入商品價(jià)格，因此負(fù)責(zé)現(xiàn)金出納的人常常會(huì)因手腕的麻木和“腱鞘炎”而苦惱。
“能否減輕超市收款員的負(fù)擔(dān)呢？”
條形碼的出現(xiàn)解決了這一苦惱。由于POS系統(tǒng)的成功開發(fā)，僅通過(guò)光感讀取條形碼，價(jià)格就會(huì)自動(dòng)顯示在出納機(jī)上，同時(shí)讀取的商品信息還能傳送到計(jì)算機(jī)上。
如此一來(lái)，條形碼得以普及，但新的課題又隨之而來(lái)。問(wèn)題在于條形碼的容量有限，英文數(shù)字最多只能容納20個(gè)字。
“編碼本身要是能夠含有更多的信息就好了”、“希望具有漢字和假名的處理功能”。
當(dāng)時(shí)正在從事條形碼讀取機(jī)研發(fā)的Denso Wave公司（這家公司是日本電裝株式會(huì)社（Denso Corporation）旗下的子公司）了解到了這類需求。在這一背景下，研發(fā)小組懷著“一定要滿足客戶需求”的心愿，投入到了新的二維碼的研發(fā)之中。
3.2 研發(fā)2人組
“當(dāng)時(shí)其他公司研發(fā)的二維碼把重點(diǎn)放在了信息量的納入上”，當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)二維碼研發(fā)的騰弘原(Masahiro Hara)回首當(dāng)年如是說(shuō)。
▲ 上圖中的“怪大叔”就是騰弘原(Masahiro Hara)
條形碼只能橫向（一維）存儲(chǔ)信息，相比之下，二維碼則能縱橫二維存儲(chǔ)信息。騰弘原的考慮是，除了能夠容納大量的信息外，“研發(fā)的編碼還要便于讀取”，據(jù)此投入了新的二維碼的研發(fā)之中。研發(fā)小組僅僅只有兩人。
3.3 技術(shù)難題
騰弘原(Masahiro Hara)的研發(fā)小組面臨的最大技術(shù)難題，是如何實(shí)現(xiàn)高速讀取。
有一天，騰弘原的腦海里浮現(xiàn)出這樣一個(gè)思路：“附上‘此處有編碼’這樣的位置信息會(huì)怎樣？”
于是想到的是回字形的“定位圖案”。將這一圖形放入二維碼中，便可實(shí)現(xiàn)其他公司無(wú)法模仿的高速讀取。
▲ 上圖中三個(gè)角的回字型圖案就是“定位圖案”
▲ “定位圖案”黑白色塊比例是1:1:3:1:1
3.4 “定位圖案”為何是回字型？
定位圖案為何要使用那種回字型的呢？
騰弘原解釋說(shuō)：“因?yàn)檫@種圖形在票據(jù)等當(dāng)中出現(xiàn)頻率最小”。
也就是說(shuō)：如果附近有同樣的圖形，讀取機(jī)就會(huì)將其誤認(rèn)為是編碼，為了防止這種誤讀，定位圖案必須是唯一的圖形。
經(jīng)過(guò)全面考慮：騰弘原等人決定將印刷在廣告單、雜志、紙板等處的繪圖和文字全部變成黑白兩色，對(duì)其面積比率進(jìn)行徹底的調(diào)查。
研發(fā)小組日以繼夜地對(duì)無(wú)數(shù)的印刷品進(jìn)行調(diào)查的結(jié)果，終于查明了印刷品中“最不常用的比率”，即1︰1︰3︰1︰1。
這樣：便確定了定位圖案黑白部分的寬幅比率。所形成的結(jié)構(gòu)是，掃描線可以從360度方向掃描，無(wú)論從哪個(gè)方向掃描，一旦掃到其獨(dú)特的比率，便可計(jì)算出編碼的位置。
▲回字型 “定位圖案”使得無(wú)論從哪個(gè)方向掃描都能正常識(shí)別
研發(fā)項(xiàng)目啟動(dòng)后經(jīng)過(guò)一年半的時(shí)間，在經(jīng)歷了幾多曲折之后，可容納約7000個(gè)數(shù)字的二維碼（準(zhǔn)確地說(shuō)是QR碼）終于誕生了。其特點(diǎn)是能進(jìn)行漢字處理，大容量，而且讀取速度比其他編碼快10倍以上。
3.5 二維碼的專利費(fèi)
既然二維碼（準(zhǔn)確地說(shuō)是QR碼）這東西是由公司和個(gè)人研究完成，那為時(shí)至今日它的專利費(fèi)到底該怎么收取呢？
坊間傳聞，騰弘原說(shuō)了這么一句話：“這種技術(shù)其實(shí)隨便找個(gè)網(wǎng)絡(luò)工具就能實(shí)現(xiàn)，所以這么簡(jiǎn)單的東西，我就不收專利費(fèi)啦。”。
當(dāng)然以上只是傳聞，應(yīng)該不是真的。
實(shí)際上Denso Wave公司擁有QR碼的專利權(quán)，完全可以向使用QR碼的公司或個(gè)人收費(fèi)專利費(fèi)，但Denso Wave公司明確表示不會(huì)行使這項(xiàng)權(quán)利。這是開始研發(fā)當(dāng)初就定下來(lái)的方針，也反映了研發(fā)者的想法：“希望能有更多的人使用QR碼”。
于是無(wú)需成本、可放心使用的QR碼現(xiàn)已作為“公共的編碼”，在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。
4、二維碼的優(yōu)點(diǎn)
回到技術(shù)本身，用現(xiàn)代的視角先來(lái)總結(jié)一下二維碼到底有什么有點(diǎn)。
二維碼出現(xiàn)之前，在需要使用類似編碼的場(chǎng)景時(shí)，采用的都是一維碼（條形碼）。
但是條形碼承載的信息太少，只能用于一些很簡(jiǎn)單的場(chǎng)景，因此條形碼除了用于商品等信息，并沒(méi)有廣泛流行。
總結(jié)一下，二維碼具有以下優(yōu)點(diǎn)：
- 1）信息容量大：可容納多達(dá) 1850 個(gè)大寫字母或 2710 個(gè)數(shù)字或 1108 個(gè)字節(jié)，或 500 多個(gè)漢字，比普通條碼信息容量約高幾十倍；
- 2）編碼范圍廣：該條碼可以把圖片、聲音、文字、簽字、指紋等可以數(shù)字化的信息進(jìn)行編碼，用條碼表示出來(lái)；
- 3）容錯(cuò)能力強(qiáng)：具有糾錯(cuò)功能，這使得二維條碼因穿孔、污損等引起局部損壞時(shí)，照樣可以正確得到識(shí)讀，損毀面積達(dá) 50% 仍可恢復(fù)信息；
- 4）譯碼可靠性：它比普通條碼譯碼錯(cuò)誤率百萬(wàn)分之二要低得多，誤碼率不超過(guò)千萬(wàn)分之一；
- 5）可引入加密：保密性、防偽性好；
- 6）使用成本低：易制作，持久耐用。
5、初識(shí)二維碼
我們可以先試著生成一個(gè)二維碼，演示地址是：https://kazuhikoarase.github.io/qrcode-generator/js/demo/。
如上圖所示：可以發(fā)現(xiàn)，二維碼有 4 個(gè)可變項(xiàng)，其中主要的 2 個(gè)為版本和容錯(cuò)率。
1）版本（TypeNumber）：
一共有 40 個(gè)尺寸，對(duì)應(yīng) 40 個(gè)版本；Version1是 21*21 的矩形，之后每增加一個(gè)版本，就增加4的尺寸，即（v-1）4+21，最高是Version40，177177 的正方形。
2）容錯(cuò)率（ErrorCorrectionLevel）：
二維碼容錯(cuò)率即是指二維碼圖標(biāo)被遮擋多少后，仍可以被掃描出來(lái)的能力。容錯(cuò)率越高，則二維碼圖片能被遮擋的部分越多。
二維碼有 4 個(gè)容錯(cuò)等級(jí)：
根據(jù)以上配置不同，相同的內(nèi)容，在不同的配置下產(chǎn)生的二維碼不一樣，但掃出的內(nèi)容是一樣的。
6、二難碼的設(shè)計(jì)原理
日常我們看到的二維碼就是一張由黑白色塊混合在一起的一張圖片，我們肯定也知道這些黑白色塊就是內(nèi)容的某種編碼，但其實(shí)除了內(nèi)容外，二維碼還有許多其他輔助掃碼識(shí)別的信息。
如上圖所示，按右側(cè)標(biāo)識(shí)的從上到下的順序，分別是功能區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。
6.1 功能區(qū)
功能區(qū)的主要內(nèi)容是：
- 1）位置探測(cè)圖形：位于左上、左下、右上的三個(gè)矩形，可以說(shuō)是二維碼最重要的組成部分；
- 2）位置探測(cè)圖形分隔符：位置探測(cè)圖形周圍的白邊，用于分割位置探測(cè)圖形和數(shù)據(jù)。
- 3）定位圖形：三個(gè)位置探測(cè)圖形之間的兩根“線”，用于確定二維碼符號(hào)中模塊的坐標(biāo)（相當(dāng)于坐標(biāo)軸）；
- 4）校正圖形：用于校正定位（只有版本2以上有），版本越高個(gè)數(shù)越多，以校正可能發(fā)生的定位偏移。
位置探測(cè)圖形的作用主要是：
- 1）確定二維碼的放置方向：不管順著掃倒著掃，都可以準(zhǔn)確找到第一個(gè)編碼字符的位置（左上矩形的右邊）；如果任一矩形被遮擋，掃描設(shè)備將無(wú)法定位；
- 2）確定編碼字符的邊界：確定編碼字符的上下左右邊界，不被周圍其他信息干擾。
從網(wǎng)上搜二維碼圖片，可以觀察下，這些二維碼都具有位置探測(cè)圖形、位置探測(cè)圖形分隔符及定位圖形。
其中第三幅，定位圖形不太對(duì)，也確實(shí)就掃不出來(lái)：
6.2 數(shù)據(jù)區(qū)
數(shù)據(jù)區(qū)的主要內(nèi)容是：
- 1）格式信息：存放包括糾錯(cuò)碼類型、掩碼類型等信息；
- 2）數(shù)據(jù)和糾錯(cuò)碼字：最主要的部分，用于存放數(shù)據(jù)和糾錯(cuò)信息。
除掉定位區(qū)以及格式信息，數(shù)據(jù)和糾錯(cuò)碼字的排布如下：
7、二維碼的生成流程
在所有數(shù)據(jù)都完成放置之后，還有一步操作：添加掩碼。
掩碼主要是為了避免，如果出現(xiàn)大面積的空白或黑塊，導(dǎo)致我們掃描識(shí)別的困難。
常用的掩碼如下：
數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)掩碼后，基本不會(huì)再出現(xiàn)大面積的黑塊和白塊，利于掃描。
注：掩碼只會(huì)與數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行 XOR，不會(huì)影響功能區(qū)。
8、Show me the code
只要遵循以上二維碼的規(guī)范，生成對(duì)應(yīng)的二維碼圖形即可，具體實(shí)現(xiàn)邏輯不影響。
這里我們參考jquery-qrcode，簡(jiǎn)單看下實(shí)現(xiàn)。
主要流程如下：
makeImpl : function(test, maskPattern) {
this.moduleCount = this.typeNumber * 4 + 17;
this.modules = newArray(this.moduleCount);
for(varrow = 0; row < this.moduleCount; row++) {
this.modules[row] = newArray(this.moduleCount);
for(varcol = 0; col < this.moduleCount; col++) {
this.modules[row][col] = null;//(col + row) % 3;
}
}
this.setupPositionProbePattern(0, 0);// 位置探測(cè)圖形
this.setupPositionProbePattern(this.moduleCount - 7, 0);// 位置探測(cè)圖形
this.setupPositionProbePattern(0, this.moduleCount - 7);// 位置探測(cè)圖形
this.setupPositionAdjustPattern(); // 校正圖形
this.setupTimingPattern(); // 定位圖形（坐標(biāo)軸）
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); // 生成數(shù)據(jù)
}
this.mapData(this.dataCache, maskPattern); // 加入掩碼
},
生成二維數(shù)據(jù)后，再把點(diǎn)一一繪制出來(lái)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( varrow = 0; row < qrcode.getModuleCount(); row++ ){
for( varcol = 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、藝術(shù)二維碼
日常我們見到的二維碼都是黑白的，但其實(shí)二維碼可以多姿多彩。
二維碼之所以可以五顏六色，是因?yàn)槎S碼的有用信息只是 0 和 1，至于 0 和 1 用什么信息表達(dá)，只要掃碼軟件可以識(shí)別就行。目前的掃碼軟件一般都是對(duì)圖片進(jìn)行灰度處理，所以二維碼上的點(diǎn)無(wú)論如何表達(dá)，只要經(jīng)過(guò)灰度處理后 0 和 1 沒(méi)有顛倒，則信息不會(huì)出錯(cuò)，不會(huì)影響掃碼結(jié)果。
藝術(shù)二維碼實(shí)現(xiàn)起來(lái)也不難，只要區(qū)分特定的數(shù)據(jù)區(qū)，并用特定的圖片渲染即可，有興趣可以參考：https://github.com/252860883/ArtQRCode。
更簡(jiǎn)單一點(diǎn)的，也可以直接降低黑白透明度，背景渲染特定的圖片：
如果只是網(wǎng)頁(yè)上顯示，還可以做成 gif 動(dòng)圖形式（這里就不貼樣本了）。
不過(guò)，藝術(shù)二維碼由于顏色更豐富干擾信息更多，因此相比黑白二維碼，藝術(shù)二維碼對(duì)掃描軟件的要求也更高。
10、微信小程序碼
小程序碼和二維碼雖然看起來(lái)完全不一樣，但是它們的設(shè)計(jì)思想及生成流程是基本一樣的。
如上圖所示，微信小程序碼的特征有：
- 1）具有位置探測(cè)圖形；
- 2）支持3種容量：36 射線、54 射線和 72 射線；
- 3）具有 L、M、Q、H 4種容錯(cuò)級(jí)別；
- 4）掩碼操作均勻0、1碼點(diǎn)。
題外話：了解二維碼的原理后，其實(shí)我們自己也可以手畫二維碼。
11、一個(gè)有趣的問(wèn)題：“二維碼會(huì)被用完嗎？”
這個(gè)問(wèn)題很簡(jiǎn)單，答案是：會(huì)。
因?yàn)槎S碼的尺寸是有限的，那二維碼的數(shù)量就是有限的。
但是用完所有的二維碼，需要很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間。。。
現(xiàn)在的二維碼有40個(gè)官方版本，從Version1-40，最小為21*21、最大為177*177矩陣。
其中，以微信名片為例，就是37×37 的矩陣規(guī)格，微信的付款碼是 25×25 的矩陣規(guī)格。為了方便理解，我們用方塊作為矩陣單位。
▲ 上圖就是微信名片（即37×37矩陣的二維碼）
如何計(jì)算，各矩陣中生成的二維碼個(gè)數(shù)？
我們來(lái)舉個(gè)例子：
如上圖所示的四宮格，每個(gè)格子有兩種顏色變化，請(qǐng)問(wèn)一個(gè)四宮格可以組合出多少個(gè)圖形？
答案是：一個(gè)格子兩種顏色，那就是兩種可能，兩個(gè)格子就是四種可能，三個(gè)格子就是8種可能，四個(gè)格子就是16種可能。所以，四宮格能夠組成2^4，共16個(gè)圖形。
以此類推，以微信的 25X25 付款碼為例：
每一排有 25 個(gè)方塊，共 25 列，除去定位用的方塊和冗余糾錯(cuò)的方塊等，還剩下478 個(gè)方塊。按照二進(jìn)制，每個(gè)方塊只有黑或白兩種選擇，所以 478 個(gè)小方塊理論上一共可以組合 2^478 個(gè)二維碼。
也就是一個(gè)25X25規(guī)格尺寸的二維碼可以生成：
780437137578998057845399307448291576437149535666242787714789239906342934704941405030076525765872992789956732780351655723861993919822071326572544個(gè)二維碼。
大家可以嘗試念出來(lái)大概多少個(gè)？
根據(jù)疫情期間1400億個(gè)二維碼的數(shù)量來(lái)計(jì)算，假設(shè)微信一年會(huì)用掉6000億個(gè)二維碼。那微信用掉25X25這一個(gè)尺寸產(chǎn)生的二維碼需要多少年呢？
我們來(lái)算一下：2^478/6000億=1.301×10^132 年（超多億億億億年）。
所以：雖然理論上二維碼確實(shí)有用完的那一天，但實(shí)際上這個(gè)時(shí)間幫長(zhǎng)了，以至于我們現(xiàn)在完全可以不用考慮！
12、參考資料
[1] 難得干貨，揭秘支付寶的2維碼掃碼技術(shù)優(yōu)化實(shí)踐之路
[2] 你每天都掃的二維碼，知道它是怎么來(lái)的么？
[3] 二維碼，你真的了解嗎？
[4] 二維碼會(huì)被人類掃完嗎？
[5] QR碼的成功之路
[6] 有趣的二維碼
附錄：更多IM相關(guān)入門級(jí)文章
《新手入門一篇就夠：從零開發(fā)移動(dòng)端IM》
《技術(shù)往事：改變世界的TCP/IP協(xié)議（珍貴多圖、手機(jī)慎點(diǎn)）》
《通俗易懂-深入理解TCP協(xié)議（上）：理論基礎(chǔ)》
《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(一)：快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（上篇）》
《網(wǎng)絡(luò)編程懶人入門(二)：快速理解網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議（下篇）》
《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(一)：跟著動(dòng)畫來(lái)學(xué)TCP三次握手和四次揮手》
《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(二)：我們?cè)谧x寫Socket時(shí)，究竟在讀寫什么？》
《網(wǎng)絡(luò)編程入門從未如此簡(jiǎn)單(一)：假如你來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)，會(huì)怎么做？》
《網(wǎng)絡(luò)編程入門從未如此簡(jiǎn)單(二)：假如你來(lái)設(shè)計(jì)TCP協(xié)議，會(huì)怎么做？》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十一)：為什么WiFi信號(hào)差？一文即懂！》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十二)：上網(wǎng)卡頓？網(wǎng)絡(luò)掉線？一文即懂！》
《IM開發(fā)者的零基礎(chǔ)通信技術(shù)入門(十三)：為什么手機(jī)信號(hào)差？一文即懂！》
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《網(wǎng)頁(yè)端IM通信技術(shù)快速入門：短輪詢、長(zhǎng)輪詢、SSE、WebSocket》
《搞懂現(xiàn)代Web端即時(shí)通訊技術(shù)一文就夠：WebSocket、socket.io、SSE》
《一套海量在線用戶的移動(dòng)端IM架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐分享(含詳細(xì)圖文)》
《一套原創(chuàng)分布式即時(shí)通訊(IM)系統(tǒng)理論架構(gòu)方案》
《一套億級(jí)用戶的IM架構(gòu)技術(shù)干貨(上篇)：整體架構(gòu)、服務(wù)拆分等》
《一套億級(jí)用戶的IM架構(gòu)技術(shù)干貨(下篇)：可靠性、有序性、弱網(wǎng)優(yōu)化等》
《即時(shí)通訊音視頻開發(fā)（十八）：詳解音頻編解碼的原理、演進(jìn)和應(yīng)用選型》
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