二維碼（2-dimensional bar code），是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的。它能將數(shù)字、英文字母、漢字、日文字母、特殊符號(hào)(如空格，%，/ 等)、二進(jìn)制等信息記錄到一個(gè)正方形的圖片中。

因此，在轉(zhuǎn)換的過程中，離不開編碼壓縮方式。在許多種類的二維條碼中，常用的碼制有：Data Matrix, Maxi Code, Aztec, QR Code, Vericode, PDF417, Ultracode, Code 49, Code 16K等。

二維碼在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用越來與普遍，歸于功于 QR code 碼制的流行。我們常說的二維碼就是它。所以，二維碼又被稱為 QR code。

QR code 是一種矩陣式二維條碼（又稱棋盤式二維條碼）。它是在一個(gè)矩形空間通過黑、白像素在矩陣中的不同分布進(jìn)行編碼。在矩陣相應(yīng)元素位置上，用點(diǎn)（方點(diǎn)、圓點(diǎn)或其他形狀）的出現(xiàn)表示二進(jìn)制“1”，點(diǎn)的不出現(xiàn)表示二進(jìn)制的“0”，點(diǎn)的排列組合確定了矩陣式二維條碼所代表的意義。

2 二維碼結(jié)構(gòu)

我們的目的是要使用 Python 生成 QR 碼，那我們需要先了解二維碼(QR 碼)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC 18004），我們可以了解到 QR 碼結(jié)構(gòu)如下：

1) 功能圖形
功能圖形是不參與編碼數(shù)據(jù)的區(qū)域。它包含空白區(qū)、位置探測圖形、位置探測圖形分隔符、定位圖形、校正圖形五大模塊。

• 空白區(qū)

空白區(qū)顧名思義就是要留空白。因此，這里不能有任何圖樣或標(biāo)記。這樣才能保證 QR 能被識(shí)別。

• 位置探測圖形

這個(gè)有點(diǎn)類似中文的“回”字。在 QR 碼中有個(gè)這樣的標(biāo)識(shí)，它分別的左上、右上和左下角。作用是協(xié)助掃描軟件定位 QR 碼并轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系。我們?cè)趻呙瓒S碼的時(shí)候，不管是豎著掃、橫著掃、斜著掃都能識(shí)別出內(nèi)容，主要是它的功勞。

• 位置探測圖形分隔符

主要作用是區(qū)分功能圖形和編碼區(qū)域。

• 定位圖形

它由黑白間隔的各自各自組成的線條。主要用于指示標(biāo)識(shí)密度和確定坐標(biāo)系。原因是 QR 碼一種有 40 個(gè)版本，也就是說有 40 種尺寸。每種二維碼的尺寸越大，掃描的距離就越遠(yuǎn)。

• 校正圖形

只有 Version 2 及以上的QR碼有校正標(biāo)識(shí)。校正標(biāo)識(shí)用于進(jìn)一步校正坐標(biāo)系。

2) 編碼區(qū)域
編碼區(qū)域是數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼存儲(chǔ)的區(qū)域。它由格式信息、版本信息、數(shù)據(jù)和糾錯(cuò)碼字三部分構(gòu)成。

• 格式信息

所有尺寸的二維碼都有該信息。它存放一些格式化數(shù)據(jù)的信息，例如容錯(cuò)級(jí)別、數(shù)據(jù)掩碼，和額外的自身 BCH 容錯(cuò)碼。

• 版本信息

版本信息是規(guī)定二維碼的規(guī)格。前面講到 QR 碼一共有 40 種規(guī)格的矩陣（一般為黑白色），從21x21（版本1），到177x177（版本40），每一版本符號(hào)比前一版本 每邊增加4個(gè)模塊。

• 數(shù)據(jù)和糾錯(cuò)碼

主要是存儲(chǔ)實(shí)際數(shù)據(jù)以及用于糾錯(cuò)碼字。

3 二維碼的繪制過程

二維碼已經(jīng)是有一套國際標(biāo)準(zhǔn)，繪制二維碼過程的嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。這個(gè)過程是比較復(fù)雜，我自己也是看了大概，然后總結(jié)出大致繪制過程。如果你想深入了解繪制細(xì)節(jié)，可以閱讀標(biāo)準(zhǔn)。

二維碼的繪制大概過程如下：
1）在二維碼的左上角、左下角、右上角繪制位置探測圖形。位置探測圖形一定是一個(gè) 7x7 的矩陣。
2）繪制校正圖形。校正圖形一定是一個(gè) 5x5 的矩陣。
3）繪制兩條連接三個(gè)位置探測圖形的定位圖形。
4）在上述圖片的基礎(chǔ)上，繼續(xù)繪制格式信息。
5）接著繪制版本信息。
6）填充數(shù)據(jù)碼和糾錯(cuò)碼到二維碼圖中。
7）最后是繪制蒙版圖案。因?yàn)榘凑丈鲜龇绞教畛鋬?nèi)容，可能會(huì)出現(xiàn)大面積的空白或黑塊的情況，導(dǎo)致掃描識(shí)別會(huì)十分困難。所以需要對(duì)整個(gè)圖像與蒙版進(jìn)行蒙版操作(Masking)，蒙版操作即為異或 XOR 操作。在這一步，我們可以將數(shù)據(jù)排列成各種圖片。

4 二維碼的生成

我們既然已經(jīng)了解二維碼原理，那么可以利用 Python 生成二維碼。然而網(wǎng)絡(luò)上高人比比皆是。已經(jīng)有大神編寫了 Python 生成二維碼的第三方庫，所以我們不需要重復(fù)造輪子, 使用現(xiàn)成的庫即可。

我就推薦兩個(gè)庫：qrcode和 python-qrcode。

• qrcode

qrcode運(yùn)行在 Python 3 版本上，它可以玩出很多花樣。例如能生成以下三種二維碼圖片：普通二維碼、帶圖片的藝術(shù)二維碼（黑白與彩色）、動(dòng)態(tài)二維碼（黑白與彩色）。它比較適合直接用于生成二維碼圖片的場景。

安裝 qrcode 庫可以使用 pip 方式。但是該庫依賴 pillow、numpy和 imageio。因此，我們需要先安裝依賴庫，再安裝 qrcode。最后的安裝命令如下：

# 逐一安裝
pip install pillow
pip install numpy
pip install imageio
pip install myqr

該庫生成帶圖片的藝術(shù)二維碼算是一大亮點(diǎn)，具體用法如下:

myqr https://github.com -p github.jpg -c

• python-qrcode

python-qrcode相比 qrcode要稍微遜色一點(diǎn)。不過它也有自己的特色。它支持生成矢量圖，而且比較適合在代碼中生成二維碼的場景。

安裝 python-qrcode 同樣建議使用 pip 方式，安裝命令如下：

pip install qrcode

在 Python 代碼中，最簡單的用法是這樣。

import qrcode
img = qrcode.make('https://github.com')

它也支持自定義二維碼的信息，具體用法如下：

import qrcode
qr = qrcode.QRCode(
    version=1,
    error_correction=qrcode.constants.ERROR_CORRECT_L,
    box_size=10,
    border=4,
)
qr.add_data('https://github.com')
qr.make(fit=True)

img = qr.make_image(fill_color="black", back_color="white")