使用 Python 生成二維碼

1 二維碼

二維碼（2-dimensional bar code），是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向上）分佈的黑白相間的圖形記錄資料符號資訊的。它能將數字、英文字母、漢字、日文字母、特殊符號(如空格，%，/ 等)、二進位制等資訊記錄到一個正方形的圖片中。

因此，在轉換的過程中，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。

二維碼在現實生活中的應用越來與普遍，歸於功於 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）。它是在一個矩形空間通過黑、白畫素在矩陣中的不同分佈進行編碼。在矩陣相應元素位置上， 用點（方點、圓點或其他形狀）的出現表示二進位制“1”，點的不出現表示二進位制的“0”，點的排列組合確定了矩陣式二維條碼所代表的意義 。

2 二維碼結構

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)的結構。根據標準（ISO/IEC 18004），我們可以瞭解到 QR 碼結構如下：

 

圖片來源網路

1) 功能圖形
功能圖形 是不參與編碼資料的區域。它包含 空白區 、 位置探測圖形 、 位置探測圖形分隔符 、 定點陣圖形 、 校正圖形 五大模組。

• 空白區

空白區顧名思義就是要留空白。因此，這裡不能有任何圖樣或標記。這樣才能保證 QR 能被識別。

• 位置探測圖形

這個有點類似中文的“回”字。在 QR 碼中有個這樣的標識，它分別的左上、右上和左下角。作用是協助掃描軟體定位 QR 碼並轉換座標系。我們在掃描二維碼的時候，不管是豎著掃、橫著掃、斜著掃都能識別出內容，主要是它的功勞。

• 位置探測圖形分隔符

主要作用是區分功能圖形和編碼區域。

• 定點陣圖形

它由黑白間隔的各自各自組成的線條。主要用於指示標識密度和確定座標系。原因是 QR 碼一種有 40 個版本，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。

• 校正圖形

只有 Version 2 及以上的QR碼有校正標識。校正標識用於進一步校正座標系。

2) 編碼區域
編碼區域是資料進行編碼儲存的區域。它由 格式資訊 、 版本資訊 、 資料和糾錯碼字 三部分構成。

• 格式資訊

所有尺寸的二維碼都有該資訊。它存放一些格式化資料的資訊，例如容錯級別、資料掩碼，和額外的自身 BCH 容錯碼。

• 版本資訊

版本資訊是規定二維碼的規格。前面講到 QR 碼一共有 40 種規格的矩陣（一般為黑白色），從21x21（版本1），到177x177（版本40），每一版本符號比前一版本 每邊增加4個模組。

• 資料和糾錯碼

主要是儲存實際資料以及用於糾錯碼字。

3 二維碼的繪製過程

二維碼已經是有一套國際標準，繪製二維碼過程的嚴格按照標準來執行。這個過程是比較複雜，我自己也是看了大概，然後總結出大致繪製過程。如果你想深入瞭解繪製細節，可以閱讀標準。

二維碼的繪製大概過程如下：
1）在二維碼的左上角、左下角、右上角繪製 位置探測圖形 。位置探測圖形一定是一個 7x7 的矩陣。
2）繪製 校正圖形 。校正圖形一定是一個 5x5 的矩陣。
3）繪製兩條連線三個 位置探測圖形 的 定點陣圖形 。
4）在上述圖片的基礎上，繼續繪製 格式資訊 。
5）接著繪製 版本資訊 。
6）填充 資料碼 和 糾錯碼 到二維碼圖中。
7）最後是繪製 蒙版圖案 。因為按照上述方式填充內容，可能會出現大面積的空白或黑塊的情況，導致掃描識別會十分困難。所以需要對整個影像與蒙版進行蒙版操作(Masking)，蒙版操作即為異或 XOR 操作。在這一步，我們可以將資料排列成各種圖片。

4 二維碼的生成

我們既然已經瞭解二維碼原理，那麼可以利用 Python 生成二維碼。然而網路上高人比比皆是。已經有大神編寫了 Python 生成二維碼的第三方庫，所以我們不需要重複造輪子, 使用現成的庫即可。

我就推薦兩個庫： qrcode  和  python-qrcode 。

• qrcode

qrcode  執行在 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、帶圖片的藝術二維碼（黑白與彩色）、動態二維碼（黑白與彩色）。它比較適合直接用於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。最後的安裝命令如下：

# 逐一安裝pip install pillowpip install numpypip install imageiopip install myqr

該庫生成帶圖片的藝術二維碼算是一大亮點，具體用法如下:

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

上述命令作用是將 github 主頁寫到彩色二維碼中。

該庫還支援生成 gif 的彩色二維碼圖片，具體用法如下：

myqr https://github.com -p github.gif -c -con 1.5 -bri 1.6

效果圖如下：

最後補上該庫的 Github 地址：https://github.com/sylnsfar/qrcode

• python-qrcode

python-qrcode  相比  qrcode  要稍微遜色一點。不過它也有自己的特色。它支援生成向量圖，而且比較適合在程式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 程式碼中，最簡單的用法是這樣。

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

它也支援自定義二維碼的資訊，具體用法如下：

import qrcodeqr = 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")

如果你想深入瞭解該庫，可以到 Github 倉庫閱讀相關的文件。
Github 地址是：https://github.com/lincolnloop/python-qrcode

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