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二维码（QR code）基本结构及生成原理

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）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。

在许多种类的二维条码中，常用的码制有：Data Matrix, Maxi Code, Aztec, QR Code, Vericode, PDF417, Ultracode, Code 49, Code 16K等。

二维条码/二维码可以分为堆叠式/行排式二维条码和矩阵式二维条码。

1.堆叠式/行排式二维条码，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 等。

2.矩阵式二维码，流行莫过于QR CODE ,我们常说的二维码就是它了。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 等。

二维码在现实生活中的应用越来越普遍由于QR CODE的流行，二维码又称QR code。

QR码的特点

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。

另外，QR码还可以支持所有类型的数据。（如：数字、英文字母、日文字母、汉字、符号、二进制、控制码等）。一个QR码多可以处理7089字(仅用数字时)的巨大信息量。

2.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，可以在小空间内处理数据。)

3.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一级和二级的汉字”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。

4.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），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）。

5.可以从任意方向读取

QR码从360°任一方向均可读取。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，实现稳定的读取。

6.支持数据合并功能

QR码可以将数据分割为多个编码，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。

QR码的信息量和版本

QR码设有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)。（码元是指构成QR码的方形黑白点。)

“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)。

   基于二维码识别技术的地铁购票系统、进出站检票系统，包括智能手机终端、智能手机应用程序、地铁售检票系统后台充值服务器、地铁进出站自动检票系统以及CA中心。地铁售检票系统后台充值服务器、每个智能手机应用程序、每个地铁进出站自动检票系统都拥有由所述CA中心签发的统一的中心公钥和由所述CA中心签发的各自独立的公私钥、公钥证书。用户通过手机程序和二维码进行购票和检票。此产品提高了购票效率、节省了购票时间，降低了票卡成本、节省了纸张，同时还保证了票卡的时效性和一性，能够快捷、高效、安全地实现地铁购票、检票。

   近年来，地铁因其运量大、舒适性高、污染少、能耗低等优点，已经越来越受到各方重视，成为一种、安全、高效的城市公共交通工具。目前，国内各个城市的地铁客运部门都已建立了较为完善的购票、检票系统，目前地铁采用非接触式IC卡作为票卡的载体，但非接触式IC卡成本太高，出    质成本**车票本身的情况。

   将二维码运用到地铁的购票中，可以解决上述问题，利用智能手机扫描二维码已经成为了新技术发展的方向。二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。二维码是DOI (Digital Object UniqueIdentifier,数字对象一识别符)的一种。

在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的比特流的概念，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。在许多种类的二维条码中，常用的码制有=DataMatrix, MaxiCode, Aztec, QR Code, Vericode, PDF417, Ultracode, Code 49, Codel6K 等。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**的信息自动识别功能及处理图形旋转变化等特点。

   二维码是一种比一维码高级的条码格式。一维码只能在一个方向(一般是水平方向)上表达信息，而二维码在水平和垂直方向都可以存储信息。一维码只能由数字和字母组成，而二维码能存储汉字、数字和图片等信息，因此二维码的应用领域要广得多。

   现有的二维码票卡，如高铁票，采用将二维码信息打印在纸票上，数据是固定的，票卡易被复制仿造，通常需要采用联网的方式查询该票是否已进出站防止复制票卡的使用，一旦出现断网情况则无法正常交易。另外，在客流高峰时，查询过于密集，对网络和服务器的压力较大。

   利用动态显示二维码、不对称加密方法对动态数据进行数字签名的方法，可以有效防止复制伪造。不对称加密算法是一种使用一对完全不同却相互匹配的公钥(publickey)和私钥(private key)进行数据加密、解密过程的算法。与对称加密算法不同，不对称加密算法需要两个密钥:公钥和私钥。公钥与私钥是相互匹配的，若用公钥对数据进行加密，只有用对应的私钥才能解密。

   不对称加密算法的基本原理是:如果发信方想发送只有收信方才能解读的加密信息，发信方必须首先知道收信方的公钥，然后利用收信方的公钥来加密原文；收信方收到加密密文后，使用自己的私钥才能解密密文。显然，采用不对称加密算法，收发信双方在通信之前，收信方必须将自己早已随机生成的公钥送给发信方，而自己保留私钥。

   不对称加密算法实现数据交换的一般过程是:甲方生成一对密钥并将其中的一把作为公钥向其它方公开；得到该公钥的乙方使用该密钥对需要传输的数据进行加密后再发送给甲方；甲方再用自己保存的私钥对加密后的数据进行解密。甲方只能用其私钥解密由其公钥加密后的任何信息。

   由于不对称算法拥有两个密钥，算法保密性较好，并且消除了终用户交换密钥的需要，因而特别适用于分布式系统中的数据加密。广泛应用的不对称加密算法有RSA算法和美国标准局提出的DSA。

    同时，不对称加密技术也是电子商务系统中主要的加密技术，一般用于对称加密密钥的分发(数字信封)、数字签名的实现(进行身份认证和信息的完整性检验)和交易防抵赖等等。

    数字签名是附加在数据单元上的一些数据，常见的方法是发送方对数据或数据的散列值使用自身的私钥进行加密，并将加密的结果作为签名数据附在原始的数据后发送给接收方；接收方使用发送方的公钥对签名数据进行解码并与原始数据或数据的散列值进行比较，若一致则认为签名数据合法。

    在实际交*程中，CA中心为用户的公钥签发公钥证书，以实现公钥的分发并证明其合法性。公钥证书，通常简称为证书，是一个经CA中心数字签名的包含公钥以及公钥拥有者信息的文件。CA中心又称CA机构，即证书授权中心(Certificate Authority),或称证书授权机构，作为电子商务交易中受信任的三方，承担公钥体系中公钥的合法性检验的责任，专门负责发放并管理所有参与交易的实体所需的数字证书，并对密钥进行有效管理，是安全电子信息交换的核心。

    目前地铁售检票系统还存在购票效率低、客流高峰期排队购票时间长、车票单次使用成本大等问题。