二维码生成器：从零到一，手写一个实用工具

二维码这东西，现在满大街都是。扫码支付、加好友、看菜单……但你真的了解它背后的原理吗？

我个人觉得，写一个二维码生成器，是理解编码原理、图像处理和C++实战能力的绝佳项目。今天我们就来手撸一个。

项目概览：我们要做什么？

说白了，就是把一段文本（比如URL、名片信息），转换成一张黑白相间的二维码图片。输出可以是BMP、PNG等格式。

核心流程分三步：

1. 数据编码：把输入文本转成二进制位流
2. 纠错码生成：加入里德-所罗门码，让二维码即使被遮挡一部分也能扫出来
3. 矩阵绘制：把位流填充到网格中，加上定位图案、掩码等

SVG流程图：二维码生成核心逻辑

第一步：数据编码

QR码支持四种编码模式：数字、字母数字、字节、中文。我们最常用的是字节模式，可以处理UTF-8文本。

编码过程其实不复杂：

• 先加一个模式指示符（4位）
• 再加字符计数（8位或更多）
• 最后是数据本身的二进制流

// 字节模式编码示例
std::vector<bool> encodeByteMode(const std::string& input) {
    std::vector<bool> bits;
    
    // 模式指示符：0100（4位）
    bits.push_back(0); bits.push_back(1); 
    bits.push_back(0); bits.push_back(0);
    
    // 字符计数（8位）
    int len = input.length();
    for (int i = 7; i >= 0; --i) {
        bits.push_back((len >> i) & 1);
    }
    
    // 数据位
    for (char c : input) {
        for (int i = 7; i >= 0; --i) {
            bits.push_back((c >> i) & 1);
        }
    }
    
    return bits;
}

第二步：纠错码生成

这里要用到里德-所罗门码。听起来高大上，其实原理就是多项式除法。

QR码有四个纠错等级：L（7%）、M（15%）、Q（25%）、H（30%）。等级越高，二维码越耐脏，但数据容量越小。

纠错等级	恢复能力	适用场景
L	7%	干净环境，如屏幕显示
M	15%	一般印刷品
Q	25%	户外海报
H	30%	极端环境，如金属表面

// 里德-所罗门纠错码生成（简化版）
std::vector<int> generateRS(const std::vector<int>& data, int eccCount) {
    // 使用生成多项式进行多项式除法
    std::vector<int> remainder(eccCount, 0);
    
    for (int d : data) {
        int factor = d ^ remainder[0];
        for (int i = 0; i < eccCount - 1; ++i) {
            remainder[i] = remainder[i + 1] ^ gfMul(factor, genPoly[i]);
        }
        remainder[eccCount - 1] = gfMul(factor, genPoly[eccCount - 1]);
    }
    
    return remainder;
}

第三步：矩阵布局与掩码

数据位和纠错码准备好后，就要往矩阵里填了。这个过程有点像拼图：

• 先放定位图案（三个大回形）
• 再放校正图案（小回形）
• 最后按蛇形路径填充数据

嗯，这里要注意填充顺序。数据是从右下角开始，按列向上、再向左、再向下……这样来回蛇形走的。我第一次写的时候没注意方向，结果图案全乱了。

掩码的作用是让二维码看起来更「随机」，避免出现大块空白或密集区域。QR规范定义了8种掩码模式，我们需要选一个让惩罚分数最低的。

// 应用掩码
void applyMask(std::vector<std::vector<bool>>& matrix, int maskPattern) {
    int size = matrix.size();
    for (int row = 0; row < size; ++row) {
        for (int col = 0; col < size; ++col) {
            // 跳过功能区域（定位图案等）
            if (isFunctionPattern(row, col)) continue;
            
            bool maskBit = false;
            switch (maskPattern) {
                case 0: maskBit = (row + col) % 2 == 0; break;
                case 1: maskBit = row % 2 == 0; break;
                // ... 其他模式
            }
            if (maskBit) {
                matrix[row][col] = !matrix[row][col];
            }
        }
    }
}

输出图片：生成BMP文件

最后一步是把矩阵输出成图片。BMP格式最简单，不需要依赖任何第三方库。

每个模块（黑白方块）我们放大到几个像素，比如4x4。然后按位图格式写入文件头、信息头、像素数据。

// 生成BMP文件
void saveBMP(const std::string& filename, 
             const std::vector<std::vector<bool>>& matrix, 
             int moduleSize) {
    int size = matrix.size() * moduleSize;
    // 写入BMP文件头（54字节）+ 像素数据
    // 每个模块绘制为黑色或白色方块
    for (int y = 0; y < size; ++y) {
        for (int x = 0; x < size; ++x) {
            int row = y / moduleSize;
            int col = x / moduleSize;
            bool black = matrix[row][col];
            // 设置像素颜色
            setPixel(x, y, black ? 0 : 255);
        }
    }
}

完整示例：生成一个二维码

把上面所有步骤串起来，就能生成一个完整的二维码了。下面是一个使用示例：

int main() {
    QRCodeGenerator qr;
    qr.setData("https://example.com");
    qr.setErrorCorrectionLevel(ErrorCorrection::M);
    qr.setModuleSize(4);
    
    // 生成矩阵
    qr.encode();
    
    // 保存为图片
    qr.saveToBMP("qrcode.bmp");
    
    std::cout << "二维码已生成：qrcode.bmp" << std::endl;
    return 0;
}

运行后，你会得到一个标准的二维码图片。拿手机扫一下，就能跳转到指定网址。

总结与经验

写这个项目，我最大的体会是：规范很重要。QR码的ISO标准有100多页，每个细节都有严格定义。稍微偏离一点，生成的二维码就可能无法识别。

另外，调试二维码生成器有个好方法：用手机上的扫码App实时测试。每改一个参数，扫一下看看能不能识别。这样比肉眼检查高效得多。

如果你想让项目更完善，可以加这些功能：

• 支持中文编码（UTF-8转GB2312）
• 输出PNG格式（需要zlib库）
• 添加Logo嵌入功能
• 支持动态二维码（如定时刷新）

好了，二维码生成器就讲到这里。动手写一个吧，你会发现它比想象中有意思。

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公众号：蓝海资料掘金营，微信deep3321