小程序码生成技术分析
阅读之前
异或操作
在此之前，我们先来学习一下逻辑异或（XOR，符号是⊕ ）的基本知识，请看下面这个表格。
A ⊕ B ，当 AB 不等时值为1，AB 相等时值为0。A和同一个 B 经过两次异或操作，结果跟原码相同（A ⊕ B ⊕ B = A）。
背景
QRCode
QR码/图码 （英语：Quick Response Code；全称为 快速响应矩阵图码 ）是二维码的一种，于1994年由日本汽车零组件大厂电装公司的原昌宏所发明 。
异形码
小程序码属于异形码，异形二维码并不是微信的首创，Facebook、Snap 等公司都已经推出过类似的异形码：
小程序VS传统二维码
传统二维码往往以有下几个缺点：
- 扫码预期：每张二维码的背后可能代表一个文件，一个页面、又或者是一个应用
- 安全性：二维码由于其开放性，很容易成为木马病毒的温床，很多人会担心扫码之后可能使自己的手机感染病毒而放弃扫码
- 品牌宣传：无法满足小程序的品牌宣传需求
小程序码的优点：
- 观赏性：小程序码与普通二维码相比，看起来更美观
- 扫码预期：扫码前能明确知道扫码之后将会体验到一个小程序
- 安全性：小程序码目前只能通过微信产生，并且只能通过微信识别，安全性更高
- 品牌宣传：每个小程序码右下角都是固定的微信小程序 Logo，每见到一次小程序码，大家就能多一次联想到微信小程序
- 高容错性：当一张二维码图片中间嵌有某些 Logo 图片时，其实相当于是把最中间部分有用的编码信息挖掉，再贴一张 Logo 图片上去。而小程序码不同，中间的 Logo 区并不包含数据编码的部分，因此小程序码拥有更高的容错性
小程序码分析
版本与数据分布
目前小程序码一共支持 3 种容量，分别是 36 射线、54 射线和 72 射线。
36线、54线、72线小程序码数据点用途。黑色是固定图案，黄色可绘制广告、头像等。棕色不存储数据（固定填充为黑、白或跟随临近点颜色）；绿色存储元数据，表示该码的版本、纠错等级、掩码图案等；剩余的灰色点存储有效数据。
对于三个不同的版本，元数据（绿色）区域的位置是一致的，这是因为在解码元数据之前不一定能知道小程序码的版本，需要在不知道小程序码版本的情况下识别元数据。
通过目测可以发现，上述三个版本数据区域的总数据点数分别为304、416、528个点（都是16的倍数），分别对应304、416、528个比特。
数据点与数据比特映射关系
根据一些测试，输入比特与图案中黑白点的映射关系如下。
以72线为例，首先将朝向左侧（即9点钟方向）的线记为0号线，顺时针依次是1, 2, ..., 71号线，于是18号线位于12点方向，36号线位于3点方向，以此类推。
然后，比特映射的顺序是，将第1个比特映射至0号线由内往外的第1个有效数据点，第k个比特映射至0号线由内往外的第k个有效数据点。0号线映射完毕后继续按照由内往外的方式映射1, 2, ..., 71号线直至映射完毕。
对于36线和54线，数据映射关系也可以参照上述流程，对于不存在的线跳过，继续映射下一线即可。
举个例子，对于文献[1]开头的那张小程序码，目测它的版本是36线。通过上一节的数据点分布及这节所述流程，可以读到它的元数据为：
01110111001……
它的有效承载数据为（304比特）：
100011010111……
掩码图案以及去掩码图案
根据文献[1]，小程序生成的最后会将数据点与32个掩码图案之一进行异或。在解码时，可以通过元数据知道该小程序生成时具体用了32个掩码图案中的哪个。
具体掩码图案的获得方式此处先略去，假设我们已经知道了该 小程序具体使用了哪个掩码图案。于是，上述数据经过去掩码（实际的流程是先去掩码，再依次读取数据点）后将得到去掩码以后的数据比特：
0010000011001110011……
纠错编码以及数据编码
经过前几步去掩码、数据比特读取，文献[2]开头的那张二维码已近被转化成一串304位二进制比特。之后的纠错编码与数据编码经过实验发现与QR码完全一致。具体如下。
通过元数据，我们可以知道（具体如何知道的晚些时候再说）上述信息中纠错码的有效数据长度为160比特 = 20字节，纠错码校验位的长度为144比特 = 18字节。
通过对照QR码的校验，巧合的发现，如果使用QR码的纠错码对前20个字节生成校验位，恰好就是后18个字节。当然，这是因为做实验用的小程序码完全没有经过污损，每个比特都是对的。于是，从这个结果可以知道，小程序码的纠错用的是和QR码完全一致的编码，即GF256上的RS码，具体编码及解码方式网上有较多公开文档，此处略去。
将纠错码产出的校验位舍去后可以得到如下有效信息比特载荷：
001000001100111……
我再一次掏出了QR码的编码标准，尝试解码上述有效信息比特载荷，发现数据又是合法的。于是此处又可以省略一大段说明，得到解码后的数据如下。顺便补充说明一下，QR码在编码的过程中会在有效荷载之后依次填充0xEC和0x11两个字节，直至填充满纠错码的数据位长度，小程 序码的填充方式也完全一致。
L+SKD……
通过一些观测，这并不是小程序码承载的真实信息，疑似只是小程序码在生成过程中为了将数据喂给QR码的数据编码而产出的数据。
经过大量测试，我发现上述数据产出过程经过了Base82 -> Base256 -> Base45两次转换。于是，解码过程即首先将上述字符串重新转化成QR码Alphanumeric模式的Base45数组，然后通过一个非标准进制转换将其转换成Base256的数组，再转换成Base82的数组。
需要说明一下，为什么此处想到是Base82，这是因为在这篇 小程序码生成文档 中，scene的参数选取可以是数字、大小写字母及文档中给出的20个字符，加起来就是82个字符。
经过上述转换后，最终就得到了文献[2]开头的小程序码中存储的信息：
k1;/~z……
看起来似乎是加密的信息。
小程序码的生成与识别
定位点
首先确定 3 个定位点和右下角的官方 logo 区，经过第一步小程序码的大小也随着确定。
信息编码区
编码的过程主要是把原始信息（例如某个小程序的首页）转化成计算机能识别的语言——二进制序列（例如 0110…110）的过程。
听起来是不是有点抽象？你可以这么理解，六个月大的婴儿吃不了大米，但是我们可以把大米砸碎研磨变成米浆米糊，这样他就可以食用消化的，原理是差不多的，大而化小 :）
编码完的下一步是加纠错码。
这个过程有点复杂，这里我也尝试用大家能听懂的语言给大家解释一下。
假设桌子上先是放了 100 个生鸡蛋（代表上一步已经转换好的二进制序列），然后再加入120个熟鸡蛋（代表纠错码，具体个数就视纠错率而定了，这里只是一种假设）。表面上看起来生鸡蛋和熟鸡蛋并没有太大的区别，但是其实还是有办法能辨别出来的。例如，生鸡蛋由于蛋黄悬浮到鸡蛋中间，重心不稳，无法旋转，而熟鸡蛋是可以旋转的。
经过纠错码这个步骤，数据量变大了（从生熟鸡蛋的例子来看，桌子上的鸡蛋由 100 个变为 220 个），而回到我们上一个步骤，相当于把二进制序列 0110…110** 进行了扩展（假设原来 0 和 1 加起来一共有 170 位，经过纠错编码之后就变成了一共 400 位的 1010…101）。
这里需要补充说明的一点是，加纠错码这个阶段不只是让数据量简单地增大。
一旦小程序码的版本、纠错级别确定了，其对应的纠错码都 是固定的了，这样解码阶段才能通过对应的规则去消除纠错码，把真正有用的数据保留下来（回到生熟鸡蛋的例子就是只留下生鸡蛋，而把熟鸡蛋排除掉）。
经过信息转换和纠错编码之后，我们得到一串最终的二维码序列，就可以把信息按一定的编码顺序填充到小程序码的编码区域（1对应的是黑色，0对应的是白色）。
填充之后我们发现小程序上花瓣看起来很不均匀，比如下图：
所以为了让小程序码的花瓣看起来更加均衡，需要再多做一步操作。
掩码操作
填充好编码区之后，我们发现图案与设计稿大相径庭，并没有发射状线条的感觉。究其原因，是因为黑色点过于稀疏。所以我们还要做 mask,加上掩码图案。
mask 的原理其实就是拿一个掩码图案与原图做 XOR 操作，在解码阶段，再做一次 XOR 操作，两次 XOR 操作，我们得到了原始的数据区。
将小程序码跟 32 种掩膜（又称「mask」，可依照一定的规则生成）进行异或运算，最终选取效果最佳的作为最终的小程序码。
功能性数据
元信息区
前面我们提到，小程序码分为多个版本，每个版本有 4 个纠错 Level,同时 mask 阶段又有一个独特的 mask id。这些信息，我们称之为元信息，需要独立编码到图案中，并且本身具备纠错能力。
至此，我们已经把所有必不可少的信息写入到图案中，码本身已经是可识别的了。为了让整体更加美观，需要对内外圈再进行一些处理。
轮廓填充区
为了凸显 logo 的形状，我们在内圈留了一些区域作为轮廓填充区。
边缘补全区
最外圈也不带有编码信息，用于勾勒图案的轮廓，总体上我们有以下两种方案
方案一更突出图案更加圆的特点，但方案二可以让线条显得更加错落有致，也是我们的最终选择。
最终效果如下：
至此，小程序码就完成了它的绽放过程 :）
识别
小程序码识别过程跟小程序码的生成过程是反过来的，大家可以通过简单的流程图来感受一下。
各类新型二维码编码方式对比
| 名称/别名 | 码眼 | 码点分布 | 版本 | 掩码 | 纠错码 | 编码内容 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 微信小程序码/菊花码 | 3同心圆+圆形logo | 射线状 | 36/54/72线 | 32 | RS（GF256 0x11d） | 加密信息+偶有少量明文 |
| 抖音码 | 3同心圆+圆形logo | 完整环形 | 4/5/6环、3/5度、新旧式 | 8 | RS（GF256 0x11d） | 完整URL |
| QQ小程序码 | 3同心圆+圆形logo | 方形环绕 | 唯一版本 | 8 | RS（GF256 0x11d） | 识别码 |
| 淘宝码 | 同低版本QR码 | QR码四角 | 唯一版本 | 1 | RS（GF64 0x43） | URL后缀 |
| 鸿蒙码/鸿蒙多功能码 | 3同心圆+小同心圆 | 双半圆环绕 | 4/5/8/10/11/13环 | 8 | RS（GF256 0x11d） | 协议+识别码 |
| 支付宝码 | 3同心圆+圆形logo | 完整环形 | 唯一版本 | 7 | RS（GF256 0x11d） | 识别码 |