15 岁的我用 Rust 编写了一个 QR 代码生成器作为我的第一个项目

大家好，我想向大家介绍一下我是如何从零开始学习 Rust 编程的，为此我选择了制作 QR 码编码器这个目标，并得到了 Pionir 免费学校一位导师的帮助。

至于我为什么会选择 Rust？

首先，我想尝试一些新的东西，我以前使用简单的 Python 写作，没有使用更低级、更复杂的语言的经验；其次，Rust 这种语言看起来很有前途，也很有趣。

我选择 QR 码编码器作为项目，是因为这个项目并不复杂，而且我可以熟悉 Rust 的基础知识。

此外，由于我们的未来计划与二维码有关，我想从这个项目中学到：如何使用位、矩阵、Rust 及其库、Reed-Solomon 算法和常见的纠错算法。

什么是 QR 码，以及如何生成？QR 码（Quick Response code，快速反应码）是一种二维条形码，它可以存储一些信息，借助搜索模式，可以用扫描仪轻松读取。

QR 码的优点是读取速度快、存储信息量大，而且使用 Reed-Solomon 算法，QR 码的纠错率高达 30%。

要生成 QR 代码，需要经过以下步骤：

数据编码

添加服务信息并填充

将信息分块

创建校正字节

组合区块

在 QR 码上放置信息

我对架构的设计

我对于生成器的架构设计有不同的想法，从中我选择了我认为最简单易懂的一种。

我想架构分为四个层次：

QrMatrix ⏤ 主矩阵，由模块组成，可以使用坐标进行更改。

DataBitvec ⏤ 使用编码将位转换为位向量（二进制位组成的向量），并添加纠错功能，然后将其发送到 DataEncoder。

DataEncoder ⏤ 该结构将使用 ZigZagIt 迭代器在 QrMatrix 中对数据进行编码。

QrBuilder ⏤ 作为 fieldQrMatrix （矩阵域）接收，它将所有基本元素添加到其中，对信息进行编码并创建掩码。

这些基本结构在 QrBuilder 结构中相互影响，从而得到一个现成的 QR 码矩阵，最后只需显示一个 QR 码即可。

创建主矩阵 QrMatrix

一开始，我想创建自己的 QrMatrix 数据结构，它只需由一个 Vec 组成，我可以使用模块的坐标搜索功能完成所有更改，但我认为不值得自己从零创建，所以我使用了库 generic-matrix。

通过函数中引入size值，我们可以创建自己想要的矩阵大小，并从中填入模块。模块中定义了枚举类，用于将功能块与普通信息分开，因此更加方便，而且无法更改功能块。

在我的结构中没有使用模块中的预留，因为在找到二维码的最佳掩码之前，信息块是不会被填满的。

要更改矩阵中的模块，可以使用以下函数：

为了显示二维码，我使用了终端：

这就是最终二维码的样子。

插入FinderBuilder 和 TimingBuilder

为了在二维码中生成搜索模式，我创建了一个数组形式的常量：

由于总是有三种搜索模式，而且它们的初始坐标很容易计算，因此我认为直接在 QrMatrix 中生成没有意义，只需将常数 FINDER_BLOCK 旋转并完全插入特定坐标即可。

创建同步车道要容易得多，因为它们的坐标总是已知的，长度也很容易求出：

由于条纹总是以白色模块开始，因此每转一圈将值改为相反的值，就可以得到一个具有同步条纹正确模块的矢量。

建立 DataEncoder

要将某些内容编码成 QR 码，必须先将给定的字符串转换成位向量，为此要使用可接受不同字符的编码方式：

数字编码 ⏤ 只对数字进行编码，每 3 个字符使用 10 个 bit。

字母数字编码 ⏤ 对大写拉丁字母、数字、$%*+-./: 等特殊字符和空格进行编码。

字节编码 ⏤ 虽然信息密度较低，但可以编码任何字符（例如，在 UTF-8 中）。

其实还有中日韩和其他字符的汉字编码，但我没有使用这种编码。

为了存储 bit 并方便使用，我使用了 bit_thing 库。此外，为了方便处理信息，我创建了一个 QrCodeBitvec 结构，它包含三个字段：一个用于存储服务信息（编码类型和字符数）的字段、一个用于存储数据的字段和一个用于存储纠错字节的字段。

举个例子，为了说明这个系统是如何工作的，我将数字 1234 编码成一个二维码。

首先，你需要确定使用哪种类型的编码，以及每行有多少个字符。在下面的示例中，我们使用的是数字编码类型，字符长度为 4，然后将其转换为 BitVec：

0001 0000000100

数字编码的字符长度为 10 位。

现在，我们需要将数字 1234 转换为数字编码。方法很简单，将 3 个数字分成一组，那这样可以分为 123 和 4，然后把这些数字转换为 BitVec，大于 99 的数字使用 10 个 bit（二进制位），大于 9 的数字使用 7 bit，小于 9 的数字使用 4 个 bit。

现在我们得到了这个：

0001 0000000100 0001111011 0100

基于以上，我们有了长度为 28 位的 BitVec，但按照 QR 码的规范要求，我们必须完整填写数据。所以在这个示例中，我们需要将 BitVec 填充至 152 位。为此，我们需要做三件事：

添加终止符 ⏤ 用零填充 4 个位。

用零填充数据，使其可以被 8 整除。

然后循环交替添加 2 个字节 ⏤ 11101100 和 00010001。

这些操作必须重复进行，直到数据量等于 152。

最后的数据就是这个样子：

0001 0000000100 0001111011 0100 0000<11101100 and 00010001 to end>

这些数据就可以发送给 Reed-Solomon 算法了。

Reed-Solomon 算法

为了实现这一算法，我使用了 Reed-Solomon 库。

我并不是十分清楚这种算法在数学上是如何工作的，但我至少尝试理解这种算法的逻辑，并将其正确地用于这个生成器。也有其他创建 QR 码生成器的开发者分享过使用 Reed-Solomon 库的经历，但我不喜欢那个人写的代码，因为其中命名很糟糕，而且有很多奇怪的代码结构，让人很难理解其算法逻辑，也没有什么意义，所以我放弃了这个想法，直接采用了一个现成的库。

我们的数据共有 152 个 bit，我们将这个库的结构发送给编码器。该结构接受一个值⏤校正字节数，对于校正级别为 L 的 QR 码第一版，使用了 7 个校正字节：

然后，我们将 BitVec 的字节转换为十进制数，并将这些代码字发送到 encoder 结构：

我们得到了 7 个纠错字节，对于第一个版本，我们只需在 BitVec 的末尾插入这些纠错字节：

0001 0000000100 0001111011 0100 0000<11101100 and 00010001 to end of data><7 correction bytes>

我们用二维码对这些现成的数据进行编码。

ZIG_ZAG_IT 和 DATA_ENCODER

为了将信息编码到二维码中，我创建了一个迭代器，它将给出从右下方开始的坐标。通过 "之 "字形移动和跳过功能块以避免改变它们，我们就能得到插入信息的正确坐标：

现在，沿着 BitVec 并将“位”插入坐标，我们就得到了一个包含正确数据的 QR 码，现在我们只需屏蔽数据，就能得到一个现成可用 QR 码。

这就是数字 1234 在第一版中的样子，校正级别为 L，并带有第一个掩码。

结论

在这个项目的帮助下，我学到了很多有用的东西，至少我开始更好地理解编程，学会了用 Rust 编程，但我还有成长的空间，我真的希望在编程方面有进一步的发展。

未来，我们计划创建其他有趣的项目，例如，创建一个看起来像 ShotCode ，但效率更高的极坐标 2D代码矩阵。

本次项目代码已上传到 GitHub ，详见： /TimurBora/QrCodeRust/tree/main

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