chore: 初始骨架 — 设计文档 + 计划
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# QR 码生成器 — 设计文档
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**日期**: 2026-06-16
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**作者**: 刘航宇
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**语言**: Rust
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**项目路径**: `D:\Code\doing_exercises\programs\QRGen\`
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## 1. 项目概述
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从零实现 ISO/IEC 18004 QR 码生成器，不依赖任何第三方 QR 编码库。算法全手写，
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输出 PNG / SVG / 终端 ASCII。后续扩展 Tauri GUI。
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## 2. 支持范围
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| 维度 | 范围 |
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| **QR 版本** | 1~40（21×21 ~ 177×177 模块） |
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| **纠错级别** | L (7%), M (15%), Q (25%), H (30%) |
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| **编码模式** | 数字 / 字母数字 / 字节 / 汉字 (Shift JIS) |
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| **输出格式** | PNG（`image` crate）、SVG、终端 ASCII |
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| **自动版本选择** | 根据数据长度 + 纠错级别自动选最小版本 |
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## 3. 项目结构
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QRGen/
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├── Cargo.toml # workspace: core + cli
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├── core/ # 纯算法库，尽量零依赖
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│ ├── Cargo.toml
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│ └── src/
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│ ├── lib.rs
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│ ├── qr.rs # 顶层 API
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│ ├── version.rs # 版本参数表 (40 行硬编码)
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│ ├── encoder/
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│ │ ├── mod.rs
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│ │ ├── mode.rs # 编码模式定义
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│ │ ├── segment.rs # 数据分段与模式选择
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│ │ └── bitstream.rs # 比特流拼接
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│ ├── ecc/
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│ │ ├── mod.rs
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│ │ ├── galois.rs # GF(2⁸) 运算 + 预计算表
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│ │ └── reed_solomon.rs # RS 纠错码生成
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│ ├── matrix/
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│ │ ├── mod.rs
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│ │ ├── grid.rs # 模块网格数据结构
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│ │ ├── patterns.rs # 定位/对齐/时序图案
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│ │ ├── placement.rs # 数据字节蛇形排列
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│ │ └── mask.rs # 8 种掩码 + 评分
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│ └── render/
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│ ├── mod.rs
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│ ├── png.rs # PNG 渲染 (image crate)
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│ ├── svg.rs # SVG 渲染
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│ └── ascii.rs # 终端 ASCII 渲染
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├── cli/ # CLI 工具
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│ ├── Cargo.toml
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│ └── src/
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│ └── main.rs
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└── docs/
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└── superpowers/specs/
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## 4. 数据流水线
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输入字符串
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→ 数据分析 (mode.rs + segment.rs) → Vec<Segment>
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→ 版本选择 (version.rs) → Version (1~40)
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→ 比特流编码 (bitstream.rs) → Vec<u8> (data codewords)
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→ RS 纠错编码 (reed_solomon.rs) → Vec<u8> (final sequence)
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→ 模块布局 (matrix/) → Matrix (bitmap)
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→ 掩码评分 (mask.rs) → Matrix (best mask)
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→ 渲染输出 (render/) → PNG / SVG / ASCII
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### 4.1 数据分析
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1. 扫描输入字符串，分析字符集
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2. 根据字符分布选择最优编码模式（混合内容自动分段）
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3. 每段包含：模式指示符 + 字符计数 + 编码数据
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### 4.2 版本选择
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硬编码 ISO 18004 附录中的容量表（40 版本 × 4 纠错级别），
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根据总比特数查表选最小合适版本。用户可手动覆盖。
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### 4.3 比特流编码
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- 各段按模式规则编码为比特
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- 添加终止符（最多 4 bit）
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- 补零到 8-bit 边界
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- 填充码字 0xEC/0x11 交替至满容量
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### 4.4 RS 纠错编码
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- GF(2⁸) 基于 `x⁸ + x⁴ + x³ + x² + 1` (0x11D)
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- 预计算 exp/log 表加速乘除法
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- 生成多项式动态构造
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- 多项式长除法求余数（纠错码字）
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### 4.5 模块布局
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1. 绘制空白矩阵
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2. 放置定位图案（3 个角）
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3. 放置对齐图案（版本相关数量）
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4. 放置时序图案 + 暗模块
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5. 保留格式信息区域（15 bit）
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6. 保留版本信息区域（版本 ≥ 7，18 bit）
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7. 按蛇形路径填入数据比特
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8. 尝试 8 种掩码，对每种：
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- 计算格式信息
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- 若版本 ≥ 7 计算版本信息
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- 评分
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9. 选最低惩罚分掩码，写入最终格式/版本信息
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### 4.6 掩码评分规则
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| 规则 | 条件 | 惩罚 |
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| 规则 1 | 连续 5+ 同色行/列 | N1 + k-5 |
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| 规则 2 | 同色 2×2 方块 | 每块 +3 |
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| 规则 3 | `1011101` 模式 | 每次 +40 |
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| 规则 4 | 暗模块占比偏离 50% | 每 5% +10 |
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### 4.7 渲染输出
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- **PNG**: 依赖 `image` crate，逐模块像素填充，可调模块大小 + 白边
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- **SVG**: 纯字符串拼接，无依赖，`<rect>` 逐模块
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- **ASCII**: 终端输出，`██` / ` ` 双字符渲染，利用 Unicode 半方块实现近似正方形
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## 5. CLI 接口
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qrgen "content" [options]
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Options:
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-o, --output <FILE> 输出文件（.png/.svg），不指定则终端 ASCII
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-l, --level <LEVEL> 纠错级别 L/M/Q/H [default: M]
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-v, --version <VER> 手动指定版本 (1-40)，不指定则自动
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-s, --size <PX> 模块像素大小（PNG） [default: 4]
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-m, --margin <N> 白边模块数 [default: 4]
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--mode <MODE> 强制编码模式 [auto]
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--invert 反色
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-h, --help 帮助
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示例：
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```bash
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qrgen "https://example.com" # 终端 ASCII
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qrgen "hello" -o qr.png -s 10 # 大模块 PNG
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qrgen "data" -o qr.svg -l H # SVG, 高纠错
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qrgen "12345" --mode numeric -v 5 # 纯数字, 版本5
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## 6. 核心 API（core/lib.rs）
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```rust
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pub struct QrConfig {
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pub level: EcLevel, // 默认 M
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pub version: VersionMode, // 默认 Auto
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pub mode: ModeHint, // 默认 Auto（混合自动分段）
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pub margin: u8, // 默认 4
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}
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pub enum VersionMode {
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Auto,
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Fixed(u8),
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}
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pub struct QrCode {
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// 内部持有最终的 Matrix + 版本/级别元数据
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}
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impl QrCode {
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/// 编码字符串，失败返回 Err
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pub fn encode(text: &str, config: QrConfig) -> Result<Self>;
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/// 导出为 PNG bytes
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pub fn to_png(&self, module_size: u8) -> Vec<u8>;
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/// 导出为 SVG 字符串
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pub fn to_svg(&self) -> String;
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/// 导出为 ASCII 字符串
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pub fn to_ascii(&self, invert: bool) -> String;
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/// 获取原始模块矩阵（供外部渲染使用）
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pub fn modules(&self) -> &[Vec<bool>];
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}
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## 7. 测试策略
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| 层级 | 内容 | 覆盖率目标 |
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|------|------|-----------|
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| **单元测试** | GF(2⁸) 运算、RS 编码、模式编码、掩码评分 | ≥ 80% |
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| **集成测试** | 已知字符串 → 生成的 PNG 被 zxing 解码验证 | 关键路径 |
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| **回归测试** | 固定输入 → 固定矩阵黄金数据（标准附录参考值） | 关键算法 |
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| **属性测试** | 随机字符串 → 编码解码往返 | 可选 |
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## 8. 不实现的范围（明确排除）
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- Micro QR Code
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- QR Code 解码（本项目只管生成）
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- 结构化附加（Structured Append）
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- FNC1 模式
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- ECI 编码指示符
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- 艺术 QR 码（带 logo 嵌入等）
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## 9. 里程碑
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1. **M1**: GF(2⁸) + Reed-Solomon — 最核心算法
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2. **M2**: 编码 + 比特流 — 能产出有效码字序列
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3. **M3**: 矩阵布局 + 掩码 — 能产出完整 QR 矩阵
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4. **M4**: 渲染输出 — PNG + SVG + ASCII
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5. **M5**: CLI — 完整的命令行工具
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