二維碼工作原理是什么？黑白方塊分別代表什么？｜數(shù)字素養(yǎng)

審核專家：景媛 中級(jí)會(huì)計(jì)師

在數(shù)字化浪潮的推動(dòng)下，二維碼已悄然滲透到我們生活的方方面面。從購(gòu)物支付到社交互動(dòng)，它都扮演著舉足輕重的角色。你是否曾好奇過(guò)，這個(gè)由黑白方塊組成的二維碼背后隱藏著怎樣的科技原理？為何手機(jī)無(wú)論從哪個(gè)角度都能準(zhǔn)確無(wú)誤地掃碼？全球每天都會(huì)生成天量二維碼，它會(huì)有用完的一天嗎……今天，一起走進(jìn)二維碼的世界，探尋其背后的科技奧秘。

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二維碼的起源

我們現(xiàn)今所熟知的二維碼，其起源可追溯至初代的條形碼，即一維碼，它被視為二維碼的早期形態(tài)。上個(gè)世紀(jì)五十年代，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，日本人為解決收銀員用手寫記錄商品售賣情況而引起的結(jié)賬效率慢的問(wèn)題，發(fā)明了條形碼。

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現(xiàn)在，在各個(gè)商品外包裝角落上還可以很方便的找到它的存在。條形碼通過(guò)黑白相間、寬度不同的線條組合，利用光線照射時(shí)，黑白部分對(duì)光的不同反射特性來(lái)存儲(chǔ)信息。

具體來(lái)說(shuō)，黑色線條吸收大部分入射光，幾乎不反射回掃描設(shè)備；而白色線條則反射大部分入射光。掃描器發(fā)射出特定波長(zhǎng)的光線，當(dāng)光線照在條形碼上時(shí)，接收器檢測(cè)到反射回來(lái)的光強(qiáng)度變化。

這些變化按照黑白線條的排列順序被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，進(jìn)而解碼為包含產(chǎn)品信息的數(shù)字或字母數(shù)據(jù)，但是條形碼由于長(zhǎng)度有限，存儲(chǔ)的信息很快就不能滿足社會(huì)的需求了。

1994年，日本人騰弘原對(duì)條形碼進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)出了點(diǎn)陣狀的信息存儲(chǔ)色塊。

條形碼和二維碼 | 百度圖片

他改變了原有條形碼只能夠在水平方向上表達(dá)信息，實(shí)現(xiàn)了在水平和垂直兩個(gè)方向上儲(chǔ)存和表達(dá)信息。這樣，矩陣式色塊的信息量有了極大的提升。

經(jīng)過(guò)了多年的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了多種編碼格式的二維碼。如：Data Matrix、MaxiCode、Aztec、QR Code、PDF417、Vericode、Ultracode、Code 49、Code 16K。其中，QR Code因其顯著的優(yōu)勢(shì)而成為最常見且廣泛應(yīng)用的格式之一。

QR Code憑借其信息容量大，可編碼多種類型數(shù)據(jù)；糾錯(cuò)能力強(qiáng)，部分損壞仍可識(shí)別；譯碼可靠性高，誤碼率極低；并且數(shù)據(jù)在編碼前可以進(jìn)行加密，以提高保密性和防偽性等優(yōu)勢(shì)，使其在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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二維碼的工作原理

簡(jiǎn)單的說(shuō)，二維碼是一種開放性的信息存儲(chǔ)器，它能將固定的信息存儲(chǔ)在黑白小方塊之中，而且它可以無(wú)限使用。識(shí)別二維碼的設(shè)備并無(wú)嚴(yán)格限制，只需具備相應(yīng)的掃描功能，如智能手機(jī)、專用讀碼器、甚至某些智能相機(jī)等，都可以將它所存儲(chǔ)的信息讀取出來(lái)。

二維碼工作的原理其實(shí)就是二進(jìn)制算法。二進(jìn)制是將所有的語(yǔ)言信息用機(jī)器語(yǔ)言0和1表達(dá)出來(lái)。二維碼圖案由一系列黑白相間的方塊組成，其中黑色方塊代表二進(jìn)制數(shù)值“1”，白色方塊代表“0”。這些黑白圖案按照特定的編碼規(guī)則組合，形成一串二進(jìn)制序列，用于存儲(chǔ)各種類型的數(shù)據(jù)。

識(shí)別設(shè)備通過(guò)捕獲圖像并分析其中的黑白對(duì)比，解析出二維碼中的二進(jìn)制編碼序列。然后，解碼軟件運(yùn)用相應(yīng)的解碼算法，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為我們可讀的字符。這些字符可以包括數(shù)字、字母、特殊字符、漢字編碼等，具體取決于二維碼所采用的編碼標(biāo)準(zhǔn)和編碼內(nèi)容。

我們注意到，每個(gè)二維碼的邊角部位都有三個(gè)位置探測(cè)圖形（通常為較大尺寸的方塊），它們共同構(gòu)成了二維碼的定位系統(tǒng)。這三個(gè)位置探測(cè)圖形能夠確保識(shí)別設(shè)備快速準(zhǔn)確地定位二維碼的位置和方向。

二維碼定位 | 百度圖片

三個(gè)點(diǎn)能確定一個(gè)面，這能保證我們?cè)趻叽a時(shí)，不管手機(jī)橫著掃、豎著掃或者斜著掃，都能正確獲取二維碼信息。

數(shù)字和糾錯(cuò)碼字 | 百度圖片

此外，二維碼還包含校驗(yàn)機(jī)制，如糾錯(cuò)碼區(qū)域，用于檢測(cè)并修復(fù)在傳輸過(guò)程中可能發(fā)生的錯(cuò)誤，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

二維碼會(huì)有用完的那一天嗎？

假設(shè)全世界每天消耗二維碼100億個(gè)二維碼。如果自宇宙在138億年前誕生以來(lái)，人類就開始以這個(gè)速度消耗二維碼，那么33×33版本的二維碼能夠支持人類使用多少個(gè)宇宙年齡的年數(shù)呢?我們首先確定幾個(gè)關(guān)鍵的數(shù)值：

1.全球每日消耗的二維碼數(shù)量：假設(shè)為100億個(gè)，即 10^9。

2.一年內(nèi)的總消耗量：一年大約有365天，每年的消耗量大約為365×10^9=3.65×10^11個(gè)二維碼。

3.宇宙的年齡：宇宙的年齡大約是138億年，用科學(xué)記數(shù)法表示為1.38×10^10年。

4.33×33版本二維碼的理論總數(shù)：2^942個(gè)不同的編碼。

5.在1個(gè)宇宙年齡內(nèi)消耗量：3.6×10^11×1.38×10^10 =5.037×10^21個(gè)二維碼。

接下來(lái)，我們可以計(jì)算出按照當(dāng)前的消耗速度，得到33×33版本二維碼可以支持的宇宙年齡的年數(shù)，即使用二維碼的總數(shù)除以每年的消耗量與宇宙的年齡之積：

可支持的宇宙年齡的年數(shù)=2^942/3.65×10^11×1.38×10^10

綜上可知，開始以上述假設(shè)速度消耗二維碼，人類也才用了5.037×10^21個(gè)。也就是說(shuō)，33×33版本足夠人類使用7.3805×10^261個(gè)“138億年”。

此外，二維碼有很多種類（包括QR Code、Code 49、Code 16K等，QR Code是其中廣泛使用的一種），每一種二維碼都可以承載很多信息。同一種二維碼類型，由于提供了不同尺寸或版本，每個(gè)版本都能搭載不同數(shù)量的信息。

所以，理論上，如果人類能夠在宇宙中存在足夠漫長(zhǎng)的時(shí)間，二維碼是可以用完的，但這個(gè)時(shí)間實(shí)在太漫長(zhǎng)了，也許就連宇宙本身都等不到那一天。即便二維碼真的用完，說(shuō)不定遙遠(yuǎn)未來(lái)的人類還會(huì)繼續(xù)增加更多的維度，其變化形態(tài)將會(huì)更多。