Wie funktionieren QR-Codes? Was stellen die schwarzen und weißen Quadrate dar? ｜Digitale Kompetenz

Prüfungsexperte: Jing Yuan, Intermediate Accountant

Angetrieben durch die Welle der Digitalisierung sind QR-Codes still und leise in jeden Aspekt unseres Lebens eingedrungen. Von der Bezahlung beim Einkaufen bis hin zu sozialen Interaktionen spielt es eine entscheidende Rolle. Haben Sie sich schon einmal gefragt , welche technologischen Prinzipien sich hinter diesem aus schwarzen und weißen Quadraten bestehenden QR-Code verbergen? Warum können Mobiltelefone Codes unabhängig vom Winkel präzise scannen? Jeden Tag werden weltweit riesige Mengen an QR-Codes generiert. Werden sie jemals ausgehen? Lassen Sie uns heute in die Welt der QR-Codes eintauchen und die technologischen Geheimnisse dahinter erkunden.

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Der Ursprung des QR-Codes

Der uns heute bekannte QR-Code geht auf die erste Generation der Barcodes zurück, nämlich eindimensionale Codes, die als Frühform des QR-Codes gelten. In den 1950er Jahren erfanden die Japaner im Zuge der wirtschaftlichen Entwicklung den Strichcode, um das Problem der langsamen Kassenabwicklung zu lösen, das dadurch entstand, dass die Kassierer die Warenverkäufe manuell erfassten.

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Mittlerweile ist es leicht in den Ecken der Außenverpackung verschiedener Produkte zu finden. Barcodes speichern Informationen durch die Kombination schwarzer und weißer Linien unterschiedlicher Breite und nutzen dabei die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der schwarzen und weißen Teile bei Lichteinwirkung.

Insbesondere absorbieren schwarze Linien den größten Teil des einfallenden Lichts und reflektieren fast nichts zurück zum Scangerät, während weiße Linien den größten Teil des einfallenden Lichts reflektieren. Der Scanner sendet Licht einer bestimmten Wellenlänge aus. Wenn das Licht auf den Barcode fällt, erkennt der Empfänger die Änderung der Intensität des reflektierten Lichts.

Diese Änderungen werden entsprechend der Anordnungsreihenfolge der schwarzen und weißen Linien in entsprechende elektrische Signale umgewandelt und dann in digitale oder Buchstabendaten mit Produktinformationen dekodiert. Aufgrund der begrenzten Länge von Barcodes werden die gespeicherten Informationen jedoch bald nicht mehr den Anforderungen der Gesellschaft genügen.

Im Jahr 1994 modifizierte der japanische Forscher Hirohara Teng den Strichcode und entwarf einen Farbblock zur Informationsspeicherung mit Punktmatrix.

Barcode und QR-Code | Baidu Bilder

Er änderte den ursprünglichen Barcode, der Informationen nur in horizontaler Richtung ausdrücken konnte, und realisierte die Speicherung und Darstellung von Informationen sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung. Auf diese Weise wird der Informationsgehalt der Matrixfarbblöcke erheblich verbessert.

Nach Jahren kontinuierlicher Entwicklung wurden QR-Codes mit verschiedenen Kodierungsformaten erstellt. Wie zum Beispiel: Data Matrix, MaxiCode, Aztec, QR Code, PDF417, Vericode, Ultracode, Code 49, Code 16K. Unter diesen hat sich der QR-Code aufgrund seiner erheblichen Vorteile zu einem der gängigsten und am weitesten verbreiteten Formate entwickelt.

QR-Codes bieten die Vorteile einer großen Informationskapazität, der Möglichkeit, verschiedene Datentypen zu kodieren, einer starken Fehlerkorrekturfähigkeit und der Möglichkeit, sie auch bei teilweiser Beschädigung noch zu identifizieren. Darüber hinaus verfügen sie über eine hohe Dekodierungszuverlässigkeit und eine extrem niedrige Bitfehlerrate. Zudem können die Daten vor der Kodierung verschlüsselt werden, um die Vertraulichkeit zu verbessern und Fälschungen vorzubeugen. Daher werden sie in vielen Bereichen häufig eingesetzt.

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So funktionieren QR-Codes

Einfach ausgedrückt ist ein QR-Code ein offener Informationsspeicher, der feste Informationen in kleinen schwarzen und weißen Quadraten speichern kann und unbegrenzt verwendet werden kann. Es gibt keine strengen Einschränkungen hinsichtlich der Geräte, die QR-Codes erkennen können. Sofern sie über die entsprechende Scanfunktion verfügen, wie etwa Smartphones, spezielle Codeleser und sogar einige Smartkameras, können die darauf gespeicherten Informationen ausgelesen werden.

Das Funktionsprinzip des QR-Codes ist eigentlich ein binärer Algorithmus. Binär ist der Ausdruck aller Sprachinformationen mithilfe der Maschinensprache 0 und 1. Das QR-Code-Muster besteht aus einer Reihe schwarzer und weißer Quadrate, wobei schwarze Quadrate den Binärwert „1“ und weiße Quadrate „0“ darstellen . Diese Schwarz-Weiß-Muster werden gemäß bestimmten Codierungsregeln zu einer Binärsequenz kombiniert, die zum Speichern verschiedener Datentypen verwendet wird.

Das Erkennungsgerät erfasst das Bild und analysiert den Schwarz-Weiß-Kontrast, um die Binärcodesequenz im QR-Code zu analysieren. Die Dekodierungssoftware verwendet dann den entsprechenden Dekodierungsalgorithmus, um die Binärdaten in für uns lesbare Zeichen umzuwandeln. Diese Zeichen können Zahlen, Buchstaben, Sonderzeichen, chinesische Zeichencodes usw. umfassen, je nach Kodierungsstandard und Kodierungsinhalt, der vom QR-Code übernommen wird.

Dabei ist uns aufgefallen, dass sich an den Ecken jedes QR-Codes drei Positionserkennungsgrafiken (meist größere Quadrate) befinden, die zusammen das Positionierungssystem des QR-Codes bilden. Diese drei Positionserkennungsmuster können sicherstellen, dass das Erkennungsgerät die Position und Ausrichtung des QR-Codes schnell und genau lokalisieren kann.

QR-Code-Positionierung | Baidu-Bilder

Drei Punkte können eine Oberfläche bestimmen, die sicherstellt, dass wir beim Scannen des Codes die QR-Code-Informationen korrekt erhalten, unabhängig davon, ob das Telefon horizontal, vertikal oder diagonal gescannt wird.

Zahlen und Codewörter zur Fehlerkorrektur | Baidu Bilder

Darüber hinaus enthält der QR-Code auch Überprüfungsmechanismen, wie beispielsweise einen Fehlerkorrekturcodebereich, der dazu dient, während des Übertragungsvorgangs auftretende Fehler zu erkennen und zu korrigieren, um die Integrität und Genauigkeit der Daten sicherzustellen.

Wird der Tag kommen, an dem QR-Codes nicht mehr verwendet werden?

Gehen Sie davon aus, dass weltweit täglich 10 Milliarden QR-Codes verwendet werden. Wenn die Menschheit seit der Entstehung des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren QR-Codes in diesem Tempo konsumiert hat, wie viele Jahre des Universums kann dann eine 33×33-Version des QR-Codes abdecken? Lassen Sie uns zunächst einige Schlüsselwerte ermitteln:

1. Die Anzahl der QR-Codes, die weltweit täglich genutzt werden: Schätzungsweise 10 Milliarden oder 10^9.

2. Gesamtverbrauch in einem Jahr: Ein Jahr hat etwa 365 Tage und der jährliche Verbrauch beträgt etwa 365 × 10^9 = 3,65 × 10^11 QR-Codes.

3. Alter des Universums: Das Alter des Universums beträgt ungefähr 13,8 Milliarden Jahre, in wissenschaftlicher Notation ausgedrückt als 1,38×10^10 Jahre.

Die theoretische Gesamtzahl der QR-Codes der 33×33-Version: 2^942 verschiedene Codes.

5. Verbrauch innerhalb eines Universumszeitalters: 3,6×10^11×1,38×10^10 =5,037×10^21 QR-Codes.

Als Nächstes können wir die Anzahl der Jahre des Universums berechnen, die die 33×33-Version des QR-Codes bei der aktuellen Verbrauchsrate unterstützen kann, d. h. die Gesamtzahl der QR-Codes geteilt durch das Produkt aus jährlichem Verbrauch und Alter des Universums:

Die Anzahl der Jahre des Universums, die unterstützt werden können = 2^942/3,65×10^11×1,38×10^10

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Menschen, wenn wir mit der oben angenommenen Geschwindigkeit anfangen, QR-Codes zu verwenden, nur 5,037 × 10^21 davon verwendet haben werden. Mit anderen Worten: Die 33×33-Version reicht für den Menschen für 7,3805×10^261 „13,8 Milliarden Jahre“.

Darüber hinaus gibt es viele Arten von QR-Codes (einschließlich QR-Code, Code 49, Code 16K usw., QR-Code ist eine weit verbreitete Art) und jeder QR-Code kann viele Informationen enthalten. Derselbe QR-Code-Typ ist in verschiedenen Größen oder Versionen verfügbar und jede Version kann eine andere Menge an Informationen enthalten.

Theoretisch könnten die QR-Codes aufgebraucht werden, wenn die Menschheit lange genug im Universum existieren könnte. Doch diese Zeit ist wirklich zu lang, vielleicht kann nicht einmal das Universum selbst bis zu diesem Tag warten. Selbst wenn die QR-Codes wirklich aufgebraucht sind, wird der Mensch in ferner Zukunft vielleicht noch weitere Dimensionen hinzufügen und die Variationen werden noch zahlreicher.