二维码工作原理是什么？黑白方块分别代表什么？｜数字素养

审核专家：景媛 中级会计师

在数字化浪潮的推动下，二维码已悄然渗透到我们生活的方方面面。从购物支付到社交互动，它都扮演着举足轻重的角色。你是否曾好奇过，这个由黑白方块组成的二维码背后隐藏着怎样的科技原理？为何手机无论从哪个角度都能准确无误地扫码？全球每天都会生成天量二维码，它会有用完的一天吗……今天，一起走进二维码的世界，探寻其背后的科技奥秘。

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二维码的起源

我们现今所熟知的二维码，其起源可追溯至初代的条形码，即一维码，它被视为二维码的早期形态。上个世纪五十年代，随着经济发展，日本人为解决收银员用手写记录商品售卖情况而引起的结账效率慢的问题，发明了条形码。

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现在，在各个商品外包装角落上还可以很方便的找到它的存在。条形码通过黑白相间、宽度不同的线条组合，利用光线照射时，黑白部分对光的不同反射特性来存储信息。

具体来说，黑色线条吸收大部分入射光，几乎不反射回扫描设备；而白色线条则反射大部分入射光。扫描器发射出特定波长的光线，当光线照在条形码上时，接收器检测到反射回来的光强度变化。

这些变化按照黑白线条的排列顺序被转换成相应的电信号，进而解码为包含产品信息的数字或字母数据，但是条形码由于长度有限，存储的信息很快就不能满足社会的需求了。

1994年，日本人腾弘原对条形码进行了改造，设计出了点阵状的信息存储色块。

条形码和二维码 | 百度图片

他改变了原有条形码只能够在水平方向上表达信息，实现了在水平和垂直两个方向上储存和表达信息。这样，矩阵式色块的信息量有了极大的提升。

经过了多年的不断发展，产生了多种编码格式的二维码。如：Data 、、Aztec、QR Code、、、、Code 49、Code 16K。其中，QR Code因其显著的优势而成为最常见且广泛应用的格式之一。

QR Code凭借其信息容量大，可编码多种类型数据；纠错能力强，部分损坏仍可识别；译码可靠性高，误码率极低；并且数据在编码前可以进行加密，以提高保密性和防伪性等优势，使其在各领域得到广泛应用。

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二维码的工作原理

简单的说，二维码是一种开放性的信息存储器，它能将固定的信息存储在黑白小方块之中，而且它可以无限使用。识别二维码的设备并无严格限制，只需具备相应的扫描功能，如智能手机、专用读码器、甚至某些智能相机等，都可以将它所存储的信息读取出来。

二维码工作的原理其实就是二进制算法。二进制是将所有的语言信息用机器语言0和1表达出来。二维码图案由一系列黑白相间的方块组成，其中黑色方块代表二进制数值“1”，白色方块代表“0”。这些黑白图案按照特定的编码规则组合，形成一串二进制序列，用于存储各种类型的数据。

识别设备通过捕获图像并分析其中的黑白对比，解析出二维码中的二进制编码序列。然后，解码软件运用相应的解码算法，将二进制数据转换为我们可读的字符。这些字符可以包括数字、字母、特殊字符、汉字编码等，具体取决于二维码所采用的编码标准和编码内容。

我们注意到，每个二维码的边角部位都有三个位置探测图形（通常为较大尺寸的方块），它们共同构成了二维码的定位系统。这三个位置探测图形能够确保识别设备快速准确地定位二维码的位置和方向。

二维码定位 | 百度图片

三个点能确定一个面，这能保证我们在扫码时，不管手机横着扫、竖着扫或者斜着扫，都能正确获取二维码信息。

数字和纠错码字 | 百度图片

此外，二维码还包含校验机制，如纠错码区域，用于检测并修复在传输过程中可能发生的错误，确保数据的完整性和准确性。

二维码会有用完的那一天吗？

假设全世界每天消耗二维码100亿个二维码。如果自宇宙在138亿年前诞生以来，人类就开始以这个速度消耗二维码，那么33×33版本的二维码能够支持人类使用多少个宇宙年龄的年数呢?我们首先确定几个关键的数值：

1.全球每日消耗的二维码数量：假设为100亿个，即 10^9。

2.一年内的总消耗量：一年大约有365天，每年的消耗量大约为365×10^9=3.65×10^11个二维码。

3.宇宙的年龄：宇宙的年龄大约是138亿年，用科学记数法表示为1.38×10^10年。

4.33×33版本二维码的理论总数：2^942个不同的编码。

5.在1个宇宙年龄内消耗量：3.6×10^11×1.38×10^10 =5.037×10^21个二维码。

接下来，我们可以计算出按照当前的消耗速度，得到33×33版本二维码可以支持的宇宙年龄的年数，即使用二维码的总数除以每年的消耗量与宇宙的年龄之积：

可支持的宇宙年龄的年数=2^942/3.65×10^11×1.38×10^10

综上可知，开始以上述假设速度消耗二维码，人类也才用了5.037×10^21个。也就是说，33×33版本足够人类使用7.3805×10^261个“138亿年”。

此外，二维码有很多种类（包括QR Code、Code 49、Code 16K等，QR Code是其中广泛使用的一种），每一种二维码都可以承载很多信息。同一种二维码类型，由于提供了不同尺寸或版本，每个版本都能搭载不同数量的信息。

所以，理论上，如果人类能够在宇宙中存在足够漫长的时间，二维码是可以用完的，但这个时间实在太漫长了，也许就连宇宙本身都等不到那一天。即便二维码真的用完，说不定遥远未来的人类还会继续增加更多的维度，其变化形态将会更多。