Python教程(5)二维码的秘密:扫了这么多年,你知道它是怎么工作的吗?

在上篇，我们介绍了如何用Python写一个自己的二维码生成器。

二维码我们非常熟悉，每天我们都在扫 —— 付钱、加好友、连Wi-Fi、点餐……那个黑白相间的小方块，为什么能藏下这么多信息？

今天就把二维码的原理拆开，讲给你听。

前面我们已经知道了Python制作二维码需要依靠第三方库，

比如qrcode、MyQR，

你们发现没有，怎么库名都包含QR？

 QR 是 Quick Response 的缩写，翻译过来就是 “快速响应”。

二维码的英文叫 QR Code，也就是“快速响应码”。

为什么要强调“快速响应”？这得从二维码诞生前的条形码说起。

一、条形码的局限

在二维码出现之前，工厂里大量使用的是条形码。

但条形码有一个明显的短板：它只在水平方向上携带信息（宽度方向），所以它存不了多少信息。

在制造业和物流业，尤其是汽车制造这种零件种类繁多、信息量大的场景里，条形码已经不够用了。一个零件从哪里来、用到哪里去、什么批次、谁检测的……这些信息条形码根本装不下。

二、二维码的诞生

1994年，日本电装公司的工程师原昌宏（也被称为二维码之父），为了解决汽车零件管理中信息不足、读取慢的问题，发明了QR码。

第一批QR码是贴在汽车零件上用的。工人扫一下，就能立刻知道：

这个零件是什么？从哪里来？要送到哪条生产线去？

图片来源于网络

从零件识别到物流追踪，它的用途越来越广，后来慢慢从工厂走进了我们的生活。

相比较条形码而言，二维码承载的信息量立刻大了几十倍。

信息量大了，如何才能又快又准地读出来呢？

这就要提到二维码是如何设计了。

第一个秘密：定位快。

二维码的三个角上，各有一个“回”字形的大方块。如下图所示。这三个方块是给扫码设备“指路”的——不管你是正着扫、歪着扫、倒着扫，它都能瞬间定位，知道二维码应该怎么“扶正”。

剩下的绿色区域就是数据存储的区域

第二个秘密：修复快

你有没有遇到过这种情况：二维码被挡住或者被撕掉了一角，居然还能扫出来？

这不是运气，是设计好的。

二维码在生成的时候，会专门划出一块区域来存放纠错码。你可以把它理解成一个“备用零件库”——即使二维码被挡住了一小块，只要没超过容错上限，手机也能靠这些备用信息把缺失的部分推算出来，完整地读取内容。

黄色区域就是纠错区域（备份区域），如下图所示。

在生活中，我们可能有过这样的经验：

有时扫二维码，遮了一点就扫描不出来，而有时扫二维码，遮了很多却可以扫描出来。

这又是为什么呢？

这是因为二维码分为四个容错等级，最高级别的容错率可以达到30%。

你可以理解为，黄色区域部分越大，容错率越高。

从下面的图中，我们就可以看出，如果提高容错率，二维码可以存储的数据自然就变小了。这是一个“取舍”。

第三个秘密：读取快

手机定位之后，二维码的读取路径是固定的：从右往左，Z字形向上读取数据

这个固定的“扫读路线”是设计好的——手机不需要思考“从哪开始”，每次都用同一种路径，速度快、不容易出错。

（这也就是为什么有时候二维码只遮住左上角还能扫，遮住右下角反而扫不出来——因为读取是从右下角开始的。）

第四个秘密：掩码——让二维码看起来更“均匀”

你有没有发现，几乎没见过哪块是一大片全黑或一大片全白的二维码？

这不是巧合，是设计好的。

想象一下：如果二维码里出现一大片连续的黑色格子，扫码的时候手机可能会“迷路”——找不到格子的边界，分不清哪里是哪里。

所以，在生成二维码的时候，会进行一个叫掩码（Mask）的操作。掩码的作用就是打散这种大面积的连续色块，让黑白格子均匀交错分布，手机扫描时更容易识别每个格子的边界。

简单来说，先计算出一个二维码，然后在下面8个花式款式去试，选一个让黑白分布最均匀的方案。

第五个秘密：版本——不同大小，不同容量

我们平时见到的二维码，大小好像都差不多。但实际上，二维码一共有40个版本。

版本越高，格子越多，能存的信息也越多。

不管是条形码，还是二维码，其实都是给数字、字母、汉字、符号等这些字符换了一身衣服，把它们打扮成了能被手机识别的黑白条或块。

那么，问题来了：

这些文字、数字、网址，究竟是怎么变成二维码中的黑白格子的？

假如黑色格子表示1，白色格子表示0，其实二维码就是由若干个0和若干个1组成的序列。

这就涉及到信息的编码。而所有编码的起点，是二进制。

数字、汉字、图片、声音、视频 —— 它们都是怎么变成0和1的？

这些内容，比二维码还要底层，也还要有趣。

我们以后再聊。