Tech News

Technik & Digital

Wie funktionieren QR-Codes?


Die zentralen Thesen

  • QR-Codes sind eine Weiterentwicklung von Barcodes, enthalten mehr Daten und stammen aus der japanischen Automobilindustrie.
  • QR-Codes verwenden eine fortschrittlichere Technologie als herkömmliche Barcodes und werden von Bildverarbeitungsalgorithmen gelesen.
  • QR-Codes können verschiedene Daten über URLs hinaus speichern und sich mit Smartphone-Verbesserungen für verschiedene Anwendungen weiterentwickeln.


QR-Codes waren erfolgreich. Sie werden für alles verwendet, von Kinokarten bis hin zu Underground-Raves. Wenn Sie einen Link teilen, eine App herunterladen oder sogar den Gesundheitszustand einer Person überprüfen möchten, können Sie einen QR-Code verwenden. Aber wie funktioniert diese Technologie? Und wären Sie überrascht, wenn Sie erfahren würden, dass es sie schon seit den 90er Jahren gibt? Wir untersuchen, wie QR-Codes genau funktionieren, warum sie sich auf modernen Geräten so stark verbessert haben und wie diese lustigen kleinen Quadrate zu einem festen Bestandteil unseres Alltags wurden.


QR-Codes sind nur schicke Barcodes

Ihre Wurzeln liegen im japanischen Automobilbau

QR-Codes sind im Grunde eine Weiterentwicklung von Barcodes. Eindimensionale Barcodes speichern eine Datenmenge, indem sie eine Reihe von Linien in unterschiedlichen Abständen anordnen, die durch Licht gelesen und als Daten interpretiert werden können. Ich bin mir sicher, dass Sie überall gängige Barcodes gesehen haben, aber es gibt eine beträchtliche Anzahl alternativer und konkurrierender Standards. Sie werden wahrscheinlich einige der geringfügigen Unterschiede zwischen ihnen erkennen, die sich in der Größe, den Details des Standards und der Anzahl der Zeilen unterscheiden. Eindimensionale Barcodes speichern nicht viele Daten, daher stellen sie normalerweise nur eine Zahl dar, bei der es sich häufig um den Produktcode des Artikels handelt, an dem sie angebracht sind.


Die Galerie oben enthält einige andere Barcode-Standards in der Reihenfolge: UPC, Code128, PDF417, einen Aztec-Code und eine Datenmatrix.

Verwandt

Microsoft stoppt das Spammen des Windows 11-Sperrbildschirms mit Copilot-QR-Codes

Die jüngste umstrittene Werbestrategie von Microsoft bestand darin, QR-Codes für Copilot auf dem Sperrbildschirm von Windows 11 einzufügen.

Ein 2D-Barcode ist das, wonach es sich anhört – ein 1D-Barcode mit einer hinzugefügten zweiten Dimension. Anstatt Daten in einer einzelnen Zeilenreihe zu kodieren, kodieren sie Daten in zwei Dimensionen. Dadurch erhöht sich die Anzahl der speicherbaren Datenbits enorm. Wenn ein 1D-Barcode n-Bits speichern kann, kann ein 2D-Barcode n^2 speichern. QR-Codes sind nichts anderes als eine bestimmte Art von 2D-Barcode mit einigen zusätzlichen Funktionen.

Die ersten QR-Codes wurden für die Verwendung am Fließband entwickelt

QR-Codes wurden ursprünglich für die Automobilindustrie in Japan erfunden, als Produktionslinien zunehmend automatisiert wurden. QR-Codes ermöglichten die Speicherung von mehr Daten als ein normaler Barcode sowie eine bessere Fehlerprüfung. Sie wurden verwendet, um Teile zu kennzeichnen, während sie sich durch die Produktionslinie bewegten.


QR-Codes werden normalerweise unterschiedlich gescannt

Obwohl QR-Codes ihren Ursprung in Barcodes haben, werden sie normalerweise nicht auf die gleiche Weise gescannt. Während ein Barcode-Scanner auf einem optischen Lichtstrahl basiert, der jeden Balken einzeln scannt, nutzen QR-Codes normalerweise eine viel schnellere und ausgefeiltere Bildverarbeitungstechnologie. Es ist möglich, QR-Codes auf die gleiche Weise wie Barcodes zu scannen, allerdings ist dies mittlerweile ungewöhnlich, da sich die Bildverarbeitungstechnologie erheblich verbessert hat.

Quadrate in Quadraten, in Quadraten?

Bild, das die Struktur von QR-Codes zeigt.

Quelle: Wikimedia Commons

Für die Umstellung von einem 1D- auf einen 2D-Barcode benötigen wir einige zusätzliche Funktionen. Das auffälligste davon sind die großen Orientierungsquadrate auf jedem QR-Code, bekannt als Positionserkennungsmuster. Diese Quadrate werden von der Software verwendet, um den QR-Code zunächst zu lokalisieren. Weniger auffällig ist ein kleineres Quadrat in der Ecke ohne großes Quadrat, das zur Sicherstellung der korrekten Ausrichtung des QR-Codes dient und als „das“ bezeichnet wird Ausrichtungsmuster.


Es gibt auch einige abwechselnde Linien zwischen den einzelnen Positionserkennungsmustern, die als bezeichnet werden Zeitmustersowie einen standardmäßig erzwungenen Leerraumbereich (bekannt als Ruhezone) an den Rändern des QR-Codes, was die Identifizierung erleichtert (obwohl viele QR-Codes dies überspringen).

Die Kombination dieser Positionserkennungs- und Ausrichtungsmuster ermöglicht eine schnelle und einfache Lokalisierung des QR-Codes durch Bildverarbeitungsalgorithmen.

Format- und Versionsbits

Sobald der QR-Code gefunden und ausgerichtet wurde, können die Versionsinformationen des QR-Codes gelesen werden. Diese Informationen werden in bestimmten Quadraten an einem bestimmten Ort gespeichert und geben die Größe des QR-Codes an, den wir betrachten.

Nachdem die Version und Größe des QR-Codes identifiziert und richtig ausgerichtet wurde, kann das Marktformat für den QR-Code gelesen werden. Es gibt zwei eindeutige Kopien davon und sie enthalten Informationen über die Fehlerkorrekturstufe und die Maskenmusterbits. Die Fehlerkorrekturstufe ist einer von vier Werten, die durch zwei Bits im QR-Code (d. h. zwei einzelne kleine Quadrate) dargestellt werden und einen davon kodieren niedrig, Mittel, Quartil, oder hoch Werte, die zulassen, dass 7 %, 15 %, 25 % bzw. 30 % des gesamten QR-Codes zerstört werden und die Daten trotzdem wiederhergestellt werden könnten.


QR-Codes verwenden einen Fehlerkorrekturalgorithmus namens Reed-Solomon. Wir gehen nicht näher darauf ein, wie das funktioniert (damit dieser Artikel nicht zu einer CS-Vorlesung wird), aber es ist äußerst effektiv und wird in allen Bereichen verwendet, von DVDs bis hin zu RAID6. Reed-Solomon ermöglicht entweder eine teilweise Rekonstruktion oder nur die Erkennung von Fehlern, je nachdem, wie stark die Daten beschädigt sind.

Sobald alle diese Informationen identifiziert sind, können wir mit dem Lesen der Datenbits beginnen.

QR-Codes lesen

Das manuelle Entschlüsseln von QR-Codes ist schwierig, aber nicht unmöglich

Diagramm, das zeigt, wie QR-Codes gelesen werden.

Quelle: Wikimedia Commons

Der Datenbereich des QR-Codes wird von der unteren rechten Ecke aus gelesen, wobei der QR-Code am Ausrichtungsmuster unten rechts ausgerichtet ist. Die Größe des Datenbereichs variiert, einige kodieren mehrere tausend Zeichen. Beginnend in der unteren Ecke liest der QR-Code einzelne Quadrate (oder Pixel) in 8er-Blöcken. Was jedes Muster entspricht, hängt von der Kodierungseinstellung des QR-Codes ab, aber sie stellen üblicherweise ASCII-Zeichen (also alphanumerische Zeichen) dar. Normalerweise stehen zuerst die Länge des Codes und der Codierungsmodus, gefolgt vom Datenblock und wiederum gefolgt von den zur Fehlerprüfung verwendeten Daten.


Der QR-Code wird in einem Schlangenmuster von rechts unten nach links oben gelesen, jeweils ein Block mit jeweils 8 Pixeln. Diese Daten werden extrahiert, geordnet und dann dekodiert, um die ursprüngliche Zeichenfolge abzurufen.

QR-Codes enthalten häufig URLs

Über die URL-Umleitung kann eine App mit einem QR-Code geöffnet werdenEin Bild einer App mit einem QR-Code darauf.

Die mit Abstand häufigste Verwendung von QR-Codes ist die Speicherung von URLs. Diese URLs können von Ihrem Gerät auf unterschiedliche Weise verarbeitet werden, vom Öffnen einer Webseite in einem Browser bis zum Starten einer E-Mail. URLs können für die URL-Umleitung verwendet werden, eine Technik, bei der eine Webseite von Ihrem Gerät als das Öffnen einer App interpretiert wird, die dann Metadaten an die App weitergibt. Dies ist wahrscheinlich das, was Sie verwendet haben, wenn Sie einen QR-Code gescannt haben, der auf einer Website geöffnet wurde, bevor Sie eine App mit Metadaten oder Kontext geöffnet haben.

Aber nicht immer…

Es gibt viele Verwendungsmöglichkeiten für QR-Codes, die über URLs hinausgehen. Die meisten Smartphones können mit ihrer Standard-Kamera-App einen Link in einer URL öffnen, aber andere Apps mit Zugriff auf die Kamera können QR-Codes für alle möglichen anderen Zwecke verwenden. Das kann alles sein, vom Geocaching bis zum Laichen von 3D-Augmented-Reality-Monstern. Die Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit von QR-Codes für alternative Anwendungen hat sich zusammen mit Smartphone-Kameras und allgemeiner Rechenleistung verbessert.


Ihr Gerät entscheidet, wie die Daten interpretiert werden

Der beste Weg, QR-Codes zu verstehen, besteht darin, sie einfach zu halten. Ein QR-Code ist nur eine Nachricht. Es stellt eine Zeichenfolge mit einer Länge zwischen sehr kurzen und über 4000 Zeichen dar. Das Entschlüsseln des QR-Codes hat an sich keine Auswirkung – was als nächstes passiert, entscheidet die App oder der Benutzer, der ihn entschlüsselt. Verschiedene Apps können QR-Codes für unterschiedliche Zwecke nutzen. Tickets enthalten häufig eine UUID (Universally Unique Identifier), die Ihr Ticket repräsentiert, und viele Gesundheitssysteme oder COVID-Impfpässe verwenden ähnliche Systeme. Der Standard des QR-Codes selbst ändert sich nicht, nur seine Anwendung und Interpretation.

Grafische QR-Codes

Haben Sie sich jemals gefragt, wie manche Leute Logos auf ihren QR-Codes bekommen?Ein QR-Code mit einem Scan Me-Logo in der Mitte.

Eine Kuriosität von QR-Codes, die Sie vielleicht gesehen haben, sind Codes, die in der Mitte ein Logo, einen Text oder ein Bild enthalten. Wie funktionieren diese?

Das Platzieren eines Bildes in der Mitte eines QR-Codes wird vom Standard für QR-Codes eigentlich nicht unterstützt, sondern beruht auf einer Fehlerprüfung. Das Bild nimmt die Stelle ein, an der sich die Daten befinden sollten, wodurch der QR-Code effektiv beschädigt wird. Diese Bilder verfügen typischerweise über eine hohe Fehlerkorrektureinstellung und basieren darauf, dass der Bildinterpreter den Wert aus Fehlerkorrekturbits dekodiert und nicht aus dem Bereich, in dem die Daten gespeichert werden sollen.


Dies ist zwar ästhetisch ansprechender (und gut für das Branding), macht diese QR-Codes jedoch auch anfälliger für Beschädigungen und reduziert den Bereich des QR-Codes, der möglicherweise beschädigt werden kann, bevor der Code unlesbar wird.

QR-Codes sind von Dauer

Eines ist bei QR-Codes klar: Sie werden uns erhalten bleiben. Viele prophezeiten den Tod von QR-Codes zugunsten auffälligerer Technologien wie NFC. Aber QR-Codes können praktisch überall projiziert werden, auf Gebäude oder jede Art von Ausstellungsbereich, sodass Hunderte oder Tausende von Menschen sie gleichzeitig scannen können. Diese Attraktivität für den Massenmarkt und die nahezu flächendeckende Akzeptanz durch Smartphone-Anbieter haben QR-Codes zu einer äußerst leistungsstarken Technologie gemacht, die sicherlich auch in Zukunft Bestand haben wird.



Source link