神們自己

在我們的日常生活中，掃碼早已普及：付款要掃碼，加微信要掃碼，開(kāi)會(huì)簽到要掃碼……《中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，早在2016年，我國(guó)平均每天掃碼就已超過(guò)15億次。我們每天都可能接觸二維碼，但似乎很少想過(guò)：二維碼究竟是怎樣工作的？那一團(tuán)亂碼般的黑白圖案中，到底蘊(yùn)藏著什么樣的秘密？

二維碼圖案看似亂碼，其實(shí)是精心設(shè)計(jì)的程序化信息。想要了解二維碼的工作原理，我們先要了解“二進(jìn)制”這個(gè)偉大發(fā)明。在計(jì)算機(jī)的世界中，任何信息都由0和1組成，這就是二進(jìn)制。任何一個(gè)數(shù)字、字母和漢字，都可以轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制形式，例如，十進(jìn)制的2在二進(jìn)制中用10表示，大寫字母A在二進(jìn)制中用01000001表示。任何信息都可以轉(zhuǎn)化為由0和1構(gòu)成的二進(jìn)制數(shù)字，這種轉(zhuǎn)化方法叫作“編碼”。

計(jì)算機(jī)只能看懂0和1，于是人類發(fā)明了編碼，使任何信息都可以轉(zhuǎn)換成由0和1組成的二進(jìn)制數(shù)字。那么，我們?cè)鯓影研畔⑤斎胗?jì)算機(jī)呢？你的第一反應(yīng)可能會(huì)是：用鍵盤打字。不過(guò)在很多場(chǎng)合下，用鍵盤打字既不方便，也不高效。比如你去超市買東西，結(jié)賬時(shí)售貨員需要在極短的時(shí)間內(nèi)輸入大量商品的名稱、價(jià)格、數(shù)量，如果用鍵盤輸入的話，你身后的隊(duì)伍會(huì)排很長(zhǎng)。實(shí)際上，售貨員會(huì)用專用的掃描槍掃商品條形碼。條形碼，就是二維碼的前身。

用視覺(jué)信號(hào)代替鍵盤輸入，是一個(gè)了不起的技術(shù)飛躍。條形碼發(fā)明于20世紀(jì)20年代，這項(xiàng)100年前的古老技術(shù)如何做到穩(wěn)定快速地讀取信息呢？其實(shí)，它的工作原理和我們用機(jī)器閱卷的原理相似。

你在考試時(shí)肯定涂過(guò)答題卡，但你有沒(méi)有想過(guò)，為什么不能直接寫ABCD，而是要用2B鉛筆把對(duì)應(yīng)選項(xiàng)的小方塊涂黑呢？原因就是為了方便機(jī)器自動(dòng)閱卷。每個(gè)人手寫的ABCD千奇百怪，通過(guò)人工智能做視覺(jué)識(shí)別無(wú)法做到100%的準(zhǔn)確率，即使是人工批卷，也免不了會(huì)有看走眼的時(shí)候。不過(guò)，每個(gè)人用2B鉛筆涂黑的小方塊都是一樣的。機(jī)器閱卷的基本原理就是用一個(gè)掃描器發(fā)射光并接收光，通過(guò)測(cè)定反射信號(hào)，得到二進(jìn)制數(shù)字。黑色反射光最少，機(jī)器識(shí)別為1；白色反射光最多，機(jī)器識(shí)別為0。把你答題卡上涂的小方塊排成一排，就能代表一串0和1組成的數(shù)字：

把上面這張圖縱向拉長(zhǎng)，你就得到了一個(gè)最原始的條形碼。我們可以把條形碼拆分為一個(gè)個(gè)小方格，黑色小方格代表1，白色小方格代表0。條形碼中的每一根黑條，就相當(dāng)于答題卡涂黑的一個(gè)小方塊，通過(guò)黑條和白條之間的間距變化編碼信息。當(dāng)超市售貨員用掃描槍對(duì)準(zhǔn)條形碼時(shí)，你會(huì)看到掃描器發(fā)出一道細(xì)長(zhǎng)的紅光，就像在條形碼上畫(huà)了一條線。這道細(xì)細(xì)的紅線掃過(guò)黑條紋和白條紋，黑色和白色的反光量不同，從而轉(zhuǎn)換為0和1的二進(jìn)制數(shù)字。

條形碼也叫“一維碼”，因?yàn)樗男畔⒅辉跈M向排列。不管條形碼縱向拉伸多長(zhǎng)，它表達(dá)的信息都不會(huì)改變，因?yàn)槊扛鶙l紋只代表一個(gè)數(shù)，這樣承載的信息量太少了。為了解決這個(gè)問(wèn)題，世界上第一個(gè)二維碼在1994年問(wèn)世了。二維碼和條形碼的最大區(qū)別在于，它是“二維”的，像圍棋棋盤一樣，每一顆棋子（黑或白）都能表示信息。雖然二維碼面積比一般的條形碼還小，卻能容納更多信息，真可謂“降維打擊”。

二維碼的先進(jìn)之處遠(yuǎn)不止于此。條形碼只能從一個(gè)方向掃描，如果把掃描槍旋轉(zhuǎn)90度，它就無(wú)法讀取信息了。但二維碼可以從任何方向掃描！無(wú)論二維碼貼得多歪，無(wú)論你的手機(jī)怎么旋轉(zhuǎn)，都不會(huì)影響掃描成功！

這個(gè)神奇的功能是怎么做到的？答案就在于二維碼的三個(gè)頂角上。你可能已經(jīng)注意到，任何二維碼，它們的三個(gè)頂角都是一樣的，都是一個(gè)方框套一個(gè)方塊。這三個(gè)頂角，就是二維碼的定位區(qū)。

這個(gè)看似普通的“方框套方塊”圖案，其實(shí)是精心設(shè)計(jì)的。二維碼可以印在雜志、廣告、商品包裝上，也可以顯示在電腦或手機(jī)屏幕上，但它不會(huì)和周邊的圖案混淆，因?yàn)檫@個(gè)“方框套方塊”的定位區(qū)有著極為罕見(jiàn)的比例構(gòu)圖。你可以用尺量一下最外層方框的線條粗細(xì)、內(nèi)部空白方框的線條粗細(xì)、中心正方形方框的邊長(zhǎng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的比例是精確的1∶1∶3。

為了研發(fā)二維碼，科學(xué)家收集了大量廣告單、雜志、紙板，把圖片和文字都處理成黑白兩色，統(tǒng)計(jì)黑白兩色的面積比例。他們最終發(fā)現(xiàn)，印刷品中最罕見(jiàn)的寬幅比例，正是1∶1∶3！所以，二維碼幾乎不會(huì)和周邊的圖案混淆。當(dāng)手機(jī)掃碼時(shí)，它先找到3個(gè)定位區(qū)，然后就可以識(shí)別出整個(gè)二維碼區(qū)域。

細(xì)心的你也許還會(huì)注意到，二維碼右下角還有一個(gè)小方塊，如下圖橙色框所示：

這個(gè)方塊也是用于定位的標(biāo)記，但和三個(gè)角的定位區(qū)不一樣，它不是用于定位旋轉(zhuǎn)，而是用于確保二維碼在扭曲、拉伸的情況下仍然能夠被識(shí)別。沒(méi)錯(cuò)，歪歪扭扭的二維碼仍然能用！哪怕把二維碼印在籃球上，它還是可以被正常識(shí)別。

小小一個(gè)二維碼，蘊(yùn)藏著超越時(shí)代的精妙設(shè)計(jì)和復(fù)雜功能。它能存儲(chǔ)大量信息，識(shí)別速度極快，成功率極高，還有超強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。這就是科技時(shí)代帶給我們的禮物。