隨著智慧型手機興起，QR Code(QR碼)的應用越來越廣泛，只要拿出手機開啟App，無論是電子海報、個人名片、還是電子支付，「掃」一下就能獲得圖像裡蘊含的訊息。QR Code是種二維條碼的類型，在一維條碼能夠承載的資訊量不足以應付需求之後，二維條碼順勢而生，本篇介紹QR Code的運作原理、特色、編碼結構分析，讓讀者更瞭解這項隨處可見的科技小工具。
QR Code：Quick Response Code，快速響應矩陣圖碼
QR Code是Quick Response Code的縮寫，因為發明者希望QR Code可以快速解碼內容，故以「Quick Response(快速反應)」命名。QR Code的發明可追溯至1994年的日本，由汽車零件業者Denso Wave公司發明，用來追蹤生產線上的貨物，並且讓條碼能容納日文漢字、假名訊息。
與一維條碼最大的差異在於，二維條碼能夠承載更多資料，而QR Code能儲存的資訊種類囊括了數字、字母、二進制(位元組)、以及日文、漢字。可以這麼說，一維條碼代表的資訊以「數字編號」為多，號碼用來識別商品，但QR Code可以讓日文、漢字資料直接記錄在條碼裡，也就是讓條碼代表一句話、或是一串網址。
▲4種不同的二維條碼。因為一維條碼，也就是由線條組成的條碼能承載的資訊量太少，因此最初將2個一維條碼疊加在一起，最後讓X軸、Y軸都帶有訊息，進化成二維條碼。二維條碼又稱為矩陣條碼，種類有很多，其中屬QR Code最為常見。(圖片來源：Wiki)
▲一維條碼的運作原理介紹。
QR Code標準在1999年發佈 應用包含物流、驗票、網站登錄
日本的QR Code標準在1999年公佈，而其對應的ISO國際標準(ISO/IEC 18004)則在2000年獲得。ISO(國際標準化組織)認定QR Code為國際規格，其規格公開，雖由Denso Wave公司持有專利，但不會被執行。
而除了能記錄日文與漢字之外，QR Code的辨識速度快、360度全方位都能被識別、容錯能力高、佔位面積更小，讓它被廣泛運用在產品跟蹤、物品識別、文件管理等方面。除此之外個人名片、網站登錄等地方也常常見到QR Code的蹤跡。
▲行政院農委會的產銷履歷也應用了QR Code，右下則是傳統一維條碼。（圖片來源：產銷履歷資訊網）
▲台鐵的車票也應用了QR Code，乘客只要將車票上的QR Code對準驗票閘門的掃描區，即能掃描通過。現在台鐵也有QR Code電子化車票，詳情可見2019台鐵網路購票App教學懶人包。
不過，QR Code並非任何情況下都能夠辨識，比如說QR Code過度擠壓變形、印刷不夠清晰、或是外框沒有足夠的白邊的話，就會造成識讀困難。雖然如此，和傳統一維條碼相較，QR Code可以360度掃描辨識，容錯能力更是讓它在視覺造型上有了更多的變化。
有40種尺寸與4種容錯級別 最多能容納7089字元
先不論微型QR Code等特殊變形，一般常見的QR Code共有40種不同的尺寸版本，版本依據儲存密度與結構區分，每一種QR Code的組成結構、能夠儲存的資訊量多寡都不完全相同。QR Code的尺寸版本以「 Version」標示，如版本1，也就是 Version 1，QR Code尺寸為21x21位元， Version 2的尺寸為25x25位元，Version 40則為177x177位元，Version越高，QR Code的尺寸越大，能夠承載的資訊量也就越多。
是否有看過融入標誌的QR Code呢？「容錯」又稱「糾錯」，是指當某部分資訊缺失的時候，其它部分會自動填補，讓整體資訊依然可以完整辨識，容忍錯誤發生。簡單來說，就是當QR Code條碼缺了一角，或是沒有辨識完全，資訊依然可以被掃瞄出來，這就是QR Code容錯能力的表現，是一維條碼辦不到的。
QR Code的4個容錯等級：
- L(低)：可修正7%的字碼。
- M(中)：可修正15%的字碼。
- Q(中高)：可修正25%的字碼。
- H(高)：可修正30%的字碼。
▲傳統一維條碼只要組成有損傷，就難以辨識，不過QR Code可以容許一定程度範圍內的資訊流失，因此就算缺角(圖左)、或是在條碼中放入Logo(圖右)，都不會影響資訊讀取。這也讓QR Code在設計上有非常多的變化。(圖片來源：Wiki)
▲QR Code共有40種不同的尺寸版本，前後版本尺寸之間都相差4個單位。(圖片來源：萬能的Wiki)
容錯能力越高，同等級的QR Code能夠容量的資訊量就越少，這是因為將原本能夠儲存資料的地方，拿去做容錯備份，於是一般儲存資料的空間被壓縮，能夠儲存的資料也就變少。由以上訊息可以得知，資訊容量最大的QR Code版本為Version 40、容錯能力為L等級，此版本最多可以容納7089個數字，或是4296個字母，或1800個漢字。一般的一維條碼最多只能輸入20個資訊量。
▲QR Code由無數個黑白小格子組成，每一個格子就是一個位元(bits)。由上圖可知，組成一個純數字(Numeric only)需要3又1/3個位元，也就是3又1/3個小格子，至於要組成一個ISO 8859-1編碼的二進制字元，則需要8 bits，也就是8個小格子。以資訊容量最大的Version 40、容錯能力為L等級的QR Code來說，純數字最多能夠容納7089個，也就是能夠表示7089個0至9的數字。
QR Code原理與結構：定位標記、定時資訊、版本與格式資訊
因為電腦只能接收0與1，因此無論是數字、字母、還是漢字，所有訊息都要回到0與1的編排來轉換。QR Code裡有無數個黑色與白色的方格，每一格黑白格子都是一個位元(bits)，黑色方格代表1，白色方格代表0，掃碼時機器只要判斷反光與否，就能將黑白圖像轉換為1與0的組合。
在QR Code的結構之中，最重要的就是位於上方兩側與左下的3個「回」狀定位標記。定位標記讓掃描端能夠360度辨識QR Code的方向，因此就算反著掃，也能判斷出哪邊是開始、哪邊是結束，避免讀取錯誤。正因如此，QR Code裡面的定位點一定會保留，無論其它資訊如何變化，定位點都不可以被取代。
▲QR Code結構。根據QR Code版本不同，結構會有細微的差異。QR Code版本越高，內涵的資訊量越大，也就會有越多校正圖塊，避免機器因為資訊量太多產生錯誤。
如上圖所示，QR Code裡真正紀錄資料的地方僅有灰色的「資料與糾錯碼訊息」，而在該區塊裡，又會分為真正紀錄資訊的區域，以及容錯區域。QR Code的定位標準與格式資訊位置都是固定的，至於定時資訊(Timing Patterns，又稱時序圖案)是用來讓機器辨識QR Code的單位格子大小、以及提供座標位置，像是基準點一樣，避免QR Code尺寸過大，或是掃描時變形，導至格子判讀錯誤。
▲QR Code的訊息編排順序。最右下Enc告知編碼格式，也就是接下來會使用哪種編碼，內容是數字、字母、還是漢字。Len告知長度，最後會有End告知訊息結束。和之前提到的一樣，組成一個字元(英數漢字)所需要的位元(小格子)數量不同，上圖一格就是一個字元，該字元需要由8個位元組成。左半邊E1至E7都是容錯區域。
▲QR Code的另外一種排列方式。 右半邊的D為交叉排列的資訊區，左半邊的E為容錯區域。
QR Code的編碼順序有些複雜，字元會依照某種順序排列，而位元根據運行方向，也會有不同的讀取順序(見上圖右)。需要注意的是，每個版本的QR Code訊息編排順序都不同，容錯等級也牽涉到QR Code的訊息編排方式，因此就算是同樣的訊息，也會產生不同的QR Code。
編碼結束後再加上掩碼(Masking)步驟
在複雜的編碼結束之後，為了避免資料區域出現連續的空白、連續的黑色區域、或是和定位點相似的圖形，還會再進行掩碼程序，透過演算法，選擇合適的掩模圖案(又稱遮罩)，再經過操作後融進資訊裡。掩碼是為了讓QR Code的黑白色散開，更容易被機器識別，二維碼的掩模圖案共有8種，會在資料區內不停地重複計算，功能區域則不會有更動。
掩碼步驟完成後，QR Code才是真正完成。因此一個完整的QR Code裡包含了定位點、功能區域、資訊區域、容錯區域、掩模圖案，每一塊都不可缺少。
▲二維條碼共有8種掩模圖案，每一種都有對應的規則與計算方式，並不是隨意挑選。
▲使用QR Code設計的房間，每一個都連結至色情訊息，象徵現在生活裡雖然雙眼看不見，但隱藏的色情無所不在。(圖片來源：Dezeen)
以圍棋作為發想 讓訊息接收更加方便快速
不知不覺間，QR Code已佔領了各個角落，當初發明者以「圍棋」作為發想，讓QR Code容納更多元的資訊，直接改變了現代人的生活習慣。QR Code看似簡單，不過其實有一定的複雜度，如果像筆者一樣對程式編碼毫無概念，要理解它背後的運作規則實在是需要不少精神。無論如何，QR Code讓人能更快速地獲取資訊，未來或許會有更多應用延伸出現，再度掀起一波浪潮。
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