智能手机摄像头里藏着这样的秘密——窥探读取背后的原理

摄像头由「光的传感器」组成

智能手机摄像头的真身，是一块排列着数千万个微小光传感器的芯片，这块芯片叫作图像传感器。光线穿过镜头进入机身，落在每一个传感器上，「这里亮」「这里暗」的信息随即被换算成数字。这一大堆数字的集合，就是照片的真相。

读取黑白图案时，摄像头关注的不是颜色，而是「明暗之差」。白色部分反射大量光线，数值因此变大；黑色部分吸收光线，数值因此变小。这明与暗的落差越清晰，读取的精度就越高。在昏暗的地方读不出来，正是因为这个落差变小了。

反过来说，把图案印在深色的纸上，或者用金色银色这类会反光的材质印刷时，读取都会变得吃力——明暗的落差被压缩，传感器难以分清哪里是白、哪里是黑。

对上焦点的机制——自动对焦的真身

把摄像头对准图案，焦点会在一瞬间对上。这要归功于「自动对焦」这项功能。多数手机采用名为「相位差自动对焦」的方式，从抵达传感器的光线的偏移程度，反推出焦点所在的距离。这与人眼靠左右两眼的视差判断远近，是同一个原理。

对上焦所需的时间，在一般的手机上约为 0.03 秒，比眨一次眼还快。不过，摄像头与图案的距离过近时（5 厘米以内），受镜头结构的限制，焦点便对不上了。反过来距离过远，图案拍得太小，细部就读不出来。10 至 30 厘米是恰到好处的距离。

顺带一提，让手保持稳定同样重要。焦点即使对上了，若在成像的那一瞬手抖了一下，图案的边缘也会拖出残影。把手肘靠在桌面或身体上，读取会顺畅许多。

解码软件破译「图案的含义」

摄像头拍下的图像，就那样看只是一张黑白照片。从这里开始，才轮到读取软件（解码器）出场。解码器首先要在图像中找出三个大的方形标记。这些标记叫作「定位图案」，是确定图案的位置与倾斜角度的线索。

找到标记之后，解码器把整个图案像棋盘的格子那样划分开来，逐格判断那里是白还是黑。白换算成「0」，黑换算成「1」，0 与 1 的排列便还原成文字或网址。这一连串处理，在手机内部用不了一秒就能完成。

三个标记只占据四个角当中的三个，剩下的那一角被刻意留空。正因为缺了一角，解码器才能立刻分辨出图案是正着、倒着，还是横躺着。

有污渍、有划痕也能读出来的理由

图案的一部分被弄脏或者划伤，有时依然读得出来。这要归功于「纠错」这套机制。图案里除了本来的数据，还一并嵌入了「备用的数据」，即使缺了一部分，也能从剩下的信息把原本的数据复原回来。

纠错分为 L、M、Q、H 四个等级，在最强的等级 H 下，整体缺损约 30% 仍然可以复原。不过，纠错设得越强，图案就变得越大、越复杂，这里存在一处取舍。想像名片那样小小地印刷时设弱一些，像户外看板那样容易脏污的地方则设强一些，这是通常的做法。

在昏暗处也能读取的巧思

在昏暗的室内或夜间也能读取 二维码，是因为相机会配合周围的明亮度自动调整摄入的光量。光少的场景里，它会设法摄入更多的光；过亮的场景里，则抑制摄入的量。即便如此，光仍不足时，图像会变暗，图案的明暗变得难以分辨，便容易读取失败。这时，调高屏幕亮度，或朝光照到码的方向稍微移动，便会改善。帮一帮相机的调整，是读取成功的捷径。

过近过远都读不出的原因

把智能手机离 二维码太近，反而可能读不出。这是因为相机能对焦的距离有限。太近则焦点对不上，图案会模糊。反之太远，则每一个单元格拍得太小，无法分辨明暗。读取不顺利时，把智能手机拉近或拉远来调整，正是因为相机在寻找它恰好能对焦的距离。找到恰当的距离，便能通向快速读取。

为什么比条形码读得更快

超市收银台使用的条形码，只在横向拥有信息，是一维的信息。而黑白的方形图案在纵、横两个方向都拥有信息，是「二维码」。同样的面积能收纳的信息量相差一个数量级：条形码最多约 20 个字符，二维码最多可收纳 7,089 个字符。

读取速度快的理由，在于那三个标记让它「从任何角度都能瞬间确定位置」。条形码要靠激光横向扫过去读取，因此必须对准角度。二维码则是用摄像头把整体一次拍下，所以斜着拍、倒过来拍，都照样读得出。