QR-Code-Suchmuster: warum in den Ecken jedes QR-Codes Quadrate stehen

Was ist ein Suchmuster auf einem QR-Code?

Ein Suchmuster ist eines der drei konzentrischen Quadrate in den Ecken eines QR-Codes, mit denen ein Scanner das Symbol findet und seine Drehung bestimmt. Jedes Suchmuster misst 7 × 7 Module: ein massives dunkles 3 × 3-Quadrat in der Mitte, ein ein Modul breiter heller Ring darum und ein ein Modul breiter dunkler Ring darum herum.

An den Innenseiten jedes Suchmusters verläuft ein Separator - der ein Modul breite helle Rand zwischen dem Suchmuster und dem Datenbereich, damit die Außenkante des Suchmusters messbar bleibt. Suchmuster und Separator belegen in jeder der drei Ecken einen 8 × 8-Block, also 192 Module jedes jemals erzeugten QR-Codes, bei jeder Symbolversion und unabhängig davon, was der Code sagt.

Die Aufgabe dieser 192 Module ist die Erkennung, nicht das Decodieren. Bevor ein Scanner ein einziges Zeichen liest, muss er drei Fragen zum Kamerabild beantworten: Ist auf diesem Bild ein QR-Code, wo sind seine Kanten, und wo ist oben. Die Suchmuster beantworten alle drei, und zwar anhand einer schräg aufgenommenen Fotografie, bei schlechtem Licht, von einem Code, den die Kamera nie zuvor gesehen hat.

Warum drei Ecken und nicht vier

Drei Suchmuster machen das Symbol asymmetrisch, und die Asymmetrie ist es, die die Ausrichtung codiert. Drei Ecken genügen, um ein Quadrat festzulegen: zwei davon geben dem Decoder eine Seite und ihre Länge, die dritte gibt die Senkrechte, und die vierte Ecke ist damit bereits bekannt. Dort ein weiteres Suchmuster zu setzen, würde nichts hinzufügen und den einzigen Hinweis darauf entfernen, wo oben ist.

Deshalb lässt sich ein QR-Code auf dem Kopf, seitlich oder gespiegelt in einer Schaufensterscheibe scannen und wird trotzdem gelesen. Der Decoder findet drei Quadrate, ermittelt, welches davon in der Ecke zwischen den beiden anderen sitzt - das ist oben links - und richtet von dort das ganze Raster neu aus. Ein Symbol mit vier Quadraten ließe sich auf vier verschiedene Arten decodieren und hätte kein Mittel, sich zwischen ihnen zu entscheiden.

Die leere Ecke bleibt nicht lange leer. Ab Version 2 trägt der Bereich unten rechts stattdessen ein Ausrichtungsmuster, ein kleineres 5 × 5-Quadrat mit einer anderen Aufgabe, das weiter unten beschrieben wird. Wer bemerkt, dass ein großer QR-Code ein viertes, kleineres Quadrat in der Ecke hat, sieht ein Ausrichtungsmuster und kein geschrumpftes Suchmuster.

Dieselbe Logik erklärt, warum der Micro QR Code nur ein Suchmuster hat. Er ist ein deutlich kleineres Symbol, nie größer als 17 × 17 Module, und drei 8 × 8-Blöcke würden das meiste davon verbrauchen. Der Preis ist ein Symbol, das der Kamera frontaler präsentiert werden muss - vertretbar für die Kennzeichnung kleiner Teile und nicht vertretbar für einen Code auf einem Plakat.

Das Verhältnis 1:1:3:1:1, das einen QR-Code auffindbar macht

Eine Abtastlinie, die ein Suchmuster durch die Mitte kreuzt, erzeugt dunkle und helle Abschnitte im Verhältnis 1:1:3:1:1, und nach genau diesem Verhältnis sucht ein Decoder tatsächlich. Er sucht nicht nach Quadraten. Er reduziert das Kamerabild auf Schwarz und Weiß, geht dann jede Pixelzeile durch und misst, wie lang jeder Abschnitt einer Farbe ist, und markiert jede Stelle, an der fünf aufeinanderfolgende Abschnitte in diesem Verhältnis stehen.

Das Verhältnis ist so gewählt, weil es alles übersteht, was einem Code zwischen Generator und Kamera zustößt:

• Der Maßstab. Ein Verhältnis hat keine Einheiten. Dasselbe 1:1:3:1:1 erscheint, ob ein Modul drei oder dreißig Pixel breit ist, also muss der Decoder Druckgröße und Kameraabstand nicht vorher kennen.
• Die Drehung. Das Muster ist konzentrisch, also liefert eine Linie durch die Mitte in jedem Winkel dieselben Abschnittslängen. Deshalb hat ein QR-Code kein Oben, und deshalb ist es unbedenklich, ihn im Layout zu drehen.
• Teilweise Ansichten. Zeilen nahe der Ober- und Unterkante des Suchmusters ergeben andere Verhältnisse, also sind Fehltreffer billig zu verwerfen. Der Decoder muss das Verhältnis nur noch an derselben Stelle auch in einer Spalte bestätigen.
• Gewöhnliche Drucksachen. Der Kern 1:3:1 ist in gedrucktem Material selten. Ein dunkler Abschnitt, der dreimal so breit ist wie die Abschnitte links und rechts davon, in beiden Achsen und an derselben Stelle, ist selten genug, dass Fotografien und Typografie ihn nicht oft auslösen.

Sind drei Kandidatenmitten bestätigt, geht der Rest schnell: Der Decoder misst den Abstand zwischen ihnen, um die Modulgröße zu schätzen, nutzt die Taktmuster, um das Raster auf dem Symbol einrasten zu lassen, und liest die Formatinformation neben den Suchmustern, um Fehlerkorrekturstufe und Maske zu erfahren, bevor er ein einziges Datenmodul anfasst.

Diese Reihenfolge ist der Grund, warum sich ein Code mit beschädigter Ecke so anders verhält als einer mit beschädigter Mitte. Ein Kratzer im Datenbereich ist Arithmetik, die der Decoder rückgängig machen kann. Ein Aufkleber über einem Suchmuster entfernt das, was den Vorgang überhaupt startet, und das Telefon zeigt schlicht nichts an - in warum ein QR-Code nicht scannt steht, wie du diesen Fehler von den anderen unterscheidest.

Was an einem QR-Code sonst noch Struktur statt Daten ist

Fünf Dinge an einem QR-Code legt der Standard fest statt der Inhalt: die Suchmuster mit ihren Separatoren, die Taktmuster, die Ausrichtungsmuster, die Formatinformation und - ab Version 7 - die Versionsinformation. Zusammen heißen sie Funktionsmuster, und sie sitzen bei jedem Code einer bestimmten Version an denselben Stellen.

Die praktische Folge lässt sich klar sagen: Ein QR-Code ist kein Datenraster mit ein paar Verzierungen darauf. Er ist ein Strukturraster, in dessen Lücken Daten gegossen sind, und bei kleinen Codes ist die Struktur der größte Teil des Bildes.

Wie viel eines QR-Codes nicht deine Daten sind

In einem QR-Code der Version 1 sind 233 der 441 Module - 52,8 % - Funktionsmuster und Formatinformation statt Daten. Mehr als die Hälfte des kleinsten QR-Codes geht dafür drauf, sich selbst zu beschreiben. Der Anteil sinkt, während das Symbol wächst, weil die Funktionsmuster kaum wachsen und der Datenbereich mit dem Quadrat der Seitenlänge.

Liest man die letzte Spalte hinunter, bricht eine Zeile den Trend. Version 7 hat einen höheren Strukturanteil als Version 6 - 22,6 % gegen 17,7 % -, weil bei Version 7 zwei Dinge gleichzeitig hinzukommen: Die Versionsinformation erscheint und kostet 36 Module, und die Zahl der Ausrichtungsmuster springt von eins auf sechs. Danach sinkt der Anteil weiter und steigt nie wieder.

Diese Tabelle ist die eigentliche Antwort auf eine Frage, die meist anders gestellt wird. Eine kurze URL in einem Code der Version 2 und eine lange in einem der Version 10 unterscheiden sich nicht um den Faktor zehn an Daten, obwohl beide optisch ähnlich komplexe QR-Codes sind - der kleine gibt 42,6 % seiner selbst dafür aus, auffindbar zu sein. Die Kapazität eines QR-Codes nimmt sich die Datenseite dieser Rechnung Version für Version vor.

Ausrichtungsmuster: das vierte Quadrat, das auffällt

Ein Ausrichtungsmuster ist ein fünf Module großes Quadrat, mit dem ein Decoder die perspektivische Verzerrung ausgleicht, wenn ein QR-Code schräg fotografiert oder auf eine gewölbte Fläche gedruckt wird. Es ist ein 5 × 5-Block - ein dunkler Ring, darin ein heller Ring und in der Mitte ein einzelnes dunkles Modul - und erscheint ab Version 2.

Ihre Anzahl legt die Version fest, nicht der Inhalt:

Ihre Bedeutung wächst mit dem Code. Bei einem Symbol der Version 2 kann der Decoder das Raster allein aus den drei Suchmustern ableiten, weil 25 Module Abweichung wenig sind. Bei einem Symbol der Version 25 muss dieselbe Schätzung über 117 Zellen tragen, und ein kleiner Winkelfehler an den Ecken summiert sich bis zur gegenüberliegenden Seite zu einem ganzen Modul Versatz. Die Ausrichtungsmuster sind Bezugspunkte im Symbol, mit denen der Decoder das Raster abschnittsweise neu anpasst, statt einer einzigen Schätzung über den ganzen Code zu vertrauen.

Das ist auch der praktische Grund, warum ein großer Code auf einer gewölbten Fläche - einer Flasche, einer Tasse, einer Kabeltrommel - noch gelesen wird. Nicht weil die Wölbung klein wäre, sondern weil der Decoder innere Bezugspunkte hat und das Raster zwischen ihnen neu anpasst. Ein gewölbter Code mit verdecktem Ausrichtungsmuster verliert das und fällt genau in den Winkeln aus, in denen jemand ein Telefon ganz natürlich hält.

Taktmuster und Formatinformation

Ein Taktmuster ist die eine Zeile und die eine Spalte aus abwechselnd dunklen und hellen Modulen, die dem Decoder sagt, wo das Modulraster liegt. Eines läuft entlang Zeile 6 zwischen den Suchmustern oben links und oben rechts, das andere entlang Spalte 6 zwischen oben links und unten links, und beide beginnen und enden immer mit einem dunklen Modul.

Ihre Aufgabe ist das Zählen. Hat der Decoder die Ecken des Symbols gefunden, kennt er die Außenbegrenzung, aber nicht, wie viele Zellen darin liegen - ein Code mit 25 und einer mit 29 Modulen sehen von außen gleich aus. Den abwechselnden Abschnitt entlang Zeile 6 abzugehen, liefert den Modulabstand direkt, und der legt das Raster für das ganze Symbol fest.

Die Formatinformation ist der Modulstreifen neben den Suchmustern, der die Fehlerkorrekturstufe und das Maskenmuster des Symbols festhält. Sie belegt 31 Module, ist durch einen eigenen BCH-Fehlerkorrekturcode geschützt und steht zweimal an verschiedenen Stellen, sodass ein Symbol mit zerstörter Kopie seine eigene Stufe weiterhin korrekt meldet.

Diese Redundanz ist eine bewusste Asymmetrie im Entwurf, und man sollte sie kennen, wenn man einen beschädigten Code beurteilt. Die Formatinformation ist der einzige Teil der Struktur mit eigenem Schutz. Such-, Takt- und Ausrichtungsmuster haben keinen - nicht weil man sie vergessen hätte, sondern weil es keinen Sinn ergibt, Daten zu schützen, die gelesen werden müssen, bevor irgendein Schutz angewendet werden kann.

Die Versionsinformation erscheint ab Version 7: 36 Module, in zwei Kopien, neben den Suchmustern oben rechts und unten links, die die Symbolversion ausdrücklich nennen. Unterhalb von Version 7 erschließt ein Decoder die Version durch Zählen der Module - bei einem Symbol mit 21 bis 41 Modulen zuverlässig genug, bei einem mit 177 weniger.

Was passiert, wenn ein Suchmuster verdeckt ist

Ein QR-Code mit verdecktem Suchmuster scannt meist gar nicht, und der Fehler ist still, nicht langsam. Es gibt kein Teilergebnis und keine Fehlermeldung: Der Decoder kommt nie zu dem Schluss, dass im Bildausschnitt ein Symbol ist, also verhält sich das Telefon genauso, als richtete man es auf eine leere Wand.

Das Nützlichste an diesem Fehler ist, dass die Fehlerkorrektur nichts ausrichten kann. Die Reed-Solomon-Wiederherstellung repariert Codewörter im Datenbereich, und sie läuft, nachdem das Symbol gefunden, seine Version bestimmt und seine Maske entfernt wurde. Ein Suchmuster dient dazu, überhaupt bis dorthin zu kommen, also entfernt ein Schaden dort den Vorgang, statt ihm Fehler hinzuzufügen. Die Stufe von M auf H anzuheben, bewirkt nichts außer kleineren Modulen - der Mechanismus steht in den Fehlerkorrekturstufen L, M, Q und H.

Wie eine Ecke verdeckt wird, ungefähr in der Reihenfolge, in der es in den Druck gelangt:

• Ein Logo in einer Ecke statt in der Mitte. Die Mitte eines QR-Codes sind Daten, und die schützt die Fehlerkorrektur. Die Ecken sind Struktur, und die schützt nichts. Diese eine Entscheidung ist der Unterschied zwischen einem Code, der liest, und einem, der es nicht tut.
• Ein Aufkleber, ein Preisetikett oder ein Siegel über dem Code. Häufig auf Verpackungen und auf Speisekarten, die neu ausgezeichnet werden. Muss es überlappen, dann fern von allen drei Ecken.
• Ein Rahmen oder ein Badge, das den Außenring überlappt. Der äußere dunkle Ring des Suchmusters ist ein Modul dick, und ein Rahmen, der ihn anknabbert, verändert die Abschnittslängen, die der Decoder gerade misst.
• Ein Beschnitt oder eine Stanzkontur durch eine Ecke. Ein runder Aufkleber, eng um ein quadratisches Symbol geschnitten, nimmt den Rand zuerst an den Ecken - und dort sitzen alle drei Suchmuster.
• Zu kräftige Gestaltung der Eckmodule. Eckformen, die das Suchmuster stark abrunden oder den hellen Ring farbig füllen, verändern das Verhältnis 1:1:3:1:1, von dem die Erkennung abhängt.
• Ein Falz, ein Rücken oder eine Biegung über einer Ecke. Die Kante beschattet das Muster und verhindert, dass beide Hälften in einer Ebene liegen, was die Verhältnismessung stärker stört als derselbe Falz an anderer Stelle.

Der Test ist schneller als die Theorie. Deck die Mitte eines gedruckten Codes mit dem Daumen ab, und die meisten scannen weiter; deck eine beliebige Ecke ab, und fast keiner tut es. Dieser Unterschied ist diese ganze Seite in einem Experiment.

Wie du die Ecken eines QR-Codes gestaltest, ohne ihn zu zerstören

Eigene Eckformen sind unbedenklich, solange sie das Verhältnis 1:1:3:1:1 entlang jeder Linie durch die Mitte erhalten, und bedenklich, sobald sie es verändern. Das ist die ganze Regel, und sie erklärt, warum manche gestalteten Codes einwandfrei lesen und andere auf der Hälfte der Telefone scheitern.

Was das erlaubt und was nicht:

• Abgerundete Ecken am Außenring des Suchmusters. In den meisten Decodern unbedenklich, weil eine Linie durch die Mitte weiterhin dieselben Abschnittslängen kreuzt. Die Rundung nimmt Farbe an den Ecken des Musters selbst weg, die die Mittellinie nie berührt.
• Eine andere Farbe für die Suchmuster. Unbedenklich, solange die dunklen Teile gegenüber den hellen so dunkel bleiben, wie der übrige Code es an Kontrast braucht. Der Decoder arbeitet nach der Binarisierung in Schwarz und Weiß, also ist ein dunkelblaues Suchmuster auf Weiß ein dunkles Suchmuster.
• Runde Suchmuster. Meist lesbar, und der unnachgiebigste der beliebten Stile: Ein in den 7 × 7-Block einbeschriebener Kreis verkürzt die außerhalb der Mitte gemessenen dunklen Abschnitte, also sinkt die Toleranz gegenüber der Druckqualität.
• Den hellen Ring tönen statt frei lassen. Riskant. Der mittlere helle Ring ist einer der fünf gemessenen Abschnitte, und ein Mittelton dort kann unter Ladenbeleuchtung als dunkel binarisiert werden.
• Die Suchmuster mit einem Logo verschmelzen. Bedenklich. Alles, was die Größe des 3 × 3-Kerns im Verhältnis zu den Ringen verändert, verändert das Verhältnis, von dem die Erkennung abhängt.
• Ein Suchmuster der Symmetrie wegen entfernen. Niemals. Manche Entwürfe lassen eine Ecke weg oder fügen eine vierte hinzu, damit es optisch ausgewogen wirkt; das Erste ist nicht erkennbar, das Zweite mehrdeutig.

KoloQR, ein kostenloser QR-Code-Generator mit runden und individuell geformten QR-Codes, zeichnet die Suchmuster in jeder angebotenen Form als Teil des Symbols, sodass die Ecken beim Wechsel des Modulstils ihre Proportionen behalten. Gestaltung verbessert die Scanleistung nie - ein gestalteter Code braucht seine Ecken mindestens so unversehrt wie ein schlichter, meist sogar etwas mehr, weil dekorative Module weniger Farbe in jede Zelle setzen. Sieh dir QR-Code-Formen für das Spektrum an, runde QR-Codes für die kreisförmige Variante und scannen eigene QR-Formen? dafür, was der Kompromiss in der Praxis kostet.

Welcher Generator die Datei auch erzeugt hat, die Prüfung ist dieselbe und dauert eine Minute: Exportiere den gestalteten Code, drucke ihn in der Größe, in der er tatsächlich verwendet wird, und scanne ihn mit einem iOS- und einem Android-Telefon. Native Kameras sind strenger als eigene Scanner-Apps, und sie sind das, was die Leute benutzen werden.

Wie du den Aufbau eines QR-Codes mit bloßem Auge liest

Jede und jeder kann die Version eines Symbols bestimmen, seine Struktur zählen und seine Ecken prüfen, ganz ohne Software. Das folgende Vorgehen dauert etwa fünf Minuten und ist der schnellste Weg, einen zugeschickten Code ohne jede Notiz zu prüfen.

1. Zähle die Module an der Oberkante. Zähle die Zellen entlang einer vollständigen Seite des Symbols, ohne den Rand. Die Zahl ist für Version V immer 4V + 17, also ist 21 Version 1, 25 Version 2, 33 Version 4 und 57 Version 10.
2. Prüfe alle drei Ecken auf ein 7 × 7-Suchmuster. Oben links, oben rechts und unten links. Jede sollte einen massiven 3 × 3-Kern zeigen, einen klaren ein Modul breiten hellen Ring und einen ununterbrochenen ein Modul breiten dunklen Ring, mit einem freien Separatormodul an den Innenseiten.
3. Finde die Taktmuster. Sieh entlang der siebten Zeile und der siebten Spalte von der oberen linken Ecke aus, zwischen den Suchmustern. Dort sollte ein streng abwechselnder Abschnitt liegen, der dunkel beginnt und dunkel endet. Eine Unterbrechung darin heißt: kaputter Code.
4. Lokalisiere die Ausrichtungsmuster. Ab Version 2 gibt es mindestens ein 5 × 5-Quadrat nahe unten rechts. Version 7 und höher haben sechs oder mehr, gleichmäßig über das Symbol verteilt.
5. Prüfe, dass die vierte Ecke kein Suchmuster ist. Die Ecke unten rechts sollte Datenmodule enthalten oder ein von der Kante eingerücktes Ausrichtungsmuster. Ein viertes 7 × 7-Quadrat bedeutet, dass das Bild kein gültiger QR-Code ist.
6. Miss den Rand gegen ein Modul. Der freie Raum um das Symbol sollte auf jeder Seite mindestens vier Module betragen. Vergleiche ihn mit der Breite einer einzelnen Zelle statt mit dem Code als Ganzem - siehe die Ruhezone.
7. Schick die Datei durch einen Validator. Der QR-Code-Validator meldet Modulgröße, den Rand auf jeder Seite und den Kontrast und bestätigt, dass das Symbol decodiert.

Zwei Befunde aus dieser Prüfung erklären die meisten schlechten Dateien im Umlauf: ein so knapp beschnittener Code, dass ein Separator fehlt, und ein Code, der so platziert ist, dass etwas im Layout auf einer Ecke sitzt. Beides sieht man in unter einer Minute, sobald man weiß, wohin man schauen muss.

Häufige Fehler mit den Ecken eines QR-Codes

Der häufigste Fehler ist, die Ecken für den sicheren Platz zu halten, weil die Daten ja in der Mitte lägen. Es ist genau umgekehrt: Die Mitte schützt die Fehlerkorrektur, und die Ecken schützt nichts.