Wer einen QR-Code genauer betrachtet, erkennt neben den drei grossen Quadraten in den Ecken häufig noch ein deutlich kleineres Quadrat innerhalb des Codes. Dieses sogenannte Ausrichtungsmuster im QR-Code ist kein Zufallsprodukt und enthält auch keine eigentlichen Nutzdaten. Es ist ein fest definierter Bestandteil des QR-Codes und hilft dem Scanner dabei, den Code auch dann korrekt zu lesen, wenn er verzerrt dargestellt oder aufgenommen wird.
Besonders wichtig wird das Ausrichtungsmuster, wenn ein QR-Code grösser und komplexer wird oder beispielsweise auf einer gebogenen Verpackung angebracht ist.
Dabei gibt es eine Besonderheit: Nicht jeder QR-Code besitzt ein solches kleines Quadrat. Bei sehr kleinen QR-Codes der Version 1 gibt es noch kein Ausrichtungsmuster. Ab Version 2 ist mindestens eines vorhanden. Bei grossen QR-Codes können es sogar mehrere Dutzend sein.
Was ist ein Ausrichtungsmuster bei einem QR-Code?
Das Ausrichtungsmuster – auf Englisch Alignment Pattern – ist eines der sogenannten Funktionsmuster eines QR-Codes.
Es besteht aus einem quadratischen Bereich von 5 × 5 Modulen. Module sind die einzelnen schwarzen oder weissen Quadrate, aus denen ein QR-Code aufgebaut ist.
Von aussen nach innen besteht das Muster aus einem schwarzen Rahmen, einem weissen Bereich und einem einzelnen schwarzen Modul in der Mitte. Vereinfacht dargestellt:
Dieses Muster sieht den grossen Eckquadraten ähnlich, ist aber kleiner. Die drei grossen Suchmuster sind jeweils 7 × 7 Module gross, während ein Ausrichtungsmuster lediglich 5 × 5 Module benötigt.
Seine Position ist ebenfalls nicht zufällig. Für jede QR-Code-Version ist genau festgelegt, an welchen Stellen Ausrichtungsmuster liegen dürfen.
Wozu dient das Ausrichtungsmuster im QR-Code?
Ein QR-Code besteht aus einem exakt angeordneten Raster aus schwarzen und weissen Modulen. Damit ein Scanner die darin gespeicherten Informationen lesen kann, muss er erkennen, welchem Modul im ursprünglichen Raster ein bestimmter Bereich des Kamerabildes entspricht.
Bei einem perfekt gedruckten QR-Code, der vollständig gerade vor die Kamera gehalten wird, ist das vergleichsweise einfach.
In der Praxis sieht es jedoch häufig anders aus.
Ein QR-Code kann schräg fotografiert werden. Er kann auf einer Flasche angebracht sein, auf einer Verpackung leicht gebogen werden oder sich auf einem gewellten Plakat befinden. Auch ein nicht vollständig flach liegender Flyer kann den Code geometrisch verändern.
DENSO WAVE, der Entwickler des QR-Codes, beschreibt das Ausrichtungsmuster deshalb ausdrücklich als eine Verbesserung, mit der QR-Codes auch bei Verzerrungen – beispielsweise auf gekrümmten Oberflächen oder bei schrägen Aufnahmewinkeln – zuverlässig gelesen werden können.
Das kleine Quadrat funktioniert dabei gewissermassen als zusätzlicher Referenzpunkt innerhalb des QR-Codes.
Der Scanner weiss aufgrund der QR-Code-Version, an welcher Stelle sich ein Ausrichtungsmuster befinden sollte. Erkennt er, dass sich dieser Referenzpunkt im Kamerabild gegenüber seiner theoretischen Position verschoben hat, kann er die geometrische Verzerrung bei der Auswertung berücksichtigen.
Je grösser ein QR-Code wird, desto wertvoller sind solche zusätzlichen Orientierungspunkte.
Warum reichen die drei grossen Quadrate in den Ecken nicht aus?
Die drei auffälligen Quadrate oben links, oben rechts und unten links werden als Suchmuster oder Finder Patterns bezeichnet.
Ihre wichtigste Aufgabe besteht darin, dem Scanner zu zeigen:
Wo befindet sich der QR-Code? Wie gross ist er ungefähr? Wie ist er gedreht?
Anhand der drei eindeutig angeordneten Suchmuster kann ein Scanner einen QR-Code beispielsweise auch dann erkennen, wenn das Smartphone um 90 oder 180 Grad gedreht wird.
Die Ausrichtungsmuster übernehmen jedoch eine andere Aufgabe.
Die grossen Suchmuster befinden sich nur an drei äusseren Punkten des Codes. Bei einem kleinen QR-Code reicht diese Orientierung häufig aus. Bei einem grossen QR-Code können sich Bereiche in der Mitte oder am gegenüberliegenden Rand jedoch stärker verformen.
Genau dort liefern die zusätzlichen Ausrichtungsmuster weitere Referenzpunkte.
Einfach ausgedrückt:
Die grossen Eckquadrate helfen dem Scanner, den QR-Code zu finden und grundsätzlich auszurichten. Die kleinen Ausrichtungsmuster helfen ihm, das Raster innerhalb des Codes genauer zu rekonstruieren.
Ein praktisches Beispiel: QR-Code auf einer Flasche
Stellen Sie sich einen QR-Code auf dem Etikett einer Flasche vor.
Von vorne betrachtet erscheint der mittlere Bereich nahezu normal. Die seitlichen Bereiche folgen jedoch der Rundung der Flasche. Das ursprünglich quadratische Raster sieht auf dem Kamerabild dadurch leicht verzogen aus.
Würde der Scanner lediglich anhand der äusseren Eckpunkte versuchen, ein gleichmässiges Raster über den gesamten Code zu legen, könnten einzelne Module an einer falschen Position ausgewertet werden.
Die Ausrichtungsmuster liefern zusätzliche bekannte Positionen innerhalb des Codes. Sie helfen der Erkennungssoftware dabei, die tatsächliche Geometrie besser einzuschätzen.
Genau für solche Fälle wurde das Konzept entwickelt.
Das bedeutet allerdings nicht, dass beliebig stark gekrümmte oder zerknitterte QR-Codes automatisch lesbar bleiben. Ausrichtungsmuster verbessern die Robustheit, können schlechte Druckqualität oder extreme Verformungen aber nicht unbegrenzt ausgleichen.
Warum haben manche QR-Codes kein kleines Quadrat?
Wenn Sie bei einem QR-Code kein kleines Ausrichtungsmuster entdecken, muss deshalb nichts fehlen.
QR-Codes existieren in unterschiedlichen sogenannten Versionen.
Version 1 besitzt 21 × 21 Module. Mit jeder höheren Version kommen vier Module pro Seite hinzu. Die grösste Standardversion, Version 40, besitzt entsprechend 177 × 177 Module.
Version 1 benötigt noch kein Ausrichtungsmuster.
Ab Version 2 sind Ausrichtungsmuster vorgesehen. Mit zunehmender Grösse des QR-Codes steigt ihre Anzahl.
| QR-Code-Version | Grösse der möglichen Codes | Anzahl Ausrichtungsmuster |
|---|---|---|
| Version 1 | 21 × 21 Module | 0 |
| Version 2–6 | 25 × 25 bis 41 × 41 | 1 |
| Version 7–13 | 45 × 45 bis 69 × 69 | 6 |
| Version 14–20 | 73 × 73 bis 97 × 97 | 13 |
| Version 21–27 | 101 × 101 bis 125 × 125 | 22 |
| Version 28–34 | 129 × 129 bis 153 × 153 | 33 |
| Version 35–40 | 157 × 157 bis 177 × 177 | 46 |
Die Anzahl ergibt sich aus den für die jeweilige Version vorgeschriebenen möglichen Positionen. Bereiche, an denen bereits eines der drei grossen Suchmuster sitzt, werden dabei nicht zusätzlich mit einem Ausrichtungsmuster belegt.
Ein sehr grosser QR-Code besitzt deshalb nicht nur „das kleine Quadrat“, sondern ein ganzes Raster solcher Referenzpunkte.
Beispiel: Warum Version 2 genau ein Ausrichtungsmuster besitzt
Ein QR-Code der Version 2 besteht aus 25 × 25 Modulen.
Für diese Version sind bestimmte horizontale und vertikale Positionen für die Mittelpunkte der Ausrichtungsmuster vorgesehen. Kombiniert man diese Positionen miteinander, würden theoretisch mehrere Ausrichtungsmuster entstehen.
Drei davon würden jedoch mit den grossen Suchmustern in den Ecken kollidieren.
Diese Positionen werden ausgelassen.
Übrig bleibt das typische einzelne kleine Quadrat im unteren rechten Bereich des Codes.
Deshalb sieht man gerade bei vergleichsweise einfachen QR-Codes häufig genau ein kleines zusätzliches Quadrat.
Warum werden bei grösseren QR-Codes immer mehr Ausrichtungsmuster benötigt?
Je grösser ein QR-Code wird, desto weiter liegen einzelne Bereiche des Codes von den drei grossen Suchmustern entfernt.
Gleichzeitig nimmt die Zahl der Module zu.
Würde man einen sehr grossen QR-Code ausschliesslich anhand der drei Eckmuster ausrichten, könnten kleine geometrische Abweichungen über eine grosse Distanz stärkere Auswirkungen haben.
Mehrere Ausrichtungsmuster verteilen deshalb bekannte Referenzpunkte über die Fläche des Codes.
Bei Version 40 gibt es beispielsweise sieben definierte Positionswerte pro Achse. Daraus entsteht ein Raster möglicher Positionen. Da drei Positionen von den grossen Suchmustern belegt werden, bleiben bis zu 46 Ausrichtungsmuster übrig.
Bei einem solch grossen QR-Code erkennt man deshalb zahlreiche kleine quadratische Muster innerhalb der Datenfläche.
Woher weiss der Scanner, wo die Muster liegen müssen?
Die Positionen der Ausrichtungsmuster sind Bestandteil der QR-Code-Spezifikation.
Sie werden also nicht vom QR-Code-Generator frei gewählt.
Ist die Version des QR-Codes bekannt, kennt ein Decoder auch die vorgesehenen Positionen seiner Funktionsmuster. Dadurch kann er erkannte Referenzpunkte mit den erwarteten Positionen innerhalb des idealen QR-Rasters vergleichen.
Das ist ein wichtiger Unterschied zu den eigentlichen Datenmodulen.
Die schwarzen und weissen Datenmodule hängen vom gespeicherten Inhalt ab. Die Struktur und Position der Funktionsmuster dagegen folgt festen Regeln.
Das Ausrichtungsmuster selbst speichert deshalb beispielsweise keine URL, keinen Text und keine Kontaktdaten.
Ausrichtungsmuster, Timing-Muster und Suchmuster: Was ist der Unterschied?
Ein QR-Code besitzt mehrere Strukturen, die auf den ersten Blick einfach wie normale schwarze und weisse Quadrate aussehen, technisch aber unterschiedliche Aufgaben erfüllen.
| Element | Typisches Aussehen | Aufgabe |
|---|---|---|
| Suchmuster / Finder Pattern | Drei grosse Quadrate in den Ecken | QR-Code erkennen und grundlegende Position sowie Orientierung bestimmen |
| Ausrichtungsmuster / Alignment Pattern | Kleine konzentrische Quadrate | Geometrische Verzerrungen innerhalb des Codes besser ausgleichen |
| Timing-Muster | eine Reihe abwechselnd schwarzer und weisser Module | Raster beziehungsweise Modulabstände unterstützen |
| Datenmodule | Unregelmässige schwarze und weisse Flächen | Eigentliche Informationen und Fehlerkorrekturdaten darstellen |
Die Timing-Muster verlaufen horizontal und vertikal zwischen den Bereichen der Suchmuster. Auch sie gehören zu den fest vorgeschriebenen Funktionsstrukturen eines QR-Codes.
Macht ein Ausrichtungsmuster schlechte Druckqualität wieder wett?
Nein. Ausrichtungsmuster können geometrische Verzerrungen ausgleichen helfen. Sie lösen jedoch keine grundlegenden Qualitätsprobleme.
Sind einzelne Module beim Druck nicht sauber voneinander getrennt, ist der Code extrem klein oder fehlt der notwendige freie Rand um den QR-Code, kann die Erkennung trotzdem scheitern.
Häufige Fragen zum Ausrichtungsmuster bei QR-Codes
Was ist das kleine Quadrat in einem QR-Code?
Das kleine Quadrat ist meistens ein sogenanntes Ausrichtungsmuster oder Alignment Pattern. Es hilft dem Scanner, Verzerrungen des QR-Code-Rasters zu erkennen und bei der Auswertung zu berücksichtigen.
Warum haben manche QR-Codes kein kleines Quadrat?
QR-Codes der Version 1 besitzen noch kein Ausrichtungsmuster. Erst ab Version 2 werden Alignment Patterns verwendet. Deshalb kann ein vollständig gültiger QR-Code auch ohne dieses kleine Quadrat auskommen.
Warum haben manche QR-Codes mehrere kleine Quadrate?
Mit steigender QR-Code-Version wird die Matrix grösser. Deshalb werden zusätzliche Ausrichtungsmuster über die Fläche verteilt. Bei sehr grossen QR-Codes können mehrere Dutzend davon vorhanden sein.
Enthält das Ausrichtungsmuster Daten?
Nein. Das Ausrichtungsmuster gehört zu den Funktionsmustern des QR-Codes. Die darin enthaltenen schwarzen und weissen Module stellen keine Nutzdaten wie eine URL oder einen Text dar.
Darf ein Logo über einem Ausrichtungsmuster liegen?
Das sollte möglichst vermieden werden. Ausrichtungsmuster unterstützen die geometrische Erkennung des Codes. Logos und andere Gestaltungselemente sollten die technischen Funktionsbereiche eines QR-Codes daher nicht verdecken.
