QR コードはどのように機能しますか?黒と白の四角は何を表していますか? ｜デジタルリテラシー

監査専門家：中級会計士、Jing Yuan

デジタル化の波に乗って、QRコードは私たちの生活のあらゆる側面に静かに浸透してきました。ショッピングの支払いからソーシャルな交流まで、それは重要な役割を果たします。白と黒の四角で構成されたこの QR コードの背後に、どのような技術的原理が隠されているのか疑問に思ったことはありませんか?携帯電話はなぜどの角度からでも正確にコードを読み取れるのでしょうか?世界中で毎日膨大な量の QR コードが生成されています。いつかなくなるのでしょうか?今日は、QR コードの世界に足を踏み入れ、その背後にある技術的な秘密を探ってみましょう。

画像出典: Qianku.com

QRコードの起源

今日私たちがよく知っている QR コードは、バーコードの第一世代、つまり 1 次元コードにまで遡ることができ、QR コードの初期の形式と見なされています。 1950 年代、経済の発展に伴い、日本人はレジ係が商品の売上を手作業で記録することで生じるチェックアウトの効率低下の問題を解決するためにバーコードを発明しました。

画像出典: Baidu Images

今では、さまざまな製品の外装パッケージの隅で簡単に見つけることができます。バーコードは、光にさらされたときの黒と白の部分の異なる反射特性を利用して、さまざまな幅の白と黒の線を組み合わせて情報を保存します。

具体的には、黒い線は入射光のほとんどを吸収し、スキャン デバイスにほとんど反射しませんが、白い線は入射光のほとんどを反射します。スキャナーは特定の波長の光を放射し、その光がバーコードに当たると、受信機は反射光の強度の変化を検出します。

これらの変化は、白黒の線の配列順序に従って対応する電気信号に変換され、製品情報を含んだデジタルデータまたは文字データにデコードされます。しかし、バーコードの長さには限りがあるため、保存される情報はすぐに社会のニーズを満たせなくなるでしょう。

1994年、日本の研究者であるヒロハラ・テン氏がバーコードを改良し、ドットマトリックス情報保存カラーブロックを設計しました。

バーコードとQRコード |百度画像

水平方向にしか情報を表現できなかった従来のバーコードを改良し、水平方向と垂直方向の両方向で情報を保存・表現することを実現した。これにより、マトリックスカラーブロックの情報量が大幅に向上します。

長年にわたる継続的な開発の結果、さまざまなエンコード形式の QR コードが作成されました。例: Data Matrix、MaxiCode、Aztec、QR コード、PDF417、Vericode、Ultracode、Code 49、Code 16K。その中でも、QR コードは、その大きな利点により、最も一般的で広く使用されている形式の 1 つになりました。

QRコードは、情報容量が大きく、さまざまなタイプのデータをエンコードでき、エラー訂正能力が強く、部分的に破損しても識別でき、デコード信頼性が高く、ビットエラー率が極めて低いなどの利点があり、エンコード前にデータを暗号化できるため、機密性や偽造防止性が向上するため、さまざまな分野で広く使用されています。

画像出典: Baidu Images

QRコードの仕組み

簡単に言えば、QR コードは小さな白黒の四角の中に固定情報を保存できるオープンな情報記憶装置であり、無期限に使用できます。 QR コードを認識できるデバイスには厳しい制限はありません。スマートフォン、特殊なコードリーダー、一部のスマートカメラなど、対応するスキャン機能があれば、そこに保存されている情報を読み取ることができます。

QR コードの動作原理は、実際にはバイナリ アルゴリズムです。バイナリとは、機械語の 0 と 1 を使用してすべての言語情報を表現したものです。QR コードのパターンは、一連の白と黒の四角形で構成されており、黒の四角形はバイナリ値「1」を表し、白の四角形は「0」を表します。これらの白黒パターンは、特定のコーディング規則に従って組み合わせられ、さまざまな種類のデータを格納するために使用されるバイナリ シーケンスを形成します。

認識デバイスは画像をキャプチャし、白黒のコントラストを分析して QR コード内のバイナリ コード シーケンスを解析します。次に、デコード ソフトウェアは対応するデコード アルゴリズムを使用して、バイナリ データを読み取り可能な文字に変換します。これらの文字には、QR コードで採用されているエンコード標準とエンコード内容に応じて、数字、文字、特殊文字、漢字コードなどが含まれる場合があります。

各 QR コードの角には 3 つの位置検出グラフィック (通常は大きな正方形) があり、これらが組み合わさって QR コードの位置決めシステムを構成していることがわかりました。これら 3 つの位置検出パターンにより、認識デバイスは QR コードの位置と方向を迅速かつ正確に特定できるようになります。

QR コードの配置 |百度画像

3 つのポイントで表面を決定できるため、コードをスキャンするときに、携帯電話が水平、垂直、斜めのいずれの方向にスキャンされていても、QR コード情報を正しく取得できます。

数字と誤り訂正コードワード |百度画像

さらに、QR コードには、送信プロセス中に発生する可能性のあるエラーを検出して修正し、データの整合性と正確性を確保するために使用されるエラー訂正コード領域などの検証メカニズムも含まれています。

QR コードが使われなくなる日は来るのでしょうか?

世界中で毎日 100 億個の QR コードが使用されていると仮定します。 138 億年前に宇宙が誕生して以来、人類がこのペースで QR コードを消費してきたとしたら、33×33 バージョンの QR コードは宇宙の何年分をサポートできるのでしょうか?まず、いくつかの重要な値を決定しましょう。

1. 世界中で毎日消費される QR コードの数: 100 億、つまり 10^9 と推定されます。

2. 1年間の総消費量: 1年は約365日あり、年間消費量は約365×10^9=3.65×10^11 QRコードになります。

3. 宇宙の年齢: 宇宙の年齢は約 138 億年で、科学的表記法では 1.38×10^10 年と表されます。

33×33 バージョンの QR コードの理論上の総数: 2^942 種類のコード。

5. 1宇宙時代内の消費量: 3.6×10^11×1.38×10^10 =5.037×10^21 QRコード。

次に、現在の消費率で 33×33 バージョンの QR コードがサポートできる宇宙の年数、つまり、QR コードの総数を年間消費量と宇宙の年齢の積で割った値を計算します。

宇宙の年齢を支えることができる年数 = 2^942/3.65×10^11×1.38×10^10

要約すると、上記の想定速度で QR コードを使用し始めると、人類が使用する QR コードは 5.037×10^21 個だけになります。つまり、33×33バージョンは、人類が7.3805×10^261「138億年」使用するには十分です。

また、QR コードには多くの種類があり (QR コード、コード 49、コード 16K などがあり、QR コードは広く使用されています)、各 QR コードは多くの情報を運ぶことができます。同じ QR コード タイプでも、さまざまなサイズやバージョンがあり、バージョンごとに保持できる情報量が異なります。

したがって、理論的には、人類が十分長く宇宙に存在できれば、QR コードを使い切ることができますが、この時間は本当に長すぎます。おそらく、宇宙自体もその日まで待つことができないでしょう。たとえQRコードが本当に使い尽くされたとしても、遠い未来の人類はさらなる次元を追加し続け、そのバリエーションはさらに増えていくかもしれません。