意外と知らない…「QRコード」を開発したのは日本人、その知られざる開発秘話 知恵とアイデアの“驚き技術”
現代ビジネス サイエンスZERO より 220131
スマホ決済に飛行機・電車のチケット、サイトのURL読み取りなど「QRコード」は、わたしたちの暮らしに欠かせないものになっています。
QRとは“Quick Response”(クイック・レスポンス)の略で、その名の通り、0.03秒という超高速で読み取り可能であることが最大の特徴です。しかも、コードに格納できる情報量はバーコードのおよそ200倍。数字なら最大7089文字、英数記号や漢字だって格納することが可能です。
このQRコードを開発したのは日本のエンジニアということをご存じでしょうか。
もともと工場の生産管理のために開発されたもので、生みの親である産業機器メーカーの原昌宏さんが、低予算かつ短期間で開発するために知恵とアイデアを振り絞った発明品だったのです。
驚きの画像認証技術はどうやって生まれたのか、QRコードの秘密を徹底解剖します。
(NHK「サイエンスZERO」取材班)
(スマホ決済に使われるQRコード)
⚫︎“低予算”かつ“短期間”で開発されたQRコード
QRコードの開発が始まったのは1992年、バブル崩壊の時期でした。当時、自動車工場の部品管理で使われていたバーコードは格納できる情報量が少なく、たくさんの数・量を使わなければなりませんでした。さらに、工場の油などで少しでも汚れると、正確に読み取れないこともありました。
開発者の原さんは、開発が始まった経緯をこう語ります。
「バブルが崩壊して、それまで普及していた会社のバーコード事業も窮地に立たされたので、上司から、次の新たな市場を創造するものを作るよう命じられました。当時はあまり予算が付けられなかったので、ハードウェアの開発は断念し、知恵とアイデアでできるコード開発をしようと決めました。
私たちは企業での開発なので、『2年くらいでやらないと次はないのかな』という気持ちで、2年という形で期間を設定してやらせてもらったんです」（原さん）
原さんは約束通り、わずか2年で大量の情報を高速で読み取る技術を完成させ、1994年8月8日に「QRコード」と命名したのです。
そして、今これほどまでに社会で普及することになったのは、「皆で使ってもらいたい」という思いから、特許を取りつつも権利交渉なしに自由に使えるパブリックドメインにしたことが理由の1つではないかと話します。
そんな原さんは,最初に街中でQRコードを見たときのことは今でも覚えていると言います。
「駅に外れ馬券がたくさん捨てられていて、そこにQRコードが付いていました。それを目にしたときはやはり感激しました」（原さん）
(QRコードを開発した原昌宏さん（産業機器メーカー)
⚫︎超高速の読み取り技術、発想の原点は囲碁！
原さんはわずか2年でどのようにしてQRコードを発明したのでしょうか。まず着手したのは、一瞬で大量の情報を正確に認識する方法を考え出すことでした。
コードに大量の情報量を詰め込むためには、情報を格子状に並べるしかありません。しかし、そうするとコードの構造が複雑になり、処理に時間がかかってしまいます。そこで、原さんは、格子状に並べた情報を高速で処理できる方法がないものか、知恵を絞りました。
ヒントは意外なところから見つかりました。原さんの趣味の囲碁です。
碁石を置く時、必ずしもマス目に対して正確な位置に並ばず、ちょっとずれてしまう時はありませんか。これをデータに見立てて考えてみたのです。碁石の位置が少しずれていても、正確な位置に並んだものと白と黒の並び方や順番は同じです。
そこで、原さんは発想の転換をして、コードを読み取るリーダー側のプログラムを大幅に変更します。格子の並びや順番を“正確に”ではなく“大雑把に”読ませるようにしたのです。
すると、読み取りのスピードは飛躍的に向上しました。他にも原さんのアイデアから生まれた技術が組み込まれ、0.03秒という超高速での読み取りが実現したのです。
◆碁石は正確な位置からずれていても認識できる
⚫︎驚きの技術1：高速認証を支える特殊なシンボル
原さんは、より高速かつ正確な読み取りをするために、白黒のセルを複雑に組み合わせて成り立っているQRコードに、3つの技術を組み込みました。
1つ目は、原さんが考え出した「特殊なシンボル」です。QRコードの3つの角に独特な同じ形が配置されているのが分かります。
⚫︎3か所に配置されたシンボル
実はこのシンボルは、QRコードであることを認識させるためのものです。白と黒の四角形が重なっただけの単純な形に思うかもしれませんが、白黒の比率に秘密があります。
その比率とは「1：1：3：1：1」
この比率はどんな方向からスキャンしても変わりません。読み取りのリーダーをかざすと即座にQRコードと認識することができるため,さらに高速での読み取りが可能になったのです。
このシンボルの形を考案したのも原さんでした。特殊なシンボルであるためには、世の中に存在していない比率にする必要がありました。
そこで、原さんはその比率を見つけるために本や雑誌、新聞から、5000ページを超える文字や図形を調べます。文字を画像に撮り、白黒のみで表現する二値化の処理を加えて、その比率を調べたところ、前述の比率は、他に比べて極端に少ない比率であることを発見したのです。
原さんは「1：1：3：1：1」という比率の発見についてこう語ります。
「作るからには、世界中に広めたいという思いがあったので、日本語の漢字だけでなく、アルファベットや韓国のハングル、中国の漢字、アラビア語など、主要な言語すべての文字の白黒の比率を調べました。
すると、『1：1：2』とか『1：4』とか偶数系が多くて奇数系が少ないことに気が付いたんです。そこで、極端に少ない『1：1：3：1：1』をコードの中に入れればいいんじゃないかと思ってやってみました」（原さん）
⚫︎驚きの技術2：ひずんでいても補正する機能
QRコードが貼られた面は、平面であればスムーズに読み込みできますが、飲料用の缶など面が歪んでいると、正確に読み取れなくなってしまいます。そこで原さんは、コードの中に、小さな「アライメントパターン」と呼ばれるシンボルを施しました。QRコードの右下の方にある白黒の四角の形がそれにあたります。
この中心にある黒いセルの位置を起点に、ズレの量を補正して、すべてのセルを計算することで、ひずんだコードでも正しい情報を読み取れるようにしたのです。
「様々な用途に使われるためには、円筒や球などわん曲しているものにも印刷できるようにしないといけません。QRコードには、どんな状態でも正しく読めることを心がけて、懸命に考えた工夫が詰まっています」(原さん)
⚫︎驚きの技術3：汚れても大丈夫！ コードの復元機能
QRコードはもともと工場で使うために開発されたもの。コードに汚れがついて読み取れなくなることが懸念されていました。そこで、原さんは、汚れなどでちょっと隠れても正しく読めるように、「誤り訂正機能」を追加しました。
誤り訂正機能のカギとなるのが「リード・ソロモン符号」と呼ばれる、いわゆる冗長なデータです。本来のデータのほかに、データ同士を紐付ける冗長なデータを複雑に入れることで、一部の情報が欠けても、正しく復元できるのです。これはデジタル通信やCDにも使われていて、原さんはQRコードにも活用しようと考えました。
例えば、「1」「2」「3」というデータがあるとすると、それを全て足した「6」という数字も一緒に入れておきます。すると、「2」が消えてしまったとしても、「1」と「3」に何を足せば「6」になるのかを考えると、消えたデータは「2」と分かるという訳です。それをもっと複雑にしたイメージの仕組みがQRコードには入っています。
実は、コードに含まれる情報のうち、冗長データは全体の6割を占めます。この誤り訂正機能によって、QRコードは最大で30％くらいが汚れても、情報を正しく読み取ることができるようになったのです。
(最大30％が欠けていても読み取り可能※番組HPに飛びます／)
◆人々を安全に！ 鉄道インフラに活用されるQRコード
復元機能をより強化させたQRコードの活躍の場が鉄道のホームです。取材に協力してもらったのは都営浅草線。様々な路線が乗り入れ、それぞれの車両を管理する鉄道会社ごとに車両そのものの数や扉の数が異なっていたため、自動化が不可欠なホームドアを導入するのは困難でした。しかし、車両を改修するには経費と時間がかかり現実的ではありませんでした。そこで着目されたのがQRコードです。
(車両扉に貼られたQRコード／)
車両がホームに入ると、ホームの上に設置されたカメラが、車両の扉に貼られたQRコードを認識し、連動してホームドアが開きます。QRコードには、車両数や車両のドアの数の情報が入っていて、ホームドアが間違って開閉することはありません。
(上部にカメラが設置されたホームドア／)
さらに、屋外を通る鉄道インフラでは、雨が降ったり、太陽の光が反射したりして、コードが読みづらくなることを想定しなければなりません。そこで原さんは、誤り訂正機能をさらに強化し、データの復元率を一般的な30％から50％まで引き上げました。
50％という数字には理由があります。コードを読み取るカメラは、日向でも陰でもより読み取り面積の広い方に露出を合わせることができます。ところが、日向と陰が半々になる、コードの読み取り面積が50％という場合は、正確な認識ができなかったからです。
「産業用途のような一般的な場合は、QRコードの欠けている部分が30％程度であれば認識に十分でした。しかし、鉄道では、人の安全を守るために、天候などの影響を受けずに、コードを確実に読まなければならないので、冗長のデータを多く入れて、正確に読む仕組みを取り入れました」（原さん）
鉄道用のQRコードをよく見ると、一般のコードと違い、外側に枠がついています。外枠は目安になりやすく、リーダーは瞬時に外枠をとらえ、正確な情報を認識します。一方で、鉄道用のコードには、ゆがみをとるアライメントパターンがありません。ゆがみを取ることよりも、コードを確実にとらえるということを優先させた結果、この形になったそうです。
東京都交通局は、2023年度までに浅草線全駅にホームドアを設置する計画です。鉄道のＱＲコードの設置工事にも立ち会ったという原さんは、仕事へ取り組む姿勢をこう語ります。
「実験室でいろいろ考えて、実験しても、失敗した時に早急な対応は取れないので、現場にいたほうが良いと思っています。経験上、さらに改良を加えたい時には、やはり現場を見ていないとできません。非常に大事な現場に、わたしは極力行くようにしています。単に現場好きなのかもしれませんが」（原さん）
QRコードによって、わたしたちの暮らしはより便利なものになり、世界中で使われるようになりました。現場に足を運び、ユーザー目線で開発を続けてきた原さんは、今に留まることなく、医療や災害など新たな分野での活用も期待しています。
【番組概要】
「サイエンスZERO」
(NHK Eテレ日曜夜11：30～ 再放送は土曜午前11：00～)
私たちの未来を変えるかもしれない最先端の科学と技術を紹介するとともに、世の中の気になる出来事に科学と技術の視点で切り込む番組。
( https://nhk.jp/zero)
