二维码的前世今生:美国人的灵感,日本人的发明,却被中国人发

科学
2019
10/07
18:50
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使用支付宝付款、微信加好友时、扫码骑共享单车时,我们都会使用二维码。这一张张小小的二维码图形,已经占据了我们的日常生活。全世界几十亿人,每人每天都会消耗无数二维码,日积月累,二维码会消耗光吗?答案是会也不会,但具体为什么,我们后面会给出答案,现在先聊聊二维码背后的故事。

二维码也被称为二维条码,是指在一维条码的基础上扩展出另一维具有可读性的条码,使用黑白矩形图案表示二进制数据,被设备扫描后可获取其中所包含的信息。也就是说,二维条码是通过一维条码扩展得到的。一维条码,就是我们常说的条形码,在各种商品包装上很常见。比如肥宅快乐水的易拉罐上,那些宽窄不一的条纹就是条形码。

条形码背后的故事

条形码是70年前美国新泽西州的一个年轻人发明的,这个年轻人叫诺曼?伍德兰德(Norman Joseph Woodland,1921年9月6日-2012年12月9日),1948年,他和另一位联合发明人伯纳德?西尔弗(Bernard Silver)联合开发了条码技术,并于1949年申请专利。

(条码技术发明人诺曼?伍德兰德)

发明这项技术时,两人还是美国费城卓克索理工学院(the Drexel Institute of Technology)的研究生,如今这所学校已更名为卓克索大学( Drexel University)。1948年,当地一家超市的主管访问学校,请求院长开发一种有效的产品数据编码方法,院长并不重视他的请求,但是听到谈话的研究生伯纳德?西尔弗对此很感兴趣,并找来诺曼?伍德兰德一起研究。

他们的研究几经失败,伍德兰德为了继续研究,从研究生院退学回到迈阿密海滩边的祖父母家,终日思考解决办法。他想要用类似摩斯码的点划组合来实现编码,但却不知道怎么使之图形化。一次在海滩上无聊画圈时,伍德兰德灵光乍现,想出了环形条码的解决方案。

(诺曼?伍德兰德设计的条码原型)

但由于当时的扫描技术欠佳,诺曼?伍德兰德和伯纳德?西尔弗的发明基本没有人用,最终,两人以15000美元的价格将专利卖给飞歌(Philco)公司,这是他们从发明中获得的全部收益。

 1970年夏天,应国家食物连锁协会要求,Logicon公司开发出了食品工业统一码(Universal Grocery Products Identification Code,UGPIC),依据的是IBM乔治?J?劳雷尔(George J. Laurer)的设计方案。这个方案的灵感就来自伍德兰德,伍德兰德也参与了条码的改进。

很快,美国超市Ad Hoc组织在Logicon公司的建议下制造了UPC码(Universal Product Code)。美国均匀码理事会在1973年建立了UPC码系统,并且实现了该码制标准化。

1974年6月26日上午8:01,俄亥俄州特洛伊市的一家Marsh超市第一次使用这种条形码,一盒10条装的箭牌口香糖成为第一个使用条形码的商品。今天,华盛顿史密森尼美国国家历史博物馆,还放着一包已有37年历史的箭牌口香糖,作为博物馆的永久馆藏。

1992年,诺曼?伍德兰德获得美国国家技术创新奖,这是美国为技术成就颁发的最高奖项,由美国总统授予国内杰出创新者。2011年,他被选入美国国家发明家名人堂,已于1963年去世的西尔弗被一同追授。2012年12月9日,诺曼?伍德兰德因阿兹海默症和衰老在家中离世,享年91岁。

今天,全世界每天要扫描50多亿次条形码,用于跟踪图书馆中的书籍、医院的病人、便利超市的商品等物品,条形码在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许多领域都得到了广泛的应用。

二维码是这样诞生的

我们如今使用的二维码,则是在一维条码,也就是条形码的基础上发展而来。一维条码的容量有限,它的宽度记载着数据,长度却没有,一条一维条码只能容纳20个英文数字,极大地限制了信息的存储量。为了记载更复杂的数据,如图片链接、网络链接等,人们在一维码的基础上纵向拓展出另一个维度,发明了二维码。

二维码的种类有很多,我们常说的二维码往往指的是QR图码(全称为快速响应矩阵图码;英语:Quick Response Code),它的发明者是一个日本人,来自日本DENSO WAVE公司的发明家原昌宏Masahiro Hara,DENSO WAVE是全球第一大汽车零件供应商电装(DENSO)公司旗下的子公司。

(QR码发明者原昌宏)

1980年代,条形码已经在制造、零售等行业广泛使用,“1990年代,由于生产方式从批量生产转向更灵活的生产,在生产现场需要更详细的生产控制,因此,需要开发出容量更大的条形码”原昌宏后来回忆。

由于条形码容量的限制,工厂只能同时使用多个条形码,工人每天需要扫描多达1000个条码,原昌宏一开始想要通过改进扫描仪提高效率,但是,随着工件越来越小,他感到需要一个更紧凑的条码系统,用了存储更多信息。经过原昌宏领导的仅有两人的研发团队不懈努力,终于研发出了QR码。

2014年,原昌宏因为QR码的发明,荣获欧洲发明家奖(European Inventor Award)的人气票选奖(Popular Prize)。Denso Wave公司虽然拥有QR码的专利,但免费公开了相关技术,并不收取专利费,只是靠售卖QR码的扫描仪获利。

值得一提的是,我国也有自主知识产权的二维码??汉信码,汉信码是中国物品编码中心依据中国国家“十五”重大科技专项??《二维条码新码制开发与关键技术标准研究》研发的,研发始于2003年,并在2005年年末完成。目前,在新版的机打增值税发票上的密码区域,使用的就是汉信码。

二维码在中国发扬光大

原昌宏对QR码能否得到广泛认同并没有信心,为了让更多人使用QR码,他奔波于各大企业和团体,积极推介。在他的努力下,QR码在日本企业得到广泛使用。但QR码在中国的流行,和原昌宏没有太大关系,其用途大概也是他所始料未及的。

2010年10月,支付宝首次在国内推出二维码支付技术,用户只需扫描商家提供的二维码(下文均用“二维码”统一描述QR码),按提示操作就可以完成支付。2013年,支付宝又在线上拓展扫码支付,根据支付宝2013年11月的相关数据,当时已有46万家网站接入扫码支付,覆盖了旅游、团购、游戏、B2C等行业。微信也在2013年的5.0版本中上线支付功能,这个版本可以通过扫二维码实现一键支付。2014年1月,微信支付和滴滴合作,其二维码支付借由打车软件进入市场。

2014年3月14日,央行认为二维码支付存在安全问题,联合工信部暂停线下二维码支付服务。但由于线下市场的巨大吸引力,微信和支付宝还是在市场上继续使用二维码支付,只是改进了安全问题,比如由原来的客户扫码转变为商家手持POS终端扫码,同时增加了动态二维码等功能。

2016年8月3日,支付清算协会向支付机构下发《条码支付业务规范》,规定了二维码支付的安全标准,官方开始承认二维码支付的地位。在微信和支付宝的推广下,几乎在全国所有地方都能看到二维码支付的身影。

二维码信息密度高,小块面积可以承载多样化的信息,各类字符、网址等;容错能力强,相比OCR等技术;可读性强,形成了统一标准,手机等常用设备都能扫描;由于拥有这些优势,二维码使用越来越广泛,也不只局限于支付领域。

人们通过微信二维码加好友、关注公众号;商家通过二维码做推广,用户扫码就能参加各种活动、获取各类优惠券;共享单车等也通过扫描二维码使用......人们的日常生活已经离不开二维码。

原昌宏发明二维码的初衷是为了提高工人工作效率,只是大概他也不曾预料到,二维码会在中国被用于移动支付,在两大移动支付巨头的推广下迅速流行,扫码支付也成为中国的“新四大发明”。如今,二维码更被广泛应用于其他领域。中国企业的商业创新能力,一点也不比其他国家差。

二维码会被用完吗?

聊完二维码的故事,现在回答开头的问题,为什么二维码会被用完,但又不会用完呢?

其实这和二维码大容量的信息存储时分不开的,二维码一共提供40种不同版本存储密度的结构,对应指示图的“版本信息”,版本1为21×21模块(模块为二维码中的最小单元),每增加一个版本,长宽各增加4个模块,最大的版本40为177×177模块。

以存储密度最大的版本40为例,总共有177×177个模块,这些模块为黑白两色组成,也就是说,只有2种可能。那么,版本40的可能组合为:2^(177*177)≈10^20000。

这个巨大的数量,全球七十多亿人每秒换一个二维码,用从宇宙大爆炸到今天138亿年的时间,也仅仅能消耗一小部分。而二维码是可以扩展的,实际上可以使用的组合还会比现在多。所以,虽然理论上二维码是可以用完的,但是,凭人类当前的使用速度,是不用担心用完的情况的。

(在看引导语:点个在看,和朋友分享二维码背后的故事)

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