QRコードの仕組みとは？欠けても読める理由と、自由研究で確かめる手順

イト

自由研究、QRコードにしようかな。でも、なんで白黒のマスで読めるのか分かんない

ユイ

私、QRコードを作ることはできるけど、仕組みを聞かれると止まっちゃいます

お店の支払い、チケット、お菓子の袋。QRコードは毎日目にするのに、「なぜ読めるのか」「なぜ少し汚れても読めるのか」を説明できる人は多くありません。ここでは、QRコードの仕組みを子どもにも説明できる言葉で確認し、自分で作って一部を隠して読む自由研究の手順まで整理します。

QRコードは、白黒のマスの組み合わせで、文字やURLなどのデータを表したものです。3つの目印で位置や向きを見つけ、誤り訂正のためのデータを使って、一部の欠けや汚れから元の情報を復元します。ただし、どこをどれだけ隠しても読めるわけではありません。

QRコードは、1994年にデンソーの開発部門（現在のデンソーウェーブ）が発表しました。標準化されたQRコードの特許権を行使しない方針が、普及を支えた理由の一つです。作成サービス自体の料金や条件は、サービスごとに異なります。

QRコードの仕組みを一言で｜白黒のマスに0と1を並べた読める絵

コンピューターは、文字も数字も、最後は0と1の並びで扱います。「A」なら決まった番号、「あ」なら別の番号、という具合です。文字がどう番号になるかは、文字コードとはで説明しています。

QRコードは、データを符号化し、白黒のマスに配置します。読み取りやすくする「マスク」という処理も入るため、見えている黒を全部1、白を全部0として順に読めば文章になるわけではありません。マスは「セル」と呼ばれ、ここで扱う通常のQRコードは21×21から177×177セルまであります。

たとえるなら、QRコードは、白と黒の旗だけで文を送る手旗信号を、1枚の紙に印刷したものです。手旗信号は順番に見なければいけませんが、QRコードは全部を一度に写真に撮り、カメラの向こうのプログラムが決まった順番に読み取ります。実際のQRコードでは、どの順番でセルを読むかも規格で決まっていて、角から蛇のように折り返しながら読みます。

角の3つの目印はどこを見ている？向きが分からなくても読める理由

QRコードの角には、二重の四角が3つあります。「切り出しシンボル」と呼ばれる目印で、カメラが最初に探す場所です。3つの位置が分かれば、コードがどこにあり、どれくらいの大きさで、どちらが上かが決まります。4つ目の角に目印がないのは、わざとです。目印が3つだけなら、どの向きで写しても「目印のない角」が分かるからです。

この目印は、黒・白・黒・白・黒の幅が「1：1：3：1：1」になるように作られています。開発者は、チラシや雑誌や段ボールなど、身のまわりの印刷物を白黒にして面積の比を調べ、いちばん使われていない比率を探しました。ふつうの印刷物に出てこない模様なら、カメラが背景と間違えないからです。

目印のほかにも、セルの位置を数えるための白黒が交互に並んだ線（タイミングパターン）や、大きなコードのゆがみを直す小さな四角（アライメントパターン）が入っています。周りの白い余白も規格の一部で、4セル分の空きが要ります。

QRコードが欠けても読める理由｜誤り訂正という予備の計算

ここが、QRコードのいちばん賢いところです。QRコードには、本文のデータのほかに、「予備の計算結果」が一緒に入っています。この予備があるので、一部のセルが汚れたり欠けたりしても、残った部分から元のデータを計算で戻せる作りです。これを「誤り訂正」と呼びます。

マコト

連絡網の紙が少し破れても、クラスの名簿と照らし合わせれば誰が抜けたか分かるだろう。あれに近い

ピコ

画面のむこう側では、足し算の答えを一緒に書いておく感じ。1つ消えても、答えから逆算できる

たとえるなら、「3＋5＝8」と書いた紙の「5」がにじんで読めなくなっても、「3」と「8」が残っていれば「5」だったと分かります。QRコードの誤り訂正は、この考えをもっと強くした計算（リード・ソロモン符号）で、音楽CDの傷に対しても使われてきた方法です。

どれくらい欠けても戻せるかは、作るときに4段階から選べます。

コードワードはデータをまとめた単位で、1つが8ビットです。表の約30%は、画像の面積の30%を隠しても読めるという意味ではありません。 隠す位置や広がり方、目印の損傷、読み取り機器などで結果が変わります。予備のデータを増やすと、同じ内容でもセル数や必要な印刷サイズが増える場合があります。

自由研究で確認する手順｜作る→隠す→読む→記録する

仕組みが分かったら、手元の道具で確かめます。必要なのは、誤り訂正レベルを選べる作成ツール、プリンター、隠すための小さな紙、QRコードを読めるスマホです。実験には名前・住所・連絡先や支払い情報を入れず、「HELLO」などの短い文を使います。

作成ツールの一例はQRコード作成くんです。テキストを入力し、設定メニューの「誤り訂正レベル」をL、次にHへ変えて、それぞれ保存します。サイズ・色・余白など、ほかの設定は揃えてください。アプリの追加が必要な場合は、保護者と確認してから進めます。

1. 作る。同じ短い文で、誤り訂正レベルをLとHにしたQRコードを1枚ずつ作ります。セル数が変わる場合があるため、印刷サイズとセル数も記録します。周りの白い余白は残します。
2. 読めることを確かめる。まず何もしない状態で、両方をスマホで読み、同じ文が出ることを見ます。標準カメラが文字だけのQRコードを表示しない場合もあるため、先にこの確認を済ませます。読めないまま隠す実験へ進まないでください。
3. 隠す。小さな紙を重ね、目印や周りの白い余白を避けた同じ位置から、少しずつ範囲を広げます。黒ペンで塗りつぶすと元に戻せないので、外せる紙で比べると再確認できます。
4. 読んで記録する。同じスマホ・照明・距離で読み、結果を表に書きます。隠した場所の写真やマス数を残します。隠した面積から、表の誤り訂正率を測定できたとは判断しません。
5. 目印を隠して比べる。最後に目印の一つを隠し、データ部分を隠した場合と比べます。結果は先に決めず、実際に読めたかどうかを記録します。

次の表を写して使えます。LとHでセル数が違う場合は、その違いも考察に残します。

読めなかった場合も、重ねた紙を外すと読めるかを確かめれば、比較の材料になります。予想と違った結果もそのまま残してください。プリンターがなければ、別の端末の画面にコードを表示して、スマホで読む方法もあります。画面の反射や明るさで結果が変わるため、紙で試した結果とは分けて記録します。自由研究のまとめ方や、ほかのテーマはインターネットの自由研究テーマ5つにあります。

ミニクイズを一つ。「Hなら、どこでも面積の30%まで隠してよい」は正しい？　答えは「いいえ」です。誤り訂正の割合は面積の保証ではなく、目印や余白にはデータの復元とは別の役割があるからです。

QRコードはなぜ日本で生まれた？1994年に2人で作り特許を開いた話

QRコードができる前、現場では線の太さなどで情報を表すバーコードが使われていました。当時は英数字20字ほどという容量や、漢字・かなを扱いたいという要望が課題でした。現在のすべてのバーコードの上限が20字という意味ではありません。

開発したのは、自動車部品の会社デンソー（現在のデンソーウェーブ）の原昌宏さんを中心とした2人のチームです。約1年半かけて、1994年に発表しました。角の目印の比率を決めるために、印刷物を集めて面積を調べた話は、この開発の中で生まれています。

そして会社は、規格として決められたQRコードについては、持っている特許の権利を行使しないと決めました。誰でも無料で作れて読める仕組みになったので、1997年に業界規格、1999年に日本の工業規格（JIS）、2000年に国際規格（ISO）になり、世界中の支払いやチケットで使われるようになりました。

QRコードとバーコードの違いと、1つに入る文字数

ここで比べるバーコードは、横方向の線の太さなどで情報を表す1次元のコードです。QRコードは縦横の配置を使い、数字なら最大7,089字、英数字なら最大4,296字、漢字なら最大1,817字を記録できます。いずれも最大サイズ・誤り訂正レベルなどの条件がある値で、どのQRコードにもその文字数が入るわけではありません。

お店のQRコードに入っているのは、長い文章ではなく、たいていは短いURLや支払いの番号です。だから小さなコードで足り、スマホのカメラがすぐに読めます。URLがどんな部品でできているかは、URLとは？で分けて読めます。

偽のQRコードに注意｜掲示物と読み取った先を確かめる

QRコードは、誰でも無料で作れます。それは、悪い人も作れるということです。警視庁の注意点には、3つの手口が挙げられています。偽のメールに添付されたQRコードから偽の支払い画面へ誘導する、返金を装って送金用のQRコードを送る、お店のQRコードの上に偽のシールを貼る、の3つです。

読む前と読んだ後にチェックすることは3つです。

• 掲示物に別のシールが重なっていないかを見る。不自然な重なりや浮きがあれば店員などへ確認します。段差がないことだけで本物とは判断できません。
• 読んだあとに出た画面の名前と内容を見る。支払いのつもりが、知らないサイトやアプリの画面なら閉じます。
• 返金のはずなのに金額の入力を求められたら止まる。受け取る操作ではなく、送金する操作へ誘導されている可能性があります。メールなどの案内だけで進めず、公式アプリや窓口から確認します。

仕組みを知っていると、「QRコード自体は、中にURLや番号が書いてある紙にすぎない」と分かります。紙を信じるのではなく、読んだ先の画面を確かめる。偽サイトの見分け方は、フィッシングとは？にまとめてあります。

QRコードの仕組みでよくある質問

Q1. スマホだけでQRコードは作れる？

A. 作成サイトやアプリを使えば作れます。この記事の実験では、誤り訂正レベルを選べるものを使います。作った画面を同じスマホのカメラで写すことはできないため、印刷するか、別の端末に表示して読み取る準備も必要です。

Q2. 色のついたQRコードや、真ん中にロゴがあるコードはなぜ読める？

A. 明暗の差が十分にあると読み取れる場合があります。ロゴで隠れた部分は誤り訂正で補えることがありますが、色や配置、印刷状態によっては読めません。目印や余白を残し、実際の利用条件で確認する必要があります。

Q3. 小さく印刷すると読めなくなるのはなぜ？

A. セルが小さくなりすぎて、カメラが隣のセルと区別できなくなるからです。文字を減らしてセルの数を少なくするか、印刷を大きくします。周りの白い余白も削らないようにします。

作って隠して読む、QRコードから進む次の一歩

イトの自由研究で比べるのは、「どれだけ隠したか」だけでなく「どこを隠したか」です。目印とデータ部分では役割が違うと分かれば、読めた結果も読めなかった結果も、理由を考える材料になります。

今日できる一歩は、同じ短い文でLとHのQRコードを1枚ずつ作り、まず両方とも読めることを確かめることです。そのあとで隠す位置を変えれば、目印と誤り訂正の働きの違いを探れます。0と1の意味から知りたいなら、ビットとは？で、情報を表す最小の単位から見ていけます。