21CTO导读：条形码的目标是解决超市商品的结账问题。

1948年，一位超市高管访问费城的德雷克塞尔理工学院。他咨询该学院的院长，该校能否协助开发一种新的产品信息编码系统，将信息编码成机器可读格式，以便收银系统读取。

但是，古板的院长表示该项目超出了学校的课程范围，拒绝了这位高管的请求。

这位高管名字叫做萨姆·弗里德兰，他是总部位于费城的食品超市连锁店Food Fair的创始人兼总裁。弗里德兰对当时超市收银系统的局限性有着切身体会，这也解释了他为何会主动寻求帮助，设计出一套更好的系统。

当时的收银系统无法读取产品信息，也无法在销售点识别商品。这造成了以下一系列问题：

• 员工需要给每件商品贴上价格标签，以便标明商品价格。对于难以贴标签的商品，例如新鲜农产品，则使用价格清单。
• 收银员结账时必须读取每件商品的价格标签，然后手动将价格输入收银机。当时没有办法将信息自动导入结账系统。
• 零售商对库存的实时可见性较差，只能依靠人工盘点、供应商发票和估算来跟踪库存。

前两个问题增加了超市的人工成本，也降低了顾客满意度。比如，由于结账流程冗长，顾客需要等待更长时间才能完成购买。此外，人工录入价格容易出错，而且难以发现这些错误。收据通常没有明细，因此顾客只能看到最终金额，而看不到每件商品的具体价格。

弗里德兰希望找到一种解决方案，使收银系统能够自动识别商品。

如果能在收银台使用类似商品标识符的信息自动识别商品，收银员就无需手动输入价格，员工也无需在商品上贴价格标签。商品信息可以通过该标识符在系统中查找，并在结账时从零售商的记录中提取到收银机中。

如此一来可以大幅降低劳动力成本，提高员工生产力，并提升消费者满意度。它还有可能帮助零售商进行库存管理，并提供实时销售数据，从而优化定价和库存决策。然而，只有当产品信息以机器可读格式编码时，即机器（更准确地说，是机电系统）能够解读的格式，这个系统才能真正发挥作用。

图1 一台老式机械收银机。图片来源：Magda Ehlers

从摩尔斯电码到条形码

前面提到院长拒绝了弗里德兰德提出的解决超市结账问题的请求，但故事并未就此结束。一位名叫伯纳德·西尔弗的学生无意中听到了他们的对话，他决定着手解决这个问题。后来，他又拉来同学约瑟夫·伍德兰德，两人在接下来的几个月里共同寻找解决方案。

他们制作的第一个原型使用了特殊的油墨印刷图案，这种油墨在紫外线 (UV) 照射下会发光。但由于油墨过于昂贵且印刷难度大，这个原型最终被放弃。然而，伍德兰坚信自己能够解决这个问题，并继续致力于此。

不久之后，在1948年末，伍德兰德决定全身心投入到这个项目中。他从德雷克塞尔大学辍学，他卖掉了一些股票以维持生计，然后离开费城，前往迈阿密海滩与祖父母同住。正是在这段时期，伍德兰迎来了突破性的时刻，最终发明了条形码。

这个发明的突破性的时刻，发生在最不可能的地方：海滩。

伍德兰德在沙滩上画画时，突然发现自己画出的点和划的形状，与摩尔斯电码中用来表示信号的符号非常相似。在摩尔斯电码中，点代表短信号，划代表长信号。摩尔斯电码通信时，发送者会使用声音、光、无线电波和电流等物理介质，并遵循特定的时序规则来传输信号。时序规则决定了发送者如何根据信号的持续时间和间隔对信息进行编码，以及接收者如何解码信息。

伍德兰德用手指从每个痕迹向下延伸，画出平行但并不均匀的线条。线条不均匀是因为痕迹的大小不同：短线比点宽，所以短线向下延伸形成的线条更宽，而点向下延伸形成的线条更细。痕迹之间的间距也同样不均匀：痕迹之间较大的间距形成线条之间较大的间距，痕迹之间较小的间距形成线条之间较小的间距。

由于线条和空格是通过延伸短信号和长信号的视觉表征而形成的，伍德兰找到了一种类似于摩尔斯电码的信息编码方式。然而，最初的摩尔斯电码系统通过时间上的差异（即每个信号的持续时间和连续信号之间的时间间隔）来编码信息，而新的系统则通过空间上的差异来编码信息。具体来说，它利用每条线所占据的物理空间以及线与线之间的间隙空间来编码信息。

一项“生不逢时”的发明

伍德兰德和西尔弗开发的第二个原型是基于受摩尔斯电码启发而设计的“条形码”。

它由以下两部分组成：

• 条形码：一种由平行线和空白区域组成的矩形图案，用于编码物理标记的宽度和排列信息。
• 光学扫描仪：一种将物体反射的光转换成机器可以处理的电信号的装置。

条形码图案编码了产品标识符，可以打印在产品上，用于在结账时识别产品。为了使信息能够被机器读取，条形码图案采用对比鲜明的颜色印刷：黑色代表线条，白色代表空白区域。由于白色比黑色反射更多光线，扫描条形码图案会产生不同强度的反射光。扫描器包含一个感光元器件，用于测量反射光的差异，并将这些波动转换为电信号。然后，这些电信号会被机器或机电系统（例如计算机）解码成可用的信息。

伍德兰德和西尔弗于1952年为该设计申请专利时，他们已改用了靶心形条形码图案。这种图案采用同心圆设计，由黑色线条和白色空隙组成，信息编码在圆环的大小和圆环之间的间距上。与需要沿特定方向扫描的矩形条形码相比，这种图案更容易从任何方向扫描。

然而，即使是这个原型机也被证明是不切实际的，而且技术过于超前。

例如，扫描条形码时使用的光源是一个笨重的500瓦白炽灯泡，根据历史记载，整个装置的大小相当于一张桌子。更重要的是，由于当时的计算机仍然过于庞大（早期的计算机，例如ENIAC，重达数吨，相当于几个房间的体积），而且购置和运行成本极其高昂，因此该原型机无法在超市中使用。

伍德兰和西尔弗利用示波器证明，扫描条形码产生的信号理论上可以被解码成产品标识符，并用于读取与扫描商品相关的信息。然而，他们无法证明这实际上能够让收银系统通过搜索数字化超市记录自动提取产品信息。这需要计算机能够将扫描条形码产生的电信号转换成产品标识符，并执行电子式数据记录查找，找到与扫描商品相关的信息，例如价格和描述。

当时没有哪家超市能负担得起庞大的计算机系统，因此，这项基于条形码的系统从一开始就注定不可行。

伍德兰德和西尔弗以区区1.5万美元的价格将专利卖给了大型消费电子产品制造商菲尔科公司，菲尔科公司后来又将专利转卖给了美国无线电公司（RCA）。那时，伍德兰德加入了国际商业机器公司（IBM），希望利用IBM的技术资源来实现他的条形码愿景。

通用产品代码

第二次世界大战结束后的几十年里，尤其是在20世纪50年代和60年代，零售业收入大幅增长，年销售额超过1000亿美元。这得益于战后经济的强劲增长、郊区人口的增加以及消费信贷的扩张，这些因素共同刺激了消费者的支出。然而，购物活动的增加也加剧了困扰零售商多年的一个问题：产品标识不清。

当时，仍然无法识别顾客在结账时购买的商品。因此，员工仍然需要给成千上万件商品贴上价格标签，收银员也仍然需要手动输入价格。随着购物人数的增加，我们之前发现的人工结账问题，例如人工成本高、顾客不满和库存跟踪不畅等，变得更加的明显和突出。

为了寻求解决方案，零售商和包装食品制造商组成的联盟成立了一个委员会，负责开发和规范产品识别系统。该委员会最终提出了通用产品代码（UPC），这是一个10位数的字符串，用于识别产品的分类和制造商。每件商品都有一个唯一的UPC编号，收银系统可以利用该编号识别商品，并从数据库中提取相关信息，例如商品价格和描述。

委员会邀请各公司提交机器可读标签方案，该标签需包含UPC条形码，并在结账时扫描以识别贴标商品。标签必须符合以下要求：

• 小巧精致：面积不得超过 1.5 平方英寸。
• 印刷成本低：必须能够使用现有技术进行印刷。
• 全方位：必须能够从任何方向高速扫描。
• 高精度：扫描时错误率必须低于两万分之一。

而条形码正是UPC通用产品代码的天然格式。

事实上，伍德兰德和西尔弗设计条形码的初衷正是为了编码产品标识符，以便机电系统（例如计算机结账系统）能够解码和读取该标识符。伍德兰德当时还在IBM工作，参与了该公司开发UPC条形码的工作。

然而，负责UPC条形码项目的乔治·劳勒拒绝使用伍德兰和西尔弗多年前获得专利的靶心形条形码。

根据IBM公司史所记载，劳勒反对使用靶心形图案，主要是因为这种图案难以印刷在产品上；此外，油墨容易晕染，导致扫描器难以正确读取条形码。他最终选择了由平行线和间距组成的矩形图案，这是伍德兰德和西尔弗在采用靶心形图案之前最开始使用的图案。

新的矩形条形码设计仍保留了伍德兰德几十年前与西尔弗共同设计的原型的基本理念。线条和空白分别以黑色和白色印刷，信息编码在印刷图案的宽度和排列方式中。该团队还制造了一种扫描器，它使用激光照射图案，并使用光传感器将反射光转换为电信号，计算机再将这些电信号转换为代表条形码中编码的 UPC 编号的 95 位二进制模式。

为了验证条形码格式的准确性，劳勒让垒球队的一名投手高速投掷包装上印有条形码的物品，使其掠过扫描器。而扫描器正确读取了每一个条形码，这彻底打消了IBM内部所有心存疑虑的人的担心。该设计也满足了委员会设定的其他要求：它可以从任何方向读取，并且尺寸足够小，可以印在大多数物品上而不会变得难以辨认。

1973年3月30日，负责选择UPC条形码格式的符号选择委员会选择了IBM提交的设计方案。劳勒设计的矩形条形码击败了其他六家公司提出的方案，其中包括美国无线电公司（RCA）提交的靶心条形码。RCA当时拥有该条形码的专利，并开发了一个功能版本，在20世纪70年代初在多家商店进行了试用。

图2 乔治·劳勒领导了IBM开发UPC条形码的工作。来源：IBM

1974年6月26日，俄亥俄州特洛伊市的一家Marsh超市完成了首次商业UPC条形码扫描。

被扫描的商品是一包箭牌水果口香糖，由Marsh公司研发主管克莱德·道森购买，并由员工莎伦·布坎南扫描。这是收银员首次在未将价格输入收银机的情况下完成结账。

对于所有参与条形码研发的人来说，这是一个证明自身价值的荣耀时刻。

从约瑟夫·伍德兰德、伯纳德·西尔弗和乔治·劳勒，到超市高管萨姆·弗里德兰——正是弗里德兰对产品标识缺失的不满，促使伍德兰德和西尔弗着手研发后来的条形码。更重要的是，这一刻标志着零售业的未来，尤其是自动化结账的未来，已经到来。

领养和起飞

由于成本高昂且行业普及前景不明朗，零售商和制造商最初对条形码技术的实施较为缓慢。

当时条形码扫描器的安装和运行成本都很高，而与之配套的计算机化结账系统成本更高。只有当足够多的商品带有条形码时，投资条形码结账系统才算合理，因为员工生产力的提高和劳动力成本的降低将抵消安装设备和培训员工使用的最初成本。

制造商每年需花费超过2亿美元用于在消费品上印刷条形码。只有当大多数超市和杂货店都配备了条形码扫描设备，并且大多数商品（包括其他制造商提供的商品）都带有条形码时，这项投资对制造商而言才有意义。在这种情况下，印刷条形码的成本可以被视为保持竞争力的必要手段。

这种情况在随后的几年里发生了改变。

像IBM这样的公司开发出了更好、价格更便宜的扫描器，并推出了集成了计算机化结账功能的销售点（POS）系统，从而降低了设备成本。手持式条形码扫描器的出现使得随时随地扫描条形码成为可能，并促使零售商在结账以外的领域也使用条形码；例如，仓库中利用条形码来追踪货物在分销网络中的流动，并实时监控库存。

条形码最终超越了零售业的范畴，渗透到商业和工业的各个角落。它们被应用于制造业、医疗保健、交通运输、图书馆以及所有需要识别和追踪实物的领域。条形码还启发了其他自动识别和数据采集 (AIDC) 技术的发展，包括二维码 (QR 码)、射频识别 (RFID) 和光学字符识别 (OCR)；许多其他创新，例如生物识别技术、移动成像等等，也都得益于条形码的成功。

图3 仓库工人正在扫描条形码进行库存管理。图片来源：Tiger Lily

结语

现如今，全球每天扫描的条形码已经超过100亿个。一项源于海滩灵光一现的发明，已成为上世纪最重要、最有价值的科技产品。

这就是科技的力量：它激发了人类的创造力和创新潜能，创造出解决问题、创造巨大价值、推动社会进步的工具与系统。

作者：洛逸