Исследование QR-кода

Введение

Современные телекоммуникационные технологии стремительно внедряются в  нашу повседневную жизнь. Удивительные возможности помехоустойчивого  кодирования можно рассмотреть  на примере QR-кодов.

Информация кодируется при  помощи черных и белых квадратов, которые после сканирования превращаются в логические единицы и нули.

Формирование изображений  матриц ведется таким образом, чтобы  обеспечить наиболее благоприятные  условия для работы сканирующей  аппаратуры. Для этого в процессе кодирования создается восемь матриц и выбирается лучшая из них. Появляющиеся в процессе эксплуатации  искажения рисунка матрицы устраняются путем использования помехоустойчивого кода Рида-Соломона.

Умение работать с QR-матрицами и понимать принципы кодирования и декодирования должно стать нормой для современного образованного человека. В процессе выполнения работы студенты учатся использовать современные телекоммуникационные средства: мобильные телефоны, смартфоны, планшетники.

Данная работа является ступенькой для плавного перехода от кодирования  к шифрованию (криптографии).

Отчет по лабораторной работе должен содержать скриншоты (фотографии) матриц с необходимыми комментариями. Приветствуются самостоятельные исследования по вопросам, не затронутым в методических указаниях.

Автор выражает благодарность  старшему преподавателю ПГУТИ Макарову М.И., обратившему внимание на интересные возможности QR-кода.

Лабораторная работа

«Исследование QR-кода»

1. Подготовка к работе

По указанной литературе изучить назначение QR-кодов, способы кодирования и декодирования, ответить на контрольные вопросы.

1. Контрольные вопросы
1. Для каких целей используются QR-коды?
2. Какие специализированные сайты можно использовать для кодирования и декодирования QR-кодов?
3. В каком году изобретен QR-код?
4. В каком графическом формате целесообразно сохранять QR-коды (PNG, JPEG, BMP, SVG)?
5. Что такое уровень коррекции ошибок?
6. Сколько уровней коррекции ошибок можно сформировать в QR-кодах?
7. Какой алгоритм используют в QR-кодах для повышения их помехоустойчивости?

2.10. В чем преимущество 2D-кодов по сравнению со штрих - кодами?

2.11. Могут ли мобильные  устройства считывать цветные QR-коды?

2.12. Как вручную определить  уровень коррекции ошибок по  изображению матрицы QR-кода?

2.13. Как по матрице определить  версию QR-кода?

2.14. Сколько версий QR-кодов существует?

2.15. Как с помощью матрицы  определить, какой вид маски использован  при кодировании?

16. С какой целью при  кодировании апробируется восемь  видов различных масок?

17. Для каких областей  матрицы используется статическая  (неизменная) маска?

18. По заданной преподавателем  формуле определите конфигурацию  маски.

 

1. Задания на выполнение лабораторной работы
1. Задание 1. Аппаратно-программное декодирование QR-кода

С помощью фотокамеры мобильного телефона (смартфона, нетбука, планшетника) или специализированныхWeb-сайтов декодировать коды, приведенные в табл.3.1.

1. Задание 2. Формирование QR-кода (создание визитки)

Создать собственную визитку. Для этого с помощью генератора QR-кода закодировать свою фамилию, имя, группу и полное название ВУЗа.

1. Задание 3. Экспериментальное исследование помехоустойчивости QR-кода

Используя QR-код, полученный в предыдущем задании, выполнить следующие действия.

1. Изменить ориентацию изображения QR-кода (или фотокамеры). Произвести считывание (декодирование) информации.
2. Изменить масштаб изображения матрицы QR-кода. Произвести считывание информации. Определить минимально допустимые размеры картинки, при которых считывание информации еще возможно.
3. Нанести на изображение визитки 5 черных точек в произвольных местах матрицы. Попытаться считать информацию.
4. Дополнительно нанести на изображение визитки 5 белых точек. Произвести считывание информации.
5. Дополнительно к п.4 на изображении визитки в произвольном месте провести черную линию.  Сделать попытку считывания информации.
6. Дополнительно к п.5 на изображении визитки провести белую линию.  Произвести считывание информации.
1. Задание 4. Определение версии QR-кода

Определить версию кода для  матрицы из таблицы 3.2.

1. Задание 5. Определение уровня коррекции ошибок

Определить уровни коррекции  ошибок для двух матриц  (таблицы 3.1 и 3.2).

1. Задание 6. Определение вида использованной маски

Определить вид использованных масок для двух матриц (таблицы 3.1 и 3.2).

1. Задание 7. Определение формата представления данных

Определить формат представления  данных для двух матриц (таблицы 3.1 и 3.2).

1. Задание 8. Ручное декодирование QR-кода

Вручную декодировать сообщение, приведенное в табл. 3.3.

В представленных матрицах верхние пять строк умышленно  срезаны (для исключения возможности  аппаратно-программного декодирования).

В отчете следует подробно описать все этапы ручного  декодирования и проиллюстрировать  выполненные операции с помощью  рисунков. Итогом выполнения задания  должно стать сообщение, записанное с учетом верхнего и нижнего регистра (заглавные и строчные буквы).

1. Задание 9. Вычисление штрафных баллов

Произвести расчет штрафных баллов по правилу начисления штрафа за каждую группу из пяти или более  одноцветных пикселей в одной  строке (или столбце).

Для расчета использовать матрицы, приведенные в табл. 3.1.

.

 
Таблица 3.1

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код
1		2
3		4
5		6
7		8

 
Продолжение таблицы 3.1

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код
9		10
11		12
13		14
15		16

 
Таблица 3.2

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код
1		2
3		4
5		6
7		8

 

Продолжение таблицы 3.2

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код
9		10
11		12
13		14
15		16

 
Таблица 3.3

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код
1		2
3		4
5		6
7		8

 
Продолжение таблицы 3.3

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код
9		10
11		12
13		14
15		16

 

4. Методические  указания

QR-код (англ. quick response — быстрый отклик) — матричный код, разработанный японской компанией «Denso-Wave» в 1994 году [1].

Очевидно, что вместимость  одной кодовой матрицы не является безграничной. Максимальное количество символов, которые можно поместить  в  одну матрицу, зависит от вида кодируемой информации (цифры, буквы, двоичный код, иероглифы), уровня коррекции ошибок и версии используемого QR-кода. Для версии 40 в одной матрице при минимальном уровне коррекции ошибок можно разместить 7089 десятичных цифр, либо  4296 букв и цифр, либо 2953  двоичных данных, либо 1817  иероглифов.

Наибольшее распространение  рассматриваемый код получил  среди абонентов мобильной связи. Пользователь может моментально  занести в свой  мобильный телефон (нетбук) текстовую информацию, контакты в адресную книгу, перейти по web-ссылке, отправить SMS-сообщение и т. д.

С помощью QR-кодов удобно делать визитки и размещать их на майках, фуражках, значках. Коды открывают большие возможности для рекламы.  За счет размещения QR-кода на рекламном щите, плакате (постере) или объявлении можно привлечь большое число клиентов.

Для того чтобы сделать  туристические маршруты более информативными, на улицах г. Львова (Украина) размещено  более 80 изображений QR-кодов. Ими оснащены коммерческие и культурные объекты, в том числе памятники, архитектурные  сооружения.

QR-коды используются для маркировки ответственных деталей. Гравировка металлической поверхности позволяет наносить код на детали, подвергающиеся воздействиям высоких температур, давлений или агрессивных химических веществ. Данный код имеет высокую помехоустойчивость. Даже при наличии повреждений (искажений) изображения на площади 30% всё еще есть возможность безошибочно считать информацию.

С помощью QR-кодов можно получать прогнозы времени прибытия транспорта на конкретную остановку. Например, транспортный оператор г. Самары планирует разместить наклейки с QR-кодами на остановочных павильонах. Можно считать QR-код с названием остановки фотокамерой своего мобильного телефона. Это позволяет  сразу открыть страницу с прогнозами прибытия транспорта на данную остановку.

QR-код не является единственным  вариантом двухмерного штрих-кода. Известны и другие форматы: DataMatrix, ScanLife EZcode и Microsoft Tag (Tag).

Три квадрата в углах изображения QR-кода позволяют устройству правильно определять его пространственную ориентацию. Черные и белые точки изображения преобразуются считывающим устройством в двоичные числа.  Затем производится обработка цифровой информации. На матрице размещается системная информация, информационные биты, корректирующие биты [2]. При обработке  считанного изображения используется алгоритм Рида-Соломона, который позволяет устранить треть возможных  искажений матрицы.