Как вручную определить уровень коррекции ошибок по изображению матрицы qr кода

Общая информация

Несмотря на то, что QR коды изначально использовались для учета деталей в машиностроении, сейчас они используются более широко, как для коммерческих систем учета, так и для быстрой доставки информации пользователям мобильных телефонов. QR коды могут хранить контактную информацию, текст, платежные реквизиты, телефонные номера, адреса e-mail и гипертекстовые ссылки. При этом QR-код может быть напечатан в журнале, на постере в метро, на визитной карточке, на платежном документе, да и вообще практически на чем угодно. Пользователи с телефоном, оснащенным камерой и с соответствующим программным обеспечением могут сосканировать QR-код, при этом откроется закодированная в QR гиперссылка, или закодированный контакт добавится в адресную книгу. И наоборот, QR-код может быть отправлен пользователю на мобильный телефон и предъявлен для считывания прямо с его экрана.

Сканерами штрих-кодов оснащаются устройства самообслуживания (банкоматы и терминалы), что позволяет использовать QR-коды для совершения платежей.

Основные области применения QR кода:

Коррекция ошибок в QR кодах

Эта возможность используется для построения QR-кодов с элементами дизайна, например:

Кодирование

При кодировании данных в QR-код могут быть выбраны разные кодировки, что обеспечивает наилучшее сжатие данных для уменьшения размера, требуемого для изображения символа. Возможные варианты выбора:

Данные в QR Code:
012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123456789

Кодировка Numeric	Кодировка Byte

Емкость QR-кода

На первый взгляд может показаться, что QR-код не способен хранить много информации, и подходит лишь для кодирования коротких строк, например URL или e-mail. На самом деле максимальная емкость QR-кода не так уж мала:

Таким образом, в QR-коде может быть закодировано более 2кб текста, что сильно расширяет спектр его применений, особенно учитывая удобство и скорость доставки информации конечному пользователю.

Каждой версии соответствует определенная емкость с учетом уровня коррекции ошибок. Чем больше информации необходимо закодировать и чем больший уровень избыточности используется, тем большая версия кода потребуется

Характеристики различных версий QR-кодов:

Версия

Количество модулей

Уровень коррекции
ошибок

Максимальное количество символов с учетом уровня коррекции ошибок и кодировки

Погружение в матрицу: Анализ структуры и методы распознавания QR-кода

В современном мире информация может представляться в самых причудливых формах. Причины для этого разные и не всегда имеют стеганографическую подоплеку. У «человека разумного» буквально появился «третий глаз»: мобильный телефон стал неотъемлемым атрибутом каждого из нас. А что именно с его помощью мы попытаемся разглядеть, ты узнаешь из этой статьи.

Повсеместно распространенным штрих-кодом сейчас уже никого не удивишь. В реальной жизни представление информации в виде последовательности черно-белых полос стало привычным настолько же, насколько привычной стала покупка какого-либо товара в супермаркете. Кодирование информации о продукте (страна-изготовитель, непосредственно сам изготовитель товара, тип товара и т. п.) производится с целью упрощения дальнейшего ее извлечения автоматизированными средствами. Именно для этого хорошо подходит штриховой код, который в силу своей линейной структуры хорошо читается в горизонтальном направлении.

Однако прогресс не стоит на месте, и в скором времени того объема информации, который способны перенести в себе линейные кодировки (до 30 цифровых символов), стало не хватать производителям бесконечно растущих объемов продукции. Инженеры стали задумываться о способах расширения объемов кодируемых данных и результатом их деятельности стало появление на свет двумерных штрих-кодов, но вот сфера их применения, в силу специфики, перестала ограничиваться исключительно «пометкой» различной продукции. Нынче представители семейства «матричных» активно используются в среде потребительской, и теперь им находят все более интересные способы применения. И чтобы при случайной встрече с ними ты не смотрел на них, как на картинку с ребусом, мы научимся распознавать их не только по внешним признакам, но и напишем программный инструмент, который позволит тебе определить содержание контейнера с данными, а также поговорим о нестандартных способах использования матричного кодирования. Пришел. Увидел. Распознал.

Чтобы не получить в конечном счете «кашу» из определений, предлагаю придерживаться общей классификации способов кодирования информации. Как уже было упомянуто в начале, разделяют два принципиально разных типа кодирования:

Многоуровневые коды нам неинтересны, так как они представляют собой попросту «многослойный» линейный код. В свою очередь, матричные кодировки «упаковывают» информацию как по горизонтали, так и по вертикали, что позволяет радикально увеличить объем хранимых данных и, соответственно, снять ограничения на их тип — теперь становится возможным кодирование текстовых данных.

Из всего многообразия матричных кодов нам интересен QR-код. Его повсеместная распространенность (одна только Япония использует эти кодировки с такой завидной популярностью, как, например, мы используем таблички с указанием названия улицы и номера дома) обусловлена прежде всего высокой степенью его распознаваемости и, как следствие, простотой распознающего оборудования. Кстати, аббревиатура QR образована от англ. «quick response», что в переводе на великий и могучий означает «быстрый отклик».

Быстро «откликнуться» конкретный экземпляр QR-кодов может на самое непривередливое оборудование. Так, например, имея в наличии мобильный телефон или любой другой девайс с камерой практически любого разрешения, можно считать себя уже достаточно укомплектованным для охоты за QR-кодами. Если сфотографировать QR-картинку, прилагающуюся к статье (или открыть ее с диска и сделать банальный PrintScreen, но это выглядит менее эффектно), пропустить фотографию через одну из программ распознавания, то мы получим следующую строку:

Xakep Online: https://xakep. ru

Что делать с полученной информацией (перейти по ссылке на веб-ресурс, сохранить ссылочку в заметках или в контактах и т. п.), ты решишь самостоятельно.

Программы для распознавания QR-кодов доступны практически под любые платформы, однако большинство из них рассчитано на мобильную аудиторию. Неудивительно, ведь в подавляющем большинстве случаев, когда мы можем встретить «белый квадрат с черными точками», у нас под рукой не окажется ничего, кроме мобильного телефона.

Большинство программ находятся в свободном доступе и являются бесплатными, однако мало кто из разработчиков делится исходными кодами своего ПО. Может быть, этот факт обусловлен отсутствием интереса конечного пользователя, а может быть, производитель не хочет раскрывать деталей алгоритма распознавания. Так или иначе, мы самостоятельно разберемся с деталями распознавания QR-кода программным способом, написав полноценное приложение, которое, в прямом смысле, позволит нам получать из картинки содержащуюся в ней текстовую информацию.

Готовим инструменты

Разбираем матрицу

Рассмотрим общую структуру приложения, которое, как предполагается, будет декодировать QR-код. Первую и, пожалуй, самую большую часть исходного кода занимает описание основного программного класса: определение констант, структурные секции, секции описания функций, предоставляемых сторонней библиотекой. Представление исходных данных в виде картинки описывает структура PTIMAGE.

Структура, описывающая параметры изображения

unsafe public struct PTIMAGE
<
public int dwWidth;// ширина изображения в пикселях
public int dwHeight;//высота изображения в пикселях
public byte* pBits;//указатель на данные исходного изображения
public byte* pPalette;// указатель на данные о палитре изображения (1,4,8 бит)
public short wBitsPerPixel; //число бит на пиксель
>

SDK поддерживает большинство форматов файлов изображений. Учитывая тот факт, что большинство камер экспортируют снимки в наиболее распространенные форматы, проблем с несовместимостью быть не должно. Далее идет раздел описания функций, которые экспортируют библиотеки, входящие в состав SDK. Заострять внимание на их подключении мы не будем.

Следующим этапом будет описание параметров библиотеки декодирования баркодов в структуре PTDECODEPARA:

Структура PTDECODEPARA используется для определения параметров при декодировании баркода на изображении

public unsafe struct PTDECODEPARA
<
public int dwStartX;// начало координаты X в пикселях
в окне поиска изображений для декодирования
public int dwStartY;
public int dwEndX;
public int dwEndY;
public int dwMaxCount;//максимальное количество символов для поиска; если значение равно 0, то ищем все символы
>;

Манипулируя со значением переменной dwMaxCount, мы получаем возможность управлять производительностью приложения, фокусируя наш «декодировщик» на конкретных областях исходного изображения и избегая функционирования «в холостую». Следующая структура заполняется непосредственно после определения области изображения, в которой находится баркод:

После декодирования структура PTBARCODEINFO содержит баркод с информацией

public unsafe struct PTBARCODEINFO
<
/координаты четырех углов баркода в пикселях/
public int dwX1, dwY1;
public int dwX2, dwY2;
public int dwX3, dwY3;
public int dwX4, dwY4;
public byte* pData; //указатель на буфер, который содержит данные баркода
public int dwDataLen; //длина данных (в байтах) баркода
>;

Если ты внимательно посмотришь на картинку с QR-кодом, то сразу заметишь три выделяющихся квадратных области — это ориентиры для средств распознавания, своего рода «указатель» программе на то, что среди прочего набора пикселей на картинке присутствует QR-код.

Главная функция нашего приложения проста до безобразия, поэтому в полном объеме приводить ее не будем, а сосредоточим внимание на следующих инструкциях:

Как ты уже понял, непосредственно процесс распознавания скрывается в инструкциях функции DecodeQR(), которая после определения области QR-кода передает инструкции обработчику баркода, а он, в свою очередь, демонстрирует пользователю информацию, содержащуюся в картинке:

Вроде бы результат достигнут. Однако легкий «краш-тест» полученного приложения позволил выявить его сильные и слабые стороны.

Однако с распознаванием кодов в 3D все несколько хуже: искажение в соотношении сторон QR-кода может негативно сказаться на качестве определения его содержимого.

В общем, можно сказать, что эта библиотека предоставляет разработчику широкие возможности для работы с матричными кодами. В ней имеются встроенные средства коррекции ошибок и восстановления поврежденных областей исходных изображений, а возможности изменения параметров точности распознавания позволяют программисту найти золотую середину в тандеме параметров «производительность/эффективность».

Рамки применения QR-кода ограничиваются исключительно фантазией своего интегратора. Банальный обмен контактными данными (адреса сайтов на картинке в каком-либо общественном месте, эффектная демонстрация данных визитки на черно-белой карточке, реклама и объявления, приглашения и др.) на фоне массы других способов уже кажется, как минимум, неоригинальным.

Идея расширения видимой реальности с помощью подручных средств, коими являются мобильные телефоны, кажется уже не настолько далекой и требующей технического прогресса.

А практичность данного вида представления информации для конечного потребителя заметна уже сейчас. Обладатель телефона, интересующийся, например, меню какого-либо ресторана (бара, кафе, памятником архитектуры или любым другим зданием, содержащим QR-код, который несет полезную информацию), при наведении камерой на QR-область может ознакомиться в реальном времени с меню, не посещая заведение.

Или ознакомиться с расписанием маршрута проезжающего мимо общественного транспорта, содержащего «полезную картинку». Альтернативное кодирование информации может оказаться полезным в вещах, имеющих стеганографическую подоплеку. Например, QR-код может быть спрятан в каком-нибудь изображении и вылезать наружу при его обесцвечивании. Ну а информация, которая появится при его распознавании, конечно же, будет зашифрованной. Поскольку стеганография — хорошо, сочетание ее с криптографией — всяко лучше.

Links

— официальный веб-ресурс разработчиков описанного в статье SDK. — сервис генерации QR-кодов. — статья «Жуки в полоску» о структуре штрих-кода. — мой ресурс, где ты можешь задать вопросы и поделиться идеями.

Денис Макрушин

Специализируется на исследовании угроз и разработке технологий защиты от целевых атак. #InspiredByInsecure