Методические указания к заданию 3.1

Подготовка к работе

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

 

 

2. Контрольные вопросы

2.1. Для каких целей используются QR-коды?

2.2. Какие специализированные сайты можно использовать для кодирования и декодирования QR-кодов?

2.3. В каком году изобретен QR-код?

2.4. В каком графическом формате целесообразно сохранять QR-коды (PNG, JPEG, BMP, SVG)?

2.5. Что такое уровень коррекции ошибок?

2.6. Сколько уровней коррекции ошибок можно сформировать в QR-кодах?

2.7. 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.

 

 

 

Задания на выполнение лабораторной работы

Задание 1. Аппаратно-программное декодирование QR-кода

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

 

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.

 

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.

 

Задание 4. Определение версии QR-кода

Определить версию кода для матрицы из таблицы 3.2.

Задание 5. Определение уровня коррекции ошибок

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

Задание 6. Определение вида использованной маски

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

Задание 7. Определение формата представления данных

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

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).

 

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

Продолжение таблицы 3.1

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

 

Таблица 3.2

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

Продолжение таблицы 3.2

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

Таблица 3.3

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

 

 

Продолжение таблицы 3.3

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

 

 

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.

Рис. 4.1. Разновидности двухмерных кодов

 

QR-коды можно создавать с различной степенью помехозащищенности. Чем выше помехозащищенность, тем больше избыточной информации содержит матрица и тем меньше остается места для информационных битов.

Матрицу можно создать с одним из четырех уровней коррекции ошибок. Эти уровни определяют долю информации, подлежащую восстановлению за счет использования корректирующего кода.

Таблица 4.1

Уровень коррекции ошибок	Код	Допустимые искажения
L		7%
M		15%
Q		25%
H		30%

 

Уровни L и M рекомендуется использовать для печати кодов на пригласительных билетах, объявлениях, визитках, плакатах, рекламных щитах и т.д. Уровни Q и H применяют для маркировки промышленных деталей, когда существует высокая вероятность повреждения изображения кода.

Таблица 4.2 показывает, как выглядит код слова «Проба» при различных уровнях коррекции ошибок. Визуально можно заметить, что с увеличением уровня помехоустойчивости число элементов в матрице растет.

Таблица 4.3 демонстрирует высокую степень помехоустойчивости QR-кодов. Даже на перечеркнутых матрицах есть возможность правильно декодировать информацию.

Следует обратить внимание, что считывание информации прекращается в случаях, когда существенно искажен один из трех прямоугольников, отвечающих за определение ориентации матрицы (см. табл. 4.4). В то же время наличие двадцати цветных точек на изображении матрицы не приводит к снижению надежности считывания информации (см. табл. 4.5).

Таблица 4.2

7%		15%
25%		30%

 

Таблица 4.3

Таблица 4.4

 

Таблица 4.5

 

Структура матрицы

Информационные биты, контрольные биты и системная информация располагаются в определенных местах матрицы. Порядок размещения всех элементов матрицы определены правилами, которые описаны в спецификации [4].

На каждой матрице имеется три указателя ориентации 1 (УО). Между тремя УО проходят две линии синхронизации 2, которые состоят из чередующихся белых и черных модулей (пикселей). Вблизи левого нижнего указателя ориентации размещается черный пиксель 3 (см. рисунок 4.2).

В настоящее время выпущено 40 версий QR-кодов. На матрицах QR-кодов, начиная с версии 2, имеются метки центровки 4. В версии 1 такой метки нет, но в старших версиях QR-кода можно насчитать 46 таких меток.

В областях 5 для версий старше шестой размещается информация о версии кода. В четырех модулях 6 содержится код, которые определяет, какой вид данных содержится в матрице. Системная информация размещается в областях 7 и 8.

 

 

Рис.4.2. Структура матрицы

 

Информация об уровне коррекции ошибок и виде использованной маски располагается в системной строке (см. рис. 4.3). Разряды 14 и 13 содержат сведения об используемом уровне коррекции ошибок. Разряды 12, 11 и 10 показывают, какая маска использована для наложения на информационные и корректирующие биты. Три бита позволяют сформировать коды для восьми разных масок.

Системная информация дублируется. Один раз 15 системных битов размещают в столбце 8 (счет элементов ведется, начиная с 0 из левого верхнего угла матрицы).

Второй раз системную информацию размещают в строке 8.

 

 

Рис. 4.3. Дублирование системной информации

 

Список литературы

 

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/QR-%EA%EE%E4

2. http://habrahabr.ru/post/127197/

3. http://kcoding.net/2012/qrcode_tutorials/

4. INTERNATIONAL STANDART ISO/IEC 18004/ First edition 2000-06-15.

 

 

Приложение 1. Фактические маски

 

 

 

 

Приложение 2. Таблица СР-1251

пробел		!		"		#		$
%		&		'		(		)
*		+		,		-		.
/
		:		;		<		=
>		?		@		A		B
C		D		E		F		G
H		I		J		K		L
M		N		O		P		Q
R		S		T		U		V
W		X		Y		Z		[
\		]		^		_		`
a		b		c		d		e
f		g		h		i		j
k		l		m		n		o
p		q		r		s		t
u		v		w		x		y
z		А		Б		В		Г
Д		Е		Ж		З		И
Й		К		Л		М		Н
О		П		Р		С		Т
У		Ф		Х		Ц		Ч
Ш		Щ		Ъ		Ы		Ь
Э		Ю		Я		а		б
в		г		д		е		ж
з		и		й		к		л
м		н		о		п		р
с		т		у		ф		х
ц		ч		ш		щ		ъ
ы		ь		э		ю		я

 

Приложение 3. Определение версии кода с помощью меток центровки

Версия	Строки, столбцы	Строки, столбцы	Строки, столбцы	Строки, столбцы	Строки, столбцы	Строки, столбцы	Строки, столбцы

Приложение 4. Определение версии QR-кода с помощью

Системной информации

Версия	Двоичное слово

 

Подготовка к работе

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

 

 

2. Контрольные вопросы

2.1. Для каких целей используются QR-коды?

2.2. Какие специализированные сайты можно использовать для кодирования и декодирования QR-кодов?

2.3. В каком году изобретен QR-код?

2.4. В каком графическом формате целесообразно сохранять QR-коды (PNG, JPEG, BMP, SVG)?

2.5. Что такое уровень коррекции ошибок?

2.6. Сколько уровней коррекции ошибок можно сформировать в QR-кодах?

2.7. 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.

 

 

 

Задания на выполнение лабораторной работы

Задание 1. Аппаратно-программное декодирование QR-кода

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

 

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.

 

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.

 

Задание 4. Определение версии QR-кода

Определить версию кода для матрицы из таблицы 3.2.

Задание 5. Определение уровня коррекции ошибок

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

Задание 6. Определение вида использованной маски

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

Задание 7. Определение формата представления данных

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

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).

 

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

Продолжение таблицы 3.1

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

 

Таблица 3.2

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

Продолжение таблицы 3.2

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

Таблица 3.3

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

 

 

Продолжение таблицы 3.3

Вар.	QR-код	Вар.	QR-код

 

 

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.

Рис. 4.1. Разновидности двухмерных кодов

 

QR-коды можно создавать с различной степенью помехозащищенности. Чем выше помехозащищенность, тем больше избыточной информации содержит матрица и тем меньше остается места для информационных битов.

Матрицу можно создать с одним из четырех уровней коррекции ошибок. Эти уровни определяют долю информации, подлежащую восстановлению за счет использования корректирующего кода.

Таблица 4.1

Уровень коррекции ошибок	Код	Допустимые искажения
L		7%
M		15%
Q		25%
H		30%

 

Уровни L и M рекомендуется использовать для печати кодов на пригласительных билетах, объявлениях, визитках, плакатах, рекламных щитах и т.д. Уровни Q и H применяют для маркировки промышленных деталей, когда существует высокая вероятность повреждения изображения кода.

Таблица 4.2 показывает, как выглядит код слова «Проба» при различных уровнях коррекции ошибок. Визуально можно заметить, что с увеличением уровня помехоустойчивости число элементов в матрице растет.

Таблица 4.3 демонстрирует высокую степень помехоустойчивости QR-кодов. Даже на перечеркнутых матрицах есть возможность правильно декодировать информацию.

Следует обратить внимание, что считывание информации прекращается в случаях, когда существенно искажен один из трех прямоугольников, отвечающих за определение ориентации матрицы (см. табл. 4.4). В то же время наличие двадцати цветных точек на изображении матрицы не приводит к снижению надежности считывания информации (см. табл. 4.5).

Таблица 4.2