14. Dezember 2012
Inhaltsverzeichnis Was ist ein QR-Code?... 3 Anwendungsbereiche... 3 Hauptfeatures... 3 Kapazität und Fehlertoleranz... 4 Aufbau... 5 Modul... 5 Timing Pattern... 5 Codewörter... 6 Quiet Zone... 7 Finder Patterns... 7 Alignment Pattern... 7 Daten in einem QR-Code... 9 Daten in Codewörtern... 9 Formatinformationen... 9 Versionsinformationen... 10 Masking... 10 Darstellung... 12 Lesen des Codes... 12 Smartphone... 12 Scanner... 12 Gefahren... 13 Weiterentwicklungen... 13 Micro-QR-Code... 13 Secure-QR-Code... 13 iqr-code... 13 Design-QR-Code... 14 Quellen... 14 2
Was ist ein QR-Code? QR-Code ist eine Abkürzung für Quick Response Code. Ein QR-Code ist ein zweidimensionaler Code. Er kann durch die für ihn typischen find Pattern oben links, oben rechts und unten links erkannt werden. QR Codes können zum Speichern Digitaler Daten in analoger Form verwendet werden. Die Daten liegen zuerst in digitaler Form vor (z.b. auf einer Festplatte). Nun werden diese in einen QR Code umgewandelt. Wird der Code jetzt zum Beispiel ausgedruckt liegt er in analoger Form vor. Der Code kann dann mit einem Lesegerät gelesen werden und liegt somit wieder in digitaler Form vor. Der QR Code wurde 1994 von der Firma Denso Wave, einer Tochterfirma von Toyota, erfunden. Der Code wurde entwickelt um Bauteilen für die Produktion von Autos eindeutig zu identifizieren. Im Jahr 2000 wurde der QR-Code erstmals als IEC-Standard festgelegt. Seit 1994 wurde der QR- Code weiterentwickelt. In Japan sind QR-Codes sehr populär. Seit 2007 verbreiten sie sich auch in Europa. Die Verwendung des QR-Codes ist lizenz- und kostenfrei. Die Firma Denso Wave hat die Spezifikationen offengelegt. Es existiert das Modell 1 und Modell 2. Der Folgende Artikel befasst sich jedoch mit dem Modell 2. Modell 2 ist der am meisten verbreitete QR-Code. Anwendungsbereiche Neben den ursprünglichen Anwendungsbereichen in der Automobilindustrie, werden QR- Codes in weiteren Industriezweigen verwendet. Auch im Alltag sind QR-Codes anzutreffen. Beispiele bei denen man QR-Codes im Alltag antrifft sind vor allem Fahrplanauskünfte, Einkaufszettel und Visitenkarten. Auch im Werbebereich werden QR-Codes verwendet. Auf vielen Flyern befinden sich QR-Codes welche einen Link enthalten. Will man an einem Gewinnspiel teilnehmen kann man nur noch den QR-Code lesen, und die vorgefertigte SMS abschicken. Hauptfeatures Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten digitale Daten abzulegen, aber QR-Codes stechen mit ihren Hauptfeatures hervor. Die vier am häufigsten genannten Leistungsmerkmale sind: - Schnelles Decoding - Robust / Tolerant - Masking - Verschiedene Zeichensätze Obwohl es sich bei QR Codes um zweidimensionale Symbole handelt, werden sie durch die Finder Patterns sehr schnell gefunden. Das bedeutet die Position in einem Bild wird schnell und korrekt ermittelt. Zusätzlich ist die Suche im Bild von der Orientierung (bzw. Drehung) des Symbols unabhängig. Wenn der QR Code über Kopf steht, wird er trotzdem richtig erkannt. Selbst wenn das zu decodierende Bild verformt oder verzerrt ist, können die Daten oft trotzdem ausgelesen werden. Beispiele hierfür sind QR Codes auf unebenen Flächen oder schräg fotografierte Symbole. QR Codes können, abhängig vom gewählten Fehlerkorrektur Niveau, auch bei bis zu 30% Verschmutzung noch korrekt erkannt werden. Dabei wird die Nachricht mit Hilfe der eingebauten Fehlerkorrekturmaßnahmen wiederhergestellt. 3
rotierter QR-Code verzerrter QR-Code verschmutzter QR-Code Kapazität und Fehlertoleranz Die Anzahl der Daten welche sich in einem QR-Code speichern lassen, hängen von der Version und dem Fehlerkorrekturlevel ab. Es gibt 40 Versionen. Die Version 1 besitzt 21x21 Module. Jede weitere Version besitzt auf jeder Seitenlänge 4 Module mehr, also besitzt die Version 2 25x25 Module. Die grösste Version ist die Version 40 und besitzt 177x177 Module. Es gibt 4 verschiedene Fehlerkorrektur Levels: Fehlerkorrektur-Levels Level L Level M Level Q Level H 7% der Daten können wiederhergestellt werden 15% der Daten können widerhergestellt werden 25% der Daten können wiederhergestellt werden 30% der Daten können wiederhergestellt werden Der maximale Informationsgehalt eines QR-Code (Version 40, Level L) beträgt 23`648 Bit also fast 3kB. Damit lassen sich 7 089 Dezimalziffern, 4 296 alphanumerische Zeichen und 1 817 Kanji-Zeichen codieren. 4
Aufbau Der Aufbau eines QR-Codes ist im folgenden Bild zu sehen: Ein Code besteht aus den Function Patterns und der Encoding Region. Letztere enthält die eigentlichen Nutzdaten. Modul Ein Modul ist die kleinste Einheit auf einem QR-Code. Man unterscheidet zwischen hellen Modulen (meistens Weiss) und dunklen Modulen (meistens Schwarz). Ein Modul entspricht einem Bit. Wobei ein helles Modul einer Binären 0 und das Dunkle einer Binären 1 entspricht. 8 Module zusammen werden zu einem Codewort zusammengefasst. Timing Pattern Das Timing Pattern ist eine Folge von dunkler und heller Modulen und hilft die Zeilen und Spalten besser voneinander zu unterscheiden. Dieses Pattern ist erst im Decodierungsprozess wichtig. 5
Codewörter Ein Codewort besteht, wie schon erwähnt, aus 8 Modulen und ist demnach ein Byte gross. Die Module sind in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet. Die Anordnung hängt von der Richtung ab. Man unterscheidet zwischen zwei grundsätzlichen Richtungen: Upwards und Downwards. Das MSB ist mit 7 und das LSB mit 0 gekennzeichnet. Das erste Codewort (D1) befindet sich immer unten rechts und hat die Richtung Upwards. Wird die jeweilige Richtung durch die Grenze des QR-Codes unterbrochen muss die Richtung gedreht werden. Hat ein Codewort nicht mehr ganz Platz (wie z.b. D11), weil die Grenze des QR-Codes erreicht ist, werden die herausragenden Module in die nächsten zwei Spalten übertragen. Steht einem Codewort ein Funktionsmuster (z.b. ein Alignment Pattern) im Weg gibt es zwei Möglichkeiten dieses zu umgehen. Ist nur eine Spalte betroffen, wird das Funktionsmuster bestmöglich umflossen (D15). Sind jedoch beide Spalte betroffen, wird das Muster in zwei 6
Teile zerlegt (D13). Bleiben am Schluss Module übrig, welche nicht mehr ein Codewort bilden (< 8), werden diese Remainder Bits genannt und bleiben leer bzw. hell. Zuerst folgen die eigentlichen Daten (D1 bis D28), danach die Fehlerkorrekturdaten. Quiet Zone Diese Zone ist Notwendig um den QR-Code später zu erfassen und korrekt zu scannen. So kann der QR-Code auch auf dunklen Flächen angebracht werden und trotzdem korrekt gelesen werden. Ohne die Quiet Zone würden die Finder Patterns mit dem Hintergrund verschmelzen. Finder Patterns Finder Patterns ermöglichen die Erkennung von QR-Codes. Sie sind immer Quadratisch und haben immer das Verhältnis 1:1:3:1:1. Die Finder Patterns werden von sogenannten Seperator Modulen umrandet, damit sie korrekt erkannt werden können. In einem QR-Code gibt es 3 Finder Patterns; Oben links, unten links und oben rechts. So kann die Ausrichtung des QR-Codes bestimmt werden und selbst dann gelesen werden, wenn er nicht richtig orientiert eingelesen wird. Alignment Pattern Mit den Alignment Patterns könne Verzerrungen und Verformungen in grösseren QR-Code korrigiert werden. So kann z.b. auch ein QR-Code gelesen werden, welcher auf einer nicht flachen Oberfläche angebracht ist. Bei der Korrektur wird als erstes die theoretische Position des Alignment Pattern anhand der Finder Patterns errechnet. Danach wird die tatsächliche Position des Patterns gescannt und mit der berechneten Position verglichen. Stimmen beide überein, so gibt es keine Verzerrung, ansonsten wird die Abweichung berechnet. Alignment Pattern haben eine fest definierte Position im Symbol die durch 2 Koordinaten gegeben ist. Je nach Version, variieren die Positionen und die Anzahl der Alignment Pattern. Die Koordinaten geben das Zentrum des Patterns an. Die Positionen der Alignment Pattern kann anhand folgender Tabelle errechnet werden. 7
Version Anzahl der Alignment Patterns Koordinaten der Alignment Patterns 1 0-2 1 6 18 3 1 6 22 4 1 6 26 5 1 6 30 6 1 6 34 7 6 6 22 38 8 6 6 24 42 9 6 6 26 46 10 6 6 28 50 11 6 6 30 54 12 6 6 32 58 13 6 6 34 62 14 13 6 26 46 66 15 13 6 26 48 70 16 13 6 26 50 74 17 13 6 30 54 78 18 13 6 30 56 82 19 13 6 30 58 86 20 13 6 34 62 90 21 22 6 28 50 72 94 22 22 6 26 50 74 98 23 22 6 30 54 78 102 24 22 6 28 54 80 106 25 22 6 32 58 84 110 26 22 6 30 58 86 114 27 22 6 34 62 90 118 28 33 6 26 50 74 98 122 29 33 6 30 54 78 102 126 30 33 6 26 52 78 104 130 31 33 6 30 56 82 108 134 32 33 6 34 60 86 112 138 33 33 6 30 58 86 114 142 34 33 6 34 62 90 118 146 35 46 6 30 54 78 102 126 150 36 46 6 24 50 76 102 128 154 37 46 6 28 54 80 106 132 158 38 46 6 32 58 84 110 136 162 39 46 6 26 54 82 110 138 166 40 46 6 30 58 86 114 142 170 Beispiel: Bei einem Version 7 QR-Code kann man die Zahlen 6, 22 und 38 aus der Tabelle entnehmen. Bildet man nun alle möglichen Zahlenpaare, erhält man alle Koordinaten der Alignment Pattern. Für einen QR-Code Version 7 sind diese: (6,6), (6,22), (6,38), (22,6), (22,22), (22,38), (38,6), (38,22), (38,38). Die Koordinaten (6,6), (6,38) und (38,6) werden von den Finder Patterns überdeckt, deshalb sind diese nicht vorhanden. Mit dieser Technik können kleinere Unregelmässigkeiten der Form ausgeglichen werden. Ist der Untergrund jedoch stark verformt, können die Daten nicht mehr korrekt ausgelesen werden. Die Reihenfolge, in der die einzelnen Alignment Pattern ausgelesen werden ist auf folgendem Bild abgebildet. 8
Daten in einem QR-Code Grundsätzlich sind die Daten in QR-Codes nach dem Schema in Abbildung 1 angeordnet. Daten in Codewörtern Der CCI (Character Count Identifier) entält die Anzahl der Zeichen, die in dem Modus encodiert wurden. Der Mode Indicator enthält Daten darüber, welcher Zeichensatz verwendet wurde. Es gibt vier verschiedene Modi: - Numeric Mode: (0-9) - Alphanumeric Mode: (0-9, A-Z und $%*+-./:) + Leerzeichen - 8-Bit Mode: Daten aller Art - Kanji Mode: Japanischer Zeichensatz Die Daten enthalten die eigentliche Nachricht. Sie werden von einem Terminator (Bitfolge von 0000) abgeschlossen. Sollte die Nachricht nicht alle Datencodewörter des QR-Code verwenden, müssen die verbleibenden Codewörter mit Zufallsdaten gefüllt werden. Dabei ist die Anordnung der verwendeten Bitfolge unwichtig. Jedoch wird darauf geachtet, dass es ungefähr die gleiche Anzahl an hellen Modulen sowie Dunklen gibt. Für alle diese Informationen werden Fehlerkorrekturdaten berechnet und angehängt. Zusätzlich gibt es noch Informationen über das QR-Code Symbol in Form von Format- und Versionsinformationen. Formatinformationen Die Formatinformationen bestehen aus einer Sequenz von 15 Modulen, dabei werden 5 Module für das Format und 10 für die Fehlerkorrektur verwendet. Das Format wiederum besteht aus 2 Modulen für das Fehlerkorrektur Niveau und 3 Modulen für die Mask Pattern Referenz. Diese Modulsequenz wird mit einer festgelegten XOR-Maske verknüpft. 9
Beispiel: Fehlerkorrektur Niveau M: 00 Mask Pattern Referenz: 101 Format 00101 Fehlerkorrekturdaten: 0011011100 Unmaskierte Formatinformationen: 001 0100 1101 1100 Festgelegte Maske: 101 0100 0001 0010 Formatinformationen: 100 0000 1100 1110 Können die Formatinformationen nicht gelesen werden, kann das QR Symbol nicht decodiert werden. Deshalb sind diese Daten doppelt im QR-Code vorhanden. Versionsinformationen Die Versionsinformationen bestehen aus einer Sequenz von 18 Modulen, dabei werden 6 Module für die Version und 12 für die Fehlerkorrektur verwendet. Beispiel: Versionsnummer: 7 Binärdaten: 000111 Fehlerkorrekturdaten: 110010010100 Versionsinformation: 00 0111 1100 1001 0100 Auch die Versionsinformationen werden doppelt hinterlegt. Masking Das Masking unterdrückt bestimmte Muster im Code. Beispielsweise ist es für die Erkennung notwendig das Finder Pattern Muster 1:1:3:1:1 in den Daten zu unterdrücken. Außerdem ist es von Vorteil, wenn ein Symbol keine großen weißen oder schwarzen Flächen enthält. Eine XOR-Maske garantiert diese Eigenschaften, sodass das Symbol schnell und sicher erkannt wird. Eine Maske ist eine Funktion mit zwei Parametern (x,y), die einzelne Koordinaten von Datenmodulen erwartet. Ihr Rückgabewert ist ein Boolean. Nacheinander werden die Koordinaten aller Datenmodule abgefragt, bei True wird die Farbe des Moduls umgekehrt (hell wird zu dunkel und umgekehrt), bei False passiert nichts. Da nur die Datenmodule davon betroffen sind, werden Metainformationen, Finder-, Alignment- und Timing Patterns nicht maskiert. Für die Version 1 gibt es acht solche Funktionen. Die Mask Pattern Referenz wird in den Formatinformationen abgelegt, sodass eindeutig feststeht welche Funktion für ein Symbol gewählt wurde. Die 8 verschiedenen Masken ( oben links (i, j) = (0, 0) ): 10
Die Maskierung darf für diese Module nicht durchgeführt werden. Prinzipiell ist es egal welche der Funktionen beim Masking verwendet wird, solange die Referenz richtig ist. Trotzdem sind im Standard bestimmte Kriterien hinterlegt, die helfen sollen die optimale Funktion herauszusuchen. Bei der Auswahl der Maske wird zunächst eine Ausgangsmatrix mit den zu maskierenden Datenmodulen erzeugt. Diese wird dann nacheinander mit allen acht Funktionen maskiert und jede maskierte Matrix wird anschließend bewertet. Die Bewertung erfolgt auf Grundlage der nachfolgenden Tabelle. Wenn ein Bewertungskriterium zutrifft, werden die dazugehörigen Punkte für die jeweilige Matrix hinzugezählt. Es wird die Referenz der Maske / Funktion ausgewählt, die die wenigsten Punkte hat. Eigenschaft Bewertungskriterium Punkte Hintereinander liegende Anzahl der gleichfarbigen 3+i Module in Zeile / Spalte haben die gleiche Farbe Module = (5+i) Block mit Modulen in Blockgrösse = m*n 3*(m-1)*(n-1) gleicher Farbe 1:1:3:1:1 Muster in Zeile / 40 Spalte Verhältnis helle zu dunkle Module in gesamten Symbol 50 ± (5*k)% zu 50 ± (5*(k+1))% 11 10*k
Darstellung Der QR-Code kann mit allen gängigen Druckern auf eine Oberfläche gedruckt werden. Der QR-Code kann auch mit mehreren Farben dargestellt werden. Wichtig dabei ist der Kontrast zwischen den beiden Modulen dunkel und hell. In der Industrie werden viele QR-Codes mit einem Laser in eine Oberfläche gebrannt. So kann der QR-Code sehr klein dargestellt werden und ist auch gut haltbar. Der Grösse des QR-Codes ist kein Limit gesetzt. QR-Codes können auch auf Plakaten, Hausfassaden dargestellt werden. Wichtig dabei ist, dass das Lesegerät, (z.b. ein Mobiltelefon) den gesamten QR-Code erfassen kann. Der Fantasie der Darstellung ist keine Grenze gesetzt. In untenstehendem Bild ist ein Designer QR-Code in einem Feld abgebildet. Lesen des Codes Smartphone QR-Codes können mit den meisten Smartphone gelesen werden. Dazu benötigt das Smartphone eine Kamera und eine Software, die das Decodieren des Codes ermöglicht. Diese Software kann in den meisten Fällen als Freeware gedownloadet werden. Scanner Scanner ist der gebräuchliche Begriff für ein Lesegerät von Codes. Sie verfügen über eine Kamera und einen Decoder. Viele Scanner besitzen eine Zielhilfe (meistens in Form eines Lasers) welche den Bereich anzeigt, welcher gescannt wird. 12
Gefahren Weil man den Inhalt eines QR-Codes nicht auf den ersten Blick erkennen kann, können in ihm Links versteckt werden, welche den Benutzer auf schädliche Internetseiten weiterleiten. Es können sogar ungewollte Befehle ausgeführt werden. Anfang September 2010 wurden Angriffe auf Mobiltelefone mit Android Betriebssysteme bekannt, bei denen über ein in einem QR-Code verschlüsselten Link der ICQ-Client heruntergeladen werden konnte. Die Software war mit einem Trojaner versehen, welcher unaufgefordert mehrere kostenpflichtige SMS an einen russischen Premium-Dienst schickte. Als Schutz vor solchen Attacken wird bei vielen QR-Codes Leser der Inhalt des QR-Code zunächst nur angezeigt, bevor er ausgeführt wird. Weiterentwicklungen Micro-QR-Code Der Micro-QR-Code ist eine platzoptimierte Weiterentwicklung des QR-Codes. Dieser Code wurde 2000 von der Firma Denso Wave vorgestellt und kann bis zu 35 Zahlen bzw. 21 alphanumerische Zeichen darstellen. Der grösste Unterschied zu dem herkömmlichen QR-Code liegt in der Anzahl Finder Pattern. Der Micro-QR-Code besitzt nur eines der drei Finder Pattern. Secure-QR-Code Der Secure-QR-Code wurde 2005 von der Firma Denso Wave vorgestellt. Dabei handelt es sich um einen QR-Code, welcher verschlüsselt ist, oder nur ein Teil verschlüsselter Informationen enthält. Ist nur ein Teil des Codes verschlüsselt, kann der öffentliche Code (nicht verschlüsselter Teil) mit normalen QR-Code Scannern (z.b. Smartphone) gelesen werden. Zum Ver- und Entschlüsseln ist ein 16-Bit Kennwort nötig. iqr-code Der iqr-code ist die neuste Weiterentwicklung der Firma Denso Wave. Der grosse Vorteil und Unterschied zu den herkömmlichen QR-Codes liegt in der Form. iqr-codes müssen nicht mehr zwingend eine Quadratische Form besitzten, sondern können auch Rechteckig sein. Ausserdem wurde die maximale Grösse um rund 80% vergrössert. So gibt es iqr- Codes mit maximal 422x422 Modulen. In diesem Code (Version 61) können mehr als 40 000 Zeichen Codiert werden. Es gibt gesamthaft 15 verschiedene Rechteckformate zwischen 5x19 und 43x131. Der iqr-code ist bei gleicher Datenmenge um ca. 30 % kleiner als der herkömmliche QR-Code. Der kleinstmögliche iqr- Code (Version 1) ist 9x9 Module gross und bietet Platz für 6 Zeichen. Häufig wird ein Design-QR- Code auch als iqr-code bezeichnet, was jedoch falsch ist. 13
Design-QR-Code Design-QR-Code ist die Bezeichnung für einen graphisch bearbeiteten QR-Code. Meistens wird ein Bild oder ein Logo mittig in den QR-Code platziert. Dank dem Fehlerkorrekturlevel kann der Code trotzdem noch gelesen werden. Allerdings wurde dann die Fehlerkorrektur bereits ausgenutzt und der Code kann bei einer weiteren Überdeckung oder Verschmutzung nicht mehr gelesen werden. Eine andere Möglichkeit ist es den QR-Code mithilfe mathematischer Verfahren in Graphiken einzufügen. So bleibt der komplette QR-Code lesbar. So kann z.b. ein Firmenloge in einen QR-Code eingearbeitet werden. Quellen - http://martinstoev.de/public/articles/qrcode/ausarbeitung/index.html - http://www.fancyqrcode.com/ - http://de.wikipedia.org/wiki/international_electrotechnical_commission - http://de.wikipedia.org/wiki/qr-code - http://goqr.me/de/ - http://www.wt-os.de/fileadmin/user_upload/alle/reco/leitfaden-qr-code.pdf - ISO/IEC 18004, 2000-06-15 14