Чтение Micro QR Code версии М2 (алфавитно-цифровой режим)

Задание: необходимо прочитать Micro QR Code версии М2, содержащий кодовое слово, состоящее из символов верхнего регистра (на примере закодированных слов – NOVICE, MONEY и M1ND5; почему выбрано именно такое количество символов будет также расшифровано) на основе алгоритма, приведенного в ГОСТ Р ИСО/МЭК 18004-2015 (п. 7.4.4). Аналогично версии М1 данный режим невозможно прочитать стандартными ресурсами мобильных устройств, производимых GAFAM (как оказалось, свободно распространяемые библиотеки страшно глючат, поэтому Ассоциация отказалась и от этого режима).

Примечание: здесь и далее будет использоваться информация ГОСТ Р ИСО/МЭК 18004-2015 или в оригинале ISO/IEC 18004:2015 (далее – ГОСТ).

Этап 0. Подготовка исходных данных

Рассмотрим М2 поближе. Имеем матрицу размерностью 13´13 бинарных символов (рис. 11 ГОСТ), один индикатор и два определителя (горизонтальный и вертикальный) (рис. 1).

Первый наносимый ограничитель символ на матрицу М2 – надлежащие битовые последовательности информации о формате (рис. 2). Чтение битовой последовательности начинается с 14 бита, т.е. последовательность чтения/записи будет 14, 13, 12, 11, 10 и т.д.

Второй не менее важный элемент М2 – маршрут последовательности заполнения битами данных поля матрицы (рис. 3). Данная схема отражена на рисунке 11 ГОСТ.

Запускаем программное приложение MS Excel. Готовим последовательность листов Книги для дальнейшей работы:

-     Лист1 – называем Code;

-     Лист2 – M2 NOVICE;

-     Лист3 – M2 MONEY;

-     Лист4 – M2 M1ND5.

Лист1 (Code) – для размещения корректирующих данных и сверки полученных на листах результатов. Листы 2, 3 и 4 нужны для декодирования соответствующих последовательностей.

На листах с семерками (Лист2 – Лист3) делаем размерность ячеек одинаковой (например, 23 на 23 пикселя) и по горизонтали, и по вертикали (рис. 5a). Затем закрашиваем поле серым фоновым цветом (рис. 5b).

Примечание: для удобства дальнейшего описания ссылок на ячейки листа перейдем от современного отображения адресов ячеек в виде R1C1 (относительные ссылки) к старому формату в виде A1 (буквенно-числовое отображение). Выбираем в Меню Файл → Параметры. В категории Формулы в группе Работа с формулами снимаем галочку напротив пункта Стиль ссылок R1C1. В результате названия столбиков должны поменяться с чисел на латинские буквы (рис. 6).

Если посчитать количество пикселей (квадратиков) микрокода М2 (рис. 1) по горизонтали и/или по вертикали, то получится матрица (табличка) размерностью 13×13. Создадим новую схему шаблон для микрокода М2 на листах с семерками: Лист2 – Лист3 начиная с ячейки D4 (рис. 6).

Воспользуемся любым кодировщиком микрокодов в Интернет или рисунками далее для переноса битовой маски рабочего поля микрокода на листы книги MS Excel (рис. 7-8).

Каждый микрокод располагается на индивидуальном листе книги. Верхний левый угол каждого микрокода начинается в ячейке D4.

Исходные данные для декодирования готовы. Переходим к заполнению первого листа книги Code.

В системе QR Code существует несколько разновидностей кодирования: числовой, алфавитно-цифровой, байтовый, кандзи, структурированное соединение и FNC1.

Примечание: каждый из методов имеет ряд собственных особенностей. Не получится использовать предложенный ниже алгоритм для байтовых последовательностей или для кандзи.

Используем алфавитно-цифровую систему кодирования для выполнения требований задания. Добавлено следующее ограничение – необходимо кодировать 6 и 5 символов верхнего регистра искусственного алфавита (Таблица 5 ГОСТ). М2 поддерживает два уровня исправления ошибок – L и M. Обращаемся к таблице 7 ГОСТ, получаем, что уровни L и M поддерживают емкость 5 символов, а 6 символов поддерживает только уровень L (табл. 1).

Воспользуемся алгоритмом, представленном в ГОСТ (п. 7.4.4). Разбиваем кодовые слова на слоги по две буквы. Получаем следующие комбинации – NO, VI и CE; MO, NE и Y; M1, ND и 5.

Таблица 1 – Число знаков символа и емкость входных данных для QR Code (Таблица 7 ГОСТ)

Открываем лист Code. Пример готового результата представлен на рисунке 9.

Для автоматизации сначала переносим таблицу символов (табл. 2), начиная с ячейки B4.

Таблица 2 – Кодирование/декодирование для алфавитно-цифрового режима (Таблица 5 ГОСТ)

В данной таблице есть одна особенность – используется исключительно латиница верхнего регистра, т.е. большие буквы.

Резервируем восьмую строчку, начиная с ячейки C8 для исходных данных. В ячейку L8 заносим число 45 – множитель кода первой буквы кодового слога. В десятой строке ячейки заполнены парами ссылок на слоги исходного слова. Например, в ячейке C10 – =C8, а в ячейке D10 – =D8 (рис. 10).

В одиннадцатой строчке происходит автоматический поиск кода символа в последовательности символов. Например, в ячейке C11:

=ИНДЕКС($B$5:$AT$5;ПОИСКПОЗ(C10;$B$4:$AT$4;0))

где

B5:AT5 – порядковый номер символа (строка 5, рис. 9);

C10 – искомый в последовательности символ;

B4:AT4 – последовательность символов для поиска (строка 4, рис. 9).

Заполним ниже таблицу 11 строки со ссылками на соответствующие ячейки:

В строке 13 объединяем ячейки C13 и D13. Также объединяем ячейки F13 и G13, и I13 и J13. В ячейку C13-D13 прописываем:

=C11*L8+D11

где

C11 – ячейка с числом 23 (рис. 6);

L8 – ячейка с числом 45 (рис. 6);

D11 – ячейка с числом 24 (рис. 6).

В результате в ячейке должно появиться число 1059. Аналогичные ссылки на вторую и третью пары букв добавляем в ячейки F13-G13 и I13-J13:

=F11*L8+G11

=I11*L8+J11

Следующий этап – необходимо перевести полученные десятичные числа 1059, 1413 и 554 в двоичное представление. В 15 строке объединяем ячейки с C15 по I15. Аналогично объединяем ячейки в 17 и 19 строках (рис. 6).

В ячейку C15-I13 добавляем:

=ОСНОВАНИЕ(C13;2;11)

В ячейку C17-I17 добавляем:

=ОСНОВАНИЕ(F13;2;11)

В ячейку C19-I19 добавляем:

=ОСНОВАНИЕ(I13;2;11)

Далее необходимо объединить все три полученные бинарные кодовые последовательности в одну. В 21 строке объединяем ячейки с C21 по P21. В ячейку C21-P21 добавляем:

=C15&C17&C19

Полученная кодовая комбинация (рис. 6):

100001000111011000010101000101010

В результате получена кодовая комбинация первого слова – NOVICE. Выделяем диапазон ячеек B7:P22, копируем. Переходим в ячейку Q7, добавляем выделенный фрагмент. Переходим в ячейку AF7, аналогично, добавляем выделенный диапазон B7:P22. Пример полученного результата представлен на рисунке 11.

В диапазон ячеек R8:V8 переносим слово MONEY (рис. 9). Ячейка W8 не нужна, оставляем пустой. Также удаляем содержимое ячеек Y10 и Y11. В диапазоне ячеек X13:Y13 меняем функцию на:

=X11

В диапазоне ячеек R19:X19 меняем функцию на:

=ОСНОВАНИЕ(X13;2;6)

Полученная битовая комбинация в диапазоне ячеек R21:AD21 кодирует искомое слово:

0111111011010000011001100010

В диапазон ячеек AG8:AK8 переносим слово M1ND5 (рис. 9). Ячейка AL8 не нужна, оставляем пустой. Также удаляем содержимое ячеек AN10 и AN11. В диапазоне ячеек AM13:AN13 меняем функцию на:

=AM11

В диапазоне ячеек AG19:AM19 меняем функцию на:

=ОСНОВАНИЕ(AM13;2;6)

Полученная битовая комбинация в диапазоне ячеек AG21:AS21 кодирует искомое слово:

0111101111110000011000000101

Лист с корректирующими данными готов.

Переходим к основным микрокодам. Открываем лист книги М2 NOVICE с исходным битовым полем (рис. 12a). К сожалению, за долгие годы MS Excel так и не научился работать с цветом ячеек. Добавим в каждую цветную ячейку соответствующее битовое значение: белая ячейка – 0, черная ячейка – 1 (рис. 12b).

Для удобства отделим цветом индикатор служебной информации (рис. 13a) – битовая последовательность информации о формате. Чтение последовательности начинается с 14 бита, т.е. последовательность чтения будет 14, 13, 12, 11, 10 и т.д. Также отделяем цветом индикатор распознавания микрокода (рис. 13b).

Полученная матрица готова для дальнейшего анализа (рис. 14).

Переходим к первому этапу – работа со служебной информацией.

 Этап 1. Служебная информация

Перед тем как начать работать с основной рабочей областью микрокода, необходимо расшифровать служебную информацию. Пример итогового результата приведен на рисунке 15.

Сначала переводим служебную информацию также в бинарное представление, т.е. ряды ячеек E12-L12 и L5-L12 представляем как набор 0 (светлые ячейки) и 1 (темные ячейки) (рис. 15).

Выносим служебную информацию из микрокода, т.е. дублируем полученный ряд в угловом представлении и в представлении – один ряд. Получаем следующие ссылочные ячейки:

Воспользуемся рядом бит служебной информации 14 строки для определения версии и уровня микрокода, а также для получения вида используемой в данном коде маски. Сначала найдем соответствие в таблице ГОСТ, потом сделаем самопроверку.

Объединяем ячейки R16-AF1. В полученную новую ячейку P16 добавляем функцию (рис. 15):

=СЦЕП(R14:AF14)

По таблице С.1 ГОСТ (табл. 3) находим битовую последовательность информации о формате и соответствующую последовательность бит данных до маскирования. Для данного примера – 00100.

Проверим полученный результат. Заполняем ячейки в соответствии с таблицей:

Воспользуемся алгебраической функцией XOR для получения версии и уровня микрокода, и кода маски. Заполняем ячейки восьмой строчки:

В результате получаем последовательность 00100, полностью соответствующую полученной по таблице ГОСТ. Расшифруем полученную комбинацию. Разделим на две части: 001 и 00 (3 и 2 бита соответственно). Обратимся к таблице 13 ГОСТ (табл. 4).

Таблица 4 – Номер символа для Micro QR Code

Получаем, что в данном микрокоде используется версия М2 и уровень L, т.е. комбинация M2-L. Запомним, на последующих этапах данная информация пригодится.

Разбираем вторую часть служебной информации, комбинацию маски 00. Обратимся к рисунку 22 ГОСТ. Перенесем маску с соответствующим битовым кодом на Лист, начиная с ячейки AJ4 (рис. 16).

Аналогично основной матрице, каждая черная ячейка обозначена как 1, а каждая белая – 0.

Все необходимые данные на основе служебной информации получены, переходим ко 2-му этапу.

Этап 2. Расшифровка данных основной рабочей области

 На основе матрицы исходных данных в диапазоне ячеек D4:P16 и матрицы маскирования в диапазоне ячеек AJ4:AV16 получаем матрицу немаскированных данных в диапазоне ячеек D20:P32 с использованием функции XOR. Пример готового результата представлен на рисунке 17.

В ячейке M21 добавлена следующая формула:

=БИТ.ИСКЛИЛИ(M5;AS5)

Далее за нижний правый угол выделенной ячейки (магический квадрат) дублируем данную формулу на всю поверхность рабочей матрицы. В результате получаем немаскированный вариант для диапазона ячеек M21:P32 и E29:L32.

Самый простой вариант для подготовки к следующему этапу, перенести полученную немаскированную матрицу в таблицу символов вручную. Но это не так интересно. Подготовим таблицу маршрута и заготовку для заполнения битовых комбинаций с учетом особенностей алфавитно-цифрового режима.

Перенесем маршрут (рис. 4) на Лист MS Excel, начиная с ячейки AJ20, где каждую ячейку подпишем соответствующим числовым значением. Результат представлен на рисунке 18.

Напомню: не обязательно каждую ячейку прописывать вручную. MS Excel умеет строить прогрессии. Например, заполняем ячейки AV32 и AV31 значениями 1 и 3 соответственно. Затем выделяем заполненные ячейки AV32:AV31 и за магический квадратик выделенного диапазона (нижний правый угол ячейки) тянем до ячейки AV21. В результате весь ряд будет заполнен. Остальное рабочее поле можно заполнить аналогичным образом.

Начиная с ячейки R20 в диапазоне ячеек R20:AE31 делаем шаблон-заготовку для последующего наполнения битовой комбинацией в буквенно-цифровом режиме. Пример полученного результата представлен на рисунке 19 (цветовая дифференциация произвольная). Цветом отделена служебная информация и кодовая комбинация декодируемого числа.

Так как этой информации достаточно для расшифровки сообщения, переходим к третьему этапу.

 Этап 3. Преобразование кода в набор символов

 Пример итогового варианта представлен на рисунке 20.

Как было упомянуто ранее, битовые комбинации в диапазон ячеек R21:AB27 можно перенести вручную (простой вариант). Но можно и автоматизировать. Таблица функций заполнит битовые ячейки автоматически (табл. 5).

В ячейке R21 указан код 1 – обозначает наличие алфавитно-цифрового режима (таблица 2 ГОСТ).

Следующий диапазон из 3-х бит в ячейках S21:U21 – диапазон, отображающий битовую комбинацию – 110 или число 6 (по количеству искомых в микрокоде символов). Проверим, автоматизируем процесс перевода последовательности бит из двоичной системы в десятичную:

1.    Объединим ячейки битовых комбинаций в одну W21:X21. В полученную ячейку W21 добавим функцию:

=СЦЕП(S21:U21)

2.    В ячейку Y21 добавим функцию перевода двоичного кода в десятичное значение:

=ДВ.В.ДЕС(W21)

3.    Аналогичным образом получим искомые группы пар символов. Добавим функции в ячейки, согласно следующие таблице:

4.    Объединим ячейки в одну R29:AE29. Добавляем функцию сцепления битовых комбинаций:

=СЦЕП(AC23;AC25;AC27)

5.    Объединим ячейки в одну R30:AE30. Добавляем функцию сцепления числовых комбинаций:

=Code!C21

6.    Объединим ячейки в одну R31:AE31. В полученную ячейку R31 добавим условие сравнения предыдущих двух комбинаций. Если совпадают – «ОК!», если не совпадают – не «ОК!»:

=ЕСЛИ(R29=R30;"ОК!";"не ОК!")

7.    На данном этапе можно остановиться, остальное поле занимает код Рида-Соломона. В более сложном алгоритме «Пишем микрокод» будет расшифрован данный этап детально на примере.

 Этап 4. Применение полученного алгоритма для M2 MONEY

 Так как заготовлена битовая последовательность для M2 MONEY заранее, а основной алгоритм очень схож (необходимо будет поменять только маску и функцию комбинации итогового кода), то воспользуемся данным обстоятельством и просто продублируем страницу M2 NOVICE на M2 MONEY с учетом замены исходного микрокода.

Копируем диапазон ячеек R4:AV16 на странице M2 NOVICE, переходим на страницу M2 MONEY. Выбираем ячейку R4, добавляем скопированный фрагмент R4:AV16 получаем новый анализ служебной информации (рис. 21).

Для M2 MONEY служебная информация не дублирует служебную информацию для M2 NOVICE. Необходимо использовать другую маску – 11.

Переходим ко второй составляющей – анализ рабочей области микрокода. Результат представлен на рисунке 22.

Аналогично предыдущему этапу, в ячейке R21 указан код 1 – обозначает наличие алфавитно-цифрового режима (таблица 2 ГОСТ). Следующий диапазон из 3-х бит в ячейках S21:U21 – диапазон, отображающий битовую комбинацию – 101 или число 5 (по количеству искомых в микрокоде символов). Проверка в ячейке Y21 подтверждает полученное значение.

1.    Изменим функции в ячейках, согласно следующей таблице:

2.    В объединенный диапазон ячеек R30:AE30 добавляем функцию:

=Code!R21

В результате получаем полное совпадение кодовой составляющей.

 Этап 5. Применение полученного алгоритма для M2 M1ND5

 Аналогично предыдущей странице, для M2 M1ND5 заготовлена битовая последовательность заранее, а алгоритм идентичен M2 MONEY. Воспользуемся данным обстоятельством, продублируем страницу M2 MONEY на M2 M1ND5 с учетом замены исходного микрокода.

Копируем диапазон ячеек R4:AV16 на странице M2 MONEY, переходим на страницу M2 M1ND5. Выбираем ячейку R4, добавляем скопированный фрагмент R4:AV16 получаем новый анализ служебной информации (рис. 23). Для M2 M1ND5 служебная информация полностью дублирует служебную информацию для M2 MONEY.

Переходим ко второй составляющей – анализ рабочей области микрокода. Результат представлен на рисунке 24.

Аналогично M2 MONEY, в ячейке R21 указан код 1 – обозначает наличие алфавитно-цифрового режима (таблица 2 ГОСТ). Следующий диапазон из 3-х бит в ячейках S21:U21 – диапазон, отображающий битовую комбинацию – 101 или число 5 (по количеству искомых в микрокоде символов). Проверка в ячейке Y21 подтверждает полученное значение.

Вносим единственное изменение – в объединенный диапазон ячеек R30:AE30 добавляем функцию:

=Code!AG21

В результате получаем полное совпадение кодовой составляющей.

 P.S.: как уже стало понятно из добавочных двух последних этапов, кодирование нечетного количества символов просто изменяет алгоритм кодирования пары символов алфавитно-цифрового режима (11 бит) на код порядкового номера одного символа этого же режима (6 бит). Данный алгоритм – ноу-хау программиста или программистов моделистов программного модуля Ассоциации. Согласно ГОСТ, к нечетной цифре или букве необходимо добавить ноль и перевести в бинарный вид пару символов.

 Удачи в декодировании алфавитно-цифровых последовательностей Micro QR Code версии M2!!!