Как устроен QR-код? [Veritasium]

От отвергнутого трюка к повседневной полезности Когда-то QR-коды казались бессмысленными и обреченными на провал. Они оказались настолько полезными, что теперь используются в транспорте, ресторанах, рекламе и даже в платежных системах некоторых стран. Их появление связано с более ранними попытками быстрого кодирования и перемещения информации.

Потеря художника вызвала волну азбуки Морзе После того, как задержка с отправкой письма стоила Сэмюэлю Морзе возможности повидаться со своей женой перед ее смертью, он решил использовать быструю связь на большие расстояния. Он помог создать одноконтурный телеграф, который посылал короткие и длинные импульсы, назначая более короткие последовательности частым письмам; операторы вскоре читали сообщения на слух. Символический сигнал SOS был выбран не из-за смысла, а потому, что его легко отправить и распознать.

Узкое место розничной торговли порождает штрих-код Один из руководителей универмага попросил придумать способ сортировки товаров по номерам, не вводя названия и цены, ‑ повторяющаяся задача, от которой страдали кассиры. Бернард Сильвер и Норман Вудленд воплотили эту идею в жизнь; на пляже Вудленд растягивал точки в линии, вдохновляя на создание штрих-кода. UPC кодирует 12 цифр, считываемых лазером с помощью отражения света, с защитными полосами в начале, центре и конце для синхронизации и ориентации сканирования.

Глобальная уникальность и математика, лежащая в основе UPC Левая половина кодирует производителя, а правая - товар, при этом компании платят за резервирование диапазонов номеров. Один и тот же продукт имеет одинаковый код по всему миру, и каждый вариант получает свой собственный. Поскольку последняя цифра является контрольной, количество используемых комбинаций сокращается до 10^ 11; уже зарегистрировано более миллиарда, но выход за рамки stripes был вызван потребностью в более обширных данных, а не неизбежным их исчерпанием. Контрольная сумма умножает сумму нечетных позиций на три, добавляет сумму четных позиций и выдает значение, кратное десяти, выявляя однозначные ошибки, но не две сразу.

Безопасность пищевых продуктов раскрывает границы применения полосок Кризис с коровьим бешенством показал, что 12 цифр не могут содержать сведений о происхождении, необходимых для отслеживания импорта говядины. Комбинированный код 49 Дэвида Аллейса — предшественник PDF417 — увеличил производительность, но по-прежнему не оправдал ожиданий. Появились настоящие двумерные матрицы, позволяющие осуществлять надежную идентификацию на промышленных линиях.

Нефть, камни Go и рождение QR-матрицы Штрих-коды, размазанные заводским маслом, приходилось набирать вручную, поэтому Масахиро Хара разработал более удобный код. В игре Go была предложена сетка из черно-белых модулей, которые остаются читаемыми даже при незначительных сдвигах. Текст кодируется в виде 8‑битных байт (ASCII) в версиях от 21×21 до 177×177 модулей емкостью до 3 КБАЙТ, окруженных тихой зоной.

Ориентирующие квадраты, временные линии и зигзагообразный набор байтов Три больших угловых квадрата определяют местоположение и ориентацию символа, меньший квадрат выравнивания корректирует перспективу, а временные линии между ними действуют как "перекрестки" для подсчета модулей и определения версии. Фиксированный черный модуль в нижнем меню устанавливается по соглашению. Данные начинаются справа внизу с указания режима и количества символов, затем зигзагообразно перемещаются вверх в виде 8‑битных блоков, которые пропускают системные шаблоны.

Уровни коррекции ошибок и их геометрия Четыре уровня избыточности — L, M, Q, H — восстанавливают примерно 7%, 14%, 25% или 30% полезной нагрузки, при этом выбранный уровень записывается дважды рядом с разными датчиками. Расстояние Хэмминга объясняет, насколько допустимыми должны быть кодовые слова для обнаружения и исправления переворотов. Коды Рида–Соломона на полях Галуа содержат дополнительные кодовые слова, которые обнаруживают и исправляют ошибки, ‑ метод, которому доверяет НАСА, и который обеспечивает надежное считывание CD и DVD-дисков.

Целенаправленное создание шума: маскировка для надежного сканирования Большие сплошные участки могут ввести камеры в заблуждение, поэтому одна из восьми масок изменяет выбранные модули, создавая более неправильный рисунок. Каждая маска оценивается по штрафным баллам, таким как длинные дистанции; применяется маска с наименьшим штрафным баллом и кодируется ее идентификатор, чтобы сканеры могли отменить ее. Функциональные элементы остаются нетронутыми, сохраняя выравнивание и синхронизацию при одновременном улучшении читаемости.

Открытый стандарт, интеграция камер и толчок к распространению пандемии Сохранение бесплатного использования QR‑кода позволило распространить его за пределы фабрик, несмотря на первоначальные сомнения. Возрождение коровьего бешенства в Великобритании в 2002 году подчеркнуло необходимость быстрого отслеживания, и в 2017 году Android и Apple встроили сканеры в свои камеры, что устранило проблемы с приложениями. COVID‑19 привел к появлению бесконтактных меню и расширению использования в платежах, причем Китай и Индия активно внедряют их. Только в Индии в настоящее время обрабатывается около 12 миллиардов QR‑транзакций в месяц, а коды также содержат данные о вакцинации и состоянии здоровья.

Риски фишинга, шифрование и необходимость аутентификации Поскольку сгенерировать QR-код может любой, мошенники используют его для фишинга; всегда проверяйте адресата, прежде чем нажимать на него. В Японии телефонные сканеры появились еще в 2002 году, а в 2007 году был введен зашифрованный формат QR-кода для конфиденциальных данных. Добавление электронной аутентификации позволило бы выявить, кто сгенерировал код, и сделало бы экосистему более прозрачной.

Амбиции и ограничения: Помимо ссылок на офлайновые изображения Цель состоит в том, чтобы внедрить изображения — например, рентгеновский снимок пациента для сценариев стихийных бедствий, когда сети выходят из строя, ‑ но нынешние возможности делают это непрактичным. Даже у небольшого символа есть около 2 ^ 152 допустимых шаблонов при самом низком уровне коррекции — примерно в десять раз больше, чем допустимых шахматных позиций, — поэтому случайные сетки не будут расшифрованы, если они не соответствуют правилам формата. Быстрая реакция - это и название, и преимущество, а креативное использование - от татуировок до дисплеев дронов - подчеркивает визуальную эволюцию от штрих-кодов к QR.