Qtの応用 - QRコード

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概要

QRコード (Quick Response Code) は1994年にデンソーウェーブによって開発された2次元バーコードである。
従来の1次元バーコードと比較して、縦横両方向に情報を持つため、より多くのデータを格納できる特徴がある。

英数字で最大約4300文字、漢字で約1800文字までの情報を記録でき、誤り訂正機能によりコードの一部が汚れたり破損したりしても読み取りが可能である。
また、360度どの角度からでもスキャンでき、高速な読み取りが可能である。

当初は自動車部品の管理用に開発されたが、現在では商品管理、マーケティング、決済、身分証明等、幅広い用途で活用されている。
特に、スマートフォンの普及により、URLやテキスト情報の共有手段として一般的になっている。

C++で利用可能なQRコードライブラリについて、それぞれの特徴を以下に示す。

これらのライブラリの多くは、エラー処理、バージョン管理、マルチスレッド対応等、実務で必要となる機能も備えている。
また、ZXing-C++ライブラリは機能が豊富である反面、学習曲線が比較的急である。
libqrencodeライブラリは単一機能に特化しているため、導入が容易である。

  • ZXing-C++ライブラリ
    URL : https://github.com/zxing-cpp/zxing-cpp
    ライセンス : Apache 2.0

    JavaのZXing (Zebra Crossing) をC++に移植したライブラリである。
    QRコードの読み取りと生成の両方に対応しており、広範なバーコードフォーマットをサポートしている。
    オープンソースであり、活発なコミュニティによって継続的にメンテナンスされている。

  • QZXingライブラリ
    URL : https://github.com/ftylitak/qzxing
    ライセンス : Apache 2.0

    Qtでの使用に最適化されたQRコードライブラリである。
    ZXingをベースにしているが、Qtフレームワークとの統合が強化されている。

    QMLからの直接利用が可能であり、特に、モバイルアプリケーション開発に適している。
    また、カメラフィードからのリアルタイムデコードにも対応している。

  • libqrencodeライブラリ
    URL : https://fukuchi.org/works/qrencode/ , https://github.com/fukuchi/libqrencode
    ライセンス : LGPL 2.1

    QRコード生成に特化したライブラリであり、高速な処理と高品質な出力が特徴である。
    CベースでC++からも容易に利用可能で、PNG形式での出力やSVGフォーマットもサポートしている。
    様々な誤り訂正レベルや符号化モードに対応しており、マイクロQRコードの生成も可能である。
    また、サイズの最適化や構造化追加等の機能も備えている。

  • QuickQRライブラリ
    URL : https://quickqr.art/ , https://quickqr.art/app/subscription
    ライセンス : -

    最近のC++で記述された新しいライブラリであり、QRコードの生成に特化している。
    テンプレートベースの設計により、コンパイル時の最適化が可能である。
    また、カスタマイズ性が高く、様々なスタイルやデザインのQRコードを生成することができる。

  • Quirc
    URL : https://github.com/dlbeer/quirc
    ライセンス : ISC

    軽量で高速なQRコードデコーダライブラリである。
    組み込みシステムやリソースが制限された環境での使用に適している。
    APIがシンプルなため、直感的な使用が可能である。
    ただし、QRコードの生成機能は無い。



ZXing-C++ライブラリ

ZXing-C++ライブラリとは

ZXing-C++ライブラリは、JavaベースのZXingバーコードライブラリをC++に移植したオープンソースプロジェクトである。
1次元および2次元バーコードの読み取りと生成を可能にするツールを提供している。

QRコード、データマトリックス、Code 128、UPC、EAN、および他の一般的なバーコード形式をサポートしている。
また、異なる角度や歪みがある場合でもバーコードを認識できる堅牢な検出アルゴリズムを実装している。

モジュール性を重視して設計されており、コア機能とプラットフォーム固有の実装を明確に分離している。
これにより、PC、モバイル、組み込みシステム等の様々なプラットフォームでの使用が容易である。

ライブラリのメリットとして、C++11以降の現代的な機能を活用していること、外部依存関係が最小限であること、クロスプラットフォーム対応が挙げられる。

最適化されたアルゴリズムとC++の特性を活かした実装により、高速な処理を実現している。
特に、OpenCVとの統合が可能であり、画像処理パイプラインに組み込むことができる。

カメラからのリアルタイムスキャン、画像ファイルからのバーコード読み取り、バーコードの生成等ができ、
実務では、在庫管理システム、モバイルアプリのQRコードリーダー、チケット認証システム等で広く使用されている。

対応しているフォーマットを以下に示す。

ZXing-C++ライブラリの対応フォーマット
1D product 1D industrial 2D
UPC-A Code 39 QRコード
UPC-E Code 93 Data Matrix
EAN-8 Code 128 Aztec
EAN-13 Codebar PDF 417
UPC/EAN Extension 2/5 ITF MaxiCode
RSS-14
RSS-Expanded


なお、ZXing-C++ライブラリのライセンスは、Apache-2.0となっている。

ZXing-C++ライブラリのインストール

パッケージ管理システムからインストール
# RHEL
sudo dnf install zxing-cpp-devel

# SUSE
sudo zypper install zxing-cpp-devel


ソースコードからインストール

ZXing-C++ライブラリのビルドに必要なライブラリをインストールする。

# RHEL
sudo dnf install make cmake gcc gcc-c++ stb-devel \
                 opencv-devel                             # ZXing向けOpenCVのサンプルコードもインストールする場合
                 qt6-qtbase-devel qt6-qtmultimedia-devel  # Qt向けのサンプルコードもインストールする場合

# SUSE
sudo zypper install make cmake gcc gcc-c++ stb-devel \
                    opencv-devel                                        # ZXing向けOpenCVのサンプルコードもインストールする場合
                    qt6-gui-devel qt6-quick-devel qt6-multimedia-devel  # Qt向けのサンプルコードもインストールする場合

br> ZXing-C++のGithubにアクセスして、ソースコードをダウンロードする。
ダウンロードしたファイルを解凍する。

tar xf zxing-cpp-<バージョン>.tar.gz
cd zxing-cpp-<バージョン>


または、git cloneコマンドを使用してソースコードをダウンロードする。

git clone https://github.com/zxing-cpp/zxing-cpp.git


ZXing-C++ライブラリをビルドおよびインストールする。

mkdir build && cd build

cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release \
      -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=<ZXing-C++のインストールディレクトリ> \
      ..
make -j $(nproc)
make install


CMakeLists.txtファイルの設定

 find_package(ZXing REQUIRED)
 
 target_link_libraries(<プロジェクト名> PRIVATE
    ZXing::ZXing
 )


QRコードの読み込み

まず、QImageクラスを使用して画像ファイルを読み込む。
QImageクラスでは、PNG、JPEG、BMP、GIF等の一般的な画像形式に対応している。

 #include <ZXing/MultiFormatReader.h>
 #include <ZXing/BitMatrix.h>
 #include <ZXing/BarcodeFormat.h>
 #include <ZXing/ReadResult.h>
 
 // ZXingライブラリのフォワード宣言
 namespace ZXing {
    class MultiFormatReader;
 }
 
 // ZXingライブラリのインスタンス
 std::unique_ptr<ZXing::MultiFormatReader> reader;



 QImage image(filePath);
 
 // 画像の読み込みに失敗した場合
 // ファイルが存在しない場合や破損している場合等
 if (image.isNull()) {
    qDebug() << "画像の読み込みに失敗 : " << filePath;
    return QString();
 }


次に、読み込んだ画像の幅と高さを取得する。
これらの値は、ピクセル単位で表される。

 int width = image.width();
 int height = image.height();


ZXingライブラリで処理するためのピクセルバッファを作成する。
そして、画像の各ピクセルをグレースケールに変換する。

 // uint8_tは8ビット（0-255）のグレースケール値を格納するために使用
 // 配列サイズは width * height （総ピクセル数）
 std::vector<uint8_t> pixels(width * height);
 
 // 画像の各ピクセルをグレースケールに変換
 for (int y = 0; y < height; y++) {
    for (int x = 0; x < width; x++) {
       // QRgbはQtのRGB値を表す型（32ビット整数）
       QRgb pixel = image.pixel(x, y);
 
       // qGray関数でRGB値をグレースケール（0-255）に変換
       // 変換式: Gray = (R * 11 + G * 16 + B * 5) / 32
       // 1次元配列のインデックスに変換: y * width + x
       pixels[y * width + x] = qGray(pixel);
    }
 }


ZXingのImageViewオブジェクトを生成する。

ZXing::ImageViewの第4引数 （ImageFormat） で指定可能な値

  • ZXing::ImageFormat::Lum
    輝度 （Luminance） のみの画像フォーマット
    8ビットグレースケールであり、最も一般的で処理が高速である。
    そのため、QRコード読み取りに最適である。
  • ZXing::ImageFormat::RGB
    RGBカラー形式で、各ピクセルは24ビット （R:8bit、G:8bit、B:8bit）
    ただし、メモリ使用量が多い。
  • ZXing::ImageFormat::BGR
    BGRカラー形式
    RGBと同様だが、バイト順が逆となる。
    Windowsのビットマップ等で使用されている。
  • ZXing::ImageFormat::RGBX
    RGBにアルファチャンネルを加えた32ビット形式
    アルファ値は無視される。
  • ZXing::ImageFormat::BGRX
    BGRにアルファチャンネルを加えた32ビット形式
    アルファ値は無視される。
  • ZXing::ImageFormat::XRGB
    パディングバイトの後にRGBが続く形式
  • ZXing::ImageFormat::XBGR
    パディングバイトの後にBGRが続く形式


画像フォーマットの指定において、QRコード読み取りの場合は、Lumが最適 (処理が高速で十分な情報量) である。
メモリ使用量を考慮する場合は、Lumが推奨される。

カラー情報が必要な場合は、RGBまたはBGRを使用する。

元画像のフォーマットに合わせて選択することにより、変換のオーバーヘッドを削減できる。

 // 第1引数 : ピクセルデータへのポインタ
 // 第2引数 : 画像の幅 （ピクセル）
 // 第3引数 : 画像の高さ （ピクセル）
 // 第4引数 : 画像フォーマット （下記参照）
 ZXing::ImageView imageView(pixels.data(), width, height, ZXing::ImageFormat::Lum);


最後に、QRコードの読み取りを行う。

 // ZXing::MultiFormatReader::readメソッドは、ZXing::ReadResult型を返す
 auto result = reader->read(imageView);
 
 // 読み取り結果が有効な場合、テキストを返す
 // 無効な場合は空のQStringを返す
 if (result.isValid()) {
    return QString::fromStdString(result.text());
 }


QRコードの生成

 #include <ZXing/MultiFormatWriter.h>
 #include <ZXing/BitMatrix.h>
 #include <ZXing/BarcodeFormat.h>
 #include <ZXing/ReadResult.h>
 
 // ZXingライブラリのフォワード宣言
 namespace ZXing {
    class MultiFormatWriter;
 }
 
 // ZXingライブラリのインスタンス
 std::unique_ptr<ZXing::MultiFormatWriter> writer;


まず、QRコード生成のオプションを設定する。

対応するバーコードフォーマット

  • ZXing::BarcodeFormat::QR_CODE
    QRコード
  • ZXing::BarcodeFormat::DATA_MATRIX
    データマトリックス
  • ZXing::BarcodeFormat::AZTEC
    Aztecコード
  • ZXing::BarcodeFormat::PDF_417
    PDF417
  • ZXing::BarcodeFormat::CODE_128
    CODE 128
  • ZXing::BarcodeFormat::CODE_39
    CODE 39
  • ZXing::BarcodeFormat::EAN_13
    EAN-13
  • ZXing::BarcodeFormat::EAN_8
    EAN-8
  • ZXing::BarcodeFormat::UPC_A
    UPC-A
  • ZXing::BarcodeFormat::UPC_E
    UPC-E


エラー訂正レベル

  • ZXing::ErrorCorrectionLevel::Low
    約7%のエラー訂正
  • ZXing::ErrorCorrectionLevel::Medium
    約15%のエラー訂正
  • ZXing::ErrorCorrectionLevel::Quality
    約25%のエラー訂正
  • ZXing::ErrorCorrectionLevel::High
    約30%のエラー訂正


その他の主要なオプション

  • options.characterSet
    文字エンコーディング （"UTF-8", "Shift_JIS"等）
  • options.quietZone
    余白サイズ （-1で自動）
  • options.autoColor
    自動色設定 （true / false）
  • options.foregroundColor
    前景色 （QRコードの色）
  • options.backgroundColor
    背景色


QRコード特有のオプション

  • options.qrVersion
    QRコードのバージョン （1〜40）
  • options.qrMaskPattern
    マスクパターン （0〜7）
  • options.minVersion
    最小バージョン
  • options.maxVersion
    最大バージョン


 ZXing::MultiFormatWriter::Option options;
 
 // バーコードのフォーマットを指定
 // QR_CODE以外にも複数のフォーマットが指定可能 （前述）
 options.format = ZXing::BarcodeFormat::QR_CODE;
 
 // QRコードの余白 （Quiet Zone） のサイズを指定
 // 単位はモジュール （QRコードの最小単位となる点）
 // 一般的な値は1〜4, 小さすぎると読み取りが困難になる
 options.margin = 2;
 
 // QRコードの出力サイズを指定 （ピクセル単位）
 // width : 横幅,  height : 高さ
 // 大きすぎると処理時間が増加, 小さすぎると読み取りが困難
 // 一般的な最小サイズは、21x21ピクセル
 // 推奨サイズは、200x200〜1000x1000ピクセル
 options.width  = width;
 options.height = height;
 
 // エンコードオプション （追加可能なオプション）
 // options.eccLevel     = ZXing::ErrorCorrectionLevel::Medium;  // エラー訂正レベル
                                                                 // 高いレベルほどQRコードの損傷に強い
                                                                 // ただし、データ容量は減少
                                                                 // 一般用途ではMediumが推奨
 // options.characterSet = "UTF-8";                              // 文字エンコーディング
                                                                 // 日本語を含む場合はUTF-8またはShift_JISを指定
                                                                 // 英数字のみの場合は指定不要
 // options.quietZone    = -1;                                   // 余白サイズ （-1で自動）
                                                                 // 最低でも4モジュール分必要
                                                                 // 読み取り環境が悪い場合は多めに設定


次に、任意の文字列データをQRコードにエンコードする。

 // 戻り値のmatrixはビット行列 （BitMatrix） 形式
 // 各ビットが黒 （true） か 白 （false） を表す
 auto matrix = writer->encode(text.toStdString(), options);
 
 // QRコードを描画するためのQImage作成
 // Format_RGB32 : 32ビットRGBフォーマット （8bitずつR, G, B, 予約）
 QImage image(width, height, QImage::Format_RGB32);
 
 // 背景を白で塗りつぶし
 image.fill(Qt::white);
 
 // BitMatrixをQImageに変換
 for (int y = 0; y < matrix.height(); y++) {
    for (int x = 0; x < matrix.width(); x++) {
       // matrix.get(x, y)がtrueの場合、その点は黒
       if (matrix.get(x, y)) {
          // 黒色のピクセルを設定（R=0, G=0, B=0）
          image.setPixel(x, y, qRgb(0, 0, 0));
       }
       // falseの場合は白のまま
    }
 }


最後に、QRコード画像をファイルに保存する。
対応している画像形式は、PNG、JPEG、BMP等がある。

 // 戻り値 : 保存成功でtrue, 失敗でfalse
 image.save(filePath);



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