GOPHERSPACE.DE - P H O X Y
gophering on blog.qartis.com



  
  
  Decoding small QR codes by hand
  


  

    Decoding small QR codes by hand
    2012-04-21


  

It's not hard to decode QR codes with a pen and paper. For this guide I'm going to grab a random QR code from google images 
and show the process of decoding it by hand. QR codes contain a lot of error correction information and they can survive a lot 
of errors, but that's a lot harder to do using just a pen and paper (and 99% of the QR codes you encounter don't have any missi
ng bits, so it's rarely necessary). So I'll highlight where the error correction information is stored, but I won't explain it 
in this guide.


The picture I found is from http://mikejca
ruso.blogspot.ca/2011/04/qr-code-tattoos.html





Before we begin we should rotate it to the proper orientation. QR codes always have 3 timing patterns (big black squares) in
 all the corners except for the bottom-right. So we need to rotate our picture 90 degrees counterclockwise:





The first thing we should learn is what QR code version we're looking at. The version basically just repres
ents the physical size of the QR code. Count the number of pixels (or modules) across the QR code, subtract 17, and di
vide by 4. For example, our tattoo QR code is 25 modules wide, and (25-17)/4 = 2, which means this is a version 2 QR code. Very
 big QR codes (versions 7-40) have a few extra features, but most consumer QR codes are fairly small and simple, so you don't n
eed to worry about that.


Next, we will figure out our QR code's format marker. Every QR code stores two identical copies of the form
at marker, but we only need one of them. The format marker is 15 bits long: 5 bits of format information, and 10 bits for error
 correction. The first 5 bits of the format marker hold the error correction level (2 bits) and the data mask (3 bits). These 5
 bits are found here:





So in our case the format information is 01100. However this number has been XOR'ed with 10101ong> before being written into the QR code. So we must flip bits 1, 3 and 5. After flipping the bits, we get a format informati
on string of 01100^10101 = 11001. The first two bits of this value are the error correction level (the amount 
of error correction data included in the QR code). Again, we can ignore this. The last 3 bits of the format string are 
001
, and this is the most important piece of information. This means the body of the QR code has been masked against t
he mask number 001. Here is a table of all the possible mask numbers and their appearance:





Here's where you need the pen and paper. The reason QR codes are masked in the first place is that sometimes particular comb
inations of data bytes produce QR codes with certain undesirable features (like big empty blocks in the middle). These undesira
ble features confuse the QR code reader, so the data is masked against a value in order to make the code easier to process when
 it's scanned by a QR code reader. The computer then unmasks the original data bytes using the same process, and retrieves the 
data.


You can imagine the masking process as essentially covering the surface of the QR code in one of the patterns seen above, st
arting from the top left corner. In our case we have a mask reference number 001, which means all of the odd-numbered rows are 
black. Once we've tiled the surface of our original QR code using the mask pattern, then every black pixel in the mask means we
 need to invert the corresponding bit in the original QR code. So in our case, we need to (in our mind, or using the pen and pa
per) invert all of the bits on odd-numbered rows. Note that we only mask the data pixels, and not the timing patterns or the fo
rmat marker (otherwise we wouldn't know how to unmask it to get the mask reference number!). The data areas are the yellow area
s in this picture:





I've highlighted the data areas of the tattoo QR code below:





Note that there's a little island in the middle of the data area that we must work around. That's called an alignment patter
n, and whenever you see one in the data just skip past it to read the data bytes.


From now on we need to always remember the mask pattern above, and whenever we read bits from the data section we need to ac
count for the mask pattern, and flip any bits that would be masked off by it (in our case, that's every odd row).


The data section consists of [header][data] chunks. Technically QR codes are allowed to have several of these chunks, but mo
st QR codes just have one big chunk that holds all the data, so it won't matter. The header has an encoding typeg> and a length (the number of data bytes). The encoding type is always 4 bits, but the length is stored in 8-
10 bits depending on the encoding type. Here's the encoding type of our tattoo:





But remember, every odd row needs to have its bits inverted. To help us remember, I'll use green to highlight every cell tha
t should be inverted when we read it:





Now, the encoding type is stored as the bottom-right 4 bits, starting from the bottom right and working left and right in a 
zig-zag motion.





So in our case, the tattoo itself has the bits 1000. However the bottom row is masked, so we i
nvert the first two bits: 0100. This means that our QR code's encoding type is 0100. Here's t
he table of encoding types:



  • 0001 Numeric

  • 0010 Alphanumeric

  • 0100 8-bit Byte


The other encoding types are rarely used in consumer QR codes. They're used for encoding japanese characters, custom charset
s and spreading a message across several QR codes in series. For our purposes these 3 encodings will be enough.


So that means that our QR code uses 8-bit byte encoding. The next piece of information is the length field, or the number of
 characters (clusters of bits) that are in the message. Like I said, the length field changes size depending on the encoding ty
pe. Here's the number of bits in the length field, for each encoding type:



  • Numeric (10 bits)

  • Alphanumeric (9 bits)

  • 8-bit Byte (8 bits)


Since we're using 8-bit byte mode, our length field is 8 bits long. We read the next 8 bits in a vertical zig-zag motion, li
ke this:





So the tattoo itself contains the bits 11011100 (reading from bottom to top). How
ever we need to mask two of these rows, so the actual length field has the value 00010000. That's 16 in decima
l, which means this QR code has a message that is sixteen 8-bit bytes long. After the length field, the bytes themselves are st
ored, one after another, MSB first. We continue climbing in a vertical zig-zag motion until we hit the top, and then we curl ov
er and continue downwards as seen in this picture:





So the first byte would be 10000110 (masked), which is 01001101 (unmasked). That corresponds to ASCII character 'M'. The nex
t byte would be 10101101 (masked), which is 01100001 (unmasked). That corresponds to ASCII character 'a'. So far we've decoded 
"Ma".


Continuing up and around the corner: 10100000 (masked), or 01100011 (unmasked). That's ASCII 'c'. Then it's 'i'.


By continuing in this way, we can decode the full message: Maci Clare Peltz.



Comments
heavyw8t

So WTF is Maci Clare Peltz supposed to be?


qartis

My guess is someone's girlfriend's name, but I'm not sure.


Raymond Decelles

Probably the tattoo owner's girlfriend, wife, mother, daughter, whatever.


Luke

how do we know that it XORed with 10101?


qartis

ISO 18004:2006, section 6.9.1 paragraph 4 says:



The 15-bit error corrected format information shall then be XORed with the Mask Pattern 101010000010010, in order to ensure 
that no combination of Error Correction Level and data mask pattern will result in an all-zero data string.



where the first 5 bits of the Mask Pattern are applied to the 5 data bits of the format information.


Les Potter

So how do you zigzag around the alignment thingy? Also, the red box at the top of the QR is only 7 bits wide. Can you explai
n why?


Les Potter

Your paragraph on the format code says it's 14 bits long, but then below the spec is quoted as saying it 15 bits long. Can y
ou explain?


qartis

Whoops, that was a typo. You're correct, the format code is 15 bits long.


qartis

My previous pictures had a border line incorrectly drawn, making it look like there were only 7 bits along the top edge. I h
ave redone the pictures to hopefully make it a bit more clear. As for zig-zagging around the alignment pattern, the easiest way
 to think about it is that you simply skip past the bits that are occupied by the alignment pattern. Here's an image from Wikip
edia that shows several examples of zig-zags passing near alignment patterns (image credit Walter Tuvell, wtuvell)


Martie Anderson

I'm stuck on deciphering this code. Any takers? Thanks, Martie (sorry it's so faint.)


qartis

Hi Martie, that code isn't a QR code, it's a Data Matrix code. It represents the text string: "358166070831158". I have atta
ched a clearer version here for you to attempt to decode (see the Data Matrix wikipedia article: org/wiki/Data_Matrix" class="uri">https://en.wikipedia.org/wiki/Data_Matrix). If there is enough interest I can create a bl
og post about decoding other 2D barcode formats by hand.


Martie Anderson

Anything you can do would be so helpful. The code was adhered to the back of my phone. Could it be a new format of GPS track
ing? Is thishe what is put on produce to track sales? Thanks for all of your help.


刘-景

If there are some errors in the data code, I wonder how you can decode it?


Iri

https://uploads.disquscdn.com/images/5c239e6cf4e9e5ded58cac253f360a820253225c446f7898317aeb3dbe9b3811.jpg I am stuck de
coding a qr code.... I have tried several ways. It was sent a long time ago so maybe it has expired. Any takers?


http://elpapelillo.wordpress.com


Felfa

It's a base64 encoded text. Literally, this QR code says: ENC;(...):Lz0YbziKr+6AIUiR9l8jwISyBWES4ah/xVBBIMV4eTs=>


QR codes never expire.


Iri

Thank you Felfa! I got the same code from a QR decoder... I have no idea what this code means. Could it be a further encrypt
ed message or is it a line of code you think?


PointyOintment

GPS? It's literally just a label. It was probably used in the factory to track parts and completed phones moving through the
 assembly and packaging processes.


kamrom dechu

I scanned the tattoo QR code into Pokemon Moon. It gave me a Taillow.


Ninan Naner

May you teach me to decode qr code as show below,please?
I try several time as follow your solution to decode but I still can't get the answer "A1".


Thank you very much. I hope you will see my question and answer me in early.


https://uploads.disquscdn.com/images/51d2418d871d509ef1ee0076aa38b94dc13ea44b3b868f7ec112d3c4939d2de7.jpg


David Konsumer

It's binary data, base64 encoded. You can get the binary by pasting Lz0YbziKr+6AIUiR9l8jwISyBWES4ah/xVBBIMV4eTs=> here: http://www.motobit.com/util/base64/decoder


Ninan Naner

I got it. Thank you.


Edmund French

Hi there,


I'm in the process of decoding a QR code, and using this guide as..well, a guide, but one thing I can't get my head around -
 the tattoo is clearly 25x25, but the pictures shown which aren't the tattoo are 21x21. I don't have any programming experience
 or anything similar, so I suspect I'm missing something obvious.. I've gone right up to the 'divide into 8 bit blocks' stage, 
but don't know how to section it up before I decode, because the sizes don't match.


Any help greatly appreciated.