Fix for x86_64 build fail
[platform/upstream/connectedhomeip.git] / examples / common / QRCode / repo / cpp / QrCode.hpp
1 /* 
2  * QR Code generator library (C++)
3  * 
4  * Copyright (c) Project Nayuki. (MIT License)
5  * https://www.nayuki.io/page/qr-code-generator-library
6  * 
7  * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy of
8  * this software and associated documentation files (the "Software"), to deal in
9  * the Software without restriction, including without limitation the rights to
10  * use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell copies of
11  * the Software, and to permit persons to whom the Software is furnished to do so,
12  * subject to the following conditions:
13  * - The above copyright notice and this permission notice shall be included in
14  *   all copies or substantial portions of the Software.
15  * - The Software is provided "as is", without warranty of any kind, express or
16  *   implied, including but not limited to the warranties of merchantability,
17  *   fitness for a particular purpose and noninfringement. In no event shall the
18  *   authors or copyright holders be liable for any claim, damages or other
19  *   liability, whether in an action of contract, tort or otherwise, arising from,
20  *   out of or in connection with the Software or the use or other dealings in the
21  *   Software.
22  */
23
24 #pragma once
25
26 #include <array>
27 #include <cstdint>
28 #include <stdexcept>
29 #include <string>
30 #include <vector>
31
32
33 namespace qrcodegen {
34
35 /* 
36  * A segment of character/binary/control data in a QR Code symbol.
37  * Instances of this class are immutable.
38  * The mid-level way to create a segment is to take the payload data
39  * and call a static factory function such as QrSegment::makeNumeric().
40  * The low-level way to create a segment is to custom-make the bit buffer
41  * and call the QrSegment() constructor with appropriate values.
42  * This segment class imposes no length restrictions, but QR Codes have restrictions.
43  * Even in the most favorable conditions, a QR Code can only hold 7089 characters of data.
44  * Any segment longer than this is meaningless for the purpose of generating QR Codes.
45  */
46 class QrSegment final {
47         
48         /*---- Public helper enumeration ----*/
49         
50         /* 
51          * Describes how a segment's data bits are interpreted. Immutable.
52          */
53         public: class Mode final {
54                 
55                 /*-- Constants --*/
56                 
57                 public: static const Mode NUMERIC;
58                 public: static const Mode ALPHANUMERIC;
59                 public: static const Mode BYTE;
60                 public: static const Mode KANJI;
61                 public: static const Mode ECI;
62                 
63                 
64                 /*-- Fields --*/
65                 
66                 // The mode indicator bits, which is a uint4 value (range 0 to 15).
67                 private: int modeBits;
68                 
69                 // Number of character count bits for three different version ranges.
70                 private: int numBitsCharCount[3];
71                 
72                 
73                 /*-- Constructor --*/
74                 
75                 private: Mode(int mode, int cc0, int cc1, int cc2);
76                 
77                 
78                 /*-- Methods --*/
79                 
80                 /* 
81                  * (Package-private) Returns the mode indicator bits, which is an unsigned 4-bit value (range 0 to 15).
82                  */
83                 public: int getModeBits() const;
84                 
85                 /* 
86                  * (Package-private) Returns the bit width of the character count field for a segment in
87                  * this mode in a QR Code at the given version number. The result is in the range [0, 16].
88                  */
89                 public: int numCharCountBits(int ver) const;
90                 
91         };
92         
93         
94         
95         /*---- Static factory functions (mid level) ----*/
96         
97         /* 
98          * Returns a segment representing the given binary data encoded in
99          * byte mode. All input byte vectors are acceptable. Any text string
100          * can be converted to UTF-8 bytes and encoded as a byte mode segment.
101          */
102         public: static QrSegment makeBytes(const std::vector<std::uint8_t> &data);
103         
104         
105         /* 
106          * Returns a segment representing the given string of decimal digits encoded in numeric mode.
107          */
108         public: static QrSegment makeNumeric(const char *digits);
109         
110         
111         /* 
112          * Returns a segment representing the given text string encoded in alphanumeric mode.
113          * The characters allowed are: 0 to 9, A to Z (uppercase only), space,
114          * dollar, percent, asterisk, plus, hyphen, period, slash, colon.
115          */
116         public: static QrSegment makeAlphanumeric(const char *text);
117         
118         
119         /* 
120          * Returns a list of zero or more segments to represent the given text string. The result
121          * may use various segment modes and switch modes to optimize the length of the bit stream.
122          */
123         public: static std::vector<QrSegment> makeSegments(const char *text);
124         
125         
126         /* 
127          * Returns a segment representing an Extended Channel Interpretation
128          * (ECI) designator with the given assignment value.
129          */
130         public: static QrSegment makeEci(long assignVal);
131         
132         
133         /*---- Public static helper functions ----*/
134         
135         /* 
136          * Tests whether the given string can be encoded as a segment in alphanumeric mode.
137          * A string is encodable iff each character is in the following set: 0 to 9, A to Z
138          * (uppercase only), space, dollar, percent, asterisk, plus, hyphen, period, slash, colon.
139          */
140         public: static bool isAlphanumeric(const char *text);
141         
142         
143         /* 
144          * Tests whether the given string can be encoded as a segment in numeric mode.
145          * A string is encodable iff each character is in the range 0 to 9.
146          */
147         public: static bool isNumeric(const char *text);
148         
149         
150         
151         /*---- Instance fields ----*/
152         
153         /* The mode indicator of this segment. Accessed through getMode(). */
154         private: Mode mode;
155         
156         /* The length of this segment's unencoded data. Measured in characters for
157          * numeric/alphanumeric/kanji mode, bytes for byte mode, and 0 for ECI mode.
158          * Always zero or positive. Not the same as the data's bit length.
159          * Accessed through getNumChars(). */
160         private: int numChars;
161         
162         /* The data bits of this segment. Accessed through getData(). */
163         private: std::vector<bool> data;
164         
165         
166         /*---- Constructors (low level) ----*/
167         
168         /* 
169          * Creates a new QR Code segment with the given attributes and data.
170          * The character count (numCh) must agree with the mode and the bit buffer length,
171          * but the constraint isn't checked. The given bit buffer is copied and stored.
172          */
173         public: QrSegment(Mode md, int numCh, const std::vector<bool> &dt);
174         
175         
176         /* 
177          * Creates a new QR Code segment with the given parameters and data.
178          * The character count (numCh) must agree with the mode and the bit buffer length,
179          * but the constraint isn't checked. The given bit buffer is moved and stored.
180          */
181         public: QrSegment(Mode md, int numCh, std::vector<bool> &&dt);
182         
183         
184         /*---- Methods ----*/
185         
186         /* 
187          * Returns the mode field of this segment.
188          */
189         public: Mode getMode() const;
190         
191         
192         /* 
193          * Returns the character count field of this segment.
194          */
195         public: int getNumChars() const;
196         
197         
198         /* 
199          * Returns the data bits of this segment.
200          */
201         public: const std::vector<bool> &getData() const;
202         
203         
204         // (Package-private) Calculates the number of bits needed to encode the given segments at
205         // the given version. Returns a non-negative number if successful. Otherwise returns -1 if a
206         // segment has too many characters to fit its length field, or the total bits exceeds INT_MAX.
207         public: static int getTotalBits(const std::vector<QrSegment> &segs, int version);
208         
209         
210         /*---- Private constant ----*/
211         
212         /* The set of all legal characters in alphanumeric mode, where
213          * each character value maps to the index in the string. */
214         private: static const char *ALPHANUMERIC_CHARSET;
215         
216 };
217
218
219
220 /* 
221  * A QR Code symbol, which is a type of two-dimension barcode.
222  * Invented by Denso Wave and described in the ISO/IEC 18004 standard.
223  * Instances of this class represent an immutable square grid of black and white cells.
224  * The class provides static factory functions to create a QR Code from text or binary data.
225  * The class covers the QR Code Model 2 specification, supporting all versions (sizes)
226  * from 1 to 40, all 4 error correction levels, and 4 character encoding modes.
227  * 
228  * Ways to create a QR Code object:
229  * - High level: Take the payload data and call QrCode::encodeText() or QrCode::encodeBinary().
230  * - Mid level: Custom-make the list of segments and call QrCode::encodeSegments().
231  * - Low level: Custom-make the array of data codeword bytes (including
232  *   segment headers and final padding, excluding error correction codewords),
233  *   supply the appropriate version number, and call the QrCode() constructor.
234  * (Note that all ways require supplying the desired error correction level.)
235  */
236 class QrCode final {
237         
238         /*---- Public helper enumeration ----*/
239         
240         /* 
241          * The error correction level in a QR Code symbol.
242          */
243         public: enum class Ecc {
244                 LOW = 0 ,  // The QR Code can tolerate about  7% erroneous codewords
245                 MEDIUM  ,  // The QR Code can tolerate about 15% erroneous codewords
246                 QUARTILE,  // The QR Code can tolerate about 25% erroneous codewords
247                 HIGH    ,  // The QR Code can tolerate about 30% erroneous codewords
248         };
249         
250         
251         // Returns a value in the range 0 to 3 (unsigned 2-bit integer).
252         private: static int getFormatBits(Ecc ecl);
253         
254         
255         
256         /*---- Static factory functions (high level) ----*/
257         
258         /* 
259          * Returns a QR Code representing the given Unicode text string at the given error correction level.
260          * As a conservative upper bound, this function is guaranteed to succeed for strings that have 2953 or fewer
261          * UTF-8 code units (not Unicode code points) if the low error correction level is used. The smallest possible
262          * QR Code version is automatically chosen for the output. The ECC level of the result may be higher than
263          * the ecl argument if it can be done without increasing the version.
264          */
265         public: static QrCode encodeText(const char *text, Ecc ecl);
266         
267         
268         /* 
269          * Returns a QR Code representing the given binary data at the given error correction level.
270          * This function always encodes using the binary segment mode, not any text mode. The maximum number of
271          * bytes allowed is 2953. The smallest possible QR Code version is automatically chosen for the output.
272          * The ECC level of the result may be higher than the ecl argument if it can be done without increasing the version.
273          */
274         public: static QrCode encodeBinary(const std::vector<std::uint8_t> &data, Ecc ecl);
275         
276         
277         /*---- Static factory functions (mid level) ----*/
278         
279         /* 
280          * Returns a QR Code representing the given segments with the given encoding parameters.
281          * The smallest possible QR Code version within the given range is automatically
282          * chosen for the output. Iff boostEcl is true, then the ECC level of the result
283          * may be higher than the ecl argument if it can be done without increasing the
284          * version. The mask number is either between 0 to 7 (inclusive) to force that
285          * mask, or -1 to automatically choose an appropriate mask (which may be slow).
286          * This function allows the user to create a custom sequence of segments that switches
287          * between modes (such as alphanumeric and byte) to encode text in less space.
288          * This is a mid-level API; the high-level API is encodeText() and encodeBinary().
289          */
290         public: static QrCode encodeSegments(const std::vector<QrSegment> &segs, Ecc ecl,
291                 int minVersion=1, int maxVersion=40, int mask=-1, bool boostEcl=true);  // All optional parameters
292         
293         
294         
295         /*---- Instance fields ----*/
296         
297         // Immutable scalar parameters:
298         
299         /* The version number of this QR Code, which is between 1 and 40 (inclusive).
300          * This determines the size of this barcode. */
301         private: int version;
302         
303         /* The width and height of this QR Code, measured in modules, between
304          * 21 and 177 (inclusive). This is equal to version * 4 + 17. */
305         private: int size;
306         
307         /* The error correction level used in this QR Code. */
308         private: Ecc errorCorrectionLevel;
309         
310         /* The index of the mask pattern used in this QR Code, which is between 0 and 7 (inclusive).
311          * Even if a QR Code is created with automatic masking requested (mask = -1),
312          * the resulting object still has a mask value between 0 and 7. */
313         private: int mask;
314         
315         // Private grids of modules/pixels, with dimensions of size*size:
316         
317         // The modules of this QR Code (false = white, true = black).
318         // Immutable after constructor finishes. Accessed through getModule().
319         private: std::vector<std::vector<bool> > modules;
320         
321         // Indicates function modules that are not subjected to masking. Discarded when constructor finishes.
322         private: std::vector<std::vector<bool> > isFunction;
323         
324         
325         
326         /*---- Constructor (low level) ----*/
327         
328         /* 
329          * Creates a new QR Code with the given version number,
330          * error correction level, data codeword bytes, and mask number.
331          * This is a low-level API that most users should not use directly.
332          * A mid-level API is the encodeSegments() function.
333          */
334         public: QrCode(int ver, Ecc ecl, const std::vector<std::uint8_t> &dataCodewords, int msk);
335         
336         
337         
338         /*---- Public instance methods ----*/
339         
340         /* 
341          * Returns this QR Code's version, in the range [1, 40].
342          */
343         public: int getVersion() const;
344         
345         
346         /* 
347          * Returns this QR Code's size, in the range [21, 177].
348          */
349         public: int getSize() const;
350         
351         
352         /* 
353          * Returns this QR Code's error correction level.
354          */
355         public: Ecc getErrorCorrectionLevel() const;
356         
357         
358         /* 
359          * Returns this QR Code's mask, in the range [0, 7].
360          */
361         public: int getMask() const;
362         
363         
364         /* 
365          * Returns the color of the module (pixel) at the given coordinates, which is false
366          * for white or true for black. The top left corner has the coordinates (x=0, y=0).
367          * If the given coordinates are out of bounds, then false (white) is returned.
368          */
369         public: bool getModule(int x, int y) const;
370         
371         
372         /* 
373          * Returns a string of SVG code for an image depicting this QR Code, with the given number
374          * of border modules. The string always uses Unix newlines (\n), regardless of the platform.
375          */
376         public: std::string toSvgString(int border) const;
377         
378         
379         
380         /*---- Private helper methods for constructor: Drawing function modules ----*/
381         
382         // Reads this object's version field, and draws and marks all function modules.
383         private: void drawFunctionPatterns();
384         
385         
386         // Draws two copies of the format bits (with its own error correction code)
387         // based on the given mask and this object's error correction level field.
388         private: void drawFormatBits(int msk);
389         
390         
391         // Draws two copies of the version bits (with its own error correction code),
392         // based on this object's version field, iff 7 <= version <= 40.
393         private: void drawVersion();
394         
395         
396         // Draws a 9*9 finder pattern including the border separator,
397         // with the center module at (x, y). Modules can be out of bounds.
398         private: void drawFinderPattern(int x, int y);
399         
400         
401         // Draws a 5*5 alignment pattern, with the center module
402         // at (x, y). All modules must be in bounds.
403         private: void drawAlignmentPattern(int x, int y);
404         
405         
406         // Sets the color of a module and marks it as a function module.
407         // Only used by the constructor. Coordinates must be in bounds.
408         private: void setFunctionModule(int x, int y, bool isBlack);
409         
410         
411         // Returns the color of the module at the given coordinates, which must be in range.
412         private: bool module(int x, int y) const;
413         
414         
415         /*---- Private helper methods for constructor: Codewords and masking ----*/
416         
417         // Returns a new byte string representing the given data with the appropriate error correction
418         // codewords appended to it, based on this object's version and error correction level.
419         private: std::vector<std::uint8_t> addEccAndInterleave(const std::vector<std::uint8_t> &data) const;
420         
421         
422         // Draws the given sequence of 8-bit codewords (data and error correction) onto the entire
423         // data area of this QR Code. Function modules need to be marked off before this is called.
424         private: void drawCodewords(const std::vector<std::uint8_t> &data);
425         
426         
427         // XORs the codeword modules in this QR Code with the given mask pattern.
428         // The function modules must be marked and the codeword bits must be drawn
429         // before masking. Due to the arithmetic of XOR, calling applyMask() with
430         // the same mask value a second time will undo the mask. A final well-formed
431         // QR Code needs exactly one (not zero, two, etc.) mask applied.
432         private: void applyMask(int msk);
433         
434         
435         // Calculates and returns the penalty score based on state of this QR Code's current modules.
436         // This is used by the automatic mask choice algorithm to find the mask pattern that yields the lowest score.
437         private: long getPenaltyScore() const;
438         
439         
440         
441         /*---- Private helper functions ----*/
442         
443         // Returns an ascending list of positions of alignment patterns for this version number.
444         // Each position is in the range [0,177), and are used on both the x and y axes.
445         // This could be implemented as lookup table of 40 variable-length lists of unsigned bytes.
446         private: std::vector<int> getAlignmentPatternPositions() const;
447         
448         
449         // Returns the number of data bits that can be stored in a QR Code of the given version number, after
450         // all function modules are excluded. This includes remainder bits, so it might not be a multiple of 8.
451         // The result is in the range [208, 29648]. This could be implemented as a 40-entry lookup table.
452         private: static int getNumRawDataModules(int ver);
453         
454         
455         // Returns the number of 8-bit data (i.e. not error correction) codewords contained in any
456         // QR Code of the given version number and error correction level, with remainder bits discarded.
457         // This stateless pure function could be implemented as a (40*4)-cell lookup table.
458         private: static int getNumDataCodewords(int ver, Ecc ecl);
459         
460         
461         // Returns a Reed-Solomon ECC generator polynomial for the given degree. This could be
462         // implemented as a lookup table over all possible parameter values, instead of as an algorithm.
463         private: static std::vector<std::uint8_t> reedSolomonComputeDivisor(int degree);
464         
465         
466         // Returns the Reed-Solomon error correction codeword for the given data and divisor polynomials.
467         private: static std::vector<std::uint8_t> reedSolomonComputeRemainder(const std::vector<std::uint8_t> &data, const std::vector<std::uint8_t> &divisor);
468         
469         
470         // Returns the product of the two given field elements modulo GF(2^8/0x11D).
471         // All inputs are valid. This could be implemented as a 256*256 lookup table.
472         private: static std::uint8_t reedSolomonMultiply(std::uint8_t x, std::uint8_t y);
473         
474         
475         // Can only be called immediately after a white run is added, and
476         // returns either 0, 1, or 2. A helper function for getPenaltyScore().
477         private: int finderPenaltyCountPatterns(const std::array<int,7> &runHistory) const;
478         
479         
480         // Must be called at the end of a line (row or column) of modules. A helper function for getPenaltyScore().
481         private: int finderPenaltyTerminateAndCount(bool currentRunColor, int currentRunLength, std::array<int,7> &runHistory) const;
482         
483         
484         // Pushes the given value to the front and drops the last value. A helper function for getPenaltyScore().
485         private: void finderPenaltyAddHistory(int currentRunLength, std::array<int,7> &runHistory) const;
486         
487         
488         // Returns true iff the i'th bit of x is set to 1.
489         private: static bool getBit(long x, int i);
490         
491         
492         /*---- Constants and tables ----*/
493         
494         // The minimum version number supported in the QR Code Model 2 standard.
495         public: static constexpr int MIN_VERSION =  1;
496         
497         // The maximum version number supported in the QR Code Model 2 standard.
498         public: static constexpr int MAX_VERSION = 40;
499         
500         
501         // For use in getPenaltyScore(), when evaluating which mask is best.
502         private: static const int PENALTY_N1;
503         private: static const int PENALTY_N2;
504         private: static const int PENALTY_N3;
505         private: static const int PENALTY_N4;
506         
507         
508         private: static const std::int8_t ECC_CODEWORDS_PER_BLOCK[4][41];
509         private: static const std::int8_t NUM_ERROR_CORRECTION_BLOCKS[4][41];
510         
511 };
512
513
514
515 /*---- Public exception class ----*/
516
517 /* 
518  * Thrown when the supplied data does not fit any QR Code version. Ways to handle this exception include:
519  * - Decrease the error correction level if it was greater than Ecc::LOW.
520  * - If the encodeSegments() function was called with a maxVersion argument, then increase
521  *   it if it was less than QrCode::MAX_VERSION. (This advice does not apply to the other
522  *   factory functions because they search all versions up to QrCode::MAX_VERSION.)
523  * - Split the text data into better or optimal segments in order to reduce the number of bits required.
524  * - Change the text or binary data to be shorter.
525  * - Change the text to fit the character set of a particular segment mode (e.g. alphanumeric).
526  * - Propagate the error upward to the caller/user.
527  */
528 class data_too_long : public std::length_error {
529         
530         public: explicit data_too_long(const std::string &msg);
531         
532 };
533
534
535
536 /* 
537  * An appendable sequence of bits (0s and 1s). Mainly used by QrSegment.
538  */
539 class BitBuffer final : public std::vector<bool> {
540         
541         /*---- Constructor ----*/
542         
543         // Creates an empty bit buffer (length 0).
544         public: BitBuffer();
545         
546         
547         
548         /*---- Method ----*/
549         
550         // Appends the given number of low-order bits of the given value
551         // to this buffer. Requires 0 <= len <= 31 and val < 2^len.
552         public: void appendBits(std::uint32_t val, int len);
553         
554 };
555
556 }