产品自动识别的二维条形码技术

殷国富 贾有涵 乐绍文  

在产品识别自动化领域里,为了从质上提高条码技术的应用水平,从量上拓宽条码技术的应用范围,迫切要求条码在有限的几何空间里具有更大的信息容量和更高的信息密度,以满足现代社会千变万化的需要,因而八十年代中期,随着计算机科学、图象识别处理技术和编码理论的发展,二维条码技术的开发研究格外引人注目,并取得了令人瞩目的成就,而且将作为未来的自动识别新技术而得到更大发展。

一、什么是二维条码

二维条码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的;在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念,使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息,通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理:它具有条码技术的一些共性:每种码制有其特定的字符集;每个字符占有一定的宽度;具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化等特点。

二、研究二维条码的必要性

目前通用的条码需要一定的平面面积来存载所表达的信息,随着信息量的增加肯定需要更大的面积。然而,某些产品,例如半导体器件、计算机芯片、医疗药品、晶片等微小型产品本身无足够的空间来容纳条码;过大过长的条码标记又将在某种程度上影响商品的装璜效果;受识读设备和打印设备的限制,条码的最小宽度不可能做得大小。目前,使用较多的Code 39码信息密度是9.4字符/英寸;UPC码密度是13.7字符/英寸;交叉25码的信息密度较高,也才达到17.7字符/英寸。 相比之下二维码能有效解决上述问题,提高信息密度,有利于条码技术应用到微小型产品的自动识别上。图1是具有相同信息容量的三九条码与二维码占用面积的比较。

条码的四周一般都需要有较好对比度的区域或界线以便扫描设备正确识读,而这一区域不是符号的组成部分,不给出定时或取向之类的信息。在二维码中可充分利用这一区域来组织安排取向定时内容,利用图象处理技术,方便地提取出需要的信息。

二维条码可直接打印在产品上,不仅适用于纸介质,也可适用用塑料、玻璃、陶瓷之类的介质。在某些机电产品的标牌、印刷电路板或塑料产品上,应用雕刻腐蚀制板工艺和激光印刻工艺,容易把简单几何形体(比如圆点)组成的二维条码直接印制在产品上,而相应的普通条码就要复杂得多。

鉴于二维条码具有较高的信息密度,应用范围广泛,可靠性好,易于图象处理系统识读等优点以及现实产品识别的需要,近年来倍受国内外学者专家的关注,已经进行了许多有意义的理论探索和应用开发。

三、二维条码类型

二维条码的研究在技术路线上从两个方面展开,一是在一维码基础上向二维码方向扩展;二是利用图象识别原理,采用新的几体形体和结构设计出二维码制。目前,根据二维码实现原理,结构形状的差异、检校原理、识读方式等方面继承了一维码的特点,识读设备与条码印制兼容一维条码技术。但由于行数的增加,行的鉴别、译校算法与软件不完全相同于一维条码。有代表性的堆积式二维码有Code 49码、PDF417码、Codel6K码和UPS Code SM码等。

点阵码是用几何形状为实用圆以矩阵的形式组成。在矩阵相应元素位置上,用“1”表示圆点的出现,“0”表示没有圆点呈现。圆点的排列组合确定了点码所代表的意义,矩阵点阵就可以转换为矩阵的二进制字阵,经过译码解码反映出所代表的信息。点阵码是建立在计算机图象处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。图2是具有相同信息容量的7X7点阵码与标准Code条码的比较,圆的直径等于条码宽黑线单元的宽度。

四、二维码发展概况与应用前景

由于普通条码信息密度小、需占用较大面积等缺陷,使它不能应用于一切产品之上,1987年在把条码变小或在相同的面积内装入更多信息的努力中,符号设计专家David A11ais博士提出一种称为Code49的二维码,实际上是把一维条码的高度截短并按行堆积,由2到8行构成,5位数字用3个字符表示,使用2字符为码词,是一种多行连续型且长度可变的字数值式条码,可使用现有的条码阅读设备和打印设备。Code49具有信息容量大和使用灵活等优点而受到学术界的重视,开创了进行二维条码研究的先例,Codel6K码近似于cocde 49码,由2到16行组成,分隔条分离各行,利用UPC码和128码字符集,最大信息长度可达77个ASCII字符。 Pavlidis教授等人进行了二维条码译码解码算法的研究,Longacre教授着手进行堆积式二维条码符号学基础理论的研究,大大促进了堆积式二维条码的发展。

1990年,Symbol技术公司的Ynjiun P.Wang等人设计了一种便携式数据文件条码PDF417 (Portable Data File)高密度条码,利用行鉴别原理,错误检测校正等技术正确地收集组织数据,在识读设备与印刷技术上兼容条码工业标准。

上述Code 49、PDF 417码其信息密度高于普通条码,但所有这些符号表示法主要是为静态应用或手持应用系统设计的。对于工厂自动化生产线上运动产品的识别、邮政包裹传输带上自动包裹分拣处理等问题就不尽人意了。UPS公司的Figrare lla等人研制的UPS Code二维符号表示法就是为包裹在分布环境下运动的特性而设计的自动分类系统,称之为便携式数据库。该系统的作用是通过安装在传输带上方的阅读器识读每个特定包裹的邮编信息,摄象机获取的象素数据(PixeI Data)转换成数据形式被放大,抵偿非均匀照明。一种特定的牛眼探测器的存在并被用来识别标笺的中心位置,通过图象处理确定标笺方位,识别六角形中心,进行二维码重建,误差较正和译码,输出正确信息将包裹导人正确的滑槽而实现邮包的自动分拣处理。

美国Veritec公司提出一种新的二维码符号(Vertec Symbol)是在矩阵图形里载有数据的条码,称之为矩阵符号码(Mairix Symb01),其矩阵符号格式和图象处理系统已获得美国专利。该符号是一种用于微小型产品上的二进制数据编码系统,便于机器书写和阅读,准确性和可重复性达到最佳水平,具有扩大和缩小数据单元而不改变其数据信息,容纳奇偶检校和错误修改代码等特点。具体产品信息的矩阵符号按特定算法编制的软件生成数据单元和数据图象帧,可用激光蚀刻方法标记于产品之上,其面积大小的限制因素是激光蚀刻的精度和图象识别设备的分辨能力。矩阵符号码在微小产品自动识别、工厂生产自动线以及计算机集成制造系统(CIMS)中具有广阔的应用前景。

菲利普研究实验室的WILJ WAN GILS等人提出一种新型的二维码方案,即用标准几何形体圆点构成自动生产线上产品识别标记的圆点矩阵二维码表示法(6)。这一方案由两大部分组成,一是源编码系统,用于把识别标志的编码转换成通信信息字;另一是信道编码系统,用于对随机误码进行错误检测和校正。点阵码除了具备信息密度高、占用较少的产品标志页积等特点外,也便于用雕刻腐蚀制板工艺把点码印制在机械零部件上,用摄象设备识读和图象处理系统识别,也是一种具有较大应用潜力的二维编码方案。

近年来,国内在大力进行条码推广应用的同时也积极跟踪国外技术发展,进行条码理论基础和关键技术的研究。中国物品编码中心条码高新技术研究立项进行二维码研究工作。在二维码制设计、编码原理等方面进行了探索,提出了一种自动识别方位进行校正的J结构方案与中心符相结合的二维码制初步编码方案。对二维码图象处理译码解码算法以及隐形码等关键技术进行了研究,并取得一些初步成果。

综上所述,二维条码的码的研制之所以能引起国内外条码技术领域学者专家的关注,其根本原因是作为信息自动识别处理的条码应具有更高信息密度才能在经济全球化、信息网络化、生活国际化的当今社会充分起到信息交换媒介的作用。二维条码不仅可以象一维条码那样用在一般产品上,而且在微小型产品、自动生产线上的产品识别等方面更具有独特优势,可以预言,二维码的应用深度和广度将在条码技术发展中起着重要的更新换代作用。

 

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