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二維條形碼是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面(二維方向上)分佈的黑白相間的圖形記錄數據符號信息的;在代碼編製上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的「0」、「1」比特流的概念,使用若干個與二進位相對應的幾何形體來表示文字數值信息,通過圖象輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理:它具有條碼技術的一些共性:每種碼制有其特定的字符集;每個字元佔有一定的寬度;具有一定的校驗功能等。同時還具有對不同行的信息自動識別功能、及處理圖形旋轉變化等特點。

1 二維條形碼 -一、什麼是二維條形碼?

二維條形碼二維條形碼
二維條形碼能夠在橫向和縱向兩個方位同時表達信息,因此能在很小的面積內表達大量的信息。

2 二維條形碼 -二、二維條形碼的基本概念

二維條形碼二維條形碼
堆疊式二維條形碼(2D Stacked Code):堆疊式二維條形碼是一種多層符號(Multi-Row Symbology),通常是將一維條形碼的高度截短再層疊起來表示資料。
  矩陣式二維條形碼(2D Matrix Code):矩陣式二條形碼是一種由中心點到與中心點固定距離的多邊形單元所組成的圖形,用來表示資料及其它與符號相關功能。
  資料字元(Data Character):用於表示特定資料的ASCII字元集的一個字母、數字或特殊符號等字元。
  符號字元(Symbol Character):依條形碼符號規則定義來表示資料的線條、空白組合形式。資料字元與符號字元間不一定是一對一的關係。一般情況下,每個符號字元分配一個唯一的值。
  代碼集(Code Set):代碼集是指將資 字元轉化為符號字元值的方法。
  字碼(Codeword):字碼是指符號字元的值,為原始資料轉換為符號字元過程的一個中間值,一種條形碼的字碼數決定了該類條形碼所有符號字元的數量。
  字元自我檢查(Character Self-Checking):字元自我檢查是指在一個符號字元中出現單一的印刷錯誤時,掃瞄器不會將該符號字元解碼成其它符號字元的特性。
  錯誤糾正字元(Error Correction Character):用於錯誤偵測和錯誤糾正的符號字元,這些字元是由其它符號字元計算而得,二維條形碼一般有多個錯誤糾正字元用於錯誤偵測以及錯誤糾正。有些線性掃瞄器有一個錯誤糾正字元用於偵測錯誤。
  E錯誤糾正(erasure Correction):E錯誤是指在已知位置上因圖像對比度不夠,或有大污點等原因造成該位置符號字元無法辨識,因此又稱為拒讀錯誤。通過錯誤糾正字元對E錯誤的恢復稱為E錯誤糾正。對於每個E錯誤的糾正僅需一個錯誤糾正字元。
  T錯誤糾正(Error Correction):T錯誤是指因某種原因將一個符號字元識讀為其它符號字元的錯誤,因此又稱為替代錯誤。T錯誤的位置以及該位置的正確值都是未知的,因此對每個T錯誤的糾正需要兩個錯誤糾正字元,一個用於找出位置,另一個用於糾正錯誤。
  錯誤偵測(Error Detection):一般是保留一些錯誤糾正字元用於錯誤偵測,這些字元被稱為偵測字元,用以偵測出符號中不超出錯誤糾正容量的錯誤數量,從而保證符號不被讀錯。此外,也可利用軟體透過偵測無效錯誤糾正的計算結果提供錯誤偵測功能。若僅為E錯誤糾正則不提供錯誤偵測功能。

3 二維條形碼 -三、二維條形碼的起源

二維條形碼二維條形碼
一維條形碼雖然提高了資料收集與資料處理的速度,但由於受到資料容量的限制,一維條形碼僅能標識商品,而不能描述商品,因此相當依賴電腦網路和資料庫。在沒有資料庫或不便連網路的地方,一維條形碼很難派上用場。也因此,最近幾年開始有人提出一些儲存量較高的二維條形碼。由於二維條形碼具有高密度、大容量、抗磨損等特點,所以更拓寬了條形碼的應用領域。
  近年來,隨著資料自動收集技術的發展,用條形碼符號表示更多資訊的要求與日俱增,而一維條形碼最大資料長度通常不超過15個字元,故多用以存放關鍵索引值(Key),僅可作為一種資料標識,不能對產品進行描述,因此需透過網路到資料庫抓取更多的資料項目,因此在缺乏網路或資料庫的狀況下,一維條形碼便失去意義。此外一維條形碼有一個明顯的缺點,即垂直方向不攜帶資料,故資料密度偏低。當初這樣設計有二個目的:(1) 為了保證局部損壞的條形碼仍可正確辨識,(2) 使掃瞄容易完成。
  要提高資料密度,又要在一個固定面積上印出所需資料,可用二種方法來解決:(1) 在一維條形碼的基礎上向二維條形碼方向擴展,(2) 利用圖像識別原理,採用新的幾何形體和結構設計出二維條形碼。前者發展出堆疊式(Stacked)二維條形碼,後者則有矩陣式(Matrix)二維條形碼之發展,構成現今二維條形碼的兩大類型。
  堆疊式二維條形碼的編碼原理是建立在一維條形碼的基礎上,將一維條形碼的高度變窄,再依需要堆成多行,其在編碼設計、檢查原理、識讀方式等方面都繼承了一維條形碼的特點,但由於行數增加,對行的辨別、解碼演算法及軟體則與一維條形碼有所不同。較具代表性的堆疊式二維條形碼有PDF417, Code16k, Supercode, Code49等。
  矩陣式二維條形碼是以矩陣的形式組成,在矩陣相應元素位置上,用點(Dot)的出現表示二進位的 「1」,不出現表示二進位的 「0」,點的排列組合確定了矩陣碼所代表的意義。其中點可以是方點、圓點或其它形狀的點。矩陣碼是建立在電腦圖像處理技術、組合編碼原理等基礎上的圖形符號自動辨識的碼制,已較不適合用「條形碼」稱之。具有代表性的矩陣式二維條形碼有 Datamatrix, Maxicode, Vericode, Softstrip, Code1, Philips Dot Code等。
  二維條形碼的新技術在1980年代晚期逐漸被重視,在「資料儲存量大」、「資訊隨著產品走」、「可以傳真影印」、「錯誤糾正能力高」等特性下,二維條形碼在1990年代初期已逐漸被使用。

4 二維條形碼 -四、二維條形碼的分類

二維條碼/二維碼可以分為堆疊式/行排式二維條碼和矩陣式二維條碼。堆疊式/行排式二維條碼形態上是由多行短截的一維條碼堆疊而成;矩陣式二維條碼以矩陣的形式組成,在矩陣相應元素位置上用「點」表示二進位「1」, 用「空」表示二進位「0」,由「點」和「空」的排列組成代碼。
  1. 堆疊式/行排式二維條碼
  堆疊式/行排式二維條碼(又稱堆積式二維條碼或層排式二維條碼),其編碼原理是建立在一維條碼基礎之上,按需要堆積成二行或多行。它在編碼設計、校驗原理、識讀方式等方面繼承了一維條碼的一些特點,識讀設備與條碼印刷與一維條碼技術兼容。但由於行數的增加,需要對行進行判定,其解碼演算法與軟體也不完全相同於一維條碼。有代表性的行排式二維條碼有:Code 16K、Code 49、PDF417等。
  2. 矩陣式二維碼
  短陣式二維條碼(又稱棋盤式二維條碼)它是在一個矩形空間通過黑、白像素在矩陣中的不同分佈進行編碼。在矩陣相應元素位置上,用點(方點、圓點或其他形狀)的出現表示二進位「1」,點的不出現表示二進位的「0」,點的排列組合確定了矩陣式二維條碼所代表的意義。矩陣式二維條碼是建立在計算機圖像處理技術、組合編碼原理等基礎上的一種新型圖形符號自動識讀處理碼制。具有代表性的矩陣式二維條碼有:Code One、Maxi Code、QR Code、 Data Matrix等。
  在目前幾十種二維要碼中,常用的碼制有:PDF417二維條碼、Datamatrix二維條碼、Maxicode二維條碼、QR Code、Code 49、Code 16K 、Code one等,除了這些常見的二維條碼之外,還有Vericode條碼、CP條碼、Codablock F條碼、田字碼、 Ultracode條碼,Aztec條碼。 要對條碼進行質量檢測,需要用到條形碼檢測儀。因為市場容量不大,所以這類檢測儀並不多見。只有datalgic、HHP、LIVS、webscan幾個廠家在做。能對dataMatrix檢測的,webscan公司的trucheck 系統最具性價比。但webscan公司還沒有在中國設立辦公室。只有一家公司(信亦達科技)做銷售代理。

5 二維條形碼 -五、二維條形碼的特點

1.高密度編碼:信息容量大:可容納多達1850個大寫字母或2710個數字或1108個位元組,或500多個漢字,比普通條碼信息容量約高几十倍。
  2.編碼範圍廣:該條碼可以把圖片、聲音、文字、簽字、指紋等可以數字化的信息進行編碼,用條碼錶示出來;可以表示多種語言文字;可表示圖像數據。
  3.容錯能力強:具有糾錯功能:這使得二維條碼因穿孔、污損等引起局部損壞時,照樣可以正確得到識讀,損毀面積達50%仍可恢複信息。
  4.解碼可靠性高:它比普通條碼解碼錯誤率百萬分之二要低得多,誤碼率不超過千萬分之一。
  5.可引入加密措施:保密性、防偽性好。
  6.成本低,易製作,持久耐用。
  7.條碼符號形狀、尺寸大小比例可變。
  8.二維條碼可以使用激光或CCD閱讀器識讀。

6 二維條形碼 -六、二維條形碼的識別

二維條形碼二維條形碼的識別
二維條形碼的識別有兩種方法:(1) 透過線型掃描器逐層掃描進行解碼,(2) 透過照相和圖像處理對二維條形碼進行解碼。對於堆疊式二維條形碼,可以採用上述兩種方法識讀,但對絕大多數的矩陣式二維條形碼則必須用照相方法識讀,例如使用面型CCD掃描器。
  二維條形碼的識別用線型掃描器如線型CCD、雷射槍對二維條形碼進行辨識時,如何防止垂直方向的資料漏讀是主要的技術關鍵,因為在識別二維條形碼符號時,掃描線往往不會與水平方向平行。解決這個問題的方法之一是必須保證條形碼的每一層至少有一條掃描線完全穿過,否則解碼程序不識讀。這種方法簡化了處理過程,但卻降低了資料密度,因為每層必須要有足夠的高度來確保掃描線完全穿過,如圖所示。我們所提到的二維條形碼中,如Code 49, Code 16K的識別即是如此。
  圖二維條形碼的識別(每層至少一條掃描線通過)
  不同於其它堆疊式二維條形碼,PDF417建立了一種能「縫合」局部掃描的機制,只要確保有一條掃描線完全落在任一層中即可,因此層與層間不需要分隔線,而是以不同的符號字元 (Cluster)來區分相鄰層,因此PDF417的資料密度較高,是Code 49及Code 16K的兩倍多,但其識讀設備也比較複雜。

7 二維條形碼 -七、二維條形碼識讀設備

  二維條形碼的閱讀設備依閱讀原理的不同可分為:
  (1) 線性CCD和線性圖像式閱讀器(Linear Imager)
  可閱讀一維條形碼和線性堆疊式二維碼(如PDF417),在閱讀二維碼時需要沿條形碼的垂直方向掃過整個條形碼,我們稱為「掃動式閱讀」。這類產品比較便宜。
  (2)帶光柵的激光閱讀器
  可閱讀一維條形碼和線性堆疊式二維碼。閱讀二維碼時將光線對準條形碼,由光柵元件完成垂直掃描,不需要手工掃動。
  (3) 圖像式閱讀器(Image Reader)
  採用面陣CCD攝像方式將條形碼圖像攝取後進行分析和解碼,可閱讀一維條形碼和所有類型的二維條形碼。
  另外,二維條形碼的識讀設備依工作方式的不同還可以分為:手持式、固定式和平版掃描式。
  二維條形碼的識讀設備對於二維條形碼的識讀會有一些限制,但是均能識別一維條形碼。

8 二維條形碼 -八、二維條形碼的印刷與質量評鑒

  因為二維碼比一維碼的更為複雜,在容錯方面已比一維碼有了很大的提高,但,在實際生產過程中,通常還是要對二維條碼的印製質量進行檢測評鑒的。在歐洲,一般採用全檢測,而美國則採用抽檢的方式。又因為中國是世界製造中心,所以事實上大多數的檢測工作就是在中國進行的。

9 二維條形碼 -九、二維條形碼的應用

二維條碼具有儲存量大、保密性高、追蹤性高、抗損性強、備援性大、成本便宜等特性,這些特性特別適用於表單、安全保密、追蹤、證照、存貨盤點、資料備援等方面。
  表單應用:公文表單、商業表單、進出口報單、艙單等資料之傳送交換,減少人工重覆輸入表單資料,避免人為錯誤,降低人力成本
  保密應用:商業情報、經濟情報、政治情報、軍事情報、私人情報等機密資料之加密及傳遞。
  追蹤應用:公文自動追蹤、生產線零件自動追蹤、客戶服務自動追蹤、郵購運送自動追蹤、維修記錄自動追蹤、危險物品自動追蹤、後勤補給自動追蹤、醫療體檢自動追蹤、生態研究(動物、鳥類...)自動追蹤等。
  證照應用:護照、身份證、挂號證、駕照、會員證、識別證、連鎖店會員證等證照之資料登記及自動輸入,發揮「隨到隨讀」、「立即取用」的資訊管理效果。
  盤點應用:物流中心、倉儲中心、聯勤中心之貨品及固定資產之自動盤點,發揮「立即盤點、立即決策」的效果。
  備援應用:文件表單的資料若不願或不能以磁碟、光碟等電子媒體儲存備援時,可利用二維條碼來儲存備援,攜帶方便,不怕摺疊,保存時間長,又可影印傳真,做更多備份。

10 二維條形碼 -十、手機二維條形碼應用

手機掃描二維碼技術簡單的說是通過手機拍照功能對二維碼進行掃描,快速獲取到二維條碼中存儲的信息,進行上網、發送簡訊、撥號、資料交換、自動文字輸入等,手機二維碼目前已經被各大手機廠商使用開發。
  手機二維碼是二維碼的一種,手機二維碼不但可以印刷在報紙、雜誌、廣告、圖書、包裝以及個人名片上,用戶還可以通過手機掃描二維碼,或輸入二維碼下面的號碼即可實現快速手機上網功能,並隨時隨地下載圖文、了解企業產品信息等。

11 二維條形碼 -十一、二維條形碼與其它自動識別系統的比較

一維條條形碼與二維條形碼應用處理的比較示,雖然一維和二維條形碼的原理都是用符號(Symbology)來攜帶資料,達成資料的自動辨識。但是從應用的觀點來看,一維條形碼偏重於「標識」商品,而二維條形碼則偏重於「描述」商品。因此相較於一維條形碼,二維條形碼(2D)不僅只存關鍵值,並可將商品的基本資料編入二維條形碼中,達到資料庫隨著產品走的效益,進一步提供許多一維條形碼無法達成的應用。例如一維條碼必須搭配電腦資料庫才能讀取產品的詳細資訊,表:二維條形碼與一維條形碼之比較若為新產品則必須再重新登錄,對產品特性為多樣少量的行業構成應用上的困擾。此外,一維條碼稍有磨損即會影響條碼閱讀效果,故較不適用於工廠型行業。除了這些資料重覆登錄與條碼磨損等問題外,二維條形碼還可有效解決許多一維條碼所面臨的問題,讓企業充分享受資料自動輸入、無鍵輸入的好處,對企業與整體產業帶來相當的利益,也拓寬了條形碼的應用領域。
  一維條碼與二維條形碼的差異可以從資料容量與密度、錯誤偵測能力及錯誤糾正能力、主要用途、資料庫依賴性、識讀設備表:二維條形碼與磁卡、IC卡、光卡之比較等項目看出,二者的比較如表所示。

12 二維條形碼 -十二、二維條形碼的國際標準

國際組織在二維條形碼標準上的努力已有初步成效,將詳細介紹目前美國國家標準協會(ANSI)所制定的二維條形碼國際標準,包括PDF417、Maxicode、Datamatrix。其中以PDF417應用範圍最廣,從生產、運貨、行銷、到存貨管理都很適合,故PDF417特別適用於流通業者。Maxicode通常用於郵包的自動分類和追蹤,Datamatrix則特別適用於小零件的標識。
  國際標準組織
  標準制定委員會最大的任務,在避免同一行業採用不同的二維條形碼,造成資訊傳輸上的困擾。目前國際組織在二維條碼標準上的努力已有初步成效,例如下列國際組織皆設有二維條形碼標準制訂委員會:
  美國國家標準協會, American National Standards Institute,簡稱ANSI。
  美國自動辨識協會,Automatic Identification Manufacturers, 簡稱AIM-USA。
  電子工業協會,Electronic Industries Association--EIA PEPS Industrial--PN3132。
  汽車工業協會,Automotive Industry Action Group,簡稱 AIAG。
  國際航空協會,International Air Transport Association,簡稱 IATA。
  公用事業工業協會,Utility Industry Group,簡稱 UIG。
  歐洲的標準技術協會225委員會,Commit European Normalization Technical Committee 225,簡稱 CEN TC225。
  歐洲的電子資料交換協會,Electronic Data Interchange Forum for Companies with Interests in Computing and Electronics,簡稱 edifice。
  日本的電子工業協會,簡稱EIA-J。
  國際標準組織,International Standard Organization, 簡稱ISO。
  上述國際組織雖分屬不同的行業或國家,為求二維條碼的共同標準,常常會舉行國際會議相互交換意見。
  流通業的標準
  美國部分條碼委員會,如美國國家標準協會ANSIMH10.8、電子工業聯誼會EIA MH10 SBC-8等,已發展出二維條形碼在流通業的應用標準。ANSI MH10.8委員會的主要任務,在制定單位包裹與貨運標籤應用的標準(Two-dimensional Symbols For Use With Unit Loads and Transport Packages),目前二維條碼標準的建議內容包括:
  進貨及出貨單採用PDF417二維條形碼,例如船運公司的艙單,其每個模組列印的最佳尺寸是10mils(千分之一寸)以上。
  電子資料交換(EDI)的訊息及相關文件採用PDF417二維條形碼。
  輸送帶上產品之搜尋及追蹤采Maxicode二維條形碼,建議尺寸為1寸×1寸。
  美國電子工業聯誼會(EIA)是美國主要電子製造業者,如英代爾(Intel)、Motorola、德州儀器等共同組成的產業貿易協會,1995年2月1日,EIA條碼委員會(MH10 SBC-8)在ANSI的支持下宣布二維條碼可以應用在下列叄大範圍:高速搜尋及追蹤(High Speed Sortation and Tracking)、紙上電子資料交換(Paper EDI)、出貨進貨訊息(Shipping/Receiving Information)。1995年4月,EIA條碼委員會完成二維條碼標準草案(ANSI/EIA PN3132),做為電子產品整個產銷流程上中下游使用二維條碼的標準。事實上,半導體設備暨物料國際協會(SEMI)在1993年就訂了半導體晶片使用二維條碼的標準(SEMI T93),希望半導體廠商使用二維條碼以防止晶片的偷竊犯罪,可惜當時二維條碼相關設備昂貴而技術也不完全成熟。如今新完成的二維條碼標準草案(ANSI/EIA PN3132),已整合各種二維條碼在各種行業的需求,已具有相當的實用性。
  證照業的標準
  機器可讀旅行文件技術諮詢小組(Technical Advisory Group on Machine Readable Travel Documents, TAG/MRTD) 是一個國際標準組織,1995年1月17~20日在日內瓦舉行新技術評估會議,通過建議將二維條碼列為國際證照標準,在國際證照可加印二維條形碼,以儲存證照之文字或指紋、相片等身分辨識之生理資料 (Biometrics Identification)。該小組針對二維條碼在證照上的應用,做出以下的建議:
  二維條形碼在證照上的應用已相當可行,有關二維條碼在證照上的位置、儲存內容及詳細規格應立即研訂。
  二維條形碼儲存的資料內容應做為證照真偽的辨別及持有人的身分的辨識,印二維條碼的油墨應含有標準光學特徵以辨識證照的真偽。
  當二維條形碼因國情因素不能印製時,印製二維條碼的位置可只以含有光學性質的特別油墨處理之,以符合國際標準。
  汽車業標準
  美國汽車工業協會AIAG是一個美國汽車製造業者如福特、克萊斯勒、通用等,與其上游廠商所共同組成的協會,AIAG對於二維條形碼的應用,提出如表中的具體建議與方針:
  表 AIAG建議條形碼應用項目
  應用項目
  建議採用的條碼
  小零件標識
  Datamatrix
  EDI/運貨
  PDF417
  高品質運輸Quality Conveyance
  PDF417
  生產保證 Production Evidence
  PDF417
  產品行銷 Production Broadcast
  PDF417
  設備管理 Configuration Management
  PDF417
  物品安全管製表Material Safety Data Sheets
  PDF417
  搜尋追蹤 Sortation and Tracking
  Maxicode
  從AIAG協會的條形碼建議中可看出,由於PDF417兼具高資料儲存量、錯誤糾正能力、及可攜性資料檔等特性,故最受重視,其應用範圍亦最廣。而Datamatrix因可提供極小又高密度的標籤,且仍可存放合理的資料內容,故特別適用於小零件的標識。另外,Maxicode的主要特性即應用在貨品搜尋的輔助,而成為配送與運輸應用的最佳選擇。
  此外,美國交通部AMVA (American Motor Vehicle Administrators)已選定將PDF417做廣泛的應用,從駕駛執照到行照登記等都將應用PDF417。而美國國防部DOD(American Department of Defense)也選用PDF417製作軍人證,美國空軍已開始建議將身分證編上PDF417。

13 二維條形碼 -參考資料

1.華韻條碼 http://www.4media.net/
2.條碼事業 http://hi.baidu.com/tiaoxingma%5Ferweima
3.韋博斯根Trucheck中國技術服務中心: http://www.webscaninc.com.cn
4.希創技術http://www.systron.com.cn/tiaoxingma/book3.htm

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