第8.1节 二维条码的基本概念

二维条码术语定义

1. 堆叠式二维条码(2D Stacked Code)
   堆叠式二维条码是一种多层符号(Multi-Row Symbology)，通常是将一维条码的高度截短再层叠起来表示资料。
   

2. 矩阵式二维条码(2D Matrix Code)
   矩阵式二条码是一种由中心点到与中心点固定距离的多边形单元所组成的图形，用来表示资料及其它与符号相关功能。
   

3. 资料字元(Data Character)
   用於表示特定资料的ASCII字元集的一个字母、数字或特殊符号等字元。
   

4. 符号字元(Symbol Character)
   依条码符号规则定义来表示资料的线条、空白组合形式。资料字元与符号字元间不一定是一对一的关系。一般情况下，每个符号字元分配一个唯一的值。
   

5. 代码集(Code Set)
   代码集是指将资 字元转化为符号字元值的方法。
   

6. 字码(Codeword)
   字码是指符号字元的值，为原始资料转换为符号字元过程的一个中间值，一种条码的字码数决定了该类条码所有符号字元的数量。
   

7. 字元自我检查(Character Self-Checking)
   字元自我检查是指在一个符号字元中出现单一的印刷错误时，扫瞄器不会将该符号字元解码成其它符号字元的特性。
   

8. 错误纠正字元(Error Correction Character)
   用於错误侦测和错误纠正的符号字元，这些字元是由其它符号字元计算而得，二维条码一般有多个错误纠正字元用於错误侦测以及错误纠正。有些线性扫瞄器有一个错误纠正字元用於侦测错误。
   

9. E错误纠正(Erasure Correction)
   E错误是指在已知位置上因图像对比度不够，或有大污点等原因造成该位置符号字元无法辨识，因此又称为拒读错误。通过错误纠正字元对E错误的恢复称为E错误纠正。对於每个E错误的纠正仅需一个错误纠正字元。
   

10. T错误纠正(Error Correction)
    T错误是指因某种原因将一个符号字元识读为其它符号字元的错误，因此又称为替代错误。T错误的位置以及该位置的正确值都是未知的，因此对每个T错误的纠正需要两个错误纠正字元，一个用於找出位置，另一个用於纠正错误。
    

11. 错误侦测(Error Detection)
    一般是保留一些错误纠正字元用於错误侦测，这些字元被称为侦测字元，用以侦测出符号中不超出错误纠正容量的错误数量，从而保证符号不被读错。此外，也可利用软体透过侦测无效错误纠正的计算结果提供错误侦测功能。若仅为E错误纠正则不提供错误侦测功能。

一般对条码扫瞄器的分类如图7.1所示，共可分为四类：(1) 手持雷射条码扫瞄器(Hand-Held Laser Bar Code Reader)，(2) 固定式雷射条码扫瞄器(Fixed Laser Bar Code Reader)，(3) CCD条码扫瞄器(Charge Coupled Device Bar Code Reader)，(4) 光笔条码扫瞄器(WAND或称Light Pen)。若依扫瞄方式分类，则有「单点式」、「线型」与「面型」等叁种。

图7.1 条码扫瞄器的分类

条码扫瞄器可分为二个独立之部份：输入元件(Input Device)及解码器(Decoder)。二者可一体成型，也可以电线连接，或利用红外线以无线方式输送资料。

输入元件主要包括光电转换系统与类比数位转换器两大部份，光电系统主要用来扫瞄条码，扫瞄动作可藉着操作者手的移动或条码的移动来完成。当光源照射到条码，反射光经光路设计落在感测元件上时，感测元件随着不同内射光之强度转换成不同的类比讯号，经类比数位(A/D)转换器器处理成数位码输出。

数位码输出到解码器中，将数位码解译成条码讯号，即完成了条码扫瞄的工作。条码扫瞄器的读取系统结构如图7.2所示：

图7.2 条码扫瞄器的读取系统结构

1. 光笔条码扫瞄器
   其取像方式为单点式，藉由人手之移动来完成扫瞄条码之动作，扫瞄速度可达每秒3”到30”。光笔的读取方式为接触式读取，光笔尖端条码距离最多只能容许0.05”，可视为读取距离，属於条码扫瞄器之低阶产品。目前的光笔只能读取一维条码。较需注意的是光径需符合最小条码间距，以能完整读取条码之资料，光源采波长660nm LED为主。
   

2. CCD条码扫瞄器
   线型CCD主要用於一维条码，而面型CCD主要应用於资料量丰富的二维条码。其感测元件为光耦合器(Charge-Coupled Device)，一般简称为CCD。CCD的取像方式是属於线型接触式，由於其感测元件长度涵盖条码长度范围，所以读取时并不需要左右移动，CCD的解析度约为2048dpi，扫瞄速度较光笔快。
   
   CCD的读取距离较雷射式的短，传统CCD读取距离约可容许10~25mm，并非一定要完全接触。目前则在增加读取距离上努力，已经有2”~5”之加强型CCD开发出来，未来则希望读取距离能加强至10”。在读取宽度上，以60mm与80mm为主，光源则以波长660nm红光发光二级体(LED)阵列为主。
   

3. 雷射扫瞄器
   藉由雷射光束的扫瞄来读取条码的资料，因此其读取距离较长，约可达10”。由於它和笔式读码机一样，可自由移动到物体处扫瞄，因此条码的长度在容许的范围下并不会受到限制，而且扫瞄时可悬空划过，不必像笔式读码机要接触到条码的表面。雷射扫瞄器特别适用於大量扫瞄以及印刷品质较差的条码。

二维条码扫瞄器主要由美国叁大厂Symbo Tech、PSC、Welch Allyn积极推广中，已成为扫瞄器一重要发展趋势。

二维条码的识别有两种方法：(1) 透过线型扫瞄器逐层扫瞄进行解码，(2) 透过照相和图像处理对二维条码进行解码。对於堆叠式二维条码，可以采用上述两种方法识读，但对绝大多数的矩阵式二维条码则必须用照相方法识读，例如使用面型CCD扫瞄器。

用线型扫瞄器如线型CCD、雷射枪对二维条码进行辨识时，如何防止垂直方向的资料漏读是主要的技术关键，因为在识别二维条码符号时，扫瞄线往往不会与水平方向平行。解决这个问题的方法之一是必须保证条码的每一层至少有一条扫瞄线完全穿过，否则解码程序不识读。这种方法简化了处理过程，但却降低了资料密度，因为每层必须要有足够的高度来确保扫瞄线完全穿过，如图7.3所示。我们所提到的二维条码中，如Code 49, Code 16K的识别即是如此。

图7.3 二维条码的识别(每层至少一条扫瞄线通过)

不同於其它堆叠式二维条码，PDF417建立了一种能「缝合」局部扫瞄的机制，只要确保有一条扫瞄线完全落在任一层中即可，因此层与层间不需要分隔线，而是以不同的符号字元 (Cluster)来区分相邻层，因此PDF417的资料密度较高，是Code 49及Code 16K的两倍多，但其识读设备也比较复杂。

第8.2节　二维条码与一维条码的比较

第8.3节　二维条码的应用范围

第8.4节　二维条码的 国际标准

国际组织在二维条码标准上的努力已有初步成效，之後我们将详细介绍目前美国国家标准协会(ANSI)所制定的二维条码国际标准，包括PDF417、Maxicode、Datamatrix。其中以PDF417应用范围最广，从生产、运货、行销、到存货管理都很适合，故PDF417特别适用於流通业者。Maxicode通常用於邮包的自动分类和追踪，Datamatrix则特别适用於小零件的标识。

国际标准组织

标准制定委员会最大的任务，在避免同一行业采用不同的二维条码，造成资讯传输上的困扰。目前国际组织在二维条码标准上的努力已有初步成效，例如下列国际组织皆设有二维条码标准制订委员会：

1. 美国国家标准协会， American National Standards Institute，简称ANSI。
   

2. 美国自动辨识协会，Automatic Identification Manufacturers, 简称AIM-USA。
   

3. 电子工业协会，Electronic Industries Association--EIA PEPS Industrial--PN3132。
   

4. 汽车工业协会，Automotive Industry Action Group，简称 AIAG。
   

5. 国际航空协会，International Air Transport Association，简称 IATA。
   

6. 公用事业工业协会，Utility Industry Group，简称 UIG。
   

7. 欧洲的标准技术协会225委员会，Commit European Normalization Technical Committee 225，简称 CEN TC225。
   

8. 欧洲的电子资料交换协会，Electronic Data Interchange Forum for Companies with Interests in Computing and Electronics，简称 EDIFICE。
   

9. 日本的电子工业协会，简称EIA-J。
   

10. 国际标准组织，International Standard Organization, 简称ISO。

上述国际组织虽分属不同的行业或国家，为求二维条码的共同标准，常常会举行国际会议相互交换意见。本课程老师黄庆祥在1996年曾担任国际标准组织ISO/TC122/WG4委员会委员之一，直接参与二维条码国际标准制订的相关活动，希望为我国今後在二维条码国际标准制订的发言权抢占先机，以协助经济部商业司创造二维条码的有利环境，为亚太营运中心及其应用「资料自动收集及辨识」的技术水准提供帮助。

流通业的标准

美国部分条码委员会，如美国国家标准协会ANSIMH10.8、电子工业联谊会EIA MH10 SBC-8等，已发展出二维条码在流通业的应用标准。ANSI MH10.8委员会的主要任务，在制定单位包裹与货运标签应用的标准(Two-dimensional Symbols For Use With Unit Loads and Transport Packages)，目前二维条码标准的建议内容包括：

1. 进货及出货单采用PDF417二维条码，例如船运公司的舱单，其每个模组列印的最佳尺寸是10mils(千分之一寸)以上。
   

2. 电子资料交换(EDI)的讯息及相关文件采用PDF417二维条码。
   

3. 输送带上产品之搜寻及追踪采Maxicode二维条码，建议尺寸为1寸×1寸。

美国电子工业联谊会(EIA)是美国主要电子制造业者，如英代尔(Intel)、Motorola、德州仪器等共同组成的产业贸易协会，1995年2月1日，EIA条码委员会(MH10 SBC-8)在ANSI的支持下宣布二维条码可以应用在下列叁大范围：高速搜寻及追踪(High Speed Sortation and Tracking)、纸上电子资料交换(Paper EDI)、出货进货讯息(Shipping/Receiving Information)。1995年4月，EIA条码委员会完成二维条码标准草案(ANSI/EIA PN3132)，做为电子产品整个产销流程上中下游使用二维条码的标准。事实上，半导体设备暨物料国际协会(SEMI)在1993年就订了半导体晶片使用二维条码的标准(SEMI T93)，希望半导体厂商使用二维条码以防止晶片的偷窃犯罪，可惜当时二维条码相关设备昂贵而技术也不完全成熟。如今新完成的二维条码标准草案(ANSI/EIA PN3132)，已整合各种二维条码在各种行业的需求，已具有相当的实用性。

证照业的标准

机器可读旅行文件技术谘询小组(Technical Advisory Group on Machine Readable Travel Documents, TAG/MRTD) 是一个国际标准组织，1995年1月17~20日在日内瓦举行新技术评估会议，通过建议将二维条码列为国际证照标准，在国际证照可加印二维条码，以储存证照之文字或指纹、相片等身分辨识之生理资料 (Biometrics Identification)。该小组针对二维条码在证照上的应用，做出以下的建议：

1. 二维条码在证照上的应用已相当可行，有关二维条码在证照上的位置、储存内容及详细规格应立即研订。
   

2. 二维条码储存的资料内容应做为证照真伪的辨别及持有人的身分的辨识，印二维条码的油墨应含有标准光学特徵以辨识证照的真伪。
   

3. 当二维条码因国情因素不能印制时，印制二维条码的位置可只以含有光学性质的特别油墨处理之，以符合国际标准。

汽车业标准

美国汽车工业协会AIAG是一个美国汽车制造业者如福特、克莱斯勒、通用等，与其上游厂商所共同组成的协会，AIAG对於二维条码的应用，提出如表7.2中的具体建议与方针：

表7.2 AIAG建议条码应用项目

从AIAG协会的条码建议中可看出，由於PDF417兼具高资料储存量、错误纠正能力、及可携性资料档等特性，故最受重视，其应用范围亦最广。而Datamatrix因可提供极小又高密度的标签，且仍可存放合理的资料内容，故特别适用於小零件的标识。另外，Maxicode的主要特性即应用在货品搜寻的辅助，而成为配送与运输应用的最佳选择。

此外，美国交通部AMVA (American Motor Vehicle Administrators)已选定将PDF417做广泛的应用，从驾驶执照到行照登记等都将应用PDF417。而美国国防部DOD(American Department of Defense)也选用PDF417制作军人证，美国空军已开始建议将身分证编上PDF417。