二维条形码

一、什么是二维条形码？
　　二维条形码（2-dimensional bar code）
　　二维条形码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息。二、二维条形码的基本概念

堆叠式二维条形码(2D Stacked Code)

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

矩阵式二维条形码(2D Matrix Code)

　　矩阵式二条形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。

资料字元(Data Character)

　　用于表示特定资料的ASCII字元集的一个字母、数字或特殊符号等字元。

符号字元(Symbol Character)

　　依条形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。

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。

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，一种条形码的字码数决定了该类条形码所有符号字元的数量。

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。

错误纠正字元(Error Correction Character)

　　用于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，二维条形码一般有多个错误纠正字元用于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于侦测错误。

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。对于每个E错误的纠正仅需一个错误纠正字元。

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，一个用于找出位置，另一个用于纠正错误。

错误侦测(Error Detection)

　　一般是保留一些错误纠正字元用于错误侦测，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。三、二维条形码的起源
　　一维条形码虽然提高了资料收集与资料处理的速度，但由于受到资料容量的限制，一维条形码仅能标识商品，而不能描述商品，因此相当依赖电脑网路和资料库。在没有资料库或不便连网路的地方，一维条形码很难派上用场。也因此，最近几年开始有人提出一些储存量较高的二维条形码。由于二维条形码具有高密度、大容量、抗磨损等特点，所以更拓宽了条形码的应用领域。
　　近年来，随着资料自动收集技术的发展，用条形码符号表示更多资讯的要求与日俱增，而一维条形码最大资料长度通常不超过15个字元，故多用以存放关键索引值(Key)，仅可作为一种资料标识，不能对产品进行描述，因此需透过网路到资料库抓取更多的资料项目，因此在缺乏网路或资料库的状况下，一维条形码便失去意义。此外一维条形码有一个明显的缺点，即垂直方向不携带资料，故资料密度偏低。当初这样设计有二个目的：(1) 为了保证局部损坏的条形码仍可正确辨识，(2) 使扫瞄容易完成。
　　要提高资料密度，又要在一个固定面积上印出所需资料，可用二种方法来解决：(1) 在一维条形码的基础上向二维条形码方向扩展，(2) 利用图像识别原理，采用新的几何形体和结构设计出二维条形码。前者发展出堆叠式(Stacked)二维条形码，後者则有矩阵式(Matrix)二维条形码之发展，构成现今二维条形码的两大类型。
　　堆叠式二维条形码的编码原理是建立在一维条形码的基础上，将一维条形码的高度变窄，再依需要堆成多行，其在编码设计、检查原理、识读方式等方面都继承了一维条形码的特点，但由于行数增加，对行的辨别、解码算法及软体则与一维条形码有所不同。较具代表性的堆叠式二维条形码有PDF417, Code16K, Supercode, Code49等。
　　矩阵式二维条形码是以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上，用点(Dot)的出现表示二进制的 “1”，不出现表示二进制的 “0”，点的排列组合确定了矩阵码所代表的意义。其中点可以是方点、圆点或其它形状的点。矩阵码是建立在电脑图像处理技术、组合编码原理等基础上的图形符号自动辨识的码制，已较不适合用“条形码”称之。具有代表性的矩阵式二维条形码有 Datamatrix, Maxicode, Vericode, Softstrip, Code1, Philips Dot Code等。
　　二维条形码的新技术在1980年代晚期逐渐被重视，在「资料储存量大」、「资讯随着产品走」、「可以传真影印」、「错误纠正能力高」等特性下，二维条形码在1990年代初期已逐渐被使用。四、二维条形码的分类
　　二维条码/二维码可以分为堆叠式/行排式二维条码和矩阵式二维条码。堆叠式/行排式二维条码形态上是由多行短截的一维条码堆叠而成；矩阵式二维条码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”， 用“空”表示二进制“0”，由“点”和“空”的排列组成代码。
　　1. 堆叠式/行排式二维条码
　　堆叠式/行排式二维条码（又称堆积式二维条码或层排式二维条码），其编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。有代表性的行排式二维条码有：Code 16K、Code 49、PDF417等。
　　2. 矩阵式二维码
　　短阵式二维条码（又称棋盘式二维条码）它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表的意义。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技术、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。具有代表性的矩阵式二维条码有：Code One、Maxi Code、QR Code、 Data Matrix等。
　　在目前几十种二维要码中，常用的码制有：PDF417二维条码、Datamatrix二维条码、Maxicode二维条码、QR Code、Code 49、Code 16K 、Code one等，除了这些常见的二维条码之外，还有Vericode条码、CP条码、Codablock F条码、田字码、 Ultracode条码，Aztec条码。 要对条码进行质量检测，需要用到条形码检测仪。因为市场容量不大，所以这类检测仪并不多见。只有datalgic、HHP、LIVS、webscan几个厂家在做。能对dataMatrix检测的，webscan公司的trucheck 系统最具性价比。但webscan公司还没有在中国设立办公室。只有一家公司(信亦达科技)做销售代理。五、二维条形码的特点
　　1．高密度编码：信息容量大：可容纳多达1850个大写字母或2710个数字或1108个字节，或500多个汉字，比普通条码信息容量约高几十倍。
　　2．编码范围广：该条码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码，用条码表示出来；可以表示多种语言文字；可表示图像数据。
　　3．容错能力强：具有纠错功能：这使得二维条码因穿孔、污损等引起局部损坏时，照样可以正确得到识读，损毁面积达50％仍可恢复信息。
　　4．译码可靠性高：它比普通条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一。
　　5．可引入加密措施：保密性、防伪性好。
　　6．成本低，易制作，持久耐用。
　　7．条码符号形状、尺寸大小比例可变。
　　8．二维条码可以使用激光或CCD阅读器识读。六、二维条形码的识别
　　二维条形码的识别有两种方法：(1) 透过线型扫描器逐层扫描进行解码，(2) 透过照相和图像处理对二维条形码进行解码。对于堆叠式二维条形码，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形码则必须用照相方法识读，例如使用面型CCD扫描器。
　　

二维条形码的识别

用线型扫描器如线型CCD、雷射枪对二维条形码进行辨识时，如何防止垂直方向的资料漏读是主要的技术关键，因为在识别二维条形码符号时，扫描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形码的每一层至少有一条扫描线完全穿过，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描线完全穿过，如图所示。我们所提到的二维条形码中，如Code 49, Code 16K的识别即是如此。
　　图二维条形码的识别(每层至少一条扫描线通过)
　　不同于其它堆叠式二维条形码，PDF417建立了一种能「缝合」局部扫描的机制，只要确保有一条扫描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。七、二维条形码识读设备
　　二维条形码的阅读设备依阅读原理的不同可分为：
　　（1） 线性CCD和线性图像式阅读器（Linear Imager）
　　可阅读一维条形码和线性堆叠式二维码（如PDF417），在阅读二维码时需要沿条形码的垂直方向扫过整个条形码，我们称为“扫动式阅读”。这类产品比较便宜。
　　（2）带光栅的激光阅读器
　　可阅读一维条形码和线性堆叠式二维码。阅读二维码时将光线对准条形码，由光栅元件完成垂直扫描，不需要手工扫动。
　　（3） 图像式阅读器（Image Reader）
　　采用面阵CCD摄像方式将条形码图像摄取后进行分析和解码，可阅读一维条形码和所有类型的二维条形码。
　　另外，二维条形码的识读设备依工作方式的不同还可以分为：手持式、固定式和平版扫描式。
　　二维条形码的识读设备对于二维条形码的识读会有一些限制，但是均能识别一维条形码。八、二维条形码的印刷与质量评鉴
　　因为二维码比一维码的更为复杂，在容错方面已比一维码有了很大的提高，但，在实际生产过程中，通常还是要对二维条码的印制质量进行检测评鉴的。在欧洲，一般采用全检测，而美国则采用抽检的方式。又因为中国是世界制造中心，所以事实上大多数的检测工作就是在中国进行的。九、二维条形码的应用
　　二维条码具有储存量大、保密性高、追踪性高、抗损性强、备援性大、成本便宜等特性，这些特性特别适用于表单、安全保密、追踪、证照、存货盘点、资料备援等方面。
　　表单应用：公文表单、商业表单、进出口报单、舱单等资料之传送交换，减少人工重覆输入表单资料，避免人为错误，降低人力成本
　　保密应用：商业情报、经济情报、政治情报、军事情报、私人情报等机密资料之加密及传递。
　　追踪应用：公文自动追踪、生产线零件自动追踪、客户服务自动追踪、邮购运送自动追踪、维修记录自动追踪、危险物品自动追踪、後勤补给自动追踪、医疗体检自动追踪、生态研究(动物、鸟类...)自动追踪等。
　　证照应用：护照、身份证、挂号证、驾照、会员证、识别证、连锁店会员证等证照之资料登记及自动输入，发挥「随到随读」、「立即取用」的资讯管理效果。
　　盘点应用：物流中心、仓储中心、联勤中心之货品及固定资产之自动盘点，发挥「立即盘点、立即决策」的效果。
　　备援应用：文件表单的资料若不愿或不能以磁碟、光碟等电子媒体储存备援时，可利用二维条码来储存备援，携带方便，不怕折叠，保存时间长，又可影印传真，做更多备份。十、手机二维条形码应用
　　手机扫描二维码技术简单的说是通过手机拍照功能对二维码进行扫描，快速获取到二维条码中存储的信息，进行上网、发送短信、拨号、资料交换、自动文字输入等，手机二维码目前已经被各大手机厂商使用开发。
　　手机二维码是二维码的一种，手机二维码不但可以印刷在报纸、杂志、广告、图书、包装以及个人名片上，用户还可以通过手机扫描二维码，或输入二维码下面的号码即可实现快速手机上网功能，并随时随地下载图文、了解企业产品信息等。十一、二维条形码与其它自动识别系统的比较
　　一维条条形码与二维条形码应用处理的比较示，虽然一维和二维条形码的原理都是用符号（Symbology）来携带资料，达成资料的自动辨识。但是从应用的观点来看，一维条形码偏重于“标识”商品，而二维条形码则偏重于「描述」商品。因此相较于一维条形码，二维条形码（2D）不仅只存关键值，并可将商品的基本资料编入二维条形码中，达到资料库随着产品走的效益，进一步提供许多一维条形码无法达成的应用。例如一维条码必须搭配电脑资料库才能读取产品的详细资讯，

表:二维条形码与一维条形码之比较

若为新产品则必须再重新登录，对产品特性为多样少量的行业构成应用上的困扰。此外，一维条码稍有磨损即会影响条码阅读效果，故较不适用于工厂型行业。除了这些资料重覆登录与条码磨损等问题外，二维条形码还可有效解决许多一维条码所面临的问题，让企业充分享受资料自动输入、无键输入的好处，对企业与整体产业带来相当的利益，也拓宽了条形码的应用领域。
　　一维条码与二维条形码的差异可以从资料容量与密度、错误侦测能力及错误纠正能力、主要用途、资料库依赖性、识读设备

表:二维条形码与磁卡、IC卡、光卡之比较

等项目看出，二者的比较如表所示。十二、二维条形码的国际标准
　　国际组织在二维条形码标准上的努力已有初步成效，将详细介绍目前美国国家标准协会(ANSI)所制定的二维条形码国际标准，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特别适用于流通业者。Maxicode通常用于邮包的自动分类和追踪，Datamatrix则特别适用于小零件的标识。
　　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形码，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形码标准制订委员会：
　　美国国家标准协会， American National Standards Institute，简称ANSI。
　　美国自动辨识协会，Automatic Identification Manufacturers, 简称AIM-USA。
　　电子工业协会，Electronic Industries Association--EIA PEPS Industrial--PN3132。
　　汽车工业协会，Automotive Industry Action Group，简称 AIAG。
　　国际航空协会，International Air Transport Association，简称 IATA。
　　公用事业工业协会，Utility Industry Group，简称 UIG。
　　欧洲的标准技术协会225委员会，Commit European Normalization Technical Committee 225，简称 CEN TC225。
　　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。
　　日本的电子工业协会，简称EIA-J。
　　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。
　　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，已发展出二维条形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：
　　进货及出货单采用PDF417二维条形码，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。
　　电子资料交换(EDI)的讯息及相关文件采用PDF417二维条形码。
　　输送带上产品之搜寻及追踪采Maxicode二维条形码，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形码，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：
　　二维条形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。
　　二维条形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征以辨识证照的真伪。
　　当二维条形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对于二维条形码的应用，提出如表中的具体建议与方针：
　　表 AIAG建议条形码应用项目
　　应用项目
　　建议采用的条码
　　小零件标识
　　Datamatrix
　　EDI/运货
　　PDF417
　　高品质运输Quality Conveyance
　　PDF417
　　生产保证 Production Evidence
　　PDF417
　　产品行销 Production Broadcast
　　PDF417
　　设备管理 Configuration Management
　　PDF417
　　物品安全管制表Material Safety Data Sheets
　　PDF417
　　搜寻追踪 Sortation and Tracking
　　Maxicode
　　从AIAG协会的条形码建议中可看出，由于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，故特别适用于小零件的标识。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。