（仪器科学与技术专业论文）面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计.pdf

河北工业大学硕士学位论文 i 面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计 摘摘 要 要 在众多自动识别技术中,条码技术越来越被人们所认识和接受,已经成为当今主要的 计算机自动识别技术之一。但是传统的一维条码与二维条码信息容量已不能满足要求。新 型条码的研制已成为条码发展的主流趋势。本文密切结合三维喷墨打印成形，编码理论， 条形码技术等相关理论知识，提出了一种新型条码面向喷墨打印成形技术的三维条形 码，并对三维条形码的设计与制造系统的关键技术进行了系统深入的研究，取得如下研究 成果： （1） 从三维喷墨打印的技术特点出发，结合三维条形码的设计思想提出了具体的编 码方法。 （2） 完成了三维条码标签的各个功能区域的设计。 （3） 完成了条码编码公式的设计，并对设计出相应的纠错方案。 （4） 对条码的解码过程进行了初步研究，给出了条码解码的简要流程。 这种新型三维条形码，它不但弥补了传统条形码在应用方面的不足，还具有传统条形 码的优势，是一种理想的条形码选择。论文工作对丰富和发展条形码的理论体系具有重要 的理论意义和工程应用价值。 关键词：关键词：三维喷墨打印，条形码，三维条码，rs 纠错码 面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计 ii 3d barcode design for 3d inkjet printing technology abstract among the various of automatic identification technologies, bar code technology, which has become one of the main computer automatic identification technology, is known and accepted by more and more people. as the information capacity of the traditional one-dimensional bar code and 2-dimensional bar code cant meet the requirements, the development of new bar code has become the primary trend in bar code study. a new bar code method, which closely combined the technology of 3d ink-jet printing, encoding theory and the technology of bar code - 3d barcode with 3d inkjet printing oriented technology, is proposed in this thesis. in this paper, the key technologies for 3-dimensional bar code with 3d inkjet printing oriented technology are thoroughly studied. the contributions may be summarized as follows: (1) from the main technology features of the 3d inkjet printing system as the beginning， the specific method of encoding is proposed and constructed. (2) the functional modules for bar code label are designed. (3) the encoding formulas is proposed and constructed，and the corresponding design scheme of error-correcting code is brought forward, (4) the decoding process of bar code has been studied preliminarily with a brief description of the process. the new 3-dimensional bar code, which will not only make up for the deficiency of the traditional bar code, but also has the advantages of traditional bar code, is an ideal choice for bar code. this thesis has important theoretical significance and engineering application value in enriching and developing the theoretical system of bar codes. key words: 3d inkjet printing, barcode, 3d bar code, rs error-correcting code 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1-1 课题研究的目的和意义 1-1 课题研究的目的和意义 我们生活在一个日新月异的时代，今天的世界变化速度与以前相比，节奏不断加快。电脑制造，通 信，运输和其它行业技术的不断发展，信息技术起着关键作用。在这个瞬息万变的世界中，任何信息的 收集和及时地处理都是至关重要的1。管理者们必须迅速采取行动，有效地启动生产或销售，以应对新 的客户需求。这样做需要实时可靠的信息。 随着计算机数量的激增， 数据处理需求变得更大， 可是数据收集处理功能原理上并没有跟上时代步 伐。获取最快，最有效的计算机硬件和软件的意义不大，如果系统无法准确和迅速地获取数据，数据收 集与数据处理的差距就会一直存在， 缩小这一差距可以提高信息质量， 这直接影响着生产和基础服务质 量。条形码技术为此提供了一条可行之路，条形码技术集光电技术与电子技术与一体，在世界范围内迅 速扩大，成为当今重要的自动数据采集技术的一种2。 一方面，随着条码应用的进一步推广，人们对条码的信息容量提出了更高的要求，希望条码能够传 递和承载更多的信息。此时传统的一维条码与二维条码信息容量已不能满足要求。理论上，可以采用增 大条码尺寸或增大条码密度的方法来解决这个问题3。但是这两种解决方案都有一定的局限性。解决这 一问题最好的方法是在二维条形码基础上，扩展出第三维，形成三维条形码。现在已经出现的几种三维 条形码， 基本上是用颜色信息表示第三维， 但是这种彩色条码的印刷和识别都受到当前技术水平的限制， 很难实现预期效果。另一方面，近年来快速成形技术日趋成熟和低成本化，并且发展出喷墨打印成形技 术，这种技术是从三维打印成形技术（3dp）发展而来4，同时结合了用于文字输出的喷墨打印机的原 理。在三维打印成形技术中，将喷墨打印机中墨盒中的墨水换成与墨水具有类似黏度、表面张力等物性 参数的液体(以下简称喷射液)， 将喷射液在某个表面(简称为基底， 类似于喷墨打印中纸的作用)实现排 布，形成预先设定的二维或三维结构以实现其特殊功能的应用方式5。鉴于喷墨打印成形技术的特点， 本文给条码加入高度信息， 对二维条码进行扩展， 提出了一种新的条码面向喷墨打印成形技术的三 维条形码。 1-2 条码技术国内外发展概况 1-2 条码技术国内外发展概况 1-2-1 条码技术在国际上的应用和发展 1-2-1 条码技术在国际上的应用和发展 条码的研究始于美国， 最早出现在 20 世纪 40 年代， 但是得到实际应用还是在 20 世纪 70 年代以后。 20 世纪 40 年代后期，美国乔伍德兰德（joe woodland）和伯尼西尔沃（berny silver）两位工程师 就开始研究用条码表示食品项目并开发相应的自动识别设备，这项技术于 1949 年获得了美国专利。这 种条码的图案如图 1.1 右上图所示。 面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计 图 1.1 早期条形码图形 fig.1.1 figure of early bar code 该图案很像微型射箭靶，称作“公牛眼”条码。靶的同心环由圆条和空白绘成。在原理上， “公牛 眼”条码与后来的条码符号很接近，遗憾的是当时的商品经济还不十分发达，而且工艺上也没有达到印 制这种代码的水平。然而 20 年后，乔伍德兰德作为 ibm 公司的工程师成为北美地区的统一代码 upc 码的奠基人。吉拉德费伊塞尔（girad feissel）等人于 1959 年申请了一项专利，将数字 09 中 的每个数字用 7 段平行条表示。但是这种代码机器难以阅读，人读起来也不方便。不过，这一构想促进 了条码码制的产生与发展。不久，ef布林克尔（e.f.brinker）申请了将条码标识在有轨电车上的专 利；60 年代后期，西尔韦尼亚（sylvania）发明了一种被北美铁路系统所采纳的条码系统。1967 年辛辛 那提市的 kroger 超市安装了第一套条码扫描零售系统。 1970 年， 美国超级市场 adhoc 委员会制定了通用商品代码upc 代码 （universal product code） ， 此后许多团体也提出了各种条码符号方案，如图右下及左边部分所示。upc 商品条码首先在杂货零售 业中试用，这为以后该码制的统一和广泛采用奠定了基础。次年，布莱西公司研制出“布莱西码”及相 应的自动识别系统，用于库存验算。这是条码技术第一次在仓库管理系统中应用。1972 年，莫那奇马 金（monarch marking）等人研制出库德巴码（coda bar） ，主要应用于血库，是第一个利用计算机校验 准确性的码制。 美国统一代码委员会（uniform code council，ucc）于 1973 年建立了 upc 商品条码应用系统。 同年，upc 条码标准宣布。食品杂货业把 upc 商品条码作为该行业的通用商品标识，为条码技术在商 业流通销售领域里的广泛应用， 起到了积极的推动作用。 1974 年， intermec 公司的戴维 阿利尔 （davide allair）博士推出 39 条码，很快被美国国防部所采纳，作为军用条码码制。39 条码是第一个字母、数 字式的条码，后来广泛应用于工业领域。 1976 年 upc 商品条码系统在美国和加拿大超级市场上的成功应用，给人们以极大的鼓舞，尤其是 2 河北工业大学硕士学位论文 3 欧洲人对此产生了极大的兴趣。欧洲 12 国（英国、原联邦德国、法国、丹麦、挪威、比利时、芬兰、 意大利、奥地利、瑞士、荷兰、瑞典）在 upc 条码的基础上，开发出与 upc 码兼容的欧洲物品编码系 统（european article numbering system，ean 码） ，并签署了“欧洲物品编码协议备忘录” ，1977 年， 正式成立了欧洲物品编码协会（european article numbering assosiation，ean） 。由于 ean 组织不断发 展， 已成为一个国际性组织。 1981 年欧洲物品编码协会更名为 “国际物品编码协会”（international article numbering assosiation， ian） 。但由于历史原因和习惯，国际物品编码协会仍称为 ean。 20 世纪 80 年代以来，人们围绕如何提高条码符号的信息密度，开展了多项研究工作。信息密度是 描述条码符号的一个重要参数。通常把单位长度中可能编写的字母数叫做信息密度，记作：字母个数 cm。ean-128 条码和 93 条码就是人们为提高密度而进行的成功的尝试。1981 年 128 码由 computer identic 公司推出。ean-128 条码于 1981 年被推荐应用；而 93 条码于 1982 年投入使用。这两种条码的 符号密度均比 39 条码高将近 30。随着条码技术的发展和条码的码制种类不断增加，条码的标准化显 得愈来愈重要。为此，美国曾先后制定了军用标准、交插 25 条码、39 条码和 coda bar 条码等标准。 同时，一些行业也开始建立行业标准，以适应发展的需要，如：1983 年汽车工业行动集团（aiag）选 用 39 码作为行业标准，这是第一个采用了“现场标识”来识别条码的行业。1984 年医疗保健业条码委 员会采用 39 码作为其行业标准。1990 年，条码印刷质量美国国家标准 ansi x3.182 颁布。此后，戴 维阿利尔又研制出第一个二维条码码制49 码。这是一种非传统的条码符号，它比以往的条码符号 具有更高的密度。特德威廉斯（ted williams）于 1988 年推出第二个二维条码码制16k 条码，该 码的结构类似于 49 码，是一种比较新型的码制，适用于激光系统。1990 年 symbol 公司推出二维条码 pdf417。1994 年 9 月日本 denso 公司研制成 qr code。2003 年中国龙贝公司研制成龙贝码，矽感公司 研制成二维半条码码制compact matrix。从此，中国在二维条码方面有了自主知识产权。 与此同时，相应的自动识别设备和印制技术也得到了长足的发展。1951 年david sheppard 博士研 制出第一台实用光学字符（ocr）阅读器。此后 20 年间，50 多家公司和 100 多种ocr阅读器进入这个 市场。1964 年识读设备公司（recognition equipment inc）在美国印第安那州的fort benjamin harison 安 装了第一台带字库的ocr阅读器，可用来识读普通打印字符。1968 年第一家全部生产条码相关设备的 公司computer identics 由david collins创建。 1969年第一台固定式氦氖激光扫描器由computer identics 公司研制成功。1971 年control module 公司的 jim bianco 研制出pcp便携式条码阅读器，这是首次在 便携机上使用微处理器（intel 4004）和数字盒式存储器，此存储器提供 500k存储空间，为当时之最， 阅读器重 27 磅。同年，第一台便携笔式扫描装置norand 101 在norand公司问世，预示着便携零售扫描 应用的大发展和自动识别技术的一个崭新领域。它为实现“从货架上直接写出定单”提供了便利，大大 减少了制定订货计划的时间。1974 年intermec 公司推出 plessey 条码打印机，这是行业中第一台接触 式打印机。 第一台upc条码识读扫描器在俄克拉何马州的 marsh 超级市场安装， 那时只有 27 种产品采 用upc条码，商场设法自己建立价格数据库，扫描的第一种商品是十片装的wrigley 口香糖，标价 69 美分，由扫描器正确读出。许多来自各地的人们，包括日本和丹麦，纷纷前来观看机器的操作运行。十 几年后，美国大多数的超级市场采用了扫描器，到 1989 年，17180 家食品店装上了扫描系统，占全美 食品店的 62。1978 年第一台注册专利的条码检测仪，lasercheck 2701，由 symbol 公司推出。从此， 面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计 4 有了专门的条码检测设备。1980 年sato 公司第一台热转印打印机 5323 型问世，最初是为零售业打印 upc码设计的。1981 年条码扫描与rfdc（射频数据采集）第一次共同使用。1982 年 symbol 公 司推出 ls7000，这是首部成功的商用手持式、激光光束扫描器，这标志着便携式激光扫描器应用的开 始。dest 公司推出首台桌面的电子ocr 文件阅读器，该装置每小时可阅读文件 250 页1。 同时，与条码相关的学术、 管理机构组织的学术活动也在蓬勃发展。如：1971 年 aim（自动识 别技术制造商协会）成立，当时有 4 家成员公司（computeridentics、identicon、3m、mekoontrol） 。在 此之后，1986 年成员数发展到 85 家，到 1991 年初，成员数发展到 159 家。 1982 年第一本条码制造 商及服务手册由条码讯息 （bar code news）出版。 首届 scantech 展览在美国达拉斯举行， 有 55 家厂商参展。1984 年，条码行业第一部介绍性著作字里行间 （reading between the lines）出 版，作者是 craig harmon 和 russ adams。同年，第一届欧洲 scantech 在阿姆斯特丹举行。1985 年，自动编码技术协会（fact）作为 aim 的一个分支机构成立，成立初期，该协会包括 10 个行业。 到 1991 年，fact 已有 22 个行业参加。1985 年，第一期自动识别通讯 （automatic id news）出版。 1986 年由 自动识别系统 （id system） 杂志主办的自动识别技术展览 （id expo） 在旧金山举办。 1987 年在 james fales 教授的努力下， “自动识别中心”在俄亥俄大学建立，在 aim 的协助下，为讲授自动 识别技术课程培养教师。1989 年，在旧金山举行的自动识别技术展览 scantech 成为历史上的“扫 描大震动” 。 1-2-2 条码技术在我国的应用和发展 1-2-2 条码技术在我国的应用和发展 1991 年 4 月，中国物品编码中心代表我国加入国际物品编码协会 ean，为我国全面开展条码工作 创造了先决条件。中国商品条码系统成员数量近年来迅速增加，截止到 2002 年 12 月 31 日，我国共有 8 万多家企业成为中国商品条码系统成员。 党的十六大报告明确指出:“以信息化带动工业化，优先发展信息产业，在经济和社会领域广泛应用 信息技术” 。条码技术推广应用工作作为我国信息化发展的重要基础工作之一，已被国家列入“十五” 计划纲要。这充分表明在世界经济一体化，我国加入 wto 后的今天，条码推广应用工作在我国经济建 设中具有举足轻重的作用。 为了使条码工作面向市场，适应加入wto的需要，满足我国经济发展的需求，中国物品编码中心于 2003 年 4 月启动“中国条码推进工程” 6。 1-2-3 条码技术标准化发展进程 1-2-3 条码技术标准化发展进程 随着条码技术的发展和条码码制种类的不断增加，条码的标准化显得愈来愈重要。为此，美国曾先 后制定了部分军用标准、交插二五条码、三九条码和库德巴条码等 ansi 标准。同时，一些行业也开始 建立行业标准，如 1983 年，汽车工业行动集团（aiag）选用三九码作为行业标准；1984 年，医疗保 健业条码委员会（hibc）采用三九码作为其行业标准；1985 年，美国 bisac 图书行业系统顾问委员 会采用书刊 ean 条码。进入 90 年代后，一维条码继续发挥其优势，二维条码得到了较快的发展。1990 年，条码印刷质量美国国家标准 ansi x3. 182 颁布。 条码技术作为信息自动化采集的基本手段，随着应用的深入，新的条码技术标准不断出现，标准体 河北工业大学硕士学位论文 5 系逐渐完善。国际上，条码技术标准化已经成为一个独立的标准化工作领域。国际标准化组织（iso） 和国际电工委员会（iec）的联合工作组 jtc1 于 1996 年成立的第 31 分委会（sc31）是国际上开展自 动识别与数据采集技术标准化研究的专门机构，sc31 共有五个工作组来分别承担相关工作。工作内容 主要涉及自动识别与数据采集技术相关的数据采集器的规范、 一维条码和二维条码的标识符号、 数据结 构、检测方法和检测规范、射频识别在项目管理中的应用工作、实时定位系统等。委员会已制定了三 九条码 、 128 条码 、 ean/upc 码 、 交插二五条码 、 pdf417 条码 、 qr 码 、 data matrix 、 maxi code 、 数据载体/符号标识符 、 条码印刷质量检测规范 、 条码检测仪性能测试 、 条码扫 描仪和译码器性能检测 、 条码胶片检测规范 、 条码数字生成与印刷性能检测 、 ean/ucc 应用 标识符和 fact 数据标识符及其维护等系列的条码技术国际标准。 1996 2001 年间，我国完成了128 条码 、 三九条码 、 位置码 、 交插二五条码 、 中国标准 书号条码 、 中国标准刊号（issn 部分）条码 、 eanucc 系统 128 条码 、 eanucc 系统应 用标识符 、 四一七条码 、 快速响应矩阵码 、 储运单元条码 、 物流单元的编码与符号标记 、 商 品条码印刷适性试验 、 商品条码符号印制质量的检验 、 条码符号印刷质量的检验等系列条码技术 国家标准的制定工作。 20022005 年间， 我国在条码技术相关标准的制修订方面完成了 商品条码符号印刷质量的检验 、 商品条码印刷适性试验 、 商品条码符号位置等多项与条码、商业 edi 和供应链相关的国家标准， 并在科技部、国家经贸委（现国家发改委） 、国家质检总局等部门的领导下完成了“物流配送系统标准 体系与关键标准研究” 、 “基于条码和 edi 的连续补货研究” 、 “我国电子商务与现代物流标准体系及关 键标准的研究与制定” 、 “条码标准器/测试卡制造技术研究” 、 “塑料薄膜印制条码符号的适印性与质量 间题研究” ，制定了国家物流标准体系表和物流标准化总体规范等多项与物流、供应链相关的 科研项目。 我国的条码技术标准化工作在体系上不断完善， 在技术上不断取得新的进展， 推动了条码技术产业 的健康发展。 1-2-4 条形码技术的发展趋势 1-2-4 条形码技术的发展趋势 目前，国际上条码技术的发展呈如下特点： （1）条码技术产业迅猛发展 根据美国的专业研究机构vdc (venture developmentcorp)的统计，全球条码市场规模一直在持 续稳步增长。到 2008 年，全球条码技术装备的市场规模将从 2003 年的 90 亿美元增长到 155 亿美元， 其中美洲地区年平均增长率将超过 6 ，欧洲、中东和非洲地区年平均增长率接近 7% ，亚太地区年平 均增长率将达到 7% 。国际条码技术产业的前景方兴未艾 1。 随着应用的深入， 条码技术装备也朝着多功能、远距离、小型化、软件硬件并举、安全可靠、经 济适用方向发展，出现了许多新型技术装备。具体表现为：条码识读设备向小型化， 与常规通用设备 的集成化、复合化发展；条码数据采集终端设备向多功能、便携式、集成多种现代通讯技术和网络技术 的设备一体化方到更加广泛和深入的应用。条码生成设备向专用和小批量印制方向发展； 条码生成设 面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计 6 备向专用和小批量印制方向发展。例如，基于 gprs、cdma 的条码通讯终端，使条码手段。 技术在现 场服务、物流配送、生产制造等诸多领域，得又如，由于现阶段手机广泛普及，通信网络更加完整，于 是，能够识读条码的手机可以成为一种集数据采集、处理、交互、显示、认证等多种功能为一体的移动 式数据终端，实现手机价值的最大化。 （2）条码技术与其他自动识别技术趋于集成 由于各种自动识别技术都有一定的局限性，多种技术共存既可充分发挥各自的优势， 又可以有效 互补。当前，发达国家都积极开展条码技术与射频识别技术等的集成研究，如：条码符号和射频标签的 生成和识读设备一体化的研发。 美国的intehnec公司已经研发出了900mhz的条码射频一体化识读设备， 条码行业的领头羊 美国 symbol 公司也正在积极投入到该类设备的研发中。 （3）条码技术标准体系逐渐完善 条码技术作为信息自动化采集的基本手段，随着应用的深入，新的条码技术标准不断出现，标准体 系逐渐完善。国际上，条码技术标准化已经成为一个独立的标准化工作领域。国际标准化组织(iso ) 和国际电工委员会(iec)的联合工作组 jtc1 于 1996 年成立的第 31 分委会(sc31)， 是国际上开展自动识 别与数据采集技术标准化研究的专门机构。 国际物品编码协会(gs1， 事实上的全球第一商务标准化组织) 也在开展条码技术商务应用的标准化研究。 该组织通过全球近百万成员企业， 针对条码技术在全球开放 的商品流通与供应链管理过程， 开展商务应用标准的研究及在全球的应用推广， 建立了 eanucc 通用 规范，并进行实时、动态维护。 （4）条码自动识别技术应用向纵深发展 积极建立基于条码技术应用的全球产品与服务分类编码标准。 条码作为信息采集的手段， 必须以信 息的分类编码为基础。但当前国际上，不同的行业，针对不同的用途，采用不同的分类编码体系，各体 系互不兼容，信息系统无法通信和共享。鉴于此，国际物品编码协会正在积极联合 gci(全球商务倡议 联盟)、ecr(高效消费者响应委员会)等，致力于构建一个全球统一的产品与服务分类编码标准。 积极致力于基于条码技术应用的电子商务用公共信息平台的构建。 在电子商务时代， 商品基础数据 在供应链各贸易伙伴的信息系统或信息平台的一致性和适时同步， 是实现贸易伙伴间连续顺畅的数据交 换，信息有效共享的基础，同时也是流通领域现代化的前提。因此，全球许多国家均发起了商品数据同 步倡议。美国、英国、德国、澳大利亚、韩国等国家，正在积极建设本国基于现有条码技术的用于电子 商务的商品数据库， 对这些国家的国内贸易的电子化起到了非常大的作用。 各国都在关注条码技术在供 应链管理、电子商务中的作用，和如何实现多行业、多地区、多层次的信息资源的连通与共享，致力于 建立基于条码技术应用的电子商务用公共信息平台的构建。 条码技术在产品溯源、物流管理等重点领域得到更深层次的应用。 1-3 条码技术与其它自动录入技术的比较 1-3 条码技术与其它自动录入技术的比较 除条码技术外，生产生活环境中，还有其它一些自动识别录入技术，下面本文分别介绍一下其它 几种自动识别技术，并与条形码技术做一下技术比较。 河北工业大学硕士学位论文 7 1-3-1 射频识别技术 1-3-1 射频识别技术 射频识别（rfid-radio frequency identification）技术的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不 局限于视线，识别距离比光学系统远，射频识别卡具有可读写能力，可携带大量数据，难以伪造和有智 能等优点。射频识别技术适用的领域有:物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换 的场合，由于射频识别标签具有可读写能力，对于需要频繁改变数据内容的场合尤为适用。射频识别标 签基本上是一种标签形式，将特殊的信息编码写进电子标签，标签被粘贴在需要识别或追踪的物品上， 如货架、汽车、自动导向的车辆、动物等。 射频识别标签能够在人员、地点、物品和动物上使用。目前，最流行的应用是在交通运 输（汽车和货箱身份证） 、路桥收费、保安（进出控制） 、自动生产和动物标签等方面。自动导向的汽车 使用射频标签可在场地上根据指导运行。其他应用还包括自动存储和补充、工具识别、人员监控、包裹 和行李分类、车辆监控和货架识别等。射频识别标签的设计有很多样式。为动物设计的可植入的标签只 有一颗米粒大小，包含较大的电池，为远距离通讯（甚至全球定位系统）设计的大型标签如同一部手持 式电话。 射频识别的优点包括： （1）读卡器的识别不用物理上的接触或在线监测。 （2）可以容纳更多的识别 标签。 （3）标签中的历史数据可读可写，已达到标签重复利用的目的。射频识别的不足在于硬件会比大 部分自动识别技术的价格高。由于这个原因，射频识别系统一般只适合于工厂环境数据收集。例如，射 频识别系统适合机械制造中， 单位价值高或者编码被遮掩的产品识别。 它们也被用于识别铁路上的火车 和高速公路上的卡车，或者条件和环境使其它识别方法行不通时。 1-3-2 磁条识别技术 1-3-2 磁条识别技术 常用的磁卡是通过磁条记录信息的。 磁条技术应用了物理学和磁力学的基本原理。 磁条就是一层薄 薄的由定向排列的铁性氧化粒子组成的材料（也称为涂料） ，用树脂粘合在一起并粘在诸如纸或塑料这 样的非磁性基片上。 磁条技术的优点是数据可读写，即具有现场改变数据的能力，数据存储量能满足大多数需要，便于 使用，成本低廉；还具有一定的数据安全性；它能粘附于许多不同规格和形式的基材上。这些优点，使 之在很多领域得到广泛应用，如信用卡、银行 atm 卡、机票、公共汽车票、自动售货卡、会员卡、现 金卡（如电话磁卡）等。 1-3-3 光学特征识别 1-3-3 光学特征识别 光学特征识别（optical character recognition，ocr）技术是指是指电子设备（例如扫描仪或数码 相机）检查纸上打印的字符，通过检测暗、亮的模式确定其形状，然后用字符识别方法将形状翻译成计 算机文字的过程。 随着微电子技术及计算机技术的蓬勃发展， 图像识别技术得到了广泛的应用和普遍的 重视。作为一门技术，它始创于 20 世纪 50 年代后期，随后开始崛起，经过近半个世纪的发展，已经成 为科研和生产中不可或缺的重要部分。 自 20 世纪 70 年代末以来， 由于数字技术和微机技术迅猛发展给数字图像处理提供了先进的技术手 段， “图像科学”也就从信息处理、自动控制系统理论、计算机科学、数据通信、电视技术等学科中脱 面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计 8 颖而出，成长为旨在研究“图像信息的获取、传输、存储、变换、显示、理解与综合利用”的崭新学科。 具有“数据量大、运算速度快、算法严密、可靠性强、集成度高、智能性强”等特点的各种图文系 统在国民经济各部门得到广泛的应用，并在逐渐深入家庭生活。现在，通信、广播、计算机技术、工业 自动化、国防工业乃至印刷、医疗等部门的尖端课题无一不与图像科学的进展密切相关。事实上，图像 科学已成为各高技术领域的汇合点，有人预言， “图像产业”将是 21 世纪影响国民经济、国家防务和世 界经济的举足轻重的产业。 “图像科学”的广泛研究成果同时也扩大了“图像信息”的原有概念。广义而言，图像信息不必 以视觉形象乃至非可见光谱（红外、微波）的“准视觉形象” ，为背景：只要是对同一复杂的对象或系 统，从不同的空间点、不同的时间等诸方面收集到的全部信息之总和，就称之为多维信号或广义的图像 信号。多维信号的观点已渗透到如工业过程控制、交通网管理及复杂系统的分析等理论之中。 1-3-4 语音识别技术 1-3-4 语音识别技术 语音识别技术（在自动识别领域中通常被子称作“声音识别” ）将人类语音转换为电子信号，然后 将这些信号输入进具有规定含义的编码模式中， 它并不是将说出的词汇转变为字典式的拼法， 而是转换 为一种计算机可以识别的形式，这种形式通常开启某种行为，例如组织某种文件、发出某种讯号或开始 对某种活动录音。 语音识别以两种不同形式的作业进行信息收集工作： 分批式和实时式。 分批式是指使用者的信息从 主机系统中下载到手持式终端机中，它自动更新，然后在工作日结束时将全部信息上载到计算机主机。 在实时式信息收集中，语音识别也许会与射频技术相结合提供移动和快捷的与主机的联系方式。 语音识别系统还分为这样两种类型： 连续性讲话和间断发音。 连续性讲话型允许使用者以一个正常 的讲话速度讲话。 间断发音要求在每个词和词组之间留出一个短暂的间歇。 不管你选择什么类型的语音 识别系统， 安装这样的系统会在信息收集的速度和准确性方面给你很大的效益， 有助于提高工作人员的 活动能力和工作效率。 语音识别技术常用于汽车行业的制造和业务检查， 也用在仓储业和配送中心的物料实时跟踪， 运输 业的收货和装车，其它行业的检查和质量控制应用。语音识别技术输入的准确率高，但是不如条形码。 声音反馈虽可提高准确率，但是降低了速度，而速度是声音识别技术的关键优点，语音识别技术可以满 足需要速度，解放手眼和实时输入的应用。 1-3-5 生物识别技术 1-3-5 生物识别技术 生物识别技术是指通过计算机利用人类自身生理或行为特征进行身份认定的一种技术， 如指纹识别 和虹膜识别技术等。据介绍，世界上某两个人指纹相同的概率极为微小，而两个人的眼睛虹膜一模一样 的情况也几乎没有。人的虹膜在两到三岁之后就不再发生变化，眼睛瞳孔周围的虹膜具有复杂的结构， 能够成为独一无二的标识。 与生活中的钥匙和密码相比， 人的指纹或虹膜不易被修改、 被盗或被人冒用， 而且随时随地都可以使用。 由于人体特征具有不可复制的特性， 这一技术的安全系数较传统意义上的身 份验证机制有很大的提高。 生物识别是用来识别个人的技术， 它以数字测量所选择的某些人体特征， 然后与这个人的档案资料 河北工业大学硕士学位论文 9 中的相同特征作比较， 这些档案资料可以存储在一个卡片中或存储在数据库中。 被使用的人体特征包括 指纹、声音、掌纹、手腕上和眼睛视网膜上的血管排列、眼球虹膜的图像、脸部特征、签字时和在键盘 上打字时的动态。 指纹扫描器和掌纹测量仪是目前最广泛应用的器材。不管使用什么样的技术，操作方 法都总是通过测量人体特征来识别一个人。 生物特征识别技术适用于几乎所有需要进行安全性防范的场 合，遍及诸多领域，在包括金融证券、it、安全、公安、教育、海关等行业的许多应用系统中都具有广 阔的应用前景。随着电子商务越来越广泛的应用，必须有更好的技术来实现身份认证。 所有的生物识别工作大多进行这样四个步骤：原始数据获取、抽取特征、比较和匹 配。生物识别系统捕捉到生物特征的样品，惟一的特征将会被提取并且被转化成数字的符 号，接着这些符号被用作那个人的特征模版，这种模版可能会存放在数据库、智能卡或条码卡中，人们 同识别系统交互， 根据匹配或不匹配来确定他或她的身份。 生物识别技术在我们不断增长的信息世界中 的地位将会越来越重要。 1-3-6 条码技术的优点 1-3-6 条码技术的优点 条码、光学字符识别（optical character recognition， ocr）和磁性墨水识别（magnetic ink character recognition， micr）都是一种与印刷相关的自动识别技术。ocr 的优点是人眼可读、可扫描，但输入 速度和可靠性不如条码， 数据格式有限， 通常要用接触式扫描器； micr 是银行界用于支票的专用技术， 在特定领域中应用成本高，需接触识读，可靠性高。 磁条技术是接触识读，它与条码有三点不同： 一个是其数据可做部分读写操作， 另一个是给定面积编码容量比条码大， 还有就是对于物品逐一标识成 本比条码高，而且接触性识读的最大缺点就是灵活性太差。 射频识别是非接触式识别技术，由于无线电波能“扫描”数据，所以 rf 挂牌可做成隐形的，有些 rf 识别技术可读数千米以外的标签， rf 标签可做成可读写的。 射频识别的缺点是射频标签成本相当高， 而且一般不能随意扔掉，而多数条码扫描寿命结束时可扔掉。视觉和声音识别还没有很好的推广应用， 机器视觉还可与 ocr 或条码结合应用，声音识别输入可解放人手。 以下是自动识别技术的一个简单的比较表，通过此表可以全面了解各种自动识别技术的优缺点6。 表 1.1 各种自动识别技术优缺点比较 table 1.1 advantages and disadvantages of various automatic identification technologies 键盘 ocr 磁卡 一维条码 射频识别 输入 12 位 数据速度 6s 4s 0.3s2s 0.3s2s 0.3s5s 误码率 1/300 字符 1/1 万字符 1/1.5 万亿 字符 印刷密度 （字符/英 寸） 1012 48 最大 20 48000 印刷面积 （mm） 2.5（高） 6.4（高） 长 154 宽 直径 4长 32 至 54横 86 面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计 10 基材价格 无 低 中 低 高 扫描器价 格 无 高 中 低 高 非接触识 读 不能 不能 接触5 米 接触2 米 优点 操作简单， 可用眼阅 读，键盘便 宜。 可用眼阅读。 数据密度高， 输入速度快， 数据可变更。 输入速度快， 误码率低，设 备便宜，可非 接触识读。 可在灰尘油污 环境中使用， 可 非接触识读， 数 据可改写。 缺点 误码率高， 输入速度 低，输入受 个人影响。 输入速度低， 不能非接触 识读， 设备价 格高 不能直接用 眼阅读， 不能 非接触识读。 数据不能变 更，不能直接 用眼阅读。 发射及接收装 置价格贵， 发射 装置寿命短。 由此可见，与其它自动识别技术相比条码有以下优点：速度快，12 个字符的条形码标签，可以在 键盘输入两个字符的时间内完成扫描；精度高，键盘输入 1000 个字符，就会有 10 键控平均错误。对于 光学字符阅读器（光学字符识别） ，每一万次出现一次错误。随着条码系统的发展，已经达到每 7000 万次才出现一个错误；易于实施，条形码扫描仪使用者可以在 15 分钟内学会使用；成本低，由于其它 数据输入方式有软硬件接口存在价格昂贵， 条码标签可以有不到分钱的低价优势， 很容易被几千元的 普通设备读取，并可以普遍打印。 1-4 本文主要研究内容 1-4 本文主要研究内容 面向喷墨打印成形技术的三维条形码是一个基于快速成形技术的，由机械、电子、材料、计算机等 软硬件技术高度集成的产品。是电子技术（控制技术、计算机技术）与机械领域紧密结合的产物。 条码的设计与制造系统一般包括以下几个子系统： （1）条码编码子系统； （2）条码生成子系统； （3） 条码快速打印成形系统； （4）条码识别子系统。本文主要研究条码的编码和快速打印成形系统方面的关 键技术，具体章节安排如下： 第一章 介绍课题的研究背景及意义。结合条形码技术和三维喷墨打印技术的发展，提出了课题的 研究背景。介绍条码技术的发展现状和发展趋势。最后确定了本文的主要研究内容。 第二章 介绍了一维和二维条码的一些基本理论，以及它们的识别技术。 第三章 详细介绍三维条码的原理、编码方式、及三维条形码的生成方法。 第四章 主要介绍了三维喷墨打印技术的工作原理，三维条码的制造和识别技术。 第五章 对全文进行总结，并对后续工作进行展望。 河北工业大学硕士学位论文 11 第二章 条形码技术理论基础 第二章 条形码技术理论基础 2-1 条形码基础知识 2-1 条形码基础知识 2-1-1 条码基本概念 2-1-1 条码基本概念 （1） 条码（bar code） 条码是由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标记，用以表示一定的信息。 （2） 编码 为管理对象编制的有数字、字母、数字字母组成的代码序列称为编码，编码规则主要研究编码原则、 代码定义等。 （3） 编码容量 每个码制都有一定的编码容量， 这是由其编码方法决定的， 编码容量限制了条码字符集中所含字符 的数目。 （4） 码制 条码的码制是指条码符号的类型，每种类型的条码符号都是由符合特定编码规则的条和空组合而 成。 每种码制都具有固定的编码容量和所规定的条码字符集。 条码字符中字符总数不能大于该种码制的 编码容量。常用的一维条码码制包括： ean 条码、upc 条码、ucc/ean-128 条码、交插 25 条码、39 条码、93 条码、库德巴条码等。 （5） 字符集 字符集是指某种码制的条码符号可以表示的字母、 数字和符号的集合。 有些码制仅能表示 10 个数字 字符： 0 到 9，如 ean/upc 条码；有些码制除了能表示 10 个数字字符外，还可以表示几个特殊字符， 如库德巴条码。39 条码可表示数字字符 09、26 个英文字母 az 以及一些特殊符号。几种常见码 制的字符集如下： ean 条码的字符集：数字 09 交插 25 条码的字符集：数字 09 39 条码的字符集： 数字 09 字母 az 特殊字符：- $ % 空格 / + 起始符：/ 终止符： 面向喷墨打印成形技术的三维条形码的设计 （6） 连续性与非连续性 条码符号的连续性是指每个条码字符之间不存在间隔，相反，非连续性是指每个条码字符之间存在 间隔，见图 2.1。该图为 25 条码的字符结构，从图中可以看出，字符与字符间存在着字符间隔，所以是 非连续的。 图 2.1 25 条码的字符结构 fig.2.1 the character structure of 25 code 从某种意义上讲，由于连续性条码不存在条码字符间隔，所以密度相对较高，而非连续性条码