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第4章条码识别技术基础知识 条码技术的特点 简单 条码符号制作容易 扫描操作简单易行 信息采集速度快 普通计算机的键盘录入速度是200字符每分钟 而利用条码扫描录入信息的速度是用键盘录入的20倍 可靠性高 键盘录入数据 误码率为三百分之一 利用光学字符识别技术 误码率约为万分之一 而采用条码扫描录入方式 误码率仅有百万分之一 灵活 实用 条码符号作为一种识别手段可以单独使用 也可以和有关设备组成识别系统实现自动化识别 还可和其他控制设备联系起来实现整个系统的自动化管理 同时 在没有自动识别设备时 也可实现手工键盘输入 条码技术的特点 自由度大 识别装置与条码标签相对位置的自由度要比OCR大得多 条码通常只在一维方向上表达信息 而同一条码上所表示的信息完全相同并且连续 这样即使是标签有部分缺欠 仍可以从正常部分输入正确的信息 最后 也是最重要的特点 条码自动识别系统所涉及到的识别符号成本以及设备成本都非常低 特别是条码符号 即使是一次性使用 也不会带来多少附加成本 尤其是在大批量印刷的情况下 这一特点使得条码技术在某些应用领域有着无可比拟的优势 再者 条码符号识读设备的结构简单 成本低廉 操作容易 适用于众多的领域和工作场合 4 1条码的基本概念 符号结构 1 基本概念 1 条码 barcode 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 条码通常用来对物品进行标识 这个物品可以是用来进行交易的一个贸易项目 如一瓶啤酒或一箱可乐 也可以是一个物流单元 如一个托盘 图4 1标识在一瓶古井贡酒上的条码符号 所谓对物品的标识 就是首先给某一物品分配一个代码 然后以条码的形式将这个代码表示出来 并且标识在物品上 以便识读设备通过扫描识读条码符号而对该物品进行识别 图4 1即是标识在一瓶古井贡酒上的条码符号 条码不仅可以用来标识物品 还可以用来标识资产 位置和服务关系等 1 基本概念 2 代码 code 代码即一组用来表征客观事物的一个或一组有序的符号 代码必须具备鉴别功能 即在一个信息分类编码标准中 一个代码只能惟一地标识一个分类对象 而一个分类对象只能有一个惟一的代码 比如按国家标准 人的性别代码 规定 代码 1 表示男性 代码 2 表示女性 而且这种表示是惟一的 我们在对项目进行标识时 首先要根据一定的编码规则为其分配一个代码 然后再用相应的条码符号将其表示出来 如图4 1所示 图中的阿拉伯数字6902018994262即是该瓶古井贡酒的商品标识代码 而在其上方由条和空组成的条码符号则是该代码的符号表示 在不同的应用系统中 代码可以有含义 也可以无含义 有含义代码可以表示一定的信息属性 如 某厂的产品有多种系列 1 基本概念 70000 79999为汤奶锅类产品 80000 89999为压力锅类炊具等等 从编码的规律可以看出 代码的第一位代表了产品的分类信息 是有含义的 其中代码60000 69999是电器类产品 无含义代码则只作为分类对象的惟一标识 只代替对象的名称 而不提供对象的任何其他信息 3 码制 1 基本概念 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 4 条码字符集 条码字符集是指某种条码所含全部条码字符的集合 1 基本概念 条码字符中字符总数不能大于该种码制的编码容量 有些码制仅能表示10个数字字符 0 9 如EAN UPC码 交插25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 0 9 26个英文字母 A Z 以及一些特殊符号 5 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 条码不存在条码字符间隔 所以密度相对较高 而非连续性条码的密度相对较低 但非连续性条码字符间隔会引起较大误差 一般规范不给出具体指标限制 另外 对连续性条码除了控制调控的尺寸误差外 还需控制相邻条与条 空与空的相同边缘间的尺寸误差及每一条码字符的尺寸误差 1 基本概念 6 定长条码与非定长条码 定长条码是指仅能表示固定字符个数的条码 非定长条码是指能表示可变字符格式的条码 例如 EAN UPC码是定长条码 其中EAN13仅能表示13 个字符 39码为非定长条码 非定长条码具有灵活 方便等优点 但受扫描器及印刷面积的限制 它不能表示任意多个字符 并且在扫描阅读过程中会因信息丢失而导致译码错误 定长条码由于限制了表示字符的个数 所以译码的误读率相对较低 就一个完整的条码符号而言 任何信息的丢失都会导致译码的失败 1 基本概念 7 双向可读性 条码符号的双向可读性 是指从左 右两侧开始扫描都可被识别的特性 绝大多数码制都可双向识读 所以都具有双向可读性 事实上 双向可读性不仅仅是条码符号本身的特性 它也是条码符号和扫描设备的综合特性 对于双向可读的条码 识读过程中译码器需要判别扫描方向 有些类型的条码符号 其扫描方向的判定是通过起始符与终止符来完成的 例如39码 交插25码 库德巴条码 1 基本概念 有些类型的条码 由于从两个方向扫描起始符和终止符所产生的数字脉冲信号完全相同 所以无法用它们来判别扫描方向 例如EAN和UPC码 在这种情况下 扫描方向的判别则是通过条码数据符的特定组合来完成的 8 自校验特性 条码符号的自校验特性是指条码字符本身具有校验特性 例如39条码 库德巴条码 交插25条码都具有自校验功能 EAN和UPC条码 93条码 矩阵 25条码等都没有自校验功能 自校验功能也能校验出一些印刷缺陷 对于某种码制 是否具有自校验功能是由其编码结构决定的 码制设计者在设计条码符号时 就已经确定了该条码是否有此功能 1 基本概念 9 条码符号的密度 条码符号的密度是指单位长度上所含有的条码字符的个数 39条码的最高密度为9 4个每25 4毫米 9 4个每英寸 库德巴条码的最高密度为10 0个每25 4毫米 10 0个每英寸 交叉25条码的最高密度为 17 7个每25 4mm 17 7个每英寸 显然 对于任何一种码制来说 各单元的宽度越小 条码符号的密度就越高 也就越节约印刷面积 但由于印刷条件及扫描条件的限制 我们很难把条码符号的密度做得太高 对于一种条码符号 密度越高 所需扫描设备的分辨率也就越高 而随着扫描设备分辨率的增加 设备对印刷缺陷的敏感程度也就越高 1 基本概念 10 条码质量 1 基本概念 条码质量指的是条码的印制质量 其判定主要从外观 条 空 反射率 条 空 尺寸误差 空白区尺寸 条高 数字和字母的尺寸 校验码 译码正确性 放大系数 印刷厚度 印刷位置几个方面进行 条码的质量是确保条码正确识读的关键 不符合条码国家标准技术要求的条码 不仅会因扫描仪器据读而影响扫描速度 降低工作效率 而且可能造成误读进而影响信息采集系统的正常运行 因此确保条码的质量是十分重要的 条码的质量检验需严格按照有关国家标准进行 具体检测方法将在后续章节中加以介绍 4 2条码的符号表示 4 2 1条码的符号结构 图4 2条码符号的结构 一个完整的条码是由两侧空白区 起始字符 数据字符 校验字符 可选 和终止字符以及供人识读字符组成 如图4 2所示 4 2 2条码的编码理论 条码表示数字和字符的条码符号是按照编码规则组合排列的 故当各种码制的条码的编码规则一旦确定 我们就可将数字转换化成条码符号 条码是一种信息代码 通常是一种黑白条纹表示的特殊代码 反映信息的条码也应信息的分类编码原则 了解这些信息的分类方法和编码的代码选择 将有助于我们了解和研究条码的编制原理 以及对物品条码的具体编制方法 1 编码方法 条码是利用条纹和间隔或宽窄条纹 间隔 构成二进制的 0 和 1 并以它们的组合来表示某个数字或字符 反映某种信息的 但不同码制的条码在编码方式上却有所不同 一般有以下两种 1 编码方法 1 宽度调节编码法 宽度调节编码法即条码符号中的条和空由宽 窄两种单元组成的条码编码方法 39条码 库德巴条码及交插25条码均属宽度调节型条码 下面以交插25条码为例 简要介绍宽度调节型条码的编码方法 按照这种方式编码时 是以窄单元 条纹或间隔 表示逻辑值 0 宽元素 条纹或间隔 表示逻辑值 l 宽单元通常是窄单元的2 3倍 对于相邻的二进制数位 由条纹到间隔或由间隔到条纹 均存在明显的印刷界限 1 编码方法 图4 3字符为 1 的25条码结构 图4 3是25码的一个示例 25条码是一种只有条表示信息的非连续型条码 条码字符由规则裴烈的 个条构成 其中有两个宽单元 其余是窄单元 宽单元一般是窄单元的三倍 宽单元表示二进制的 1 窄单元表示二进制的 0 2 模块组配编码法 1 编码方法 模块组和法是指条码符号中 条和空是由标准宽度的模块组合而成 一个标注宽度的条模块标识二进制的 1 而一个标准宽度的空模块标识二进制的 0 EAN条码 UPC条码均属模块式组合型条码 商品条码模块的标准宽度是0 33mm 它的一个字符由2个条和2个空构成 每一个条或空由1 4个标准宽度的模块组成 每一个条码字符的总模块数为7 图4 4模块组合法条码字符的构成 凡是在字符间用空隔 位空 分开的条码 称为离散码 凡是在字符间不存在间隔 位空 的条码 称为连续码 模块组合法条码字符的构成如图所示 2 编码容量 每个码制有一定的编码容量 这是由其编码方法决定的 编码容量先治疗条码字符集中所能包含的字符个数的最大值 对于用宽度调节法编码的 仅有两种宽度单元的条码符号 即编码容量为 C n k 这里 C n k n n 1 n k 1 k 其中 n是每一条码字符中所包含的单元总数 k是宽单元或窄单元的数量 例如 39条码 它的每个条码字符由9个单元组成 其中3个是宽单元 其余是窄单元 那么 其编码容量为 C 9 3 9 8 7 3 2 1 84 2 编码容量 对于用模块组配的条码符号 若每个条码字符包含的模块是恒定的 其编码容量为C n 1 2k 1 其中n为每一条码字符中包含模块的总数 k是每一条码字符中条或空的数量 k应满足1 k n 2 例如93条码 它的每个条码字符中包含9个模块 每个条码字符中的条的数量为3个 其编码容量为 C 9 1 2 3 1 8 7 6 5 4 5 4 3 2 1 56 3 纠错方式 为了保证正确识读 条码一般具有校验功能或纠错功能 一维码一般具有校验功能 即通过字符的校验来防止错误识读 而二维条码则具有纠错功能 这种功能使得二维条码在有局部破损的情况下仍可被正确地识读出来 一般情况下 条码字符集中所表示的字符数量小于条码字符的编码容量 3 纠错方式 1 一维码的校验方法 一维码的编码方法通常采用二进制算法 例如 在国标中规定 每一个条码字符由2个条和2个空构成 每一条或空由1 4个模块组成 每一个条码字符的总模块为7 用二进制 1 标识条的模块 用二进制 0 标识空的模块 如图4 5所示 一维码在纠错上主要采用校验码的方法 即从代码位置序号第二位开始 所有的偶 奇 数的数字代码求和的方法来校验条码的正确性 校验的目的是保证条空比的正确性 校验码算法有很多种 将在后续章节中加以介绍 图4 5一位码的编码 3 纠错方式 图4 6二维条码纠错 2 二维码的纠错功能 二维码在保障识读正确方面采用了更为复杂 技术含量更高的方法 例如PDF417条码 在纠错方法上采用索罗门算法 见图4 6 不同二维条码可能采用不同的纠错算法 纠错是为了当二维条码存在一定局部破损情况下 还能采用替代运算还原出正确的码词信息 从而保证条码的正确识读 本书将在以后详细介绍二维码的相关知识 4 条码符号集与符号密度 条码的码制 包含编制的结构形式 数字码的位数及分布 分类原则 编码方式等 各种条码的码制除了结构形式及编码方式存在区别外 尚在以下方面有区分 1 字符集在各种条码码制中 主要有两种符号集 一种是数字符号集 它包含数字0 9及一些特殊字符 另一种是字母数字符号集 它包含数字0 9 大写英文字母A Z及一些特殊字符 不同符号集的条码 能够编制的信息容量是不同的 例如 交插25码仅能对0 9的10个数字位进行编码 39码则可对全部数字和英文字母进行编码 2 条码符号的密度条码符号的密度是指单位长度上所标识的条码字符的个数 由于印刷条码及扫描条件的限制 很难把条码符号的密度做得太高 39条码的最高密度为 9 4个 25 4mm 9 4个 英寸 库德巴条码的最高密度为 10 0个 25 4mm 10 0个 英寸 交插25码的最高密度为 17 7个 25 4mm 17 7个 英寸 条码符号的密度越高 所需扫描设备的分辨率也就越高 这必能增加扫描设备对印刷缺陷的敏感性 除了上述的特性外 在码制设计及选用码制时还需要考虑的因素有 定条码字符宽度 结构的简单性 对扫描速度变化的适应性 所有字符应有相同的条数 尽可能大的允许误差 4 条码符号集与符号密度 4 3几种常见的条码 条码按照不同的分类方法 不同的编码规则可以分成许多种 现在已知的世界上正在使用的条码就有250种之多 条码的分类方法有许多种 主要依据条码的编码结构和条码的性质来决定 条码可分为一维条码和二维条码 就一维条码来说按条码的长度来分 可分为定长和非定长条码 按排列方式分 可分为连续型和非连续型条码 从校验方式分 又可分为自校验和非自校验型条码等 条码分类 条码可分为一维条码和二维条码 一维条码是通常我们所说的传统条码 一维条码按照应用可分为商品条码和物流条码 商品条码包括EAN条码和UPC条码 物流条码包括128条码 ITF条码 39条码 库德巴条码等 4 3几种常见的条码 EAN条码是国际物品编码协会制定的一种条码 已用有于全球90多个国家和地区 EAN条码符号有标准版和缩短版两种 标准版是由13位数字构成 缩短版是由8位数字构成 我国于1991年加入EAN组织 UPC码 和EAN条码一样 UPC条码也是一种用于商品的条码 UPC条码是由美国统一代码委员会制定的一种条码 主要用于美国和拿大地区 我国有些出口到北美地区的商品为适应北美地区的需要 也申请了UPC条码 UPC条码有标准版和缩短版两种 标准版由12位数字构成 缩短版的由8位数字构成 3 条码分类 二维条码根据构成原理 结构形状的差异 可分为两大类型 一类是行排式二维条码 2Dstackedbarcode 如PDF417 Code49 Code16K等 另一类是矩阵式二维条码 2Dmatrixbarcode 如QRCode Data Matrix Codeone MaxiCode等 1 25条码 1 25条码 25条码是一种只有条表示信息的非连续型条码 每一个条码字符由规则排列的5个条组成 其中有两个条为宽单元 其余的条 空和字符间隔是窄单元 故称之为 25条码 25条码的字符集为数字字符0 9 图4 6是表示 123458 的25条码结构 图4 6表示 123458 的25条码 从上图可以看出 25条码由左侧空白区 起始符 数据符 终止符及右侧空白区构成 因相邻字符之间有字符间隔 所以25条码是非连续型条码 1 25条码 25条码是最简单的条码 它研制于20世纪60年代后期 到1990年由美国正式提出 这种条码只含数字0 9 应用比较方便 但25条码不能有效地利用空间 人们在25条码的启迪下 将条表示信息 扩展到也用空表示信息 因此在25条码的基础上又研制出了条 空均表示信息的交插25条码 当时主要用于各种类型文件处理及仓库的分类管理 标识胶卷包装及机票的连续号等 1 25条码 2 交插25条码 交插25条码 interleaved2of5barcode 是在25条码的基础上发展起来的 由美国的Intermec公司于1972年发明的 它弥补了25条码的许多不足之处 不仅增大了信息容量 而且由于自身具有校验功能 还提高了交插25条码的可靠性 交插25条码起初广泛应用于仓储及重工业领域 1987年开始用于运输包装领域 1987年日本引入了交插25条码 用于储运单元的识别与管理 1997年我国也研究制定了交插25条码标准 GB T16829 1997 主要应用于运输 仓储 工业生产线 图书情报等领域的自动识别管理 交插25条码是一种条 空均表示信息的连续型 非定长 具有自校验功能的双向条码 它的字符集为数字字符0 9 图4 7是表示 3185 的交插25条码的结构 从图中可以看出 交插25条码由左侧空白区 起始符 数据符 终止符及右侧空白区构成 它的每一个条码数据符由5个单元组成 其中两个是宽单元 表示二进制的 1 三个窄单元 表示二进制的 0 2 交插25条码 条码符号从左到右 表示奇数位数字符的条码数据符由条组成 表示偶数位数字符的条码数据符由空组成 组成条码符号的条码字符个数为偶数 图4 7表示 3185 的交插25条码 2 交插25条码 当条码字符所表示的字符个数为奇数时 应在字符串左端添加 0 如图4 8所示 起始符包括两个窄条和两个窄空 终止符包括两个条 一个宽条 一个窄条 和一个窄空 表4 1交插25条码字符集的二进制表 图4 8表示 215 的条码 字符串左端添加 0 它的字符集为数字字符0 9 字符的二进制表示见表4 1 3 39条码 39条码 code39 是1975年由美国的Intermec公司研制的一种条码 它能够对数字 英文字母及其他字符等44个字符进行编码 还由于它具有自检验功能 使得39条码具有误读率低等优点 首先在美国国防部得到应用 目前广泛应用在汽车行业 材料管理 经济管理 医疗卫生和邮政 储运单元等领域 我国于1991年研究制定了39条码标准 GB T12908 2002 推荐在运输 仓储 工业生产线 图书情报 医疗卫生等领域应用39条码 39条码是一种条 空均表示信息的非连续型 非定长 具有自校验功能的双向条码 3 39条码 1 符号结构由图4 9可以看出 39条码的每一个条码字符由9个单元组成 5个条单元和4个空单元 其中3个单元是宽单元 用二进制的 1 表示 其余是窄单元 用二进制的 0 表示 故称之为 39条码 39条码可编码的字符集包括 A Z和0 9的所有数字字母 特殊字符 空格 起始符 终止符 每个条码字符共9个单元 其中有3个宽单元和6个窄单元 共包括5个条和4个空 非数据字符等于两个符号字符 图4 9表示 B2C3 的39条码 2 字符编码 39条码符号包括 左右两侧空白区 起始符 条码数据符 包括符号校验字符 终止符 如图4 9所示 条码字符间隔是一个空 它将条码字符分隔开 图4 9表示 B2C3 的39条码 在供人识读的字符中 39条码的起始符和终止符通常用 表示 此字符不能在符号的其他位置作为数据的一部分 并且译码器不应将它输出 3 39条码 符号校验字符 1 校验字符 3 附加的特性 3 39条码 如果采用符号校验字符 应该采用以下符号校验字符的算法 1 每一个数据字符分配一个数值 如39条码字符值分配表所示 2 计算出符号所有数据字符数值的总和 3 将数值的总和除以43 4 步骤 3 所得的余数值在表2 2中对应的字符就是符号校验字符 译码器可以输出43模数的符号校验字符 表4 239条码字符值分配表 3 39条码 示例 对于 CODE39 数据符号校验字符的计算 见上页39条码字符值分配表 符号校验字符 3 39条码 2 供人识读的字符通常应该同与其对应的39条码一起印制 表示起始符和终止符的 也可印制 3 可选择的数据传输模式为了满足特定应用的需要 译码器可以通过编程来识读非标准形式的39条码符号 这里有以下三个方案 全ASCII码 信息追加和控制函数 3 39条码 符号标识符可以通过编好程序的条码译码器作为数据前缀符加到译码数据上 ISO IEC15424为39条码分配的符号标识符为 Am 4 符号标识符 3 39条码 其中 代表第93号ASCII码字符 A是39条码的代码字符 m是一个修饰字符 下面的表4 59给出了它的值 其值代表一些应用和操作方面的选项 m的有效值为 0 1 3 4 5 7 可编码的字符集 除一些特殊的字符外的所有数字字母字符集 注意 这里面不含全ASCII码和控制函数选择 5 符号特征 3 39条码 数据字符的数目 可变 最长为16个字符 符号校验字符 应该使用并输出43模的符号校验字符 数据校验字符 无 4 库德巴条码 库德巴条码是1972年研制出来的 它广泛应用于医疗卫生和图书馆行业 也用于邮政快件上 美国输血协会还将库德巴条码规定为血袋标识的代码 以确保操作准确 保护人类生命安全 我国于1991年研究制定了库德巴条码国家标准 GB T12909 1991 库德巴条码是一种条 空均表示信息的非连续型 非定长 具有自校验功能的双向条码 它由条码字符及对应的供人识别字符组成 它的字符集包括 1 数字字符0 9 10个数字 2 英文字母A D 4个字母 3 特殊字符 减号 美元符号 冒号 斜杠 圆点 加号 4 库德巴条码 由图4 10可以看出 库德巴条码由左侧空白区 起始符 数据符 终止符及右侧空白区构成 它的每一个字符由7个单元组成 4个条单元和3个空单元 其中两个或3个是宽单元 用二进制 1 表示 其余是窄单元 用二进制 0 表示 图4 10表示 A12345678B 的库德巴条码 库德巴条码字符集中的字母A B C D只用于起始字符和终止字符 其选择可任意组合 当A B C D用作终止字符时 亦可分别用T N E来代替 库德巴条码的字符 条