二維碼技術(shù)的發(fā)展歷程

1維碼的標(biāo)準(zhǔn)化研究該列克技術(shù)是在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和實(shí)踐中產(chǎn)生并發(fā)展起來的。自20世紀(jì)70年代初出版以來，它的發(fā)展非常迅速。經(jīng)過20年的發(fā)展，1輸入代碼（以下簡稱1輸入代碼）廣泛應(yīng)用于商業(yè)流通、倉儲(chǔ)、醫(yī)療、圖書服務(wù)、郵政、鐵路、運(yùn)輸、自動(dòng)生產(chǎn)管理等領(lǐng)域。目前一維碼仍然是主要的物體信息載體,具有標(biāo)準(zhǔn)完善、成本低、可靠性高、自由度大、信息采集速度快、識別設(shè)備簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn),但容量小,所以一般僅存儲(chǔ)物體的信息編號,通過編號在后臺數(shù)據(jù)庫中得到具體的物體信息,離開后臺數(shù)據(jù)庫,一維碼代表的信息沒什么意義。20世紀(jì)80年代末,美國、日本等國家的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行二維條形碼(以下簡稱二維碼)的研究。1989年美國國際資料公司發(fā)明了DataMatrix碼(矩陣式二維碼),1991年美國華人王寅敬博士發(fā)明并由訊寶(Symbol)公司制定完成PDF417堆疊式二維碼,1992年美國UPS快遞公司推出UPS碼,即Maxicode的前身,1994年日本Denso公司發(fā)明了QR碼(quickresponsecode)。二維碼的信息密度比傳統(tǒng)的一維碼有了較大提高,如PDF417的信息密度是一維碼CodeC39的20多倍。在二維碼標(biāo)準(zhǔn)化研究方面,國際自動(dòng)識別制造商協(xié)會(huì)(AIM)、美國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ANSI)已完成了PDF417、QR碼、Code49、Code16K、Code>One等碼制符號標(biāo)準(zhǔn)的制訂。國際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)和田際電工委員會(huì)(IEC)還成立了條形碼自動(dòng)識別技術(shù)委員會(huì)(ISO/IEC/JTC1/SC31),已制訂了QR碼的國際標(biāo)準(zhǔn)(1SO/IEC18004:2006)、PDF417碼的國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC15438:2006)、DataMatrix碼的國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC16022:2006)。我國對二維碼技術(shù)的研究始于1993年。中國物品編碼中心對幾種常用的二維碼如PDF417、QR碼、DataMatrix、MaxiCode、Code49、Code16K、CodeOne的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了翻譯和跟蹤研究。2005年中國物品編碼中心完成了漢信碼的研發(fā),深圳矽感科技于2002年和2003年提出了CM二維碼和GM二維碼標(biāo)準(zhǔn);國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了有關(guān)二維碼的國家標(biāo)準(zhǔn),如GB/T17172-1997《四一七條形碼》、GB/T18284-2000《快速響應(yīng)矩陣碼》和GB/T21049-2007《漢信碼》、GB/T27766-2011《二維條形碼:網(wǎng)格矩陣碼》、GB/T27767-2011《二維條形碼:緊密矩陣碼》,從而大大促進(jìn)了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的二維碼技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。2維碼的分類二維碼可以分為堆疊式/行排式二維碼和矩陣式二維碼。堆疊式/行排式二維碼,又稱為堆積式二維碼或?qū)优攀蕉S碼,其編碼原理是在一維碼基礎(chǔ)之上,按需要堆積成兩行或多行。它在編碼設(shè)計(jì)、校驗(yàn)原理、識讀方式等方面繼承了一維碼的一些特點(diǎn),識讀設(shè)備與條形碼印刷與一維碼技術(shù)兼容。但由于行數(shù)的增加,需要對行進(jìn)行判定,其譯碼算法與軟件也不完全與一維碼相同。具有代表性的行排式二維碼有:Code16K、Code49、PDF417等。矩陣式二維碼,又稱為棋盤式二維碼,是在一個(gè)矩形空間通過黑、白像素在矩陣中的不同分布進(jìn)行編碼。在矩陣相應(yīng)元素的位置上,用點(diǎn)(方點(diǎn)、圓點(diǎn)或其他形狀)的出現(xiàn)表示二進(jìn)制“1”,點(diǎn)的不出現(xiàn)表示二進(jìn)制“0”,點(diǎn)的排列組合確定了矩陣式二維碼所代表的意義。矩陣式二維碼是建立在計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、組合編碼原理等基礎(chǔ)上的一種新型的圖形符號自動(dòng)識讀處理碼制。具有代表性的矩陣式二維碼有:QR碼、DataMatrix碼、漢信碼等。幾種主流的二維碼符號表示見表1。大部分人了解的二維碼的使用環(huán)節(jié)是二維碼的生成和識讀環(huán)節(jié)。實(shí)際上,二維碼應(yīng)用一般要涉及6個(gè)環(huán)節(jié),分別是編碼(encoding)、打標(biāo)識(marking)、校驗(yàn)(verify)、閱讀(reading)、通信(communication)、跟蹤追溯(tracing),簡稱EMVRCT?，F(xiàn)代制造業(yè)中的二維碼應(yīng)用必須完整做到EMVRCT,才能實(shí)現(xiàn)信息化管理。在一般商業(yè)應(yīng)用中,應(yīng)至少涉及編碼、打標(biāo)識和閱讀3個(gè)環(huán)節(jié)。下面分別介紹這6個(gè)環(huán)節(jié)。維碼編碼技術(shù)二維碼是信息載體,要應(yīng)用二維碼,首先要選擇二維碼類型,國際上用得比較多的是DataMatri)x碼和QR碼,國內(nèi)主要使用的也是這兩種碼。國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的漢信碼、網(wǎng)格矩陣碼、緊密矩陣碼應(yīng)用還不廣泛,應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也比較狹窄。二維碼的編碼是指用原始數(shù)據(jù)生成二維碼的過程。二維碼編碼技術(shù)就是在編碼過程中所用到的所有相關(guān)技術(shù)的集合。二維碼編碼的主要流程:數(shù)據(jù)分析,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確定數(shù)據(jù)類型,根據(jù)類型及其他約束條件選擇編碼模式;數(shù)據(jù)編碼,根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到編碼模式,將數(shù)據(jù)字節(jié)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制位流;糾錯(cuò)編碼,采用糾錯(cuò)碼技術(shù)生成相應(yīng)的糾錯(cuò)碼,如果數(shù)據(jù)較大,首先需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊,然后生成每個(gè)數(shù)據(jù)塊的糾錯(cuò)碼,按照分塊順序合并作為最終的糾錯(cuò)碼;布置模塊,組合數(shù)據(jù)碼字和糾錯(cuò)碼字,構(gòu)成最終的數(shù)據(jù)碼字,并根據(jù)需求添加相應(yīng)的版本、格式、定位等結(jié)構(gòu),同時(shí)根據(jù)定義好的規(guī)則在矩陣中布置模塊;掩模,用不同的掩模圖形對編碼區(qū)進(jìn)行掩模處理,評價(jià)掩模結(jié)果,選擇掩模評估結(jié)果最好的進(jìn)行掩模。(2)dpm標(biāo)識質(zhì)量打標(biāo)識是將編碼好的二維碼印刷在紙張、塑料上,或只顯示在顯示器上,也可以直接打印在零件本體上。直接打印在零件本體上的二維碼技術(shù)稱為直接零件標(biāo)識(directpartmarking,DPM)。利用DPM技術(shù)可以在金屬、玻璃、陶瓷、塑料、硬紙板上直接打刻二維碼。打標(biāo)識可用針式打標(biāo)機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)或者噴碼機(jī)及化學(xué)蝕刻。每種打標(biāo)識的方法都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性,在挑選出最適合的方法之前需要對眾多方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和匯總。以下是4種最常見的標(biāo)記方法?！る娀瘜W(xué)刻蝕法:通過向物體表面施加一個(gè)低電壓電流來標(biāo)記,常用于低產(chǎn)量生產(chǎn)線?！ぜす饪涛g:激光直接在物體表面刻蝕符號,標(biāo)記清晰,分辨率高,適用于自動(dòng)化場合?！娔?在物體表面進(jìn)行小型的、噴點(diǎn)式的標(biāo)記,做出的標(biāo)記對比度強(qiáng)但不長久。·點(diǎn)刻:是一種敲擊標(biāo)記方法,利用點(diǎn)敲擊的不同深度進(jìn)行標(biāo)記,推薦用于標(biāo)記需在產(chǎn)品周期內(nèi)要求符號一直存在的情況。打標(biāo)識的方法的幾種示例如圖1所示。在全球性的生產(chǎn)運(yùn)營中,自動(dòng)化供應(yīng)鏈依賴于精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)高效率,如今條形碼或文本內(nèi)容愈來愈重要。條形碼質(zhì)量前后不一致會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下,甚至停機(jī);不可讀的條形碼則會(huì)引起大量重復(fù)性工作,如重貼標(biāo)簽、重新掃描,甚至造成工廠拋棄自動(dòng)化流程的諸多優(yōu)勢而轉(zhuǎn)向人工輸入關(guān)鍵信息。產(chǎn)品走向市場后,模糊不可讀的條形碼則會(huì)影響產(chǎn)品供應(yīng)鏈過程的可追溯性,引起不必要的產(chǎn)品召回成本,從而引起客戶的抱怨。從客戶層面來講,越來越多的客戶開始要求條形碼標(biāo)簽要符合標(biāo)準(zhǔn),而對條形碼不符合標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商進(jìn)行一定程度的處罰。打好的二維碼標(biāo)識必須要校驗(yàn)其質(zhì)量,檢查其是否符合ISO的標(biāo)準(zhǔn)。二維碼檢驗(yàn)的有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有:MIL-STD130N、ISO16022、ISO15415、AIQGAS9132、AIM-DPM、ISO-15416。ISO/IEC15415標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了測量和評估二維碼符號的算法,并給出特征等級來評比標(biāo)記的質(zhì)量;另外,標(biāo)準(zhǔn)還給出可能造成條形碼質(zhì)量降低的原因。依據(jù)這些信息,可以提高由標(biāo)記方式或材質(zhì)問題引起的不理想條形碼的質(zhì)量。AIMDPM質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)用于驗(yàn)證DPM的符號質(zhì)量,規(guī)定了特定條形碼質(zhì)量參數(shù)的測量和評級標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)二維碼校驗(yàn)設(shè)備的公司有霍尼韋爾(Honeywell)、韋博斯根(Webscan)、邁思肯(Microscan)。通過二維碼校驗(yàn)環(huán)節(jié),可以確保二維碼打標(biāo)識或打標(biāo)識系統(tǒng)的一致性,驗(yàn)證文本和條形碼具有100%可追溯性,驗(yàn)證條形碼符合GS-1和ISO標(biāo)準(zhǔn)。ISO/IEC15415與AIMDPM標(biāo)準(zhǔn)評定參數(shù)比較見表2。條形碼驗(yàn)證系統(tǒng)帶來的益處有:符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定;制造過程的效率最大化;在驗(yàn)證打印機(jī)或打標(biāo)機(jī)的質(zhì)量時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制;降低由壞標(biāo)簽引起的產(chǎn)品退貨;提升客戶滿意度。(4)圖像識別和二維碼解碼技術(shù)二維碼的識讀方法主要分為3類:線性CCD和線性圖像式、帶光柵的激光閱讀器和圖像式閱讀器。前兩類主要用于一維碼以及堆疊式二維碼的識讀,優(yōu)點(diǎn)是簡單、設(shè)備成本低;圖像式閱讀器結(jié)合圖像識別技術(shù)與二維碼技術(shù),識讀過程主要為圖像采集和基于圖像處理的二維碼解碼?；趫D像處理的二維碼解碼算法可以分為5個(gè)步驟:圖像預(yù)處理、定位與校正、讀取數(shù)據(jù)、糾錯(cuò)及譯碼。二維碼的識讀可以采用專用的識讀設(shè)備,也可以安裝解碼軟件的智能手機(jī)或其他終端。識讀器可以是固定式的掃描器、手持式的掃描槍或移動(dòng)終端。提供閱讀設(shè)備的國際廠商主要有摩托羅拉(Motorola)、霍尼韋爾(Honeywell)、邁思肯(Microscan)、康耐視(Cognex)、得利捷(Datalogic)。(5)生產(chǎn)線調(diào)度管理企業(yè)應(yīng)用二維碼的目的是方便管理,提高管理效率。二維碼掃描器讀得的數(shù)據(jù)通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全國或者全球聯(lián)網(wǎng)。企業(yè)信息系統(tǒng)可分為3級:過程級、生產(chǎn)級和企業(yè)級。過程級是生產(chǎn)現(xiàn)場自動(dòng)生產(chǎn)線通過高速現(xiàn)場總線(周期<10ms),對生產(chǎn)線上的零部件通過固定式二維碼掃描儀讀取零部件信息;在生產(chǎn)級(即車間級),使用便攜式二維碼掃描槍或移動(dòng)終端讀取零部件信息,對零部件進(jìn)行QC&A質(zhì)量控制與分析,使用高速生產(chǎn)總線(周期<100ms);工廠級通過TCP/IP企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(周期<1000ms)對生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)度管理。如上海大眾動(dòng)力總成公司與安吉物流公司實(shí)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)平臺,大眾工廠每下線一臺發(fā)動(dòng)機(jī),安吉物流會(huì)同步知道,并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)下線的信息,及時(shí)派車運(yùn)貨,同時(shí)安吉物流的倉庫安排庫位。(6)建立產(chǎn)品全生命周期管理數(shù)據(jù)庫二維碼應(yīng)用中的最后環(huán)節(jié)是跟蹤追溯。產(chǎn)品全生命周期跟蹤(PALT)是制造業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和售后服務(wù)水平的根本,因此各公司要建立產(chǎn)品全生命周期管理的數(shù)據(jù)庫。在產(chǎn)品全生命周期中通過二維碼進(jìn)行管理,同時(shí)在產(chǎn)品的各個(gè)流通環(huán)節(jié)使用同樣的二維碼標(biāo)準(zhǔn),在二維碼應(yīng)用的6個(gè)環(huán)節(jié)中,都要用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國際上的DataMatrix碼和QR碼的標(biāo)準(zhǔn)比較完備,但國內(nèi)的漢信碼、網(wǎng)格矩陣碼和緊密矩陣碼還缺少二維碼檢驗(yàn)方面的標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)研究。4美國標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀目前,美國、日本和德國的二維碼應(yīng)用已達(dá)到一個(gè)很高的水平,尤其是二維碼在制造業(yè)的應(yīng)用,直接反映了一個(gè)國家的制造業(yè)水平。制造業(yè)通過二維碼應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量追溯與監(jiān)控。這3個(gè)國家是制造業(yè)二維碼應(yīng)用最好的國家。DataMatrix碼在美國各行各業(yè)已得到應(yīng)用,且制定了大量關(guān)于DataMatrix碼應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。DataMatrix碼在公眾領(lǐng)域是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)二維碼符號。一系列ISO標(biāo)準(zhǔn)列出了DataMatrix碼的技術(shù)規(guī)范,包括DataMatrix符號、編碼、格式和質(zhì)量。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在ISO標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上擴(kuò)充了更多DataMatrix碼規(guī)范,如符號大小、數(shù)據(jù)內(nèi)容和使用要求等。表3列出了一些DataMatrix碼的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及使用規(guī)則,其中,AAR指美國鐵路協(xié)會(huì),AIAG指汽車產(chǎn)業(yè)行動(dòng)聯(lián)盟,ATA指空運(yùn)協(xié)會(huì),DOD指美國國防部,EIA指電子工業(yè)協(xié)會(huì),IEC指國際電工委員會(huì),ISO指國際標(biāo)準(zhǔn)化組織,NASA指美國國家航空及宇宙航行局,SAE指汽車工程師協(xié)會(huì),SEMI指半導(dǎo)體設(shè)備制造商協(xié)會(huì)。4.2主要的信碼專利和應(yīng)用我國對二維碼技術(shù)的應(yīng)用需求越來越旺盛,僅靠國外碼制已經(jīng)不能滿足我國二維碼技術(shù)的應(yīng)用需求,具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:·國外碼制的中文信息編碼效率不高,不支持中國強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB18030中的全部漢字;·我國政府部門、軍隊(duì)、武警等信息基于安全方面的考慮,要求二維碼碼制自主可控;·自主知識產(chǎn)權(quán)二維碼碼制技術(shù)的研制,有利于我國二維碼技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用,可以有效規(guī)避相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn),促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國家有關(guān)部門制定發(fā)布了3個(gè)國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的矩陣式二維碼國家標(biāo)準(zhǔn):漢信碼、網(wǎng)格矩陣碼、緊密矩陣碼。但任何一種碼制要得到普及應(yīng)用,離不開上文提到的6個(gè)環(huán)節(jié),要在這6個(gè)環(huán)節(jié)上投入研發(fā)、推廣和產(chǎn)業(yè)化,要有大量的企業(yè)為自主知識產(chǎn)權(quán)的二維碼應(yīng)用提供相應(yīng)的打標(biāo)設(shè)備、閱讀設(shè)備、檢測設(shè)備和解決方案。這3種二維碼的應(yīng)用需要政府和行業(yè)的大力支持。漢信碼是中國物品編碼中心主導(dǎo)的一種二維碼,得到中國物品編碼中心的大力支持,主要是國家稅務(wù)局在國稅發(fā)票上的應(yīng)用。漢信碼、網(wǎng)格矩陣碼和緊密矩陣碼要得到普及,必須在一些行業(yè)上進(jìn)行推廣,制定適合一些行業(yè)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。漢信碼在漢字信息表示方面已達(dá)到國際領(lǐng)先水平,在數(shù)字和字符、二進(jìn)制數(shù)據(jù)等信息的編碼效率、符號信息密度與容量、識讀速度、抗污損能力等方面也已達(dá)到國際先進(jìn)水平。憑借著完善的技術(shù)性能,漢信碼于2011年正式成為國際自動(dòng)識別技術(shù)領(lǐng)域的國際權(quán)威行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——AIMglobal碼制標(biāo)準(zhǔn)。作為一種完全自主創(chuàng)新的碼制,漢信碼的6項(xiàng)技術(shù)專利成果歸中國物品編碼中心所有。中國物品編碼中心明確了漢信碼標(biāo)準(zhǔn)中涉及的專利免費(fèi)授權(quán)使用的基本原則。漢信碼國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布實(shí)施和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用工作以及專利免費(fèi)的策略,為我國二維碼技術(shù)與應(yīng)用企業(yè)提供了自主創(chuàng)新平臺,對于提升我國各行業(yè)信息化水平、促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。網(wǎng)格矩陣碼和緊密矩陣碼是分別由武漢矽感科技有限公司和中國電子標(biāo)準(zhǔn)化研究所提出的二維碼標(biāo)準(zhǔn),在標(biāo)準(zhǔn)的推廣力度和行業(yè)應(yīng)用研究上明顯不足。網(wǎng)格矩陣碼和緊密矩陣碼的專利并不是免費(fèi)的,需要與武漢矽感科技有限公司談判專利許可。這兩種二維碼的應(yīng)用受到專利許可問題的約束,推廣受到影響。目前國內(nèi)二維碼應(yīng)用的主要碼制為QR碼和DataMatrix碼。QR碼的應(yīng)用范圍介紹如下。物流業(yè):QR碼應(yīng)用于郵政、鐵路、機(jī)場、碼頭的包裹和貨物運(yùn)輸上,實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸?shù)娜^程跟蹤,消除數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入,加快貨物的數(shù)據(jù)處理速度。零售業(yè):超市零售商品上的QR碼,含有商品的各種信息,包括產(chǎn)地、制造商、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、價(jià)格等信息。通過條形碼掃描器讀取這些信息。手機(jī)二維碼應(yīng)用:通過手機(jī)拍照功能掃描QR碼,快速獲取QR碼中存儲(chǔ)的信息,進(jìn)行上網(wǎng)、資料交換、自動(dòng)文字輸入。手機(jī)QR碼廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè),如票務(wù)、餐飲、旅游等。DataMatrix在我國的應(yīng)用主要集中在DPM應(yīng)用上,在非直接零件標(biāo)識的二維碼應(yīng)用上,QR碼占據(jù)主要位置。由于DataM