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条形码知多少-浅谈条形码的演进与二维条形码的应用

条形码知多少-浅谈条形码的演进与二维条形码的应用





一、 前言

条形码在现代生活中随处可见, 这粗细不同的长方形黑线条, 除了大量应用在各项产业与产品标示之外, 也常见于各项商品、 信用卡账单、 税单之中。 而在一维条形码之后研发出的二维条形码, 目前在台湾更是鲜为一般大众所知。 身为计算机作业系统霸主的微软公司, 在 2009 年年初就发布了一套 iPhone 应用软件 Tag Reader, 用来读取微软独创的 Microsoft Tag 二维条形码(见图 1), 卓实彰显了它的重要性。 接下来, 让我们好好了解一下, 这个即将充斥于我们生活的二维条形码。

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图 1 微软二维条形码应用于游戏软件外盒(数据源: Microsoft Tag)

二、 条形码的演进

条形码最早起源于1949年, 由美国 Woodland 等人为研究食品项目代码及相应设备而发明, 这种最早的条形码其实是一种同心圆环形码, 俗称「公牛眼」(bull-eye) 。 并在1960年早期开始出现有关各种条形码技术的文章, 到了1960年代晚期, 美国超市业者因收银台结账太慢和常出错, 故由一群零售商、 批发商和杂货制造商组成超市委员会, 与当时的主要计算机厂商共同寻求解决方法。 1973年,美国统一编码协会UCC制定一套代码, 称为「统一商品代码」 (Universal Product Code, UPC) , 并以UPC码建立条形码系统, 制定了相应的标准, 并在食品业内以UPC码做为标准码推广使用, 条形码技术从此由研究阶段进入大规模实际应用阶段, 其后的欧洲、 日本等地也都各自发展EAN与JAN等不同的条形码标准。

2002 年末, 代表 UCC 的美国与加拿大一同加入 EAN 组织, 使得主导物品编码, 推动电子商务的两大国际组织达到真正合一, 经过理事会于 2003 年的协商,与 2004 年规划小组的策划, 在 2005 年正式对外宣告更名为 GS1全球标准组织,领导全球标准的设计与实施(台湾 GS1, 2009)。

三、 条形码的种类

条形码主要可分为一维条形码及二维条形码两大类, 二维条形码又可分为两种, 堆栈式二维条形码及矩阵式二维条形码, 分别概述如后。

(一) 一维条形码

一维条形码的结构为一组印在商品包装上的平行黑线和号码, 因此有了「条形码」 (BarCode) 的称呼。 而黑线与空白按照一定的编码规则组合起来的符号, 用以代表一定的字母、 数字等数据, 只要利用条形码阅读机 (Barcode Reader) 来读取商品上的条形码, 得到一组反射光信号, 此信号经光电转换后变为一组与黑线、 空白相对应的电子讯号, 译码后还原为相应的文数字,
再传入计算机, 即可辨别所有商品, 其读取的错误率约为百万分之一, 首读率更大于98%, 是一种可靠性高、 输入快速、 准确性高、 成本低、 应用面广的数据自动收集技术。 全世界已知的一维条形码系统约225种, 常用约 40多种, 像是在UPC码之后, 于1974年由Intermec公司推出的39码, 在工业及军事上得到了广泛的使用; 1977年, 欧洲共同体成立了欧洲商品编码协会(EAN), 以 UPC标准码(UPC-A) 为基础, 制定出欧洲商品代码(European Article Number) EAN-13码与EAN-8码; 1981年有128码被推出应用, 1982年之后又推出93码, 其符号密度比39码高30%, 其他常见的还有ISBN码, 以上皆属于一维条形码的范围(见表1) 。

表 1 常见的一维条形码

UPC-A 码  1 UPC 码仅提供数字编码, 只支持数字 0 到 9, 有一位检查码, 限制位数(12 位和 6 位)、 需要检查码、 允许双向扫瞄、 数字为 OCR-B的字型。主要用于超市及百货业。
UPC-E 码  2
EAN-13 码  3 参考 UPC 码, 订定与之兼容的EAN 码, EAN 的特性是仅有数字号码, 只支持数字 0 到 9, 通常为 13码, 允许双向扫瞄, 缩短码为 8 码,数字为 OCR-B 字型。主要应用于超市与百货业。
EAN-8 码  4
39 码  5 在九个码素中, 其中有三个码素是粗线, 故名「39 码」, 除数字 0到 9 外, 尚提供英文字母 (A-Z)及特殊符号( +, -, *, , , %,$ , • , Space)。 特性是允许双向扫瞄, 检查码可有可无, 支持 44 组条形码、 数据与数据之间的空白不代表码义, 以* 号作为起始码及终止码。主要应用于工业产品、 商业资料、 医院的保健数据、 图书馆、 录影带出租业等。
ISBN 码  6 国际标准书号码。 为因应图书出版、 管理的需要, 便于国际间出版品的交流与统计所发展的一套国际统一的编号制度, 由一组有 ISBN代号的十位数号所组成, 用以识别出版品所属国别地区(语言), 出版机构、 书名、 版本及装订方式。

数据源: 整理自AIM Global

(二) 二维条形码

一维条形码虽然提高了数据收集与数据处理的速度, 但由于受到数据容量的限制, 一维条形码仅能标识商品, 而不能描述商品, 因此相当依赖计算机网络和数据库。 而在没有数据库或不便连接网络的地方, 一维条形码很难派上用场。 也因此开发了储存量较高的二维条形码。不同于一维条形码最多仅能表示28个字符, 二维条形码可存放的数据量就比较大, 能表示1000个字符以上, 至少约500个中文字, 因此它不仅能够用来储存窗体、 文字数据, 更可用来储存影像数据, 将整页窗体的数据浓缩存放在一个条形码内, 接收者可利用专属扫瞄器自动地把窗体数据输入电脑, 且抗损性较高, 不会有病毒、 消磁、 损坏、 容量不足等问题, 且具有高密度、 大容量、 抗磨损等特点, 所以更拓宽了条形码的应用领域( 赵怡晴、陈玲慧, 1999) 。
目前的二维条形码主要可分为两类, 堆栈式二维条形码及矩阵式二维条码。 堆栈式二维条形码是最早的一种二维条形码形式, 由一维条形码中的39码及128码延伸变化而来, 其主要的设计想法十分直接, 就是将一维条形码堆栈起来以增加条形码的容量。 编码原理是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、 辨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、 译码算法及软件则与一维条形码有所不同。 较具代表性的堆栈式二维条形码有Code 49、Code 16K、PDF417、SuperCode等, 如表2所示。

表2 常见的堆栈式二维条形码

 Code 49  1  于1987年由Intermec Corporation公司提出, 是第一个正式的二维条码。 主要是以Code 39一维条形码为基础所发展, 但缺乏错误纠正的功能。
 Code 16K  2  为1989年由Laser System公司提出。 一个Code 16K通常有2到16列,使用UPC与Code 128为基础所发展
而成。 因为也是属于较早期的二维条形码, 所以不具有错误纠正的能力。
 PDF417  3  为目前广为人知的一个堆栈式二维条形码, 于1991年由Symbol Technologies的王寅君博士所发表。 一个PDF417码包含3到90列,储存容量可达1100位, 并具有错误纠正的能力。 另外还有Micro PDF417格式, 可应用在较小面积的印刷表面。
 SuperCode  4 王寅君博士于1994发表, 采用包裹式的结构, 储存容量可达2546位, 并具有32个等级的错误纠正力。

数据源: 整理自AIM Global

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、 圆点或其他形状的点。 矩阵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Dot Code A、 USS Code One、 MaxiCode、 Data Matrix 、 Aztec Code、 QR Code等,如表3所示。

表3 常见的矩阵式二维条形码

 Dot Code A  1  也称作Philips Dot Code, 由许多的小点所组成, 其结构为6×6到12×12的四方形, 主要用于某些相对小的领域中的对象做标记或在印刷技术不够严谨的情况下使用, 如应用在实验室里的玻璃器皿及洗衣店为衣服做的标记。
 USS Code One  2  1992年由Ted Williams所发明, 可以包含ASCII码, 有错误纠正的能力, 容量可从1A等级的13字符到1H等级的2218字符, 多用于药品的卷标及回收业的装箱上。
 Maxi Code  3  于1992年由美国UPS快递公司所发表, 也被称为UPS Code。 为了能快速扫瞄与译码, 它的符号大小固定, 且在中央有一个同心圆状的公牛眼(bull-eye) 用来定位二维码。 主要用途是邮包的搜寻与追踪。
 Data Matrix  4  于1989年由CiMatrix提出, 是一个正方形的二维码, 其大小可依储存量多寡而变动。 它的上边与右边是由虚线组成, 而下边与左边则是由实线组成, 这个特征可用来判断二维码的方向。 通常被用来做小型物品的卷标, 例如IC的辨识卷标, 它具有错误纠正的能力。
 Aztec Code  5  在1995年由Welch Allyn Inc的Andy Longacre所提出。 设计的主要目的是容易列印及译码。 Aztec Code是一正方形的二维
码, 并且在条形码的正中央有着同心方形的特征来做定位。 其大小可依储存量多寡而变动, 最小的Aztec Code可储6位的数据,最大的则可储1914位。
 QR Code  6  由Nippondenso ID System所发表, 是一个正方形的二维码, 于左上角、 右上角与左下角各有一特殊图样用来侦测二维码的旋转方向, 可储存大量的数据并具有错误纠正的能力。

数据源: 整理自AIM Global

除了以上较为常见的二维条形码之外, 还有一些正在推广或研发的表列于下:

表4 推广中的二维条形码

 GS1 DataBar堆栈延展型  1 2002年由AIM公开展示说明, 原名RSS, 于2007年更名为DataBar, 以符合其可结合二维之特性, 可说是第二代的条形码系统。 它是一种能以线性扫瞄器扫瞄, 或结合二维PDF147成复合型条形码的新一代条码, 表面积比GS1条形码约小0.6倍, 却又能携带更多商品信息的条形码。 另有标准型、 截短型共七种不同类型。
Quick Mark  2 由国内厂商金扬科技所开发之特殊格式, 储存量为1108位, 特征为侧边的四根短直线条及左下角的小圈, 容错等级分L、 M、 H、 U 四级, 且支持 Unicode。
Magi Code  3 由韩国研发使用, 台湾厂商广谱行动科技引进国内推广, 特征为侧边有四条直线。
Grid Matrix Code  4 由中国研发, 经AIM认证为国际标准。GM网格码是一种正方形的二维码码制, 该码制的码图由正方形宏模块组成, 每个宏模块由6乘6个正方形单元模块组成。 网格码可以编码储存1143位的数据并提供5
种错误纠正等级。
HCCB(Microsoft Tag)  5 运用CMYK 四色及三角排列的方式去储存数据, 而非 QR Code 般只使用黑色方格像素去储存, 优点是可以在更少的方格中保存更多的数据, 在拍摄 Code 图案时所出现的误差也可以减少。 可扩充八色系
统来因应储存容量增加的需求。

数据源: 整理自AIM Global、 Microsoft Tag

四、 二维条形码的应用

(一) 在产业中的应用

由于二维条形码改良了一维条形码的不足, 因此这个技术逐渐被重视, 在其「数据储存量大」 、 「信息随着产品走」 、 「可以传真影印」 、 「错误纠正能力高」 等特性下, 二维条形码势必将走入每个人的生活之中, 给我们带来更大的便利。 前文提到条形码的产生一开始是为了超市做生意的需求,但随着时代的改变与地区及产业别的不同, 条形码种类持续增加, 过多彼此不兼容的条形码将会造成使用上的困扰, 因此陆续有国际性的组织进行协调与统一标准 , 以下为全球自动识别组织AIM列出应用在产业中的主要使用条形码类型列表, 如表5所示:

产业 二维条形码 应用
生产 主要︰ Data Matrix(北美和欧洲)QR Code(亚洲)次要︰ PDF-417、 Micro-PDF-417

其他: Code 49(法国)

零件追踪
邮政 主要︰ Postal Symbologies Postnet(美国邮政)Aus Post(澳洲邮政)

BPO(英国邮政)

JPO(日本邮政)

Kix Code(荷兰邮政)

次要︰ PDF417和OCR

业务稽核挂号邮件

回邮信件

销售据点

抽奖 主要︰ PDF417次要︰ Data Matrix 票卷确认
交通 主要︰ Maxi Code、 PDF417 包裹追踪送货证明

提货单

政府 主要︰ PDF417次要︰ Data Matrix、 OCR 身分证各项登记

资产追踪

保健 主要︰ Code 128、 PDF417、Data Matrix

次要︰ OCR

病患手环药物处理

保险契约

临床 主要︰ PDF417、 Data Matrix次要︰ OCR 临床分析
零售 主要︰ JAN次要︰ GS1 DataBar、 OCR、

Composite Codes

销售据点返回货物

存货控制

贸易展 主要︰ PDF417 客户追踪
先进摄影系统APS 主要︰ Code 49 底片
汽车 主要︰ QR Code(亚洲

次要︰ PDF417

存货清单车辆证明

数据源: AIM Global

(二) 在生活中的应用

早期一维条形码主要用于产业中, 无法直接为一般人所用, 主要是因为读取设备缺乏及后端数据库建制困难。 但是科技不断进步, 二维条形码储存容量大幅增加, 可携带更多资料, 搭配上普及率日高、 并拥有高画素镜头、能行动上网的手机便成了最佳的读取设备, 应用层面大幅提升。 在日本,二维条形码已到处可见, 如展示墙上的大海报、 路旁发的传单里、 公车站牌路线图及日本JR铁路的旅游导览手册上, 甚至在吃的巧克力上面也有, 人类的生活由于条形码的发展, 因此获得了更大的便利性。台湾在近几年也逐步开始推广使用, 例如国内经济部工业局行动上网联盟初步底定 QR Code为手机二维条形码标准; 财政部提供国人在申报综合所得税时使用之「综合所得税二维条形码结算申报系统」 (见图2) 即属于二维条形码的应用; 中华电信提供客户以手机上网订购电影票, 客户之订票资讯及付款数据透过3DES方式加密后, 以二维条形码的形式, 直接传送电子票卷至订票客户号码的手机; 农委会为推行农产品管制制度, 开始进行良好农业规范的实施及验证, 及建立履历追溯体系, 因此在零售标签上除了基本产品标章外, 加入了QR Code建立该产品的产销履历信息, 而零售卷标上的一维条形码是EAN-13的国际商品编号, 用于零售结账(见图3) 。

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(三) 在教育上的应用

近年常听见的「行动学习」, 即透过任何不受时间限制与地点限制的服务或设备, 提供学习者数字化信息与教材, 并协助学习者取得知识, 依通讯方式的不同, 可分为同步式与异步式两种, 二维条形码目前在教育上,主要就是应用在异步式行动学习方面, 如图 4 所示, 利用其储存容量较大的特性, 将教学内容存于其中, 或是结合网络, 透过二维条形码内藏的网址, 让使用者迅速准确的连结到相关网站, 以获取更大量的讯息( 王晓璇、刘晏佐、 高奇峯, 2009), 如由香港教育局信息科技教育组主导的「树木全接触-流动学习计划」, 主要就是利用手机将 QRcode 与网络结合以进行教学的方式, 让学生透过信息科技进行互动学习, 培养学生爱护大自然的意识,并加深学生对常见树木的认识。

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五、 结语

科技在因应人类需求而不断的推陈出新, 尤其在进入了计算机化、 网络化的资讯社会后, 全世界各地因而串联起来, 各式产品、 技术的开发, 甚至文化的交流都更加快速, 在二维条形码的辅助之下, 一般民众也可以享受到大量、 迅速、 便捷的实时数据, 期待产官学界能够有系统的进行推广、 宣传, 并建立相关的系统,学校教育也能及时跟进, 思考二维条形码在教育方面的应用, 使条形码科技更加能受到广泛的应用。

作 者 张胜茂、  高翊峰、  陈馨雯
出 处 生活科技教育月刊(台湾省)  二○○九年 四十二卷 第六期

 


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