Кодировка и сканирование информации

№ 6’2015
PDF версия
Все началось с жевательной резинки Wrigley’s, проданной 26 июня 1974 года в 08:01 утра, которая теперь хранится в музее Смитсоновского института, — она стала первым товаром с одномерным штрихкодом. И это был первый шаг в создании глобальной системы иденти-фикации и графического кодирования информации. Спустя 40 лет штрихкоды превратились в неотъемлемый элемент всей современной промышленности, транспортной логистики, тор-говли.

Основное назначение штрихкода — с помощью технических средств обеспечить надежное и быстрое автоматическое считывание цифровой и буквенной информации с изделия, поскольку контрастный шифр из темных и светлых полей проще для машинного распознавания, чем символьный (рис. 1).

Полиимидная термостойкая этикетка с примером текстовой и штрихкодированной информации

Рис. 1. Полиимидная термостойкая этикетка с примером текстовой и штрихкодированной информации

Сегодня одномерный штрихкод эволюционировал до двухмерного матричного кода, что позволяет записывать значительное количество информации на небольшой площади.

Использование кодовых изображений в приборном производстве позволяет наносить на компоненты, комплектующие и материалы (ККМ), поступающие на предприятие, первичную информацию об изготовителе, названии ККМ, дате выпуска, партии и т. д. — то есть всю информацию, необходимую в процессе производства. Также изделия получают уникальные признаки, с помощью которых можно отследить весь жизненный цикл производства изделия и «вспомнить» его, если данная потребность возникнет при проведении ремонтных или регламентных работ. Тем самым кодовое изображение становится полноправным средством производства, входящим в состав системы прослеживаемости и позволяющим значительно сократить производственные и временные затраты, отстроить равномерность и цикличность процессов, уменьшить межоперационные перерывы, выявить узкие места, персонализировать ответственность сотрудников за качество выпускаемой продукции. Естественно, вся система кодирования, сканирования и распознавания кодовых изображений должна быть встроена в единую систему управления, например в Цифровую систему управления приборным производством Logos.

 

Виды кодировок

1D-код

Одномерные кодовые изображения существуют для различных нужд многих отраслей промышленности. UPC-А‑код часто встречается на потребительском рынке: код хорошо подходит для пищевых коробок, промышленные приложения для управления складами используют код 39 и код 128, а также Interleaved 2 из 5. Codabar обычно применяется в системах здравоохранения и библиотеках, Pharmacode и GS1 Databar — в фармацевтической промышленности. POSTNET, PLANET-коды и IMB (интеллектуальный почтовый штрихкод) предназначены для почтовых систем. Примеры некоторых кодов показаны на рис. 2.

Примеры одномерных кодовых изображений

Рис. 2. Примеры одномерных кодовых изображений:
а) Codabar;
б) Code 128;
в) Code 39

Сложные или составные символики типа PDF417 широко используются для управления складами и в ID-картах (идентификационные карты, например ISIC).

В России для шифрации небольших текстовых данных, артикулов или серийных номеров изделий предусмотрена система Code 128. Но ограниченное количество символов, всего 103, стало неудобным и потребовало перехода на двухмерные коды (рис. 3).

Виды 2D-кодов

Рис. 3. Виды 2D-кодов

2D-код

Двухмерные коды имеют намного более высокую плотность данных. Например, код Data Matrix может содержать до 2335 алфавитно-цифровых или 3116 цифровых символов в одном коде и поддерживать 24 квадратных и 6 прямоугольных форматов, что позволяет использовать их практически на любой поверхности. При этом 2D-коды компактнее традиционных штрихкодов, а современные алгоритмы дешифрации на базе кодов Рида – Соломона (англ. Reed–Solomon codes — недвоичные циклические коды, позволяющие исправлять ошибки в блоках данных) позволяют успешно считывать даже поврежденную маркировку. Немаловажным преимуществом являются и малые линейные размеры маркирующей этикетки, так как на плотно упакованной компонентами печатной плате не всегда есть свободное место для размещения идентификационных меток.

 

Виды сканеров

По способу применения сканеры кодовых изображений делятся на ручные и стационарные автоматические с постоянным полем сканирования. По принципу действия сканирующего узла они бывают:

  • CCD или светодиодные;
  • лазерные;
  • Image-based-сканеры или фотосканеры, они же «сканеры изображения».

CCD-сканеры

Самые доступные по цене, но имеют определенные недостатки, поэтому не получили широкого распространения:

  • малая дальность считывания;
  • малая площадь зоны сканирования;
  • малая скорость сканирования.

Лазерные сканеры

Уверенно держат лидерство на рынке, среди их достоинств:

  • высокая скорость сканирования;
  • большая дальность считывания;
  • уверенное сканирование поврежденных и мелких штрихкодов.

В качестве недостатков можно отметить:

  • конструктивную сложность сканера, в том числе наличие подвижных частей;
  • низкую ударостойкость;
  • невозможность сканирования 2D-кодов.

Сканеры изображения

Сканеры изображения — следующий шаг в технологии сканирования:

  • сканирование 1D- и 2D-кодовых изображений;
  • высокая скорость сканирования;
  • устойчивость к вибрациям и падениям;
  • отсутствие движущихся частей;
  • возможность одновременного сканирования нескольких кодов.

Для сканеров изображения не имеет значения позиционирование кода относительно луча сканера, что значительно упрощает и ускоряет процесс сканирования. Часто двухмерные коды используются в сочетании с одномерными штрихкодами. Сканеры изображения могут считывать двухмерные коды так же хорошо, как и одномерные штрихкоды. Сканеры изображения часто разрабатываются для считывания самых сложных двухмерных кодов, непосредственно нанесенных на поверхность и также известных как DPM (direct part mark). Эти коды наносятся на упаковку (поверхность) с помощью лазерной гравировки, химического травления или ударного нанесения, создавая стойкий DPM-код. Наличие «битых» ячеек и, как следствие, отсутствие части данных на различных поверхностях неизбежны в процессе нанесения. Однако двухмерные коды, по своей сути, обеспечивают коррекцию ошибок, и даже поврежденные коды могут быть прочитаны усовершенствованными алгоритмами дешифрования.

Лазерные сканеры используют точечный источник света для освещения кодовых изображений (рис. 4).

Принцип действия лазерного сканера

Рис. 4. Принцип действия лазерного сканера

У большинства лазерных сканеров световой луч развертывается в ширину сканируемого изображения с помощью вращающегося зеркала. При его перемещении по штрихкоду приемный фотоэлемент получает отраженный свет и преобразует кодовое изображение в электрический сигнал. То есть сканер измеряет относительную ширину штрихов и пробелов и отправляет эти величины на компьютер или портативный терминал для дальнейшей обработки.

Лазерные сканеры могут читать одномерные (1D) коды с традиционно высокой контрастностью приложений, обеспечивая отличную производительность для высокоскоростного однонаправленного сканирования. Соединение нескольких лазеров с перекрещиванием полос сканирования позволяет создавать поле сканирования. Эти системы эффективно работают при постоянном контроле персонала, например на кассах крупных торговых залов, но мало подходят для автоматизированных линий и промышленных условий эксплуатации.

Тем не менее, как уже было сказано выше, условия считывания далеко не идеальны, а размер растра не бесконечен. К тому же все возрастающая потребность в количестве занесенной в кодовое изображение информации ведет к применению более сложных двухмерных 2D-кодов. Все это требует более жесткого подхода к системам считывания.

Хотя лазерные системы просты в установке, их использование не позволяет фиксировать изображение кода, что делает невозможным отслеживание ошибок и проверку достоверности сканирования. Также сложно установить причину неудачного считывания, поэтому оптимизация процесса практически невозможна. В конструкции лазерных сканеров применяются движущиеся части (вращающиеся или колеблющиеся зеркала), которые ограничивают среднее время безотказной работы оборудования и срока эксплуатации, предъявляют высокие требования к условиям эксплуатации.

В конструкцию сканеров изображения включены чувствительные компоненты, в частности матрицы КМОП (CMOS) и ПЗС (CCD), а также цифровые процессоры обработки данных (DSP). Чувствительный элемент получает изображение, передает его процессору для распознавания и декодирования, далее сканирует следующее изображение, и цикл повторяется (рис. 5).

Принцип работы сканера изображения

Рис. 5. Принцип работы сканера изображения

При работе с высококонтрастными 1D-кодами система может достигать скорости чтения до нескольких десятков декодирований в секунду.

По мере удаления изображения от линзы зона сканирования становится больше, однако в таком случае каждый пиксель чувствительного элемента будет покрывать большую площадь изображения и, соответственно, точность распознавания начнет снижаться, а на некотором расстоянии сканер вообще не сможет распознать ячейки или модули кода.

Стандартные лазерные сканеры обычно проектируются для одной фокальной плоскости и ограниченной глубины резкости. Настройка системы требует выдержки фиксированных значений фокусного расстояния линзы, размера апертуры, яркости. Сканеры изображения обладают большей гибкостью применения и не требуют столь жесткого соблюдения условий эксплуатации и глубины фокусировки. Компания Cognex, например, предлагает сканеры изображения, которые работают на основе технологии жидких линз с автофокусировкой, что позволяет легко изменять фокусное расстояние во время переналадки линии, тем самым уменьшая глубину резкости в области сканирования. Для автоматизированных линий поверхностного монтажа, где расстояние от сканера до плоскости платы на конвейере практически не меняется, данная технология неактуальна. Но если необходимо уверенно считывать разновысотную маркировку изделий без постоянных переналадок, то подобные сканеры незаменимы. Также бесспорным преимуществом сканеров изображения является нечувствительность к ориентации штрихкода — считывание происходит при любом угле поворота изображения. Программные средства оптимизируют такие параметры, как яркость и контрастность изображения. Фотографии сканированных штрихкодов сохраняются, что позволяет при проверке возникшего сбоя или проведения настройки поднять историю сканирований и провести соответствующие корректировки.

Сканировать и обрабатывать информацию на реальном производстве чаще всего приходится в самых разнообразных условиях. От сканера требуется обрабатывать широкий спектр ошибок (который неизбежно возникает в процессе производства и связан как с повреждением маркировки, так и с отклонением позиционирования) и в 1D-, и в 2D-коде (рис. 6).

Распространенные дефекты маркировки

Рис. 6. Распространенные дефекты маркировки

Существует три ключевых параметра для улучшения качества и надежности обработки изображения сканером:

  • освещенность кода. Угол падения и направление света, качество поверхности, форма и цвет — все это влияет на то, как знак будет считан ридером. Используя оптимальное освещение, мы улучшаем скорость считывания и облегчаем использование ID-ридера. Дополнительное освещение особенно актуально при работе с DPM-кодами, где зачастую сам рисунок кода создается тенью от нанесенного микрорельефа;
  • определение кода. Если сканер не может найти код, он его не прочитает. Нужны алгоритмы, позволяющие идентифицировать коды различного качества, избегать случаев «несчитывания» и, соответственно, необходимости повторного чтения, что увеличит общую скорость процесса;
  • извлечение данных. Когда в зоне сканирования код найден, алгоритм декодирования должен извлечь данные, даже если код представлен с дефектом, засвечен или имеет другие ошибки, связанные с поверхностью. Алгоритмы поиска и извлечения информации следует разрабатывать с учетом нейтрализации недостатков освещенности или плохой маркировки.

 

Заключение

Выбор сканера — процесс не сложный, но требует вдумчивого и ответственного подхода. На сегодня ассортимент, предлагаемый различными производителями, достаточно широк и полностью охватывает все потребности приборных производств. Выбор сканера, как и выбор кодировки штрихкодов, материала этикеток, типа печатающего принтера, является только одним из этапов создания системы прослеживаемости и цифрового управления на предприятии. Нужно не столько запустить процесс сканирования, сколько интегрировать разрозненные точки идентификации в единую систему управления, обеспечить удобный управляющий интерфейс, добиться бесперебойной работы системы прослеживаемости на производстве.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *