印刷条码的设计与优化

链接应用一般是以二维码技术为基础，但也有一些应用运用了普通条码。普通条码即人们所熟知的零售商品条码，如欧洲零售商店普遍采用的EAN条码，即欧洲统一商品条码。EAN码的结构如图6-1所示，编码数据为数字数据，一个数字字符（0—9）用一个码字编码。码字由7个码元（elements）组成，形成两条（lines）和两空（holes）。与数字数据对应的数字文本被印在条码下方，条码的两端为起始符和终止符。

二维码在被应用于链接应用之前，主要用于要求高数据容量的各种工业用途。普通条码的信息，只能在水平方向编码，而二维码信息可在水平、垂直两个方向编码，如图6-2所示，因此数据容量大于普通条码。二维码有足够的容量包含纠错算法，编码信息的抗变换性（鲁棒性）强，二维码即便有30%被毁损，仍能被正确解码。

图6-1 EAN条码的结构

图6-2 二维码可水平、垂直方向编码

手机摄像头质量虽有改进，但仍有待大幅提升，因此，功能强大的纠错方法是关键。编码信息应当在所有的识读环境都能被正确解码。识读环境的光线有户外的强光，也有室内的弱光，特别是在弱光条件下，低质量的摄像头容易产生噪声图像，解码过程经常会出现错误。

与条码识读相关的另一问题，是条码的识读方式。用户识读条码时，手机可能是在任意的角度、任意的距离识读，得到的图像上面，条码会产生透视变形，解码前须作一定的反透视转换。此外，相对于识读终端的处理能力，解码软件应足够轻便，软件的响应时间，即从手机捕获到条码到显示屏上显示结果的时间应足够短。响应时间对应用的感知实用性有很大影响。

除摄像头质量和条码技术外，印刷条码的基材、油墨和印刷过程，也会影响条码的可识读性，如用新闻纸、非涂布纸印刷的条码，可识读性低于优质纸张印刷条码。因此，新闻纸印刷条码的物理尺寸，必须大于优质纸张印刷条码。用新闻纸印刷条码时，油墨的扩散大于优质纸张，条码的点（cell）增大，点的清晰度下降，条码的可识读性降低。“点”是指组成条码的最小元素。

对于二维码的可识读性，研究已经相当广泛，如KOIVU^[1]以二维码的物理尺寸、识读距离为函数，测试了二维码的可识读性，NUUTINEN ^[2]测试了用不同二维码印制技术，如荧光油墨印制二维码的可识读性。用可识读性指标（metric）计算二维码成功识读次数百分比。

KATO和TAN^[3]以首次识读率（FRR）作性能指标，对比了各种类型条码的性能，研究的重点是描述链接应用的需求，首次识读率（FRR）与可识读性指标是等同的概念。根据KATO和TAN^[3]的研究，首次识读率（FRR）以印刷条码物理尺寸、光线环境、摄像头分辨率、数据容量等为函数，计算正确解码次数与读取次数的百分比。

TOYE等^[4]用“视觉标签”表示印刷条码，研究了链接应用的实用性。他们研究的问题包括：

①新手用户点击视觉标签，有多迅捷？有多准确？

②在移动服务的现实背景下，新手用户是否清楚，该如何使用照相手机和视觉标签？

③需用照相手机和视觉标签提供的服务，在用户看来有哪些优点和缺点？

④日常生活中应用这一技术，用户的态度如何？

TOYE等研究结果表明，用户能快捷、准确点击视觉标签，也清楚条码的使用，使用条码被看成是一种积极的体验。能够访问实时数据也是一个良好的特性。用户对于被研究的应用基本上持肯定的态度。

LUOHO^[5]研究了影响用户接受链接应用的因素，通过给过去、当前链接应用用户发放调查问卷的方式，收集了经验数据。研究的问题包括：

①消费领域哪些因素影响条码识读应用的用户使用意愿？

②消费领域哪些因素影响条码识读应用的用户使用？

③对于条码识读应用，用户有哪些期待？

调查结果表明，对使用条码识读应用的意愿，影响最大因素是对技术的态度，其他因素包括对应用性能的期待、要求的用户尝试（user effort）、便利条件、用户活跃率（user activity）、对新技术的恐惧等。总体而言，用户对于链接应用技术持相当肯定的态度。

之前的研究表明，手机摄像头的技术性能是制约链接应用的因素。现阶段只要光线的强度足够，手机摄像头的质量已足以能够识读印刷二维码。但数字水印和RFID标签等新技术，则对手机的摄像头质量和数据处理能力，提出了与二维码完全不同的要求。

条码的分类有多种方法。基本的分类把条码分为普通条码和二维码。KATO和TAN^[3]进一步又把二维码细分为数据库型二维码、索引型二维码。数据库型二维码最初是用于高数据容量的工业用途。数据库型二维码的数据密度高，无需与网络连接即可用于数据储存，数据密度指标，描述条码可编码的数据位元数量，与条码的物理尺寸成函数关系。

索引型二维码原本是为照相手机应用设计，设计时已考虑照相手机的局限和要求。索引型二维码的基本结构，与数据库型二维码相同，但点（cells）的尺寸大于数据库型二维码。索引型二维码仅起“索引”作用，实物对象与数字媒体链接时，编码信息只包含一条索引。

索引型二维码的点（cells）相对较大，因而数据密度相对较低，但可识读性高于同样尺寸的数据库型二维码。普通条码的基本原理与索引型二维码的“索引”原理相同，但普通条码的可识读性低，终端要求的识读精度高于索引型二维码。

索引型二维码须借助有效的网络连接，方可从外部数据库下载索引的URL地址，然后在手机显示屏上打开网页。数据库型二维码的URL地址可记录在二维码的数据区，因而无需从外部数据库下载URL地址。URL地址的内容可在二维码数据区直接编码，但这也使得二维码的编码数据后来无法改变，因此，数据库型二维码本质上属于静态条码。

例如，QR Code码（快速相应码）、VS Code码、Data Matrix码、Maxi Code码、PDF417码（便携数据文件417码），属于数据库型二维码，而Cybercode码、Visual Code码、Shot Code码、Color Code码，属于索引型二维码。条码类型（码制）指信息的编码、解码方式。国际标准化组织（ISO）为四种数据库型二维码^[6-9]，QR Code码、Data Matrix码、PDF417码、Maxi Code码制定了标准，符合ISO标准的这四种二维码，参考图像如图6-3所示，相应的数据容量见表6-1。

图6-3 QR Code码、Data Matrix码、PDF417码、Maxi Code码

表6-1 标准ISO二维码的数据容量

此外，二维码还有矩阵式二维码、环形二维码、堆积/行排式二维码之分。多数二维码为矩阵式二维码，但PDF417码是堆积/行排式二维码，Shot Code码是环形二维码。矩阵式二维码、环形二维码、堆积/行排式二维码的结构，如图6-4所示。

图6-4 矩阵式、堆积/行排式、环形二维码

矩阵式二维码是由若干点（cells）按矩阵排列而成。一个点（cell）表示log₂（c）个数据位元，c为码制支持的颜色数量，点通常只有深、浅两色，有时也会多于两色，因此可以之为彩色二维码这一说法^[3]。二维码的空白区数据应为空，解码软件才能寻找和识读二维码。条码类型（码制）不同，空白区大小亦不同，空白区大小通常为点宽的2～4倍。堆积/行排式二维码，由类似于普通条码的行上下排列组成。环形码的点构成环形段（circle segments）

QR Code码和Data Matrix码，是链接应用最常用的二维码。两种二维码都采用数据库编码结构，并且都是矩阵式二维码。(https://www.xing528.com)

QR Code码是由三个定位图案和一个数据区组成，编码时用一个点表示一个数据位元，如深色点表示位元值“1”，浅色点表示位元值“0”，或反过来用深色点表示位元值“0”，浅色点表示位元值“1”。QR Code码用Reed Solomon算法纠错，标准中规定了四个纠错等级，可相应恢复7%～30%毁损码字而没有数据损失。提高QR Code码的纠错等级，二维码的纠错能力得到增强，当然，二维码尺寸也要相应增大。

QR Code码的最大数据容量为7，089个数字字符，或4，296个字母数字字符。QR Code码的一个显著特点，是可以直接用日文汉字和假名编码。QR Code码的结构如图6-5所示。

QR Code码被用于制造、物流、销售等多个领域^[10]，也是当前手机应用最常用的二维码。在日本，手机营运商给手机安装了QR Code码识读软件，QR Code码应用包括产品跟踪^[11]和网页链接。

Data Matrix二维码，由一个数据区、一个定位图案及可能的校正图案组成。二维码的数据区由深、浅两色方点组成。校正图案只用于大型Data Matrix二维码。大型Data Matrix码由若干个数据区组成，数据区之间由校正图案将其分开。Data Matrix码的定位图案，由相邻两边实线边框组成的“L”形图案，加上另外两边深、浅方点相间的虚线边框构成。

Data Matrix码与QR Code码一样是采用Reed Solomon纠错算法，纠错等级不能调整，但可恢复25%毁损码字而没有数据损失。单数据区Data Matrix码的结构如图6-6所示。

图6-5 QR Code码的结构

图6-6 Data Matrix码结构

Data Matrix码的矩阵，按照ISO标准最小由10×10个点，最大由144×144个点组成，每8个点组成一个码字。10×10点ISO标准的Data Matrix二维码的码字布置，如图6-7所示，第一个码字为1.x，第二个码字为2.x，等等。

数据库型二维码，还有专门设计用于数据传输的新型二维码，用于把二维码数据区数据传输到手机并在手机中保存。如Liu和Doerman^[12]介绍一种VCode码的二维码应用，用手机摄像头作为一种新的数据传输媒介（link），其基本原理为：原文件在电脑显示屏上以二维码形式显示，安装于移动终端的解码软件给二维码解码，把解码的数据连在一起，生成与原文件完全一样的新文件。这一应用可在没有数据线时把电脑上的图像、音乐、视频文件传输到手机。

Visual Code码^[13]、Cybercode码^[14]和Shot Code码^[15]都是索引型二维码，是专门为手机应用设计，结构比数据库型二维码简单、轻便，适用于多个应用领域的二维码。Visual Code码和Shot Code码用于链接应用，Cybercode码用于增强现实应用。

图6-7 10×10大小Data Matrix码^[8]码字布置

Visual Code码由失真校正、方向定位（定位条，guide bars）和位元元素组成，数据容量固定，为83个位元，7个位元留作纠错用途。Cybercode码由一个定位条、四个角标和一个编码图案区组成。Shot Code码为环形二维码。Visual Code码、Cybercode码和Shot Code码，如图6-8所示。

图6-8 Visual Code码、Cybercode码和Shot Gode码

印制二维码的基本方法，是在浅色背景上面印刷深色元素（dark element），如在白纸上面用黑色墨印刷条码。这样印刷的条码可能在审美上不够美观。二维码如果加上颜色即成为彩色二维码，可给二维码增加更多的维度，审美上比黑白二维码通常更加美观，并可增加二维码的数据容量，和同样尺寸的黑白二维码比，可以嵌入更多的信息。

彩色二维码其中一种为Color Code码^[3]。标准Color Code码由5×5点组成，数据区为4×4点，每个点可为红、绿、蓝、黑其中一色，共4^4×4种组合，等于32个位元。点的形状可为环形（circular）、椭圆形或多边形。

彩色二维码除链接应用外，还被用于增强现实（AR）应用。自然环境中彩色二维码比黑白二维码容易被发现，为其用于增强现实（AR）应用提供了充分依据。ACQUA等^[15]开发了被称作Colored Visual Tag（彩色视觉标签）的彩色二维码。彩色二维码的每个点都被用对角元素（diagonal）分为两半，对角元素的颜色视编码位元值而定，可为绿色或蓝色，编码区的标记为红色，数据容量为32个位元，有12个奇偶校验位用于纠错。Wissner-Gross和Sullivan^[16]专门开发了用于增强现实应用的AugTag彩色二维码，据Wissner-Gross和Sullivan介绍，在远距离识读的特殊场景，AugTag二维码的性能高于基本的黑白二维码。

条码还可用隐形油墨印刷，并且方法不止一种。如Nuutinen^[2]研究了荧光墨印刷条码的可识读性，研究用的荧光油墨仅在紫外线照射时可见。研究的结果表明，荧光油墨可用于印刷条码，但要求识读终端配置紫外线闪光灯；油墨发光高度依赖印刷用纸和光线条件：纸张荧光增白剂的含量高会产生干扰；照射光线中如可见光成分过多，会使印刷条码和纸张的反差变小，条码可识读性明显降低。

Reilly^[17]提出用近红外反射油墨印制条码。红外反射油墨印制条码可覆盖在印刷内容上面。但这也对版面的印刷用墨提出一个要求，即要求油墨不能反射红外线，且能完全吸收入射的红外光线。

索引型二维码的设计已考虑照相手机的需求，但链接应用还是会经常用到数据库型二维码。链接应用的这些二维码，数据区编码只有数据库的索引，用索引描述URL地址或与链接应用相关的数据。

链接应用存在一个问题，是条码技术没有统一标准。链接应用的条码技术可以有很多种，如日本普遍采用QR Code码，欧洲普遍采用Data Matrix码、Data Matrix衍生码，芬兰采用Data Matrix码的衍生码UpCode码。

对于链接应用二维码技术的选择，Kato和Tan^[18]提出一个方案，希望从现有二维码中选出一个理想的二维码。Kato和Tan的方案考虑到四个因素：

①用手机作图像处理；

②对象的类型；

③照相手机给用户提供的常见应用；

④多语言编码能力。

Kato和Tan还认为，二维码的所有权领域，也是影响二维码选择的重要因素。从所有权的角度，二维码有私人二维码和公共二维码之分，二维码如属于私人拥有，且拥有二维码的机构不允许免费使用，二维码的实用性则降低。

手机用作图像处理这一因素，描述手机摄像头识读二维码的效果，衡量的因素包括全方位识读、摄像头的分辨率、光线条件、识读距离等。根据Kato和Tan的研究，链接应用的二维码应能被VGA分辨率的摄像头识读。此外，360°识读也是二维码值得拥有的特性。

对象的类型这一因素，描述自然环境识读二维码的效果，要求二维码在没有手电筒、光线弱、距离较远时均可被识读。应用因素描述二维码技术可实现的应用种类，若二维码的数据容量大，可实现的应用种类则多。一些应用如电话铃声下载，全部数据都记录在二维码数据区，二维码的数据容量大可能更加重要。多语言编码能力这一因素，描述二维码用多种语言编码的能力，要求二维码能用Unicode和ASCII字符集编码。

二维码内容结构的标准化，可为链接应用的推广提供支持。二维码的内容实现标准化之后，二维码识读无需再用专门的软件，凡是按照相关标准制作的解码软件，都可用于二维码的识读。解码软件根据解码数据识别应用类型，如软件可根据解码的数据，判断是打开新的网页，还是把数据保存在手机里面。

二维码内容的标准化，方法和普通条码如EAN码类似，是把数据区分割成若干区块，给各个区块赋予相应的功能，如在链接应用中，把区块1定义为应用类型，区块2用于储存与应用相关的数据。