第2章 信息自动识别技术

在计算机信息处理系统中，数据的采集是信息系统的基础，这些数据通过数据系统的分析和过滤，最终成为影响我们决策的信息。在物联网的信息感知层，最重要的功能是对“物”的感知和识别。由于传感器仅仅能够感知信号，并无法对物体进行标识，例如可以让温度传感器感知森林的温度，但并不能标识具体的树木。而要实现对特定物体的标识和信息获取，更多地要通过信息识别与认证技术。自动识别技术在物联网时代，扮演的是一个信息载体和载体认识的角色，也就是物联网的感应技术的部分，它的成熟与发展决定着互联网和物联网能否有机融合。

2.1 自动识别技术

自动设备识别技术（Automatic Equipment Identification，AEI）的基本思想是通过采用一些先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备在不同状态下的自动识别和管理。

2.1.1 自动识别技术概述

自动识别技术就是通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，主动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机系统处理的一种技术。自动识别技术是以计算机技术和通信技术的发展为基础的综合性技术，它是信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段。

1.自动识别技术的特点

1）准确性：自动数据采集，极大地降低人为错误。

2）高效性：数据采集快速，信息交换可实时进行。

3）兼容性：以计算机技术为基础，可与信息管理系统无缝连接。

2.自动识别系统的一般模型

完整的自动识别系统包括自动识别系统、应用程序接口、中间件以及应用系统软件等，其系统结构，见图2.1。自动识别系统完成信息的采集和存储工作，应用系统对自动识别系统所采集的数据进行处理，而应用程序接口则提供自动识别系统和应用系统之间的通信接口，将自动识别系统采集的数据信息转换成应用软件系统可以识别和利用的信息，并进行数据传递。由计算机对所采集到的数据进行处理或者加工，最终形成对人们有用的信息。

企业管理信息系统（MIS）是以信息技术为基础，为企业管理和决策提供信息支持的系统。其特点是建立了企业数据库，强调达到数据共享，从系统观点出发，全局规划和设计信息系统。企业资源计划（ERP）针对制造业的生产控制管理模块，把经营过程中有关各方如供应商、销售网络、客户、市场等纳入系统，将企业整个生产过程有机整合，以实现降低库存、提高效率、减少生产脱节、降低延误交货时间的目标。直接数字式频率合成器DDS同DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。

图2.1 自动识别系统结构

3.自动识别技术的种类

自动识别系统根据识别对象的特征可以分为两大类，分别是数据采集技术和特征提取技术。数据采集技术的基本特征是需要被识别物体具有特定的识别特征载体，而特征提取技术则根据被识别物体的本身的行为特征来完成数据的自动采集。

（1）数据采集技术

1）光存储器：包括条码（一维、二维）、矩阵码、光标阅读器、光学字符识别（OCR）。

2）磁存储器：包括磁条、非接触磁卡、磁光存储、微波。

3）电存储器：包括触摸式存储、RFID射频识别（无芯片、有芯片）、存储卡（智能卡、非接触式智能卡）、视觉识别、能量扰动识别。

（2）特征提取技术

1）静态特征：包括指纹、虹膜、视网膜、面部。

2）动态特征：包括签名、声音（语音）、键盘敲击、其他感觉特征。

3）属性特征：包括化学感觉特征、物理感觉特征、生物抗体病毒特征、联合感觉系统。

2.1.2 生物识别技术

生物识别技术是指利用可以测量的人体生物学或行为学特征来识别个人身份的一种自动识别技术。能够用来鉴别身份的生物特征应该具有广泛性、唯一性、稳定性、可采集性等特点。生物识别大致可分为指纹识别、虹膜识别、视网膜识别、手掌几何学识别、语音识别、面部识别、签名识别、步态识别、静脉识别、基因识别等。所有的生物识别都包括原始数据获取、抽取特征、比较和匹配等4个步骤。

1.虹膜识别技术

人类眼睛的虹膜是由相当复杂的纤维组织构成，其细部结构在出生之前就以随机组合的方式决定下来了。虹膜识别技术是基于在自然光或红外光照射下，对虹膜上可见的外在特征进行计算机识别的一种生物识别技术。虹膜在眼球中的位置见图2.2，其中虹膜是围绕瞳孔呈现绚丽彩色的一层生理薄膜。虹膜是包裹在眼球上的彩色环状物，每个虹膜都包含一个独一无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特征的结构。虹膜识别是将上述可见特征转化为512字节的虹膜编码，该编码被存储下来以便后期识别所用。512个字节对从虹膜获得的信息量来说是十分巨大的。从直径为11mm左右的虹膜上，Dr·Daugman的算法用3～4个字节的数据来代表每平方毫米的虹膜信息，这样，一个虹膜约有266个量化特征点，而一般的生物识别技术只有13～60个特征点。

虹膜技术具有便于用户使用、可靠、无需物理接触等优点。虹膜技术的缺点如下：

图2.2 虹膜在眼球中的位置

1）最主要的缺点是它没有进行过任何的测试，当前的虹膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，而没有进行过现实世界的唯一性认证的试验。

2）很难将图像获取设备的尺寸小型化。

3）需要昂贵的摄像头聚焦，一个这样的摄像头的最低价为7，000美元。

4）镜头可能产生图像畸变而使可靠性降低。

5）黑眼睛极难读取。

6）需要较好光源。

2.视网膜识别

视网膜扫描是最古老的生物识别技术之一，有研究证明，每个人的眼睛后半部的血管图形是唯一的，即使是孪生兄弟也各不相同。视网膜图形是稳定的，除非有眼科疾病或者严重的脑部创伤。视网膜识别技术要求激光照射眼球的背面以获得视网膜特征。与虹膜识别技术相比，视网膜扫描也许是最精确可靠的生物识别技术。由于感觉上它高度介入人的身体，它也是最难被人接受的技术。在初始阶段，视网膜扫描识别需要被识别者有耐心、愿合作且受过良好的培训，否则，识别效果会大打折扣。

（1）视网膜技术的优点

1）视网膜是一种极其固定的生物特征，不磨损、不老化、不受一般疾病影响。

2）使用者无需和设备直接接触。

3）它是一个最难欺骗的系统，因为视网膜不可见，所以不会被伪造。

（2）视网膜技术的缺点

1）同虹膜一样，最主要的缺点是它没有进行过任何的测试，当前的视网膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，而没有进行过现实世界的唯一性认证的试验。

2）激光照射眼球的背面可能会影响使用者健康，这需要进一步的研究。

3）对消费者而言，视网膜技术没有吸引力。

4）很难进一步降低成本。

3.签名识别

签名作为身份认证的手段已经用了几百年了，将签名数字化的过程包括将签名图像本身数字化以及记录整个签名的动作（包括每个字母以及字母之间不同的速度、笔序和压力等）。签名识别和语音识别一样，是一种行为测定学。

签名识别的优点是容易被大众接受、公认度较高。签名识别的缺点如下：

1）随着经验的增长、性情的变化与生活方式的改变，签名也会随着而改变。

2）在Internet上使用不便。

3）用于签名的手写板结构复杂而且价格昂贵，因为和笔记本电脑的触摸板的分辨率差异很大，在技术上将两者结合起来较难。

4）很难将尺寸小型化。

4.面部识别

面部识别技术通过对面部特征和它们之间的关系来进行识别，识别技术基于这些唯一的特征时非常复杂，需要人工智能和机器知识学习系统。用于捕捉面部图像的两项技术为标准视频和热成像技术。标准视频技术通过一个标准的摄像头获得面部的图像或者一系列图像，捕捉后，记录一些核心点（例如眼睛、鼻子和嘴等）以及它们之间的相对位置，然后形成模板。热成像技术通过分析由面部的毛细血管的血液产生的热线来产生面部图像，与视频摄像头不同，热成像技术并不需要在较好的光源条件下，因此即使在黑暗情况下也可以使用。一个算法和一个神经网络系统加上一个转化机制就可将一幅面部图像变成数字信号，最终产生匹配或不匹配信号。

面部识别是非接触的，用户不需要和设备直接接触，这是其优点。面部识别的缺点是：

1）尽管可以使用桌面视频摄像头，但只有比较高级的摄像头才可以有效高速地捕捉面部图像。

2）使用者面部的位置与周围的光环境都可能影响系统的精确性。

3）大部分研究生物识别的人公认面部识别最不准确，也最容易被欺骗。

4）面部识别技术的改进有赖于提取特征与比对技术的提高，采集图像的设备比技术昂贵得多。

5）对于因人体面部如头发、饰物、变老以及其他的变化，需要通过人工智能补偿，机器学习功能必须不断地将以前得到的图像和现在得到的进行比对，以改进核心数据和弥补微小的差别。

6）很难进一步降低设备成本。

5.指纹识别

因为每个人的指纹纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，是唯一的，并且终生不变。依靠这种唯一性和稳定性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份，这就是指纹识别技术。指纹具有以下三大固有特性。第一，确定性。每幅指纹的结构是恒定的，胎儿在4个月左右就形成指纹，以后就终身不变；第二，唯一性。两个完全一致的指纹出现的概率非常小，不超过10^-36；第三，可分类性。可以按指纹的纹线走向进行分类。

随着现代电子集成制造技术、计算机技术的发展以及快速而可靠的算法研究，指纹自动识别技术于20世纪60年代开始兴起并得到了飞速发展。作为生物特征识别的一种，由于它具有其他特征识别所不可比拟的优点，使得自动指纹识别有着更为广泛的应用。相对于其他生物特征鉴定技术，例如语音识别及视网膜识别等，指纹自动识别是一种更为理想的身份确认技术。

（1）指纹识别的优点

1）指纹是人体独一无二的特征，并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征。

2）如果要增加可靠性，只需登记更多的指纹、鉴别更多的手指，最多可以多达十个，而每一个指纹都是独一无二的。

3）扫描指纹的速度很快，使用非常方便。

4）读取指纹时，用户必须将手指与指纹采集头相互接触，与指纹采集头直接接触是读取人体生物特征最可靠的方法。

5）指纹采集头可以更加小型化，并且价格会更加低廉。

（2）指纹识别的缺点

1）某些人或某些群体的指纹特征少，难成像。

2）过去因为在犯罪记录中使用指纹，使得某些人害怕“将指纹记录在案”。

3）实际上现在的指纹鉴别技术都可以不存储任何含有指纹图像的数据，而只是存储从指纹中得到的加密的指纹特征数据。

4）每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕，而这些指纹痕迹存在被复制的可能性。

6.声音识别技术

声音识别和签名识别相同，声音识别也是一种行为识别技术。声音识别设备不断地测量和记录声音波形变化，然后将现场采集到的声音同登记过的声音模板进行各种特征地匹配。声音识别的迅速发展以及高效可靠的应用软件的开发，使声音识别系统在很多方面得到了应用。声音识别系统可以用声音指令实现“不用手”的数据采集，其最大特点就是不用手和眼睛，这对那些采集数据同时还要完成手脚并用的工作场合尤为适用。

声音识别也是一种非接触的识别技术，用户可以很自然地接受。声音识别的缺点是：

1）作为行为识别技术，声音变化的范围太大，很难精确地匹配。

2）声音会随着音量、速度和音质的变化（例如感冒时）而影响到采集与比对的结果。

3）很容易用录在磁带上的声音来欺骗声音识别系统。

4）高保真的送话器很昂贵。

综合以上分析比较，指纹识别技术是目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的生物识别技术解决方案，对于广大市场其应用有着很大的潜力。

2.1.3 磁条（卡）和IC卡识别技术

1.磁条（卡）技术

磁条技术应用了物理学和磁力学的基本原理。磁条是一层薄薄的由定向排列的铁性强化粒子组成的磁性材料（也称为涂料），用树脂粘合剂将这些磁性粒子严密地粘合在一起，并粘合在诸如纸或者塑料这样的非磁性基片媒介上，就构成了磁卡或者磁条卡。

磁条技术的优点是数据可读/写，即具有现场改写数据的能力。数据存储量能满足大多数需求，便于使用、成本低廉、具有一定的数据安全性且它粘附于许多不同规格和形式的基材上。这些优点，使之在很多领域得到了广泛应用，如信用卡、银行ATM卡、机票、公共汽车票、自动售货卡、会员卡、现金卡（如电话磁卡）、地铁AFC等。磁条的缺点是数据存储时间的长短受磁性粒子极性的耐久性限制，以及存储数据的安全性较低。

2.IC卡技术

IC（Integrated Card）卡就是将可编程的IC芯片放于卡片中，使卡片具有更多功能。按照数据读/写方式，IC卡可分为接触式IC卡和非接触式IC卡，通常说的IC卡多数是指接触式IC卡。根据所封装的IC芯片的不同，IC卡可分为存储器卡、逻辑加密卡、CPU卡和超级智能卡4大类。超级智能卡在卡上具有MPU和存储器，并装有键盘、液晶显示器和电源，有的卡上还具有指纹识别装置等。

IC卡相对于其他种类的卡，具有存储容量大、体积小、重量轻、抗干扰能力强、便于携带、易于使用、安全性高、对网络要求不高等特点。

2.1.4 图像识别技术

图像识别是模式识别在图像领域的应用。图像识别系统主要涉及图像输入设备和图像处理器。一般的图像识别系统框架见图2.3。

图2.3 一般的图像识别系统框架

1.图像输入设备

图像输入设备分为电视摄像机和电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）两大类。电视摄像机是一种广泛使用的景物和图像的输入设备，它能将景物、图片等光学信号转变为全电视信号。目前主要有黑白摄像机和彩色摄像机两种。CCD分为线型CCD像感器和面型CCD像感器。

2.图像处理部分

图像与视频是两个既有联系又有区别的概念，静止的图片称为图像（Image），运动的图像称为视频（Video）。图像的输入要靠扫描仪、数字照相机或摄像机，而视频的输入只能是摄像机、录像机、影碟机以及电视接收机等可以输出连续图像信号的设备。

图像与视频处理系统包括图像与视频的输入、输出设备，通用的计算机和附加的专用处理硬件卡。不同的应用环境，所需要的硬件设备、软件环境也不相同。

2.1.5 光学字符识别（OCR）技术

光学字符识别OCR（Optical Character Recognition，OCR）是基于图型识别的一种技术，其目的就是要让计算机知道它到底看到了什么，尤其是文字资料。OCR技术能够使设备通过光学的机制来识别字符。一个OCR识别系统的处理流程如下：首先将标的物的影像输入，然后经过影像前处理、文字特征抽取、比对识别等过程，最后经人工校正将认错的文字更正，将结果输出。

OCR的优点是人眼可视读、可扫描，但输入速度和可靠性不如条码，数据格式有限，通常要用接触式扫描器。OCR技术主要应用于文字资料的自动输入、建立文献档案库、文本图像的压缩存储和传输、书刊自动阅读器、盲人阅读器、书刊资料的再版输入、古籍整理、智能全文信息管理系统、汉英翻译系统、名片识别管理系统、车牌自动识别系统、网络出版、票据识别系统、身份证识别管理系统、无纸化评卷等。

2.2 条形码技术

条形码（简称条码）技术是集条码理论、光电技术、计算机技术、通信技术、条码印制技术于一体的一种自动识别技术。条码技术具有速度快、准确率高、可靠性强、寿命长、成本低廉等特点，因而广泛应用于商品流通、工业生产、图书管理、仓储标证管理、信息服务等领域。条码是物流信息的载体，它是解决企业信息化管理的基础技术之一，是一种全球通用的标识系统。

2.2.1 条形码概述

1.什么是条形码

条形码是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条和白条排成的平行线图案。条码技术的应用解决了数据录入和数据采集的瓶颈问题，条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等许多信息，因而在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许多领域都得到了广泛的应用。

2.条形码的分类

按码制的不同，条形码可以分为UPC码、EAN码、交叉25码、39码、库德巴码、128码、93码、49码。按维数的不同，条形码可以分为一维条码和二维条码。仅在一维几何空间表示信息的条形码为一维条码，其码的高度不表示信息，一维条码对“物品”的标识，即只给出“物品”的识别信息；二维条码在一维条码的基础上发展而来的信息储存和解读技术。除具有一维条码的优点外，二维条码还具有信息容量大、可靠性高、保密防伪性强、易于制作、成本低等优点。

3.二维条码与一维条码的比较

二维条码（见图2.4a）除了左右（条宽）的粗细及黑白线条有意义外，上下的条高也有意义。与一维条码相比，由于左右（条宽）和上下（条高）的线条皆有意义，故可存放的信息量就比较大。我们通常见到的商品上的条码和储运包装物上的条码，基本上是一维条码（见图2.4b），其原理是利用条码的粗细及黑白线条来代表信息，当拿扫描器来扫描一维条码，即使将条码上下遮住一部分，其所扫描出来的信息都是一样的，所以一维条码的条高并没有意义，只有左右（条宽）的粗细及黑白线条有意义，故称一维条码。

图2.4 二维条码与一维条码

从符号学的角度讲，二维条码和一维条码都是信息表示、携带和识读的手段。但从应用角度讲，尽管在一些特定场合我们可以选择其中的一种来满足我们的需要，但它们的应用侧重点是不同的：一维条码用于对“物品”进行标识，二维条码用于对“物品”进行描述。信息量容量大、安全性高、读取率高、错误纠正能力强等特性是二维条码的主要特点。

2.2.2 条形码的识别原理

1.基本原理

要将按照一定规则编译出来的条形码转换成有意义的信息，需要经历扫描和译码两个过程。物体的颜色是由其反射光的类型决定的，白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当条形码扫描器光源发出的光在条形码上反射后，反射光照射到条码扫描器内部的光电转换器上，光电转换器根据强弱不同的反射光信号，转换成相应的电信号。根据原理的差异，扫描器可以分为光笔、CCD、激光三种。

电信号输出到条码扫描器的放大电路之后，再将模拟信号转换成数字信号。白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同。然后译码器通过测量脉冲数字电信号0、1的数目来判别条和空的数目。通过测量0、1信号持续的时间来判别条和空的宽度。此时所得到的数据仍然是杂乱无章的，还需根据对应的编码规则（例如EAN-8码），将条形符号换成相应的数字、字符信息。最后，由计算机系统进行数据处理与管理，物品的详细信息便被识别了。

2.条形码的识读

（1）条形码识读系统构成

条形码识读系统是由扫描系统、信号整形、译码3部分组成，见图2.5。

图2.5 条形码识读系统构成

扫描系统由光学系统及探测器即光电转换器件组成，它完成对条码符号的光学扫描，并通过光电探测器，将条码条空图案的光信号转换成为电信号；信号整形部分由信号放大、滤波、波形整形组成，它的功能在于将条码的光电扫描信号处理成为标准电位的矩形波信号，其高低电平的宽度和条码符号的条空尺寸相对应；译码部分一般由嵌入式微处理器组成，它的功能就是对条码的矩形波信号进行译码，其结果通过接口电路输出到条码应用系统中的数据终端。

（2）条码识读器的通信接口

条码识读器的通信接口主要有键盘接口和RS-232。

1）键盘接口方式。条码识读器与计算机通信的一种方式是键盘仿真，即条码阅读器通过计算机键盘接口给计算机发送信息。条码识读器与计算机键盘口通过一个4芯电缆连接，通过数据线串行传递扫描信息。这种方式的优点是：无需驱动程序，与操作系统无关，可以直接在各种操作系统上直接使用，不需要外接电源。

2）RS-232方式。扫描条码得到的数据由串口输入，需要驱动或直接读取串口数据，需要外接电源。条码扫描器在传输数据时使用RS-232串口通信协议，使用时要先进行必要的设置，如波特率、数据位长度、有无奇偶校验和停止位等。

2.2.3 条形码技术的优点

条形码是迄今为止最经济、实用的一种自动识别技术，它具有以下优点：

1）可靠性强。条形码的读取准确率远远超过人工记录，平均每15，000个字符才会出现一个错误。键盘输入数据出错率为三百分之一，利用光学字符识别技术出错率为万分之一，而采用条形码技术误码率低于百万分之一。

2）效率高。条形码的读取速度很快，相当于每秒40个字符。与键盘输入相比，条形码输入的速度是键盘输入的5倍，并且能实现“即时数据输入”。

3）成本低。与其他自动化识别技术相比较，条形码技术仅仅需要一小张贴纸和相对构造简单的光学扫描仪，成本相当低廉。

4）易于制作。条形码的编写很简单，制作也仅仅需要印刷，被称作为“可印刷的计算机语言”，其识别设备简单、操作容易、价格低廉。

5）灵活实用。条形码符号可以手工键盘输入，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。

6）采集信息量大。利用传统的一维条码一次可采集几十位字符的信息，二维条码更可以携带数千个字符的信息，并有一定的自动纠错能力。

2.2.4 条形码的结构及其扫描

1.条形码的结构

条形码扫描器利用自身光源照射条形码，再利用光电转换器接受反射的光线，将反射光线的明暗转换成数字信号。不论是采取何种规则印制的条形码，都由静区、起始字符、数据字符与终止字符组成。有些条码在数据字符与终止字符之间还有校验字符。条形码的结构见图2.6，其中的含义如下。

图2.6 条形码的结构

1）静区：没有任何印刷符或条形码信息，它通常是白的，位于条形码符号的两侧。其作用是提示阅读器（扫描器）准备扫描条形码符号。

2）起始字符：条形码符号的第一位字符是起始字符，它的特殊条、空结构用于识别一个条形码符号的开始。阅读器首先确认此字符的存在，然后处理，获得一系列脉冲信号。

3）数据字符：由条形码字符组成，用于代表一定的原始数据信息。

4）校验字符：检验读取到的数据是否正确，不同编码规则可能会有不同的校验规则。若条形符号有效，阅读器就向计算机传送数据并向操作者提供“有效读入”的反馈，其作用是避免输入不完整的信息。当采用校验字符时，终止字符指示阅读器对数据字符实施校验计算。

5）终止字符：最后一位字符，用于告知代码扫描完毕，同时还起到校验计算的作用。

为了方便双向扫描，起止字符具有不对称结构。因此扫描器扫描时可以自动对条码信息重新排列。

2.条码扫描器

条码扫描器是用来扫描条形码的设备，利用光学原理，把条形码的内容解码后通过数据线或者无线的方式传输到计算机或者别的设备。目前条码扫描器通过有线的方式和计算机连接主要为PS/2键盘接口、RS-232串口、USB接口3种接口，通过无线方式和计算机连接主要是蓝牙和2.4G的方式，一般无线的距离基本都在30～100m。按照条码分类，条码扫描器又分为一维条码扫描器、二维条码扫描器。根据扫描方式，条码扫描器可分为光笔、CCD、激光3种。

（1）光笔

光笔是最原始的扫描方式，需要手动移动光笔，并且还要与条形码接触。光笔属于接触式、固定光束扫描器。在其笔尖附近中含有发光二极管LED作为照明光源，并含有光电检测器。卡槽式扫描器属于固定光束扫描器，其内部结构和光笔类似，它上面有一个槽，手持带有条码符号的卡从槽中滑过实现扫描。这种识读其广泛用于时间管理以及考勤系统。它经常和带有液晶显示和数字键盘的终端集成为一体。

（2）CCD条码扫描器

CCD条码扫描器是利用光藕合（CCD）原理，对条码印刷图案进行成像，然后再译码，其优势是使用寿命长、价格便宜。

（3）激光手持式扫描器

激光手持式扫描器是利用激光二极管作为光源的单线式扫描器，它主要有转镜式和颤镜式两种。商业企业在选择激光扫描器时，最重要的是注意扫描速度和分辨率。

（4）全角度扫描器/条码扫描枪

全角度扫描器/条码扫描枪是通过光学系统使激光二极管发出的激光折射或多条扫描线的条码扫描器，主要目的是减轻收款人员录入条码数据时对准条码的劳动。激光扫描技术的优点是识读距离长、具有穿透保护膜识读的能力、识读的精度和速度高；缺点是对识读的角度要求比较严格，而且只能识读堆叠式二维码和一维码。

（5）条码数据采集器

把条码识读器和具有数据存储、处理、通信传输功能的手持数据终端设备结合在一起，就成为了条码数据采集器。条码数据采集器具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输的功能，它实际上是移动式数据处理终端和某一类型的条码扫描器的集合体。数据采集器按产品性能分为手持终端、无线型手持终端、无线掌上电脑、无线网络设备等，所采集的数据可以通过有线或无线的方式进行实时传送和处理。

（6）便携式数据采集器

便携式数据采集器是为适应一些现场数据采集和扫描笨重物体的条码符号而设计的，适合于脱机使用的场合。识读时，与在线式数据采集器相反，它是将扫描器带到物体的条码符号前扫描。便携式数据采集器是集激光扫描、汉字显示、数据采集、数据处理、数据通信等功能于一体的高科技产品。

2.2.5 条形码的编码规则和方案

1.编码规则

1）唯一性。同种规格、同种产品对应同一个产品代码，同种产品不同规格应对应不同的产品代码。根据产品的不同性质，如重量、包装、规格、气味、颜色、形状等，赋予不同的商品代码。

2）永久性。产品代码一经分配，就不再更改，并且是终身的。当此种产品不再生产时，其对应的产品代码只能搁置起来，不得重复使用。

3）无含义。为了保证代码有足够的容量以适应产品频繁的更新换代的需要，最好采用无含义的顺序码。

2.编码方案

（1）宽度调节法

宽度调节编码法是指条形码符号由宽窄的条单元和空单元以及字符符号间隔组成，宽的条单元和空单元逻辑上表示“1”，窄的条单元和空单元逻辑上表示“0”，宽的条空单元和窄的条空单元可称为4种编码元素。

（2）色度调节法

色度调节编码法是指条形码符号是利用条和空的反差来标识的，条逻辑上表示“1”，而空逻辑上表示“0”。我们把“1”和“0”的条空称为基本元素宽度或基本元素编码宽度，连续的“1”、“0”则可有2倍宽、3倍宽、4倍宽等。所以此编码法称为多种编码元素方式。

2.2.6 条形码的制作

一般用印刷或打印来制作条形码，条码打印机和普通打印机的最大区别是条码打印机的打印是以热为基础、以碳带为打印介质（或直接使用热敏纸）完成打印，配合不同材质的碳带可以实现高质量的打印效果和在无人看管的情况下实现连续高速打印。

1.商品条码

EAN-13通用商品条形码一般由前缀部分、制造厂商代码、商品代码和校验码组成。商品条形码中的前缀码是用来标识国家或地区的代码，赋码权在国际物品编码协会，如00～09代表美国、加拿大，45～49代表日本，690～695代表中国大陆，471代表我国台湾地区，489代表香港特区。制造厂商代码的赋码权在各个国家或地区的物品编码组织，我国由国家物品编码中心赋予制造厂商代码。商品代码是用来标识商品的代码，生产企业按照规定条件自己决定在自己的何种商品上使用哪些阿拉伯数字为商品条形码。商品条形码最后用1位校验码来校验商品条形码中左起第1～12位数字代码的正确性。

2.印刷制作条形码的要求

商品条形码的标准尺寸是37.29mm×26.26mm，放大倍率是0.8～2.0。当印刷面积允许时，应选择1.0倍率以上的条形码，以满足识读要求。放大倍数越小的条形码，印刷精度要求越高，当印刷精度不能满足要求时，易造成条形码识读困难。

由于条形码的识读是通过条形码的条和空的颜色对比度来实现的，一般情况下，只要能够满足对比度（PCS值）的要求的颜色即可使用。通常采用浅色作空的颜色，如白色、橙色、黄色等，采用深色作条的颜色，如黑色、暗绿色、深棕色等，而最好的颜色搭配是黑条白空。根据条形码检测的实践经验，红色、金色、浅黄色不宜作条的颜色，透明、金色不能作空的颜色。

3.商品条码数字的含义

以条形码6936983800013为例，此条形码分为4个部分，从左到右分别如下。

1）1～3位：共3位，对应该条码的693，是中国的国家代码之一。

2）4～8位：共5位，对应该条码的69838，代表着生产厂商代码，由厂商申请，国家分配。

3）9～12位：共4位，对应该条码的0001，代表着厂内商品代码，由厂商自行确定。

4）第13位：共1位，对应该条码的3，是校验码，依据一定的算法，由前面12位数字计算而得到。

2.2.7 二维条码

一维条码最大信息长度通常不超过15个字元，仅可作为一种资料标识，不能对产品进行描述，而二维条码具有高密度、大容量、抗磨损等特点，拓宽了条形码的应用领域。

1.一维条码的局限

由于受信息容量的限制，一维条码仅仅是对“物品”的标识，而不是对“物品”的描述，故一维条码的使用不得不依赖数据库的存在。在没有数据库和不便联网的地方，一维条码的使用受到了较大的限制，有时甚至变得毫无意义。另外，用一维条码表示汉字十分不方便，且效率很低。现代高新技术的发展，迫切要求用条码在有限的几何空间内表示更多的信息，从而满足千变万化的信息表示的需要。

2.二维条码的优点

二维条码自出现以来，得到了人们的普遍关注，发展速度十分迅速。因为它具有高密度、高可靠性等特点，所以可以用它表示数据文件（包括汉字文件）、图像等。二维条码是大容量、高可靠性信息实现存储、携带并自动识读的理想方法。

1）信息容量大：可容纳多达1，850个大写字母或500多个汉字，比一维条码信息容量高几十倍。

2）编码范围广：二维条码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等以数字化的信息进行编码，用条码表示出来；可以表示多种语言文字；可表示图像数据。

3）容错能力强：二维条码因穿孔、污损等引起局部损坏时，同样可以正确得到识读，损毁面积达50%仍可恢复信息。

4）灵活实用：条码标识既可以作为一种识别手段单独使用，也可以和有关识别设备组成一个系统实现自动化识别，还可以和其他控制设备连接起来实现自动化管理。

5）易于制作：对设备和材料没有特殊要求，持久耐用，识别设备操作容易，不需要特殊培训，且设备也相对便宜。

6）可靠性高：它比一维条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一。

7）保密性好：可引入加密措施，保密性、防伪性好。

8）阅读方便：二维条码可以使用激光或CCD阅读器识读。

3.二维条码的原理

二维条码是用某种特定的几何图形按一定规律，在平面分布的黑白相间的图形记录数据信息的。在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。它具有条码技术的一些共性，每种码制有其特定的字符集。每个字符占有一定的宽度，具有一定的校验功能，同时还具有对不同行的信息自动识别以及处理图形旋转变化等特点。二维条码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息。

4.二维条码的分类

（1）堆叠式/行排式二维条码

堆叠式/行排式二维条码（又称堆积式二维条码或层排式二维条码）编码原理是建立在一维条码基础之上，按需要堆积成两行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备、条码印刷与一维条码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。Code 16K、Code 49、PDF 417等是行排式二维条码的代表。

（2）矩阵式二维码

矩阵式二维条码（又称棋盘式二维条码）是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，不出现点表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表的意义。矩阵式二维条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一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维条码有Code One、Maxi Code、QR Code、Data Matrix等。

5.二维条码的识别

二维条码的识别有两种方法：透过线型扫描器逐层扫描进行解码和透过照相、图像处理对二维条码进行解码。对于堆叠式二维条码，可以采用上述两种方法识读，但对绝大多数的矩阵式二维条码则必须用照相方法识读，例如使用面型CCD扫描器。

用线型扫描器对二维条码进行识别时，如何防止垂直方向的信息漏读是关键，因为在识别二维条码符号时，扫描线往往不会与水平方向平行。解决这个问题的方法之一是必须保证条形码的每一层至少有一条扫描线完全穿过，否则解码程序不识读。这种方法简化了处理过程，但却降低了信息密度，因为每层必须要有足够的高度来确保扫描线完全穿过。

不同于其他堆叠式二维条码，PDF 417建立了一种能“缝合”局部扫描的机制，只要确保有一条扫描线完全落在任一层中即可，因此层与层间不需要分隔线，而是以不同的符号字元来区分相邻层，因此，PDF 417的资料密度较高，是Code 49及Code 16K的两倍多，但其识读设备也比较复杂。

6.二维条码识读设备

二维条码按照阅读原理的不同可分为：

1）线性CCD和线性图像式阅读器。可阅读一维条码和线性堆叠式二维码，在阅读二维码时需要沿条形码的垂直方向扫过整个条形码，称为“扫动式阅读”。

2）带光栅的激光阅读器。可阅读一维条码和线性堆叠式二维码。阅读二维码时将光线对准条形码，由光栅元件完成垂直扫描，不需要手工扫动。

3）图像式阅读器。采用面阵CCD摄像方式将条形码图像摄取后进行分析和解码，可阅读一维条码和所有类型的二维条码。

另外，二维条码的识读设备依工作方式的不同还可以分为手持式、固定式和平板扫描式。二维条码的识读设备对于二维条码的识读会有一些限制，但是均能识别一维条码。

7.二维条码的应用

二维条码具有储存量大、保密性高、追踪性高、抗损性强、成本便宜等特性，这些特性特别适用于表单、安全保密、追踪、证照、存货盘点等方面。

1）表单应用：公文表单、商业表单、进出口报单、舱单等资料的传送交换，减少人工重复输入表单资料，避免人为错误，降低人力成本。

2）保密应用：商业情报、经济情报、政治情报、军事情报、私人情报等机密资料的加密及传递。

3）追踪应用：公文自动追踪、生产线零件自动追踪、客户服务自动追踪、邮购运送自动追踪、维修记录自动追踪、危险物品自动追踪、后勤补给自动追踪、医疗体检自动追踪、生态研究（如动物、鸟类等）自动追踪等。

4）证照应用：护照、身份证、挂号证、驾照、会员证、识别证、连锁店会员证等证照的资料登记及自动输入。

5）盘点应用：物流中心、仓储中心、联勤中心的货品及固定资产的自动盘点，起到立即盘点、立即决策的效果。

6）手机二维码信息：手机二维码扫描技术简单地说是通过手机拍照功能对二维码进行扫描，快速获取到二维条码中存储的信息，进行上网、发送短信、拨号、资料交换、自动文字输入等，手机二维码目前已经被各大手机厂商开发使用。手机二维码是二维码的一种，手机二维码不但可以印刷在报纸、杂志、广告、图书、包装以及个人名片上，用户还可以通过手机扫描二维码或输入二维码下面的号码即可实现快速手机上网功能，并随时随地下载图文、了解产品信息等。

习题与思考题

2-01 什么是自动识别技术？

2-02 自动识别技术有哪些特点？

2-03 请画出自动识别系统的结构图。

2-04 简述签名识别的优缺点。

2-05 你认为哪一种生物识别技术最方便、可靠和价廉？为什么？

2-06 简述磁条技术的优缺点。

2-07 简述条形码的识别原理。

2-08 试比较一维条码和二维条码的优缺点。

2-09 条形码的编码规则是什么？

2-10 简述二维条码的原理及其分类。

2-11 在实际工作和生活中，二维条码的应用有哪些？