专利名称：数据条及编码和解码印刷数据的方法
技术领域：
本发明涉及以高密度存贮印刷的编码数据的数据条以及编码和解码印刷衬底上数据的方法。
为了存贮产品或物体的指数，长期以来条形码已为大家所熟知并广为使用。为了编码一个信息，以不同的距离在物体上印刷不同宽度的线条。读出设备可以接收线条模型并解码信息。这种条形码的数据密度为每平方厘米印刷面积几个比特。US3211470给出了一个例子，其中数据可靠性通过减小结构而得到提高。
为了得到更高的数据密度而采用数据码，它由多个数据行构成。WO 86/05906描述了一种这样的数据条。此数据条包含专用的同步区，它用于光学读出设备在数据行上对准并且控制所谓的扫描率，在读出设备在数据条上经过时它以此速率逐行接收。在EP 06705551A1中同步区有数据条的分区的边缘形状。Cobblestone软件公司在www.paperdisk.com下描述了一种用同步标志作为条形码的二维扩展的方法。它可以所谓数据流的形式实现在8英寸×11英寸的平板上直至4兆字节的数据密度。
这种已公开技术的缺点是它所达到的数据密度对于各种应用还总是太小。人们希望例如在书或产品说明中一个数据条上存贮音乐或语言的放音试样，10秒钟语言或音乐的高质放音试样对应数十万字节数据。为此所需之印刷面积的大小是不能接受的。
在现有编码中如此来提高数据密度，人们总是缩小印刷点，从而印刷过程达到极限，例如印刷点相互连接起来。印刷过程的不稳定使得数据条变为废品。并且在小印刷点情况下提高了对读出设备成象质量的要求。典型和临界的成象错误产成于失真，象散，慧形象差和阴影图，如它们由平行板的反射所形成。于是具有简单光学结构的读出设备不再能被应用。然而高价值的成象光学结构由于衍射理论在物理上也有极限。印刷过程和成像光学结构使得同步结构对于读出设备呈现不清晰或失真，并且尽管用昂贵的技术仍不能实现编码上的同步。原因在于上述干扰以不可预见的强度并且联合出现，而且干扰是变化地点的。在高数据密度下，一旦各印刷点相互连接起来或印刷点成象不清晰，则不可能通过座标变换来校正失真的特别临界的影响。
如果在编码-读出设备中应用图象传感器，如CCD-阵列和CCD-平面传感器，则存在另一个问题。所谓图象传感器包含二维延伸的传感器单元。如果传感器单元不明显小于同步网栅，在此情况下同步方法同样失效。
现有方法要求4倍或最好6倍的所谓过扫描，因为按照同步网栅和图像传感器网栅如何吻合，同步网栅被不同地接收。较小的传感器单元的缺点是光灵敏度低，传感器价格高以及读出时的高数据量。
现有编码的另一缺点是对污垢，磨损或数据载体变形的敏感度。此外，粗的数据结构和同步结构是人眼可识别的，并可在不同的应用中引起干扰。此外编码不可能同时传送可视的信息，如公司图标或图象。
本发明的目的在于给出印刷数据的一种编码以及编码和解码这种印刷数据的一种方法，它们可在编码的高抗干扰性的同时获得高数据密度，同时可在编码上迭加附加信息，尤其是可视信息，并保证此印刷数据的可靠编码和解码。
根据本发明该任务由一个以高密度存贮印刷的编码数据的数据条完成，其中数据条的印刷面积划分为单元，并且在二维的单元中以至少两个不同的具有特征和规定形状的模型中的一个所规定的形状被印刷，本发明任务还由一个编码和解码印刷衬底上数据的方法完成，其中编码以二维单元的形状实现，单元被定位在衬底上规定的位置上，这些单元具有至少两个不同的具有特征和规定形状的模型中的一个，并且单元的内部结构被用于解码。
本发明具有特征和规定形状的模型可以如此精细，使得由于较小的地点分辨率而被人眼看作均匀的点。现有印刷技术下这样的模型的典型尺寸约为0.02毫米。原则上本发明也可应用其它的传递方法，例如压印-或冲压技术，这时被印制的衬底最好是坚固的材料，如塑料或金属。
模型位于规定的二维单元内，它们以规定的方式在水平和垂直方向上重复。模型填充单元的50％，这样在单元中印刷的面积基本上相等于不印刷的面积，从而此二维数据条被人眼视作均匀的彩色面。
为了存贮数据比特最好在模型中交换印刷的和不印刷的面积，一个用负图代替或不代替的模型是尤为有优点的。
例如一个白底上的黑色叉号变作一个黑底上的白色叉号。对于人眼来说此面积看起来总是均匀的颜色。
模型自身被如此设计，使得它在用读出设备进行图象接收之后良好地被识别和被区分。模型不仅可用其几何形状，而且也可用亮度分布作为其特征。
这里尤为适用的是一组正交模型，例如一个模型及其相应的负图。
彩色模型与彩色读出设备一起使用可获得特别高的数据密度。在模型具有基色红，绿和兰的区域时通过交换彩色存在三个正交的模型。不论什么模型，这些单元在人眼看来都是均匀的彩色。
在选择模型时可以考虑到由印刷过程或光学成象性能引起的失真。按现有方法如此设计模型，使它们被尽可能好地传递并在传递后被良好区分。
如此由于更小的点的印刷而产生的印刷点不清晰的问题被绕过了。
因而用本发明的数据条和本发明的方法可抑制象散或慧形象差的影响。
在现有印刷和读出设备传递性能下借助于系统理论可实现模型的光学读出。这里考虑的是图象接收后模型的地点频率尽可能与随机噪声的地点频率不吻合。
印刷和读出设备的系统干扰相反是影响不大的，例如出现阴影图时，因为解码器的功能不受影响。甚至于可以在模型上迭加图象。
按照本发明，数据的编码以二维单元的形状完成，并且单元被定位于衬底上规定位置上，单元含有至少两个不同的具有特征和规定形状的模型之中的一个。解码时利用模型识别的方法寻找规定的模型，并在识别后推断出基本的比特信息。
为了模型识别，有优点的是进行与固定搜索模型的相关，在被读数据条中根据图象找出具有特征的二维模型。
相关的数量主要对应于规定模型的数量。如果模型的图象亮度用m(x，y)表示，读出数据条的图象亮度用d(x，y)表示，相关器计算积分kor(x，y)＝积分{d(x′，y′)m(x′+x，y′+y)}dx′dy′。通过比较相关积分可推断出基本的搜索模型。相关积分kor(x，y)在某些位置上呈现极值，单元以规定的方式在这些位置上重复。
也可用其它的模型识别方法替代相关积分。
最好用一台设备来读出被解码的数据，该设备的地点分辨率至少是数据条的最高地点频率的两倍。
最好编码所用的模型以事先规定的单元和/或事先规定的顺序定位在衬底上，使得由差的印刷质量，读出设备光学系统的差的成象质量和/或数据条的翻转引起的失真导至的模型结构偏差可以被识别。从而可以求出模型实际上如何传递，并掌握数据传递信道的线性和非线性传输特性。这样在所述情况下仍可进行可靠的解码。
提高解码可靠性的另一方法是，将相关函数的最大值的地点与单元的规定位置进行比较。从而可以确定在印刷和读出过程中实现了什么样的几何变换，例如失真，翻转和大小变化。搜索模型可以相应地适配于此变换。
尤为有优点的是以事先规定的单元和/或事先规定的顺序定位在衬底上的模型被用作搜索模型进行模型识别，从而与标称结构的较大偏差也可被补偿。
结合本发明的编码和本发明的方法，在任意失真情况下的解码原则上是可以的，只要模型保持可识别。
因为模型位于一个单元中的规定位置上，本发明方案还有另一个优点可以测量局部的失真或翻转，方法是在模型识别时确定模型所在地点，并将其与规定的标称位置比较。
利用这些信息来适配搜索模型，例如旋转或改变其大小。利用失真和翻转的一个参量化数学模型，这个模型的参量可借助于卡尔曼滤波器进行估计。从而识别也可以对噪声不敏感。
本发明在模型识别时对模型的适配可以明显提高解码的可靠性，并同时提高数据密度。
实验表明，借助于本发明的模型和本发明的方法，可获得数据密度的完全出乎意料的提高。可以获得每平方厘米印刷面积一万字节的数据密度。从而例如可以通过印刷一个CD-护套的内侧面和外侧面存贮直至20分钟音乐，当音乐数据已用通常方法被压缩时。
通过将本发明编码和现代图象处理技术相结合，数据比特的解码大大地可靠和安全了，尽管在高数据密度的情况下也如此。已经表明，在小的单元大小和具有精细的、不再能由人眼分辨的结构的模型时，可以特别可靠地解码。
与现有编码不同，波浪形衬底或读出设备运动时的不规则性是无大影响的。同样光学系统的污垢可被补偿。
本发明的数据条具有以下优点它原则上不需要同步区。
因为没有了传统意义上的同步，也不再需要在解码时为同步所必需的4至6倍高的过扫描。
模型识别寻找一个单元中的最可能的模型，并且由此推断出基本的信息比特。原则上模型识别不需要过扫描。然而1.5倍至2倍的过扫描已证实是有好处的。
因为过扫描在水平和垂直方向上实现，在读出设备中处理的数据量相比现有方法降低了7倍以上。
本发明方法在下述情况下也可更加可靠地解码例如由于成象质量差，使得被印刷的模型严重地相互连接。因为每个规定的模型对于相邻单元有相同影响，可以在一个模型首次被识别后模型识别时在一个判决反馈中考虑对相邻单元的影响。
按照本发明，在编码的数据上可迭加附加的，尤其是可视的信息，而不降低数据密度。
这可以如此实现单元或者单元中的模型改变尺寸。这样对观看者来说单元呈现更亮或更暗。具有特征的模型或单元的由印刷技术造成的尺寸变化最多50％。
迭加图象信息的特别好的方法是改变印刷色彩。这可以如此实现它保持不被读出设备发现。例如如果利用具有红色滤光片的光学读出设备，则绿色，黄色或黑色印刷色看起来同样有小的图象强度。模型的亮度也可以变化，以迭加可视信息。
实验表明，直至50％的图象强度波动是可接受的。
为了迭加可视信息，在本发明数据条中也可保留无数据区。这例如在编码的数据上迭加完全平面的图象结构时是可能发生的，例如画出的脸上的黑眼睛或类似物，并且通过很暗的区域编码是不可能的。在此情况下最好在规定的单元中编码一些标记，它们确定数据条上无数据区的边界。
下面借助附图和实施例说明本发明，附图为
图1示出编码单个数据比特的各种可能性，图2示出不能被人眼分辨的单元的周期重复，图3示出在周期地重复不能被人眼分辨的单元时一个规定的行偏移的生成，图4示出编码一个3比特序列的各种可能性，以及图5示出用于解码此编码的处理步骤。
图1举例示出为了同时编码一个逻辑0或1以及图象信息的各种可能性。印刷模型1或3在此情况下表示逻辑0，印刷模型2或4表示逻辑1。模型被印刷得如此小，使得它不能被人眼分辨，并仅被视为灰点。然而读出设备可识别模型的形状。图象信息的迭加如此形成在印刷模型1″或2″中彩色或亮度被改变，在印刷模型1′或2′中此有特征的模型变小，以对人眼形成降低的亮度感。
图2示出模型对1和2如何以规定的间隔在两个方向5和6上周期地重复，这样构成二维的数据条。
图3中模型对1和2在对角线方向7上周期地重复。每第二个由模型构成的行错开。从而在读出设备中的模型识别变得容易了。
图4所示4个复杂模型8，9，10和11与彩色反转的模型8′，9′，10′和11′一起应用可以编码一个3比特序列，如在位置8″，9″，10″和11″上所示那样。当然也可利用其它典型的二维模型。关键在于这些模型明显不同，使得读出设备能良好地识别它们。
相应读出设备的工作原理以框图形式示于图5中。由读出设备接收的数据条15的图象首先进入处理块12，它完成模型识别。这可例如通过图象数据15与印刷模型的相关性实现。这里相关器被如此设计，使得它不受模型亮度波动或彩色的影响，这使得数据条上迭加图画或图象成为可能。如果数据条包含不同的模型，则与各种模型进行相关。其它的模型识别方法也可被采用。在模型被识别后，在块16中它被推断为编码比特或编码的比特序列，这些比特被输出在14上。块13确定地点，在此地点上模型被识别，块13还将此地点与规定的模型期望所在地点17比较。如果两个地点相互偏离，数据条的图象被移位，旋转或变形。然后在模型识别块12中相应地适配搜索模型并重新进行模型识别。此外模型期望所在地点被重新确定。这个新的模型地点在下一处理周期中被用作规定的模型地点18。
权利要求
1.以高的数据密度存贮印刷的编码数据的数据条，其特征在于，a)数据条的被印刷面积划分为单元，并且b)在一个二维的单元中至少两个不同的具有特征和规定形状的模型中的一个所规定的形状被印刷。
2.如权利要求1所述的数据条，其特征在于，这些模型如此区分印刷的面积与不印刷的面积对换。
3.如权利要求1至2中任一项所述的数据条，其特征在于，在单元内被印刷的面积与不印刷的面积基本相等。
4.如权利要求1至3中任一项所述的数据条，其特征在于，模型由几何形状和/或亮度分布来表征。
5.如权利要求1至4中任一项所述的数据条，其特征在于，模型用至少两种不同的彩色印刷，并且编码由彩色的交换形成。
6.如权利要求1至5中任一项所述的数据条，其特征在于，不同的模型编码不同的信息比特序列。
7.如权利要求1至6中任一项所述的数据条，其特征在于，模型具有同样的尺寸，它不能被人眼分辨。
8.如权利要求1至7中任一项所述的数据条，其特征在于，存贮信息上迭加一个可为人眼察觉的，最好是可视的信息。
9.如权利要求8所述的数据条，其特征在于，为了迭加可视信息，单个单元的尺寸相应被改变。
10.如权利要求8或9所述的数据条，其特征在于，为了迭加可视信息，单个单元的尺寸相应被改变。
11.如权利要求8至10中任一项所述的数据条，其特征在于，为了迭加可视信息，单个单元和/或模型的彩色和/或亮度被改变。
12.如权利要求9至11中任一项所述的数据条，其特征在于，不同的用于编码的模型在预先规定的单元和/或以预先规定的顺序被印刷在数据条上。
13.如权利要求1至12中任一项所述的数据条，其特征在于，在其内部保留空白区域。
14.编码和解码被印刷衬底上的数据的方法，其特征在于，编码以二维单元的形状实现，并且单元被定位在衬底上的规定位置处，这些单元包含至少两个不同的，具有特征和规定形状的模型中的一个，并且单元的内部结构被用于解码。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，模型被反转。
16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，在单元内部被印刷和不被印刷的面积大约相等。
17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，模型通过几何形状和/或亮度分布被改变。
18.如权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，用至少两种不同的彩色形成模型并通过交换彩色进行编码。
19.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，借助于不同的模型编码不同的信息比特序列。
20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其特征在于，用精细结构产生模型，此结构不能被人眼分辨。
21.如权利要求14至20中任一项所述的方法，其特征在于，在存贮信息上迭加人眼可察觉的，尤其是可视的信息。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，单元和/或模型的尺寸被改变。
23.如权利要求14至22中任一项所述的方法，其特征在于，用于编码的模型在预先规定的单元和/或以预先规定的顺序定位在衬底上。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，被定位的模型被用于模型识别。
25.如权利要求14至24中任一项所述的方法，其特征在于，为了模型识别实现与规定搜索模型的相关。
26.如权利要求14至25中任一项所述的方法，其特征在于，将已识别模型的位置与单元的规定位置比较，以调整搜索模型的尺寸和旋转位置。
27.如权利要求14至26中任一项所述的方法，其特征在于，通过标志的接收，不解码衬底上规定的区域。
全文摘要
本发明涉及以高数据密度存贮印刷的编码数据的数据条,并且数据条的被印刷面积划分为单元,在一个二维单元中印刷至少两个不同的,具有特征和规定形状的模型(1,2)中的一个的规定形状,本发明还涉及编码和解码被印刷衬底上的数据的方法,其中编码以二维单元的形状进行,并且单元被定位于衬底上规定位置处,单元包含至少两个不同的,具有特征和规定形状的模型中的一个,并且单元的内部结构被用于解码。
文档编号B41J5/30GK1360710SQ00810293
公开日2002年7月24日 申请日期2000年6月7日 优先权日1999年6月9日
发明者伯纳德·韦尼泽, 安德莱斯·布鲁格, 蒂尔曼·克鲁格, 戴特莱夫·梅纳兹 申请人:数据之声数字音频和信息系统开发与销售有限公司