AutoID - Barcodes. Identifizierungs- und Automatisierungstechnik. Prof. Dr. Michael ten Hompel. Ulrich Franzke, Sascha Feldhorst

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1 Identifizierungs- und Automatisierungstechnik AutoID - Barcodes Prof. Dr. Michael ten Hompel Ulrich Franzke, Sascha Feldhorst Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen TU Dortmund 1

2 AutoID - Barcodes Gliederung Optische Kodierung: Übersicht, Klarschrifterkennung Barcode Grundlagen Ausgewählte 1D-Codefamilien: Code 2/5, Code 39, EAN13, CODE 128 Ausgewählte 2D-Codefamilien: Gestapelte Codes, Matrixcodes Qualitätsanforderungen Drucktechnologien Lesetechnik 2

3 Einordnung und Lernziele Prinzipien der Klarschrifterkennung Code 2/5 erklären und lesen können Die Codes 39 und 128 und ihre Einsatzbereiche EAN13 bauen können Typische Fehler im Umgang mit Barcodes kennen Unterschiede und die Einsatzbereiche von 2D-Codes Allgemeine Fehlerursachen Umgang mit Barcodes Verschiedene Lesegerättypen und ihre Funktionsweisen und Einsatzbereiche 3

4 Optische Kodierung: Beispiele Klarschriftcodierung: z.b. Optical Character Recognition (OCR-A, OCR-B) Lochcode: z.b. zur Positionserfassung (Abtastung eines Lochcode an einer RBG-Schiene) Dotcode: Binäre Codierung z.b. vierstelliger Lochcode Optoelektrische Codierung: z.b. CD-ROM Strich- oder Barcode: z.b. EAN13 4

5 Optische Kodierung: Der erste Barcode AutoID-Verfahren werden seit den 1950er Jahren eingesetzt Motivation: Warteschlangenbildung an Kassen Erstes Barcode-System: 20. Oktober 1949: Erfindungsmeldung von Woodland und Silver (USA) 7. Oktober 1952: Patent wird angenommen Zeitgleich wurde an Methoden der Klarschrifterkennung gearbeitet 5

6 Optische Kodierung: Klarschrifterkennung (OCR) OCR (Mustererkennung): Kernhöhen, Basislinien, Ober- und Unterlängen erkennen Einteilung in Bereiche Bereichsweise Suche nach signifikante Merkmalen, Verfeinerung, Ersetzung der Zeichen. OCR beendet ICR (Plausibilitätsprüfungen): Kann eine Ziffer am Anfang eines Wortes stehen? Stehen Großbuchstaben mitten im Wort? 6

7 Optische Kodierung: OCR-Auswertungsarten Offline-Auswertung: Analyse und Bewertung eines geschriebenen Texts z.b. frz. Stadt Lille Online-Auswertung: Berücksichtigung der Schreibreihenfolge möglich Das zweite Zeichen könnte ein l sein......der Punkt macht es aber zum i Der nächste Punkt macht, auch wenn er nicht genau getroffen hat,......aus der Stadt......eine Blume! Der Rest ist Beiwerk 7

8 Optische Kodierung: Maschinenlesbare Schriften Magnetschriftcodes: Einsatz von Spezialtinte mit magnetisierbaren Eisenoxydpartikeln Ausführungen: CMC7 (seit 1950) Magnetischer sieben Stäbchencode E13B (Mitte 1950er) Schriften zur optischen Erkennung (OCR-Schriften): OCR-A OCR-B 8

9 Barcode Grundlagen: Klassifizierung von Barcodes 9

10 Barcode Grundlagen: Anwendungsbeispiele Handel: Erfassung von EAN-Codes an der Kasse Produktion: Zuweisung von Produktionsteilen auf Transport- bzw. Arbeitsmittel Speicherung der Chargennummer für die Qualitätskontrolle Lager: Sichere Abarbeitung einer Pick-Liste Verheiraten von Lagereinheiten mit Lagerfach Bestandserfassung bei Inventur Sortieranlagen, Post: Automatische Sortierung von Stückgut 10

11 Barcode Grundlagen: Aufbau von 1D-Barcodes Gemeinsame Elemente: Start- und Stopp-Symbol Modul oder schmalster Balken Nutzzeichen Prüfziffer (manchmal verpflichtend!) Ruhezonen (links, rechts, oben, unten) Codespezifische Unterschiede: Zeichenvorrat Länge Robustheit 11

12 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Code 2/5-5 Striche Industrie Eigenschaften: Zweibreitencode 2 von 5 Strichen sind dick Selbstüberprüfend (EDC) Nutzdaten: Ziffern 0 bis 9 Start- / Stoppsymbol Diskreter Code Hohe Fehlertoleranz Geringe Informationsdichte 12

13 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Struktur des Code 2/5 Bestimmung der kodierten Ziffer (0-9): Jede Balkenposition hat eigene Wertigkeit Positionswerte der dicken Balken werden addiert Ergebnis entspricht Gesamtwert der kodierten Ziffer Wertigkeitssystem: Angelehnt an das Binärsystem (1, 2, 4, ) Ausnahmen: Vierte Position hat Wert 7 Fünfte Position hat Wert 0 4+7=0 13

14 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Codebildung bei Code 2/5 Durch das Aneinander hängen der einzelnen Zeichen wird der Barcode gebildet. Frage: Welche Ziffern sind im Bild zu sehen? 14

15 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Substitutionsfehler bei Code 2/5 Frage: Welche der Lesungen A,B und C sind korrekt und welche Ziffern werden jeweils gelesen? Antworten: Lesung A: Symbol für die Ziffer 2 Lesung B: Symbol für die Ziffer 4 Lesung C: Fehler 15

16 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Doppelte Substitutionsfehler Code 2/5 Frage: Welche der Lesungen A,B und C sind korrekt und welche Ziffern werden jeweils gelesen? Antworten: Lesung A: Symbole für Ziffern 1 7 Lesung B: Symbole für Ziffern 2 4 Lesung C: Fehler Berechnen Sie die Prüfziffer von 4344! 16

17 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Beispiel einer gültigen Falschlesung Beim Code 2/5 besteht die Möglichkeit von Falschlesungen Beispiel: Ziffernfolge im Code 2/5 ohne Prüfziffer Kann problemlos gelesen werden Schräglesung ermöglicht auch ein anderes Leseergebnis 17

18 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Code 2/5 Interleaved Eigenschaften: Zweibreitencode 2 von 5 Strichen sind dick Selbstüberprüfend (EDC) Balkenzwischenräume kodieren Informationen Nutzdaten: Ziffern 0 bis 9 Start- / Stoppsymbol Fortlaufender Code Mittlere Fehlertoleranz Hohe Informationsdichte Nur gerade Anzahl Ziffern kodierbar 18

19 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Gültige Fehllesungen Code 2/5 Interl. Gründe für gültige Fehllesungen: Beschädigung Überdeckung Schräglesung Fehler können mit Plausibilitätsregeln minimiert werden 19

20 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Code 39 Eigenschaften: Zweibreitencode 3 von 9 Elementen sind dick Selbstüberprüfend (EDC) Nutzdaten: Buchstaben A bis Z, Ziffern 0 bis 9, 7 Sonderzeichen Prüfziffernpflicht Diskreter Code Mittlere Fehlertoleranz Mittlere Informationsdichte Start- /Stoppsymbol: * * ( ) nicht symmetrisch Warum ist es wichtig, dass * nicht symmetrisch ist? 20

21 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Variable Trennlücken im Code 39 Code 39 für den Einsatz in Nummerierwerken konzipiert => Einsatz variabler Trennlücken 21

22 Ausgewählte 1D-Codefamilien: EAN13 Eigenschaften: Mehrbreitencode Feste Länge 12+1 Nutzdaten: Ziffern 0 bis 9 Prüfziffernpflicht (Mod 10 Gew. 3) Start- / Stoppsymbol Mittensymbol Klarschrift in OCR-B Fortlaufender Code Regeln der Europäischen Artikel Nummer EAN (heute: GTIN) Hohe Fehlertoleranz Hohe Informationsdichte 22

23 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Aufbau des EAN13 Der EAN13 setzt sich wie folgt zusammen: Start- /Stoppsymbol: 3 Module Mittensymbol: 5 Module Breite pro Symbol: 7 Module 4 verschiedene Strichbreiten 12 Symbole für 13 Ziffern Linke Ruhezone: 11 Module Rechte Ruhezone: 7 Module Daraus ergibt sich eine Breite von: *7+5+6*7+3+7=113 Modulen 23

24 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Zeichensätze des EAN13 Zeichensätze A und B links, erstes Zeichen immer A Zeichensatz C rechts Die erste Ziffer entscheidet über die linke Zeichensatzfolge Zeichensatz C invertiert A Zeichensatz B spiegelt C Kein Zeichen aus A spiegelt C 24

25 Ausgewählte 1D-Codefamilien: EAN8 Eigenschaften: Kann für kleinvolumige Güter beantragt werden Feste Länge 7+1 Nutzdaten: Ziffern 0 bis 9 Zeichensätze A und C des EAN13 Prüfziffer wie Code 2/5 Wie beim EAN13 sind Nummern die mit 2 beginnen zur freien Verfügung Hohe Fehlertoleranz Mittlere Informationsdichte 25

26 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Code 128 Eigenschaften: Mehrbreitencode (4 Breiten) Selbstüberprüfend (EDC) 11 Modulbreiten pro Symbol (Stoppzeichen 13 Module) Anzahl Module pro Symbol geradzahlig (3*schwarz, 3*weiß) Nutzdaten: 128 ASCII-Zeichen, Zifferntupel 00 bis 99 3 umschaltbare Zeichensätze Mehrfachlesung möglich Hohe bis mittlere Informationsdichte Mittlere Fehlertoleranz 26

27 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Prüfzifferberechnung beim Code

28 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Optimierung beim Code 128 Umschaltung des Zeichensatzes ermöglicht optimierte Kodierung Beispiel: Kodierung von Ziffern mithilfe des Zeichensatzes C Richtige Wahl des Zeichensatzes und geeignete Umschaltungen entscheidend für Codelänge! 28

29 Ausgewählte 1D-Codefamilien: Vergleich der Codes 29

30 Ausgewählte 2D-Barcodefamilien: Einführung Probleme von 1D-Barcodes: Informationsgehalt beschränkt Zu lange Barcodes nicht handhabbar Einsatzgebiete von 2D-Barcodes: Kleinstprodukte (z.b. Produkte im Gesundheitswesen, Elektronik) Konsumgüter mit hohem Informationsbedarf (z.b. mengenvariable Ware, Gutscheine, Tickets) Transporteinheiten mit hohem Informationsbedarf (z.b. Mischpaletten) Ausführungsarten: Stapelcodes Matrixcodes 30

31 Ausgewählte 2D-Barcodefamilien: Codablock (Stapelcode) Eigenschaften: Mehrzeiliger 1D-Barcode (Stapel) Pro Zeile 1 Zeilenindikator zwecks Orientierung 2 Prüfziffern Verschiedene Varianten, z.b. Codablock A: Gestapelte Variante vom Code 39 Codablock F: Gestapelte Variante vom Code 128 Kapazität: Bis 44 Zeilen, 4 62 Zeichen pro Zeile, insgesamt 2728 alphanummerische Zeichen Erhöhte Datensicherheit Flexibilität der Darstellung (Flächen) Einsatz herkömmlicher Lesegeräte Beachten der gestapelten Struktur beim Lesen nötig! 31

32 Ausgewählte 2D-Barcodefamilien: PDF-417 (Stapelcode) Eigenschaften: PDF steht für Portable Data File 1988 entwickelt von Symbol Technologies 17 Module pro Zeichen 4 bis 30 Zeichen pro Zeile Bis zu 90 Zeilen Nutzdaten: 1850 ASCII-Zeichen oder 2700 Ziffern darstellbar Datendichte: 100 bis 300 Bytes pro Quadratzoll Einsatzbeispiel: Flugtickets 32

33 Ausgewählte 2D-Barcodefamilien: Dot Code (Matrixcode) Eigenschaften: 6x6 bis 12x12 Punkte Gedruckt, gebohrt, geätzt, gefräst oder eingeschlagen Enthält Suchelemente, daher omnidirektionales Lesen möglich Einsatzbeispiele: Kennzeichnung von Halbzeugen Alurohlingen Achsen Chips- und Mikroprozessoren 33

34 Ausgewählte 2D-Barcodefamilien: Data Matrix Code (Matrixcode) Eigenschaften: 10x10 bis 144x144 Felder Nichtquadratische Form möglich Omnidirektional lesbar Winkel als Suchelement (links und unten) Alternierendes Muster als Takt (rechts und oben) Starke RS-Fehlerkorrektur (ECC200) Bis 25% zerstörbar Nutzdaten: Bis zu 2334 ASCII-Zeichen oder 3116 Ziffern Nachteil: Nur mit Bildverarbeitung lesbar Einsatzbeispiele: Pharmabereich Briefmarke Kennzeichnung von Halbleiterbauelementen 34

35 Ausgewählte 2D-Barcodefamilien: QR Code (Matrixcode) Eigenschaften: QR steht für Quick Response 1994 entwickelt von Nippondenso 21x21 bis 177x177 Punkte 3 verschachtelte Quadrate als Suchelemente Hohe Redundanz (Bis 30% zerstörbar) Nutzdaten: 1817 Japanische Kanjizeichen 7089 Ziffern 4296 Alphanumerische Zeichen Einsatzbeispiele: Google Favorite Places Bibliographische Infos der UniBib Bildquelle: Unibibliothek Dortmund, Google 35

36 Ausgewählte 2D-Barcodefamilien: Aztec Code (Matrixcode) Eigenschaften: 1995 entwickelt von Welch Allyn Nutzdaten: 12 bis 3000 Zeichen Suchsymbol in der Mitte bestehend aus konzentrischen Quadraten RS-Fehlerkorrektur Bis 25% zerstörbar, in Ausnahmefällen sogar bis zu 40% Benötigt keine Ruhezone Einsatzbeispiele: Tickets für Bahn oder Flugzeug Bidlquelle: wikipedia.de (Aztec Code) 36

37 Qualitätsanforderungen: Anforderungen an die Codes Kontrast zwischen Hell und Dunkel Maßhaltigkeit des Drucks Kantenschärfe Deckung der schwarzen Flächen Auflösung (bei sehr kleinen Codes) UV-Beständigkeit Kratz- und Wischfestigkeit Wasser- und Lösungsmittelbeständigkeit 37

38 Qualitätsanforderungen: PCS Print Contrast Signal Das PCS ist abhängig von Hintergrund und Druckfarbe Matter Hintergrund ist besser geeignet als reflektierender (Streulicht) Deckungskraft der Farbe im Spektrum des Lesers beachten (z.b. bei Infrarotlicht nur Carbonfarbe verwenden) 38

39 Qualitätsanforderungen: Anforderungen an die Aufbringungsorte Ruhezonen einhalten: Randabstand Keine Überdeckung durch Klebebänder, Netze o.a. Keine weiteren Barcodes der gleichen Familie 39

40 Qualitätsanforderungen: Anbringung auf Eimer und Dosen Bei zylindrischen Gegenständen: Aufbringung leiter- und nicht zaunförmig 40

41 Drucktechnologien: Übersicht Additivtechnik: Impact-Verfahren (mechanischer Kontakt): Typenrad oder Nadeldrucker (Matrixdrucker) Non-Impact-Verfahren (kein mechanischer Kontakt): Continous Ink-Jet (CIJ, Tintendruck) Drop-on-Demand Ink-Jet Laser-Jet Thermodirekt-Druck Thermotransfer-Druck Subtraktivtechnik: Laserkodierer (Laser Edging) 41

42 Drucktechnologien: Additivtechnik (Non-Impact-Verfahren) Thermodirekt-Druck: Chemische Reaktion des Papiers Thermopapier Durch Hitze chemische Änderung der Papieroberfläche Probleme: Unflexible Zuführung, nur für glattes Papier, bedingt wischfest, bedingt lichtecht, UV- Beständigkeit Thermotransfer-Druck: Wärmeabhängige Reaktion des Farbbands Farbschicht schmilzt und wird auf das Papier über Andruck übertragen Farbband auf Wachsbasis mit Kunstharzüberzug bzw. rein Kunstharz Probleme: Unflexible Zuführung, nur für glattes Papier Bildquelle: 42

43 Lesetechnik: Überblick Statische Leser: Fixierter Lichtstrahl Lesestifte Abstandsleser Dynamische Leser: Bewegter Lichtstrahl Scanner Handscanner CCD-Handleser CCD-Kamera Weitere Unterteilungsmöglichkeiten: Portable und stationäre Leser Rot-, Infrarot-, Weiss- und Blaulichtleser Bildquelle: Intermec Technologies 43

44 Lesetechnik: Statische Lesegeräte Lesestift Merkmale: Handgeführt Taktil Vorteile: Einfacher Aufbau, Kompakt Barcodelänge nicht begrenzt Nachteile: Führen mit relativ konstanter Geschwindigkeit und konstantem Lesewinkel nötig Evtl. Beschädigung des Codes durch Abnutzung 44

45 Lesetechnik: Dynamische Lesegeräte Scanner Spiegel Auswertung Aufbau: Strahl wird automatisch zeilenweise abgelenkt Ablenkung durch Polygonrad oder Schwingspiegel Laser halbdurchlässiger rotierender Spiegel Spiegel Laserscanner Vorteile: Variabler Leseabstand und großer Lesebereich Hohe Leseleistung Für stationäre und mobile Anwendungen geeignet Nachteile: Größerer Platzbedarf wegen vieler mechanischer bzw. optischer Teile 45

46 Lesetechnik: Dynamische Lesegeräte CCD-Handleser Auswertung elektr. Impulse Halbleiterelemente (Bildpunkte) Aufbau: Abbildung vom Barcode auf Fotoelementen (Pixel) Zeilen- bzw. matrixweise Datenerfassung CCD-Kameras brauchen ein Objektiv Auswertung Zeilenkamera elektr. Impulse Vorteile: Hohe Leseleistung CCD-Handleser sind sehr kompakt Halbleiterelemente (Bildpunkte) Nachteile: i.d.r. fester Leseabstand Begrenzter Abtastbereich Matrixkamera 46

47 Lesetechnik: Transformation Strichcode zu Daten Umwandlung Lichtsignal in Analogspannung Signalvorverarbeitung Filter/ Verstärker Wandlung in Binärformat Digitale Darstellung (Codeart, Start- Stoppzeichen) 4711 Strichcodeabtastung S(t) S(t) Daten Signalverlauf (analog) t Signalverlauf (digital) t 47

48 Lesetechnik: Anbringungsvarianten von Code u. Leser Unidirektional: Paketausrichtung erforderlich Code in zweifacher Ausfertigung: 1 x 90 gedreht Paketausrichtung beliebig Bidirektional: Paketausrichtung beliebig 48

49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 49

50 Ansprechpartner Lehrstuhl für Förder- und Lagerwesen LogistikCampus Joseph-von-Fraunhofer-Str Dortmund Telefon: Fax: Prof. Dr. Michael ten Hompel Mojtaba Masoudinejad, M.Sc. Telefon: Lehrstuhl für Förder-und Lagerwesen Technische Universität Dortmund Prof. Dr. Michael ten Hompel 50