Was ist die Matrix – nur schwarz auf weiß?

Mario Neugebauer Dieser Artikel wurde von geschrieben. Dr. Mario Neugebauer verantwortet bei ubigrate den technischen Vertrieb und betreut Kundenprojekte.

Schwarze und weiße Streifen findet man heute fast überall, um alle möglichen Dinge des Alltags zu identifizieren. Kern der Identifikation ist eine Nummer, die bei Bedarf auch in einem bestimmten Nummernkreis liegen kann. Lediglich vor manchen nicht wirtschaftlich zu markierenden Dingen macht diese Art der Markierung halt.

Barcode einmal anders ...

Barcode einmal anders ...

Eine Nummer allein muss allerdings nicht alles sein, was auf den wenigen Quadratzentimetern gespeichert ist. Ordnet man nämlich die Streifen in zwei Dimensionen an, entstehen sogenannte 2D-Barcodes – im Unterschied zu den 1D-Barcodes auf den Waren für unseren täglichen Bedarf. Es lassen sich damit wesentlich mehr Informationen optisch kodieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die 2D-Barcodes mit Standard-Bürotechnik ausdrucken lassen. Es sind keine speziellen Geräte (wie z. B. bei RFID) notwendig. Diese 2D-Barcodes sind nicht neu. Seit etwas mehr als 20 Jahren gibt es beispielsweise den DataMatrix-Code. Im Laufe der Zeit sind viele verschiedene Codearten hinzugekommen.

Codearten

Der schon erwähnte DataMatrix-Code kann als echter 2D-Barcode bezeichnet werden. Echt insofern, als dass in einer Matrix schwarze und weiße Felder markiert sind, die dadurch die zu transportierenden Daten kodieren. Die bekanntesten und am weitesten verbreiteten Codes sind DataMatrix und QR-Code, weiter sind z. B. Aztec Code und MaxiCode.

Eine andere Art der 2D-Barcodes sind 2D-Stapelcodes – PDF 417 ist ein Vertreter dieser Art. Bei den Stapelcodes werden kurze Striche eines 1D-Barcodes dicht hintereinandergepackt und ergeben dadurch einen 2D-Barcode. Weitere Beispiele für Stapelcodes sind: Code16K, Supercode, Codablock, Code49 und MicroPDF. Der 2D-Stapelcode erfordert allerdings gegenüber dem Lesegerät eine korrekte Ausrichtung, da die Lesegeräte meist auf zeilenbasierten Leseeinheiten aufbauen.

Zahlreiche 2D-Barcodearten sind durch internationale Normungsgremien festgeschrieben worden. Die Aufzählung der einzelnen ISO/IEC-Standards würde hier allerdings den Rahmen sprengen. Und schließlich ist die Entwicklung der 2D-Barcodes noch nicht am Ende angekommen. Der AIM Global hat beispielsweise im Dezember 2008 Grid Matrix als neuen Standard, mit dem auch chinesische Schriftzeichen in Barcodes verschlüsselt werden können, angekündigt.

Detailbeispiel QR-Code

Da der QR-Code einer der am meisten verbreiteten Codes ist, seien hier noch ein paar Details zu diesem Code erläutert. QR-Codes können in verschiedenen Größen auftreten, wobei hier mit Größe die Anzahl der Punkte (bei QR-Code Module genannt) in der Matrix gemeint ist. In der kleinsten Variante (Version 1) besteht der QR-Code aus 21×21 Punkten (inkl. Positions- und Ausrichtungsfelder). In diesem QR-Code lassen sich bei schwächster Fehlerkorrektur bis zu 17 Byte Daten (entspr. 25 Zeichen bei 7 Bit Kodierung) unterbringen. Im Maximalfall lässt sich die Kapazität auf bis zu 2953 Byte erhöhen. Dafür sind Codes der Version 40 mit 177×177 Punkten erforderlich.

Beispiel QR-Code
Beispiel QR-Code

Innerhalb eines QR-Codes gibt es Bereiche mit unterschiedlicher Bedeutung für die Informationsverarbeitung. An den linken und oberen Ecken befinden sich Quadrate für die Orientierung bei der Dekodierung. Trifft der Dekodierungsalgorithmus auf diese Markierungen in einer bestimmten Ausrichtung, kann er die korrekte Lage erkennen. So entfällt das Problem der korrekten Ausrichtung des QR-Codes beim Einlesen. Die Quadrate sind am inneren Rand von Versions- und Formatinformationen umgeben. Im verbleibenden Bereich finden sich dann die Daten. Für die Fehlerkorrektur sind sie mit Reed-Solomon-Codes kodiert. Mit der Reed-Solomon-Kodierung wird erreicht, dass der Code selbst bei teilweiser Unlesbarkeit richtig erkannt werden kann. Manchmal sieht man bei Codes kleine Branding-Grafiken direkt im Datenbereich. Durch die Fehlerkorrektur machen diese teilweisen “Beschädigungen” dem zu übertragenden Inhalt nichts aus. Bei größeren QR-Codes kommen zusätzlich kleinere Quadrate für die Orientierung hinzu, die regelmäßig innerhalb des Codes platziert werden.

Generieren und Dekodieren

Um die eigentliche Grafik eines QR-Codes zu erzeugen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispiele dafür sind öffentlich verfügbare APIs wie QR-PAD, Google-API QR-Generator, Kaywa QR-Code Generator und Open QR Code. Diese Codes lassen sich sehr einfach auf Papier bringen. In industriellen Anwendungen werden zudem Teile häufig direkt mit 2D-Barcodes durch Laser oder Mikroperkussion beschrieben, ohne den Umweg über Papier. Das hat den Vorteil, das die ID (Seriennummer, etc.) z. B. direkt auf dem Gehäuse ohne zusäztliche Typen- oder Seriennummernschilder aufgebracht werden kann.

Da die 2D-Barcodes auch im Verbraucherbereich weit verbreitet sind, gibt es zum Dekodieren natürlich auch Software für Fotohandys. Aus der großen Anzahl der Reader seien daher nur Kaywa, QuickMark, J2MEQRCode und J2MEDataMatrix genannt. Wer in eigenen Anwendungen 2D-Barcodes dekodieren will, kann auch den unter zxing bei Google Code angebotenen Quellcode einbinden.

Neben den rein softwarebasierten 2D-Barcode-Readern werden für den industriellen Einsatz auch Geräte für das Lesen von 2D-Barcodes angeboten – entweder tragbare Handscanner oder Einbaugeräte. Hersteller solcher Geräte sind z. B. (ohne Anspruch auf Vollständigkeit): Datalogic, Cognex, Honeywell (Metrologic), IOSS, Keyence, Leuze, Microscan, Panasonic, Pepperl+Fuchs, SICK, Siemens, Symbol und Wenglor. Über RS 232/485, USB, Ethernet oder Feldbussysteme lassen sich die Daten der Reader auslesen.

Anwendungen

2D-Barcodes werden nicht nur für Marketing und Kundenbindung über spaßiges Plakateknipsen genutzt. Auch durchaus ernstzunehmende Anwendungen sind anzutreffen. Prominentes Beispiel ist STAMPIT, das Portodruckverfahren der Deutschen Post. Dabei kommt der DataMatrix-Code zum Einsatz. Mindestens ebenso bekannt dürften das Online-Ticket der Deutschen Bahn und Online-Tickets für Konzerte oder sonstige Veranstaltungen sein.

DataMatrix wird auch bei OMRON für die Automobilproduktion eingesetzt. Im Maschinenbau werden DataMatrix-Codes z. B. auf Fräswerkzeuge aufgebracht. Durch die Lesegeräte kann automatisch überwacht werden, ob sich das für den jeweiligen Bearbeitungsschritt richtige Werkzeug in der Halterung befindet. Fehler durch falsches Werkzeug können so vermieden werden.

Weitere Dimensionen

Mit zwei Dimensionen wird sich die Matrix in Zukunft aber nicht zufrieden geben – da wäre ja immer nur alles schwarz und weiß, so wie zu Großmutters Zeiten. Findige Barcodeexperten haben deswegen Farbe als dritte Dimension ins Leben der Matrix gebracht. Und damit die Zeit in der Matrix nicht still steht, kommt selbige auch noch für die Kodierung hinzu. Wann und ob sich letzteres in der breiten Anwendung durchsetzt, ist allerdings noch unklar. Technisch sollte das kein Problem sein.

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