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1、国内外二维条码技术研究及其在农产品质量可追溯系统中的应用摘要：“民以食为天，食以安为先”。农产品质量的安全与否，不但事关农业产业本身的持续稳定发展，而且直接影响着民众健康、社会和谐和国民经济的全面科学发展。建立农产品质量可追溯系统是保证农产品质量安全的有效途径，而其中的关键在于可追溯标签的建立。二维条码以其高容量、高密度、纠错能力强、安全强度高、使用成本低廉等特点，成为了可追溯标签的首要选择。本文系统地概述了国内外二维条码的研究背景、研究意义、研究现状以及其在农产品质量可追溯系统中的应用情况。关键词：二维条码；PDF417码；QR码；汉信码；UCC/EAN-128码中图分类号：TP391引言
2、条码技术是在计算机技术和信息技术基础上发展起来的一门集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一身的技术。条码技术广泛应用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域，在当今的自动识别技术中占有重要的地位1。 商品包装上的条形码大多是一维条码，它只是在一个方向（一般是水平方向)表达信息，仅能存储一个代号，使用时通过这个代号调取计算机网络中的数据2。一维条码己经在商场、金融、海关、生产、邮政等社会的各个领域得到了广泛的应用，大大提高了资料收集与资料处理的速度。但由于受到信息容量的限制，一维条码通常是对物品的标识，而不是对物品的描述。所以一维条码的使用，不得不依赖于外部数据库的支持，而其本
3、身只起一个指针的作用。在没有数据库和不便联网的地方，一维条码的使用就受到了极大的限制，有时甚至变得毫无意义。这一缺点严重限制了条码的使用范围和工作效率。因此在80年代末发明了二维条码，二维条码不仅能标识物品，而且能描述物品。作为一种全新的自动识别和信息载体技术，二维条码的数据存储量是一维条码的几十倍到几百倍，就像是一个便携式的数据库3。1二维条码 二维条码是在水平方向和垂直方向的二维空间上都存储信息的一种条码，具有信息密度高、信息容量大、抗干扰能力强、纠错能力强等特点。 现存的二维条码有很多种类，根据二维条码的生成原理和结构形状，可分类为行排式二维条码和矩阵式二维条码。行排式二维条码是在一维条
4、码的基础上，通过两行或多行高度截短后的一维条码的堆积，在增加行识别、错误纠正等特性的基础上来实现信息表示，常见的如PDF417码、Code49码和Code16K码，如图1所示。 矩阵式二维条码在结构形状上具有矩阵的特征。它以计算机图像处理技术为基础，在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点等）的出现表示二进制的“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的不同排列组合表示矩阵式二维条码所表示的数据信息。常见的如Data Matrix码、QR码、Code One码、Maxi Code和汉信码，如图2所示。2二维条码技术研究现状 2.1国外研究现状 国外对二维条码技术的研究始于20世纪80年代末，在研究
5、出多种二维条码符号（如常见的PDF417码、Data Matrix码、QR码、Code49码、Code 16K码、Code One码等）的同时，在二维条码标准化研究方面也有着突出表现，诸如，1994年选定的国际自动识别制造商协会（AIM）标准，1997年欧洲标注化委员会(CEN)通过了PDF417的欧洲标准，美国工业论坛已将PDF417码列为重要电讯产品的标识标准4。 目前得到广泛应用的二维条码有PDF417码、DM码和QR码。 PDF417码中的PDF是取英文Portable Data File三个单词的首字母的缩写，意为“便携数据文件”。因为组成条码的每一符号字符都是由4个条和4个空构成，
6、如果将组成条码的最窄条统称为一个模块，则上述的4个条和4个空的总模块数一定为17，所以称417码或PDF417码。Data Matrix码的中文名称为数据矩阵码。Data Matrix码采用了复杂的纠错码技术，使得该编码具有超强的抗污染能力。主要用于电子行业小零件的标识，如Intel的奔腾处理器的背面就印制了这种码，并成为韩国手机二维条码的主流技术5。 QR码是由日本Denso公司于1994年9月研制的一种矩阵二维条码符号，它除具有一维条码及其他二维条码所具有的信息容量大、可靠性高、可表示汉字及图像多种文字信息、保密防伪性强等优点外，还可高效地表示汉字。相同内容的QR码，其尺寸小于相同密度的P
7、DF417码。目前市场上的大部分条码打印机都支持QR码6。 2.2国内研究现状 我国对二维条码技术的研究开始于1993年。中国物品编码中心对几种常用的二维条码的技术规范进行了翻译和跟踪研究。在消化国外相关技术资料的基础上，分别于1997年和2000年制定了两个二维条码的国家标准，即GB/T 17172-1997四一七条码和GB/T18284-2000快速响应矩阵码。 随着我国市场经济的不断完善和信息技术的迅速发展，国内对二维条码这一新技术的需求与日俱增，中国物品编码中心在原国家质量技术监督局和国家有关部门的大力支持下，对二维条码技术的研究不断深入。中国物品编码中心立项进行了二维条码码制设计、编
8、码原理等方面的探索研究工作，通过对二维条码图像处理识别、解码算法以及隐形码等关键技术的研究，取得了初步成果。为使二维条码技术能够在我国的证照管理领域得到应用，在国外应用软件平台的基础上，该中心开发了人像照片和指纹数据压缩算法。 由于大多数二维条码标准都是从国外引进，不能完全适应国内的应用环境，并且这些二维条码标准没有为中国汉字进行特别的优化设计，编码效率较低。同时，相关的识读设备核心技术几乎都掌握在国外厂商手中，在国内进行销售的大多是国外厂商的代理或组装产品，不仅生产成本高昂，严格的专利保护更导致了国内的二维条码识读设备价格昂贵。另一方面，国内企业由于使用没有自主知识产权的码制，随时有卷入产权
9、纠纷的风险。2005年我国几个IT厂商因为使用Data Matrix码的标准受到专利侵权指控，应用国外条码带来的隐患已经由潜在风险上升为现实的危险。同时，一些特殊行业的应用还存在信息安全隐患。因此，国内市场对拥有自主知识产权的二维码制的需求非常迫切7。 根据这种需求，科技部设立了国家“十五”重大科技专项二维条码新码制开发与关键技术标准研究。中国物品编码中心作为项目承担单位，组织完成了汉信码的全部研究工作，于2005年12月26日顺利通过验收，并制定完成汉信码国家标准报送国家标准化管理委员会，现在汉信码已经成为我国第一个具有自主知识产权的拥有国家标准的二维条码8。 与此同时，国内很多企业也看到其
10、中蕴含的巨大商机，纷纷开始二维条码核心技术的研发。2003年上海龙贝科技集团研发的龙贝二维条码的多项技术指标超过了国际上现有的同类码制，整体技术达到国际先进水平，实用性强，通过了技术鉴定。龙贝码是具有第一个我国自主知识产权完整技术体系的二维条形码系统，并且已经得到了实际的应用。但该码的编码技术的规范和资料没有完全公开，限制了它的发展。2004年9月深圳矽感科技公司在经过两年的艰苦研究，投资了几千万元之后，发明了紧密矩阵码（CM码）和网格矩阵码（GM码），并在2006年5月正式成为国家电子行业标准。专家认为，CM码和GM码具有独特的技术优势。CM码的超大容量在世界范围内是一枝独秀，同等面积的码图
11、比美国PDF417码的容量大32倍，能轻松地将照片或大段的汉字信息存储在一个不大的码图内。通过分析齿孔定位信息和分段信息可快速完成二维条码图像的识别和处理，大大减少了硬件设备进行图像处理的资源需求，从而使设备成本大幅降低。GM码具有抗污损、抗畸变及360度大倾斜视角可解码等优异性能，成为全球唯一码图中没有“死穴”的二维条码9，国内常见的二维条码如图3所示。3二维条码的应用前景 在国外，二维条码技术已经广泛应用于政府部门（如档案管理）、公共安全（如枪械证、身份证）、交通运输（如驾驶证）、邮政（如包裹单）、医疗保健（如医疗卡）、工商行政管理（如代码证营业执照）、金融业（如银行的汇票、支票）、海关（
12、如海关报关单）、物流（如货物标识、跟踪与追溯）等需要信息携带、信息传递、信息防伪的行业。例如，美国在身份证、驾驶证、军人证等证件中，除了将姓名、单位、地址、电话、个人简历等信息进行编码外，还将人体的特征，如指纹、视网膜扫描以及照片等个人信息存储在可识别的条码中，这样可以实现证件信息的自动录入，进入网络化管理，有效地防止证件的伪造，减少犯罪。二维条码已在美国、加拿大、新西兰等国家的交通部门的执照、年审车辆违章登记及年检上全面应用。许多发展中国家如菲律宾、埃及和巴林等国也在各种个人证件卡中采用二维条码，并迅速推广2。 二维条码技术已在我国的汽车行业自动化生产线、医疗急救服务卡、涉外专利案件收费、珠
13、宝玉石饰品管理及银行汇票上得到了应用。1999年3月在北京举行的全国人大第九届三次全体会议和全国政协第九届三次全体会议期间，在随行人员证件、记者证、旁听证上成功地应用了二维条码技术，引起了与会代表和新闻界的极大关注。我国香港特别行政区已将二维条码应用在护照上。我国现已着手开始二维条码在工商证照管理的试点工作。其中由我国自主开发的汉信码也已经在社会生活的方方面面得到了广泛的应用10，如在图书物流信息系统的应用（北京西南物流中心）、在铁路重要物资质量跟踪追溯系统的应用（北京万博网讯科技有限公司）、在仓库散货管理中的应用（天津天保冈谷国际物流有限公司）、汉信码竞赛/考试应用系统（北京师范大学第二届数
14、学建模竞赛）。目前我国的部分大专院校、科研院所、设备制造商已开始对二维条码技术表示关注，二维条码技术在我国的推广应用已展露出诱人的前景。 下面将主要介绍一下二维条码技术在农产品质量可追溯系统中的应用情况。 随着人民生活质量的不断提高及中国入世后农产品流通面临的新情况，农产品安全问题引起了越来越多人的重视。为了让消费者充分了解农产品的种源情况、生产基地环境质量、栽种养殖过程、用料用药情况、加工销售过程等各个环节,实现对农产品从“农田到餐桌”全方位的监控,建立一个农产品质量可追溯系统是保证农产品质量安全的有效途径11，而其中的关键在于可追溯标签的建立。 通常情况下，追溯标签主要由一维条码组成，然而
15、，一维条码密度较低，只能标识数据而不能对产品进行描述。而在追溯标签中引入二维条码，即可弥补一维条码的这些不足。二维条码具有高可靠性，可表示文字及图像等多种信息，保密防伪性强等优点以及超强的纠错功能，更使得它在农产品的运输过程中，即使发生穿孔、污损等局部损坏时，仍然能够有效地表示信息，实现正常的识读。追溯标签通常包括一维条码（一级条码）、二维条码（二级条码）、认证标志（有机、绿色、无公害）、条码查询方法、标签部分具体内容（产品名称、包装类型、等级、生产日期、生产标准、公司名称、追溯网址）等。台湾农产品安全追溯资讯网即采用EAN-13码和QR码相结合的追溯标签来进行农产品的追溯，如图4(a)所示；
16、在Gonzales-Barron12等人提到的冷冻家禽类质量追溯系统的追溯标签中采用了Data Matrix码，该系统是将Data Matrix码直接打印在冻鸡的鸡喙上，并借助条码识读设备来读取Data Matrix码中储存的信息来进行质量追溯工作，如图4(b)所示；中国牛肉质量安全追溯系统查询网则采用了由中国农业大学开发研制的追溯标签对牛肉质量进行跟踪调查，该标签由UCC/EAN-128码和QR码共同组成。消费者可以登录该网站，对在超市等地购买到的贴有追溯标签的肉牛食品进行查看，使消费者能够吃上安全放心的优质牛肉13，如图4(c)所示。 图4 应用二维条码的追溯标签4结论二维条码这种新兴的自动识别技术有着其它自动识别技术无法比拟的优势，是条码发展史上的里程碑。它不仅可以用来“描述”物品，增加了信息存储容量，提高了生产效率，还成为了农产品质量追溯系统中的一个关键环节。在经济全球化、信息网络化、生产国际化的当今社会,要使条码更加胜任信息交换的媒介,二维条码技术的应用推广非常重要且不可缺少。
