DE10217156A1

DE10217156A1 - Datenstreifen zur Codierung gedruckter Daten

Info

Publication number: DE10217156A1
Application number: DE2002117156
Authority: DE
Inventors: Bernhard Wirnitzer; Andreas Brugger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Datenstreifen zur Speicherung von gedruckten codierten Daten mit hoher Datendichte. Dies geschieht dadurch, dass die bedruckte Fläche in Rasterzellen mit vordefinierter Form und vordefinierter Position unterteilt ist und in einer Rasterzelle jeweils eines von mindestens zwei gegeneinander verdrehten, nicht rotations-symmetrischen Mustern gedruckt ist, eine definierte Anzahl von Rasterzellen zu einer Makro-Rasterzelle zusammengefasst, die Rotationslagen der einzelnen Muster in den Rasterzellen vorher optimiert festgelegt sind und zur Datencodierung alle um den gleichen Winkel verdreht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Datenstreifen zur Speicherung von gedruckten codierten Daten mit hoher Datendichte insbesondere in der Form von Rasterbildern.
Das U.S. Patent 5 315 098 beschreibt eine Technik zur Codierung von Daten in Rasterbildern. Dies geschieht dadurch, daß die Orientierung von nicht- rotationssymmetrischen Rasterpunkten systematisch rotiert wird. Die Größe der Rasterpunkte wird entsprechend dem lokalen Grauton des Bildes variiert. In U.S. Patent 5 706 099 wird die Technik dahingehend verbessert, daß der vom Betrachter wahrgenommene Grautoneindruck des Bildes optimiert wird. Dazu werden die Rasterpunkte durch Rasterzellen ersetzt, in deren diagonal benachbarten Ecken sich zwei 90-Grad-Kreisbögen befinden. Die Rasterzellen werden zur Datencodierung um 90 Grad gedreht. Unterschiedliche Grautöne werden durch unterschiedlich dicke Kreisbögen erzielt.
In der Patentschrift DE 199 26 194 C2 sind ein Datenstreifen und ein Verfahren zur Codierung und Decodierung beschrieben, die eine sehr hohe Datendichte von bis zu 10 Kilobyte pro Quadratzentimeter ermöglichen. Diese hohen Datendichten werden dadurch erzielt, dass an definierten Stellen Suchmuster, die keine Information fragen eingebaut werden, und diese Suchmuster verwendet werden, um die informationstragenden Muster auch bei einer schlechten optischen Abbildung zu erkennen. Hierdurch ist es möglich, eine Decodierung mit einem preiswerten Gerät ohne hochwertige Optik und Mechanik zu ermöglichen. Durch ein gezielte Veränderung der Muster ist es möglich, dem Datenstreifen Bilder zu überlagern. In der Patenschrift DE 199 26 197 C1 wird ein spezielles Verfahren zur Synchronisation bei der Decodierung der Datenstreifen beschrieben. Die örtlichen Positionen der informationstragenden Muster werden dabei mit einem Modell verglichen, das während des Scanvorgangs adaptiert wird. Vor allem bei der Verwendung von Lesegeräten mit Zeilenkameras ist diese Technik von großem Nutzen.
Leider setzt die Decodierung der Datenbits aus Rasterbildern wie in U.S. Patent 5 315 098, oder U.S. Patent 5 706 099 beschrieben, einen sehr hochwertigen Scanner voraus, der eine sehr geringe geometrische Verzeichnung und eine hochwertige Optik mit hoher Bildschärfe besitzen muß. Eine Decodierung mit einem preiswerten Handscanner ist nicht denkbar, da die Erscheinungsbilder der einzelnen Rasterzellen nach dem Scanvorgang stark variieren und sogar nach jedem Scanvorgang unterschiedlich sind. Die Störungen sind z. B. abhängig von der Fertigungsgenauigkeit des Scanners, den Abbildungsfehlern der Optik, der Papiersorte auf dem das Rasterbild gedruckt wurde, der Druckqualität und der relativen Verkippung zwischen Scanner und Datenstreifen. Weiterhin ist das Drucken der Kreisbögen mit der digitalen Drucktechnik schwierig, da die Kreisbögen aus rechteckigen Rasterpunkten zusammengesetzt werden müssen. In Gebieten, in denen die Bildintensität sehr dunkel ist, fließen die Kreisbögen nach dem Druck außerdem ineinander und eine Decodierung der Information ist nicht mehr möglich.
Die in DE 199 26 194 C2 beschriebene Technik ermöglicht zwar eine Verbesserung bei der fehlerfreien Decodierung mit preiswerten Lesegeräten, aber die Überlagerung von Bildinformation ist nur sehr unzulänglich. Sehr helle und dunkle Bildintensitäten können nicht dargestellt werden, ohne dass die codierte Information verloren geht. Die Folge sind kontrastarme Bilder, die zudem unscharf wirken. Weiterhin verursachen die in DE 199 26 194 C2 beschriebenen stark asymmetrischen Muster ein für den Betrachter sehr unruhig wirkendes körniges Bild. Es wird kein Hinweis gegeben wie das Korn vermieden werden kann.
Wünschenswert wäre ein Datenbildstreifen mit

a) hoher Datendichte,
b) geringer Anforderungen an die Drucktechnik,
c) einfacher und zuverlässiger Decodierung,
d) der Möglichkeit, Bildinformation zu überlagern
e) ohne unruhiges Korn und mit
f) hoher Bildschärfe.

Die Aufgabe wird wie folgt gelöst: Entsprechend dem beschreibenden Teil von Anspruch 1 wird der Bilddatenstreifen in Rasterzellen unterteilt und in jeder Rasterzelle werden asymmetrische Muster gedruckt, die zur Codierung von Information gegeneinander verdreht sind. Um die Zuverlässigkeit bei der Decodierung zu erhöhen werden nun erfindungsgemäß eine definierte Zahl von Rasterzellen zu einer Macro-Rasterzelle zusammengefasst. Innerhalb einer Macro-Rasterzelle sind die Muster nach einem sogenannten Rotationsmuster definiert verdreht. Zur Datencodierung einer logischen NULL werden alle Muster der Macro- Rasterzelle z. B. um 90 Grad gedreht, zur Codierung einer EINS bleiben die Muster ungedreht. Es erscheint an dieser Stelle naheliegend für eine sichere Decodierung möglichst große Macro-Rasterzellen zu bilden! Es zeigt sich jedoch folgende überraschende Entdeckung: Bei Macro-Zellen der Größe 3 × 5 ergeben sich weniger Bitfehler als bei größeren Macrozellen, wie z. B. der Größe 4 × 5 oder 4 × 4. Für die Macro-Rasterzellen der Größe 3 × 5 wurde dabei von den 2⁸ möglichen Rotationsmustern das optimale Rotationsmuster gesucht. Ebenso wurden die quasi-optimalen Rotationsmuster für die Macro-Rasterzellen der Größe 4 × 5 und 4 × 4 gesucht.
Natürlich können auch größere Macro-Rasterzellen untersucht und entsprechenden optimiert werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Entscheidend für die Optimierung ist, dass eine kleinere Macro-Rasterzelle geringere Bitfehlerraten zeigt als eine größere.
Aus dem erfindungsgemäß optimalen Rotationsmuster r[i,j](i = 1, 2 j = 0, 1, 2, 3, 4) entstehen durch zyklische Verschiebung r[(i + di) modulo 3, (j + dj) modulo 5] (di = 1, 2,. . . dj = 1, 2,. . .) Rotationsmuster, die ebenfalls als optimal betrachtet werden. Die Verwendung definiert zyklisch verschobener Muster und logischer Kombinationen davon kann zur Speicherung zusätzlicher Information verwendet werden.
Eine wesentlich deutlichere Erhöhung der Datendichte ergibt sich jedoch dadurch, daß jeder Rasterzelle einer von mindestens 2 Grauwerten zugeordnet wird und jeder Grauwert durch ein unterschiedliches Muster repräsentiert wird. Die Anzahl der gesetzten weißen Pixel in einer Rasterzelle wird dabei entsprechend dem Grauwert verändert. Bei 64 unterschiedlich gedruckten Graustufen ist es realistisch, im Lesegerät 32 Graustufen sicher unterscheiden zu können. Das entspricht 5 Bit zusätzlicher Information pro Rasterzelle! Bei einer Rasterzellengröße von 0,1 mm × 0,1 mm ergibt sich damit eine zusätzliche Datendichte von 50 Kilobit pro Quadratzentimeter.
Entsprechend Anspruch 3 kann die Zuordnung von Grauwerten zu den Rasterzellen auch zur Überlagerung von Bildinformation verwendet werden. Die codierten Daten können so durch ein Bild gekennzeichnet werden, um Verwechslungen zu vermeiden.
Durch den Anspruch 5 ist es möglich, Datenblöcke in den Datenstreifen zu erkennen. Ein quadratischer Block kann z. B. aus 5 × 3 Macro-Rasterzellen der Größe 3 × 5 bestehen und 15 Bit codieren. Die Bits können zeilenweise, beginnend in der linken oberen Ecke abgelegt sein. Hat der nächste Datenblock einen Abstand von 2 Macro-Rasterzellen, so kann jeder Block eindeutig erkannt werden. Damit ist es möglich, Datenblöcke an beliebiger Stelle in ein Bild zu integrieren und aufgrund der Macro-Rasterzellen sicher zu decodieren.
Durch den Anspruch 6 ist es möglich, Decodierfehler zu vermeiden. Diese können z. B. durch schlechten Druck, ein teilweise Zerstörung des Datenstreifen, oder bei der Überlagerung sehr heller oder sehr dunkler Bildintensitäten entstehen. Wird ein Datenblock an verschiedenen Stellen des Datenstreifen abgelegt, so kann für jedes Codebit eines Blocks eine Wahrscheinlichkeit für das Codebit NULL oder EINS bestimmt werden. Die Entscheidung, welches Bit vorliegt, erfolgt nach bekannten Verfahren der digitalen Kommunikationstechnik. Je mehr Blöcke decodiert werden, desto zuverlässiger wird die Entscheidung.
Sind Bitfolgen zu codieren, die nicht in einen einzigen Datenblock passen, so können mehrere Blöcke unterschiedlicher Größe verwendet werden. Aufgrund der Blockgröße kann eindeutig entscheiden werden, um welchen Ausschnitt aus der Bitfolge es sich handelt.
Durch den Schritt in Anspruch 7 lässt sich bei der Überlagerung von Bildinformation die visuell wahrgenommene Bildschärfe erhöhen. Das digitalisierte Bild soll dazu feiner abgetastet vorliegen, d. h. für jede Rasterzelle ist ein ganzes Feld von Grauwerten bekannt. Dieses Feld f(x,y) wird mit einer nicht rotationssymmetrischen Rasterfunktion c(x,y) verglichen und falls f(x,y) > c(x,y) wird das Muster an der Stelle (x,y) schwarz, andernfalls weiß. Falls das Bild nicht in der nötigen Auflösung vorliegt, kann es durch Interpolation aus dem digitalisierten Bild erzeugt werden.
Im folgenden Teil wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen erläutert.
Fig. 1 veranschaulicht, wie gleichzeitig eine logische NULL oder EINS und ein Grauwert codiert werden. Als Beispiel werden Rasterzellen der Größe 7 × 7 verwendet. Der Grauwert (49 - 10 = 39) wird durch die Muster 1 oder 4, der Grauwert (49 - 6 = 43) wird durch die Muster 2 oder 5 und der Grauwert 23 wird durch die Muster 3 oder 6 codiert. Das Besetzen der Rasterpixel an den 4 Ecken der Rasterzelle ist besonders günstig sowohl für die Druckbarkeit, als auch für einen homogenen, nur schwach körnigen visuellen Eindruck. Je größer die Rotationssymmetrie, desto besser ist der visuelle Eindruck, aber um so schlechter wird die Decodierung der Information. Eine Decodierung nach bekannten Techniken ist bei dem vorliegenden Muster nicht mehr möglich.
Fig. 2 zeigt optimierte Macro-Rasterzellen die 3 × 5 Rasterzellen zusammenfassen. Es wird in 7 ein Codebit NULL und in 8 ein Codebit EINS codiert. Jede einzelne Rasterzelle codiert den gleichen Grauwert 39. Die verwendeten Einzelmuster 1 bzw. 4 aus Fig. 1 sind bis auf eine Verdrehung um 90 Grad identisch. In der Macro-Rasterzelle ist dies nicht mehr leicht erkennbar, da die Asymmetrie nur in den Eckpunkten der Rasterzellen auftritt. Benachbarte Rasterzellen wachsen dadurch zu neuen Mustern zusammen, was in Bezug auf die Druckbarkeit und den visuellen Eindruck besonders günstig ist. Im allgemeinen Fall kann jede einzelne Rasterzelle einen anderen Grauwert codieren. Der Grauwert kann codierter Information oder der Bildintensität eines digitalen Bildes entsprechen. Im letzteren Fall kann die Beschränkung auf z. B. 49 Graustufen zu so genannten Quantisierungsrauschen führen, falls die Bildvorlage mehr als 50 verschieden Bildintensitäten (z. B. 256) hat. In diesem Falle ist es günstig, bei jeder Rasterzelle die Quantisierungsfehler der benachbarten Rasterzellen zu addieren, und, falls die Summe größer oder Meiner als eine Graustufe ist, den Grauwert zu modifizieren.
Fig. 3 zeigt einen Datenstreifen, der aus 3 × 10 Macro-Rasterzellen der Größe 3 × 5 aufgebaut ist und 30 Bit codiert. Jede Rasterzelle codiert hier den gleichen Grauwert, wodurch für das Augen eine homogen graue Fläche erscheint. Die Feinstruktur und die Codierung ist mit dem bloßem Auge nicht mehr erkennbar und auch kann bei einer Kopie, oder bei einer fälschlich erfolgten, zusätzlichen Rasterung verloren gehen. Die Figur soll prinzipiell aufzeigen, dass der Datenstreifen in Schriftstücken und Büchern als Designelement eingebaut werden kann und gleichzeitig wichtige Informationen codiert. Er ermöglicht z. B. den gezielten Zugriff auf eine Datenbank mit über einer Milliarde Einträgen und wird in dieser Anwendung auch als DATENlink bezeichnet.
In Fig. 4 ist ein rechtwinklig erweiterter Datenstreifen an der rechten unteren Ecke eines Bildes angesetzt. Durch den Datenstreifen könnte z. B. der Zugriff auf eine Datenbank erfolgen, worauf das Tiergeräusch des Mandrill abgespielt wird.
Fig. 5 integriert einen Datenstreifen in der rechten unteren Ecke eines Rasterbildes.
Fig. 6 enthält im gesamten Bild viele integrierte Datenstreifen. Die Datenstreifen sind mit dem Auge nicht erkennbar, ermöglichen aber die Speicherung einer Datenmenge von 3,6 kBit.

Claims

1. Datenstreifen zur Speicherung von gedruckten codierten Daten mit hoher Datendichte, wobei die bedruckte Fläche in Rasterzellen mit vordefinierter Form und vordefinierter Position unterteilt ist und in einer Rasterzelle jeweils eines von mindestens zwei gegeneinander verdrehten, nicht rotationssymmetrischen Mustern gedruckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass

a) eine definierte Anzahl von Rasterzellen zu einer Macro-Rasterzelle zusammengefasst wird,

b) die Rotationslagen der einzelnen Muster in den Rasterzellen vorher optimiert festgelegt sind und

c) zur Datencodierung alle Muster um den gleichen Winkel verdreht werden.

2. Datenfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rasterzelle ein von mindestens 2 Grauwerten zugeordnet ist, jeder der Grauwerte durch ein unterschiedliches Muster repräsentiert wird, und die Grauwerte codierten Daten entsprechen.

3. Datenfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rasterzelle ein von mindestens 2 Grauwerten zugeordnet ist, jeder der Grauwerte durch ein unterschiedliches Muster repräsentiert wird, und die Grauwerte den Intensitäten eines digitalisierten Bildes entsprechen.

4. Datenfeld nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Feld von 3 mal 5 Rasterzellen zu einer Macro-Rasterzelle zusammengefasst ist.

5. Datenfeld nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Datenblöcke aus einer definierten Anzahl von Macro-Rasterzellen gebildet sind und ein oder mehrere Datenblöcke in definierter Lage im Datenstreifen angeordnet sind.

6. Datenfeld nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Datenblöcke redundante Informationen enthalten.

7. Datenfeld nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rasterzelle eine 2-dimensionale örtliche Grauwertverteilung zugeordnet wird und die nicht-rotationssymmetrischen Muster aufgrund der Grauwertverteilung angepasst werden.