DE102004036809A1

DE102004036809A1 - Rasterdruckdatenspeicher und Verfahren zum Codieren der Daten

Info

Publication number: DE102004036809A1
Application number: DE102004036809A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Wirnitzer; Slavtcho Bonev
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-03-23

Abstract

Gegenstand mit aufgebrachtem Rasterdruck zur Speicherung von codierten Daten mit hoher Datendichte, wobei die bedruckte Fläche des Gegenstands in aneinander grenzende, aus Rasterpunkten bestehenden Rasterzellen unterteilt ist und in jeder Rasterzelle mindestens zwei unterschiedliche Muster R, I, ... gedruckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Muster R, I, ... aus paarweise gleichflächigen, nicht überlappenden Mustern (R¶0¶, R¶1¶) bzw. (I¶0¶, I¶1¶) ausgewählt ist, mit mindestens einem Rasterpunkt an ein anderes Muster der gleichen Rasterzelle grenzt und unterschiedliche Rasterpunkte in der Rasterzelle belegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gegenstand mit aufgebrachtem Rasterdruck zur Speicherung von digitalen Daten und ein Verfahren zum Codieren solcher Datenfelder nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 7.

Die Speicherung von Information durch Beschreiben von Gegenständen geht zurück bis zu den ägäischen und hethitischen Hieroglyphen. Dabei dienen definierte Muster als Symbole für Worte, Silben oder Buchstaben. Zur Speicherung von digitalen Daten wird den Mustern ein so genanntes Informationsbit oder eine Informationsbitfolge zugeordnet.

In der US-PS 5 315 089 werden nicht rotationssymmetrische Muster definiert verdreht, um digitale Daten zu speichern. Weitereinwicklungen der Technik ermöglichen die Überlagerung von visueller Information, wie z.B. in der US-PS 5706 099 beschrieben. Dabei werden in einer Rasterzelle in den Ecken zwei 90-Grad-Kreisbögen gedruckt. Die Rasterzellen werden zur Datencodierung um 90 Grad gedreht. Unterschiedliche Grautöne werden durch unterschiedlich dicke Kreisbögen erzielt. In der US-PS 5 315 098 ist eine Weiterentwicklung aufgezeigt, die den visuellen Eindruck der codierten Rasterbilder verbessert.

Dem bislang aufgezeigten Stand der Technik ist gemein, dass die Datendichte der Codes stärker beschränkt ist als man zunächst erwartet. Der Grund liegt darin, dass in der digitalen Drucktechnik einzelne Rasterpunkte praktisch nicht gedruckt werden können. Auch eng benachbarte Linien laufen leicht ineinander. Das Ineinanderlaufen der Rasterpunkte wird durch schlechte Optiken in den Lesegeräten noch verstärkt. Bei der Verwendung eines Laserdruckers mit 1200dpi kann der in der US-PS 5 315 089 beschrieben Datenstreifen ca. 6000 bit/cm² speichern (Bruttodatendichte ohne Redundanz zu Fehlersicherung). Dabei wird in einer Zelle von 6 × 6 Rasterpunkten ein Informationsbit gespeichert.

In der DE 199 26 194 ist ein Datenstreifen und ein Verfahren zur Codierung und Decodierung beschrieben, mit dem es möglich ist, durch Bedrucken eines Datenträgers digitale Daten mit einer hohen Datendichte zu speichern und danach wieder auszulesen. Ein derartiger Datenspeicher kann zum Beispiel dazu verwendet werden, um komprimierte Audiodaten auf Papier zu speichern und danach mit einem einfachen Handgerät auszulesen und akustisch wiederzugeben. Das zugehörige Verfahren beruht darauf, daß verschiedene zweidimensionale Muster auf die Unterlage gedruckt werden, wobei jedes dieser Muster einem Informationsbit oder einer Bitfolge entspricht. Bei der Decodierung wird eine zweidimensionale Mustererkennung eingesetzt, um die Bitfolge zu rekonstruieren. Das Ziel einer hohen Datendichte wird dadurch erreicht, dass in den Datenstreifen an definierten Stellen bekannte zweidimensionale Muster eingebaut werden, die keine Information tragen. Diese Muster dienen als Trainingsmuster für das Lesegerät. Treten nun beim Druckprozess oder im Lesegerät Störungen, wie z.B. ein Verfließen der Druckfarbe oder eine Unschärfe bei der optischen Abbildung, auf, so können diese Einflüsse im Lesegerät berücksichtigt werden.

In der deutschen Patentanmeldung Akz. 103 45 669.4 ist sodann ein Datenstreifen mit Kopierschutz und ein Verfahren zum Codieren solcher Datenstreifen beschrieben. Der Kopierschutz wird dadurch erzielt, dass das Material des Datenträgers eine lokal zufällige Strukturkomponente enthält und ein von Datenstreifen zu Datenstreifen verschiedener Sicherungscode als Fälschungs- und Kopierschutz abgelegt wird. Der Sicherungscode ist dabei abhängig von der zufälligen Strukturkomponente. Im Falle eines bedruckten Datenstreifens kann neben der Strukturkomponente des Datenträgers vorteilig auch die Wechselwirkung der Strukturkomponente mit der Druckfarbe gemessen, codiert und als Sicherungscode eingefügt werden.

Bei der praktischen Umsetzung des in Aktz. 103 45 669.4 beschriebenen Verfahrens zeigt sich, dass die Messung der zufälligen Strukturkomponente dann sehr schwierig wird, falls der Datenstreifen mit hoher Auflösung gedruckt wurde. Erstens fließen die Druckpunkte dann leicht ineinander und dieses Ineinanderfließen ist nur sehr bedingt ein Zufallsprozess, der für den Fälschungsschutz verwendet werden kann. Zweitens bewirkt eine endliche Ortsauflösung des Lesegeräts, dass das Ineinanderfließen im aufgenommen Bild noch verstärkt erscheint. Innerhalb des Datenstreifens ist dann kaum noch eine verwertbare Zufallsstruktur messbar.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein auf einem Gegenstand aufgebrachten Rasterdruck so auszubilden, dass es als Datenspeicher verwendet werden kann und dass auch bei einem Druck mit hoher Auflösung die in Rasterzellen gedruckten Rasterpunkte möglichst nicht ineinander laufen sowie ein Verfahren zum entsprechenden, einfachen Codieren und Decodieren der Daten anzugeben. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Haupt- und Nebenanspruch gelöst. Der Nutzeffekt liegt darin, dass in einer Rasterzelle zusätzliche Informationsbits gespeichert werden können, ohne dass mehr Fläche bedruckt wird und die Anforderungen an den Druck oder den Decoder steigen. Die Technik eignet sich als Folge besonders gut zur Erstellung von Datenstreifen mit Fälschungsschutz wie in Aktz. 103 45 669.4 beschriebenen.

Durch den Hauptanspruch 1 wird erreicht, dass in jeder Rasterzelle mindestens zwei Informationsbits gespeichert sind. Im Falle von nur zwei Mustern R und I liegt ein so genanntes komplexes Symbol mit dem Realteil R und dem Imaginärteil I vor. Dabei bezeichnet das Wort Symbol, die dem gedruckten Mustern zugeordnete Logik. Die Muster R, I, ... sind nun erfindungsgemäß so ausgelegt, dass sie sich zu zusammenhängenden Druckflecken ergänzen. Derartige zusammenhängende Druckflecken stellen einen geringen Anspruch an die Drucktechnik, solange die einzelnen Flecken unterschiedlicher Rasterzellen nicht zu nahe beieinander liegen. Dadurch, dass weiterhin jedes der Muster R, I, ... unterschiedliche Rasterpunkte in der Rasterzelle belegt, liegen so genannte orthogonale Muster vor, die später besonders gut zu unterscheiden sind.

Nach Anspruch 2 kann durch Verkleinerung der Rasterzellen die bedruckte Fläche reduziert und damit die Datendichte erhöht werden. Die Rasterzellen werden dabei so klein ausgelegt, dass dadurch die Flecken bis an die Grenzen der Rasterzellen gehen, aber dort gezielt mit den Flecken anderer Rasterzellen zusammenwachsen. Die Druckfarbe kann damit gezielt zwischen den Flecken verschiedener Rasterzellen verlaufen, ohne dass sich das Gesamtdruckbild wesentlich verändert.

Durch die Ansprüche 3 bis 5 ist es möglich, den gespeicherten Daten visuelle Information zu überlagern, ohne dass die Datenspeicherung stark gestört wird. Das Ergänzen und Weglassen von Rasterpunkten ist auch vorteilhaft, um möglichst runde Druckflecken zu erzielen. Es kann aber auch verwendet werden, um zusätzliche Information in einer Rasterzelle zu speichern. Im Falle eines komplexen Symbols spricht man auch von höherwertigen komplexen Symbolen. Existieren z.B. die Muster R und I in jeweils in einer größeren und kleineren Ausprägung, so können 16 verschiedene Gesamtmuster erzeugt werden und damit ist eine Codierung von 4 Informationsbit in einer einzigen Rasterzelle möglich. Um die Anforderungen an den Druck nicht zu erhöhen ist jedoch wichtig, dass bei dem Ergänzen und Weglassen der Rasterpunkt das Muster des Realteils noch an das Muster des Imaginärteils grenzt.

Durch Anspruch 6 wird schließlich die Überlagerung von visueller Farbinformation ermöglicht.

Die Ansprüche 7 bis 11 erläutern das Verfahren, nach dem die Informationsbits oder auch visuelle Information in die Rasterzellen codiert werden kann.

Der große Vorteil der beschriebenen Erfindung liegt in der Erhöhung der Datendichte, ohne dass die Anforderungen an den Druck oder der Aufwand für den Decoder steigen. Die geringen Anforderungen an den Druck haben ihre Ursache in dem Zusammenwachsen der Muster R, I, ..., wie oben erklärt. Die einfache und zuverlässige Decodierung rührt von der Orthogonalität der Muster R, I, ... her, was für den Fall komplexer zweiwertiger Symbole (R, I) kurz erläutert wird. Nach dem Einlesen des Rasterdruckbildes erfolgt in einer Taktbestimmung die Berechnung der Position der Rasterzellen. Die Bildintensitäten jeder Rasterzelle werden dann einem komplexen, zweidimensionalen digitalen Filtern zugeführt. Bei geeigneter Wahl der Filterkoeffizienten ergibt sich, aufgrund der Orthogonalität der Muster, am Filterausgang im rauschfreien Fall einer der Werte (±3, ±1; ±j, ±3j), womit 4 Informationsbits codiert sind. Die geeigneten Filterkoeffizienten findet man z.B. durch Lösen eines linearen Gleichungssystems nach der Methode der kleinsten Quadrate. Die komplexe Linearkombination der Bildintensitäten der Rasterzelle muss dabei einen der Werte (±3, ±1; ±j, ±3j) ergeben. Im vorliegenden Beispiel werden vier Bit mit einem einzigen komplexen Filter decodiert. Der Rechenaufwand pro Bit ist also sogar um den Faktor 2 geringer als in dem Fall, dass in einer Rasterzelle nur 1 Bit gespeichert ist.

Eine weitere vorteilige Methode für den Decoder ist ein zweischichtiges neuronales Netz NN, dem die Bildpunkte einer Rasterzelle zugeführt werden. Die Dimension der verdeckten Schicht und die Gewicht werden dann durch Computersimulationen optimiert und bestimmt. Der Vorteil gegenüber der zuerst dargestellten Filter-Methode ist die Möglichkeit des NN auf Nichtlinearitäten des Drucks zu reagieren. Weiterhin kann die Ortsauflösung im Lesegerät reduziert sein, wie theoretisch noch nicht erklärte Experimente zeigen. Konkret kann ein 1200dpi Druck mit einem 1200dpi Scanner eingelesen werden. Bei der Filter-Methode wäre, aufgrund des Abtasttheorems, ein 2400dpi Scanner nötig.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen genauer erläutert. Dabei zeigen:
1 den Aufbau eines komplexen Symbols aus Realteil und Imaginärteil,
2 Modifikationen der gedruckten Muster an den Rändern,
3 weitere Modifikationen der gedruckten Muster an den Rändern,
4 ein Beispiel für einen Rasterdruckdatenspeicher.
1 zeigt Rasterzellen aus 6 × 6 Rasterpunkten. In die Rasterzelle 5 ist ein so genanntes komplexes Symbol gedruckt, das aus dem Realteil R 1 und Imaginärteil I 3 besteht. Der Realteil R wird aus den zwei Mustern R₀ 1 oder R₁ 2 ausgewählt, ebenso der Imaginärteil I aus den Mustern I₀ 3 oder I₀ 4. In einem komplexen Symbol können damit zwei Informationsbits gespeichert sein. Die zum Realteil gehörigen Muster 1 und 2 codieren die Informationsbits NULL bzw. EINS. Die zum Imaginärteil gehörigen Muster 3 und 4 codieren ebenso die Informationsbits NULL bzw. EINS. Im vorliegenden Beispiel ist in der Rasterzelle 5 die Informationsbitfolge NULL-NULL codiert. Die Rasterzellen 6, 7 und 8 codieren die Informationsbitfolgen NULL-EINS, EINS-NULL und EINS-EINS. Dadurch, dass der Realteil und der Imaginärteil des komplexen Symbols für jede Informationsbitfolge aneinander grenzen, entstehen zusammenhängende Flecken, die sich besonders gut drucken lassen. Jedes komplexe Symbol besteht weiterhin aus zwei symmetrisch angeordneten Flecken. Diese Symmetrie unterstützt später die einfache Decodierung. Ein weiterer Vorteil ist, dass jedes der vier zusammengesetzten Gesamtmuster 5, 6, 7, 8 unterschiedliche Rasterpunkte in der Rasterzelle belegt. Die vier Gesamtmuster sind also im mathematischen Sinne orthogonal. Dies beinhaltet die erfindungsgemäß geforderte Orthogonalität zwischen Realteil R und Imaginärteil I. In der Abbildung sind die Realteile und die Imaginärteile zur Verdeutlichung bewusst in unterschiedlichen Grauwerten dargestellt, was natürlich in der Anwendung nicht nötig ist.
2 zeigt die erfindungsgemäße Modifikation der Muster an den Rändern. Die Gesamtmuster 9, 10, 11 und 12 entstehen aus den Gesamtmustern 5, 6, 7 und 8 indem an den Rändern jeweils 2 Rasterpunkte nicht besetzt werden. Die Muster des Realteils und des Imaginärteils verlieren dabei je einen Rasterpunkt, der jeweils am Rand des Gesamtmusters liegt. Die Gesamtmuster 13, 14, 15 und 16 bzw. 17, 18, 19, und 20 entstehen aus den Gesamtmustern 5, 6, 7 und 8, dadurch, dass an den Rändern ein bzw. zwei Rasterpunkte zusätzlich besetzt sind. Diese Rasterpunkte ermöglichen es, dem Rasterdruck visuelle Information zu überlagern, zusätzlich zu den gespeicherten Daten. Je mehr oder je weniger Rasterpunkte gesetzt sind, desto dunkler bzw. heller erscheint die Rasterzelle dem Auge. Die zusätzlichen Rasterpunkte können aber auch verwendet werden, um zusätzliche Daten zu codieren. Für die spätere Decodierung ist vorteilhaft, dass bei der Besetzung der Randpunkte in den Gesamtmustern 13 bis 20 die zugrunde liegenden Muster der Realteile und Imaginärteile orthogonal bleiben.
3 zeigt in den Gesamtmustern 21, 22, 23, 24 und 25, 26, 27, 28 eine andere Modifikation der Randpunkte, die besonders bei Druckprozessen nützlich ist, bei denen die Farbe stark verfließt.
4 zeigt ein Rasterdruckbild bei Verwendung der Gesamtmuster 9 bis 16. Da die Muster bis an die Grenzen der Rasterzellen gehen, wachsen sie mit den Mustern benachbarter Zellen zu größeren Flecken zusammen, was sich besonders geringe Anforderungen an den Druckprozess stellt. Bei Verwendung eines handelsüblichen Laserdruckers mit 1200dpi hat das dargestellte Rasterbild einen Durchmesser von 2,07cm und speichert 41,2kbit, was einer Datendichte von 12400bit/cm² entspricht. Dies liegt einen Faktor zwei über den bekannten Stand der Technik. Wird auf die Überlagerung der visuellen Information verzichtet, so lassen sich sogar 18600bit/cm² speichern und einfach decodieren.

Claims

Gegenstand mit aufgebrachtem Rasterdruck zur Speicherung von codierten Daten mit hoher Datendichte, wobei die bedruckte Fläche des Gegenstands in aneinander grenzende, aus Rasterpunkten bestehenden, Rasterzellen mit vordefinierter Form unterteilt ist und in jeder Rasterzelle mindestens zwei unterschiedliche Muster R, I, ... gedruckt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Muster R, I, ... i) aus paarweise gleichflächigen, nicht überlappenden Mustern (R₀, R₁) bzw. (I₀, I₁) ausgewählt ist, ii) mit mindestens einem Rasterpunkt an ein anderes Muster der gleichen Rasterzelle grenzt und iii) unterschiedliche Rasterpunkte in der Rasterzelle belegt.
Gegenstand mit aufgebrachtem Rasterdruck nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Muster R, I, ... an den Rand der Rasterzelle und zusätzlich an mindestens ein Muster R, I, ... einer anderen Rasterzelle grenzt.
Gegenstand mit aufgebrachtem Rasterdruck nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in manchen Rasterzellen an den Rändern der Muster R, I, ... eine definierte Anzahl Rasterpunkte weggelassen ist.
Gegenstand mit aufgebrachtem Rasterdruck nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in manchen Rasterzellen an den Rändern der Muster R, I, ... eine definierte Anzahl Rasterpunkte ergänzt ist.
Gegenstand mit aufgebrachtem Rasterdruck nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Rasterzelle die bedruckten Gebiete durch unbedruckte ausgetauscht sind.
Gegenstand mit aufgebrachtem Rasterdruck nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster R, I, ... in unterschiedlichen Farben gedruckt sind.
Verfahren zum Codieren von Daten durch Aufbringen eines Rasterdrucks auf einen Gegenstand, wobei die bedruckte Fläche des Gegenstands in aneinander grenzende, aus Rasterpunkten bestehenden, Rasterzellen mit vordefinierter Form unterteilt ist und in jeder Rasterzelle mindestens zwei Muster R, I, .... gedruckt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung von mindestens zwei Informationsbits jedes der Muster R, I, ... i) aus paarweise gleichflächigen, nicht überlappenden Mustern (R₀, R₁) bzw. (I₀, I₁) ausgewählt wird, ii) mit mindestens einem Rasterpunkt an ein anderes Muster der gleichen Rasterzelle grenzt und iii) unterschiedliche Rasterpunkte in der Rasterzelle belegt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung von mindestens einem zusätzlichen Informationsbit an mindestens einem der Muster R, I, ... informationsabhängig eine definierte Anzahl Rasterpunkte am Rand weggelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung von mindestens einem zusätzlichen Informationsbit an mindestens einem der Muster R, I, ... informationsabhängig eine definierte Anzahl Rasterpunkte am Rand ergänzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überlagerung visueller Information an mindestens einem der Muster R, I, ... informationsabhängig eine definierte Anzahl Rasterpunkte am Rand ergänzt oder weggelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überlagerung visueller Information in einer Rasterzelle die bedruckten Gebiete durch unbedruckte ausgetauscht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überlagerung visueller Information in einer Rasterzelle die Muster R, I, .... in unterschiedlichen Farben gedruckt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung zusätzlicher Informationsbits in einer Rasterzelle die Muster R, I, .... in unterschiedlichen Farben gedruckt werden.