JP5391102B2

JP5391102B2 - ３値バーコードの検知方法及び検知装置

Info

Publication number: JP5391102B2
Application number: JP2010024969A
Authority: JP
Inventors: 弘夫若海
Original assignee: Tokyo Metropolitan University
Current assignee: Tokyo Metropolitan University
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-02-08
Also published as: JP2011164807A

Description

本発明は、３値バーコードの検知方法及び検知装置に関する。

自動生産ラインや自動倉庫における物品の移動制御に用いられるバーコード認識システムでは、記録容量の増大とバーコード検知（読取）の高速化が求められている。

記憶容量を増大させる手法としては、高密度２値２次元バーコードやカラー２次元バーコードの使用が考えられるが、２次元画像を光電変換し画像信号の認識処理をソフト的に行うＣＣＤ検知方式では、限界走査速度が５０ｓｃａｎ／ｓｅｃ程度と遅く、高速走査を必要とする自動生産ラインや自動倉庫での使用には適さない。

検知速度の高速化の面ではレーザースキャナを用いたシステムが有利であるが、当該システムは２値バーコードへの適用が実用化されているのみであり、レーザースキャナを用いたカラーバーコードやハーフトーンバーコードの検知手法は未だ確立されていない。

また、強い包絡検波信号を２レベルに減衰させて元の検知信号から差し引き、閾値で比較して黒・グレイ信号をそれぞれ取り出す従来のレーザ走査における２閾値検知法では、０．４ｍｍ以下の高密度の３値バーコードを検知すると、狭い幅と広い幅バーに対する単位時間当たりの光量の違いによる検知信号波形の歪が大きくなると共に、信号が微小になり、検知が不可能になる。
H. Wakaumi and C. Nagasawa, "A ternary barcode detection system with pattern-adaptable dual threshold", Sensors and Actuators A: Physical, vol. 130-131, pp176-183, August 2006.

本発明者は、上記課題に鑑み、小さい時定数を用いて発生させた包絡検波信号を検知信号から差し引いた平均値信号を用いることで波形歪を軽減するとともに、検知信号の微分信号を用いることでグレイ信号の検知レベルを向上させる手法（特願２００８−２７０１９５／非特許文献２）を発案し、従来の手法よりも高速で高密度なバーコード検知を実現した。
H. Wakaumi, "A High-Speed Ternary Barcode Detection System Employing an Envelope-Differential Composite Method," IEEE SENSORS 2008, B4P-J6, pp. 1076-1079, Oct. 2008.

しかし、この手法では、平均値信号から検出される黒信号と微分信号から検出される黒信号の間の時間差を埋めるためにカウントラッチ遅延方式を用いていたために、検知距離（バーコードから検出手段までの距離）が長くなった場合には、検知信号が微小になり波形歪に起因した波形の不揃いにより、遅延が不安定になる問題があることが明らかとなった。

安定的な検知を実現するべく、広範囲での検知を可能にするには、この波形歪の影響を受けないようにし、かつ極小さな信号を検知可能にする必要があるが、従来、これといった解決手法は開発されていない。

本発明は上記問題に対処したものであり、以下のいずれか１以上の目的を達成するものである。

すなわち本発明の目的は、大容量の情報を記録可能な３値バーコードの高速で、かつ、長い検知距離での安定な検知を行うことが可能な検知方法及び装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、より簡単又は安価な回路構成で３値バーコードの長い検知距離での安定した検知を行うことが可能な検知方法及び装置を提供することにある。

本発明は、走査光に対する反射率が相互に相違する第１バー及びスペースと、前記反射率が前記第１バーと前記スペースの中間の値である第２バーの配列により構成される３値バーコードの検知方法であって、前記走査光で前記３値バーコードを走査したときの反射光の検知信号に基づいて平均値信号を生成する平均値信号生成手順と、前記平均値信号に対する微分信号を生成する微分信号生成手順と、前記平均値信号を第１閾値と比較することで前記第１バーに対応する第１バー信号を生成する第１バー信号生成手順と、前記微分信号を第２及び第３閾値と比較することにより前記第１バー及び第２バーに対応する混合信号を生成する混合信号生成手順と、前記混合信号を遅延させることにより遅延混合信号を生成する遅延混合信号生成手順と、前記第１バー信号と前記遅延混合信号に基づいて前記第２バーに対応する第２バー信号を生成する第２バー信号生成手順とを含み、前記混合信号に対する前記遅延混合信号の遅延時間が固定値であることを特徴とする検知方法（請求項１）、又は、走査光に対する反射率が相互に相違する第１バー及びスペースと、前記反射率が前記第１バーと前記スペースの中間の値である第２バーの配列により構成される３値バーコードの検知装置であって、前記走査光で前記３値バーコードを走査したときの反射光の検知信号に基づいて平均値信号を生成する平均値信号生成手段と、前記平均値信号に対する微分信号を生成する微分信号生成手段と、前記平均値信号を第１閾値と比較することで前記第１バーに対応する第１バー信号を生成する第１バー信号生成手段と、前記微分信号を第２及び第３閾値と比較することにより前記第１バー及び第２バーに対応する混合信号を生成する混合信号生成手段と、前記混合信号を遅延させることにより遅延混合信号を生成する遅延混合信号生成手段と、前記第１バー信号と前記遅延混合信号に基づいて前記第２バーに対応する第２バー信号を生成する第２バー信号生成手段とを含み、前記混合信号に対する前記遅延混合信号の遅延時間が固定値であることを特徴とする検知装置（請求項６）である。

本発明では、レーザー光等の走査光を走査する方式でバーコード検知（読取）が行われるため、自動生産ラインや自動倉庫等での使用に耐える高速検知が可能である。更に、混合信号から遅延混合信号を生成するための遅延時間が固定値とされているために、回路構成の簡略化、低価格化を達成することが可能である。

この遅延時間は、混合信号における特定の第１バーに対応するパルスの開始時点をｔ１、第１バー信号における当該特定の第１バーに対応するパルスの開始時点及び終了時点をそれぞれｔ２及びｔ３として、ｔ１からｔ２までの時間よりも長く、ｔ１からｔ３までの時間よりも短いこと（請求項２）が好ましい。

本発明によれば、特願２００８−２７０１９５／非特許文献２において長い検知距離で生じていた波形歪みの影響が軽減され、より長い検知距離での安定なバーコード検知が可能となる。

本発明における「走査光」は、バーコードに照射されたときに第１、第２バー及びスペースからそれぞれ異なる反射率で反射光を反射させる任意の光であり、その典型例にはレーザー光が含まれる。

本発明における「３値バーコード」は、走査光に対する反射率が相互に相違する第１、第２バー及びスペースの配列により構成されるものであり、その典型例には、黒色の第１バー、灰色の第２バー及び白色のスペースが１次元方向に配列された単一ライン３値バーコードが含まれる。
本発明では、前記選択信号の逆相信号と前記遅延混合信号の論理積を取ることによりパルス期間が調整された調整第１バー信号を生成する調整第１バー信号生成手順を更に含むこと（請求項４）が好ましく、これにより生成される調整第１バー信号は、第１バーのバー幅により近いパルス幅を有するため、より精密なバーコード解析が可能となる。

本発明の１実施形態に係るバーコード検知装置を示す説明図。本発明のバーコード検知方法において生成される信号波形を示す説明図。本発明の１実施形態における遅延時間の決定方法を説明するための参考図。本発明のバーコード検知方法における検知特性を示す説明図。

図１は、本発明の一実施形態に係る３値バーコード検知方法を実行することができるバーコードの検知装置を示す説明図であり、図２は、当該検知方法において生成される信号波形を示す説明図である。

図１に示されるように、本実施形態の検知装置では、レーザーダイオードスキャナ１からのレーザー光（走査光）によりバーコード２が走査され、バーコード２からの反射光はフォトダイオード（検知手段）３により検出され、増幅器４により増幅される。

バーコード２は、図２（ａ）に示すように、所定幅の黒バー（第１バー）２ａ、グレイバー（第２バー）２ｂ及びスペース２ｃが１次元方向に配列された単一ライン３値バーコードである。

図２（ｂ）には、増幅器４の出力である検知信号Ｓ１の波形が示されているが、バーコード２におけるバー幅が狭くなるにつれて、レーザー光のビーム幅が狭いバー幅を超えるようになるために、広バーと狭バーとで実質的に反射光量が異なり、信号レベルの違いが生じる。従って、検知信号Ｓ１には図示のような不規則な信号歪が生じるため、非特許文献１に示される手法では、安定なバーコード検知を行うことは困難となる。

この問題に対処するため、単一のバーコード２の走査に要する時間をＴとして、Ｔ／６０以下の時定数τをもって発生させた包絡線検波信号を用いて検知信号Ｓ１における歪の除去が行われる。

即ち、増幅器４からの検知信号Ｓ１は包絡線検波器５に入力され、所定の時定数τをもって包絡線検波信号Ｓ２が出力される。図２（ｃ）は、バーコード２の走査周期Ｔが３ｍｓｅｃである場合に時定数τを７μｓｅｃとしたときの検知信号Ｓ１に対する包絡線検波信号Ｓ２の波形である。

包絡線検波器５からの包絡線検波信号Ｓ２は６０％減衰器６において減衰を受けて基準信号Ｓ３として出力され、これがフォトダイオード３／増幅器４から出力された検知信号Ｓ１から差し引かれ、更に、利得１．３の増幅器７による増幅を受けて平均値信号Ｓ４として黒レベル比較器８及び微分回路９に供給される。なお、増幅器７による増幅は、検知信号Ｓ１から基準信号Ｓ３を差し引くことによる信号強度の低下を補うことを意図したものである。

図２（ｄ）には、平均値信号Ｓ４の波形が示されている。図２（ｂ）の検知信号Ｓ１との比較で明らかなように、検知信号Ｓ１から上記のように生成された基準信号Ｓ３を差し引くことにより、検知信号Ｓ１における不規則な歪を効果的に除去することが可能である。

また、平均値信号Ｓ４における黒バー２ａの信号レベルは比較的安定しており、グレイバー２ｂの信号レベルに対する相違も十分な大きさに保たれている。従って、黒レベル比較器８において平均値信号Ｓ４を所定の閾値Ｖ_Ｔ１と比較することにより、黒バー２ａに対応する反転黒コード信号（第１バー信号）Ｓ５を生成することが可能である（図２（ｊ））。第１バー信号Ｓ５は、図示のように、平均値信号Ｓ４が閾値Ｖ_Ｔ１以下となった時点から閾値Ｖ_Ｔ１以上となるまでをパルス期間とするパルス信号である。

一方で、バー幅寸法の極めて小さい高密度バーコード２を使用した場合には、平均値信号Ｓ４におけるグレイバー２ｂの信号強度は小さくなるため、反転黒コード信号Ｓ５と同様の方法ではグレイバー２ｂを安定に検出することは困難となる。

このため、本実施形態では、平均値信号Ｓ４に微分法を適用することによりグレイバー２ｂ検出の安定化が図られている。すなわち、微分回路９は平均値信号Ｓ４を微分することにより微分信号Ｓ６を２値比較器１０に出力し、２値比較器１０はこの微分信号Ｓ６を所定の閾値Ｖ_Ｔ２、Ｖ_Ｔ３と比較することにより、第１、第２パルス信号Ｓ７、Ｓ８を出力する。

ここで、微分信号Ｓ６及び第１、第２パルス信号Ｓ７、Ｓ８の波形はそれぞれ図２（ｅ）〜（ｇ）に示されており、第１パルス信号Ｓ７は、白色領域から黒色又はグレイ領域への遷移を検出するものであり、第２パルス信号Ｓ８は、黒色又はグレイ領域から白色領域への遷移を検出するものである。

そして、プリセット−リセット回路１１は、第１パルス信号Ｓ７の立ち上がりエッジ（白色領域から黒色又はグレイ領域への遷移に対応する）においてプリセット動作を行い、第２パルス信号の立ち上がりエッジ（黒色又はグレイ領域から白色領域への遷移に対応する）においてリセット動作を行うことにより、黒バー２ａ及びグレイバー２ｂに対応する混合信号Ｓ９（図２（ｈ））を生成する。このように、混合信号Ｓ９は、微分信号Ｓ６がＶ_Ｔ２未満からＶ_Ｔ２以上となった時点から、微分信号Ｓ６がＶ_Ｔ３以上からＶ_Ｔ３未満となった時点までをパルス期間とするパルス信号である。

グレイバー２ｂに対応するグレイコード信号は、混合信号Ｓ９から反転黒コード信号Ｓ５に対応するパルスを除去することにより生成することができるが、混合信号Ｓ９における黒バー２ａに対応するパルスと反転黒コード信号Ｓ５におけるパルスにはタイミングのズレがあるため、そのままではこの除去を行うことはできない。

特願２００８−２７０１９５の方法では、ラッチメモリを用いて混合信号Ｓ９と反転黒コード信号Ｓ５の対応するパルスの時間差ΔＴを計測し、この時間差ΔTだけ混合信号Ｓ９を遅延させることで遅延混合信号を生成し、この遅延混合信号を用いてグレイコード信号を分離する手法を採用した。しかし、この手法では、検知距離（バーコード２からフォトダイオード３までの距離）が長くなったときに検知信号Ｓ１の波形歪みの影響で時間差ΔＴの計測値が不安定となり、その結果、混合信号Ｓ９からの反転黒コード信号Ｓ５に対応する生成パルスが実際のバー幅より大きく異なったものとなる等の問題が見出された。

このため、本発明では、以下に述べる方法により決定される固定時間ΔＴだけ混合信号Ｓ９を遅延させ、遅延混合信号Ｓ１０を生成することでこの問題を解決した。

図３は、固定時間ΔＴの決定方法を示す説明図であり、図２（ａ）、（ｆ）、（ｈ）、（ｊ）のバーコード２、第１パルス信号Ｓ７、混合信号Ｓ９及び反転黒コード信号Ｓ５が拡大して示されている。

第１パルス信号Ｓ７は、微分信号Ｓ６を閾値Ｖ_Ｔ２と比較することで生成され、混合信号Ｓ９の各パルスは第１パルス信号に同期して生成されるために、混合信号Ｓ９の各パルスの開始時点ｔ１は、スペース２ｃから黒バー２ａへの境界２ｄが走査される時点よりも早くなる。これに対して、反転黒コード信号Ｓ５は平均値信号Ｓ４を閾値Ｖ_Ｔ１と比較することで生成されるが、黒バー２ａとグレイバー２ｂとの識別性を考慮して閾値Ｖ_Ｔ１は０V近傍の値に設定されるために、反転黒コード信号Ｓ５の各パルスの開始時点ｔ２は、上記境界２ｄが走査される時点よりも常に遅くなる。

従って、混合信号Ｓ９の各パルスの開始時点ｔ１、反転黒コード信号Ｓ５の各パルスの開始時点ｔ２及び終了時点ｔ３は、図示のように、ｔ１，ｔ２，ｔ３の順に到来することになる。

そして、本発明では、固定時間ΔＴはｔ２−ｔ１以上でｔ３−ｔ１以下の値に設定され、混合信号Ｓ９を固定時間ΔＴだけ遅延させることにより、各黒バー２ａに対応するパルス開始時点が常に反転黒コード信号Ｓ５のパルス期間内（ｔ２からｔ３までの時間）となる遅延混合信号Ｓ１０を生成することができる。

ただし、バーコード２上の黒バー２ａ間でバー幅に相違がある場合には、遅延混合信号Ｓ１０のパルスが常に反転黒コード信号Ｓ５のパルス時間内に立ち上がるようにするためには、上記固定時間ΔＴは、最もバー幅の小さい黒バー２ａについて測定されたｔ２−ｔ１及びｔ３−ｔ１に基づいて決定することが必要である。

また、ｔ２−ｔ１及びｔ３−ｔ１の値は検知距離によって変化するため、本発明の方法の実施に際して検知距離の変動があり得る場合には、固定時間ΔＴをその変動幅の最小値から最大値まで検知距離を変化させたときのｔ２−ｔ１の最大値よりも大きく、ｔ３−ｔ１の最小値よりも小さい値とすることが必要であり、これにより、検知距離が変化した場合でも常に遅延混合信号Ｓ１０のパルスが反転黒コード信号Ｓ５のパルス時間内に立ち上がるようにすることができる。

同様に、本発明の方法の実施に際して検知条件（例えば、走査速度など）の変動が想定され、しかも、その変動によってｔ２−ｔ１及びｔ３−ｔ１が変化する場合には、固定時間ΔＴをその変動の範囲で検知条件を変化させたときのｔ２−ｔ１の最大値よりも大きく、ｔ３−ｔ１の最小値よりも小さい値に設定することが必要である。

プリセット−リセット回路１１からの混合信号Ｓ９は、シフトレジスタ遅延回路１２に導かれ、上記により設定された固定時間ΔＴだけ遅延した遅延混合信号Ｓ１０（図２（ｉ））が出力される。

この遅延混合信号Ｓ１０は反転黒コード信号Ｓ５とともにサンプリング回路１３に導かれ、遅延混合信号Ｓ１０の立ち上がりエッジにおいて反転黒コード信号Ｓ５をサンプリングすることにより選択信号Ｓ１１（図２（ｌ））が生成される。従って、選択信号Ｓ１１は、遅延混合信号Ｓ１０のパルスの開始時点が反転黒コード信号Ｓ５のパルス期間内であった時点で立ち上がり（パルス期間が開始し）、その後の遅延混合信号Ｓ１１の各パルスの開始時点が反転黒コード信号Ｓ５のパルス期間内でなかった時点で立ち下がる（パルス期間が終了する）パルス信号となる。

そして、ゲート回路１４がこの遅延混合信号Ｓ１０と選択信号Ｓ１１の論理積を取ることにより遅延混合信号Ｓ１０から反転黒コード信号Ｓ５に対応するパルスが除去されたグレイコード信号Ｓ１２（図２（ｋ））を出力する。

さらに、反転回路１５は選択信号Ｓ１１の逆相信号Ｓ１３を生成し、ゲート回路１６が遅延混合信号Ｓ１０と逆相信号Ｓ１３の論理積をとることにより遅延混合信号Ｓ１０から黒コード信号Ｓ５に対応するパルスのみが抽出された調整黒コード信号Ｓ１４を出力する。尚、これらグレイコード信号Ｓ１２と調整黒コード信号Ｓ１４のパルス幅が実際のバー幅と離れている場合には、近づけるべくそれぞれのゲート回路１４及び１６にて調整が可能である。

上記により生成された調整黒コード信号Ｓ１４とグレイコード信号Ｓ１２はゲート回路１７で加算され、デコード信号Ｓ１５として出力される。なお、黒コード信号Ｓ５ではなく調整黒コード信号Ｓ１４を用いてデコード信号Ｓ１５を生成するものとしたのは、黒コード信号Ｓ５のパルス幅よりも調整黒コード信号Ｓ１４のパルス幅の方が黒バー２ａのバー幅に近いためである。

本実施形態の検知方法を用いて単一ライン４文字（スタート・ストップコードを除く）で最小バー幅０．３ｍｍの高密度３値バーコード（グレイバーの反射率：０．５２）を検知したときの検知特性を特願２００８−２７０１９５に開示したカウントラッチ遅延方式と比較した結果を図４（ａ）に示す。図４（ａ）では、本実施形態の検知方法を用いた場合の検知距離の最大値はａ１、最小値はａ２で、カウントラッチ遅延方式を用いた場合の検知距離の最大値はｂ１、最小値はｂ２で示されている。

図のように、本実施形態の検知方法では、カウントラッチ遅延方式の場合の検知距離が長い部分での遅延処理の不安定性が減少し、バーコードの検知可能範囲が拡大することが確認された。

図４（ｂ）は、本実施形態の検知方法を用いた場合の走査速度と検知距離の最大値ａ１及び最小値ａ２の関係を示す。本実施形態の検知方法では、実用的な検知範囲での検知可能な最大走査速度もカウントラッチ遅延方式に対して１０％程度（従来のＣＣＤ方式に対しては７．７倍以上）向上することが確認された。

本発明の検知方法及び検知装置は、自動生産ラインや自動倉庫における物品の移動制御をはじめとするすべての分野における３値バーコード認識に利用することができる。

１・・・レーザーダイオードスキャナ、２・・・３値バーコード、２ａ・・・黒バー、２ｂ・・・グレイバー、２ｃ・・・スペース、２ｄ・・・境界、３・・・フォトダイオード、４・・・増幅器、５・・・包絡線検波器、７・・・増幅器、８・・・黒レベル比較器、９・・・微分回路、１０・・・２値比較器、１１・・・プリセット−リセット回路、１２・・・シフトレジスタ遅延回路、１３・・・サンプリング回路、１４・・・ゲート回路、１５・・・反転回路、１６・・・ゲート回路、１７・・・ゲート回路

Claims

走査光に対する反射率が相互に相違する第１バー及びスペースと、前記反射率が前記第１バーと前記スペースの中間の値である第２バーの配列により構成される３値バーコードの検知方法であって、
前記走査光で前記３値バーコードを走査したときの反射光の検知信号に基づいて平均値信号を生成する平均値信号生成手順と、
前記平均値信号に対する微分信号を生成する微分信号生成手順と、
前記平均値信号を第１閾値と比較することで前記第１バーに対応する第１バー信号を生成する第１バー信号生成手順と、
前記微分信号を第２及び第３閾値と比較することにより前記第１バー及び第２バーに対応する混合信号を生成する混合信号生成手順と、
前記混合信号を遅延させることにより遅延混合信号を生成する遅延混合信号生成手順と、
前記第１バー信号と前記遅延混合信号に基づいて前記第２バーに対応する第２バー信号を生成する第２バー信号生成手順とを含み、
前記混合信号に対する前記遅延混合信号の遅延時間が固定値であることを特徴とする検知方法。
前記混合信号は、前記微分信号が前記第２閾値未満から前記第２閾値以上となった時点から前記微分信号が前記第３閾値以上から前記第３閾値未満となった時点までをパルス期間とするパルス信号であり、
前記混合信号における特定の前記第１バーに対応するパルスの開始時点をｔ１、前記第1バー信号における当該特定の前記第１バーに対応するパルスの開始時点及び終了時点をそれぞれｔ２及びｔ３として、
前記遅延時間が、ｔ１からｔ２までの時間よりも長く、ｔ１からｔ３までの時間よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の検知方法。
前記遅延混合信号のいずれかのパルスの開始時点が前記第１バー信号のパルス期間内であること条件としてパルス期間が開始し、その後の前記遅延混合信号のいずれかのパルスの開始時点が前記第１バー信号のパルス期間内でないことを条件としてパルス期間が終了する選択信号を生成する選択信号生成手順を更に含み、
前記第２バー信号は、前記遅延混合信号と前記選択信号の論理積を取ることで生成される請求項２に記載の検知方法。
前記選択信号の逆相信号と前記遅延混合信号の論理積を取ることによりパルス期間が調整された調整第１バー信号を生成する調整第１バー信号生成手順を更に含む請求項３に記載の検知方法。
前記平均値信号生成手順が、
単一の前記バーコードの走査に要する時間をＴとして、Ｔ／６０以下の時定数τをもって前記検知信号の包絡線検波信号を生成する包絡線検波手順と、
前記包絡線検波信号を所定の割合で減衰させることで基準信号を生成する基準信号生成手順とを含み、
前記平均値信号が、前記検知信号から前記基準信号を差し引くことで生成される請求項１〜４のいずれか一項に記載の検知方法。
走査光に対する反射率が相互に相違する第１バー及びスペースと、前記反射率が前記第１バーと前記スペースの中間の値である第２バーの配列により構成される３値バーコードの検知装置であって、
前記走査光で前記３値バーコードを走査したときの反射光の検知信号に基づいて平均値信号を生成する平均値信号生成手段と、
前記平均値信号に対する微分信号を生成する微分信号生成手段と、
前記平均値信号を第１閾値と比較することで前記第１バーに対応する第１バー信号を生成する第１バー信号生成手段と、
前記微分信号を第２及び第３閾値と比較することにより前記第１バー及び第２バーに対応する混合信号を生成する混合信号生成手段と、
前記混合信号を遅延させることにより遅延混合信号を生成する遅延混合信号生成手段と、
前記第１バー信号と前記遅延混合信号に基づいて前記第２バーに対応する第２バー信号を生成する第２バー信号生成手段とを含み、
前記混合信号に対する前記遅延混合信号の遅延時間が固定値であることを特徴とする検知装置。