ES2214277T3 - Cinta de datos y procedimiento para la codificacion y decodificacion de datos impresos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la codificación y decodificación de datos en sustratos impresos, en el que la codificación se realiza en forma de celdas bidimensionales, colocándose las celdas en puntos definidos sobre el sustrato, conteniendo las celdas, en cada caso, uno de como mínimo dos patrones diferentes para el almacenamiento de datos, y en el que para el reconocimiento de los patrones se realizan correlaciones de las celdas bidimensionales con patrones de búsqueda determinados para buscar en la cinta de datos leída imágenes de los patrones bidimensionales, caracterizado porque los patrones de búsqueda están colocados sobre el sustrato impreso.

Description

Cinta de datos y procedimiento para la codificación y decodificación de datos impresos.

La invención se refiere a una cinta de datos para el almacenamiento de datos codificados impresos con alta densidad de datos, así como un procedimiento para la codificación y decodificación de datos en sustratos impresos.

Para el almacenamiento de indicadores en productos u objetos se conocen desde hace tiempo y se emplean ampliamente los códigos de barras. Para codificar una información se imprimen sobre el objeto barras de distinto ancho con diferente separación. Un lector puede registrar el patrón de barras y decodificar la información. La densidad de datos de este tipo de código de barras está en pocos bits por centímetro cuadrado de superficie de impresión. Un ejemplo es el documento US 3 211 470 en el que se aumenta la seguridad de los datos mediante la incorporación de redundancia.

Para conseguir mayores densidades de datos se emplean códigos de datos que están compuestos por varias líneas de datos. En el documento WO 86/05906 se describe una cinta de datos de este tipo. Esta cinta de datos contiene áreas de sincronización especiales que sirven para orientar el lector óptico a las líneas de datos y controlar la denominada velocidad de escaneo con la que el lector registra fila a fila mientras se conduce por encima de la cinta de datos. En el documento EP 0 670 555A1, las áreas de sincronización están previstas en forma de márgenes de subáreas de la cinta de datos. La empresa Cobblestone Software Inc describe en www.paperdisk.com un procedimiento con marcas de sincronización como ampliación bidimensional de los códigos de barras. Con ello desea poder alojar densidades de datos de hasta 4 megabytes en una hoja de 8 pulgadas por 11 pulgadas en forma de los denominados mosaicos de datos.

Una desventaja de estas técnicas conocidas es que la densidad de datos conseguida aún es muy reducida para diferentes aplicaciones. Si se desea almacenar, por ejemplo, en libros o folletos, muestras sonoras de música, o también de voz, en una cinta de datos, entonces a una muestra sonora de 10 segundos de voz o música de alta calidad corresponden varios cientos de kilobytes de datos. El tamaño de la superficie de impresión necesaria para ello no es aceptable.

En el caso del código conocido, si se aumenta la densidad de datos porque los puntos se imprimen siempre más pequeños, entonces el proceso de impresión tropieza con límites, por ejemplo, que los puntos confluyen unos en otros. Si oscila la calidad del proceso de impresión, entonces las cintas de datos son inservibles. Al mismo tiempo, en el caso de puntos de impresión pequeños aumenta el requisito en cuanto a la calidad de reproducción del lector. A este respecto, los fallos de reproducción típicos y críticos son la distorsión, astigmatismo, coma e imágenes sombreadas tales como las que se originan por reflexiones en planchas paralelas. Entonces ya no pueden emplearse lectores con ópticas sencillas. Aunque también las ópticas de alta calidad de reproducción tropiezan con límites físicos debido al diagrama de difracción. El proceso de impresión y la óptica de reproducción condicionan que las estructuras de sincronización se le presentan al lector poco definidas o distorsionadas y la sincronización sobre el código fracasa a pesar de la costosa tecnología. El motivo de ello es que las perturbaciones mencionadas se presentan con una intensidad y en una combinación no predecibles y, además, que las perturbaciones varían localmente. En el caso de se presenten altas densidades de datos, no es posible corregir, mediante una transformación de las coordenadas, la influencia especialmente crítica de la distorsión en cuanto los puntos de impresión individuales salgan unos de otros o se representen de forma poco definida los puntos de impresión. Si en un lector de códigos se emplean sensores de imágenes tales como, por ejemplo, disposiciones CCD y sensores de superficie CCD, se origina otro problema. Los sensores de imágenes mencionados contienen celdas del sensor que se extienden de forma bidimensional. En caso de que las celdas del sensor no sean fundamentalmente más pequeñas que la trama de sincronización, también fracasa en este caso el procedimiento de sincronización.

Los procedimientos conocidos requieren un denominado sobremuestreo del orden de 4 o mejor 6 veces puesto que la trama de sincronización se registra de forma diferente según cómo coincidan la trama de sincronización y la trama del sensor de imágenes. Las desventajas de celdas del sensor pequeñas son, no obstante, la reducida sensibilidad a la luz, el alto precio de los sensores y la alta cantidad de datos al leer.

Una desventaja adicional del código conocido es la sensibilidad frente a la suciedad, el desgaste o las deformaciones del soporte de datos. Además, las gruesas estructuras de datos y de sincronización son visibles para el ojo humano y pueden actuar de forma molesta en diferentes aplicaciones. Además, los códigos no ofrecen ninguna posibilidad para la transmisión simultánea de información visual, tal como, por ejemplo, logotipos de la empresa o imágenes.

A partir del documento US 5 170 044 se conoce un procedimiento, así como un dispositivo según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 11.

Por tanto, se presentó la tarea de conseguir un procedimiento y un dispositivo para la decodificación de estos datos impresos que posibiliten una alta densidad de datos con al mismo tiempo alta insensibilidad a perturbaciones del código, pudiendo superponérsele al código información adicional, especialmente visual, y garantizándose una codificación y decodificación fiable de estos datos impresos.

Esta tarea se soluciona, según la invención, de la forma reproducida en las reivindicaciones.

Los patrones empleados según la invención con forma característica y definida previamente pueden ser tan finos que el ojo humano los percibe como puntos homogéneos debido a un poder de resolución local demasiado reducido. La dimensión típica de un patrón de este tipo está en aproximadamente 0,02mm, condicionado por la técnica de impresión. Básicamente, según la invención también pueden emplearse otros procedimientos de transmisión, tales como, por ejemplo, técnicas de acuñación o estampación, con lo que, en estos casos, los sustratos a imprimir se componen preferiblemente de materiales resistentes tales como plástico o metal.

Los patrones si sitúan dentro de celdas bidimensionales definidas que se repiten, de forma definida previamente, en dirección horizontal y vertical. Un patrón rellena, ventajosamente, el 50% de una celda, con lo que en la celda la superficie impresa es básicamente igual a la superficie no impresa y, de esta manera, la cinta bidimensional de datos se muestra al ojo como superficie coloreada de forma homogénea.

Para el almacenamiento de un bit de datos, en los patrones se intercambian, preferiblemente, la superficie impresa por la no impresa, de forma especialmente ventajosa se sustituye o no un patrón por su imagen negativa.

Por ejemplo, una cruz negra sobre un fondo blanco se convierte en una cruz blanca sobre un fondo negro. Para el ojo, la superficie sigue mostrándose de un color homogéneo.

Los patrones en sí mismos están configurados de tal manera que, tras registrar la imagen con el lector, pueden reconocerse y diferenciarse de forma especialmente buena. Los patrones pueden estar caracterizados tanto por su forma geométrica como también por la distribución de la luminosidad.

En especial, los juegos de patrones ortogonales, por ejemplo, un patrón y la imagen negativa correspondiente son a este respecto muy apropiados.

En este sentido, el empleo de patrones a color en combinación con un lector a color posibilita densidades de datos especialmente altas. En el caso de un patrón con áreas de los colores básicos rojo, verde y azul, se originan, por la permutación de los colores, tres patrones ortogonales. Para el ojo, la celda se presenta, independientemente del patrón correspondiente, de un color homogéneo.

Mediante el empleo de varios patrones diferentes, pueden almacenarse en una celda bidimensional varios bits o secuencias de bits.

Al seleccionar el patrón ya pueden tenerse en cuenta adulteraciones que se originan por el proceso de impresión o por las propiedades de reproducción de la óptica. Los patrones se diseñan, según procedimientos conocidos, de tal manera que se transmiten bien en la medida de lo posible y pueden distinguirse bien tras la transmisión.

De esta manera, puede evitarse el problema de que se dispersen los puntos de impresión por la impresión de puntos más pequeños.

Asimismo, con la cinta de datos según la invención y el procedimiento según la invención pueden suprimirse las repercusiones del astigmatismo o la coma.

En caso de propiedades de transmisión conocidas de la impresión y del lector, es posible, así, con ayuda de la teoría de los sistemas, un diseño óptimo del patrón. A este respecto ha de tenerse en cuenta que las frecuencias locales del patrón tras el registro de la imagen, en la medida de lo posible, no coinciden con las frecuencias locales del ruido que se presenta.

Las perturbaciones sistemáticas en la impresión y en el lector son, por el contrario, poco críticas, tales como, por ejemplo, la incidencia de una imagen sombreada, ya que no se influye sobre el funcionamiento del decodificador. Incluso es posible que se solapen las imágenes de los patrones.

La codificación de los datos se realiza en forma de celdas bidimensionales, colocándose las celdas sobre el sustrato en puntos definidos, conteniendo estas celdas, en cada caso, uno de como mínimo dos patrones diferentes con forma característica y predeterminada. Durante la decodificación, se buscan los patrones definidos con el procedimiento de reconocimiento de patrones y, tras el reconocimiento, se deduce la información en que se basan los bits.

Además, para el reconocimiento de los patrones se realizan, de forma ventajosa, correlaciones con patrones de búsqueda determinados para buscar imágenes de los patrones bidimensionales característicos en la cinta de datos leída.

El número de correladores corresponde fundamentalmente al número de patrones definidos. Si se describe la luminosidad de la imagen de un patrón mediante la función m(x, y) y la luminosidad de la imagen de la cinta de datos leída mediante d(x, y), entonces el correlador calcula la integral kor(x, y) = INTEGRAL {d(x', y') m(x'+ x, y'+ y)}dx' dy'. Comparando las integrales de correlación puede deducirse el patrón de búsqueda sobre el que se basa. La integral de correlación kor(x, y) muestra un valor extremo en los puntos en los que se ha repetido la celda de la forma definida previamente.

En lugar de la integral de correlación también pueden emplearse otros procedimientos para el reconocimiento de patrones.

De forma ventajosa, los datos para la decodificación se leen con un aparato cuyo poder de resolución local se sitúa como mínimo en un orden de 2 veces por encima de la máxima frecuencia local máxima de la cinta de datos.

De forma preferida, los patrones empleados para la codificación se colocan sobre el sustrato en celdas definidas previamente y / o secuencias definidas previamente, de tal manera que por adulteraciones en caso de mala calidad de la impresión, en caso de mala calidad de reproducción de la óptica del lector y / o en caso de un ladeo de la cinta de datos, puedan reconocerse las desviaciones condicionadas de la estructura de los patrones. Con ello es posible determinar cómo se transmiten realmente los patrones y, de esta manera, dominar las propiedades lineales y no lineales de transmisión del canal de transmisión de datos. Con ello se posibilita, también en los casos citados, una decodificación en gran medida segura.

Se consigue un aumento adicional de la seguridad de decodificación comparando el punto del valor máximo de la función de correlación con las posiciones definidas de las celdas. De esta manera puede determinarse qué transformaciones geométricas tuvieron lugar durante la impresión y durante el proceso de lectura. Ejemplos de ello son la distorsión, el ladeo y modificaciones del tamaño. De esta manera, los patrones de búsqueda pueden adaptarse en función de la transformación.

De forma especialmente ventajosa, los patrones colocados sobre el sustrato en celdas definidas previamente y / o en secuencias definidas previamente se emplean como patrones de búsqueda para el reconocimiento de patrones, de tal manera que también pueden compensarse grandes desviaciones de la estructura nominal.

Mediante el código según la invención en combinación con el procedimiento según la invención, es posible la decodificación, en principio, con cualquier distorsión, en tanto que los patrones permanezcan reconocibles.

Puesto que los patrones se encuentran en puntos definidos en una celda, se produce otra ventaja de la solución según la invención a partir de que es posible medir la distorsión o el ladeo local determinando durante el reconocimiento de los patrones el lugar en el que se sitúa el patrón y comparando éste con la posición nominal definida.

Con esta información se adaptan los modelos de búsqueda, por ejemplo, girados o con el tamaño modificado. Con un modelo matemático parametrizado de la distorsión o ladeo pueden estimarse los parámetros de este modelo con ayuda de un método de Kaiman. Mediante ello, el reconocimiento se vuelve aún menos sensible al ruido.

La adaptación según la invención de los patrones durante el reconocimiento de los patrones posibilita un claro aumento de la seguridad de la decodificación con, al mismo tiempo, una densidad de datos aumentada.

Los experimentos han demostrado que con ayuda de los patrones según la invención y el procedimiento según la invención se posibilita un aumento completamente inesperado de la densidad de datos. Podrían conseguirse densidades de datos por encima de 10 kilobytes por centímetro cuadrado de superficie de impresión. Con ello es posible, por ejemplo, mediante la impresión de la cara interna y la cara externa de una cubierta de CD, almacenar hasta 20 minutos de música después de que se hayan comprimido los datos de música con procedimientos usuales.

La decodificación de los bits de datos se vuelve sorprendentemente fiable y segura, a pesar de la alta densidad de datos, gracias a la codificación según la invención en combinación con el moderno tratamiento de las imágenes. Se ha demostrado que justo en el caso de tamaños de celda pequeños y en el caso de patrones con una estructura fina que no ya no puede captarse por el ojo humano, es posible una decodificación especialmente fiable.

En contraposición al código conocido, no son críticos un sustrato ondulado o irregularidades durante el movimiento del lector. Asimismo, puede compensarse la suciedad de la óptica.

La cinta de datos según la invención tiene la ventaja de que básicamente se arregla sin áreas de sincronización.

Puesto que se suprime una sincronización en el sentido tradicional, se suprime también el alto sobremuestreo del orden de 4 a 6 veces necesario para la sincronización durante la decodificación.

El reconocimiento de patrones busca el modelo más probable en una celda y de ello deduce los bits de información en los que se basa. Para el reconocimiento de patrones básicamente no es necesario ningún sobremuestreo. Sin embargo, se ha acreditado ventajoso un sobremuestreo del orden de 1,5 a 2 veces.

Puesto que el sobremuestreo se realiza en dirección horizontal y vertical, la cantidad de datos a procesar en el lector, en comparación con los procedimientos conocidos, disminuye en más 7 veces.

El procedimiento según la invención posibilita una decodificación en gran medida segura también para el caso de que los patrones impresos, por ejemplo, debido a una mala reproducción, confluyan unos en otros. Puesto que cada uno de los patrones definidos influye las celdas contiguas de la misma manera, es posible, después de que un patrón se haya reconocido una vez, tener en cuenta la influencia sobre las celdas contiguas en una retroalimentación de las decisiones durante el reconocimiento de los patrones.

Según la invención, a los datos codificados puede superponerse información adicional, especialmente información visual, sin que se reduzca la densidad de datos. Esto puede suceder porque la celda, o también el patrón en la celda, se modifique de tamaño. Por ello, la celda se muestra al observador más clara o más oscura. Las modificaciones hasta el 50% del tamaño del patrón o celda característico ocasionadas por la técnica de impresión son posibles sin más.

Es especialmente ventajosa, sin embargo, la superposición de información gráfica mediante una modificación del color de impresión. Esto puede realizarse de tal manera que pase inadvertido en gran medida para el lector. Por ejemplo, si se emplea un lector óptico con un filtro rojo, entonces aparece un color de impresión verde, amarillo o negro, en cierto modo, con poca intensidad de imagen. También puede modificarse la luminosidad de los patrones para la superposición de información visual.

Los experimentos demuestran que las oscilaciones de la intensidad de las imágenes hasta el 50% son aceptables.

En la cinta de datos según la invención, también pueden dejarse zonas libres de datos para la superposición de información visual. Esto es posible, por ejemplo, cuando se solapan estructuras gráficas holoédricas tales como, por ejemplo, ojos negros en caras reproducidas o similares, a los datos codificados y no es posible una codificación a través de grandes zonas muy oscuras.

En este caso se prefiere codificar identificadores en celdas definidas que fijan los límites de zonas libres de datos en la cinta de datos.

A continuación se explica la invención mediante dibujos y ejemplos de realización. En este caso, muestran:

la figura 1, las posibilidades para la codificación de un único bit de datos,

la figura 2, la repetición periódica de las celdas que no pueden percibirse por el ojo,

la figura 3, la generación de un desplazamiento definido de las filas durante la repetición periódica de las celdas que no pueden percibirse por el ojo,

la figura 4, la posibilidad para la codificación de una secuencia de 3 bits y

la figura 5, los pasos de procesamiento para decodificar el código.

La figura 1 ilustra, a modo de ejemplo, una posibilidad para codificar al mismo tiempo un CERO o un UNO lógico e información gráfica. En este caso, los patrones 1 ó 3 de impresión representan un cero lógico, los patrones 2 ó 4 de impresión representan un UNO lógico. Los patrones se imprimen de forma tan pequeña que no pueden percibirse por el ojo y sólo aparecen como un punto gris. Sin embargo, el lector puede reconocer la forma de los patrones. La superposición de la información gráfica se produce porque, en el patrón 1'' ó 2'' de impresión se modifica el color o la luminosidad. En el patrón 1' ó 2' de impresión se reduce el patrón característico para producir para el ojo una menor impresión de luminosidad.

En la figura 2 se muestra cómo el par 1 y 2 de patrones se repite de forma periódica con una separación definida en 2 direcciones 5 y 6 y, con ello, forma la cinta bidimensional de datos.

En la figura 3, el par 1 y 2 de patrones se repite periódicamente en la dirección 7 diagonal. Con ello, cada dos disposiciones formadas por patrones aparecen desplazadas. Con ello se simplifica el reconocimiento de patrones en el lector.

El uso mostrado en la figura 4 de cuatro patrones 8, 9, 10 y 11 más complejos posibilita, junto con los patrones 8', 9', 10', 11' con el color invertido, una codificación de una secuencia de 3 bits, tal como se muestra en los campos 8'', 9'', 10'' y 11''. Naturalmente, también pueden emplearse otros patrones bidimensionales típicos. A este respecto es decisivo que los patrones se distingan claramente, de tal manera que el lector pueda reconocerlos bien.

La función principal de un lector correspondiente se muestra en la figura 5 en un esquema de bloques. La imagen de la cinta 15 de datos registrada por el lector, va primero a un bloque 12 de tratamiento que realiza un reconocimiento de patrones. Esto puede realizarse, por ejemplo, mediante una correlación de los datos 15 gráficos con el patrón impreso. A este respecto, el correlador se diseña de tal manera que permanece sin sufrir influencias de las oscilaciones de luminosidad o de los colores del patrón, lo que posibilita una superposición de la cinta de datos con gráficos o imágenes. Si la cinta de datos contiene diferentes patrones, entonces se correlaciona con diferentes patrones. También pueden emplearse otros procedimientos para el reconocimiento de los patrones. Después de que se haya reconocido el patrón, en el bloque 16 se deduce el bit codificado, o la secuencia de bits codificada, y se emiten 14 los bits. El bloque 13 determina el punto en el que se ha reconocido el patrón y lo compara con el punto 17 previamente definido en el que se esperaba el patrón. Si los dos puntos difieren entre sí, entonces la imagen de la cinta de datos está desplazada, girada o distorsionada. En el bloque 12, para el reconocimiento de los patrones, se adaptan entonces de forma correspondiente los patrones de búsqueda y se realiza nuevamente el reconocimiento de los patrones. Adicionalmente, se determinan nuevamente los puntos en los que se esperan los patrones. Estos nuevos puntos 18 de los patrones se usan en el siguiente ciclo de tratamiento como puntos 18 definidos de los patrones.

Claims (20)

1. Procedimiento para la codificación y decodificación de datos en sustratos impresos, en el que la codificación se realiza en forma de celdas bidimensionales, colocándose las celdas en puntos definidos sobre el sustrato, conteniendo las celdas, en cada caso, uno de como mínimo dos patrones diferentes para el almacenamiento de datos, y en el que para el reconocimiento de los patrones se realizan correlaciones de las celdas bidimensionales con patrones de búsqueda determinados para buscar en la cinta de datos leída imágenes de los patrones bidimensionales, caracterizado porque los patrones de búsqueda están colocados sobre el sustrato impreso.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se mide la distorsión o el ladeo local de los patrones determinando durante el reconocimiento de los patrones el lugar en el que se sitúa el patrón y comparando éste con la posición nominal definida.

3. Procedimiento según como mínimo una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque se invierte el patrón.

4. Procedimiento según como mínimo una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dentro de las celdas se emplean superficies impresas y no impresas de aproximadamente el mismo tamaño.

5. Procedimiento según como mínimo una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los patrones se modifican por la forma geométrica y / o la distribución de la luminosidad.

6. Procedimiento según como mínimo una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se fabrican patrones con como mínimo dos colores diferentes y se codifican por intercambio de los colores.

7. Procedimiento según como mínimo una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque a la información almacenada se superpone información perceptible por las personas, especialmente información visual.

8. Procedimiento según como mínimo una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se modifica el tamaño de las celdas y / o de los patrones.

9. Procedimiento según como mínimo una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los patrones empleados para la codificación se colocan sobre el sustrato en celdas definidas previamente y / o en secuencias definidas previamente.

10. Procedimiento según como mínimo una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque gracias al registro de identificadores no se decodifican zonas predeterminadas del sustrato.

11. Dispositivo para leer datos dispuestos sobre citas de datos, en el que los datos están codificados en forma de celdas bidimensionales porque las celdas están colocadas en puntos definidos sobre el sustrato de la cinta de datos y las celdas contienen, para el almacenamiento de los datos, en cada caso uno de dos patrones diferentes, con un decodificador que presenta medios para el reconocimiento de los patrones por correlación de las celdas bidimensionales con patrones de búsqueda determinados, así como medios para buscar imágenes de los patrones bidimensionales en la cinta de datos leída, caracterizado porque los patrones de búsqueda están colocados sobre el sustrato impreso.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque el decodificador presenta medios para la medición de la distorsión o el ladeo local de los patrones, con lo que durante el reconocimiento de los patrones se determina el punto en el que se encuentra el patrón y éste se compara con la posición nominal definida.

13. Dispositivo según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque el decodificador presenta medios para invertir los patrones.

14. Dispositivo según como mínimo una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque dentro de las celdas de la cinta de datos están previstas superficies impresas y superficies no impresas de aproximadamente el mismo tamaño.

15. Dispositivo según como mínimo una de las reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque los patrones presentan diferentes formas geométricas y / o distribuciones de la luminosidad.

16. Dispositivo según como mínimo una de las reivindicaciones 10 a 15, caracterizado porque los patrones presentan como mínimo dos colores diferentes y están codificados por intercambio de los colores.

17. Dispositivo según como mínimo una de las reivindicaciones 10 a 16, caracterizado porque a la información almacenada está superpuesta información perceptible por las personas, especialmente información visual.

18. Dispositivo según como mínimo una de las reivindicaciones 10 a 17, caracterizado porque la cinta de datos presenta diferentes tamaños y / o patrones.

19. Dispositivo según como mínimo una de las reivindicaciones 10 a 18, caracterizado porque los patrones empleados para la codificación están colocados sobre el sustrato en celdas y / o secuencias definidas.

20. Dispositivo según como mínimo una de las reivindicaciones 10 a 19, caracterizado porque gracias al registro de identificadores no están codificadas zonas de la cinta de datos.