论文部分内容阅读
摘 要：条形码阅读器（或条形码扫描器、条形码扫描枪、条形码读取器）是可以读取和输出印刷或电子显示屏幕上的条形码到计算机的电子装置。像平板扫描器一样，它由光源、透镜和光学传感器组成，将光学脉冲转换成电子脉冲。此外，几乎所有的条形码阅读器都包含解码器电路，用于分析传感器提供的条形码图像、数据并将条形码的内容传送至扫描器的输出端口。
激光条码阅读器因为是靠单一轨迹行程的往复式线性扫描来产生激光束同时侦测目标条形码反射回的激光强弱，所以仅可读取一维的条形码。CCD扫描器相比较于激光扫描器多了可以读取电子屏幕的功能，但因为其仅具备单行CCD取景器，所以亦只可以读取一维条形码;基于CMOS技术的条形扫描器对目标物体进行多行多列矩阵式扫描，最终产生一幅画面，属于整幅图像采集所以其既可以读取一维条码又可以读取二维条码。
关键词：条码读取器;激光;CCD;摄像头
中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2019）03-0217-04
如今，在我们生活当中越来越离不开条形码的存在，随处可见的各种一维码、二维码大大提高了我们的工作效率及管理能力，于此基础上，同时又衍生出了一大批新生事物，目前条形码已经渗透应用于各种领域中的各个行业。近年来，随着条码技术的迅速普及，与之相匹配的条形码读取设备亦得到了长足的发展，技术上的革新亦是突飞猛进。本文将重点讨论一下目前市面上几种主流条形码阅读设备读取条形码的基本工作原理与特点。
1 条形码阅读器介绍
1.1 简 介
条形码阅读器（或条形码扫描器、条形码扫描枪、条形码读取器）是可以读取和输出印刷或电子显示屏幕上的条形码到计算机的电子装置。像平板扫描器一样，它由光源、透镜和光学传感器组成，将光学脉冲转换成电子脉冲。此外，几乎所有的条形码阅读器都包含解码器电路，用于分析传感器提供的条形码图像、数据并将条形码的内容传送至扫描器的输出端口。
1.2 应用领域
主要应用领域有：
零售业（如商场、超市中货品上的商品码）;
药品监管（政府部门对市面上流通的药品进行监管的监管码）;
交通运输（如搭乘大众运输工具、购火车票时所遇到的二维码）;
仓储、物流（仓库、快递、物流行业使用条形码用于货物管理）;
流动支付（例如：ApplePay、WechatPay、AliPay等）;
健康、医疗（保健、医院）;
制造业（工厂中流水在线对产品进行生产管理、对已销售产品溯源）……等等。
1.3 主要生产厂家
其主要的生产厂商有：
美国：Symbol、Metrologic、Intermec、HHP、Honeywell;
欧洲：Datalogic、Opticon;
韩日：Danso台湾：Champ、CipherLab、Zebex、Unitech;
国内：NewLand、mindeo、XL-Scan……等。
2 条形码阅读器的分类
按应用场合可分为：工业用和商业用;
按安裝方式可分为：手持式和固定式扫描器;
按读码能力可分为：一维扫描器和二维扫描器，其中二维扫描器可读取一维条形码，但一维扫描器不能读取二维条形码;
按传输方式可分为：有线和无线传输，其中有线传输又分为USB、RS-232和PS2等三种物理形式。无线传输按照频率和协定又分为：433MHz（该无线电非全球性免费频段，仅适用于部分国家和地区）、2.4GHz、和Bluetooh。
按工作原理可分为：CCD扫描器、激光（雷射）式扫描器和影像式扫描器。
3 基本工作原理
条形码读取设备按照工作原理的不用分为三类，分别是：激光（只可读取一维码）、CCD（亦称虹光只可读取一维码）和二维（可读取一维和二维码）。
3.1 激光条码阅读器
它使用激光束作为光源，并且通常采用往复式镜子或旋转棱镜在条形码上来回扫描激光束。光电二极管用于测量从条形码反射回来的光的强度。读取器发出的光的亮度随数据模式快速变化，而光电二极管接收电路设计为仅检测具有相同调制模式的信号。
（1）基本光学结构（以手持式为例）
（2）基本工作原理
光学采集部分由激光发射二极管、聚光镜、往复式运动反射镜片、驱动线圈及光电二极管等五大部件组成，接通电源后控制电路驱动电磁线圈（部件1）产生有规律的磁场作用于摇摆器后面的永磁体（部件6）以使反光镜片做往复式摇摆运动（见图2），此时完成初始化。
当主MCU（微控制单元Micro Control Unit）收到扫描指令时（行业术语称之为-触发、可以是按键、自动扫描信号、感测触发或其类型中的一种），MCU开始驱动激光二极管（部件5）发射650nm的红色激光束，经由聚光镜（部件3）中央处的小尺寸平面镜（图1中a标示）反射至往复式反光镜片（如图2），因为摆镜是往复运动的，所以会在目标物体上出现一条激光扫描线。同时因为永磁体的往复运动又使电磁线圈内的另一绕组产生周期性的脉冲讯号，经电路整形、放大处理后作为解码用的时钟讯号。
整个系统的光学路径需要经过精确调整，以使条码读取顺畅，并兼顾到不同尺寸的条形码。对于激光方案的阅读器需要注意，挡尘镜片不可垂直于发射光束放置，以防止其表面反射的光束沿原路径返回影响到讯号接收通道（图3）。此外对于挡尘镜片和光讯号接收窗（图1中8），需采用红外专用镜片以阻挡其他的杂乱光线进入。 如图3当扫描线覆盖到条形码上，黑色部分会吸收光线白色部分则会反射光线，经由条形码发射回的强弱规律变化的光线经过反光镜（部件2）、聚光镜（部件3）收集后再经过接收窗（图1中的a）到光电二极管将光讯号转为电讯号。返回路径（如图2），光电二极管将接受到的光迅号放大和整形后的数据送至MCU在时钟讯号的配合下进行解码。解码后的数据经由相应（预设）的输出接口输出至主设备（如电脑）。电路结构如图4。
（3）全方位条形码阅读器
此外还有一种全向扫描器使用星放射形式的一系列不同方向的直线或曲线做为其扫描线，一条利萨茹（Lissajous curve参见http：//en.wikipedia.org/wiki/Lissajous_curve）曲线或其他多角度排列投射在条码符号上，无论何种方向，其中一条或多条将能够穿过所有条码符号的条形和空间。
几乎所有的全向扫描器都是用激光。与简单的单线激光阅读器不同，它们产生不同方向的光束图案，允许它们读取呈现给它的条形码它们中的大多数使用单个旋转多面镜和几个固定镜的排列来产生它们复杂的扫描图案。
激光扫描器的解析度通过阅读器发出的光点大小来衡量。如果此光点比条形码中的任何条形或空间宽，则它将与两个元素（两个空格或两个条形）重叠，并且可能产生错误的输出。另一方面，如果使用太小的光点，则它可能会误解条形码上的任何点，从而导致最终输出错误。最常用的尺寸是13thou（密耳，又称英丝，是一个长度的单位，代表千分之一英寸。13thou=0.013in或0.33mm），但有些激光扫描器可以读取尺寸小至3（0.003in或0.075mm）的条码。大多数制造商以mil为单位公布条形码解析度，mil与thou通用。必须以高解析率列印较小的条形码才能准确读取。
3.2 CCD条码阅读器
（1）主要技术原理
CCD条码阅读器使用称为CCD（Charge-Coupled Device电荷耦合器件）的半导体器件，其将光讯号转化成电讯号。该器件使用在读取器头部排成一排的数千个微型光传感器数组。每个传感器都会测量紧靠其前方的光线强度。CCD读取器中的每个单独的光传感器都非常小，并且因为有数千个传感器排成一排，所以通过顺序该行中每个传感器中的电压，在读取器中产生于条形码中的图案相同的电压模式。CCD读取器和激光读取器之间的重要区别在于CCD读取器测量来自条形码的反射的环境光，而激光读取器测量来自读取器自身的特定波长的发射光。
基于CCD方法的条形码扫描器具有内置灯，照射目标条形码对其进行补光，并通过CCD捕获其反射光以进行读取。条形码被捕获一次，并允许快速阅读。因为没有活动部件，抗冲击性极佳。
CCD感光元件是一个基于模拟讯号的设备。当光投射到其表面时，将有讯号电荷产生。电荷讯号可以转化成电压，并按指定的时序将图像信息输出。接下来其他电路将这些讯号转换成数位讯号，以便微处理器进行处理。
在一个用于感光的CCD中，有一个光敏区域（矽的外延层），和一个由移位寄存器制成的传感区域（狭义上的CCD）。图像透过透镜投影在一列电容上（光敏区域），导致每一个电容都积累一定的电荷，而电荷的数量则正比于该处的入射光强。用于线扫描的一维电容阵列，每次可以扫描一单层的电容（如图5所示）;而阵列中最后一个电容里的电荷，则将传给一个电荷放大器，并将转化为电压讯号。通过重复这个过程，控制回路把整个阵列中的电荷转化为一系列的电压讯号并将这些讯号取样，数码化后输出至后续電路处理。
（2）基本工作原理
接通电源后初始化过程和激光扫描设备大致相同，这里不在赘述。当处理器收到触发讯号后，驱动LED光源为目标条形码进行补光，反射光线经透镜聚焦于CCD感光区域。白色条纹很好地反射光线，而黑色条纹几乎不反射任何光线。CCD感测器将条形码反射的光讯号转换为有规律起伏的电讯号经放大整形后输送至MCU进行解码（如图6）。基本工作原理如图7。
3.3 基于摄像头的扫描器
（1）CMOS与CCD的比较
二维成像扫描器是一种较新型的条码阅读器。他们使用相机和图像处理技术来解码条形码。基于摄像机的条码扫描器使用与CCD条形码阅读器相同的CCD或CMOS（在消费级领域，早期主要以CCD传感器为主流，现多被CMOS传感器所替代）技术的小型摄像机，除了没有单行传感器外摄像机有数千至数万行传感器排列成二维阵列，以便它们可以生成一幅图像。
CMOS传感器通常比CCD传感器消耗更少的功率，具有更少的图像滞后，并且需要较少的专业制造设施。CMOS传感器已经在许多消费应用中找到了市场，特别是照相手机。它们还被用于其他领域，包括数字放射成像，军用超高速图像采集，安全摄像头和光学滑鼠。制造商包括Aptina Imaging（该公司于2014年被安森美半导体收购），佳能，三星，意法半导体，东芝，OmniVision Technologies，索尼和Foveon等。CMOS型传感器被广泛使用，从高端数码摄影到手机相机。
为了达到各种大批量应用所需的性能水平，CMOS传感器像素设计和制造技术现在比许多人预测的更接近CCD。集成和功耗是CMOS技术的决定性优势，而CCD保留了更高的成本效益适用性和性能。与最初的前景相反，加工晶圆的成本已经证明不如CMOS的自动化优势。然而，晶圆尺寸，规模经济和代工厂特定的成本模型可能是支持一种技术而不是另一种技术的更大因素。无论晶圆尺寸如何，为了填充因子和其他原因，转向更深亚微米技术的必要性已经提供了制造过程中的工艺控制和清洁度（与不太先进的制造工艺相比），可以提高产量，特别是对于大型芯片-区域传感器。CCD技术的性能与CMOS技术不同。通常，在传感器设计和制造过程中，使用CCD技术实现特定应用的性能差异成本要低于CMOS。CMOS在整合度，低能耗和单电压供应能力方面做得很好，而密集的迭代工艺工程和器件设计使图像质素更高。 （2）CMOS与CCD的成本因素
将CMOS图像质量提高到与CCD相当的大量工艺工程和制造步骤的数量需要比最初预测的更昂贵的晶片处理。成本通常收到特定代工厂的商业经济学和竞争动机的更大影响，而不是技术本身的选择。用于制造CMOS和CCD图像传感器的晶圆尺寸往往存在明显的差异，尺寸取决于代工厂是基于晶圆厂还是无晶圆厂以及是否正在调整、折旧逻辑或存储器生产设施。例如：第三方代工厂通常可生产CMOS图像传感器的200mm晶圆，而CCD代工厂通常生产150mm晶圆生产线。CMOS与CCD的封装生产在150mm、200mm和300mm线上完成。更大的晶圆尺寸减少了每单位硅处理的人工成本。因此CCD或CMOS的较大晶片尺寸的可用性可能是整体生产经济性的一个重要因素。制造一个或另一个的成本还取决于可用的晶片处理类型以及下游传感器生产数量是否将承担前期开发成本。
（3）与CCD相比，CMOS的优势
CMOS传感器的一大优点是它通常比CCD传感器便宜，通常还具有更好的晕染控制（即从过度曝光的像素到其他附近像素的光电荷放电，亦成为开花或高光溢出）。在三传感器相机系统中，使用单独的传感器与分束器棱镜一起分辨图像的红色、绿色和蓝色分量，三个CMOS传感器是可以相同的，而大多数分光棱镜要求其中一个CCD传感器具有成为另外两个的镜像，以兼容的顺序读出图像。与CCD传感器不同，CMOS传感器具有反转传感器元件寻址的能力。
（4）与CCD相比，CMOS的缺点
由于CMOS传感器通常在大约1/60s或1/50s内捕获一行（取决于刷新率），因此可能导致[滚动快门]效果，其中图像歪斜（向左倾斜或者右边，取决于相机或拍摄对象的移动方向）。例如，当跟踪高速行驶的汽车时，汽车不会扭曲，但背景看起来会倾斜。帧传输CCD传感器或[全局快门]CMOS传感器没有这个问题，而是立即将整个图像捕获到帧存储器中。CMOS像素中的有源电路占据表面上的一些区域，该区域不是光敏的，降低了器件的光子检测效率（背照式传感器可以缓解这个问题）。但帧传输CCD对于帧存储节点也具有大约一半的非敏感区域，因此相对优势取决于比较哪种类型的传感器。
（5）基于CMOS摄像机的条码阅读器原理
如图8所示，外界光线经过镜头聚焦照射至CMOS图像传感器的感光区域，图像传感器将光线转换为数码化的图像讯号（通常是RGB888或ITU-RBT.656传输）送至MCU进行图像处理。当MCU接收到一幅图像讯号后进行图像修正、条形码解码及数据输出，完成一系列解码动作。因为前端采集的是整幅画面，条形码程式解码时是对整幅图像做逐行扫描，所以对二维条码进行译码。基本电路结构如图9。
4 总 结
通过对上述基于三种技术的条码扫描器的基本工作原理可知，激光条码阅读器因为是靠单一轨迹行程的往复式线性扫描来产生激光束同时侦测目标条形码反射回的激光强弱，所以仅可读取一维的条形码（图10）。并且经过实际测验可知，电子设备的显示荧幕不会反射激光，所以激光扫描器无法读取手机或电脑显示荧幕，但激光扫描器对于识读列印不良，褶皱甚至撕裂的条形码的能力及其灵敏程度高于CCD和二维影像式条码阅读产品;而基于单行CCD技术的扫描器既可以感知物体反射的光又可以侦测电子显示屏发出的光线强弱，所以CCD扫描器相比较于激光扫描器多了可以读取电子屏幕的功能，但因为其仅具备单行CCD取景器，所以亦只可以读取一维条形码;基于CMOS技术的条形扫描器对目标物体进行多行多列矩阵式扫描，最终产生一幅画面，属于整幅图像采集所以其既可以读取一维条码又可以读取二维条码。具体优缺点比较见表1。
基于摄像机的条形码扫描设备除了手持式和平台式的专业设备外，还有以下几种：
（1）大型视野读取器
使用高分辨率工业相机同时捕获多个条形码。出现在照片中的所有条形码立即被译码（ImageID专利和代码创建工具）或使用插件（例如Barcodepedia使用閃存应用程式和一些用于查询数据库的网络摄像头），已经实现了解决给定的选项任务。
（2）手机摄像头
虽然没有自动对焦的手机相机不适合阅读一些常见的条形码格式，但有针对手机进行了二维条形码优化，以及QR码（快速响应）代码和数据矩阵代码，无论有没有自动对焦，都可以快速准确地读取。
手机相机为消费者开辟了许多应用。例如：
①电影：DVD/VHS电影目录;
②音乐：CD目录-扫描时播放MP3;
③书籍目录和设备。
a.杂货，营养信息，使用最后一个项目时的购物清单等。
b.个人财产清单（用于保险和其他目的）在进入时扫描到个人财务软件中。之后，扫描的收据图像可以自动与相应的条目相关联。之后，条形码可用于快速清除不需要保留用于税收或资产清单目的的纸质副本。
c.如果零售商在允许下载电子副本的收据上设置条形码或在2D条形码中编码整个收据，消费者可以轻松地将数据导入个人财务，财产库存和杂货管理软件。可以自动识别在扫描器上扫描的收据，并将其与财务和财产清单软件中的相应条目相关联。
d.消费者从零售商角度进行跟踪（例如，通过让消费者扫描QR码来跟踪消费者在销售点购买的会员卡计划）。
许多使用手机的企业应用程序出现了：
访问控制（例如，场地的票证验证），库存报告（例如，跟踪交付），资产跟踪（例如，防伪）。
（3）智慧型手机
智慧型手机可以透过自己的Google Goggles应用程式（现为GoogleLens）在Google的行动Android作业系统中使用。诺基亚的Symbian作业系统具有可扫描条形码的条形码扫描器，而mbarcode是Maemo作业系统的条形码阅读器。在AppleIOS中，条形码阅读器不会自动包含在内，但有超过50种免费或付费应用程式可用，具有扫描功能和硬链接到URI。借助BlackBerry设备，APPWorld应用程序可以原生扫描条形码。WindowsPhone8能够通过Bling搜索用于程式扫描条形码。
参考文献
[1]林聚承，袁祥辉.一种新型650nm的光电探测器.仪器仪表学，2005，25（4）.
[2]潘银松，袁祥辉，林聚承，等.CMOS数字图像传感器研究进展.重庆大学学报（自然科学版），2005，28（9）.
收稿日期：2018-12-5
作者简介：张晓京（1966-），男，汉族，广东广州人，中级职称，本科，研究方向为计算机科学（移动物联）。
激光条码阅读器因为是靠单一轨迹行程的往复式线性扫描来产生激光束同时侦测目标条形码反射回的激光强弱，所以仅可读取一维的条形码。CCD扫描器相比较于激光扫描器多了可以读取电子屏幕的功能，但因为其仅具备单行CCD取景器，所以亦只可以读取一维条形码;基于CMOS技术的条形扫描器对目标物体进行多行多列矩阵式扫描，最终产生一幅画面，属于整幅图像采集所以其既可以读取一维条码又可以读取二维条码。
关键词：条码读取器;激光;CCD;摄像头
中图分类号：TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2019）03-0217-04
如今，在我们生活当中越来越离不开条形码的存在，随处可见的各种一维码、二维码大大提高了我们的工作效率及管理能力，于此基础上，同时又衍生出了一大批新生事物，目前条形码已经渗透应用于各种领域中的各个行业。近年来，随着条码技术的迅速普及，与之相匹配的条形码读取设备亦得到了长足的发展，技术上的革新亦是突飞猛进。本文将重点讨论一下目前市面上几种主流条形码阅读设备读取条形码的基本工作原理与特点。
1 条形码阅读器介绍
1.1 简 介
条形码阅读器（或条形码扫描器、条形码扫描枪、条形码读取器）是可以读取和输出印刷或电子显示屏幕上的条形码到计算机的电子装置。像平板扫描器一样，它由光源、透镜和光学传感器组成，将光学脉冲转换成电子脉冲。此外，几乎所有的条形码阅读器都包含解码器电路，用于分析传感器提供的条形码图像、数据并将条形码的内容传送至扫描器的输出端口。
1.2 应用领域
主要应用领域有：
零售业（如商场、超市中货品上的商品码）;
药品监管（政府部门对市面上流通的药品进行监管的监管码）;
交通运输（如搭乘大众运输工具、购火车票时所遇到的二维码）;
仓储、物流（仓库、快递、物流行业使用条形码用于货物管理）;
流动支付（例如：ApplePay、WechatPay、AliPay等）;
健康、医疗（保健、医院）;
制造业（工厂中流水在线对产品进行生产管理、对已销售产品溯源）……等等。
1.3 主要生产厂家
其主要的生产厂商有：
美国：Symbol、Metrologic、Intermec、HHP、Honeywell;
欧洲：Datalogic、Opticon;
韩日：Danso台湾：Champ、CipherLab、Zebex、Unitech;
国内：NewLand、mindeo、XL-Scan……等。
2 条形码阅读器的分类
按应用场合可分为：工业用和商业用;
按安裝方式可分为：手持式和固定式扫描器;
按读码能力可分为：一维扫描器和二维扫描器，其中二维扫描器可读取一维条形码，但一维扫描器不能读取二维条形码;
按传输方式可分为：有线和无线传输，其中有线传输又分为USB、RS-232和PS2等三种物理形式。无线传输按照频率和协定又分为：433MHz（该无线电非全球性免费频段，仅适用于部分国家和地区）、2.4GHz、和Bluetooh。
按工作原理可分为：CCD扫描器、激光（雷射）式扫描器和影像式扫描器。
3 基本工作原理
条形码读取设备按照工作原理的不用分为三类，分别是：激光（只可读取一维码）、CCD（亦称虹光只可读取一维码）和二维（可读取一维和二维码）。
3.1 激光条码阅读器
它使用激光束作为光源，并且通常采用往复式镜子或旋转棱镜在条形码上来回扫描激光束。光电二极管用于测量从条形码反射回来的光的强度。读取器发出的光的亮度随数据模式快速变化，而光电二极管接收电路设计为仅检测具有相同调制模式的信号。
（1）基本光学结构（以手持式为例）
（2）基本工作原理
光学采集部分由激光发射二极管、聚光镜、往复式运动反射镜片、驱动线圈及光电二极管等五大部件组成，接通电源后控制电路驱动电磁线圈（部件1）产生有规律的磁场作用于摇摆器后面的永磁体（部件6）以使反光镜片做往复式摇摆运动（见图2），此时完成初始化。
当主MCU（微控制单元Micro Control Unit）收到扫描指令时（行业术语称之为-触发、可以是按键、自动扫描信号、感测触发或其类型中的一种），MCU开始驱动激光二极管（部件5）发射650nm的红色激光束，经由聚光镜（部件3）中央处的小尺寸平面镜（图1中a标示）反射至往复式反光镜片（如图2），因为摆镜是往复运动的，所以会在目标物体上出现一条激光扫描线。同时因为永磁体的往复运动又使电磁线圈内的另一绕组产生周期性的脉冲讯号，经电路整形、放大处理后作为解码用的时钟讯号。
整个系统的光学路径需要经过精确调整，以使条码读取顺畅，并兼顾到不同尺寸的条形码。对于激光方案的阅读器需要注意，挡尘镜片不可垂直于发射光束放置，以防止其表面反射的光束沿原路径返回影响到讯号接收通道（图3）。此外对于挡尘镜片和光讯号接收窗（图1中8），需采用红外专用镜片以阻挡其他的杂乱光线进入。 如图3当扫描线覆盖到条形码上，黑色部分会吸收光线白色部分则会反射光线，经由条形码发射回的强弱规律变化的光线经过反光镜（部件2）、聚光镜（部件3）收集后再经过接收窗（图1中的a）到光电二极管将光讯号转为电讯号。返回路径（如图2），光电二极管将接受到的光迅号放大和整形后的数据送至MCU在时钟讯号的配合下进行解码。解码后的数据经由相应（预设）的输出接口输出至主设备（如电脑）。电路结构如图4。
（3）全方位条形码阅读器
此外还有一种全向扫描器使用星放射形式的一系列不同方向的直线或曲线做为其扫描线，一条利萨茹（Lissajous curve参见http：//en.wikipedia.org/wiki/Lissajous_curve）曲线或其他多角度排列投射在条码符号上，无论何种方向，其中一条或多条将能够穿过所有条码符号的条形和空间。
几乎所有的全向扫描器都是用激光。与简单的单线激光阅读器不同，它们产生不同方向的光束图案，允许它们读取呈现给它的条形码它们中的大多数使用单个旋转多面镜和几个固定镜的排列来产生它们复杂的扫描图案。
激光扫描器的解析度通过阅读器发出的光点大小来衡量。如果此光点比条形码中的任何条形或空间宽，则它将与两个元素（两个空格或两个条形）重叠，并且可能产生错误的输出。另一方面，如果使用太小的光点，则它可能会误解条形码上的任何点，从而导致最终输出错误。最常用的尺寸是13thou（密耳，又称英丝，是一个长度的单位，代表千分之一英寸。13thou=0.013in或0.33mm），但有些激光扫描器可以读取尺寸小至3（0.003in或0.075mm）的条码。大多数制造商以mil为单位公布条形码解析度，mil与thou通用。必须以高解析率列印较小的条形码才能准确读取。
3.2 CCD条码阅读器
（1）主要技术原理
CCD条码阅读器使用称为CCD（Charge-Coupled Device电荷耦合器件）的半导体器件，其将光讯号转化成电讯号。该器件使用在读取器头部排成一排的数千个微型光传感器数组。每个传感器都会测量紧靠其前方的光线强度。CCD读取器中的每个单独的光传感器都非常小，并且因为有数千个传感器排成一排，所以通过顺序该行中每个传感器中的电压，在读取器中产生于条形码中的图案相同的电压模式。CCD读取器和激光读取器之间的重要区别在于CCD读取器测量来自条形码的反射的环境光，而激光读取器测量来自读取器自身的特定波长的发射光。
基于CCD方法的条形码扫描器具有内置灯，照射目标条形码对其进行补光，并通过CCD捕获其反射光以进行读取。条形码被捕获一次，并允许快速阅读。因为没有活动部件，抗冲击性极佳。
CCD感光元件是一个基于模拟讯号的设备。当光投射到其表面时，将有讯号电荷产生。电荷讯号可以转化成电压，并按指定的时序将图像信息输出。接下来其他电路将这些讯号转换成数位讯号，以便微处理器进行处理。
在一个用于感光的CCD中，有一个光敏区域（矽的外延层），和一个由移位寄存器制成的传感区域（狭义上的CCD）。图像透过透镜投影在一列电容上（光敏区域），导致每一个电容都积累一定的电荷，而电荷的数量则正比于该处的入射光强。用于线扫描的一维电容阵列，每次可以扫描一单层的电容（如图5所示）;而阵列中最后一个电容里的电荷，则将传给一个电荷放大器，并将转化为电压讯号。通过重复这个过程，控制回路把整个阵列中的电荷转化为一系列的电压讯号并将这些讯号取样，数码化后输出至后续電路处理。
（2）基本工作原理
接通电源后初始化过程和激光扫描设备大致相同，这里不在赘述。当处理器收到触发讯号后，驱动LED光源为目标条形码进行补光，反射光线经透镜聚焦于CCD感光区域。白色条纹很好地反射光线，而黑色条纹几乎不反射任何光线。CCD感测器将条形码反射的光讯号转换为有规律起伏的电讯号经放大整形后输送至MCU进行解码（如图6）。基本工作原理如图7。
3.3 基于摄像头的扫描器
（1）CMOS与CCD的比较
二维成像扫描器是一种较新型的条码阅读器。他们使用相机和图像处理技术来解码条形码。基于摄像机的条码扫描器使用与CCD条形码阅读器相同的CCD或CMOS（在消费级领域，早期主要以CCD传感器为主流，现多被CMOS传感器所替代）技术的小型摄像机，除了没有单行传感器外摄像机有数千至数万行传感器排列成二维阵列，以便它们可以生成一幅图像。
CMOS传感器通常比CCD传感器消耗更少的功率，具有更少的图像滞后，并且需要较少的专业制造设施。CMOS传感器已经在许多消费应用中找到了市场，特别是照相手机。它们还被用于其他领域，包括数字放射成像，军用超高速图像采集，安全摄像头和光学滑鼠。制造商包括Aptina Imaging（该公司于2014年被安森美半导体收购），佳能，三星，意法半导体，东芝，OmniVision Technologies，索尼和Foveon等。CMOS型传感器被广泛使用，从高端数码摄影到手机相机。
为了达到各种大批量应用所需的性能水平，CMOS传感器像素设计和制造技术现在比许多人预测的更接近CCD。集成和功耗是CMOS技术的决定性优势，而CCD保留了更高的成本效益适用性和性能。与最初的前景相反，加工晶圆的成本已经证明不如CMOS的自动化优势。然而，晶圆尺寸，规模经济和代工厂特定的成本模型可能是支持一种技术而不是另一种技术的更大因素。无论晶圆尺寸如何，为了填充因子和其他原因，转向更深亚微米技术的必要性已经提供了制造过程中的工艺控制和清洁度（与不太先进的制造工艺相比），可以提高产量，特别是对于大型芯片-区域传感器。CCD技术的性能与CMOS技术不同。通常，在传感器设计和制造过程中，使用CCD技术实现特定应用的性能差异成本要低于CMOS。CMOS在整合度，低能耗和单电压供应能力方面做得很好，而密集的迭代工艺工程和器件设计使图像质素更高。 （2）CMOS与CCD的成本因素
将CMOS图像质量提高到与CCD相当的大量工艺工程和制造步骤的数量需要比最初预测的更昂贵的晶片处理。成本通常收到特定代工厂的商业经济学和竞争动机的更大影响，而不是技术本身的选择。用于制造CMOS和CCD图像传感器的晶圆尺寸往往存在明显的差异，尺寸取决于代工厂是基于晶圆厂还是无晶圆厂以及是否正在调整、折旧逻辑或存储器生产设施。例如：第三方代工厂通常可生产CMOS图像传感器的200mm晶圆，而CCD代工厂通常生产150mm晶圆生产线。CMOS与CCD的封装生产在150mm、200mm和300mm线上完成。更大的晶圆尺寸减少了每单位硅处理的人工成本。因此CCD或CMOS的较大晶片尺寸的可用性可能是整体生产经济性的一个重要因素。制造一个或另一个的成本还取决于可用的晶片处理类型以及下游传感器生产数量是否将承担前期开发成本。
（3）与CCD相比，CMOS的优势
CMOS传感器的一大优点是它通常比CCD传感器便宜，通常还具有更好的晕染控制（即从过度曝光的像素到其他附近像素的光电荷放电，亦成为开花或高光溢出）。在三传感器相机系统中，使用单独的传感器与分束器棱镜一起分辨图像的红色、绿色和蓝色分量，三个CMOS传感器是可以相同的，而大多数分光棱镜要求其中一个CCD传感器具有成为另外两个的镜像，以兼容的顺序读出图像。与CCD传感器不同，CMOS传感器具有反转传感器元件寻址的能力。
（4）与CCD相比，CMOS的缺点
由于CMOS传感器通常在大约1/60s或1/50s内捕获一行（取决于刷新率），因此可能导致[滚动快门]效果，其中图像歪斜（向左倾斜或者右边，取决于相机或拍摄对象的移动方向）。例如，当跟踪高速行驶的汽车时，汽车不会扭曲，但背景看起来会倾斜。帧传输CCD传感器或[全局快门]CMOS传感器没有这个问题，而是立即将整个图像捕获到帧存储器中。CMOS像素中的有源电路占据表面上的一些区域，该区域不是光敏的，降低了器件的光子检测效率（背照式传感器可以缓解这个问题）。但帧传输CCD对于帧存储节点也具有大约一半的非敏感区域，因此相对优势取决于比较哪种类型的传感器。
（5）基于CMOS摄像机的条码阅读器原理
如图8所示，外界光线经过镜头聚焦照射至CMOS图像传感器的感光区域，图像传感器将光线转换为数码化的图像讯号（通常是RGB888或ITU-RBT.656传输）送至MCU进行图像处理。当MCU接收到一幅图像讯号后进行图像修正、条形码解码及数据输出，完成一系列解码动作。因为前端采集的是整幅画面，条形码程式解码时是对整幅图像做逐行扫描，所以对二维条码进行译码。基本电路结构如图9。
4 总 结
通过对上述基于三种技术的条码扫描器的基本工作原理可知，激光条码阅读器因为是靠单一轨迹行程的往复式线性扫描来产生激光束同时侦测目标条形码反射回的激光强弱，所以仅可读取一维的条形码（图10）。并且经过实际测验可知，电子设备的显示荧幕不会反射激光，所以激光扫描器无法读取手机或电脑显示荧幕，但激光扫描器对于识读列印不良，褶皱甚至撕裂的条形码的能力及其灵敏程度高于CCD和二维影像式条码阅读产品;而基于单行CCD技术的扫描器既可以感知物体反射的光又可以侦测电子显示屏发出的光线强弱，所以CCD扫描器相比较于激光扫描器多了可以读取电子屏幕的功能，但因为其仅具备单行CCD取景器，所以亦只可以读取一维条形码;基于CMOS技术的条形扫描器对目标物体进行多行多列矩阵式扫描，最终产生一幅画面，属于整幅图像采集所以其既可以读取一维条码又可以读取二维条码。具体优缺点比较见表1。
基于摄像机的条形码扫描设备除了手持式和平台式的专业设备外，还有以下几种：
（1）大型视野读取器
使用高分辨率工业相机同时捕获多个条形码。出现在照片中的所有条形码立即被译码（ImageID专利和代码创建工具）或使用插件（例如Barcodepedia使用閃存应用程式和一些用于查询数据库的网络摄像头），已经实现了解决给定的选项任务。
（2）手机摄像头
虽然没有自动对焦的手机相机不适合阅读一些常见的条形码格式，但有针对手机进行了二维条形码优化，以及QR码（快速响应）代码和数据矩阵代码，无论有没有自动对焦，都可以快速准确地读取。
手机相机为消费者开辟了许多应用。例如：
①电影：DVD/VHS电影目录;
②音乐：CD目录-扫描时播放MP3;
③书籍目录和设备。
a.杂货，营养信息，使用最后一个项目时的购物清单等。
b.个人财产清单（用于保险和其他目的）在进入时扫描到个人财务软件中。之后，扫描的收据图像可以自动与相应的条目相关联。之后，条形码可用于快速清除不需要保留用于税收或资产清单目的的纸质副本。
c.如果零售商在允许下载电子副本的收据上设置条形码或在2D条形码中编码整个收据，消费者可以轻松地将数据导入个人财务，财产库存和杂货管理软件。可以自动识别在扫描器上扫描的收据，并将其与财务和财产清单软件中的相应条目相关联。
d.消费者从零售商角度进行跟踪（例如，通过让消费者扫描QR码来跟踪消费者在销售点购买的会员卡计划）。
许多使用手机的企业应用程序出现了：
访问控制（例如，场地的票证验证），库存报告（例如，跟踪交付），资产跟踪（例如，防伪）。
（3）智慧型手机
智慧型手机可以透过自己的Google Goggles应用程式（现为GoogleLens）在Google的行动Android作业系统中使用。诺基亚的Symbian作业系统具有可扫描条形码的条形码扫描器，而mbarcode是Maemo作业系统的条形码阅读器。在AppleIOS中，条形码阅读器不会自动包含在内，但有超过50种免费或付费应用程式可用，具有扫描功能和硬链接到URI。借助BlackBerry设备，APPWorld应用程序可以原生扫描条形码。WindowsPhone8能够通过Bling搜索用于程式扫描条形码。
参考文献
[1]林聚承，袁祥辉.一种新型650nm的光电探测器.仪器仪表学，2005，25（4）.
[2]潘银松，袁祥辉，林聚承，等.CMOS数字图像传感器研究进展.重庆大学学报（自然科学版），2005，28（9）.
收稿日期：2018-12-5
作者简介：张晓京（1966-），男，汉族，广东广州人，中级职称，本科，研究方向为计算机科学（移动物联）。