Optische Identifikation: Data Matrix Code versus Strichcode

Identifikationssysteme in der Analysetechnik sind vielfältig. Bild 2 gibt einen Überblick der möglichen Varianten der Kennzeichnung von Probenröhrchen. Die ersten beiden Röhrchen besitzen ein transparentes Etikett, das aber in der Praxis nicht verwendet werden kann, da der Kontrast zum Lesen mit einem Laser-Scanner von der Farbe des Inhalts und vom Reflexionsverhalten des Inhalts abhängig ist. Das Ziel muss es sein, das Etikett so zu wählen, dass eine Lesung (Good Read = Gutlesung) unabhängig vom Inhalt eines Röhrchens erfolgen kann. Wäre beispielsweise eine dunkle Flüssigkeit im ersten Röhrchen, könnte der Code nicht gelesen werden. Mit einer schwarzen Flüssigkeit beispielsweise gäbe es keinen Kontrastunterschied zwischen Code und Hintergrund, der für eine Codelesung notwendig ist. Beim dritten Röhrchen von links sind die Randbedingungen erfüllt. Allerdings muss zum Lesen das Röhrchen mit einer konstanten Geschwindigkeit gedreht werden, damit ein Abstandsleser den Strichcode lesen kann. Lesetechnisch ist das die kostengünstigste Lesemethode, das Handling des Röhrchens ist jedoch entsprechend aufwendig. Das vierte Röhrchen ist die beste Lösung, wenn der Strichcode fast geschlossen um das Röhrchen herum geht. Der Vorteil liegt darin, dass der Operator nicht darauf achten muss, wie die Probe in das Rack gesteckt wird. Die Redundanz der Codeinformation wird komplett ausgenutzt. Allerdings lassen sich im Mittel nur 10 bis 15 Zeichen im Code unterbringen. Auf dem fünften Röhrchen von links befindet sich ein PDF 417, dessen Information allerdings nur komplett gelesen werden kann, wenn das Röhrchen gedreht wird und das Lesegerät eine senkrecht stehende Abtastlinie besitzt. Hier lassen sich ca. 30 Zeichen codieren. Wenn ca. 50 Zeichen codiert werden sollen, gibt es eine Lösung mit mehreren Data Matrix Codes. Allerdings muss zur Lesung der 2D-Codes das Röhrchen ideal zum Lesegerät ausgerichtet sein. Automatisches Lesen von Strichcodes Wenn es um das effektive Lesen von Proberöhrchen in der Analytik und Diagnostik geht, bleibt nur der Strichcode. Wenn die Striche des Codes so lang sind, dass diese den gesamten Umfang des Röhrchens erschließen, ist die Handhabung am einfachsten, wenn z.B. die Röhrchen in das Rack gesetzt werden. In der Anwendung muss man die Racklesung in zwei Applikationen unterteilen. Zum einen gibt es das automatische Lesen des Racks in fester Position. Es spielt dabei keine Rolle, ob der Leser bewegt wird und das Rack steht oder umgekehrt. Dabei sind die Lesebedingungen eindeutig und reproduzierbar, und es können gezielte Lesungen ausgelöst werden. Zudem ist die Geschwindigkeit des Probendurchsatzes kalkulierbar. Die Lesetechnik muss keine sehr hohe Abtastrate besitzen, und schließlich ist auch der menschliche Einfluss beim Lesen ausgeschlossen. Halbautomatisches Lesen Beim halbautomatischen Lesen des Racks ist das Lesegerät, typischerweise ein Laserscanner, fest montiert. Das Rack wird manuell eingeschoben; dabei werden alle Codes, die sich an der Seite des Racks befinden, gelesen. Hier muss das Lesegerät sehr schnell sein, da die manuelle Einführgeschwindigkeit des Racks je nach Bediener variiert und sehr hoch sein kann. Das Lesegerät muss also mindestens mit einer Geschwindigkeit von 700 Scans/s arbeiten. Dadurch kann das manuell bedienbare Analysegerät einfach und kostengünstig betrieben werden. Beispielsweise sind keine Antriebe notwendig. Bild 3 zeigt Laserscanner, die in der Analysetechnik zum Einsatz kommen. Direct Part Mark (DPM) Bei den so genannten 96-Racks kommt das Thema Direct Part Mark (DPM) ins Spiel. Allerdings kommen hier nur Lasertechniken in Frage, die den Code direkt durch Farbumschlag auf das Material bringen, wie Bild 4 zeigt. Der Vorteil ist im direkten Bedrucken des Kunststoffmaterials zu sehen. Der Nachteil ist aber der relativschwache Kontrast beim Druckerergebnis. Das kann vom Lesegerät auf Sensor-Basis wieder ausgeglichen werden, solange es sich in gewissen Grenzen bewegt. Anders verhält es sich, wenn ein Fertigungsschritt dazwischen geschaltet wird, d.h. der Kunststoffboden des Röhrchens wird schwarz lackiert, und die Lasergravurtechnik arbeitet mit Materialabtragung. In diesem Fall erhält man ein kontrastreiches Ergebnis. Dass der Code, anstatt in schwarz, in weiß erstellt ist, stört dabei nicht. Nach der Wahl des 2D-Codes und der Drucktechnik steht die Entscheidung für das Lesesystem an. Druck und Leseaufgabe sollten nach dem ersten Entscheidungsprozess auf Funktion und Zusammenspiel geprüft werden. Insbesondere im Umgang mit DPM-Markierungen ist das ratsam, da die Codebewertung und damit die Lesbarkeit eines 2D-Codes noch nicht als Standardprozess angesehen werden kann. Codequalität Die Norm ISO/IEC15415 bildet in Verbindung mit den Codenormen die Grundlage zur Bewertung der Codequalität von Matrixcodes. Die Norm beschreibt die allgemeinen Anforderungen, die als Grundlage für die Messung und damit der Bewertung von 2D-Codes dienen. Dazu wird eine diffuse Reflexion vorausgesetzt und in die Bewertung von Stapelcodes und Matrixcodes unterschieden. Die Bewertung von Stapelcodes geschieht in Anlehnung an die Norm ISO/IEC15416 zur Bewertung von Strichcodes und ist nur ein kleiner Teil der Norm ISO/IEC15415. Der Löwenanteil der Norm ISO/IEC15415 widmet sich den Anforderungen zur Ermittlung der Codegüte von Matrix-Codes, wobei nur auf den genormten Data Matrix, Maxi-Code und den QR-Code Bezug genommen werden kann. Folgende Begriffe kommen dabei zum Tragen. Die Ermittlung der Güte eines Matrixcodes ist weitaus komplexer. Deshalb muss zu diesem Zweck mit einer Kamera ein Bild aufgenommen werden. Es gilt dabei zwei Anforderungen zu lösen, die Reflexionswerte und die geometrische Größe eines Matrixcodes. Zu diesem Zweck ist ein Graubild zu erzeugen. Aus dem Graubild ist ein binäres Bild abzuleiten, aus dem die Schwellwerte zur Bewertung der einzelnen Messwerte gewonnen werden. Untersucht werden nur die auf ISO-Ebene normierten Codes wie Data Matrix, Maxi-Code und QR-Code. Data Matrix ECC200 In der weiteren Betrachtung steht der Data Matrix ECC200 im Fokus. In der Folge der Messung werden die Werte für – Decodierung, – Symbolkontrast, – Modulation, – fixe Codemuster (Suchmuster), – Axiale-Nichtlinearität, – Gitter-Nichtlinearität, – Druckzuwachs und – UEC-Wert ermittelt und daraus die Güte des Matrixcodes bestimmt. Bei der Decodierung wird der jeweilige Referenz-Dekodier-Algorithmus benutzt, um einen Code zu decodieren. Damit wird die Syntax des Codes überprüft. Das Ergebnis ist nur positiv oder negativ. Der Symbolkontrast bewertet die einzelnen Zellen zu ihrem Hintergrund. Bei einem 2D-Prüfgerät kann mit weißer oder roter Lichtquelle beleuchtet werden, die im Einzelfall entsprechend zu wählen und zu dokumentieren sind. Bei der Modulation werden helle und dunkle Zellen im Datenfeld untersucht. Bei 2D-Codes ist der Wert wesentlich kritischer als bei einem Strichcode, da eine helle Zelle von vier dunklen Zellen umgeben sein kann, was für eine Abbildung entscheidend sein kann, wenn es kleine Toleranzverschiebungen gibt. Referenzmuster des Codes Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Untersuchung fixer Muster, die zum Auffinden und zum Auswerten des Matrixcodes wichtig sind. Dazu zählen das Suchmuster, Taktmuster, Ruhezone und andere Referenzzellen. Bei der Prüfung der axialen Nichtlinearität wird der Matrixcode auf sein definiertes Verhältnis von Breite und Höhe vermessen. Dynamische Drucktechniken oder weiche Materialien können den Druck verzerren und zu Leseproblemen führen, weshalb dieser Parameter wichtig ist. Die Gitter-Nichtlinearität prüft, wie genau das vom Taktmuster abgeleitete Gitternetz zum theoretisch richtigen Referenzgitter abweicht. Das ist für die Bewertung einer Zelle wichtig. Wenn eine Zelle keiner eindeutigen Position innerhalb des Gitternetzes zugeordnet werden kann, ist der Matrixcode nicht decodierbar. Der Druckzuwachs ist eine Rückkopplung für die verwendete Drucktechnik, um festzustellen, ob die Zellen zu groß oder zu klein gedruckt werden. Das kann mittels des Taktmusters ermittelt werden, da die wechselnden Zellen in ihrer Geometrie immer gleich groß sein müssen. Der UEC-Wert erkennt, inwieweit der Reed Solomon-Fehlerkorrekturalgorithmus ausgenutzt wird. Kommt er gar nicht zum Einsatz, so ist das Datenfeld des Codes in Perfektion gedruckt. Die genannten Punkte sind die wesentlichen Parameter, die bei der Prüfung eines Data Matrix ECC200 zur Bewertung herangezogen werden, um eine stabile Lesung zu garantieren. Codequalität von Strichcodes Die Norm ISO/IECf15416 und ANSI X3.182-1990 bilden in Verbindung mit den Code-Normen die Hauptgrundlage, um die Codequalität von Strichcodes zu bewerten. Die Norm beschreibt die allgemeinen Anforderungen, die als Grundlage für die Messung und damit der Bewertung eines Strichcodes dienen. Dazu wird immer eine diffuse Reflexion vorausgesetzt, und es zählen folgende Punkte: – Die Messungen müssen – wenn möglich – applikationsnah an Originalcodes durchgeführt werden. – Die Messung muss so durchgeführt werden, dass von einer diffusen Reflexion ausgegangen werden kann. – Die Abtastung der Codierung muss über die volle Länge einschließlich der beiden Ruhezonen erfolgen. Außerdem müssen mehrere Abtastvorgänge innerhalb des Prüfbandes durchgeführt werden. – Die Wellenlänge der Lichtquelle muss in nm angegeben werden. – Die optische Auflösung des Abtastsensors muss in mm angegeben sein. Sie richtet sich nach der kleinsten im Code vorkommenden Modulbreite X. Die Auflösung des Sensors muss dann <0,8X betragen. Dies entspricht in der Praxis der optischen Auflösung des ausgewählten Lesegeräts. Die Parameter für die Klassifizierung der Güte einer Strichcodierung sind wie folgt definiert: - Decodierungs D, - Symbolkontrast SC, - Minimale Reflexion Rmin, - Minimaler Adjazenzkontrast ECmin (auch \'Kantenkontrast\'), - Modulation MOD, - Mängel M (auch \'Defekte\') und - Decodierbarkeit V. Zur Gewinnung der zuvor genannten Parameter dient das Scan-Reflexprofil einer Strichcodierung, das im Prinzip das Analogabbild einer Abtastung wiedergibt. Die Y-Achse des Diagramms bildet die Reflexion in % ab und die X-Achse die lineare Position entlang der Abtastung einschließlich der Ruhezonen. Klassifizierungen nach ISO15416 und ANSI - Dekodierung D, - Symbolkontrast SC, - Minimale Reflexion Rmin, - Minimaler Adjazenzkontrast ECmin, - Modulation MOD, - Mägel M und - Dekodierbarkeit V.