14. Februar 2019

Zweidimensionale Codes: Stapelcodes, Matrixcodes, QR-Code, DataMatrix-Code

Mit dem eindimensionalen Strichcode erfolgt gemeinhin die Auszeichnung von Waren und Dienstleistungen. Da die Datendichte solcher Codes allerdings gering ist, wird in dafür vorgesehenen Anwendungen mit zweidimensionalen Codes (2D-Codes oder 2D-Barcodes) gearbeitet, deren Datenkapazität die von herkömmlichen Barcodes beziehungsweise Strichcodes um ein Vielfaches übersteigt.

Zweidimensionale Codes kommen also zum Einsatz, wenn ein größerer Informationsspeicher benötigt wird als mit eindimensionalen Codes. Es gibt zwei Hauptgruppen unter den zweidimensionalen Codes: Die Stapelcodes stellen gestapelte, eindimensionale Barcodes dar, während die Matrixcodes aus quadratisch ausgelegten oder rechteckigen Mustern bestehen.

Stapelcodes

Stapelcodes bestehen im Gegensatz zu eindimensionalen Strichcodes aus einem zweidimensionalen Bitmuster, welches, wie beispielsweise oben erwähnt, quadratisch aufgebaut ist. Stapelcodes nutzen in ihrer Fläche neben der X-Achse auch die Y-Achse und durch das Stapeln mehrerer eindimensionaler Strichcodezeilen innerhalb dieser Fläche kann die Datenmenge bedeutend erweitert werden. Die Anzahl der Zeichen, die gespeichert werden können, ergibt sich aus einer Multiplikation der einzeiligen Kapazität mit der Zeilenanzahl. Zur Lesung dieser Stapelcodes können leicht modifizierte Laserscanner verwendet werden, bei denen in einfacher Funktionsweise das Bild des 2D-Barcodes eingelesen und mittels Bildbearbeitungsprogramm entschlüsselt wird. Neben industriellen Handhelds und sogenannten MDE-Geräten (siehe auch Pick-by-Scan) können demnach auch Smartphones solche Codes auslesen. Stapelcodes sind beispielsweise PDF417, Codablock, Code 49, Code 16K.

Stapelcodes können grundsätzlich mehr Informationen speichern.

Vorteil und Nachteil von Stapelcodes

  • Der Vorteil von gestapelten Codes ist, dass die Fläche für diesen Code aufgrund der Stapelung relativ gering gehalten werden kann. Dadurch können im Vergleich zu eindimensionalen Strichcodes mehr Informationen pro Fläche untergebracht werden. Wird der Code demnach in hoher Auflösung gedruckt, kann der Ausschnitt des Codes auch wesentlich kleiner ausfallen; Stichwort platzsparend.
  • Nachteil ist, dass ein Mehraufwand in der Lesetechnik (siehe auch CCD-Kamera) im Vergleich zu Standardstrichcodes entsteht. In der Praxis können sich etwa Scanzeiten negativ auf die nachfolgenden Arbeitsabläufe auswirken, beispielsweise innerhalb der Kommissionierung. Bleiben die Codestrukturen von Standardstrichcodes erhalten, und arbeitet das Lesegerät nach industriellem Standard (richtiger Scanner anstatt Kamera), ist dieser Mehraufwand allerdings minimal.

Matrixcodes

Parallel zu den Stapelcodes wurden Matrixcodes entwickelt. Bei dieser Code-Art kommt eine aufwändige Lesetechnik zum Tragen. Ein Matrixcode setzt sich aus verschiedenen geometrischen Formen zusammen, meistens Punkte, Rechtecke und Sechsecke. Beispiele für einen Matrixcode sind DataMatrix, MaxiCode, AztecCode, QR-Code.

Mehrdimensionale Codes - Matrixcodes

MatrixCodes können ein Vielfaches an Informationen speichern.

Vorteile und Nachteile von Matrixcodes

  • Der Vorteil von Matrixcodes ist, dass die Fläche für den Code relativ geringgehalten werden kann und somit im Vergleich zu eindimensionalen Codes mehr Informationen pro Fläche untergebracht werden können. Die Codierung ist außerdem unter jedem Rotationswinkel lesbar. Im Vergleich zu Stapelcodes ist die Codegröße geringer bei gleichzeitig höherem Informationsinhalt.
  • Nachteil ist, dass beim Matrixcode kameragestützte Bildverarbeitungssysteme notwendig sind, um diesen zu entschlüsseln. Außerdem stellen zweidimensionale Codes generell höhere Ansprüche an die Drucktechnik. Ein großer Stolperstein beim Vormarsch der Codes ist immer noch die fehlende Standardisierung, die aber Stück für Stück, sowohl länderspezifisch als auch länderübergreifend erreicht werden soll; so ist beispielsweise die Matrixcode-Art ‚QR-Code‘ in mehreren Ländern ein nationaler Standard geworden.

QR-Code

Ein QR-Code gehört zur Gruppe der Matrixcodes. QR bedeutet ‚quick response‘ zu Deutsch ‚schnelle Antwort‘. Anhand dieses zweidimensionalen Codes können Anwender zu Texten und anderen multimedialen Inhalten in einem, beispielsweise für Smartphones, optimierten Format geführt werden. In der Regel öffnet sich, aufgrund eines im QR-Code hinterlegten Befehls, eine spezifische App – beispielsweise der Webbrowser.

QR-Codes in der Intralogistik gehören zum Standard; auch weil sie sehr robust sind.

Er setzt sich zusammen aus hellen und dunklen Modulen, die zusammen eine quadratische Matrix bilden. Genau acht Module ergeben dabei ein Codewort. Diese Module müssen nicht zwingend schwarz oder weiß sein, entscheidend ist dabei, dass ein hoher Kontrast zwischen den hellen und dunklen Modulen besteht. Anhand der sogenannten ‚Finder Pattern‘, die sich in drei der vier Ecken befinden, ist es möglich den Code als solchen zu erkennen. Sie sind immer an den gleichen Stellen im QR-Code platziert und geben dadurch die Ausrichtung des Codes vor. Ein ‚Finder Pattern‘ ist immer sieben Module breit. Zwischen diesen drei Markierungen befindet sich optisch eine Linie, das sogenannte ‚Timing Pattern‘.

Aufgrund einer eingearbeiteten Fehlerkorrektur lässt sich ein QR-Code auch dann noch lesen, wenn er nicht zu 100 Prozent lesbar oder etwas verschmutzt ist. Dadurch kann der Code noch bis zu einem Verlust von 30 Prozent dekodiert werden. Je höher das Level der Fehlerkorrektur ist, desto weniger Daten fasst der QR-Code allerdings.
Während er, wie oben erwähnt, schon in mehreren Ländern als nationaler Standard eingetragen wurde, hat der QR-Code auch technisch bereits mehrere Weiterentwicklungen erfahren:

  • Design-QR-Code (auch Custom-QR-Code, individualisiert durch grafische Gestaltung wie Logo, Schriftzug oder Bild; Anpassung an Corporate Designs und zum Einsatz in Marketingkampagnen; nutzt die Fehlertoleranz des QR-Codes aus)
  • Micro-QR-Code (auf minimale Abmessung optimierte QR-Code-Variante)
  • Secure-QR-Code (SQRC, beinhaltet eine Funktion zum Verschlüsseln von Dateninhalten)
  • iQR-Code (kann auch die Form eines Rechtecks haben und beispielsweise auf einem zylindrischen Gegenstand angebracht sein; bietet ähnlich wie der Micro-QR-Code eine hohe Datendichte auf sehr engem Raum)
  • Frame-QR-Code (für den Einsatz grafischer Elemente ebenso wie der Design-QR-Code, allerdings wird nicht die Fehlertoleranz genutzt beziehungsweise beeinträchtigt, sondern eine Freifläche geschaffen, um die der eigentliche QR-Code angebracht wird; die freie Zeichenfläche kann dann grafisch ausgestaltet werden; der Frame-QR-Code ist mit herkömmlichen QR-Codes nicht kompatibel und benötigt zum Auslesen eine andere App)

DataMatrix-Code

Der DataMatrix-Code gehört zusammen mit dem QR-Code zu den bekanntesten 2D-Codes und hat sich vor allem in der industriellen Produktion etabliert, wo er als dauerhafte Beschriftung per Laser oder per Nadelprägung aufgetragen wird, um einzelne Bauteile zu kennzeichnen. Mittlerweile wird er aber auch im Dokumentenhandling als gedrucktes Codebild eingesetzt, wie beispielsweise durch die Deutsche Post oder die Pharmaindustrie im Beispiel weiter unten.

Das folgende Video gibt einen Eindruck, wie klein DataMatrix-Codes ausfallen können.

Der DataMatrix-Code verfügt ebenso wie der QR-Code über eine Fehlerkorrektur; kann sowohl quadratisch als auch rechteckig gestaltet sein und auch auf zylindrischen Oberflächen platziert und ausgelesen werden. In der internationalen Norm ISO/IEC 16022 ist der DataMatrix-Code definiert und wird in seiner Variante mit der Fehlerkorrektur ECC200 (Reed-Solomon-Algorithmus) zusammen mit der GS1-Datenstrukrur verwendet. Daraus hat sich der Begriff ‚GS1-DataMatrix‘ gebildet, der aber keinen eigenen Code beschreibt, sondern nur die Konfiguration dieser Komponenten. Einerseits sind es seine technischen Eigenschaften und andererseits seine internationale Standardisierung, die die Verbreitung des DataMatrix-Codes immer weiter vorantreiben.

DataMatrix-Codes sind derzeit das neuste Codegefüge in der Welt der zweidimensionalen Codes.

DataMatrix-Code im Aufbau.

Anwendungen

Anmerkung der Redaktion: Die Anwendung von mehrdimensionalen Codes, insbesondere QR-Codes, ist in einem größeren Zusammenhang zu betrachten – der mobilen Datenerfassung, wozu auch RFID-Systeme gehören.

In der Logistik besteht in vielen Bereichen die Notwendigkeit Aufenthaltsort, Logistikstatus und Kennung einer Ware oder eines Produktionsmittels miteinander abzugleichen. Insbesondere hierbei hilft mobile Datenerfassung.

seton.de

Ursprünglich wurden QR-Codes in der Produktionslogistik eingesetzt, haben aber mittlerweile im gesellschaftlichen Alltag Einzug gehalten. In der Logistik beziehungsweise beim Materialfluss wird der klassische Barcode nach wie vor intensiv genutzt, er wird allerdings häufig nur zur Identifikation benötigt, während die eigentlichen Informationen in anderen Systemen hinterlegt sind (ERP-System, Lagerverwaltung, Warenwirtschaftssystem). Jedoch sind es Matrixcodes wie QR-Code und DataMatrix-Code, die ein sehr großes Innovationspotenzial bieten. So können mittlerweile stationäre Drucker in einer hohen Geschwindigkeit Verpackungen mit Codes versehen, um die Ware eindeutig identifizieren zu lassen. Es werden die bisher üblichen Chargennummern abgelöst, indem jede einzelne Verpackung eine serialisierte Kennzeichnung bekommt; dies wird beispielsweise in der Pharmaindustrie bei Medikamentenpackungen erfolgreich praktiziert. Durch den viel größeren Informationsgehalt solcher Codes wird einerseits die Dokumentation vereinfacht und werden andererseits Geschäftsprozesse prüfsicher gemacht. Zudem ist es mittlerweile Standard, unterschiedliche Code-Varianten zu kombinieren.

Beispiel: SecurPharm

Am 9. Februar ging das neue Sicherheitssystem für Arzneimittel ‚securPharm‘ online. Die gleichnamige deutsche Organisation securPharm e.V., die von Industrie, Großhandel und Apothekerschaft initiiert wurde, hat dieses System gemäß den Vorgaben der EU-Fälschungsschutzrichtlinie 2011/62/EU entwickelt. Die Packungen verschreibungspflichtiger Arzneimittel, die Hersteller neu in den Verkehr bringen, erhalten fortan zwei zusätzliche Sicherheitsmerkmale, die direkt vor der Abgabe an den Patienten überprüft werden.

Diese EU-Richtlinie besagt, dass jede Packung einen sogenannten Unique-Identifier hat, der aus Produktcode, Seriennummer, Charge und Verfallsdatum besteht und als 2D-Barcode aufgedruckt ist. Des Weiteren muss jede Packung versiegelt sein, um feststellen zu können, ob sie schon mal geöffnet wurde. Datentechnisch müssen diese Packungen Ende-zu-Ende verifiziert werden. Das heißt, der Hersteller lädt bei der Produktion einer Packung die Daten des Unique-Identifiers in eine EU-weite Datenbank hoch. Wenn die Packung an den Endverbraucher abgegeben wird, muss die Packung aus der Datenbank ausgebucht werden. Zwischen Produzent und Endverbraucher kann die Packung beliebig oft verifiziert werden. Dabei erfolgt eine Abfrage des Unique-Identifiers in der Datenbank, die zum einen prüft, ob dieser vorhanden ist und zum anderen, ob er noch nicht ausgebucht wurde. Ein klassischer Strichcode würde bei dieser Informationsmenge viel zu groß werden, weshalb die oben erwähnten Daten in einem DataMatrix-Code (ISO/IEC 16022) kodiert werden.

Zusammenfassung zweidimensionale Codes / 2D-Codes

Mehrdimensionale Codes (auch zweidimensionale Codes oder 2D-Codes) haben einen deutlich größeren Informationsspeicher als eindimensionale Codes; sie gliedern sich in Stapelcodes und Matrixcodes. Der QR-Code ist einer der verbreitetsten und bekanntesten Matrixcodes, da er ohne technisches Spezialwissen oder aufwändige Hilfsmittel sowohl erstellt als auch gelesen werden kann und dabei ein ausgewogenes Verhältnis von Platz und Datenkapazität bietet. Gegenüber dem klassischen Barcode verfügt der QR-Code noch über eine großzügige Fehlertoleranz, wodurch er ausgelesen werden kann, selbst wenn er beschädigt ist. So werden QR-Codes beispielsweise genauso effizient in der Lagerverwaltung genutzt wie im Alltag oder in der Werbung. Aber auch der DataMatrix-Code hat sich durch Anwender wie die Deutsche Post etabliert, wo er zur DV-Freimachung genutzt wird.

Über TUP - Redaktion

TUP - Redaktion

Die Redaktion der DR. THOMAS + PARTNER GmbH & Co. KG hat die Plattform Logistik KNOWHOW ins Leben gerufen, administriert und koordiniert die Beiträge und erstellt selbst Inhalte zu verschiedenen Kategorien. Die Software-Manufaktur DR. THOMAS + PARTNER aus dem Raum Karlsruhe realisiert seit über 35 Jahren maßgeschneiderte Intralogistik-IT-Systeme, mit speziellem Fokus auf die Bereiche Lagerverwaltung und Materialfluss. Zu den namhaften Kunden zählen nationale und internationale Unternehmen unterschiedlicher Größe und Branche.

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