Näkymättömällä musteella tulostetun koodin lukutapahtumassa vaikuttavat tekijät

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Automaatio- ja systeemitekniikan osasto Mikko Nuutinen Näkymättömällä musteella tulostetun koodin lukutapahtumassa vaikuttavat tekijät Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 31.8.2004. Työn valvoja Professori Pirkko Oittinen

TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä ja työn nimi Mikko Nuutinen, 50058P Näkymättömällä musteella tulostetun koodin lukutapahtumassa vaikuttavat tekijät Päivämäärä: 31.8.2004 Sivumäärä: 94 Osasto Automaatio- ja systeemitekniikan osasto Professuuri AS-75 Viestintätekniikka Työn valvoja Professori Pirkko Oittinen Työn ohjaaja Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää näkymättömällä, fluoresoivalla musteella tulostettujen 2-dimensionaalisten Data-Matrix koodien lukutapahtumassa vaikuttavat tekijät. Painetun koodin avulla voidaan lisätä kamerallisen mobiililaitteen ja painetun median välistä yhteistoimintaa. Näkyvä koodi luo rajoituksia koodin koolle ja asettelulle. Sitä voidaan pitää myös esteettisesti häiritsevänä. Käyttämällä näkymättömiä koodeja näitä rajoituksia voidaan poistaa tai lieventää. Tutkimuksessa käytetty fluoresoiva muste oli ilman ultraviolettivaloa ihmissilmälle näkymätöntä. Tutkimuksen kirjallisuusosiossa määriteltiin koodin kuvausprosessin eri vaiheet. Kuvausprosessissa syntyvään kuvaan vaikuttavat käytetyt valonlähteet sekä kuvattavan kohteen ja lukulaitteen ominaisuudet. Kokeellisessa osassa tutkittiin valaistuksen, painoalustan, painetun taustakuvioinnin sekä koodin asettelun vaikutusta 2-dimensionaalisen Data-Matrix koodin lukutapahtumaan. Painoalustoina käytettiin eri paperilajeja, joille koodeja tulostettiin eri musteilla. Painoalustan kuvioina koodin alla käytettiin tekstiä, eri värisiä ja erilaisia rasteripintoja sekä viivoja. Koodeja kuvattiin tämän hetken tekniikkaan perustuvalla kamerakännykällä tai korkealaatuisella digitaalisella kameralla. Tämän jälkeen kuvat syötettiin tietokoneella toimivaan tunnistusohjelmaan. Tulosten perusteella fluoresoivalla musteella tulostetun koodin luku edellyttää, että musteen emissio on riittävän korkea verrattuna paperin emissioon. Käytetty paperilaji vaikuttaa suuresti musteen emissioon. Tekstin päälle tulostetun koodin lukeminen ei ollut mahdollista. Sitä vastoin ohuen viivan ja rasteriprosentiltaan rajoitetusti väriä sisältävän tai puhtaan pinnan päälle tulostetun koodin luku onnistui, kun kriteeritasona oli 90 % onnistumisaste. Lukuympäristöön lisätty näkyvä valo alensi koodien suorituskykyä. Tulosten perusteella ultraviolettivalossa fluoresoivien koodien käyttö on mahdollista, mutta vaatimuksena on tarkka sovelluskohtainen suunnittelu. Avainsanat: DataMatrix-symboli, fluoresenssi, kamerapuhelin, näkymätön koodi, ultraviolettisäteily

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF MASTER S THESIS Author, Title of Thesis Mikko Nuutinen, 50058P Factors affecting the readability of codes printed with invisible inks Date: August 31, 2004 Pages: 94 Department Department of Automation and Systems Technology Professorship AS-75 Media Technology Supervisor Pirkko Oittinen, Professor Instructor The object of this study was to find out the factors that affect reading invisible codes. In the study 2-dimensional Data-Matrix codes were printed using inks that were invisible without ultraviolet radiation. With printed codes it is possible to enhance the synergy between printed media and a mobile device with camera. With visible codes there are restrictions for size and alignment of the codes. They could also be esthetically disturbing. These problems could be removed or reduced by using invisible codes. In the literature part of this study different phases that affect the imaging process of the codes were studied. In the imaging process the affecting factors are light sources and properties of imaging object and reading device. In the empirical part of this study lighting and different properties of the print carrier were studied. In addition alignment of codes on the print carrier was studied. The 2-dimensional Data-Matrix codes were printed with different inks to different paper types. In additition different colors and figures, like text and lines, were used. Present-day mobile camera phone or sophisticated digital camera were used as imaging devices. After that imaged pictures were input to the computer based decoder. The results showed that reading codes, which are printed with fluorescence ink, require that emission of the ink is high enough compared to the emission of the paper. Emission of the ink depends highly on the paper types. It was possible to read codes that were printed over a thin line or certain colour or onto a blank surface when degree of success was set to 90 %. Reading performance reduces significantly if lighting also include visible light. Reading was impossible when codes were printed over text. It is possible to read codes that are printed with fluorescence ink, but it requires careful application specific planning. Keywords: DataMatrix-symbol, fluorescence, invisible code, mobile camera phone, ultraviolet radiation

Alkusanat Laadin diplomityöni Viestintätekniikan laboratoriossa osana PrintAccess-projektia. Haluan kiittää koko laboratorion henkilökuntaa hyvästä työilmapiiristä. Erityisesti haluan kiittää työn valvojaa professori Pirkko Oittista asiantuntevista neuvoista sekä väsymättömästä kannustuksesta. Kiitokset kuuluvat myös VTT:n Liisa Hakolalle, joka auttoi koodien tulostuksessa käytettyjen musteiden hankinnassa ja valmistuksessa. Lopuksi haluan kiittää Tuijaa, joka piristi elämääni ja toi muuta puuhaa ja ajateltavaa koko tutkimuksen ajan. Espoossa 31.8.2004 Mikko Nuutinen

SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO...1 1.1 Taustaa...1 1.2 Tutkimuksen tavoitteet...2 1.3 Tutkimuksen rakenne...2 2 NÄKYMÄTTÖMIÄ KOODEJA HYÖDYNTÄVIÄ SOVELLUKSIA...4 2.1 Tuotteen esteettisyys ja lajittelu...4 2.2 Tuotteen autentikointi...5 3 SYMBOLOGIAT...6 3.1 Yksiulotteiset symbologiat...6 3.2 Kaksiulotteiset symbologiat...6 3.2.1 QR Code...7 3.2.2 PDF-417...8 3.2.3 DataMatrix...9 4 SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY...13 4.1 Sähkömagneettisen säteilyn spektri...14 4.2 Optinen säteily...14 4.2.1 Ultraviolettisäteily...15 5 SÄTEILYLÄHTEET...16 5.1 Kuvausprosessi...16 5.2 Radiometria ja fotometria...17 5.2.1 Perussuureet...17 5.3 Planckin säteilijä...18 5.4 Keinotekoiset säteilylähteet...19 5.4.1 Termiset säteilijät...20 5.4.2 Kaasupurkaussäteilijät...21 5.4.3 Valoa emittoivat diodit...23 5.5 Luonnonvalo...25 5.5.1 Luonnonvalon sisältämä ultraviolettisäteily...25 6 PAPERIN OPTISET OMINAISUUDET...27 6.1 Säteilyn ja paperin vuorovaikutukset...27 6.2 Optinen kirkaste...27 6.3 Fluoresenssi-ilmiö...28 6.3.1 Fluoresenssin ja fosforenssin teoria...28 7 DIGITAALISEN KAMERAN VASTE...32 7.1 Yleistä...32 7.2 Kuvasensorin spektraalinen herkkyys...33 7.2.1 MOS-kondensaattori...34 7.2.2 Fotonin aallonpituusriippuvainen absorboitumiskyky...35 7.2.3 Värisuodatusmatriisi ja infrapunasuodatin...38 8 KOKEELLISEN TUTKIMUKSEN TOTEUTTAMINEN...40 8.1 Tavoitteet ja rajaukset...40 8.2 Symbolien lukuympäristö...41 8.3 Kamerat...42

8.3.1 Spot RT SE6 Slider...42 8.3.2 Nokia 3650...43 8.4 Ohjelmistot...44 8.5 Valonlähteet...46 8.5.1 Ksenonlamppu ja UG1-kaistanpäästösuodatin...46 8.5.2 Valonlähteiden spektrimittaukset...47 8.6 Paperilajit ja musteet...49 8.6.1 Fluoresenssispektrometri...49 8.6.2 Papereiden viritys- ja emissiospektrit...50 8.6.3 Musteiden ja käytettyjen paperien viritys- ja emissiospektrien ero...51 8.6.4 Toonereiden fluoresoivat ominaisuudet...53 8.7 Lukuympäristössä suoritettujen mittauksien toistettavuus...55 9 SYMBOLIEN LUKUMITTAUKSET...58 9.1 Lukuetäisyyden ja X-leveyden raja-arvot...58 9.2 Rasteriprosentin vaihtelu symbolin alla...59 9.3 Kontrastin tasaisuuden vaihtelu symbolin alla...59 9.4 Lukulaitteen sivuttaissuuntainen kohdistaminen...60 9.5 Graafiset elementit symbolin alla...61 9.6 Käyttöympäristön valaistuksen vaikutus...62 10 MITTAUSTULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU...64 10.1 Lukuetäisyyden ja X-leveyden raja-arvot...64 10.2 Rasteriprosentin vaihtelu symbolin alla...70 10.3 Kontrastin tasaisuuden vaihtelu symbolin alla...74 10.4 Lukulaitteen sivuttaissuuntainen kohdistaminen...78 10.5 Graafiset elementit symbolin alla...80 10.6 Käyttöympäristön valaistuksen vaikutus...81 11 TULOSTEN ARVIOINTI JA POHDINTAA...84 11.1 Näkymättömän symbolin viritys- ja emissioalue...85 11.2 Lukuympäristön valaistus...86 11.3 Musteen ja paperin vuorovaikutukset...87 11.4 Painoalustan pinnan kuviointi...87 11.5 Näkymättömien symbolien sijoittelu painoalustalle...88 11.6 Dekoodaus-ohjelma...88 12 YHTEENVETO...89 LÄHDELUETTELO...90 LIITE 1 MITTAUKSISSA KÄYTETYT MUSTEET JA PAPERIT...95 LIITE 2 VALONLÄHTEIDEN SPEKTRIMITTAUKSET...96 LIITE 3 MUSTEIDEN JA PAPEREIDEN VIRITYS- JA EMISSIOSPEKTRIT...97 LIITE 4 LIITE 5 LIITE 6 VÄRIAINEIDEN FLUORESOIVAT OMINAISUUDET...99 LUKUMITTAUKSIEN TOISTETTAVUUS...100 LUKUETÄISYYDEN JA X-LEVEYDEN RAJA-ARVOT...101

LIITE 7 RASTERIPROSENTIN VAIHTELU SYMBOLIN ALLA...105 LIITE 8 KONTRASTIN TASAISUUDEN VAIHTELU SYMBOLIN ALLA...106 LIITE 9 LUKULAITTEEN SIVUTTAISSUUNTAINEN KOHDISTAMINEN...108 LIITE 10 GRAAFISET ELEMENTIT SYMBOLIN ALLA...109 LIITE 11 YMPÄRISTÖN VALAISTUKSEN VAIKUTUS...110

LYHENTEET JA KÄSITTEET IR UV infrared ultraviolet Dekoodaus-ohjelma Symboliin koodatun informaation tulkintaan käytettävä ohjelmisto. Elementti (solu) Symbolin pienin yksittäinen merkki, joka sisältää binääriarvon 0 tai 1. Emissiospektri Käyrä, joka kuvaa aallonpituuden tai taajuuden funktiona aineen emittoiman säteilyn suhteellista tehoa. Fluoresenssi Ilmiö, jossa aineeseen absorboitunut sähkömagneettinen säteily emittoituu muuttuneella aallonpituudella. Kontrasti Dekoodaus-ohjelman havaitsema ero symbolin vaaleiden ja tummien elementtien eli painoalustan ja käytetyn musteen välillä. Koodaus-ohjelma Symbolin valmistukseen käytettävä ohjelmisto. Korjattujen virheiden prosentuaalinen määrä Symbolin dekoodaus-ohjelman korjaamien virheiden määrä käytetyn symbolin virheenkorjauksen maksimikapasiteetista. Lukulaite Elektroninen laite, joka detektoi symbolista sähkömagneettisen säteilyn muodossa heijastuvan informaation. Marginaali (tyhjä alue) Symbolia ympäröivä, muusta painatuksesta tyhjä alue. Mustavalolamppu UVA-alueen säteilyä emittoiva valonlähde. Symboli Tietyn symbologian sääntöjen ja periaatteiden mukaan valmistettu koodi. Symbologia Määrittelee säännöt ja periaatteet, joiden mukaan symboli tulee valmistaa Säteilyvoimakkuus Pinnalle osuva säteilyteho pinta-alayksikköä kohti. Tyhjän alueen leveys Symbolien välinen etäisyys toisistaan, kun samalle painoalustalle on painettu useita symboleita. Ulkoinen valaistus Fluoresenssin virittämiseen käytetyn valonlähteen rinnalla toimiva valonlähde. Valonlähteellä simuloidaan näytteeseen kohdistuvaa, käyttöympäristökohtaista valaistusvoimakkuutta.

UVA-, UVB- ja UVC-alue CIE:n määrittelemät ultraviolettialueen säteilyn spektraaliset kaistat. Valaistusvoimakkuus Pinnalle osuva valovirta pinta-alayksikköä kohti. Viritysspektri Käyrä, joka kuvaa aallonpituuden tai taajuuden funktiona fotonin suhteellista herkkyyttä virittää aineen elektroni. X-leveys Symbolin pienimmän yksittäisen merkin eli elementin leveys.

1 1 JOHDANTO 1.1 Taustaa Kamerapuhelimet ovat yleistyneet nopeasti viime vuosien aikana. Voidaan myös olettaa, että tulevaisuudessa kameroita tullaan integroimaan myös muihin laitteisiin kuin puhelimiin. Tämän kaltainen laite voisi olla esimerkiksi kaukosäädin. Tämä tutkimus on osa PrintAccess-projektia, jonka lähtökohtana on määritellä, analysoida ja verifioida konsepteja, joiden avulla painotuotteiden ja digitaalisen median yhteentoimivuus lisääntyy. Digitaaliseen mediaan lasketaan tässä kuuluvaksi mobiilit päätelaitteet, digitaalinen televisio sekä Internet. Tällä hetkellä painotuotteiden ja digitaalisen median yhteiskäyttö on kuluttajatasolla yleistä. Esimerkiksi yleinen tapa on tilata erilaisia palveluja mobiiliin puhelimeen painetusta mediasta, luettuna saadun ja käsin syötetyn informaation avulla. Markkinat luovat jatkuvia tarpeita kehittää ja luoda uusia ja kuluttajan kannalta helpompia ja monipuolisempia ratkaisuja. PrintAccess-projektiin kuuluvassa Koivun /22/ tutkimuksessa tutustuttiin erilaisiin painotuotteita ja digitaalisia laitteita yhdistäviin sovelluksiin sekä tutkittiin erilaisten koodityyppien ja lukulaitteiden soveltuvuutta tämänkaltaisiin käyttötarkoituksiin. Perusideana oli käyttää kamerapuhelinta painotuotteeseen lisätyn koodin lukulaitteena. Tässä tutkimuksena perusideana on korvata Koivun tutkimuksessa käytetyt näkyvät koodit ihmissilmälle näkymättömillä koodeilla. Näkymättömillä koodeilla tarkoitetaan informaatiota sisältävää merkkiä tai merkkiryhmää, jota ihmissilmällä ei pystytä havaitsemaan tai tunnistamaan. Näkymättömiä koodeja voidaan toteuttaa seuraavilla menetelmillä: Fluoresenssimusteet o Muste absorboi ultravioletti-, näkyvää tai infrapunavaloa ja emittoi yleensä pitempiaallonpituista valoa. Fosforenssimusteet o Muste absorboi valoa ja emittoi valoa vielä säteilylähteen vaikutuksen lakattua. Musteen emittoima valo on yleensä pitempiaallonpituista kuin sen absorboima. Termokromiset musteet o Muste vaihtaa väriä lämpötilan muuttuessa. Digitaalinen vesileima o Koodi on piillotettu tulostettuun kuvaan. Mikropainatus o Pieniä merkkejä luetaan suurentavan laitteen avulla. Näkymättömien koodien avulla informaatiota voidaan sisällyttää näkyvän painatuksen sekaan. Tämän avulla saavutetaan suurempi käytettävissä oleva pinta-ala informaation upottamiselle. Näkymätön painatus ei myöskään ole esteettisesti häiritsevä. Tämän lisäksi näkymättömillä koodeilla voidaan vaikeuttaa tuotteiden tai dokumenttien väärentämistä. /12/

1.2 Tutkimuksen tavoitteet Tässä tutkimuksessa keskityttiin fluoresenssimusteilla tulostettuihin näkymättömiin koodeihin. Fluoresenssimusteella tulostettu koodi on näkymätön, jos musteen absorptio- ja/tai emissioaallonpituudet ovat ihmissilmälle näkymättömällä alueella. Täten näkymättömien koodien sovelluksiin sopivat seuraavat fluoresoivien musteiden absorptio- ja emissioparit: absorboi ultraviolettialueella ja emittoi näkyvällä alueella, absorboi näkyvällä alueella ja emittoi infrapuna-alueella tai absorptio ja emissio infrapuna-alueella. 2 Ultraviolettialueella absorboiva ja näkyvää valoa emittoiva muste on näkymätön ihmiselle normaalissa valaistuksessa, mutta muuttuu näkyväksi ultraviolettivaloa emittoivan valonlähteen vaikutuksen alaisena. Infrapuna-alueella emittoivat musteet eivät ole ihmissilmälle näkyviä missään olosuhteissa. Näillä musteilla painetut koodit tarvitsevat aina koneellisen luennan. Tässä tutkimuksessa käytettiin ainoastaan musteita, jotka absorboivat ultraviolettialueella ja emittoivat näkyvällä alueella. Rajaus johtui musteiden saatavuudesta sekä infrapunaalueella emittoivien musteiden lukutapahtuman erityisvaatimuksista. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää miten ja mitkä tekijät vaikuttavat fluoresoivilla musteilla tulostettujen koodien lukutapahtumassa. Kun koodi painetaan ihmissilmälle normaalissa ympäristössä näkymättömällä fluoresoivalla musteella, tulee valaistuksen eli säteilylähteen antaa riittävä säteilyteho käytetyn musteen absorptioalueella. Koodin painoalustan eli yleensä paperin ja musteen optisten ominaisuuksien tulee taata riittävä kontrastin syntyminen, jotta koodi voidaan erottaa painoalustasta. Lukulaitteen ominaisuuksien tulee soveltua sähkömagneettisen säteilyn muodossa emittoituvan koodi-informaation tallentamiseen. Tutkimuksen kirjallisuusosuuden lähtökohtana oli luoda perustietous edellä kuvatuista, koodin lukutapahtumassa vaikuttavista tekijöistä. Kokeellinen osuus perustui mittauksiin, joilla pyrittiin vastaamaan seuraavaan kysymykseen: miten fluoresoivilla musteilla tulostettuja koodeja voidaan käyttää ja mitä rajoituksia niiden käyttö asettaa. 1.3 Tutkimuksen rakenne Tutkimukseen sisältyy kirjallisuus- (luvut 2-7) ja kokeellinen (luvut 8-11) osio. Tämän lisäksi liitteinä ovat kokeellisen osion mittaustaulukot. Luvussa 2 esitellään olemassa olevia, näkymätöntä painatusta hyödyntäviä sovelluksia. Luvussa 3 perehdytään erilaisten painettujen koodien eli symbologioiden määritelmiin. Luvussa keskitytään erityisesti tässä tutkimuksessa käytetyn DataMatrix-symbologian ominaisuuksiin. Luvussa 4 tutustutaan sähkömagneettiseen säteilyyn ja sen spektraalisen jakauman optiseen osaan. Luvussa 5 esitellään erilaisia valontuottotapoja. Luvussa 6 määritellään paperin optisia ominaisuuksia ja perehdytään optisten kirkasteiden käyttöön sekä erityisesti fluoresenssi-ilmiöön. Luvussa 7 tutustutaan digitaalisen kameran kuvasensorin toimintaan ja suorituskykyyn detektoida sähkömagneettista säteilyä.

Luvussa 8 määritellään kokeellisen tutkimuksen tavoitteet ja selvitetään mitä rajoituksia koeympäristö asettaa. Lisäksi käsitellään koeympäristössä käytettyjen laitteiden, ohjelmien ja materiaalien ominaisuuksia. Luvussa 9 määritellään mitä mittauksia näillä laitteilla tehdään ja millä asetuksilla ne suoritetaan. Mittaukset aloitetaan määrittelemällä lukutapahtumaa ajatellen toimivat symbolikoot sekä lukuetäisyydet. Tämän jälkeen tutkitaan miten painoalustan kuviointi ja väri vaikuttavat symbolin lukutapahtuman suorituskykyyn. Lopuksi tutkitaan ympäristön valaistuksen merkitystä. Luvussa 10 esitellään kokeissa saadut mittaustulokset ja tarkastellaan niitä. Luvussa 11 arvioidaan mittaustuloksia ja pohditaan mitä tekijöitä tulee huomioida suunniteltaessa fluoresoivilla musteilla tulostettujen koodien käyttöä. 3

4 2 NÄKYMÄTTÖMIÄ KOODEJA HYÖDYNTÄVIÄ SOVELLUKSIA 2.1 Tuotteen esteettisyys ja lajittelu Näkyviä koodeja voidaan pitää esteettisesti häiritsevinä. Mikäli koodin pystyy painamaan informaation sekaan, säästää se etikettitilaa, josta etenkin pienikokoisissa tuotteissa on puutetta. Valmistaja voi painaa näkymättömän koodin tuotteessa haluaamaansa kohtaan. Tämä tuo joustavuutta tuotteen käsittelyyn. Esimerkkituotteita minimaalisesta etikettitilasta ovat CD-levyt, kosmetiikka- ja lääkevalmisteet. Kuvassa 1 on esitetty esimerkki sekä lääkevalmisteesta että cd-levystä, joihin on upotettu näkymättömällä painatuksella DataMatix-symboli. Koodien avulla tuotteen seuranta ja tuotteeseen sisältyvän informaation tallentaminen myös helpottuvat. Kuvassa 1 esitettyjen tuotteiden näkymätön koodi on painettu etikettiin. Toisessa esimerkkisovelluksessa tuoteinformaatio on sisällytetty lääkepullon pohjassa olevaan näkymättömään koodiin. Koodi-informaation perusteella maakohtainen etiketöinti voidaan siirtää suoritettavaksi kohdemaassa jolloin sen luotettavuus paranee eikä sitä tarvitse tehdä kuin kohdemaan kielellä ja lainsäädännön vaatimukset huomioonottaen. /2,32/ Kuva 1. Lääkepurkin ja CD-levyn etikettiin näkymättömällä musteella painettu DataMatrix-symboli /38/ Postitusjärjestelmät hyödyntävät näkymättömiä koodeja kirjeiden konelajittelussa. Järjestelmä koostuu optisesta merkintunnistimesta (OCR, optical character recognition) sekä lajittelukoneesta. Esimerkkisovelluksessa /11/ optinen merkintunnistin lukee ja analysoi kirjeeseen koneella kirjoitetun osoitetiedon ja onnistuneen lukutapahtuman jälkeen tulostaa fosforoivalla musteella postinumeron sisältävän koodimerkin kirjeeseen. Tämän jälkeen lajittelukone lukee elektronisesti koodimerkin ja ohjaa kirjeet paikalliseen, kansalliseen tai kansainväliseen jakeluun. Koneellista lajittelua voidaan vielä hyödyntää kirjeiden kohdepostitoimistossa lajittelemalla kirjeet valmiiksi postimiehelle. Kuvassa 2 on esitetty Suomen Postin ohje konelajitteluun soveltuvan kirjeen merkinnöistä sekä näkymättömälle koodimerkille varattu alue.

5 Kuva 2. Suomen Postin konelajiteltavan kirjeen merkinnät /50/ Toinen postijärjestelmiin liittyvä näkymättömiä koodeja hyödyntävä sovellus on personoitujen kirjeiden sisäänpisto. Esimerkiksi suoramarkkinoinnissa käytettyjen kirjeiden sisäänpisto tulee suorittaa kirjekuoreen, joka sisältää oikean osoitemerkinnän. Joissakin tapauksissa kirjeiden sisältö tuotetaan eri paikassa kuin kirjekuorien osoitetiedon painatus. Personoidun kirjeen sisäänpisto osoitetiedolla varustettuun kirjekuoreen vaatii huomattavia panostuksia, eikä ihmisen käsin tekemät satunnaiset tarkastukset takaa riittävää virheettömyyttä. Tämän lisäksi edellä oleva tapa ei ole kustannustehokas. W.C. National, suuri suoramarkkinointiin perustuva postitusliike, käyttää automaattista näkymättömään painatukseen perustuvaa sisäänpistojärjestelmää. Jokaisessa dokumentissa on kontrollikoodi, näkyvällä musteella painettu DataMatrix-symboli, joka sisältää järjestysnumeron. Sama järjestysnumero on myös näkymättömällä musteella painettuna kirjekuoressa. Tarkastuprosessi varmistaa, että kirjekuori ja sisäänpistettävä dokumentti sisältävät saman järjestysnumeron. Mikäli järjestysnumerot eivät täsmää, järjestelmä pysäytetään ja näin vältetään virheelliset sisäänpistot. Käyttämällä näkymätöntä painatusta kirjekuoressa saavutetaan asiakkaiden toivoma esteettisyyden taso. /36/ 2.2 Tuotteen autentikointi Näkymättömiä autentikointikoodeja käytetään tuotteen, valuutan ja henkilöllisyystodistusten väärentämisen vaikeuttamiseksi. Lähtökohtana on olettamus, että väärentäjät eivät tiedä koodien olemassaoloa tai heillä ei ole kykyä tuottaa niitä. On olemassa useita valmistajia, jotka kehittelevät korkealaatuista turvallisuustekniikkaa perustuen näkymättömien musteiden käyttöön. Turvallisuuslähtökohtiin perustuen useiden tekniikoiden periaatteet eivät ole julkisia. /16/ Muovisissa henkilöllisyyskorteissa käytetään esimerkiksi ultraviolettisäteilyn alla näkyvää valoa fluoresoivaa tulostusta. Painatus voi sisältää erilaisten koodien lisäksi esimerkiksi digitaalisen allekirjoituksen, sosiaaliturvatunnuksen tai varjokuvan näkyvästä kuvasta. /32/

6 3 SYMBOLOGIAT Symbologia merkitsee painettujen koodien yhteydessä sääntöjä ja periaatteita, joiden perusteella koodi eli symboli valmistetaan. Tietyn symbolin symbologia määrittelee muun muassa symboliin sisältyvän datan koodaus- ja dekoodaustavat, symbolin rakenteen sekä virheenkorjausmenetelmät. Symbologioita on sekä yksi- että kaksiulotteisia. Yksiulotteisen symbologian tulkitsemisessa otetaan huomioon ainoastaan viivojen ja aukkojen leveys horisontaalisessa suunnassa. Kaksiulotteisissa symboleissa tulee huomioida myös vertikaalinen suunta. Kaksiulotteisiin symbologioihin voidaan täten suhteessa sisällyttää huomattavasti enemmän dataa kuin yksiulotteisiin. Merkittävä kaksiulotteisten symbologioiden ominaisuus on niiden virheensietokyky. Symboleissa käytetään monimutkaisia ja tehokkaita virheiden havaitsemis- ja korjausjärjestelmiä. Tämän seurauksena symbologian luku onnistuu osittaisesta symbolin tuhoutumisesta huolimatta. /22/ 3.1 Yksiulotteiset symbologiat Yksiulotteiset symbologiat eli viivakoodit eroavat toisistaan lähinnä koodaustavan ja merkkivalikoiman suhteen. EAN, 2/5 Interleaved ja Code 39 ovat tavallisimpia yksiulotteisia symbologioita. Esimerkiksi EAN (European Article Numbering) on yleinen, Euroopassa vähittäiskaupan sovelluksissa käytetty symbologia /22/. EAN sisältää numeerista dataa ja koodisanalla on kymmenen vaihtoehtoista arvoa (0-9). Koodisana rakentuu seitsemästä elementistä, joista muodostetaan kaksi viivaa ja kaksi väliä. Koodisanalla tarkoitetaan koodia, josta saadaan dekoodattua yksi merkki. EAN-symbolin alapuolella on numeerinen teksti, joka sisältää saman datan kuin symbolikin. EAN-symbologia sisältää kaksi alaryhmää: EAN-13 /kuva 3/ sisältää 13 ja EAN-8 sisältää 8 koodisanaa. Symbolin alussa ja lopussa sijaitsevat aloitus- ja lopetusmerkit. Symbolin viimeinen koodisana sisältää aina tarkistusnumeron. Suomessa yleistä EAN-symbolipankkia ylläpitää Keskuskauppakamari. Kuva 3. EAN-13 -symboli, joka sisältää koodisanan 123456789123 /54/ 3.2 Kaksiulotteiset symbologiat DataMatrix, QR Code sekä PDF-417 ovat kaksiulotteisia ISO:n (International Organization for Standardization) standardoimia symbologioita. Taulukossa 1 on QR Code, PDF-417 ja DataMatrix-symbologiesimerkit, rakenteet sekä maksimi datakapa-

7 siteetit. Jokaisen symbologian esimerkkisymboliin sisältyy koodisanat IT WORKS EXCELLENTLY. PDF-417 eroaa muista siinä, että se on niin sanottu pinottu symbologia. Se rakentuu päällekkäin pinotuista yksiulotteisista symboleista. Seuraavissa aliluvuissa tarkastellaan DataMatrix-symbologian ISO/IEC 16022 -standardin määrittelemää rakennetta sekä datanmäärä- ja virheenkorjaustasoja. Tämän lisäksi tarkastellaan pintapuolisesti QR Code ja PDF-417-symbologioita. Taulukko 1. Yleisten kaksiulotteisten symbologioiden ominaisuuksia /22,54/ QR Code PDF-417 DataMatrix Symbologia Rakenne Matriisi Pinottu Matriisi Numeerinen 7 089 2 710 3 116 Kapasiteetti Alfanumeerinen 4 296 1 850 2 335 (merkkiä) Binäärinen 2 953 1 108 1 556 3.2.1 QR Code QR Code (Quick Response Code) on neliönmuotoinen matriisisymbologia /kuva 4/. Symbologiasta on olemassa kolme eri mallia Model 1, Model 2 ja MicroQR. Model 1 ja Model 2 -malleissa etsintäkuvio (engl. position detection pattern) on sijoitettu kolmeen nurkkaan ja MicroQR-mallissa yhteen. Etsintäkuvio sisältää vuorotellen päällekkäin pinottuja tummia ja vaaleita neliöitä. Model 1 on alkuperäinen määritelmä ja Model 2 on siitä kehitetty. Model 2 -mallin symbolikoko vaihtelee 21x21:sta 177x177:n soluun (engl. cell). Solulla viitataan vaaleisiin ja tummiin symbolin rakentaviin neliöihin. Symbolin dekoodauksessa tumma solu saa arvon 1 ja vaalea arvon 0. QR Code -symbologian yksi merkittävä ominaisuus on kyky koodata suoraan japanilaisia Kanji- ja Kana-merkkejä. Symboliversio määritellään perustuen datakapasiteettiin, käytettyyn merkkityyppiin sekä haluttuun virheenkorjaustasoon. Model 1 ja Model 2 -mallien symboliversio 1 sisältää 21x21 solua. Versionumeron kasvaessa yhdellä lisääntyy malleissa sivun solumäärä neljällä. Suurin määritelty Model 1 -mallin versionumero on 14 ja Model 2 -mallin 40. QR Code symbologiassa voi määritellä Reed-Solomon virheenkorjaustason neljästä eri vaihtoehdosta. Tasot ovat L, M, Q ja H. Tasolla L data voidaan lukea onnistuneesti, vaikka keskimäärin 7% siitä olisi vahingoittunut, tasolla M 15%, tasolla Q 25% ja korkeimmalla eli tasolla H 30%. /5,23/

8 Kuva 4. QR Code rakenne /23/ 3.2.2 PDF-417 /15/ PDF-417 (Portable Data File -417) on pinottu symbologia ja se voi suurimmillaan sisältää 34 saraketta ja 90 riviä. Näistä kaksi ensimmäistä ja kaksi viimeistä saraketta on varattu alku- ja lopetusmerkeille (engl. start pattern ja stop pattern). Koodisana rakentuu 17 elementistä, joista muodostetaan neljä viivaa ja neljä väliä (täten numero 417 ) /kuva 5/. PDF-417 -symbologia sisältää kolme eri ryhmää koodisanoille ja yhdellä koodisanalla on 929 eri arvovaihtoehtoa. Käytettävä ryhmä merkitään rivin alkuun riviosoittajalla (engl. row indicator). PDF-417 -symbologia käyttää Reed- Solomon-virheenkorjausta. Virheenkorjaustason voi valita yhdeksästä eri vaihtoehdosta (0-8), yleensä suositellaan käyttämään vähintään tasoa 2. Taulukossa 2 on virheenkorjaustasot, niiden varaamien koodisanojen määrä sekä suositukset käytettävästä virheenkorjaustasosta perustuen käytettyjen koodisanojen määrään. PDF-417 -symbologiassa on käytössä X-leveyden lisäksi myös Y-leveys. X-leveydellä kuvataan koodisanan sisältävän yhden elementin leveyttä. Y-leveydellä kuvataan sitä vastoin yhden elementin korkeutta. Yleensä käytetty X- ja Y-leveyksien suhde vaihtelee 1:2 ja 1:5 välillä. Kuva 5. PDF-417 rakenne /10/

9 Taulukko 2. PDF-417 virheenkorjaustasot, niiden varaamat koodisanat sekä suositus käytetystä virheenkorjaustasosta /15/ Virheenkorjaustaso 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Virhenkorjaustason varaamat koodisanat 2 4 6 8 16 32 64 128 512 Koodisanojen määrä 1-40 41-161 161-320 321-863 3.2.3 DataMatrix /18/ DataMatrix-symboli muodostetaan neliönmuotoisista elementeistä. DataMatrix-symbologeja on kahta eri tyyppiä: ECC 000-140 sekä ECC 200. ISO/IEC 16022 -standardi suosittelee ECC 000-140 käyttöä ainoastaan suljetuissa sovelluksissa. Jatkossa viitattaessa DataMatrix-symboleihin tarkoitetaan ECC 200 -symbologiaa sekä sen ominaisuuksia. DataMatrix-symbolin rakenne ja koko DataMatrix-symbolin data-alueet koostuvat neliön muotoisista elementeistä rakentuvista koodisanoista. Elementti on pienin yksittäinen solu, joka sisältää binääriarvon 0 tai 1. Jokaisen elementin tulee olla saman kokoinen. Yksittäinen koodisana rakentuu kahdeksasta elementistä. Kuvassa 6 on esitetty koodisanojen sijoittuminen 8x8 elementin neliönmuotoisen DataMatrix-symbolin data-alueeseen. Kuvan 6 Data- Matrix-symbolin data-alueen ensimmäinen koodisana muodostuu elementtien 1.1 1.8 binääriarvoista. Kuvassa esitetty symbolikoko sisältää kolme dataa sisältävää ja viisi virheenkorjaukseen tarkoitettua koodisanaa. Dataa sisältävät koodisanat sijoitetaan koodisanojen numerointiin perustuen symbolin data-alueen alkuun. Esimerkiksi kuvassa 6 elementit 1.x, 2.y ja 3.z sisältävät symboliin koodatun informaation. Kuvasta 7 on nähtävissä miten yhden elementin levyinen etsintäkuvio (engl. finding pattern) ympäröi data-aluetta. Se muodostuu kahdesta erillisestä osasta. Symbolin vasen- ja alalaita muodostavat L-muotoisen jatkuvan mallin, jonka perusteella dekoodaus-ohjelma määrittelee symbolin fyysisen koon, orientaation sekä symbolin mahdollisen vääristymän. Symbolin oikean- ja yläpuolen etsintäkuvio koostuu vuorottelevista tummista ja vaaleista elementeistä, joiden perusteella dekoodaus-ohjelma määrittelee symbolin solurakenteen. DataMatrix ECC200 -symbolit koostuvat aina parillisesta määrästä rivejä ja sarakkeita. Symboli voi olla muodoltaan neliö tai suorakulmainen. Neliönmuotoisten symbolien koko voi standardin mukaan vaihdella 10x10:sta 144x144:aan elementtiin. Suorakulmaisten symbolien koko voi vaihdella 8x18:sta 16x48:sta elementtiin. Edellä mainittuihin symbolikokoihin tulee lisätä etsintämallin kaksi riviä ja saraketta. Data- Matrix-symbolien tulee noudattaa standardin mukaan yksittäisen elementin sivun pituudesta riippuvaisia mittasuhteita. Yksittäisen elementin sivun pituutta kutsutaan symbolin X-leveydeksi. Symbolin ympärille jätettävän tyhjän alueen (engl. Quiet

10 Zone) eli marginaalin tulisi vähintään olla yhden X-leveyden kokoinen symbolin neljällä eri puolella. ISO/IEC 16022 -standardi määrittelee 24 neliön ja 6 suorakulmion muotoista symbolia. Neliösymboleilla, jotka ovat kooltaan 32x32 elementtiä tai suurempia ja suorakulmaisilla symboleilla, jotka ovat kooltaan 8x32, 12x36, 16x36 tai 16x48 elementtiä on kaksi tai useampi data-alue. Edellä mainituilla neliösymboleilla on 4, 16 tai 36 dataaluetta ja suorakulmaisilla symboleilla on kaksi data-aluetta. Useamman data-alueen symboliin sisältyvien ryhmittelykuvioiden vuorottaisesti tummat ja vaaleat elementit tulisivat olla yksittäisen data-alueen oikealla- ja yläpuolella ja niiden tulisi määritellä parilliset rivit ja sarakkeet. Ryhmittelykuvion leveyden tulisi minimissään olla 2X. Kuvassa 7 on esitetty 32x32 elementin kokoinen neliön muotoinen symboli, joka sisältää neljä data-aluetta sekä 16x48 elementin kokoinen symboli, joka sisältää kaksi data-aluetta. Kuva 6. Koodisanojen sijoittuminen 8x8 elementin neliön muotoiseen Data- Matrix-symboliin /18/

11 Kuva 7. 32x32 elelementin kokoinen neliön muotoinen DataMatrix-symboli sisältää neljä data-aluetta ja 16x48 elementin kokoinen suorakulmion muotoinen kaksi DataMatrix-symbolin sisältämä data ja virheenkorjaus DataMatrix-symbolin koodisanoille saavutetaan taulukossa 3 esitetyt ominaisuudet. ISO/IEC 16022 -standardin määrittelemä suurin datakapasiteetti on 144x144 elementin kokoisella neliön muotoisella DataMatrix-symbolilla, joka voi sisältää 3116 numero- tai 2335 alfanumeerista merkkiä tai 1556 tavua. Tässä tapauksessa symboliin on sisällytetty 1558 dataa sisältävää sekä 620 virheenkorjaukseen tarkoitettua koodisanaa. DataMatrix-, kuten myös PDF-417 ja QR Code -symbologioissa käytetään Reed- Solomon virheenkorjausta. DataMatrix-symbologian koodisanoissa voi esiintyä kahdentyyppisiä virheitä. Ensimmäisessä virhetyypissä (error) virheellisen koodisanan sijaintia ei tiedetä. Näin tapahtuu, kun koodisanan jokin elementti dekoodataan väärin. Toisessa virhetyypissä (erasure) virheellisen koodisanan sijainti tiedetään. Koodisanan jotain elementtiä ei tässä tapauksessa pystytä tunnistamaan. Taulukossa 3 on esitetty eri symbolikokojen molemmille virhetyypeille mahdollinen maksimaalinen määrä tilanteessa, jolloin dekoodaus voi vielä onnistua. Reed-Solomon virheenkorjauksen kapasiteetti lasketaan yhtälöllä: e + 2 t d p (1) jossa e on tiedettyjen virheiden (erasure), t ei tiedettyjen virheiden (error) ja d virheenkorjauskoodien määrä. Yleensä p = 0. P = 3, kun tiedettyjen virheiden määrä on enemmän kuin puolet virheenkorjauskoodien määrästä. Pienille symboleille (10x10, 12x12, 8x18 ja 8x32) tiedettyjen virheiden korjausta ei käytetä (e = 0) ja p = 1.