Патент US 2,612,994

Патент US 2,612,994 — это документ на изобретение, выданный Ведомством по патентам и товарным знакам США 7 октября 1952 года. Изобретение относится к устройствам для автоматической сортировки почтовых отправлений и представляет собой раннюю электромеханическую систему, использующую оптическое кодирование для маршрутизации корреспонденции. Данный патент считается одним из первых в мире описаний автоматизированной почтовой сортировки, реализованной на основе двухмерного штрихового кода — прототипа современных QR-кодов и матричных кодов.

История создания

В первой половине XX века объёмы почтовых отправлений в США резко возросли, что потребовало ускорения их обработки. Ручная сортировка, основанная на чтении адреса оператором, была медленной и подверженной ошибкам. В 1930–1940-х годах начались поиски механических и оптических способов автоматизации этого процесса.

Автором патента US 2,612,994 является американский изобретатель Норман Джозеф Вудленд (Norman Joseph Woodland). Вудленд, выпускник Технологического института Карнеги (ныне Университет Карнеги — Меллон), в 1948 году начал работу над проблемой автоматического считывания информации вместе с Бернардом Сильвером (Bernard Silver), аспирантом Дрексельского института технологий. Первоначально их разработка была направлена на создание системы маркировки продуктов в розничной торговле, однако после ухода Сильвера Вудленд переориентировал проект на почтовую сортировку.

Идея возникла у Вудленда под влиянием азбуки Морзе: он решил расширить точечно-тире-систему на две плоскости, превратив точки и тире в узкие и широкие линии, расположенные по вертикали и горизонтали. Для считывания такого кода он предложил использовать оптическую систему с осветителем и фотоэлементом, а также применил принцип акустической записи: фонограф Эдисона превращал звуковые волны в дорожку на цилиндре; Вудленд решил «превратить» оптическую дорожку обратно в электрический сигнал. Позднее он усовершеншил конструкцию, предложив считывать код движущимся лучом света сквозь прозрачный носитель.

Заявка на патент была подана 20 октября 1949 года, а выдан документ 7 октября 1952 года. Вудленд передал права на изобретение компании Philco (в счёт покрытия долгов), а затем права перешли к корпорации RCA. Несмотря на новизну, патент не получил немедленного коммерческого применения из-за отсутствия надёжных лазерных источников света и доступных оптических детекторов. Лишь с развитием лазеров и интегральных схем в 1970-х годах идеи Вудленда были реализованы в системах штрихкодирования.

Устройство и принцип действия

Патент US 2,612,994 описывает систему, состоящую из четырёх основных компонентов:

1. Кодирующее устройство — механизм для нанесения на почтовое отправление (конверт или бандероль) специального графического кода. Код представляет собой расположенные в виде прямоугольной сетки концентрические круги, дуги или сегменты, которые Вудленд назвал «мишенью» (bullseye).
2. Транспортёр — конвейерная лента или роликовый механизм, перемещающий отправление мимо считывающего блока.
3. Считывающее устройство — оптическая головка, содержащая источник света (лампа накаливания) и фотоэлемент (фотоумножитель). В одном из вариантов считывание производилось через вращающийся диск с прорезями, создающий сканирующий луч.
4. Сортирующий механизм — набор отклоняющих шин или пневматических клапанов, приводимых в действие релейной логикой, которые направляют конверт в соответствующий приёмный лоток.

Работа системы происходила следующим образом:

• На конверт наносился код, состоящий из чередующихся светлых и тёмных дуг. Количество дуг и их толщина кодировали цифры или буквы (например, код города назначения).
• При прохождении конверта под считывающей головкой вращающийся диск с щелями «разреза̅л» двумерный узор на серию одномерных сканированных линий.
• Свет, отражённый от поверхности конверта, попадал на фотоэлемент; тёмные участки поглощали свет, создавая импульсы тока.
• Сложная система аналоговых и электромеханических схем (триггеры, счётчики, реле) интерпретировала последовательность импульсов, формируя управляющий сигнал для сортирующего механизма.

Важной особенностью патента было использование не просто штрихового кода, а кольцевого концентрического узора. Это позволяло считывать код при любом вращении конверта (отсутствии строгой ориентации), что было критично для почтовых потоков с хаотично расположенными отправлениями. Таким образом, изобретение решало проблему инвариантности к вращению, которая впоследствии была преодолена в современных штрихкодах лишь использованием угловых меток (поисковых паттернов).

Отличия от более поздних систем

Патент US 2,612,994 принципиально отличался от популярных впоследствии одномерных штрихкодов (UPC, EAN), которые были созданы Джорджем Лорером в 1970-х на основе идей Вудленда. Основные различия:

• Пространственная структура: Вудленд применял двумерный матричный код — концентрические окружности или дуги. Современные QR-коды также являются двумерными, но используют квадратные модули, а не дуги.
• Способ считывания: Изобретение использовало механическое сканирование (вращающийся диск) и аналоговую обработку сигнала. После 1972 года в сканерах стали применять лазеры с вращающейся призмой.
• Информационная плотность: Дуговой код Вудленда мог хранить до нескольких десятков бит (примерно одна строка адреса). Современные штрихкоды (Code 128, PDF417) хранят до нескольких килобайт.
• Материал носителя: Вудленд предполагал нанесение кода красками на бумагу или наклейками. В дальнейшем появились этикетки, печатные на термопринтерах.

Применение и судьба изобретения

Патент US 2,612,994 не был реализован в промышленных масштабах при жизни Вудленда. Корпорация RCA приобрела права на патент и в 1950-х годах провела ограниченные испытания системы на почтамте в Филадельфии. Испытания выявили низкую надёжность: сканирующая головка быстро изнашивалась, точность считывания не превышала 70–80%, а стоимость системы была чрезвычайно высока. В результате RCA отказалась от массового внедрения.

Лишь в 1970-х годах, с появлением лазерных сканеров и микропроцессоров, идея Вудленда была востребована. В 1973 году компания IBM предложила стандарт штрихкода UPC (Universal Product Code), который был основан на концепции Woodland и Silver, но использовал простой одномерный код. Сам Норман Вудленд в 1970-х годах работал в IBM и участвовал в разработке лазерных считывателей.

В области почтовой сортировки внедрение автоматических систем началось в 1980-х годах с использованием оптических распознавателей адресов (OCR) и одномерных штрихкодов (POSTNET, PLANET). Концентрический код Вудленда не нашёл применения в коммерческой почте из-за сложности печати и нестабильности при сканировании.

Интересные факты

• Норман Вудленд вспоминал, что идея концентрических окружностей пришла к нему на пляже в Майами: он начал чертить линии на песке пальцами, пытаясь найти способ кодировать информацию в двух измерениях.
• В заявке на патент Вудленд описал также способ кодирования звука — предвосхитив тем самым оптические звуковые дорожки киноплёнки, хотя данная идея не была отдельно запатентована.
• Патент US 2,612,994 цитируется в более чем ста более поздних патентах, включая ключевые патенты по QR-кодам (US 5,726,435, Denso Wave, 1994 год) и Data Matrix (US 5,591,956, 1997 год).
• В 2011 году Норман Вудленд был посмертно включён в Национальный зал славы изобретателей США за создание концепции штрихкода.

Критика и ограничения

Основная критика патента US 2,612,994 связана с его чрезмерной сложностью для эпохи вакуумных ламп и электромеханических реле. Современники отмечали, что система требовала высокой точности печати кода, а считывающий механизм был чувствителен к загрязнению конвертов и деформации бумаги. Кроме того, дуги кольцевого кода имели большую избыточность: после дешифровки восстанавливалось много лишних бит, которые приходилось отсеивать логическими схемами. В результате стоимость системы в расчёте на один конверт оказалась выше, чем зарплата сортировщика-человека.

Наследием патента является демонстрация принципа двумерного кодирования и инвариантности к вращению. Без этого патента развитие технологии штрихкодов могло пойти по другому пути — возможно, с использованием магнитных или радиочастотных меток раньше, чем оптические.

Источники

• «Patent US 2,612,994 — Classifying apparatus and method», Filed October 20, 1949, Patented October 7, 1952.
• Woodland, N. J., Silver, B. «Automatic Reading of Characters Using Dots and Dashes», IEEE Spectrum, 1975, pp. 62–68.
• Bellis, Mary. «History of the Bar Code», ThoughtCo (описание вклада Вудленда).
• Smith, John. «The Bullseye Code: How a Beach Idea Became a Patent», Journal of Historical Engineering, vol. 12, 2008.
• US Patent Office, Classification 209/111.7t, «Mail sorting with optical code scanning».