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[導(dǎo)讀]摘要:通過添加輔助光學(xué)元件,并采用OOK調(diào)制加密方式,給出了一種有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該方法相比一般微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng),接收端采用了更為普及的手機(jī)相機(jī),并具有標(biāo)簽加密等特性;同時(shí)根據(jù)手機(jī)相機(jī)鏡頭的參數(shù),考慮了發(fā)射端透鏡焦距和孔徑的影響。由于在系統(tǒng)的加密發(fā)射端對手機(jī)相機(jī)鏡頭進(jìn)行改進(jìn),故可使接收系統(tǒng)滿足Bokode標(biāo)簽原理。結(jié)果表明:該標(biāo)簽系統(tǒng)具有防偽加密功能,能夠利用普通手機(jī)相機(jī)在不低于15cm距離的條件下準(zhǔn)確探測和解碼。

引言

美國麻省理工學(xué)院(MIT)MediaLab研究人員發(fā)明出一種光學(xué)標(biāo)簽,它儲存的數(shù)據(jù)比同尺寸條形碼多數(shù)百萬,卻沒有RFID標(biāo)簽的安全疑慮。目前一維條碼和RFID兩者自身存在著不可避免的缺陷微光學(xué)標(biāo)簽作為一種新的信息存儲和傳遞技術(shù),有著其它自動識別技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢,從誕生之時(shí)就受到了國際社會的廣泛關(guān)注。微光學(xué)標(biāo)簽正是在這種前提下應(yīng)運(yùn)而生,在普通相機(jī)和相機(jī)手機(jī)的日益普及的趨勢下,人們開始致力于研究能與數(shù)字照相機(jī)兼容的完美的視覺標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的有效交互叫原始的光學(xué)標(biāo)簽只是機(jī)械地從被標(biāo)識物件上讀取的碼型。而微光學(xué)標(biāo)簽秉承著大容量、微型化的特點(diǎn),在商用和家用領(lǐng)域?qū)袕V闊的應(yīng)用前景。研制新型防偽光學(xué)標(biāo)簽技術(shù),克服條碼信息容量和傳感距離的瓶頸,成為人們發(fā)展微型標(biāo)簽?zāi)壳白钪饕娜蝿?wù)。基于以上優(yōu)點(diǎn),目前微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)成為在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)展前景很好的一門新技術(shù)。

為了達(dá)到遠(yuǎn)距離探測和標(biāo)簽加密的目的,本文提出了有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽的系統(tǒng)方案,靈活應(yīng)用共焦成像原理,以可視化光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),設(shè)計(jì)發(fā)射端的加密系統(tǒng),并對接收端的普通手機(jī)相機(jī)鏡頭進(jìn)行優(yōu)化。主要研究有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的組成及其光學(xué)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的要求,使之在一個(gè)相對較遠(yuǎn)的距離可以由普通手機(jī)相機(jī)探測。

1光學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與原理

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)框圖如圖1所示,本系統(tǒng)主要由三部分組成,分別是有源發(fā)射端、無線傳輸通道和手機(jī)接收端。

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

發(fā)射端由貼片LED及其外接電路板、微光學(xué)標(biāo)簽和小透鏡封裝組成。接收端即各種類型的手機(jī)相機(jī),其參數(shù)決定了發(fā)射端二維碼尺寸、透鏡孔徑、透鏡焦距等因素。關(guān)于接收端,也就是手機(jī)相機(jī)的參數(shù)是固定不變的,因此必須在設(shè)計(jì)的過程中查閱器件的具體參數(shù),結(jié)合微光學(xué)標(biāo)簽已有的參數(shù)確定最適合的可作為接收器的手機(jī)。

利用Bokode標(biāo)簽原理可使得微型二維碼在遠(yuǎn)距離進(jìn)行探測。但是一般光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)有著它自身的缺點(diǎn):一是系統(tǒng)缺乏保密和防偽性,任何人只要將照相機(jī)調(diào)焦無窮遠(yuǎn)都可以獲得原始二維碼信息,因此如果有人復(fù)制同樣的二維碼來偽造成發(fā)射端,通??赡軣o法判斷出發(fā)射端的真假;二是接收端缺乏普及性,因?yàn)榫哂姓{(diào)焦無窮遠(yuǎn)的相機(jī)往往不可能隨身攜帶,不利于人們?nèi)粘J褂谩榇?,針對其第一個(gè)缺點(diǎn),由于使用貼片LED作為背光源,所以提出了對背光源直接進(jìn)行光調(diào)制的方式來進(jìn)行加密,這種方式在編碼及加密上都有很強(qiáng)的擴(kuò)展實(shí)用性。針對第二個(gè)缺點(diǎn),本文提出采用非常普及的手機(jī)相機(jī)來作為接收端,由于手機(jī)相機(jī)本身固有參數(shù)的限制,導(dǎo)致對微光學(xué)標(biāo)簽只能進(jìn)行近距離識別,所以,本文提出在手機(jī)相機(jī)的鏡頭前面加上望遠(yuǎn)系統(tǒng),也即無焦系統(tǒng)。通過增加這個(gè)系統(tǒng),我們便可以增加標(biāo)簽遠(yuǎn)距離時(shí)的可讀性,增大拍攝距離。

2加密發(fā)射端的設(shè)計(jì)

將LED作為照明光源,并在物鏡前焦面固定微型二維碼陣列,將三者集成于微型器件中,作為整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)射端,通過照相機(jī)進(jìn)行拍照來獲得原始的二維碼。

圖2所示是本設(shè)計(jì)的有源加密型發(fā)射端的示意圖。該有源型發(fā)射端需要實(shí)時(shí)提供背景光,為此,可以對LED的發(fā)光方式進(jìn)行改進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)一種簡單、實(shí)用的加密。也就是通過一個(gè)外接單片機(jī)電路板來控制LED的明暗,進(jìn)行OOK調(diào)制,LED亮代表"1",暗代表“0”。

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的外接電路板是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng),貼片LED由電路板供電發(fā)光,通過增加這個(gè)外接系統(tǒng),可以控制其發(fā)光模式。

圖3所示是貼片LED外接電路板的電路圖,圖中,AT89S52為MCU,它可帶12MHz晶振。采用輸入數(shù)字流調(diào)制基于晶體PLL振蕩器的輸出,當(dāng)發(fā)射“1"時(shí),發(fā)射源發(fā)送較高的載波幅度;發(fā)射“0”時(shí),無任何載波信號輸出。P1.0連接LED0,P1.3連接按鍵KEY0。當(dāng)按鍵KEY0按下時(shí),LED0按照設(shè)定模式工作??梢栽O(shè)定不同的工作模式對應(yīng)不同密鑰,LED閃爍的明暗編碼不同。

由于目前市面上的手機(jī)相機(jī)攝像視頻的幀數(shù)為25幀/s,所以通過電路板實(shí)現(xiàn)LED明暗相間閃爍頻率為一秒25次,形成一組25個(gè)二進(jìn)制序列組成的密鑰。以一秒25幀為例,因此我們有225種加密方式。對于偽造者來說這是一個(gè)極大代價(jià),在有限時(shí)間內(nèi)是很難破解的。發(fā)射端將微光學(xué)標(biāo)簽的信息加上密鑰一起發(fā)送到自由空間。這使得別人即使能夠復(fù)制二維碼,但由于無法獲知背景光的加密密匙,從而無法偽造成真實(shí)的發(fā)射端來欺騙我們。使得微光學(xué)標(biāo)簽具有一定的保密防偽性。

在標(biāo)簽系統(tǒng)發(fā)射端上增加OOK調(diào)制加密方法,我們可以將此設(shè)計(jì)應(yīng)用于汽車牌照、收費(fèi)站、產(chǎn)品防偽等身份認(rèn)證一類實(shí)際運(yùn)用系統(tǒng)中,具有很高的日常實(shí)用性。例如此系統(tǒng)運(yùn)用在公路收費(fèi)站自動繳費(fèi)系統(tǒng)中,即使能夠復(fù)制偽造同樣的微光學(xué)標(biāo)簽,而如果無法獲知背景光加密密鑰,也依然無法通過閘機(jī)口,從而避免了收費(fèi)站逃費(fèi)行為。

3接收端的改進(jìn)

3.1手機(jī)接收器的設(shè)計(jì)原理

以NOKIAN8手機(jī)作為光學(xué)標(biāo)簽接收器。NOKIAN8的CMOS傳感器分辨率為4000X3000。表1所列是NOKIAN8手機(jī)的一些CMOS參數(shù)。

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中國移動使用的QR碼標(biāo)準(zhǔn)為GB/T18284-2000。該標(biāo)準(zhǔn)中的最高容量的版本40的模塊數(shù)為177X177。為滿足終端裝置的識別,每個(gè)模塊占至少4個(gè)像素點(diǎn),貝嵯端圖像傳感器像素點(diǎn)至少為12.5萬像素。

如表1所列,按二維碼讀取需求的354X354截取單元的最小邊長d約為0.6372mm,若比這個(gè)邊長尺寸更小,則不能正確識讀二維碼。若光圈F值為2.8,焦距為5.9mm,則可根據(jù):

光圈F值=鏡頭焦距/鏡頭光圈孔徑 (1)

得出鏡頭光圈孔徑a為2.11mm。這樣,在傳感器上,二維碼成像的大小為:

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通過d可以求得相機(jī)鏡頭與標(biāo)簽透鏡的距離護(hù)13.815mm。

物方視場角W為:

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于本文采用的標(biāo)簽透鏡的焦距為/1=2.63mm,因此,利用公式:

 有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

則可得,標(biāo)簽的直徑b1為0.402mm,尺寸為0.284mmX0.284mm,M=2.24,微光學(xué)標(biāo)簽在CMOS上呈放大的像。

從上面的計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)在CMOS上成像最小時(shí),u=13.815mm=1.4cm。如此距離對用手機(jī)拍照來講是非常短的距離。下面來分析一下各部件各參數(shù)之間的關(guān)系:

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

當(dāng)相機(jī)鏡頭確定時(shí),即鏡頭焦距和鏡頭孔徑a確定時(shí)(令a=2.11mm,f=5.9mm),鏡頭到標(biāo)簽透鏡的距離u與二維碼在CMOS上所成的像尺寸成反比。對于固定的fa值,成像尺寸b越大,相機(jī)鏡頭到標(biāo)簽透鏡的需要的距離u越小,成反比關(guān)系。而對于不同的鏡頭(不同的fa值),當(dāng)b相同時(shí),£a越大,探測距離u越大;當(dāng)u相等時(shí),£a越大,2的取值越大。照相手機(jī)的鏡頭參數(shù)(焦距f和孔徑a)限制了二維碼在CMOS上成像的大小及相機(jī)鏡頭到標(biāo)簽透鏡的距離。

3.2手機(jī)相機(jī)改進(jìn)方案

由于標(biāo)簽的大小、透鏡的孔徑和手機(jī)攝像鏡頭參數(shù)限制,實(shí)驗(yàn)要獲取清晰的光學(xué)標(biāo)簽圖像,拍攝距離被限制在1.4cm以內(nèi),只能進(jìn)行近距離識別。這并不符合遠(yuǎn)距離拍攝的要求。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)改進(jìn),我們可以在傳輸通道上添加一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)8-10]。

望遠(yuǎn)系統(tǒng)是用于觀察遠(yuǎn)距離目標(biāo)的一種光學(xué)系統(tǒng),入射的平行光束仍保持平行射出。通過望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)所成的像對眼睛的張角大于物體本身對眼睛的直觀張角。望遠(yuǎn)系統(tǒng)一般是由兩片正透鏡組成的,有時(shí)為了獲得正像,需要在兩片透鏡之間加一梭鏡式或透鏡式轉(zhuǎn)像系統(tǒng),本系統(tǒng)為了簡便拍攝裝置,不介入轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。

伽利略望遠(yuǎn)鏡由一塊正透鏡和一塊負(fù)透鏡組成的,正負(fù)透鏡結(jié)合中間距離比兩個(gè)正透鏡的結(jié)合中間距離短。它最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,筒長短,較為輕便,光能損失少,而且成像不倒置。由于正負(fù)透鏡組合消除了球差,使得系統(tǒng)更為緊湊,因此它的光學(xué)系統(tǒng)的性能更好。所以在設(shè)計(jì)過程中,我們使用伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)。圖4所示是經(jīng)過改進(jìn)后的光路圖。

伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以上是對望遠(yuǎn)系統(tǒng)以及望遠(yuǎn)系統(tǒng)類型的選擇方法的介紹,實(shí)際操作中的數(shù)據(jù)以ZEMAX的仿真結(jié)果為依據(jù)。由于手機(jī)接收端參數(shù)的限制,試驗(yàn)中,發(fā)射端采用孔徑為3mm,焦距為2.63mm的透鏡。

增加輔助望遠(yuǎn)系統(tǒng),選取合適參數(shù)的透鏡,通過ZEMAX仿真之后整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)識別距離大于15cm。

望遠(yuǎn)系統(tǒng)透鏡間距:

 有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)得出的三組仿真數(shù)據(jù)的比較如表2所列。

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

綜合以上三組數(shù)據(jù),我們可以得知,正負(fù)透鏡之間的距離越大,也即正負(fù)透鏡數(shù)值焦距相差越大,出射孔徑越小,同時(shí)負(fù)透鏡焦距不小于T2.66mm,否則手機(jī)相機(jī)將無法識別全部標(biāo)簽。當(dāng)然,為了系統(tǒng)的精確性的提高,正負(fù)透鏡間距越小越好。

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖5所示是經(jīng)過改進(jìn)以后的手機(jī)接收端示意圖,制作的該望遠(yuǎn)系統(tǒng)的正透鏡焦距為32.71mm,孔徑為19.88mm負(fù)透鏡焦距為T8.89mm,孔徑為13.98mm,由公式(6)(7)可得出透鏡間距為13.82mm,視放大率為1.422。將此望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)加到手機(jī)相機(jī)鏡頭前,組成新的接收系統(tǒng)。由于標(biāo)簽透鏡孔徑為3mm,而手機(jī)相機(jī)透鏡接收孔徑為2.11mm,所以導(dǎo)致的問題就是手機(jī)相機(jī)無法接收全部的微光學(xué)標(biāo)簽。但是通過加入望遠(yuǎn)系統(tǒng),前正透鏡對光進(jìn)行匯集,使得孔徑縮小至2mm左右,微光學(xué)標(biāo)簽發(fā)射的平行光能夠全部進(jìn)入手機(jī)相機(jī)。同時(shí),相機(jī)識別距離由理論上的1.4cm增長到15cm以上。所以此方案中望遠(yuǎn)系統(tǒng)在光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)中起到了兩個(gè)作用一是增大手機(jī)相機(jī)清晰識別微光學(xué)標(biāo)簽的距離;二是對光孔徑進(jìn)行調(diào)節(jié),使得接收端能夠接收更多更全的微標(biāo)簽。

接收端通過手機(jī)拍攝視頻,通過視頻軟件分解出一秒25幀圖像,按照分解出的圖像的順序,通過每幀圖像的明暗得出一組二進(jìn)制序列密鑰。解密出的密鑰與發(fā)射端設(shè)定的密鑰進(jìn)行比較。如果得出前后一致,說明接收信息有效,發(fā)射端為真實(shí)可靠的,反之說明發(fā)射的是無效信息,發(fā)射端為偽造的。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前,通過Windows環(huán)境下的QR碼編碼程序可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的編碼,圖6所示的二維碼,寫入的信息為:南京郵電大學(xué)。通過光繪機(jī)制作菲林微型二維碼陣列作為信息源的尺寸為0.87mm。綜合以上發(fā)射端參數(shù)選取的相關(guān)要求,本設(shè)計(jì)選取了焦距為2.63mm,孔徑為3mm的透鏡作為發(fā)射端透鏡。通過手機(jī)相機(jī)距離發(fā)射端透鏡15cm拍攝視頻,分解出明暗相間的一幀幀圖像,明暗排列順序與發(fā)射端設(shè)定的密鑰次序一致。圖7所示是選取的其中一幀圖像,通過QR解碼軟件進(jìn)行解碼后,其完整的QR碼就可以準(zhǔn)確地獲取其中的信息。如圖8所示是其二維碼的解碼結(jié)果,該結(jié)果證明了系統(tǒng)的可行性。

有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5結(jié)束語

微光學(xué)標(biāo)簽與手機(jī)相機(jī)的結(jié)合,是微光學(xué)標(biāo)簽發(fā)展普及的前提。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,可以預(yù)見,該技術(shù)具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。所以微光學(xué)標(biāo)簽普及之后,手機(jī)的相機(jī)就不僅僅是拍攝圖像的工具,同時(shí)也可以是信息傳遞的工具。結(jié)果證明,該方案實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離探測和標(biāo)簽加密的要求,并且其接收端為相當(dāng)普及的手機(jī)相機(jī),因而具有很高的推廣運(yùn)用價(jià)值。

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