有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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引言
美國(guó)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(chǔ)存的數(shù)據(jù)比同尺寸條形碼多數(shù)百萬(wàn)，卻沒(méi)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(chǔ)和傳遞技術(shù)，有著其它自動(dòng)識(shí)別技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，從誕生之時(shí)就受到了國(guó)際社會(huì)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(shì)下,人們開(kāi)始致力于研究能與數(shù)字照相機(jī)兼容的完美的視覺(jué)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(shí)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)?huì)有廣闊的應(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)?；谝陨蟽?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(mén)新技術(shù)。
為了達(dá)到遠(yuǎn)距離探測(cè)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(duì)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(duì)較遠(yuǎn)的距離可以由普通手機(jī)相機(jī)探測(cè)。
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(wú)線傳輸通道和手機(jī)接收端。
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(guò)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(cè)。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(wú)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(lái)偽造成發(fā)射端，通常可能無(wú)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(wú)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?duì)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(duì)背光源直接進(jìn)行光調(diào)制的方式來(lái)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(duì)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(lái)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(duì)微光學(xué)標(biāo)簽只能進(jìn)行近距離識(shí)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(wú)焦系統(tǒng)。通過(guò)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(guò)照相機(jī)進(jìn)行拍照來(lái)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(duì)LED的發(fā)光方式進(jìn)行改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的加密。也就是通過(guò)一個(gè)外接單片機(jī)電路板來(lái)控制LED的明暗，進(jìn)行OOK調(diào)制，LED亮代表"1",暗代表“0”。
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(guò)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(wú)任何載波信號(hào)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(duì)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(guò)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(duì)于偽造者來(lái)說(shuō)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(wú)法獲知背景光的加密密匙，從而無(wú)法偽造成真實(shí)的發(fā)射端來(lái)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(chē)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(dòng)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(wú)法獲知背景光加密密鑰，也依然無(wú)法通過(guò)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)。
中國(guó)移動(dòng)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(shí)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(wàn)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(zhǎng)d約為0.6372mm,若比這個(gè)邊長(zhǎng)尺寸更小，則不能正確識(shí)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：
通過(guò)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(chǎng)角W為:
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：
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(duì)用手機(jī)拍照來(lái)講是非常短的距離。下面來(lái)分析一下各部件各參數(shù)之間的關(guān)系：
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(duì)于固定的f和a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(duì)于不同的鏡頭（不同的f和a值），當(dāng)b相同時(shí),￡a越大，探測(cè)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(shí)別。這并不符合遠(yuǎn)距離拍攝的要求。經(jīng)過(guò)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(guò)望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)所成的像對(duì)眼睛的張角大于物體本身對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)單，筒長(zhǎng)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(guò)程中，我們使用伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)。圖4所示是經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的光路圖。
伽利略望遠(yuǎn)系統(tǒng)
以上是對(duì)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(guò)ZEMAX仿真之后整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)識(shí)別距離大于15cm。
望遠(yuǎn)系統(tǒng)透鏡間距:
實(shí)驗(yàn)得出的三組仿真數(shù)據(jù)的比較如表2所列。
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(wú)法識(shí)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。
圖5所示是經(jīng)過(guò)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T(mén)8.89mm,孔徑為13.98mm,由公式(6)和(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(wèn)題就是手機(jī)相機(jī)無(wú)法接收全部的微光學(xué)標(biāo)簽。但是通過(guò)加入望遠(yuǎn)系統(tǒng)，前正透鏡對(duì)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(shí)別距離由理論上的1.4cm增長(zhǎng)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(shí)別微光學(xué)標(biāo)簽的距離；二是對(duì)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(guò)手機(jī)拍攝視頻，通過(guò)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(guò)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(shuō)明接收信息有效，發(fā)射端為真實(shí)可靠的，反之說(shuō)明發(fā)射的是無(wú)效信息，發(fā)射端為偽造的。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
目前，通過(guò)Windows環(huán)境下的QR碼編碼程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的編碼，圖6所示的二維碼,寫(xiě)入的信息為：南京郵電大學(xué)。通過(guò)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(guò)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(guò)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。
5結(jié)束語(yǔ)
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(jiàn)，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(cè)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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