有源加密型微光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計
掃描二維碼
隨時隨地手機看文章
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)運而生，在普通相機和相機手機的日益普及的趨勢下,人們開始致力于研究能與數(shù)字照相機兼容的完美的視覺標(biāo)簽,實現(xiàn)機器與機器之間的有效交互叫原始的光學(xué)標(biāo)簽只是機械地從被標(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，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)?；谝陨蟽?yōu)點，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)。
為了達到遠距離探測和標(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)的理論和實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)計發(fā)射端的加密系統(tǒng)，并對接收端的普通手機相機鏡頭進行優(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)各項參數(shù)的要求，使之在一個相對較遠的距離可以由普通手機相機探測。
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相機，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,也就是手機相機的參數(shù)是固定不變的，因此必須在設(shè)計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。
利用Bokode標(biāo)簽原理可使得微型二維碼在遠距離進行探測。但是一般光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)有著它自身的缺點：一是系統(tǒng)缺乏保密和防偽性，任何人只要將照相機調(diào)焦無窮遠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，因為具有調(diào)焦無窮遠的相機往往不可能隨身攜帶，不利于人們?nèi)粘Ｊ褂谩榇?，針對其第一個缺點，由于使用貼片LED作為背光源，所以提出了對背光源直接進行光調(diào)制的方式來進行加密，這種方式在編碼及加密上都有很強的擴展實用性。針對第二個缺點，本文提出采用非常普及的手機相機來作為接收端，由于手機相機本身固有參數(shù)的限制，導(dǎo)致對微光學(xué)標(biāo)簽只能進行近距離識別，所以，本文提出在手機相機的鏡頭前面加上望遠系統(tǒng)，也即無焦系統(tǒng)。通過增加這個系統(tǒng)，我們便可以增加標(biāo)簽遠距離時的可讀性，增大拍攝距離。
2加密發(fā)射端的設(shè)計
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，作為整個系統(tǒng)的發(fā)射端,通過照相機進行拍照來獲得原始的二維碼。
圖2所示是本設(shè)計的有源加密型發(fā)射端的示意圖。該有源型發(fā)射端需要實時提供背景光，為此，可以對LED的發(fā)光方式進行改進，從而實現(xiàn)一種簡單、實用的加密。也就是通過一個外接單片機電路板來控制LED的明暗，進行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單片機系統(tǒng)，貼片LED由電路板供電發(fā)光，通過增加這個外接系統(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，發(fā)射源發(fā)送較高的載波幅度；發(fā)射“0”時，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，LED0按照設(shè)定模式工作。可以設(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相機攝像視頻的幀數(shù)為25幀/s,所以通過電路板實現(xiàn)LED明暗相間閃爍頻率為一秒25次,形成一組25個二進制序列組成的密鑰。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極大代價,在有限時間內(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)計應(yīng)用于汽車牌照、收費站、產(chǎn)品防偽等身份認證一類實際運用系統(tǒng)中，具有很高的日常實用性。例如此系統(tǒng)運用在公路收費站自動繳費系統(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口，從而避免了收費站逃費行為。
3接收端的改進
3.1手機接收器的設(shè)計原理
以NOKIAN8手機作為光學(xué)標(biāo)簽接收器。NOKIAN8的CMOS傳感器分辨率為4000X3000。表1所列是NOKIAN8手機的一些CMOS參數(shù)。
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，每個模塊占至少4個像素點，貝嵯端圖像傳感器像素點至少為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：
通過d，可以求得相機鏡頭與標(biāo)簽透鏡的距離護13.815mm。
物方視場角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。
從上面的計算結(jié)果可知，當(dāng)在CMOS上成像最小時,u=13.815mm=1.4cm。如此距離對用手機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：
當(dāng)相機鏡頭確定時，即鏡頭焦距和鏡頭孔徑a確定時（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f和a值，成像尺寸b越大，相機鏡頭到標(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f和a值），當(dāng)b相同時,￡a越大，探測距離u越大；當(dāng)u相等時,￡a越大,2的取值越大。照相手機的鏡頭參數(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鏡頭到標(biāo)簽透鏡的距離。
3.2手機相機改進方案
由于標(biāo)簽的大小、透鏡的孔徑和手機攝像鏡頭參數(shù)限制，實驗要獲取清晰的光學(xué)標(biāo)簽圖像，拍攝距離被限制在1.4cm以內(nèi)，只能進行近距離識別。這并不符合遠距離拍攝的要求。經(jīng)過實驗改進，我們可以在傳輸通道上添加一個望遠系統(tǒng)［8-10］。
望遠系統(tǒng)是用于觀察遠距離目標(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。望遠系統(tǒng)一般是由兩片正透鏡組成的，有時為了獲得正像，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)。
伽利略望遠鏡由一塊正透鏡和一塊負透鏡組成的，正負透鏡結(jié)合中間距離比兩個正透鏡的結(jié)合中間距離短。它最大的優(yōu)點是結(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)計過程中，我們使用伽利略望遠系統(tǒng)。圖4所示是經(jīng)過改進后的光路圖。
伽利略望遠系統(tǒng)
以上是對望遠系統(tǒng)以及望遠系統(tǒng)類型的選擇方法的介紹，實際操作中的數(shù)據(jù)以ZEMAX的仿真結(jié)果為依據(jù)。由于手機接收端參數(shù)的限制，試驗中，發(fā)射端采用孔徑為3mm,焦距為2.63mm的透鏡。
增加輔助望遠系統(tǒng)，選取合適參數(shù)的透鏡，通過ZEMAX仿真之后整個光學(xué)系統(tǒng)識別距離大于15cm。
望遠系統(tǒng)透鏡間距:
實驗得出的三組仿真數(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，正負透鏡之間的距離越大，也即正負透鏡數(shù)值焦距相差越大，出射孔徑越小,同時負透鏡焦距不小于T2.66mm,否則手機相機將無法識別全部標(biāo)簽。當(dāng)然，為了系統(tǒng)的精確性的提高，正負透鏡間距越小越好。
圖5所示是經(jīng)過改進以后的手機接收端示意圖，制作的該望遠系統(tǒng)的正透鏡焦距為32.71mm,孔徑為19.88mm；負透鏡焦距為T8.89mm,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。將此望遠鏡系統(tǒng)加到手機相機鏡頭前，組成新的接收系統(tǒng)。由于標(biāo)簽透鏡孔徑為3mm,而手機相機透鏡接收孔徑為2.11mm,所以導(dǎo)致的問題就是手機相機無法接收全部的微光學(xué)標(biāo)簽。但是通過加入望遠系統(tǒng)，前正透鏡對光進行匯集，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入手機相機。同時，相機識別距離由理論上的1.4cm增長到15cm以上。所以此方案中望遠系統(tǒng)在光學(xué)標(biāo)簽系統(tǒng)中起到了兩個作用：一是增大手機相機清晰識別微光學(xué)標(biāo)簽的距離；二是對光孔徑進行調(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制序列密鑰。解密出的密鑰與發(fā)射端設(shè)定的密鑰進行比較。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實驗結(jié)果
目前，通過Windows環(huán)境下的QR碼編碼程序可實現(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。通過手機相機距離發(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
微光學(xué)標(biāo)簽與手機相機的結(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，手機的相機就不僅僅是拍攝圖像的工具，同時也可以是信息傳遞的工具。結(jié)果證明，該方案實現(xiàn)了遠距離探測和標(biāo)簽加密的要求，并且其接收端為相當(dāng)普及的手機相機，因而具有很高的推廣運用價值。
下載文檔
