有源加密型微光学标签系统的设计
扫描二维码
随时随地手机看文章
引言
美国麻省理工学院(MIT)MediaLab研究人员发明出一种光学标签，它储存的数据比同尺寸条形码多数百万，却没有RFID标签的安全疑虑。目前一维条码和RFID两者自身存在着不可避免的缺陷。微光学标签作为一种新的信息存储和传递技术，有着其它自动识别技术无法比拟的优势，从诞生之时就受到了国际社会的广泛关注。微光学标签正是在这种前提下应运而生，在普通相机和相机手机的日益普及的趋势下,人们开始致力于研究能与数字照相机兼容的完美的视觉标签,实现机器与机器之间的有效交互叫原始的光学标签只是机械地从被标识物件上读取的码型。而微光学标签秉承着大容量、微型化的特点，在商用和家用领域将会有广阔的应用前景。研制新型防伪光学标签技术，克服条码信息容量和传感距离的瓶颈，成为人们发展微型标签目前最主要的任务。基于以上优点，目前微光学标签系统成为在物联网中发展前景很好的一门新技术。
为了达到远距离探测和标签加密的目的，本文提出了有源加密型微光学标签的系统方案，灵活应用共焦成像原理,以可视化光学标签系统的理论和实验数据为依据，设计发射端的加密系统，并对接收端的普通手机相机镜头进行优化。主要研究有源加密型微光学标签系统的组成及其光学系统各项参数的要求，使之在一个相对较远的距离可以由普通手机相机探测。
1光学系统整体结构与原理
有源加密型微光学标签系统框图如图1所示，本系统主要由三部分组成，分别是有源发射端、无线传输通道和手机接收端。
发射端由贴片LED及其外接电路板、微光学标签和小透镜封装组成。接收端即各种类型的手机相机，其参数决定了发射端二维码尺寸、透镜孔径、透镜焦距等因素。关于接收端,也就是手机相机的参数是固定不变的，因此必须在设计的过程中查阅器件的具体参数，结合微光学标签已有的参数确定最适合的可作为接收器的手机。
利用Bokode标签原理可使得微型二维码在远距离进行探测。但是一般光学标签系统有着它自身的缺点：一是系统缺乏保密和防伪性，任何人只要将照相机调焦无穷远都可以获得原始二维码信息，因此如果有人复制同样的二维码来伪造成发射端，通常可能无法判断出发射端的真假；二是接收端缺乏普及性，因为具有调焦无穷远的相机往往不可能随身携带，不利于人们日常使用。为此，针对其第一个缺点，由于使用贴片LED作为背光源，所以提出了对背光源直接进行光调制的方式来进行加密，这种方式在编码及加密上都有很强的扩展实用性。针对第二个缺点，本文提出采用非常普及的手机相机来作为接收端，由于手机相机本身固有参数的限制，导致对微光学标签只能进行近距离识别，所以，本文提出在手机相机的镜头前面加上望远系统，也即无焦系统。通过增加这个系统，我们便可以增加标签远距离时的可读性，增大拍摄距离。
2加密发射端的设计
将LED作为照明光源，并在物镜前焦面固定微型二维码阵列，将三者集成于微型器件中，作为整个系统的发射端,通过照相机进行拍照来获得原始的二维码。
图2所示是本设计的有源加密型发射端的示意图。该有源型发射端需要实时提供背景光，为此，可以对LED的发光方式进行改进，从而实现一种简单、实用的加密。也就是通过一个外接单片机电路板来控制LED的明暗，进行OOK调制，LED亮代表"1",暗代表“0”。
本系统的外接电路板是一个单片机系统，贴片LED由电路板供电发光，通过增加这个外接系统，可以控制其发光模式。
图3所示是贴片LED外接电路板的电路图，图中，AT89S52为MCU，它可带12MHz晶振。采用输入数字流调制基于晶体PLL振荡器的输出，当发射“1"时，发射源发送较高的载波幅度；发射“0”时，无任何载波信号输出。P1.0连接LED0,P1.3连接按键KEY0。当按键KEY0按下时，LED0按照设定模式工作。可以设定不同的工作模式对应不同密钥,LED闪烁的明暗编码不同。
由于目前市面上的手机相机摄像视频的帧数为25帧/s,所以通过电路板实现LED明暗相间闪烁频率为一秒25次,形成一组25个二进制序列组成的密钥。以一秒25帧为例，因此我们有225种加密方式。对于伪造者来说这是一个极大代价,在有限时间内是很难破解的。发射端将微光学标签的信息加上密钥一起发送到自由空间。这使得别人即使能够复制二维码,但由于无法获知背景光的加密密匙，从而无法伪造成真实的发射端来欺骗我们。使得微光学标签具有一定的保密防伪性。
在标签系统发射端上增加OOK调制加密方法，我们可以将此设计应用于汽车牌照、收费站、产品防伪等身份认证一类实际运用系统中，具有很高的日常实用性。例如此系统运用在公路收费站自动缴费系统中，即使能够复制伪造同样的微光学标签，而如果无法获知背景光加密密钥，也依然无法通过闸机口，从而避免了收费站逃费行为。
3接收端的改进
3.1手机接收器的设计原理
以NOKIAN8手机作为光学标签接收器。NOKIAN8的CMOS传感器分辨率为4000X3000。表1所列是NOKIAN8手机的一些CMOS参数。
中国移动使用的QR码标准为GB/T18284-2000。该标准中的最高容量的版本40的模块数为177X177。为满足终端装置的识别，每个模块占至少4个像素点，贝嵯端图像传感器像素点至少为12.5万像素。
如表1所列，按二维码读取需求的354X354截取单元的最小边长d约为0.6372mm,若比这个边长尺寸更小，则不能正确识读二维码。若光圈F值为2.8,焦距为5.9mm，则可根据：
光圈F值=镜头焦距/镜头光圈孔径 （1）
得出镜头光圈孔径a为2.11mm。这样，在传感器上，二维码成像的大小为：
通过d，可以求得相机镜头与标签透镜的距离护13.815mm。
物方视场角W为:
由于本文采用的标签透镜的焦距为/1=2.63mm,因此，利用公式：
则可得，标签的直径b1为0.402mm，尺寸为0.284mmX0.284mm，M=2.24,微光学标签在CMOS上呈放大的像。
从上面的计算结果可知，当在CMOS上成像最小时,u=13.815mm=1.4cm。如此距离对用手机拍照来讲是非常短的距离。下面来分析一下各部件各参数之间的关系：
当相机镜头确定时，即镜头焦距和镜头孔径a确定时（令a=2.11mm，f=5.9mm），镜头到标签透镜的距离u与二维码在CMOS上所成的像尺寸成反比。对于固定的f和a值，成像尺寸b越大，相机镜头到标签透镜的需要的距离u越小,成反比关系。而对于不同的镜头（不同的f和a值），当b相同时,£a越大，探测距离u越大；当u相等时,£a越大,2的取值越大。照相手机的镜头参数（焦距f和孔径a）限制了二维码在CMOS上成像的大小及相机镜头到标签透镜的距离。
3.2手机相机改进方案
由于标签的大小、透镜的孔径和手机摄像镜头参数限制，实验要获取清晰的光学标签图像，拍摄距离被限制在1.4cm以内，只能进行近距离识别。这并不符合远距离拍摄的要求。经过实验改进，我们可以在传输通道上添加一个望远系统［8-10］。
望远系统是用于观察远距离目标的一种光学系统，入射的平行光束仍保持平行射出。通过望远光学系统所成的像对眼睛的张角大于物体本身对眼睛的直观张角。望远系统一般是由两片正透镜组成的，有时为了获得正像，需要在两片透镜之间加一梭镜式或透镜式转像系统，本系统为了简便拍摄装置，不介入转像系统。
伽利略望远镜由一块正透镜和一块负透镜组成的，正负透镜结合中间距离比两个正透镜的结合中间距离短。它最大的优点是结构简单，筒长短，较为轻便，光能损失少，而且成像不倒置。由于正负透镜组合消除了球差，使得系统更为紧凑，因此它的光学系统的性能更好。所以在设计过程中，我们使用伽利略望远系统。图4所示是经过改进后的光路图。
伽利略望远系统
以上是对望远系统以及望远系统类型的选择方法的介绍，实际操作中的数据以ZEMAX的仿真结果为依据。由于手机接收端参数的限制，试验中，发射端采用孔径为3mm,焦距为2.63mm的透镜。
增加辅助望远系统，选取合适参数的透镜，通过ZEMAX仿真之后整个光学系统识别距离大于15cm。
望远系统透镜间距:
实验得出的三组仿真数据的比较如表2所列。
综合以上三组数据，我们可以得知，正负透镜之间的距离越大，也即正负透镜数值焦距相差越大，出射孔径越小,同时负透镜焦距不小于T2.66mm,否则手机相机将无法识别全部标签。当然，为了系统的精确性的提高，正负透镜间距越小越好。
图5所示是经过改进以后的手机接收端示意图，制作的该望远系统的正透镜焦距为32.71mm,孔径为19.88mm；负透镜焦距为T8.89mm,孔径为13.98mm,由公式(6)和(7)可得出透镜间距为13.82mm,视放大率为1.422。将此望远镜系统加到手机相机镜头前，组成新的接收系统。由于标签透镜孔径为3mm,而手机相机透镜接收孔径为2.11mm,所以导致的问题就是手机相机无法接收全部的微光学标签。但是通过加入望远系统，前正透镜对光进行汇集，使得孔径缩小至2mm左右，微光学标签发射的平行光能够全部进入手机相机。同时，相机识别距离由理论上的1.4cm增长到15cm以上。所以此方案中望远系统在光学标签系统中起到了两个作用：一是增大手机相机清晰识别微光学标签的距离；二是对光孔径进行调节，使得接收端能够接收更多更全的微标签。
接收端通过手机拍摄视频，通过视频软件分解出一秒25帧图像，按照分解出的图像的顺序，通过每帧图像的明暗得出一组二进制序列密钥。解密出的密钥与发射端设定的密钥进行比较。如果得出前后一致，说明接收信息有效，发射端为真实可靠的，反之说明发射的是无效信息，发射端为伪造的。
4实验结果
目前，通过Windows环境下的QR码编码程序可实现对数据的编码，图6所示的二维码,写入的信息为：南京邮电大学。通过光绘机制作菲林微型二维码阵列作为信息源的尺寸为0.87mm。综合以上发射端参数选取的相关要求，本设计选取了焦距为2.63mm,孔径为3mm的透镜作为发射端透镜。通过手机相机距离发射端透镜15cm拍摄视频，分解出明暗相间的一帧帧图像，明暗排列顺序与发射端设定的密钥次序一致。图7所示是选取的其中一帧图像，通过QR解码软件进行解码后，其完整的QR码就可以准确地获取其中的信息。如图8所示是其二维码的解码结果，该结果证明了系统的可行性。
5结束语
微光学标签与手机相机的结合，是微光学标签发展普及的前提。随着物联网技术的不断发展，可以预见，该技术具有重要的研究意义和广阔的应用前景。所以微光学标签普及之后，手机的相机就不仅仅是拍摄图像的工具，同时也可以是信息传递的工具。结果证明，该方案实现了远距离探测和标签加密的要求，并且其接收端为相当普及的手机相机，因而具有很高的推广运用价值。
下载文档
