摘 要：通过添加辅助光学元件，并采用OOK调制加密方式，给出了一种有源加密型微光学标签的光学系统设计方法。该方法相比一般微光学标签系统，接收端采用了更为普及的手机相机，并具有标签加密等特性；同时根据手机相机镜头的参数，考虑了发射端透镜焦距和孔径的影响。由于在系统的加密发射端对手机相机镜头进行改进，故可使接收系统满足Bokode标签原理。结果表明：该标签系统具有防伪加密功能，能够利用普通手机相机在不低于15 cm距离的条件下准确探测和解码。
关键词：微光学标签；手机相机；OOK调制；Bokode标签原理
中图分类号：TF123 文献标识码：A 文章编号：2095-1302(2012)03-0025-04
Design of micro-optical label system of active encryption
LIN Wu, LIANG Zhong-cheng, ZHANG Hao, QIAN Chen
(Department of Opt-electronic Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)
Abstract: A micro-optical label system of active encryption through adding the auxiliary optical components is introduced. The system applied the modulation of OOK. Unlike common micro-optical system, the optical label must be read with the camera out of focus. The new system receiver is phone camera which is more widespread, and the tag with function of encryption. The transmitting terminal was designed. The camera lens was improved according to focal length and aperture. Allowing the receiving system to meet Bokode label principle. Taking the parameters of camera lens into account. The results show that the tag can be captured by ordinary phone camera from the distance of not less than 15 cm. The image is able to be decoded accurately. The system is more practical than before.
Keywords: micro-optical label; phone camera; OOK modulation; Bokode label principle
0 引 言
美国麻省理工学院(MIT)Media Lab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[1]。目前一维条码和RFID两者自身存在着不可避免的缺陷[2]。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[3]。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[4]，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。
图1 有源加密型微光学标签系统框图
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[1]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[5-6]，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[7]，LED亮代表“1”，暗代表“0”。
图2 有源加密型发射端的示意图
图3 贴片LED外接电路板的电路图
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12 MHz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。
图6 信息内容 图7 拍摄的二维码图像
（南京邮电大学）的编码
图8 二维码解码结果
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。
参 考 文 献
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