基于點(diǎn)陣碼的新型人機(jī)互動(dòng)方式及應(yīng)用

李青瑤林 濤

（1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200092；2.超大規(guī)模集成電路研究所，上海 200092）

基于點(diǎn)陣碼的新型人機(jī)互動(dòng)方式及應(yīng)用

李青瑤1，2林 濤1，2

（1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200092；2.超大規(guī)模集成電路研究所，上海 200092）

點(diǎn)陣碼是以信息編碼和圖像處理為核心的基礎(chǔ)信息技術(shù)，基于點(diǎn)陣碼的新型人機(jī)互動(dòng)方式是服務(wù)于“智慧城市”的一項(xiàng)新技術(shù)。文章對點(diǎn)陣碼的分類、特點(diǎn)、現(xiàn)狀進(jìn)行了研究歸納，重點(diǎn)闡述GridOnput點(diǎn)陣碼技術(shù)。進(jìn)而將之與電子射頻標(biāo)簽技術(shù)進(jìn)行比較，并提出基于GridOnput點(diǎn)陣碼的UU-POINT技術(shù)在電子書包、防偽溯源等領(lǐng)域創(chuàng)新性的應(yīng)用實(shí)例。最后對基于點(diǎn)陣碼的新型人機(jī)互動(dòng)方式做出展望。

點(diǎn)陣碼；智慧城市；人機(jī)互動(dòng)；防偽溯源

1 引言

“智慧城市”[1]的建設(shè)被認(rèn)為是提升城市競爭實(shí)力、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、提高居民生活品質(zhì)、改進(jìn)城市公共管理的重要途徑。為了更好的服務(wù)“智慧城市”，最迫切工作之一是研發(fā)更智能、更廣泛應(yīng)用于各類人群的新型人機(jī)互動(dòng)方式。利用紙和筆來完成人機(jī)交互的UU-POINT技術(shù)就是一種新型人機(jī)互動(dòng)方式。其通過打印或印刷在紙上的一種“點(diǎn)陣碼”以及可以“讀出”這種點(diǎn)陣碼的識讀筆來實(shí)現(xiàn)。UU-POINT技術(shù)具備以下特點(diǎn)：（1）簡單易用；（2）不需要傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)、屏幕觸控卻可以實(shí)現(xiàn)其全部功能；（3）適合各種人群，特別是不習(xí)慣或不善于使用傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)、屏幕觸控的人群。

本文中，首先研究歸納了三種常見的點(diǎn)陣碼編碼制式及其應(yīng)用，包括半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼、Anoto點(diǎn)陣碼、以及 GridOnput點(diǎn)陣碼；其次比較了點(diǎn)陣碼與電子射頻標(biāo)簽[2]（RFID）的差異；接下來提出了基于GridOnput點(diǎn)陣碼的U-POINT技術(shù)的兩個(gè)代表性應(yīng)用實(shí)例，包括兩部一市國家項(xiàng)目上海市虹口區(qū)“電子書包”，以及上海市陸家嘴“智慧城市”項(xiàng)目中的“優(yōu)點(diǎn)”預(yù)約“優(yōu)點(diǎn)”認(rèn)證系統(tǒng)；最后是對點(diǎn)陣碼應(yīng)用前景的展望。

2 常見的各類點(diǎn)陣碼

2.1點(diǎn)陣碼概述

點(diǎn)陣碼是指在一個(gè)點(diǎn)陣平面中，改變點(diǎn)的排列方式，定義其代表不同的信息（二進(jìn)制的0和1），并依靠專用的掃描設(shè)備還原出點(diǎn)陣碼中所隱含的信息的技術(shù)。點(diǎn)陣碼的研究出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，可概括為兩種制式，一種基于矩陣式編碼，典型的編碼模式有 QR（Quick Response）二維碼、Datamatrix二維碼[3]、Maxicode二維碼[4]等；另一種基于位置式編碼，典型的編碼制式有半調(diào)網(wǎng)狀（Halftone Dot-Mesh Pattern）點(diǎn)陣碼、Anoto點(diǎn)陣碼、OID（Optical ID）點(diǎn)陣碼、GridOnput點(diǎn)陣碼。本文主要討論基于位置式編碼。

經(jīng)過發(fā)展，點(diǎn)陣碼具備隱形性、恢復(fù)性強(qiáng)、不可復(fù)制、成本低等特點(diǎn)。點(diǎn)陣碼的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括教育、醫(yī)療、防偽，如2005年美國FLY公司發(fā)布輔助青少年學(xué)習(xí)的識讀筆（The FLY Pentop Computer）；瑞典阿諾托（ANOTO）公司將Anoto數(shù)碼筆應(yīng)用于醫(yī)療辦公[5]、簽名認(rèn)證[6]、手寫存儲(chǔ)式記事本[7]等。如今，點(diǎn)陣碼已經(jīng)以人物界面的方式滲透到“智慧城市”服務(wù)中，讓信息化技術(shù)惠及普通百姓。未來，點(diǎn)陣碼可以通過貼膜方式實(shí)現(xiàn)最高性價(jià)比的觸摸屏，甚至可以把所有屏幕簡單地改造成觸摸屏。

2.2半調(diào)網(wǎng)狀（Halftone Dot-Mesh Pattern）點(diǎn)陣碼

半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼編碼最早由日沖電氣工業(yè)（OKI Electric Industry Co.）在1994年于日本申請專利。其編碼思想來源于打印技術(shù)中，使用不同大小、形狀、疏密程度的離散點(diǎn)生成肉眼觀察到的連續(xù)色調(diào)圖像。盡管半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼編碼簡單且有種種不足，但這種用離散模擬連續(xù)的方法為今后點(diǎn)陣碼的編碼理論奠定了基礎(chǔ)，基于此的改進(jìn)編碼制式還包括信息水印點(diǎn)陣碼（Watermark Pattern）以及Single Dot點(diǎn)陣碼[8]等。

半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼技術(shù)可以將信息隱藏在文檔的背景中，其方法是用 18 x 18個(gè)像素的半調(diào)網(wǎng)狀圖形（Halftone Dot-Mesh Pattern）經(jīng)排列后打印在文檔表面。其基本單元如圖 1第一個(gè)單元所示，每個(gè)點(diǎn)等間隔排列，定義為未嵌入信息的點(diǎn)陣碼單元；嵌入信息的編碼通過改變基本單元中部分點(diǎn)陣的傾斜方向?qū)崿F(xiàn)，圖1第二個(gè)單元是嵌入信息0的半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼，第三個(gè)單元是嵌入信息 1的半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼。該技術(shù)顯著的缺點(diǎn)在于點(diǎn)陣碼中點(diǎn)與點(diǎn)間隔約為 0.75mm2，高密度排列的點(diǎn)陣使文檔閱讀效果變差，嵌入信息的隱形度也降低。其次，需要使用8個(gè)像素的特殊排列才能表示1位信息，信息量十分小。

圖1　半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼基本單元及信息嵌入單元

2.3Anoto點(diǎn)陣碼

Anoto點(diǎn)陣碼在半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼編碼制式的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，通過降低點(diǎn)陣碼的密度使印有點(diǎn)陣碼的數(shù)碼紙不影響正常閱讀的視覺感受，達(dá)到隱藏效果。其由瑞典阿諾托（ANOTO）公司在2003年提出包括數(shù)碼紙、數(shù)碼筆和Anoto軟件平臺的專利技術(shù)。此外，特殊的編碼制式使 Anoto數(shù)碼筆的解碼速度大大提高。Anoto點(diǎn)陣碼在語言學(xué)習(xí)、簽名認(rèn)證、醫(yī)療信息化、互動(dòng)投影儀等領(lǐng)域得到應(yīng)用并開啟了一種新型人機(jī)互動(dòng)方式。但 Anoto數(shù)碼紙可復(fù)制性差、識別速度仍有明顯的停頓感，制約了其應(yīng)用場景。與 Anoto點(diǎn)陣碼類似的還有松翰（SONIX）公司研發(fā)的OID（Optical ID）點(diǎn)陣碼等。

Anoto點(diǎn)陣碼的編碼原理如圖2所示，每個(gè)點(diǎn)陣單元大小為1.8mm x 1.8mm，兩點(diǎn)之間平均距離為0.3mm。每個(gè)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)格線的交點(diǎn)位置有上、下、左、右四種不同方向，代表2位信息，共272種排列方式，即有47萬億億種龐大的碼量，以保證各類用途點(diǎn)陣碼不重復(fù)使用。Anoto數(shù)碼筆通過數(shù)字化的精確處理并存儲(chǔ)信息完成識讀過程，筆尖的攝像頭以 100幀/每秒的速度捕獲點(diǎn)陣碼，每一幀圖像都至少包括一個(gè)點(diǎn)陣單元，足夠用于解析數(shù)碼筆書寫的位置，并通過藍(lán)牙傳輸識別的信息。

圖2　Anoto點(diǎn)陣碼編碼原理

2.4GridOnput點(diǎn)陣碼

GridOnput點(diǎn)陣碼編碼制式首先由日本Gridmark公司提出，自2003年以來在海內(nèi)外已取得了110項(xiàng)以上的專利。核心技術(shù)由點(diǎn)陣碼編解碼規(guī)則、識讀筆及印刷方法構(gòu)成。

GridOnput點(diǎn)陣碼編碼原理如圖3所示，其點(diǎn)陣的排列具有周期性變化規(guī)律，圖中給出了四個(gè)相鄰的單位點(diǎn)陣。每個(gè)單位點(diǎn)陣的大小為2mm x 2mm，由網(wǎng)格點(diǎn)（Grid dots）將單位點(diǎn)陣分成16個(gè)小方格，每個(gè)小方格的中央是假想點(diǎn)（Virtual dots），其作為信息點(diǎn)（Information dot）的中心參考位置，使得處于不同方位的信息點(diǎn)具有了不同的信息。另外，每個(gè)單位點(diǎn)陣都有一個(gè)特殊的網(wǎng)格點(diǎn)，即定位點(diǎn)（Key dot），標(biāo)志著點(diǎn)陣碼的“起點(diǎn)”，有助于提高圖像識別率和準(zhǔn)確性。信息點(diǎn)相對于假想點(diǎn)可以有8種不同的位置，其代表了3位二進(jìn)制數(shù)，即“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”8種數(shù)值。因此，GridOnput點(diǎn)陣碼擁有48位信息量，即280萬億種不同的組合。

圖3　GridOnput點(diǎn)陣碼編碼原理

G-Scanner是讀取“隱形”GridOnput點(diǎn)陣碼的專用讀取裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和識碼原理如圖4所示。G-Scanner更像是一臺用來識讀點(diǎn)陣碼的精密電子顯微鏡，頭部內(nèi)置的小型紅外線攝像頭與點(diǎn)陣碼印刷技術(shù)配合是過濾出點(diǎn)陣碼的核心。點(diǎn)陣碼圖層的打印或印刷使用可以吸收紅外線的碳素墨水，因此攝像顯示為黑色；而圖文圖層使用反射紅外線的非碳素墨水打印或印刷，因此不被顯示，這樣點(diǎn)陣碼與其他信息就能黑白分明地區(qū)別開。GridOnput點(diǎn)陣碼識別算法抗噪能力很強(qiáng)，即使在紙張折疊、輕度磨損、放置不平整，或者點(diǎn)讀筆傾斜、旋轉(zhuǎn)等情況下，仍然能正確地識別。

圖4　G-Scanner識別點(diǎn)陣碼原理

表1對二維碼、半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼、Anoto點(diǎn)陣碼、GridOnput點(diǎn)陣碼四種編碼制式的特性進(jìn)行比較，可見GridOnput點(diǎn)陣碼技術(shù)是目前較為完善的點(diǎn)陣碼編碼制式與點(diǎn)陣碼系統(tǒng)，同時(shí)具備碼量大、隱蔽性強(qiáng)、仿造難、識別速度和精度高等特點(diǎn)，是應(yīng)用在新型人機(jī)互動(dòng)方式上的一種可靠技術(shù)。

表1　二維碼、半調(diào)網(wǎng)狀點(diǎn)陣碼、Anoto點(diǎn)陣碼、GridOnput點(diǎn)陣碼比較

3 點(diǎn)陣碼與電子射頻標(biāo)簽（RFID）技術(shù)的比較

射頻識別（Radio Frequency Identification）又稱電子射頻標(biāo)簽，是一種非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，也是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一。RFID通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可識別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽，且無須人工干預(yù)、操作快捷方便。

點(diǎn)陣碼與電子射頻標(biāo)簽是商品防偽溯源的兩種典型方式，通過表 2的技術(shù)比較可以辨明兩者在用途和特點(diǎn)上的差異。RFID利用無線電子原理附著在商品表面對其進(jìn)行跟蹤追溯。相較于點(diǎn)陣碼，RFID具有實(shí)時(shí)、實(shí)地記錄，非接觸式檢測，耐久性強(qiáng)的優(yōu)勢，但RFID高昂的成本是限制其廣泛應(yīng)用的重要原因。主動(dòng)式RFID的價(jià)格在2美元以上，被動(dòng)RFID的成本也在1美元以上，高成本的RFID只能用于一些本身價(jià)值較高的產(chǎn)品，對一些價(jià)位較低的商品則性價(jià)比太低。相對的，點(diǎn)陣碼的成本就是紙張和油墨成本，在大批量生產(chǎn)的過程中，印刷點(diǎn)陣碼的成本幾乎可以忽略不計(jì)。

表2　點(diǎn)陣碼與電子射頻標(biāo)簽技術(shù)特性的比較

制作RFID的金屬線，檢測時(shí)發(fā)射的電子輻射都會(huì)對人體和環(huán)境造成嚴(yán)重影響，若是在對衛(wèi)生安全要求較高的藥品等領(lǐng)域進(jìn)行溯源認(rèn)證，使用RFID就無法令人完全安心。此外，RFID識別設(shè)備通常價(jià)格較高，人人擁有一臺RFID識別器幾乎不可能。而點(diǎn)陣碼的識別設(shè)備“點(diǎn)讀筆”價(jià)格約人民幣100元左右，可以得到很高的普及率。

點(diǎn)陣碼技術(shù)的優(yōu)勢在于結(jié)合傳統(tǒng)印刷技術(shù)以及現(xiàn)代圖像處理技術(shù)，可稱之為高科技“數(shù)碼”防偽，同時(shí)，點(diǎn)陣碼又是親民、低成本、無污染的綠色防偽溯源方法。點(diǎn)陣碼不僅可以與RFID技術(shù)一樣建立起物聯(lián)網(wǎng)，在“智慧城市”中讓信息化技術(shù)以低成本的方式惠及普通百姓，還構(gòu)建起了如“一站式購物”、“一站式預(yù)約”等的“人物”交互界面，以及一系列新型人機(jī)互動(dòng)應(yīng)用。

4 點(diǎn)陣碼的應(yīng)用實(shí)例及展望

4.1虹口區(qū)“電子書包”

教育部、財(cái)政部聯(lián)合上海市的國家項(xiàng)目“電子書包”首先在虹口區(qū)試點(diǎn)，“電子書包”即“點(diǎn)陣筆知識平面立體多維展開同步互動(dòng)學(xué)習(xí)新模式”是基于 GridOnput點(diǎn)陣碼的UU-POINT技術(shù)的應(yīng)用之一，充分發(fā)揮了信息技術(shù)對多元教與學(xué)方式的支持，革命性改變了課堂的教學(xué)模式。學(xué)生可自由選擇學(xué)習(xí)方案、按照個(gè)人進(jìn)度選擇學(xué)習(xí)層次，以信息化方式實(shí)現(xiàn)個(gè)性化自主學(xué)習(xí)和分層教育。

“電子書包”的系統(tǒng)框圖如圖 5所示，教師終端利用“Study Online備課軟件”制作點(diǎn)陣筆模式的多媒體課件以及點(diǎn)陣筆模式的紙質(zhì)教材，學(xué)生終端使用“Study Online用戶端軟件”通過點(diǎn)陣筆點(diǎn)觸多媒體課件以及賦有點(diǎn)陣碼的紙質(zhì)教材進(jìn)行信息化的學(xué)習(xí)，而所有教師的備課資料以及學(xué)生的學(xué)習(xí)資料都在“Study Online云平臺”進(jìn)行分配、使用和管理。

圖5　“電子書包”系統(tǒng)框圖

4.2陸家嘴“優(yōu)點(diǎn)”預(yù)約“優(yōu)點(diǎn)”認(rèn)證系統(tǒng)

上海市浦東新區(qū)陸家嘴“優(yōu)點(diǎn)”預(yù)約“優(yōu)點(diǎn)”認(rèn)證系統(tǒng)，以下簡稱“優(yōu)點(diǎn)”系統(tǒng)，是基于GridOnput點(diǎn)陣碼的UU-POINT技術(shù)的又一項(xiàng)人機(jī)互動(dòng)應(yīng)用，聯(lián)手政府、商業(yè)，為陸家嘴街道建立智慧化社區(qū)模式?！皟?yōu)點(diǎn)”系統(tǒng)構(gòu)建了基于點(diǎn)陣碼及點(diǎn)陣筆的“四綠”物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，使便利與智能的購物新方式觸及到包括中老年人在內(nèi)的更多群體，并創(chuàng)造了一種簡便的食品溯源的機(jī)制，使人人參與食品安全監(jiān)督成為可能。

圖6　陸家嘴優(yōu)點(diǎn)“認(rèn)證”優(yōu)點(diǎn)“預(yù)約”物流結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 6左側(cè)是“優(yōu)點(diǎn)”系統(tǒng)從社區(qū)居民角度出發(fā)的物流結(jié)構(gòu)，居民使用“優(yōu)點(diǎn)”導(dǎo)購圖冊配合點(diǎn)陣筆通過家中電視進(jìn)行簡易操作就可訂購商品。居民在收到商品快遞的同時(shí)通過用點(diǎn)陣筆點(diǎn)觸商品表面的標(biāo)簽，便可獲得商品溯源信息。圖6右側(cè)是“優(yōu)點(diǎn)”從設(shè)計(jì)端角度出發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，居民、配送者、商品的信息以及購物所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都在對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中管理，并與陸家嘴街道的數(shù)據(jù)平臺相融合。

4.3點(diǎn)陣碼的應(yīng)用前景

點(diǎn)陣碼結(jié)合屏幕觸控的“透明貼膜”技術(shù)是另一種建立起人機(jī)交互界面的新型人機(jī)互動(dòng)技術(shù)。相對于壓控感應(yīng)、多點(diǎn)觸控感應(yīng)等現(xiàn)有屏幕觸控互動(dòng)技術(shù)，基于點(diǎn)陣碼的“透明貼膜”拋開了復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)，以及一系列硬件設(shè)備，將點(diǎn)陣碼打印在貼膜表面，通過貼膜方式實(shí)現(xiàn)非常高性價(jià)比的觸摸屏，甚至可以把所有的屏幕簡單、靈活的改造成觸摸屏。目前點(diǎn)陣碼“透明貼膜”仍需進(jìn)一步研究和改進(jìn)，比如在識別速度、反應(yīng)靈敏度等方面。

5 總結(jié)

點(diǎn)陣碼是基于位置編碼和圖像處理的信息嵌入方式，近年來隨著數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信傳輸能力的快速提高，以點(diǎn)陣碼為基礎(chǔ)技術(shù)的新型人機(jī)交互技術(shù)也越來越受到關(guān)注。

在各種點(diǎn)陣碼中，GridOnput點(diǎn)陣碼具備信息量大、隱蔽性、冗余度高等優(yōu)勢，是目前最成熟、應(yīng)用領(lǐng)域最廣的一種點(diǎn)陣碼?；贕ridOnput點(diǎn)陣碼的UU-POINT技術(shù)作為一種新型人機(jī)互動(dòng)技術(shù)，已逐步應(yīng)用于“智慧城市”，典型的應(yīng)用包括上海市虹口區(qū)“電子書包”和上海市浦東新區(qū)陸家嘴“優(yōu)點(diǎn)”系統(tǒng)。兩者從教育和居家養(yǎng)老的社會(huì)基本屬性出發(fā)，用基于點(diǎn)陣碼的新型人機(jī)互動(dòng)界面引領(lǐng)人人都能平等的享受“智慧”生活的時(shí)代。未來，點(diǎn)陣碼將為人與計(jì)算機(jī)、智能終端進(jìn)行無障礙的互動(dòng)帶來更廣闊的前景。

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A new Human-Device Interactive method and application based on Dot-Code

Dot-Code is a kind of information technology based on information encoding and image processing, which can be a fundamental of Human-Device Interactive Method to serve Smart City. This paper summarizes the categories and characteristics of Dot-Code, focuses on the GridOnput technology and compares it with RFID technology. This paper also proposes two innovative application scenarios with GridOnput-based UU-Point technology. Finally, the forecast of GridOnput-based UU-Point is raised.

Dot-Code; Smart City; Human-Device Interaction; e-book package; anti-counterfeiting

Q813.11

A

1008-1151(2015)09-0020-04

2015-08-10

李青瑤（1991－），女，上海人，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院、超大規(guī)模集成電路研究所研究生，研究方向?yàn)閳D像、音頻水印及編解碼。