基于點陣碼的新型人機互動方式及應用

李青瑤林 濤

（1.同濟大學電子與信息工程學院，上海 200092；2.超大規模集成電路研究所，上海 200092）

基于點陣碼的新型人機互動方式及應用

李青瑤1，2林 濤1，2

（1.同濟大學電子與信息工程學院，上海 200092；2.超大規模集成電路研究所，上海 200092）

點陣碼是以信息編碼和圖像處理為核心的基礎信息技術，基于點陣碼的新型人機互動方式是服務于“智慧城市”的一項新技術。文章對點陣碼的分類、特點、現狀進行了研究歸納，重點闡述GridOnput點陣碼技術。進而將之與電子射頻標簽技術進行比較，并提出基于GridOnput點陣碼的UU-POINT技術在電子書包、防偽溯源等領域創新性的應用實例。最后對基于點陣碼的新型人機互動方式做出展望。

點陣碼；智慧城市；人機互動；防偽溯源

1 引言

“智慧城市”[1]的建設被認為是提升城市競爭實力、促進經濟社會發展、提高居民生活品質、改進城市公共管理的重要途徑。為了更好的服務“智慧城市”，最迫切工作之一是研發更智能、更廣泛應用于各類人群的新型人機互動方式。利用紙和筆來完成人機交互的UU-POINT技術就是一種新型人機互動方式。其通過打印或印刷在紙上的一種“點陣碼”以及可以“讀出”這種點陣碼的識讀筆來實現。UU-POINT技術具備以下特點：（1）簡單易用；（2）不需要傳統的鍵盤、鼠標、屏幕觸控卻可以實現其全部功能；（3）適合各種人群，特別是不習慣或不善于使用傳統的鍵盤、鼠標、屏幕觸控的人群。

本文中，首先研究歸納了三種常見的點陣碼編碼制式及其應用，包括半調網狀點陣碼、Anoto點陣碼、以及 GridOnput點陣碼；其次比較了點陣碼與電子射頻標簽[2]（RFID）的差異；接下來提出了基于GridOnput點陣碼的U-POINT技術的兩個代表性應用實例，包括兩部一市國家項目上海市虹口區“電子書包”，以及上海市陸家嘴“智慧城市”項目中的“優點”預約“優點”認證系統；最后是對點陣碼應用前景的展望。

2 常見的各類點陣碼

2.1點陣碼概述

點陣碼是指在一個點陣平面中，改變點的排列方式，定義其代表不同的信息（二進制的0和1），并依靠專用的掃描設備還原出點陣碼中所隱含的信息的技術。點陣碼的研究出現于20世紀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網狀（Halftone Dot-Mesh Pattern）點陣碼、Anoto點陣碼、OID（Optical ID）點陣碼、GridOnput點陣碼。本文主要討論基于位置式編碼。

經過發展，點陣碼具備隱形性、恢復性強、不可復制、成本低等特點。點陣碼的傳統應用領域包括教育、醫療、防偽，如2005年美國FLY公司發布輔助青少年學習的識讀筆（The FLY Pentop Computer）；瑞典阿諾托（ANOTO）公司將Anoto數碼筆應用于醫療辦公[5]、簽名認證[6]、手寫存儲式記事本[7]等。如今，點陣碼已經以人物界面的方式滲透到“智慧城市”服務中，讓信息化技術惠及普通百姓。未來，點陣碼可以通過貼膜方式實現最高性價比的觸摸屏，甚至可以把所有屏幕簡單地改造成觸摸屏。

2.2半調網狀（Halftone Dot-Mesh Pattern）點陣碼

半調網狀點陣碼編碼最早由日沖電氣工業（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中，使用不同大小、形狀、疏密程度的離散點生成肉眼觀察到的連續色調圖像。盡管半調網狀點陣碼編碼簡單且有種種不足，但這種用離散模擬連續的方法為今后點陣碼的編碼理論奠定了基礎，基于此的改進編碼制式還包括信息水印點陣碼（Watermark Pattern）以及Single Dot點陣碼[8]等。

半調網狀點陣碼技術可以將信息隱藏在文檔的背景中，其方法是用 18 x 18個像素的半調網狀圖形（Halftone Dot-Mesh Pattern）經排列后打印在文檔表面。其基本單元如圖 1第一個單元所示，每個點等間隔排列，定義為未嵌入信息的點陣碼單元；嵌入信息的編碼通過改變基本單元中部分點陣的傾斜方向實現，圖1第二個單元是嵌入信息0的半調網狀點陣碼，第三個單元是嵌入信息 1的半調網狀點陣碼。該技術顯著的缺點在于點陣碼中點與點間隔約為 0.75mm2，高密度排列的點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　半調網狀點陣碼基本單元及信息嵌入單元

2.3Anoto點陣碼

Anoto點陣碼在半調網狀點陣碼編碼制式的基礎上加以改進，通過降低點陣碼的密度使印有點陣碼的數碼紙不影響正常閱讀的視覺感受，達到隱藏效果。其由瑞典阿諾托（ANOTO）公司在2003年提出包括數碼紙、數碼筆和Anoto軟件平臺的專利技術。此外，特殊的編碼制式使 Anoto數碼筆的解碼速度大大提高。Anoto點陣碼在語言學習、簽名認證、醫療信息化、互動投影儀等領域得到應用并開啟了一種新型人機互動方式。但 Anoto數碼紙可復制性差、識別速度仍有明顯的停頓感，制約了其應用場景。與 Anoto點陣碼類似的還有松翰（SONIX）公司研發的OID（Optical ID）點陣碼等。

Anoto點陣碼的編碼原理如圖2所示，每個點陣單元大小為1.8mm x 1.8mm，兩點之間平均距離為0.3mm。每個點根據網格線的交點位置有上、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，以保證各類用途點陣碼不重復使用。Anoto數碼筆通過數字化的精確處理并存儲信息完成識讀過程，筆尖的攝像頭以 100幀/每秒的速度捕獲點陣碼，每一幀圖像都至少包括一個點陣單元，足夠用于解析數碼筆書寫的位置，并通過藍牙傳輸識別的信息。

圖2　Anoto點陣碼編碼原理

2.4GridOnput點陣碼

GridOnput點陣碼編碼制式首先由日本Gridmark公司提出，自2003年以來在海內外已取得了110項以上的專利。核心技術由點陣碼編解碼規則、識讀筆及印刷方法構成。

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

圖3　GridOnput點陣碼編碼原理

G-Scanner是讀取“隱形”GridOnput點陣碼的專用讀取裝置，其內部結構和識碼原理如圖4所示。G-Scanner更像是一臺用來識讀點陣碼的精密電子顯微鏡，頭部內置的小型紅外線攝像頭與點陣碼印刷技術配合是過濾出點陣碼的核心。點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，這樣點陣碼與其他信息就能黑白分明地區別開。GridOnput點陣碼識別算法抗噪能力很強，即使在紙張折疊、輕度磨損、放置不平整，或者點讀筆傾斜、旋轉等情況下，仍然能正確地識別。

圖4　G-Scanner識別點陣碼原理

表1對二維碼、半調網狀點陣碼、Anoto點陣碼、GridOnput點陣碼四種編碼制式的特性進行比較，可見GridOnput點陣碼技術是目前較為完善的點陣碼編碼制式與點陣碼系統，同時具備碼量大、隱蔽性強、仿造難、識別速度和精度高等特點，是應用在新型人機互動方式上的一種可靠技術。

表1　二維碼、半調網狀點陣碼、Anoto點陣碼、GridOnput點陣碼比較

3 點陣碼與電子射頻標簽（RFID）技術的比較

射頻識別（Radio Frequency Identification）又稱電子射頻標簽，是一種非接觸式自動識別技術，也是構成物聯網的基礎技術之一。RFID通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，且無須人工干預、操作快捷方便。

點陣碼與電子射頻標簽是商品防偽溯源的兩種典型方式，通過表 2的技術比較可以辨明兩者在用途和特點上的差異。RFID利用無線電子原理附著在商品表面對其進行跟蹤追溯。相較于點陣碼，RFID具有實時、實地記錄，非接觸式檢測，耐久性強的優勢，但RFID高昂的成本是限制其廣泛應用的重要原因。主動式RFID的價格在2美元以上，被動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值較高的產品，對一些價位較低的商品則性價比太低。相對的，點陣碼的成本就是紙張和油墨成本，在大批量生產的過程中，印刷點陣碼的成本幾乎可以忽略不計。

表2　點陣碼與電子射頻標簽技術特性的比較

制作RFID的金屬線，檢測時發射的電子輻射都會對人體和環境造成嚴重影響，若是在對衛生安全要求較高的藥品等領域進行溯源認證，使用RFID就無法令人完全安心。此外，RFID識別設備通常價格較高，人人擁有一臺RFID識別器幾乎不可能。而點陣碼的識別設備“點讀筆”價格約人民幣100元左右，可以得到很高的普及率。

點陣碼技術的優勢在于結合傳統印刷技術以及現代圖像處理技術，可稱之為高科技“數碼”防偽，同時，點陣碼又是親民、低成本、無污染的綠色防偽溯源方法。點陣碼不僅可以與RFID技術一樣建立起物聯網，在“智慧城市”中讓信息化技術以低成本的方式惠及普通百姓，還構建起了如“一站式購物”、“一站式預約”等的“人物”交互界面，以及一系列新型人機互動應用。

4 點陣碼的應用實例及展望

4.1虹口區“電子書包”

教育部、財政部聯合上海市的國家項目“電子書包”首先在虹口區試點，“電子書包”即“點陣筆知識平面立體多維展開同步互動學習新模式”是基于 GridOnput點陣碼的UU-POINT技術的應用之一，充分發揮了信息技術對多元教與學方式的支持，革命性改變了課堂的教學模式。學生可自由選擇學習方案、按照個人進度選擇學習層次，以信息化方式實現個性化自主學習和分層教育。

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

圖5　“電子書包”系統框圖

4.2陸家嘴“優點”預約“優點”認證系統

上海市浦東新區陸家嘴“優點”預約“優點”認證系統，以下簡稱“優點”系統，是基于GridOnput點陣碼的UU-POINT技術的又一項人機互動應用，聯手政府、商業，為陸家嘴街道建立智慧化社區模式?！皟烖c”系統構建了基于點陣碼及點陣筆的“四綠”物聯網系統，使便利與智能的購物新方式觸及到包括中老年人在內的更多群體，并創造了一種簡便的食品溯源的機制，使人人參與食品安全監督成為可能。

圖6　陸家嘴優點“認證”優點“預約”物流結構與系統結構

圖 6左側是“優點”系統從社區居民角度出發的物流結構，居民使用“優點”導購圖冊配合點陣筆通過家中電視進行簡易操作就可訂購商品。居民在收到商品快遞的同時通過用點陣筆點觸商品表面的標簽，便可獲得商品溯源信息。圖6右側是“優點”從設計端角度出發的系統結構，居民、配送者、商品的信息以及購物所產生的數據都在對應的數據庫中管理，并與陸家嘴街道的數據平臺相融合。

4.3點陣碼的應用前景

點陣碼結合屏幕觸控的“透明貼膜”技術是另一種建立起人機交互界面的新型人機互動技術。相對于壓控感應、多點觸控感應等現有屏幕觸控互動技術，基于點陣碼的“透明貼膜”拋開了復雜的傳感器系統，以及一系列硬件設備，將點陣碼打印在貼膜表面，通過貼膜方式實現非常高性價比的觸摸屏，甚至可以把所有的屏幕簡單、靈活的改造成觸摸屏。目前點陣碼“透明貼膜”仍需進一步研究和改進，比如在識別速度、反應靈敏度等方面。

5 總結

點陣碼是基于位置編碼和圖像處理的信息嵌入方式，近年來隨著數據處理能力和網絡通信傳輸能力的快速提高，以點陣碼為基礎技術的新型人機交互技術也越來越受到關注。

在各種點陣碼中，GridOnput點陣碼具備信息量大、隱蔽性、冗余度高等優勢，是目前最成熟、應用領域最廣的一種點陣碼?；贕ridOnput點陣碼的UU-POINT技術作為一種新型人機互動技術，已逐步應用于“智慧城市”，典型的應用包括上海市虹口區“電子書包”和上海市浦東新區陸家嘴“優點”系統。兩者從教育和居家養老的社會基本屬性出發，用基于點陣碼的新型人機互動界面引領人人都能平等的享受“智慧”生活的時代。未來，點陣碼將為人與計算機、智能終端進行無障礙的互動帶來更廣闊的前景。

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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，同濟大學電子與信息工程學院、超大規模集成電路研究所研究生，研究方向為圖像、音頻水印及編解碼。