基于点阵码的新型人机互动方式及应用

李青瑶林 涛

（1.同济大学电子与信息工程学院，上海 200092；2.超大规模集成电路研究所，上海 200092）

基于点阵码的新型人机互动方式及应用

李青瑶1，2林 涛1，2

（1.同济大学电子与信息工程学院，上海 200092；2.超大规模集成电路研究所，上海 200092）

点阵码是以信息编码和图像处理为核心的基础信息技术，基于点阵码的新型人机互动方式是服务于“智慧城市”的一项新技术。文章对点阵码的分类、特点、现状进行了研究归纳，重点阐述GridOnput点阵码技术。进而将之与电子射频标签技术进行比较，并提出基于GridOnput点阵码的UU-POINT技术在电子书包、防伪溯源等领域创新性的应用实例。最后对基于点阵码的新型人机互动方式做出展望。

点阵码；智慧城市；人机互动；防伪溯源

1 引言

“智慧城市”[1]的建设被认为是提升城市竞争实力、促进经济社会发展、提高居民生活品质、改进城市公共管理的重要途径。为了更好的服务“智慧城市”，最迫切工作之一是研发更智能、更广泛应用于各类人群的新型人机互动方式。利用纸和笔来完成人机交互的UU-POINT技术就是一种新型人机互动方式。其通过打印或印刷在纸上的一种“点阵码”以及可以“读出”这种点阵码的识读笔来实现。UU-POINT技术具备以下特点：（1）简单易用；（2）不需要传统的键盘、鼠标、屏幕触控却可以实现其全部功能；（3）适合各种人群，特别是不习惯或不善于使用传统的键盘、鼠标、屏幕触控的人群。

本文中，首先研究归纳了三种常见的点阵码编码制式及其应用，包括半调网状点阵码、Anoto点阵码、以及 GridOnput点阵码；其次比较了点阵码与电子射频标签[2]（RFID）的差异；接下来提出了基于GridOnput点阵码的U-POINT技术的两个代表性应用实例，包括两部一市国家项目上海市虹口区“电子书包”，以及上海市陆家嘴“智慧城市”项目中的“优点”预约“优点”认证系统；最后是对点阵码应用前景的展望。

2 常见的各类点阵码

2.1点阵码概述

点阵码是指在一个点阵平面中，改变点的排列方式，定义其代表不同的信息（二进制的0和1），并依靠专用的扫描设备还原出点阵码中所隐含的信息的技术。点阵码的研究出现于20世纪60年代，可概括为两种制式，一种基于矩阵式编码，典型的编码模式有 QR（Quick Response）二维码、Datamatrix二维码[3]、Maxicode二维码[4]等；另一种基于位置式编码，典型的编码制式有半调网状（Halftone Dot-Mesh Pattern）点阵码、Anoto点阵码、OID（Optical ID）点阵码、GridOnput点阵码。本文主要讨论基于位置式编码。

经过发展，点阵码具备隐形性、恢复性强、不可复制、成本低等特点。点阵码的传统应用领域包括教育、医疗、防伪，如2005年美国FLY公司发布辅助青少年学习的识读笔（The FLY Pentop Computer）；瑞典阿诺托（ANOTO）公司将Anoto数码笔应用于医疗办公[5]、签名认证[6]、手写存储式记事本[7]等。如今，点阵码已经以人物界面的方式渗透到“智慧城市”服务中，让信息化技术惠及普通百姓。未来，点阵码可以通过贴膜方式实现最高性价比的触摸屏，甚至可以把所有屏幕简单地改造成触摸屏。

2.2半调网状（Halftone Dot-Mesh Pattern）点阵码

半调网状点阵码编码最早由日冲电气工业（OKI Electric Industry Co.）在1994年于日本申请专利。其编码思想来源于打印技术中，使用不同大小、形状、疏密程度的离散点生成肉眼观察到的连续色调图像。尽管半调网状点阵码编码简单且有种种不足，但这种用离散模拟连续的方法为今后点阵码的编码理论奠定了基础，基于此的改进编码制式还包括信息水印点阵码（Watermark Pattern）以及Single Dot点阵码[8]等。

半调网状点阵码技术可以将信息隐藏在文档的背景中，其方法是用 18 x 18个像素的半调网状图形（Halftone Dot-Mesh Pattern）经排列后打印在文档表面。其基本单元如图 1第一个单元所示，每个点等间隔排列，定义为未嵌入信息的点阵码单元；嵌入信息的编码通过改变基本单元中部分点阵的倾斜方向实现，图1第二个单元是嵌入信息0的半调网状点阵码，第三个单元是嵌入信息 1的半调网状点阵码。该技术显著的缺点在于点阵码中点与点间隔约为 0.75mm2，高密度排列的点阵使文档阅读效果变差，嵌入信息的隐形度也降低。其次，需要使用8个像素的特殊排列才能表示1位信息，信息量十分小。

图1　半调网状点阵码基本单元及信息嵌入单元

2.3Anoto点阵码

Anoto点阵码在半调网状点阵码编码制式的基础上加以改进，通过降低点阵码的密度使印有点阵码的数码纸不影响正常阅读的视觉感受，达到隐藏效果。其由瑞典阿诺托（ANOTO）公司在2003年提出包括数码纸、数码笔和Anoto软件平台的专利技术。此外，特殊的编码制式使 Anoto数码笔的解码速度大大提高。Anoto点阵码在语言学习、签名认证、医疗信息化、互动投影仪等领域得到应用并开启了一种新型人机互动方式。但 Anoto数码纸可复制性差、识别速度仍有明显的停顿感，制约了其应用场景。与 Anoto点阵码类似的还有松翰（SONIX）公司研发的OID（Optical ID）点阵码等。

Anoto点阵码的编码原理如图2所示，每个点阵单元大小为1.8mm x 1.8mm，两点之间平均距离为0.3mm。每个点根据网格线的交点位置有上、下、左、右四种不同方向，代表2位信息，共272种排列方式，即有47万亿亿种庞大的码量，以保证各类用途点阵码不重复使用。Anoto数码笔通过数字化的精确处理并存储信息完成识读过程，笔尖的摄像头以 100帧/每秒的速度捕获点阵码，每一帧图像都至少包括一个点阵单元，足够用于解析数码笔书写的位置，并通过蓝牙传输识别的信息。

图2　Anoto点阵码编码原理

2.4GridOnput点阵码

GridOnput点阵码编码制式首先由日本Gridmark公司提出，自2003年以来在海内外已取得了110项以上的专利。核心技术由点阵码编解码规则、识读笔及印刷方法构成。

GridOnput点阵码编码原理如图3所示，其点阵的排列具有周期性变化规律，图中给出了四个相邻的单位点阵。每个单位点阵的大小为2mm x 2mm，由网格点（Grid dots）将单位点阵分成16个小方格，每个小方格的中央是假想点（Virtual dots），其作为信息点（Information dot）的中心参考位置，使得处于不同方位的信息点具有了不同的信息。另外，每个单位点阵都有一个特殊的网格点，即定位点（Key dot），标志着点阵码的“起点”，有助于提高图像识别率和准确性。信息点相对于假想点可以有8种不同的位置，其代表了3位二进制数，即“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”8种数值。因此，GridOnput点阵码拥有48位信息量，即280万亿种不同的组合。

图3　GridOnput点阵码编码原理

G-Scanner是读取“隐形”GridOnput点阵码的专用读取装置，其内部结构和识码原理如图4所示。G-Scanner更像是一台用来识读点阵码的精密电子显微镜，头部内置的小型红外线摄像头与点阵码印刷技术配合是过滤出点阵码的核心。点阵码图层的打印或印刷使用可以吸收红外线的碳素墨水，因此摄像显示为黑色；而图文图层使用反射红外线的非碳素墨水打印或印刷，因此不被显示，这样点阵码与其他信息就能黑白分明地区别开。GridOnput点阵码识别算法抗噪能力很强，即使在纸张折叠、轻度磨损、放置不平整，或者点读笔倾斜、旋转等情况下，仍然能正确地识别。

图4　G-Scanner识别点阵码原理

表1对二维码、半调网状点阵码、Anoto点阵码、GridOnput点阵码四种编码制式的特性进行比较，可见GridOnput点阵码技术是目前较为完善的点阵码编码制式与点阵码系统，同时具备码量大、隐蔽性强、仿造难、识别速度和精度高等特点，是应用在新型人机互动方式上的一种可靠技术。

表1　二维码、半调网状点阵码、Anoto点阵码、GridOnput点阵码比较

3 点阵码与电子射频标签（RFID）技术的比较

射频识别（Radio Frequency Identification）又称电子射频标签，是一种非接触式自动识别技术，也是构成物联网的基础技术之一。RFID通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，且无须人工干预、操作快捷方便。

点阵码与电子射频标签是商品防伪溯源的两种典型方式，通过表 2的技术比较可以辨明两者在用途和特点上的差异。RFID利用无线电子原理附着在商品表面对其进行跟踪追溯。相较于点阵码，RFID具有实时、实地记录，非接触式检测，耐久性强的优势，但RFID高昂的成本是限制其广泛应用的重要原因。主动式RFID的价格在2美元以上，被动RFID的成本也在1美元以上，高成本的RFID只能用于一些本身价值较高的产品，对一些价位较低的商品则性价比太低。相对的，点阵码的成本就是纸张和油墨成本，在大批量生产的过程中，印刷点阵码的成本几乎可以忽略不计。

表2　点阵码与电子射频标签技术特性的比较

制作RFID的金属线，检测时发射的电子辐射都会对人体和环境造成严重影响，若是在对卫生安全要求较高的药品等领域进行溯源认证，使用RFID就无法令人完全安心。此外，RFID识别设备通常价格较高，人人拥有一台RFID识别器几乎不可能。而点阵码的识别设备“点读笔”价格约人民币100元左右，可以得到很高的普及率。

点阵码技术的优势在于结合传统印刷技术以及现代图像处理技术，可称之为高科技“数码”防伪，同时，点阵码又是亲民、低成本、无污染的绿色防伪溯源方法。点阵码不仅可以与RFID技术一样建立起物联网，在“智慧城市”中让信息化技术以低成本的方式惠及普通百姓，还构建起了如“一站式购物”、“一站式预约”等的“人物”交互界面，以及一系列新型人机互动应用。

4 点阵码的应用实例及展望

4.1虹口区“电子书包”

教育部、财政部联合上海市的国家项目“电子书包”首先在虹口区试点，“电子书包”即“点阵笔知识平面立体多维展开同步互动学习新模式”是基于 GridOnput点阵码的UU-POINT技术的应用之一，充分发挥了信息技术对多元教与学方式的支持，革命性改变了课堂的教学模式。学生可自由选择学习方案、按照个人进度选择学习层次，以信息化方式实现个性化自主学习和分层教育。

“电子书包”的系统框图如图 5所示，教师终端利用“Study Online备课软件”制作点阵笔模式的多媒体课件以及点阵笔模式的纸质教材，学生终端使用“Study Online用户端软件”通过点阵笔点触多媒体课件以及赋有点阵码的纸质教材进行信息化的学习，而所有教师的备课资料以及学生的学习资料都在“Study Online云平台”进行分配、使用和管理。

图5　“电子书包”系统框图

4.2陆家嘴“优点”预约“优点”认证系统

上海市浦东新区陆家嘴“优点”预约“优点”认证系统，以下简称“优点”系统，是基于GridOnput点阵码的UU-POINT技术的又一项人机互动应用，联手政府、商业，为陆家嘴街道建立智慧化社区模式。“优点”系统构建了基于点阵码及点阵笔的“四绿”物联网系统，使便利与智能的购物新方式触及到包括中老年人在内的更多群体，并创造了一种简便的食品溯源的机制，使人人参与食品安全监督成为可能。

图6　陆家嘴优点“认证”优点“预约”物流结构与系统结构

图 6左侧是“优点”系统从社区居民角度出发的物流结构，居民使用“优点”导购图册配合点阵笔通过家中电视进行简易操作就可订购商品。居民在收到商品快递的同时通过用点阵笔点触商品表面的标签，便可获得商品溯源信息。图6右侧是“优点”从设计端角度出发的系统结构，居民、配送者、商品的信息以及购物所产生的数据都在对应的数据库中管理，并与陆家嘴街道的数据平台相融合。

4.3点阵码的应用前景

点阵码结合屏幕触控的“透明贴膜”技术是另一种建立起人机交互界面的新型人机互动技术。相对于压控感应、多点触控感应等现有屏幕触控互动技术，基于点阵码的“透明贴膜”抛开了复杂的传感器系统，以及一系列硬件设备，将点阵码打印在贴膜表面，通过贴膜方式实现非常高性价比的触摸屏，甚至可以把所有的屏幕简单、灵活的改造成触摸屏。目前点阵码“透明贴膜”仍需进一步研究和改进，比如在识别速度、反应灵敏度等方面。

5 总结

点阵码是基于位置编码和图像处理的信息嵌入方式，近年来随着数据处理能力和网络通信传输能力的快速提高，以点阵码为基础技术的新型人机交互技术也越来越受到关注。

在各种点阵码中，GridOnput点阵码具备信息量大、隐蔽性、冗余度高等优势，是目前最成熟、应用领域最广的一种点阵码。基于GridOnput点阵码的UU-POINT技术作为一种新型人机互动技术，已逐步应用于“智慧城市”，典型的应用包括上海市虹口区“电子书包”和上海市浦东新区陆家嘴“优点”系统。两者从教育和居家养老的社会基本属性出发，用基于点阵码的新型人机互动界面引领人人都能平等的享受“智慧”生活的时代。未来，点阵码将为人与计算机、智能终端进行无障碍的互动带来更广阔的前景。

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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

李青瑶（1991－），女，上海人，同济大学电子与信息工程学院、超大规模集成电路研究所研究生，研究方向为图像、音频水印及编解码。