способ кодирования и декодирования данных

Формула изобретения

1. Способ кодирования и декодирования данных, в котором кодирование включает в себя нанесение на объект матричного кода люминесцентным красителем, а декодирование включает считывание информации при помощи оптоэлектронного устройства и дешифровку его по заранее созданному алгоритму, причем нанесение данных осуществляют, по меньшей мере, тремя разными люминесцентными красителями, существенно отличающимися друг от друга цветом, интенсивностью и временем жизни люминесценции, а декодирование информации включает засветку матричного кода источником света и фиксацию люминесцентного излучения оптоэлектронным устройством, фиксируют данные о пространственной конфигурации матричного кода, спектральной полосе, интенсивности и длительности люминесцентного свечения и передают их на дешифрующее устройство.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что засветку матричного кода осуществляют импульсным источником света.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что фиксацию люминесцентного излучения оптоэлектронным устройством осуществляют при отключенном источнике света.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что засветку матричного кода осуществляют постоянным излучением, модулированным по амплитуде.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что фиксацию люминесцентного излучения оптоэлектронным устройством осуществляют при включенном источнике света.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что засветку матричного кода осуществляют когерентным источником света.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что засветку матричного кода осуществляют светом с длиной волны меньше длины волны высвечивания составляющего люминофора.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что засветку матричного кода осуществляют светом с длиной волны больше длины волны высвечивания составляющего люминофора.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что засветку матричного кода осуществляют несколькими импульсами света, возбуждающими различные составляющие люминофора.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что засветку матричного кода осуществляют последовательным освещением каждого элемента отдельным импульсом излучения.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что фиксацию люминесцентного излучения осуществляют несколькими оптоэлектронными устройствами, численность которых равна числу люминесцентных красителей, при этом каждое из оптоэлектронных устройств оснащают узкополосным спектральным фильтром или спектрально-селективным элементом, так, чтобы оптоэлектронное устройство могло регистрировать свечение только одного люминофора.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что фиксацию люминесцентного излучения осуществляют многоканальным оптоэлектронным устройством с общим числом спектрально-чувствительных каналов, равным числу люминофоров.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что фиксацию люминесцентного излучения осуществляют оптоэлектронным устройством, регистрирующим отдельные люминофоры последовательно посредством пошагового изменения регистрирующей спектральной полосы устройства.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве оптоэлектронного устройства используют видеокамеру, оснащенную объективом со сменными спектральными фильтрами, причем частоту фиксации люминесцентного излучения и частоту смены спектральных фильтров синхронизируют таким образом, чтобы каждый кадр записывал изображение свечения одного люминофора.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что при фиксации люминесцентного излучения регистрируют два кадра в одинаковом спектральном диапазоне с различной задержкой по времени от момента возбуждающего импульса с последующим попарным вычитанием импульсов для получения изображения, свободного от внешней засветки.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что фиксацию времени свечения люминофора осуществляют с помощью последующей обработки двух кадров, полученных с различной задержкой по времени.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминесцентного красителя используют наноструктурированные люминофоры.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что наноструктурированные люминофоры представляют собой локальные или нелокальные центры окраски в нанокристаллах.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминесцентного красителя используют нанокомплексы на основе органических красителей.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминесцентного красителя используют квантовые точки.

21. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминесцентного красителя используют наноструктурированную композицию, содержащую легированные соли редкоземельных металлов и лантаноидов.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что люминесцентный краситель содержит NaYF₄, легированный 20% Yb³⁺ и 2% Er³⁺.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам кодирования и декодирования данных и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности для компактной записи большого количества информации, например на проездных документах малого размера, сопроводительных документах, товарных ярлыках, а также для маркировки промышленных изделий.

Известны способы кодирования и декодирования данных с целью распознавания объектов с помощью одномерного штрихкода, который получил широкое распространение в последние два-три десятка лет. Линейными (одномерными) называются штрихкоды, читаемые в одном направлении (по горизонтали). Наиболее распространенными являются следующие линейные символики: EAN, UPC, Code39, Code128, Codabar, Interleaved 2 of 5. Линейные штрихкоды позволяют кодировать небольшой объем информации (до 20-30 символов - обычно цифр) с помощью несложных штрихкодов, читаемых недорогими сканерами.

Следующим этапом развития этого метода явилось создание двумерного кода, который активно внедряется в настоящее время. Двумерными называются символики, разработанные для кодирования большого объема информации (до нескольких страниц текста). Двумерный код считывается при помощи специального сканера двухмерных кодов и позволяет быстро и безошибочно вводить большой объем информации. Расшифровка такого кода проводится в двух измерениях (по горизонтали и по вертикали).

Однако и двумерные черно-белые коды не удовлетворяют современным требованиям к объему кодированной информации. Введение цветности позволяет увеличить информативность матричного кодирования, возможность применения цветных кодов увеличилась с появлением камер типа CCD и CMOS, способных различать цвета. Например, в известном техническом решении /US 5426289, G06K 19/06, 1995/ предлагается использование обычных красителей в цветных штрихкодах, которые наносятся в виде столбцов и группируются определенным образом, что дает возможность увеличения объема кодируемой информации в несколько раз.

В патенте /US 5992748, G06K 19/06, 1999/ предлагается применение обычных красителей в цветных специальных двумерных кодах, что дает возможность увеличения объема кодируемой информации в несколько раз.

Обоим указанным способам присуща недостаточная надежность, связанная с проблемой считывания сканером таких матричных кодов, поскольку степень освещенности объекта, а также наличие оттенков цветов применяемых красителей создают проблемы в сканировании.

Поэтому разработчики способов кодирования и декодирования информации обратили свое внимание на люминесцентные красители, которые решали проблему надежности, но требовали нестандартных технических решений при изготовлении оптоэлектронного устройства для считывания информации. Так в патенте /US 5576528, G06K 19/06, 1996/ способ кодирования информации в штрихкоде с помощью нанесения трех видов цветных чернил «разных цветов» в каждый штрих». Далее, с помощью системы фильтров и трех фотокамер происходит разделение этих «цветов» на составляющие с последующим декодированием штрихкода. Использование флюоресцентного освещения позволяет увеличить надежность считывания штрихкода, а также позволяет уменьшить размеры традиционных штрихкодов в три раза. Однако этот способ кодирования-декодирования по прежнему не удовлетворяет современным требованиям к объему кодированной информации.

Задачей настоящего изобретения является создание способа кодирования и декодирования данных лишенного указанных недостатков. Техническим результатом заявляемого способа является повышение надежности и увеличение объема кодированных данных. Надежное считывание позволит реализовать создание дистанционного ридера, что особенно привлекательно для применений в логистике. Многокомпонентный спектральный почерк люминесцентных материалов позволит также осуществлять надежную проверку подлинности кодированных документов и объектов.

Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается способ кодирования и декодирования данных, в котором кодирование включает в себя нанесение на объект матричного кода люминесцентным красителем, а декодирование включает считывание информации при помощи оптоэлектронного устройства и дешифровку его по заранее созданному алгоритму. Причем нанесение данных осуществляют, по меньшей мере, тремя разными люминесцентными красителями, существенно отличающимися друг от друга цветом, интенсивностью и временем жизни люминесценции, а декодирование информации включает засветку матричного кода источником света и фиксацию люминесцентного излучения оптоэлектронным устройством. Фиксируют данные о пространственной конфигурации матричного кода, спектральной полосе, интенсивности и длительности люминесцентного свечения и передают их на дешифрующее устройство.

Дополнительно предлагается засветку матричного кода осуществлять импульсным источником света.

Дополнительно предлагается фиксацию люминесцентного излучения оптоэлектронным устройством осуществлять при отключенном источнике света.

Дополнительно предлагается засветку матричного кода осуществлять постоянным излучением, модулированным по амплитуде, а фиксацию люминесцентного излучения оптоэлектронным устройством осуществлять при включенном источнике света.

Дополнительно предлагается засветку матричного кода осуществлять когерентным источником света.

Дополнительно предлагается засветку матричного кода осуществлять светом с длиной волны либо меньше, либо больше длины волны высвечивания составляющего люминофора.

Дополнительно предлагается засветку матричного кода осуществлять несколькими импульсами света, возбуждающими различные составляющие люминофоры.

Дополнительно предлагается засветку матричного кода осуществлять последовательным освещением каждого элемента отдельным импульсом излучения.

Дополнительно предлагается фиксацию люминесцентного излучения осуществлять несколькими оптоэлектронными устройствами, численность которых равна числу люминесцентных красителей, при этом каждое из оптоэлектронных устройств оснащать узкополосным спектральным фильтром или спектрально-селективным элементом, так, чтобы оптоэлектронное устройство могло регистрировать свечение только одного люминофора.

Дополнительно предлагается фиксацию люминесцентного излучения осуществлять многоканальным оптоэлектронным устройством с общим числом спектрально-чувствительных каналов, равных числу люминофоров.

Дополнительно предлагается фиксацию люминесцентного излучения осуществлять оптоэлектронным устройством, регистрирующим отдельные люминофоры последовательно посредством пошагового изменения регистрирующей спектральной полосы устройства. При этом в качестве оптоэлектронного устройства возможно использование видеокамеры, оснащенной объективом со сменными спектральными фильтрами, причем частоту фиксации люминесцентного излучения и частоту смены спектральных фильтров синхронизируют таким образом, чтобы каждый кадр записывал изображение свечения одного люминофора.

Дополнительно предлагается при фиксации люминесцентного излучения регистрировать два кадра в одинаковом спектральном диапазоне, с различной задержкой по времени от момента возбуждающего импульса с последующим попарным вычитанием импульсов для получения изображения, свободного от внешней засветки.

Дополнительно предлагается фиксацию времени свечения люминофора осуществлять с помощью последующей обработки двух кадров, полученных с различной задержкой по времени.

Дополнительно предлагается в качестве люминесцентного красителя использовать наноструктурированные люминофоры, которые могут представлять собой локальные или нелокальные центры окраски в нанокристаллах.

Дополнительно предлагается в качестве люминесцентного красителя использовать нанокомплексы на основе органических красителей.

Дополнительно предлагается в качестве люминесцентного красителя использовать квантовые точки.

Дополнительно предлагается в качестве люминесцентного красителя использовать наноструктурированную композицию, содержащую легированные соли редкоземельных металлов и лантаноидов, например, содержащие NaYF₄, легированный 20% Yb³⁺ и 2% Er³⁺.

Применение нескольких люминесцентных красителей для нанесения матричного кода с последующей фиксацией данных о пространственной конфигурации матричного кода, спектральной полосе, интенсивности и длительности люминесцентного свечения при декодировании позволяет повысить объем кодированной информации на одно измерение - по относительной интенсивности сигнала люминофора, например, максимальный, средний и минимальный сигналы. Засветка внешними источниками излучения может быть существенно подавлена за счет использования узкополосных светофильтров, что труднодостижимо в случае с широкополосными пигментами. А стало быть, резко увеличивается иммунитет люминесцентного матричного кода (ЛМК) к внешней засветке, что позволяет существенно повысить надежность способа.

На чертеже представлен один из вариантов аппаратурного оформления заявляемого способа, где 1 - объект с нанесенным на него ЛМК, 2 - лазерный источник света, 3 - коллимирующий модуль, 4 - объектив, 5 - светофильтр, 6 - видеокамера, 7 - ридер, 8 - компьютер. Способ осуществляют следующим образом. Лазерным источником света 2, коллимированным модулем 3, облучают ЛМК 1 и возбуждают сигнал флуоресценции кода, который собирается объективом 4 и регистрируется видеокамерой 6. Видеокамера 6 преобразует световой сигнал в электронный, позволяющий оцифровывать, обрабатывать и архивировать информацию в компьютерных кодах, уникально соответствующих данному ЛМК. Обработка сигнала ридером 7 и компьютером 8 аналогична алгоритму системы 2D код, позволяя использовать традиционные декодеры и коммуникационные компьютерные протоколы. Принципиальная разница заключается в том, что флуоресцентная/люминесцентная природа светосигналов позволяет их эффективную фильтрацию узкополосными спектральными фильтрами 5, приводящую к значительному подавлению фона.

Примеры реализации способа.

Пример 1. Код наносился трафаретным способом в три слоя на пластиковую карту из поливинилхлорида. Слой представлял собой люминесцентный порошок, подмешанный в лаке. Были использованы три типа люминофоров, возбуждаемых инфракрасным лазером на длине волны 980 нм [т.н. анти-Стоксовые люминофоры): ФЛС-ИК (La₂O₂.TmYb с длительностью свечения 1,5·10^-4 сек), ФЛЗ-ИК (La₂O₂ S.ErYb с длительностью свечения 4,2·10^-4 сек) и ФЛК-ИК-ЗМ (YOCl(F).YbEr с длительностью свечения 3,5·10 ^-4 сек), высвечивающихся, соответственно, в синем, зеленом и красном спектральных диапазонах. Номенклатура люминесцентных материалов приведена в соответствии с номенклатурой продукции предприятия «Люминофор Платан». Полученный лак наносился послойно в виде 2D-кода размером 1×1 см, содержащего текстовую информацию, закодированную в поле из 14×14 элементов. Для регистрации изображения люминесцентного 2D-кода использовалась цветная USB видеокамера (производитель Bayer, размер 1/2", 1280×960 пикселей, развертка 15 кадров в секунду). Камера производила запись изображения синхронно с импульсом лазера 980 нм, возбуждающего код. Изображение захватывалось и обрабатывалось с использованием программы LabVIEW (National Instruments, ver.9). Цвета композитного изображения разделялись данной программой и декодировались, так что на выходе появлялись три текста, изначально закодированные. Таким образом, с использованием описанной системы была продемонстрирована запись с 3-разовым уплотнением информации, за счет 3-слойной записи 3-мя люминофорами.

Пример 2. На глянцевую бумагу было нанесено три люминесцентных слоя ФЛК-1М (на основе оксисульфидов иттрия-европия с длительностью свечения 10^-3 сек) ФЛС-ИК, ФЛЗ-ИК, сконфигурированных, как 20-коды с закодированной текстовой информацией. Два слоя возбуждались и считывались двумя последовательными световыми импульсами: первый слой ФЛК-1М возбуждался ультрафиолетовым светодиодом [Nichia, NCSU033A, мощность 250 мВт) на длине волны 365 нм с шириной спектра излучения 10 нм, и высвечивался в красной полосе спектра с центром 650 нм; два вторые слоя ФЛС-ИК, ФЛЗ-ИК возбуждались инфракрасным лазером на длине волны 980 нм и считывались цветной видеокамерой, при этом два цвета разделялись на компьютере, и декодировались. Все три люминесцентных слоя люминесцировали в видимой спектральной области, а раздельное световое возбуждение/регистрация позволило успешно декодировать все три кода. Таким образом, была реализована запись информации с трехкратным уплотнением, которая декодировалась с помощью спектрально различных возбуждающих светоимпульсов.