Älypainatus. Mikko Nuutinen. Mikko Nuutinen /

Transkriptio

1 Älypainatus Mikko Nuutinen Mikko Nuutinen /

2 Mitä älypainatus tarkoittaa? Mihin sillä pyritään? Älykkyyden lisäämistä tuotteeseen... Painopinnalla staattista, koneellisesti tulkittavaa lisäinformaatiota» esim. viivakoodit Painopinnalla dynaamista, visuaalisesti tai koneellisesti tulkittavaa informaatiota tai lisäinformaatiota» esim. painettavat näytöt, RFID-tagit... Painopinnalla perinteistä visuaalista painojälkeä monipuolisempia toiminnallisuuksia Valmistuskustannuksien leikkaamista... Painoprosesseilla tiettyjen elektroniikkakomponenttien valmistus edullisempaa kuin perinteisillä valmistusmenetelmillä Mikko Nuutinen /

3 Sisältö: 1. luento Painetut 1D- ja 2D-koodit Symbologiat Lukulaitteet Uudet mobiilisovellukset Vaihtoehtoisia valmistustapoja: moniväriset ja näkymättömät koodit Painettuun kuvaan lisätty/upotettu informaatio: pikselimodifiointi, rasterimodifointi Lisäinformaatiosta muodostuva painojälki Painettuun tekstidokumenttiin lisätty informaatio Mikko Nuutinen /

4 Sisältö: 2. luento Painettu elektroniikka eli painatusta käytetään valmistusmenetelmänä Elektroniikan ja optiikan komponentteja: RFID-tagit OLED-näytöt Transistorit Värisuotimet Tulevaisuudessa mahdollisuus tuottaa halpaa kertakäyttöelektroniikkaa Mikko Nuutinen /

5 Painetut 1D- ja 2D-koodit Koodit eli symbolit ovat optisesti luettavia tummien ja vaaleiden elementtien jonoja tai muodostelmia Perinteiset koodit ovat lineaarisia 1D-koodeja eli viivakoodeja tummat ja vaaleat elementit rinnakkain 2D-koodeja on kahta eri tyyppiä: pinotut koodit rakentuvat päällekkäisistä lineaarisista 1Dkoodeista matriisikoodit koostuvat tummien ja vaaleiden elementtien muodostelmista 1D-koodi 2D-koodit Lineaarinen koodi Pinottu koodi Matriisikoodi Mikko Nuutinen /

6 Painetut 1D- ja 2D-koodit Vaaleiden ja tummien elementtien yhdistelmille eli koodisanoille on määritelty tietty merkitys, joka on kirjain, numero tai jokin erikoismerkki Joissakin symboleissa on mahdollisuus myös binäärisen datan koodaamiseen Symbologia määrittelee yhdistelmien merkityksen sekä säännöt ja periaatteet, joiden perusteella symboli tulee valmistaa Lisäksi symbologiassa määritetään referenssinä toimiva dekoodaustapa Symbologioiden spesifikaatiot määritetään standardeissa Mikko Nuutinen /

7 Painetut 1D-koodit EAN koodi (European Article Numbering) Tuttu vähittäiskaupan tuotteista UPC (Unified Product Code) koodi on EAN-koodin amerikkalainen vastine ja JAN (Japanese Article Numbering) koodi on japanilainen vastine Kymmenen vaihtoehtoista koodisanaa, jotka merkitsevät numeerisia arvoja (0-9) Koodin alla numeerinen teksti, joka sisältää saman datan kuin koodikin Yksi koodisana rakentuu kahdesta viivasta ja kahdesta välistä (7 elementtiä) Kaksi alaryhmää: EAN-8 ja EAN-13 Mikko Nuutinen /

8 Painetut 1D-koodit EAN koodi (European Article Numbering) Rakenne poikkeaa muista koodeista sisällön standardoinnin vuoksi: Käyttöönotto edellyttää toimittajatunnuksen hakemista Suomessa koodirekisteriä ylläpitää EAN-Finland Oy Tällä hetkellä yhdeksän tai seitsemän numeroa pitkiä yritysnumeroita (maatunnus lasketaan mukaan) Tuotenumero kolme tai viisi numeroa pitkä riippuen yritysnumeron pituudesta Mikko Nuutinen /

9 Painetut 1D-koodit EAN koodi (European Article Numbering) Valmistus esimerkiksi vapaasti saatavilla olevalla koodausohjelmalla (tuotteen valmistaja) Tulkinta esimerkiksi kaupallisella, järjestelmään liitetyllä dekoodausohjelmalla (tuotteen jakelija/ jälleenmyyjä) Mikko Nuutinen /

10 Painetut 1D-koodit Koodi 39 (Code 39) Käyttö teollisuudessa 43 vaihtoehtoista koodisanaa, joilla pystytään esittämään alfanumeeriset merkit (luvut 0-9, kirjaimet A-Z sekä 7 erikoismerkkiä) Koodisana rakentuu viidestä viivasta ja neljästä välistä (9 elementtiä) Koodin kokonaispituus valitaan käyttökohteen mukaan» Koodin lukulaitteen tekniset ominaisuudet asettavat rajoituksia» Käytännössä maksimipituus merkkiä Mikko Nuutinen /

11 Painetut 2D-koodit Standardoidut 2D-koodit (ISO) Symbologia QR Code Data Matrix PDF417 Maxi Code Datakapasiteetti Numeerinen Alfanumeerinen Tavu Kanji Standardi ISO/IEC ISO/IEC ISO/IEC ISO/IEC Mikko Nuutinen /

12 Painetut 2D-koodit PDF-417 (Portable Data File -417) Rakentuu päällekkäin pinotuista 1D-koodeista ( pinottu koodi tai 2D-koodi) Maksimikoko: 34 saraketta ja 90 riviä Kaksi ensimmäistä ja kaksi viimeistä saraketta on varattu aloitus- ja lopetusmerkeille Koodisana muodostetaan neljästä viivasta ja neljästä välistä (17 elementtiä) Yhdellä koodisanalla 928 eri merkkivaihtoehtoa Virheenkorjaustason voi valita yhdeksästä vaihtoehdosta pdf417info.pdf Mikko Nuutinen /

13 Painetut 2D-koodit QR-koodi (Quick Response Code) Käytetyin 2D-koodi Japanissa Koko 21x21 177x177 solua (max tavua virheenkorjaus) Solu sisältää binääriarvon 0 tai 1 Standardissa määritetty suora koodaus ja tulkinta myös kanjimerkeille Tehokas virheenkorjaus mahdollistaa osittain tuhoutuneen koodin tulkinnan (kuten muissakin 2D-koodeissa) Mikko Nuutinen /

14 Painetut 2D-koodit QR-koodi (Quick Response Code) Rakenne: Solu (cell): koodin pienin elementti Etsintämalli (finding pattern): koodin sijainnin määritys painoalustalta Hiljainen alue (quiet zone): koodin ympärille jätettävä tyhjä alue Synkronointimalli (timing pattern): solujen keskipisteiden määritys Ryhmitysmalli (alignment pattern): kuvahäiriöiden korjaus Mikko Nuutinen /

15 Painetut 2D-koodit DataMatrix-koodi Euroopassa yleisesti käytetty 2D-koodi Standardi määrittää kaksi koodimallia: ECC ja ECC 200 Mallia ECC suositellaan ainoastaan suljettuihin järjestelmiin Voidaan koodata myös binääristä dataa Koko 10x10 144x144 solua (max tavua virheenkorjaus) rakenne: etsintämalli (finding pattern) solu (cell) hiljainen alue (quiet zone) data-alue (data region) Mikko Nuutinen /

16 Painetut 2D-koodit DataMatrix-koodi Koodisanat sijoitetaan symbolin data-alueelle standardin määrittelemällä tavalla Dataa sisältävät koodisanat data-alueen alkuun ja virheenkorjaukseen tarkoitetut koodisanat data-alueen loppuun Mikko Nuutinen /

17 Painettujen 1D- ja 2D-koodien lukulaitteita Kynälukijat 1D-koodien luentaan Kynän kärki emittoi valoa Koodin luenta tapahtuu perustuen takaisin heijastuneeseen valoon CCD-lukijat 1D- ja 2D-koodien luentaan Valonlähteenä toimii lukupäähän sijoitetut ledit Koodista saadaan digitaalinen kuva, jota käytetään koodin sisältämän tiedon selvittämiseksi CCD-lukijoita käytetään vähittäiskaupoissa ja toimistoissa Opas viivakoodien maailmaan, Viivakoodi Optiscan Oy Mikko Nuutinen /

18 Painettujen 1D- ja 2D-koodien lukulaitteita Laserlukijat Sisäinen laservalonlähde suurin ero verrattuna CCD-lukijaan Laserlukijan toiminta perustuu sen lähettämän laservalon takaisinheijastumiseen peilijärjestelmän läpi Käytetään teollisuudessa ja myymälöissä Pidempi toimiva lukuetäisyys sekä kestävämpi kuin CCD-lukijat Kiintolukijat Kiinteästi esimerkiksi liukuhihnojen varrelle asennettavia lukijoita Toimintaperiaate sama kuin kädessä pidettävissä laserlukijoissa Opas viivakoodien maailmaan, Viivakoodi Optiscan Oy Mikko Nuutinen /

19 Painettujen 1D- ja 2D-koodien lukulaitteita Kamerallinen mobiililaite (kännykkä, PDA) Mahdollistaa painetusta mediasta pääsyn sähköisen median aineistoihin Sovellusten avulla voidaan kasvattaa ja kehittää painetun median käyttötapoja ja samalla tukea ja edistää painetun median kilpailukykyä digitalisoituvassa maailmassa (PrintAccess v ) Mikko Nuutinen /

20 Kamerapuhelimella tulkittavien 2D-koodien sovellusten eräs toiminta-arkkitehtuuri Mikko Nuutinen /

21 Kamerapuhelimella tulkittavien 2Dkoodien sovelluksia Linkitys Internet-sisältöön painotuotteessa koodi, jonka lukeminen avaa www-sivun tai palvelun päätelaitteeseen. Lisätietopalvelut lehdessä koodi, jonka lukeminen tuo päätelaitteeseen päivittyneen informaation (kauppalehden esimerkki) Markkinointi & mainonta mainoksessa koodi joka luetaan ja lisätiedot tuotteesta, tilauspalvelu tai esimerkiksi näyte musiikkikappaleesta avataan päätelaitteeseen Tiedon keruu mielipidekyselyn tai äänestyksen yhteyteen lehdessä painetaan koodi, jonka lukemalla avataan puhelimeen äänestyssivu Tiedon tallennus lehden artikkelin yhteyteen painetaan koodi, jonka lukeminen lähettää artikkelin sähköisen version sähköpostiin tai se tallennetaan puhelimeen käyntikortissa painettu koodi, jonka lukeminen tallentaa yhteystiedot automaattisesti puhelimeen Kauppalehti Mikko Nuutinen /

22 Kamerapuhelimella tulkittavien 2Dkoodien sovelluksia Vastaavasti (tulevaisuudessa?) digi-tv-ympäristössä esim. tilauselokuvapalvelu Mikko Nuutinen /

23 Kamerapuhelimella tulkittavien 2Dkoodien sovelluksia DataMatrix QR-koodi URL 30 merkkiä URL 60 merkkiä ID viivakoodin info (12-num.) 64 bittiä Nokia 3650 (kokeellisesti tutkittu) pienin toimiva solukoko 200 µm esim. 9.6x9.6 mm ja 172 merkkiä tai 348 numeroa Mikko Nuutinen /

24 Moniväriset koodit Tutkittu Viestintätekniikan laboratoriossa Motivaatio: Mustavalkoisia koodeja voidaan pitää esteettisesti häiritsevinä (erityisesti kamerapuhelimien linkkisovelluksissa) Värien käytöllä saavutetaan suurempi bittitiheys (bittiä/cm^2) Mikko Nuutinen /

25 Moniväriset koodit Monivärinen koodi rakentuu useasta pinotusta osakoodista Tietty osakoodi emittoi käyttöympäristössä tiettyä aallonpituusaluetta Lukulaite detektoi osakoodikohtaisesti emittoituneen aallonpituusalueen intensiteettitason Kynnysarvon perusteella määritetään osakoodiin spatiaalisesti koodattu bittiarvo Mikko Nuutinen /

26 Moniväriset koodit Esimerkiksi lukulaitteena normaali digitaalikamera Tuotetussa monivärisessä koodissa kolme osakoodia: R-, G- ja B-osakoodit monivärinen RGB-koodi Digitaalikamera näytteistää sensorille tulevan valon kolmella kaistanpäästösuotimella (RGB-kuva) Tuotetun kuvan jokainen värikanava sisältää tiettyyn osakoodiin koodatun spatiaalisen informaation Valmistus (RGB) Tulostus/painatus (CMYK) Luku (RGB) R G B RGB R G B Mikko Nuutinen /

27 Moniväriset koodit Ideaalitapauksessa digitaalikameralla tuotetussa kuvassa R-, G- ja B-kanavien spatiaalinen intensiteettijakauma vastaisi alkuperäisen monivärisen koodin osakoodeja Tulostus-/paino- sekä lukuprosessi hävittävät kuitenkin väri-informaatiota Mikko Nuutinen /

28 Näkymättömät koodit Informaatiota sisältävä merkki, merkkiryhmä tai koodi, jota ihmissilmä ei pysty havaitsemaan Valmistusmenetelmiä: Infrapunavaloa heijastava muste, Fluoresoiva muste: muste absorboi valoa ja emittoi pitempiaallonpituista valoa, Fosforenssimuste: Muste absorboi valoa ja emittoi valoa vielä säteilylähteen vaikutuksen lakattua, Mikropainatus: pieniä merkkejä luetaan suurentavan laitteen avulla Digitaalinen vesileimaus: informaatio on piilotettu painettuun kuvaan tai tekstiin Mikko Nuutinen /

29 Fluoresoiva ja fosforoiva muste Ilmiöiden yhteinen termi on luminesenssi Molekyylin energiatasodiagrammi: S0 singlettiperustila, S1 ja S2 virittyneitä singlettitiloja, T1 virittynyt triplettitila Viritetyn tripletttilan elinaika 10^-4 x sekunttia Viritetyn singlettitilan elinaika 10^- 8 10^-5 s Fluoresenssi: singletti/singlettisiirtyminen Fosforenssi: singletti/triplettisiirtyminen Kuvan purkuvaiheet: fluoresenssi ja fosforenssi emittoi valoa, sisä- (vibrationaalinen relaksaatio) ja ulkosiirtymä (purku perustilaan) eivät emittoi valoa Aallonpituudet λ1 ja λ2 absorboituvat ja aallonpituudet λ3 ja λ4 emittoituvat Mikko Nuutinen /

30 Fluoresoiva muste Valmistaja voi painaa koodin tuotteessa haluamaansa kohtaan Kun koodin voi painaa informaation joukkoon, säästyy etikettitilaa (pienet tuotteet: cd-levyt, kosmetiikka, lääkevalmisteet) Esteettinen näkökulma (esim. postitusjärjestelmien konelajittelu) Autentikointikoodit (tuotteiden, valuutan ja henkilöllisyystodistusten väärentämisen vaikeuttaminen) Hyödyntämispotentiaali lähinnä suljetuissa järjestelmissä Mikko Nuutinen /

31 Fluoresoiva muste UV-fluoresoiva muste eri papereille painettuna. UV-lamppu, kamera Nokia 3650, paperilajit sanomalehti, MWC, SC, LWC, puhdas LWC ja mattapintainen päällystetty (vasemmalta oikealle ja ylhäältä alas) Mikko Nuutinen /

32 Painettuun kuvaan/tekstiin piilotettu informaatio Tietyn algoritmin perusteella modifioidaan painettavaksi tarkoitettua kuvaa tai tekstiä Vastaavasti painojäljestä otetusta kuvasta dekoodataan upotettu informaatio Sovellusalueita: Tekijänoikeuksien suojaus (vahva vesileimaus) Autentikointi (heikko vesileimaus) Lisätiedon upotus (vahva vesileimaus)» vastaavat sovellukset kuin painetuilla 2D-koodeilla Mikko Nuutinen /

33 Painettuun kuvaan/tekstiin piilotettu informaatio Suorituskyvyn määritys: Käytetyn menetelmän kestävyys: erityisesti D/A- (tulostus) ja A/D- (kuvaus) muunnoksille Piilotetun informaation havaittavuus/häiritsevyys Datakapasiteetti Säädettäviä parametreja: Upotusvahvuus Tulostuskoko Upotetun informaation toisto Käytetty virheenkorjauksen taso Mikko Nuutinen /

34 Painettuun kuvaan piilotettu informaatio: eräs toimintaprosessi Älykuva on usein käytetty termi lisäinformaatiota sisältävistä painetuista kuvista Mikko Nuutinen /

35 Painettuun kuvaan piilotettu informaatio: pikseliblokkimodifiointi Sävymenetelmä Fujitsun kehittämä lisätiedon linkitysmenetelmä (lukulaite kamerapuhelin) Kahden vierekkäisen pikseliblokin sinisen värikanavan intensiteettiarvoja modifioidaan upotettavan bittiarvon perusteella Sinisen värikanavan valinnan perusteena ihmisen näköjärjestelmän ominaisuudet vastaava upotettu bittimäärä lohkon koko 0.8 mm Moroo, J., Noda, T. Data Embedding Method on Printed Materials. Pacific Rim Workshop on Digital Steganography 2004 Mikko Nuutinen /

36 Painettuun kuvaan piilotettu informaatio: pikseliblokkimodifiointi Moroo, J., Noda, T. Data Embedding Method on Printed Materials. Pacific Rim Workshop on Digital Steganography 2004 Mikko Nuutinen /

37 Painettuun kuvaan piilotettu informaatio: pikseliblokkimodifiointi Kuviomenetelmä NTT DoComon kehittämä lisätiedon linkitysmenetelmä (lukulaite kamerapuhelin) Menetelmä lisää pikseliblokkiin viivakuvioita, joiden kallistuskulma riippuu upotettavasta bittiarvosta Dekoodaus suodattaa viivakuviot esiin kamerapuhelimella tuotetusta kuvasta Nakamura; T., Katayama, A., Yamamuro, M., SoneHara, N. Fast Watermarking Scheme for Camera-equipped Cellular Phone. Proceedings of the 3rd International Conference on Mobile and Ubiquitous Multimedia, 2004, Vol. 83. s Mikko Nuutinen /

38 Painettuun kuvaan piilotettu informaatio: pikseliblokkimodifiointi Nakamura; T., Katayama, A., Yamamuro, M., SoneHara, N. Fast Watermarking Scheme for Camera-equipped Cellular Phone. Proceedings of the 3rd International Conference on Mobile and Ubiquitous Multimedia, 2004, Vol. 83. s Mikko Nuutinen /

39 Painettuun kuvaan piilotettu informaatio: rasterimodifiointi Järjestetyn ditteroinnin rasterointimetodia käyttävä digitaalinen vesileimatekniikka Soveltuu tekijänoikeuksien todentamissovelluksiin Koodauksen esimerkki: 128 x 128 monokromaattinen kuva (a) bittijono (64 bittiä) järjestetään 8x8 matriisimuotoon (b) bittiarvolle 0 ja 1 ditterointisolut C0 ja C1, kynnystysarvot välillä (c) Bittiarvoa vastaava ditterointisolu valitaan tietylle sijainnille (d) rasterointiprosessissa vesileimattu kuva (e) ainoastaan rasteroitu kuva (f) Journal of Electronic Imaging 10(2001)3, s Mikko Nuutinen /

40 Painettuun kuvaan piilotettu informaatio: rasterimodifiointi Dekoodauksen esimerkki Painettu kuva skannataan Oletuksena, että vesileimamatriisin ja ditterointisolun koko on tiedossa Määritetään vesileimatriisin tietyn solun alueella käytetyn ditterointisolun malli: 8x8 alue rasteroidusta kuvasta (1a) alueen keskiarvoinen harmaasävy (1b) ditterointisolun C0 (1c) ja C1 (1d) rasterimalli harmaasävylle kuvan a rasterimalli lähempänä kuvan c rasterimallia bittiarvo 0 Suoritetaan sama operaatio vesileimamatriisin kaikille soluille (kuva 2) kuva 1 kuva 2 Journal of Electronic Imaging 10(2001)3, s Mikko Nuutinen /

41 Painettuun kuvaan piilotettu informaatio: Dataglyyfit Dataglyyfit (Xerox) Lisäinformaatiosta tuotetaan painettavan pinnan kokonaisuuteen kuuluva kuva tai kuvio Glyyfimerkin orientaatio määrittää bittiarvon (vastaavuutta NTT:n menetelmään) N bitin esittäminen vaatii glyyfimerkilta 2^n tilaa (yksi bitti vaatii kaksi tilaa) Luotettava tunnistus edellyttää, että tilat eroavat riittävästi toisistansa Mikko Nuutinen /

42 Painettuun tekstidokumenttiin piilotettu informaatio: koodaus Perusmenetelmät: Tekstirivien siirtokoodaus (line-shift coding) Modifioidaan tekstirivien välisiä etäisyyksiä (1) Sanojen siirtokoodaus (word-shift coding) Modifioidaan sanojen välisiä etäisyyksiä (2) Merkkikoodaus (character coding) Modifioidaan merkkejä tai niiden sijainteja toisiinsa nähden (3) Mikko Nuutinen /

43 Painettuun tekstidokumenttiin piilotettu informaatio: tulkinta Tekstidokumentista tuotetaan profiili horisontaalinen profiili esittää tekstirivien välisiä etäisyyksiä sekä sijainteja tekstidokumentissa (vasen kuva) vertikaalinen profiili esittää tietyn tekstirivin sanojen (ja merkkien) välisiä etäisyyksiä sekä sijainteja tekstirivillä (oikea kuva) Profiilien avulla määritetään modifioinnin suunta eli upotettu bittiarvo Mikko Nuutinen /

44 Painettuun tekstidokumenttiin piilotettu informaatio: sanojen siirtokoodaus Osion A sanojen välisten etäisyyksien kokonaispituus La Osion B sanojen välisten etäisyyksien kokonaispituus Lb Upotusvahvuus a määrittää modifioinnin vahvuuden Dekoodaus: Bittiarvo 1 : La Lb = a Bittiarvo 0 : La Lb =-a Kuvan alemmalle tekstiriville koodattu bittiarvo 1 Zou, D., Shi, Y.Q. Formatted Text Document Data Hiding Robust to Printing, Copying and Scanning. Circuits and Systems, 2005, ISCAS IEEE International Symbosium on May 2005, p Mikko Nuutinen /

45 Lisätietoa aiheesta Diplomitöitä: Juha Koivu: Painetun koodin lukeminen kamerapuhelimella (diplomityö 2004, Mikko Nuutinen: Näkymättömällä musteella tulostetun koodin lukutapahtumassa vaikuttavat tekijät (diplomityö 2004, Tuomas Hautala: Painettuun kuvaan upotetun linkin lukeminen kamerapuhelimella (diplomityö 2005, Joitakin artikkeleita/raportteja Printaccess, Graphic Arts in Finlad 34(2005)2. ( Linkki digitaaliseen sisältöön, Prosessori (Elektroniikan suunnittelu, erikoisjulkaisu), marraskuu 2005, s ( Mikko Nuutinen /