[Из песочницы] Идентификация материальных объектов с помощью оптического маркера
Для идентификации материальных объектов придумано немало различных методов. Их можно разделить на две основные группы:
- Методы, использующие свойство уникальности присущих объектам признаков, которые тем или иным образом поддаются регистрации/измерению и остаются неизменными в течение заданного промежутка времени в пределах допустимой погрешности.
К этой группе можно отнести методы биометрической идентификации, оптическую идентификацию, идентификацию по пространственным координатам, «утиный» тест и т.д. - Методы, основанные на маркировке объектов идентификационной информацией, которая наносится на поверхность объекта различными способами: в виде надписи и\или изображения, приклеивания этикетки с штрихкодом, привязывания бирки с номером и т.д., и последующей идентификация объектов с помощью этой информации.
Рассматриваемый в данной публикации новый метод идентификации объектов с помощью оптического маркера, по формальным признакам можно отнести ко второй группе, однако в нем также можно найти и признаки первой группы методов.
С чего все началось
Как ни странно, мысль о том, что обществу необходим еще один метод идентификации материальных объектов, возникла в процессе размышления над положениями российского закона 415-ФЗ, который внес любопытные изменения в Лесной Кодекс РФ.
Речь идет о Статье 50.2. «Маркировка древесины», а более конкретно о пункте 3, который выглядит так:
»Маркировка древесины, указанной в части 1 настоящей статьи, должна обеспечивать возможность нанесения и считывания сведений о маркируемой древесине с использованием технических средств».
Для большего понимания того, что следует из приведенной формулировки, необходимо сказать о том, что промышленно применимых технологий, позволяющих наносить и считывать «сведения о маркируемой древесине с использованием технических средств» не так уж и много.
Лично мне известны только две технологии, которые могли бы претендовать на использование согласно такой формулировке.
Первая технология основана на использовании специализированных пластиковых бирок с визуальной, алфавитно-цифровой информацией и штриховым кодом, которые прикрепляются к торцам кряжей древесины с помощью специального молотка.
Вторая технология основана на использовании специальных RFID-меток, выполненных в виде гвоздей, которые забиваются в торец бревна. Метки изготовлены из радиопрозрачного материала и снабжены RFID-транспондером, позволяющим хранить данные и осуществлять их беспроводную передачу.
Очевидно, что и в том и в другом случае стоимость внедрения и использования технологии маркировки подразумевает, мягко говоря, существенные материальные затраты, а если добавить ко всему этому различные нюансы, связанные с защитой от подделки, логистикой, учетом меток и т.д., то картина вырисовывается совсем не радужная, особенно, если учитывать объемы заготовки подлежащей маркировке древесины в РФ.
Варианты решения
В процессе размышлений и разговоров с коллегами на тему того, как же с учетом всего вышеизложенного в итоге будут реализовываться требования нового закона, в числе прочих обсуждался вариант идентификации бревен по тем же принципам, которые используются в дактилоскопии, ведь, по сути, рисунок годовых колец на торце каждого бревна уникален и даже визуально имеет сходство с рисунком отпечатка пальца.
Однако, в процессе изучения основ идентификации по отпечатку пальца выяснилось, что использовать эту технологию вряд ли возможно, т.к., во-первых, необходимым условием для считывания отпечатка является его постоянная ориентация относительно считывателя (палец прикладывается к считывателю только в одном положении), что в реальных условиях эксплуатации для торцов бревен практически невозможно обеспечить, а, во вторых, важной составляющей технологии является процедура формирования т.н. «свертки» (гугл), которая представляет собой набор относительных координат характерных пересечений папиллярных узоров кожи, а годовые кольца на торце бревна, увы, пересечений практически не имеют.
Далее, учитывая особенность чередования темных и светлых полос годовых колец, рассматривался вариант использования для идентификации обычного лазерного сканера штрихкодов.
Как известно, принцип его работы заключается как раз в определении ширины штрихов и пробелов (в нашем случае — это чередование годовых колец) с помощью регистрации оптическим сенсором отраженного света лазерного луча сканера (описание можно посмотреть тут).
Однако стало очевидно, что в итоге такой подход также требует постоянной ориентации торца относительно считывателя, что также очень трудно реализовать в реальных условиях.
Так получилось, что в этот момент по работе пришлось столкнуться с QR-кодами и посвятить некоторое время их более подробному изучению. В процессе изучения нашел на Хабре прекрасную статью на эту тему, в которой особенно бросился в глаза »Шаг 0», описывающий использование областей детектирования.
Изучение стандарта формирования QR-кода, о котором было упомянуто в конце статьи, привело к пониманию того, что именно за счет использования этих областей QR-код так быстро и эффективно определяется и считывается даже с помощью вполне бюджетного смартфона, такого как, например, мой выдавший виды смартфон Sony Walkman Live с камерой 5 МП.
Собственно, далее каким-то образом все изложенные факторы (уникальность рисунка годовых колец древесины, использование областей детектирования в QR-коде, принцип действия лазерного сканера линейных штриховых кодов) сложились в единое целое и в итоге оформились в новый метод идентификации, который может быть пригоден, в том числе и для идентификации древесины и лесоматериалов.
Описание нового метода
Суть метода
Суть метода заключается в использовании свойства уникальности рисунка или текстуры поверхности материального объекта и оригинального способа обработки изображения ее поверхности за счет нанесения на ее поверхность оптического маркера.
Например, для древесины в качестве участка поверхности для нанесения оптического маркера можно выбрать поверхность торца бревна или бруса, обычно представляющую собой ровный плоский срез или спил, на котором хорошо виден природный рисунок структуры древесины в виде годовых колец.
Оптический маркер — это три точки, являющиеся вершинами условного неравностороннего треугольника, один из углов которого равен 90°.
Маркер можно наносить на торец бревна с помощью специализированного молотка.
После удара на поверхности торца должны остаться три углубления одинаковой глубины и формы.
Опираясь на расположение точек маркера можно точно определить область поверхности, которая в дальнейшем будет использоваться для формирования набора идентификационных данных (см. заштрихованную область).
Формирование набора идентификационных данных (ИД)
Набор ИД формируется на основании перечня относительных координат пересечений линий годовых колец и линий векторов, проходящих через область поверхности, выделенную оптическим маркером.
Чтобы пояснить, что имеется ввиду, рассмотрим процедуру формирования набора ИД на примере.
Для примера мы будем использовать набор из шести векторов: 
Для каждого вектора определяются точки пересечения с рисунком годовых колец и их относительные координаты (общая длина вектора делится на сто равных частей) следующим образом:
В итоге, сформированный для нашего примера набор ИД выглядит следующим образом:
[7,15,35,60],
[10,38,90]
[10,19,31,50,90]
[3,9,19,40,50,90,97]
[3,10,25,45,62,90]
[10,35,50,60,72,80,88,95]
Полученный таким образом набор ИД сохраняется в базе данных и, в дальнейшем, используется при проведении процедуры идентификации.
Идентификация проводится путем сравнения идентифицируемого набора с другими наборами, хранящимися в БД.
Чтобы более гибко подходить к процессу поиска совпадения наборов и учитывать возможные помехи, например, при получении цифрового изображения поверхности, при проведении процедуры идентификации можно использовать комплексный критерий, который позволяет оценить степень совпадения полученного набора ИД с одним из наборов в базе данных.
Комплексный критерий, например, может быть следующим:
- общее количество точек пересечения, зафиксированное во всех массивах идентифицируемого набора, не должно отличаться от исходного более чем на две позиции;
- общее количество точек пересечения, зафиксированное в одном из массивов набора, не должно отличаться от количества точек пересечения в исходном наборе более чем на одну позицию;
- относительные координаты любой точки пересечения не должны отличаться от относительных координат аналогичной точки исходного набора ИД более чем на одну часть в обе стороны.
В случае соответствия наборов идентификационных данных по всем трем подкритериям можно заключить, что наборы совпадают до такой степени, что их можно считать идентичными.
Отметим также, что полученные наборы идентификационных данных имеют минимальный размер и четкую структуру, за счет чего можно обеспечить существенное ускорение поиска наборов ИД в базе данных.
Зачем все это нужно
Ключевой вопрос — зачем вообще может понадобиться еще один метод идентификации.
Ответ достаточно прост — рассматриваемый метод предполагает небольшие расходы, как на маркировку, так и на идентификацию промаркированных объектов., т.к. не требует использования расходных материалов, сложных технических приспособлений для маркировки и привлечения квалифицированного персонала.
Отдельно можно отметить, что данный метод достаточно универсален и вполне может применяться практически для любых материальных объектов. Достаточно на поверхность объекта нанести оптический маркер и зафиксировать относительные координаты пересечения набора векторов с визуально выделяющимися элементами его поверхности. Процедура идентификации при этом не будет существенно отличаться от процедуры, рассмотренной в рамках метода идентификации лесоматериалов.
