Моделирование трансформации штриховых кодов, напечатанных на интервальных полимерных пленках

Материаловедение

Моделирование трансформации штриховых кодов, напечатанных на интервальных полимерных пленках

И.Н. Ермакова1,

студентка группы ДТмат-4

В настоящее время перед производителями практически всех видов оригинальной продукции стоит острая проблема защиты своих товаров от подделки, а так как большинство существующих и разрабатываемых методов защиты ненадолго остаются надежными, то им приходится искать новые и новые способы борьбы с фальсификаторами [1].

Распространенным заблуждением является поиск какой-либо одной, «спасительной», формы защиты от подделок. Как показывает практика, успех предопределяется правильным комбинированием нескольких различных по технологии способов защиты [2].

Современная практика применения защитных технологий условно выделяет три основные формы защиты: объявленные, сертифицированные и скрытые. Каждая из этих трех основных групп защитных технологий предназначена и фактически работает на определенный уровень контроля потребителя, производителя и соответствующих государственных структур. Объявленные и скрытые формы защиты могут быть активными и пассивными. Данное исследование основано на использовании активной информационной защиты этикеток с помощью одновременного применения графического изменения двумерных штриховых кодов в должной подготовке и уникальных деформационных свойств новых полимерных пленок, известных как интервальные термоусадочные.

1 Статья написана в соавторстве с М.А. Дрыгой, А.П. Кондратовым.

Под информационной защитой понимается нанесение на защищаемый объект некоторой информации, позволяющей аутентично сопоставить ее либо с открыто объявленными характеристиками объекта товарооборота (его названием, уникальным номером, включающим индекс и серию конкретной товарной партии, данными сертификата соответствия, ИНН поставщика, любая иная необходимая информация, нанесенная на него при производстве), либо с данными сопроводительных документов на товарную партию. Информация может содержать любые переменные данные, которые наносятся в соответствии с заданным алгоритмом. Основная идея этого вида защиты -дать возможность любому субъекту при проверке подлинности увидеть невооруженным глазом или считать сканером данные, содержащиеся в специальной информационной этикетке к товару.

Для защиты печатной информации на этикетке от фальсификации методами оперативной полиграфии предложено использовать [2-6] запечатываемые материалы с особыми механическими свойствами и целенаправленно искажать часть контрольного информационного знака на этикетке [6]. Искаженное изображение информационного знака на упаковке или этикетке с оригинальным товаром восстанавливает свой нормальный вид при проверке подлинности, процедура которой напечатана на ней или содержится в сопроводительной документации.

Например, искажение части линейного штрихового кода может осуществляться путем уменьшения или увеличения ширины штрихов или пробелов на некоторую величину, что приводит к нарушению модуля кода и утраты его способности нести информацию, доступную для считывания сканером [4, 6]. При термообработке или регламентированной вытяжке этикетки, содержащей искаженный линейный ШК его размеры или пропорции достигают нормальных величин и ШК распознается сканером.

Современное состояние вопроса

Ранее методом графического моделирования проводилось исследование устойчивости линейных штриховых кодов к деформациям различного вида [4].

Эксперимент заключался в частичном искажении (сжатии) самого широкого пробела в линейном коде. Пробел искажался в верхней половине линейного кода (рис. 1). По результатам графического эксперимента строили график зависимости вероятности считывания штрихового кода сканирующим устройством (рис. 2).

Многократное повторение графического эксперимента позволяет с большой вероятностью утверждать, что штриховой код сохраняет устойчивость считывания информации при условии сохранения 65-70% ширины штрихов или пробелов.

4

1

4 600395 018688

2

4 600395И01 8688

3

4 600395 018688

4

Рис. 1. Графическая деформация одного пробела штрихового кода системы ЕАЫ 13: /— штриховой код без искажения. Уменьшение ширины на 30%

Рис. 2. График вероятности считывания сканером штрихового кода с одним деформированным элементом: 1— сжатие темной полосы

4600395018688

Другими словами, чтобы ликвидировать или скрыть информацию, содержащуюся в штриховом коде, следует уменьшить ширину полос (штрихов и/или пробелов) на 30-35%.

Цель настоящего исследования и доклада на конференции -оценить и сравнить возможности использования различных двумерных ШК для защиты печатной информации и упаковки товаров от подделки копированием путем печати двумерного штрихового кода на интервальных и градиентных пленочных полимерных материалах [6].

Для установления допустимой величины искажения отпечатков двумерных штриховых кодов в разных направлениях проводили эксперимент методом графического моделирования.

Объекты исследования

Исследовались два вида двумерных кодов: DM (Data Matrix) и QR-code (Quick Response).

DataMatrix - двухмерный матричный штриховой код, представляющий собой черно-белые элементы или элементы нескольких различных степеней яркости, обычно в форме квадрата, размещенные в прямоугольной или чаще в квадратной группе. Матричный штрихкод предназначен для кодирования латинских и кириллических символов, знаков и арабских цифр. Каждый код DataMatrix содержит две сплошные перпендикулярные линии, напоминающие букву L, для ориентации считывающего устройства, две другие границы кода состоят из перемежающихся черных и белых точек и служат для указания размеров модуля кода считывающему устройству.

Рис. 3. Схема строения кода Data Matrix: 1 — линии калибровки размера кода; 2 — блок данных; 3 — линии ориентации считывающего устройства [10]

QR-код - матричный код (двумерный штриховой код), разработанный японской компанией «Denso-Wave» в 1994 году [7]. Аббревиатура QR производна от англ. quick response, что переводится как «быстрый отклик». Основное достоинство QR-кода - это легкое распознавание сканирующим оборудованием (в том числе и фотокамерой мобильного телефона), что обусловило его широкое использование в торговле, производстве, логистике.

QR-код состоит из квадратных модулей, которые логически объединены в массив. Код должен содержать регион кодирования (та часть отпечатка, в которую записывается информация), функциональные шаблоны, именованный указатель, сепаратор, временные шаблоны, выравнивающие шаблоны (рис. 4). Функциональные шаблоны не участвуют в кодировании информации. Символ должен быть окружен со всех сторон отступом, который называется «тихая зона». Шаблон -это часть кода, которая всегда присутствует в каждом отпечатке в неизменном виде. В зависимости от используемой версии и типа кода, количество шаблонов может изменяться.

— 1

— 2

—-3

^ 4

— 5

\

\

- -v7

— 8

Рис. 4. Схема построения СЗК-кода: 1 — тихая зона; 2 — шаблон поиска;

3 — сепаратор; 4 — временные шаблоны; 5 — выравнивающие шаблоны;

6 — информация о формате; 7 — информация о версии; 8 — информация

и кодовые слова для исправления ошибок

• Шаблоны поиска специально отделены сепаратором, чтобы не было наложения другой информации и шаблон четко идентифицировался.

• Временные шаблоны, горизонтальные и вертикальные соответственно состоят из одного модуля шириной в строку или в столбец в виде череды черно-белых модулей, причем шаблон начинается и заканчивается с черного модуля.

1:1: 3:1:1

С

Рис. 5. А — 3 модуля, В — 5 модулей, С — 7 модулей

Временной шаблон позволяет определить плотность символов в конкретном коде и используемую версию. Горизонтальный временный шаблон проходит между сепараторами верхних шаблонов поиска по 6 строке, а вертикальный между сепараторами по левой стороне по 6-му столбцу.

• Выравнивающие шаблоны представлены в версии QR кода 2 и выше. Представлены в виде концентрических, чередующихся по цвету, квадратов. Размером 5 х 5 модулей, 3 х 3 модуля. Должны располагаться симметрично по обе стороны от диагонали, проходящей через верхний левый угол к правому нижнему, равномерно между вертикальным временным шаблоном и противоположной стороной. В дополнении к документации приводится рекомендуемое расположение данных частей и количество в зависимости от версии.

• Регион кодирования, содержит зашифрованную информацию и кодовые слова для ее восстановления

• «Тихая зона» отделяет код от каких-либо обозначений с 4-х сторон, представляет собой белую сплошную полосу [8].

Максимальное количество символов, которые помещаются в один QR-код:

• цифры - 7089 байт;

• цифры и буквы (включая кириллицу) - 4296 байт;

• двоичный код - 2953 байт;

• иероглифы - 1817 байт.

Экспериментальная часть

Исследование деформационной устойчивости двумерных штриховых кодов

Прежде всего, решено было проверить устойчивость двумерных штриховых кодов к повреждениям - удалению части элемен-

1

2

Рис. 6. Удаление части элементов в коде Data Matrix:

1— удаление вертикальной полосы;

2— удаление части региона кодирования

тов кода, как имитации потертостей при эксплуатации продукции или непропечатки. Эксперименты проводились методом графического моделирования с последующей проверкой на экране ПК и на отпечатке кода.

Оказалось, что оба исследуемых кода восстанавливают до 30-35% информации, зашифрованной в них, то есть код считывается при удалении части кода составляющей 30-35% от общей площади. При удалении шаблонов или части элементов на шаблонах (которые присутствуют на каждом коде и несут функциональную информацию о размерах и плотности зашифрованных данных) коды перестают считываться.

Это свойство двумерных штриховых кодов делает их достаточно устойчивыми к повреждениям такого типа, что в практике печати на упаковке успешно используется в целях рекламы для улучшения дизайна упакованного товара различных брендов (рис. 7).

QR-коды чаще используются в декоративных целях, чем коды Data Matrix, поскольку за счет вида угловых шаблонов поиска имеют более интересное строение. Коды Data Matrix, как правило, размещают чаще в незаметных местах — внутри системного блока компьютера на его составных частях и микросхемах, и используются вместо цифр при инвентаризации на предприятиях для ускорения этого процесса.

Рис. 7. Пример QR-кодов с логотипами

Исследование чувствительности кодов обоих видов к деформациям сжатия также проводилось методом графического моделирования. Деформировали коды в поперечном и продольном направлениях и относительно двух шаблонов считывания в QR-коде, относительно линий калибровки и ориентации в коде Data Matrix.

Изображение кода сжимали в одном направлении с сохранением его размеров в перпендикулярном направлении на 10-90% с шагом 10%. Использовали программу Adobe Photoshop. Считывание производили двумя программами сканирования штрих-кодов, установленных на смартфоне HTC: IxMAT Scanner © ixellence GmbH и Barcode Scanner © Google. В процедуре идентификации штрихового кода по изображению на мониторе или по отпечатку при помощи программ считывания имеется только два результата - код распознается устройством и не распознается устройством, что в таблицах и на графиках обозначается в двоичном формате как 1и 0 соответственно.

Код Data Matrix

4

5

Рис. 8. 1 — DM-код в исходном виде; 2 — DM-код, сжатый в поперечном направлении; 3 — DM-код, сжатый в продольном направлении; 4 — DM-код, сжатый по диагонали с уменьшением угла между линиями ориентации считывания; 5— DM-код, сжатый по диагонали с увеличением угла между линиями ориентации считывания

3

2

1

% 10 20 30 40 50 60 70 80 90

По ширине 1 1 1 1 1 1 1 1 0

По высоте 1 1 1 1 0 0 0 0 0

Сжатие с уменьшением угла между линиями ориентации 1 1 1 1 1 1 1 0 0

Сжатие с увеличением угла между линиями ориентации 1 1 1 1 0 0 0 0 0

Data Matrix

4 -

10

20

30

- 2

3 -

40 50 Сжатие, %

60

- 1

90

100

Рис. 9. Диаграмма вероятности считывания искаженного отпечатка DM-кода сканирующим устройством: 1— сжатие по ширине; 2— сжатие по высоте; 3— сжатие с уменьшением угла между линиями ориентации; 4 — сжатие с увеличением угла между линиями ориентации

QR-код

Рис. 10. 0 — QR-код в исходном виде; 1— QR-код, сжатый в поперечном направлении; 2— QR-код, сжатый в продольном направлении;

3— QR-код, сжатый по диагонали с отдалением шаблонов поиска;

4— QR-код, сжатый по диагонали с приближением шаблонов поиска

% 10 20 30 40 50 60 70 80 90

По ширине 1 1 1 0 0 0 0 0 0

По высоте 1 1 1 0 0 0 0 0 0

Сближение шаблонов поиска 1 1 1 1 0 0 0 0 0

Отдаление шаблонов поиска 1 1 1 1 1 1 1 0 0

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Сжатие, %

Рис. 11. Диаграмма вероятности считывания искаженного отпечатка QR-кода сканирующим устройством: 1 — сжатие по ширине; 2 — сжатие по высоте; 3 — сближение шаблонов поиска; 4 — отдаление шаблонов поиска

В результате сканирования изображений на мониторе ПК и отпечатков кодов на бумаге установлено, что Data Matrix наиболее устойчив к сжатию по ширине (выдерживают изменение до 80%) и при уменьшении шаблона поиска — опорного угла (выдерживают изменение до 70%). В двух других направлениях они проявляют вдвое меньшую устойчивость к искажениям: выдерживают до 40% искажения без потери считываемости.

QR-коды показали существенно меньшую, чем Data Matrix устойчивость к сжатию по ширине и высоте (до 30% искажения). Штриховые коды такого типа наиболее устойчивы к деформации при сближении шаблонов поиска (до 70%).

Вторая часть модельного эксперимента заключалась в сжатии верхней половины двумерного кода без изменения размеров нижней части во взаимно перпендикулярных направлениях.

% 10 11 12 13 14 15 20

DataMatrix 1 1 0 0 0 0 0

QR-code 1 1 1 1 0 0 0

Сжатие, %

Рис. 12. Диаграмма вероятности считывания искаженного отпечатка QR-кода сканирующим устройством: 1 — код Data Matrix; 2 — QR-код

Было решено проверить устойчивость кодов разного размера к частичной их деформации. Сжимали половину, треть и четверть кода (рис. 13). Сжатие полосы в центре кода по горизонтали или вертикали, боковых вертикальных и горизонтальных полос дает одни и те же результаты считывания при исследовании чувствительности к деформации сжатия. То есть расположение сжатой части кода не влияет на считываемость.

% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1\2 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

1\3 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

1\4 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0

Сжатие, %

Рис. 13. Диаграмма вероятности считывания искаженного отпечатка QR-кода сканирующим устройством: 1 — сжатие четверти QR-кода; 2 — сжатие трети QR-кода; 3 — сжатие четверти QR-кода

Габариты любого двумерного кода, при одинаковом размере модуля кода, зависят от количества закодированных символов, так же изменяется количество выравнивающих шаблонов на нем (рис. 14).

Выравнивающий шаблон

; 2 з

Рис. 14. QR-кодыí содержащие разное количество закодированных символов,

1 — «Государственное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати»

Место нахождения: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А Банковские реквизиты: ИНН: 7713059521 КПП: 771301001 л/сч: 03731А35580 в УФК по г. Москве

р/сч:40503810600001009079 Банк: Отделение 1 Московского ГТУ Банка России, г. Москва 705 БИК: 044583001 Ректор К.В. АНТИПОВ Телефон приемной 8-499-976-14-70

2 — «Государственное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Фёдорова»

3 — МГУПечати

В ходе этого эксперимента установлено, что размер изменяемого кода заметно влияет на считываемость этого кода сканирующим устройством. Чем больше символов зашифровано в нем, тем чувствительнее он к деформациям такого рода. Способность устройства воспринимать код во многом зависит от его размеров, так как разрешение камеры смартфона, используемого как сканирующее устройство, не рассчитано на слишком мелкие элементы кода.

Также было выявлено, что чем большая часть кода сжата, тем меньше вероятность считывания этого кода сканирующим устройством. Искажения такого вида могут быть рекомендованы для использования в технике печати защитных этикеток на интервальных или градиентных термоусадочных материалах, а также на ГП пленке в жестко-эластичном состоянии.

Целью настоящей работы является моделирование деформации двумерных кодов, для использования в новой технике защиты от подделок товаров повседневного спроса путем печати этикеток на полимерных пленках с особыми механическими, оптическими и ТУ свойствами. Интервальные полимерные материалы - это пленки термопластичных материалов, в которых сформированы зоны с тепловой усадкой, отличной от усадки остального материала. Это превышение или снижение усадочных свойств должно обеспечивать локальное изменение размеров (ширины) штриха.

Библиографический список

1. Питер Дайслер. Этикетки против пиратов, подделывающих товары известных производителей, Print process, Издание Heidelberg, Русская версия / Дайслер Питер. - 2000. - № 4. - С. 5-9.

2. КондратовА.П, БаблюкЕ.Б. Способ защиты полиграфической продукции от фальсификации, Патент РФ на изобретение по заявке № 2010108169, от 04.03.2010 г.

3. КондратовА.П., БаблюкЕ.Б., Ерофеева А.В., Шулина Т.М. Пленочная упаковка, защищенная от подделки, Патент РФ на полезную модель по заявке № 2010108059, от 04.03.2010 г.

4. БаблюкЕ.Б., КондратовА.П. Многослойная защитная этикетка с планарным концентратором напряжения, Патент РФ на полезную модель по заявке № 2010120834, от 25.05.2010 г.

5. КондратовА.П., Бенда А.Ф. и др. Патент РФ на полезную модель 97843, МПК G09F3/00 // Информационно-защитная этикетка -опублик. 20.09.2010.

6. КондратовА.П. Градиентные и интервальные термоуса-живающиеся материалы для защиты полиграфической продукции от фальсификации // Известия ВУЗов. Проблемы полиграфии и издательского дела. - 2010. - № 4. - С. 57.

7. http://ru.wikipedia.org/wiki/QR-%D0%BA%D0%BE%D0%B4

8. http://habrahabr.ru/blogs/personal/63965/

9. http://www.innovbusiness.ru/content/document_r 6B6FB86D-1923-4D18-BEB0-80156BF970B2.html

10. http://grabberz.com/showthread.php?t=25740