基于二维码的时空建模及其在目标跟踪中的应用外文翻译资料

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基于二维码的时空建模及其在目标跟踪中的应用

YanghuaGao，ZhihuaZhang，HuanwenWang，andHailiangLu

InformationCenter，ChinaTobaccoZhejiangIndustrialCo.,Ltd.,No.288JianguoSouthRoad，Hangzhou310008，China

物理世界和细胞世界中重要的映射物的时空一致性，可能是构建网络物理系统（CPS）的基本问题之一。本文提出了一种二维码时空建模方法，利用二维码空间信息载体对目标的特征（目标的sid、属性、指令、时空数据等）进行了移动化处理，获得了具有系统时间和gps单元的目标的实时时空时空数据，并对其进行了建模。可以在带有数据库的后端服务器上传输和存储平台现有的信息。同时，智能手机用户和其他网络用户也可以查询到对象的时空信息，由于应用了该方法对跟踪对象的手机信息进行了描述，从而显示出二维的跟踪对象具有许多优点，如快速读取和传输，成本低，健壮、保密，以及强可读性；此外，所提出的建模方法保持了对象在cps中的位置和空间的一致性。

1介绍

如今二维码已经在现代经济活动中发展到了一个非常流行的阶段，例如产品防伪、广告服务、网络链接、数据下载、商品交易、定位导航、电子证书、信息传输和Wi-Fi共享。在许多应用中，或者在存储多个对象的基本属性时，作为唯一的ID，已经在一些文献中进行了讨论。RFID解决方案可以帮助公司在整个生命周期内跟踪其产品，但此解决方案的成本稍高一些。二维数据矩阵编码是一种低成本的替代方案，具有精度高、成本低的优点[1]。但是，这些应用程序需要特定的读取设备来读取和解码二维代码。通常，这些设备不容易携带。作为个人伴侣，智能手机在我们的日常生活中得到了广泛的应用，智能手机上配备的摄像头极大地扩展了人们二维码的应用范围。在[2]中，作者研究了用于照相手机应用的6个二维编码，并讨论了照相手机应用的全球标准。Tarjan等人建议使用一个快速响应双维巴尔代码（QR代码）来记录在食品生产中的转换数据，并分析安卓手机上不同内容，大小和纠错率的二维码的可读性[3]。图书馆正在享受二维条码和智能手机带来的好处。Ashford讨论了美国图书馆中使用的几种二维码的例子，他认为我们应该注意在二维码真正使我们的用户更加活跃的地方应用二维码[4]。同时，安全性和保密性是二维代码应用中除了方便之外的另一个问题。Wang等人提出了一种基于相位检索算法和二维码的光学加密新技术，该方法的加密过程非常简单，并且该加密系统对各种附件都具有很强的不可破坏性[5]。

人们对能够模拟随时间和空间变化的现象越来越感兴趣。Parent等人讨论了时空概念模型同时解决了时空建模问题，涵盖了逻辑和概念层面的需求[6]。此外，时间和空间是物理世界中物体的基本属性，在物体从物理世界映射到网络世界的过程中具有重要意义[7]。而时空一致性对于实现网络物理系统（CPS）具有重要意义，这可能是CPS的根本问题之一，本文提出了一种二维码打印或粘贴跟踪对象的时间-空间一致性模型。对象的实时空间和时间数据可以通过智能手机记录，然后传输并存储在后端服务器中。同时，该方法提供了时空数据查询服务，在建模过程中，对象的时空属性保持一致，实时定位和对象跟踪在物流、健康、安全以及其他基于位置的服务中都有很大的作用。

本文利用二维码和智能手机的优点，实现了对象的时空建模和跟踪。首先，第2部分讨论了建模的意图。二维码和智能手机的特性为跟踪物体提供了许多好处。然后，第三部分详细介绍了二维空间-时间建模方法，包括系统架构和具体的工作流程。第四部分介绍了一个使用安卓手机和mysql开发的用例来测试该方法的功能。结论：第5节。

2建模原因

2.1CPS的时空建模和时空一致性

网络物理系统（CPS）的目标是实现计算、网络和物理环境相结合的系统，通过计算、通信和控制（3C）技术的集成和协作，提供实时传感、动态控制和格式化服务。

物理世界中的对象可以映射到网络世界中，我们将其称为网络资源，如图1所示。我们研究和总结了物理世界中物体的特征、属性和相互关系，这些都可以在网络世界中构建。我们可以通过研究物理世界中共享映射的网络资源的特性、属性和关系找到更好的解决方案。时间和空间是物理世界中物体的基本属性，对从物理世界映射到网络世界的物体具有重要意义。在物理世界和网络世界之间的映射和交互过程中，对象的独特和一致的时间和空间属性可以避免混淆。因此，本文讨论了一种基于二维码的智能手机时空建模方法，它有助于解决时空一致性问题。

图1 物理世界和网络世界之间的应用和相互作用

2.2二维码

二维码是从一维码发展而来的另一种可读码。在计算机技术中广泛用于存储数据的二进制数据（0和1）可以用白色和黑色矩形图形表示，并存储在二维代码中。存储的信息将在被读取设备扫描和解码后获得。二维码作为信息载体，在所提出的时空模型中存储和传输数据具有独特的优势[8][9]：

1. 信息性：二维码可以存储大约1850个字母，或271个数字，或1108个字节数据，可以存储超过500个中文；
2. 纠正能力强：当代码部分损坏，即使代码区域的50%损坏时，二维码中的信息也会被记录下来；
3. 译码可靠性高：误码率小于1/10000000，远低于通用码，为2/1000000；
4. 高安全性：二维编码采用特殊编码方式时，应采用最新的专用编码算法。同时，还可以通过加密来提高安全性。在[10]中，提出了一种利用光子计数加密并用相位编码的二维码实现目标鉴别的方法；
5. 成本低：二维码易于制作，且比IC卡或RFID卡便宜得多；
6. 易读性：可以被激光和CCD读取，手机相机也可以作为读取设备。

以上特性使二维代码成为一个很好的标记，它存储唯一对象的ID和其他信息片段。

2.3带有相机和GPS模块的智能手机

智能手机个人助理的作用有更多的和更强大的多媒体处理能力和网络功能。这一特点使得该款手机上的摄像头可以读取二维码，系统时间和GPS模块可以提供实时的时空数据，强大的CPU具备对二维码进行编码和解码以及处理其他任务的能力，网络功能可以保持它总是连接到Internet并与服务器通信。这些功能有助于智能手机通过二维解析对象和数据包服务器完成时空建模。

智能手机在时空建模中取代了传统的二维码阅读器。智能电话很轻，很容易使用，而且几乎一直都在使用。使用智能手机比传统的读码设备更方便。

移动电信运营商可以随时注册智能手机的系统时间。可通过智能手机中的GPS模块获取目标的实时位置。所有位置数据都来自gps系统。系统时间和位置数据在所有时间都进行了注册。空间时间一致性表现良好。

3基于二维码的时空建模

3.1系统架构

该建模系统由三部分组成：二维码打印机、智能电话应用程序和带数据库的服务器。图2是模型的体系结构。

图2 空间组件建模系统的体系结构

3.1.1二维码打印机

二维码打印机创建原始二维码，打印后将其复制到要获取的对象上。这里我们称原始二维码为?0。?0是对象的唯一标识，它存储了对象的ID和基础属性。它将在对象上创建和打印后发送到服务器，以便服务器可以记录对象的ID及其属性。对象的空间临时数据的保留存储空间将由服务器在数据库中创建。只有二维码打印机中的对象被服务器接受。否则将永远无法从服务器获取服务。

3.1.2智能手机应用程序

智能手机应用程序是这个模型中收集时空数据最重要的部分，智能手机越来越流行，很多人拥有不止一个智能手机，先进的信息技术为智能手机带来了更强大的功能。内置摄像头的智能手机可以作为二维码阅读器和生成器，智能手机中的系统时间模块和GPS模块可以提供实时的时空数据。强大的网络功能可以让智能手机一直连接到互联网，这个功能可以帮助将时空数据传输到服务器，查询对象的时空轨迹。

智能手机应用程序有三个基本功能：用户认证、时空数据获取和传输、以及远程查询。

1. 用户认证。并非智能手机应用程序获取的所有时空数据都可以存储在服务器中。服务器将拒绝向不合格用户提供数据。在数据传输之前，应首先验证用户身份。
2. 时空数据的获取和传输。当用户使用智能手机应用程序扫描对象上的二维码（?0）时，应用程序将对其进行解码并获取对象的ID，同时调用相关函数读取系统时间和位置数据。然后，应用程序将对象的ID、当前的时空数据和存储指令编码为另一个二维代码，称为?1。编码后，?1将通过GPRS、3G、4G或Wi-Fi发送到服务器。
3. 轨迹查询。当用户想知道对象的时空轨迹，将查询请求发送到服务器的请求信息，包括对象的ID和发送查询请求是也存储在二维码，我们呼叫它的ID为?0。可以由用户输入或从原来的二维扫描二维码（?0）。

3.1.3带有数据库的服务器

服务器的主要任务是接收和解码二维代码，包括对象ID、时空数据以及来自打印机或智能手机的指令，然后响应这些指令。在获取存储指令后，服务器将搜索数据库以匹配对象的ID，然后将时空数据存储在保留空间中。如果服务器收到对象跟踪查询请求，将匹配对象的ID，搜索存储的时空数据并发送给请求对象的用户，服务器也可以继续执行用户身份验证过程。

3.2时空建模过程

表1是用于描述建模过程的缩写列表。

表1 使用的缩写列表

该建模系统旨在实现对象的实时跟踪和时空数据查询。当扫描对象上打印的?0时，智能手机读取并解码该对象，然后通过智能手机应用程序获取该对象的ID。同时，可以通过调用相关的API来读取系统时间和当前位置数据。智能手机生成?1存储对象的ID、当前时间和位置数据，存储指令，然后将?1传输到服务器。接收到?1后，服务器将对其进行解码并获取对象的ID。服务器将搜索数据库以匹配ID，如果它存储在数据库中，则对象的时间和位置数据将按顺序存储在数据库中。否则，数据将被丢弃，当智能手机进行另一次扫描时，另一个时空数据和对象ID将以另一个二维码存储和传输，服务器将进行另一次解码和时空数据存储。经过几轮后，对象的整个时空轨迹将存储在服务器的数据库中，当轨迹查询请求到达时，服务器将识别出对象的ID并决定是否响应请求，服务器的响应信息也以二维代码存储和传输。也就是说，服务器和智能手机之间的所有通信都是通过二维码作为信息载体来完成的。这种通信方式的选择是由于其特殊的保密机制。

3.2.1用户身份验证

保证数据库中存储的数据对系统安全有效是一个非常重要的问题。当二维码由打印机生成，智能手机向服务器传输对象的实时时空数据，以及当用户打算查询对象的时空轨迹时，需要进行用户身份验证。我们可以通过用户名和密码来验证用户的身份，当用户继续登录时，其名称和密码将被另一个二维代码编码：我们称之为?pw。?pw还包含要求服务器完成身份验证的身份验证指令。服务器对?pw进行解码并检查用户身份，然后决定该用户是否为合格用户，只有合格用户才能使用服务器完成其任务，身份认证后，服务器将准备好在数据库中分配存储空间或接收用户的时空数据或响应用户的请求。为了更好的描述，我们假设用户身份验证已经在建模过程中成功完成。

3.2.2打印二维码

打印或粘贴在对象上的二维原始代码（即?0）存储对象的ID和基本属性，创建?0后将传输到服务器，服务器创建一个表单来存储对象的ID和基本属性，然后分配空间来存储数据库中的时空数据：

?0:对象ID 基本属性

3.2.3时空数据获取和存储程序

（a）扫描二维数据。

传递时空数据，是时空建模的重要组成部分。时空数据将由智能手机收集，然后传输到服务器。该程序分为4个步骤。

步骤1（扫描对象上的二维代码）。由用户操作的智能手机扫描?0，解码?0中的信息后得到对象的ID。

步骤2（获取对象的时空数据）。在获取对象的ID后，智能手机读取其系统时间（?1）和GPS数据（?1）。此过程可以通过调用智能手机操作系统提供商提供的相关功能来完成。

步骤3（创建新的二维代码（?1））。然后，对象的ID和时空数据（?1，?1）将被编码并存储在一个新的二维代码中：我们称之为?1。同时，?1包含一条指令，指示服务器存储时空数据：

?1:对象ID ?1 ?1 存储指令

步骤4（向服务器发送?1）。?1准备就绪后，它将传输到服务器：

?1→服务器

（b）存储时空数据。

当服务器接收到?1时，将执行解码过程，然后服务器可以得到指令，告诉它存储?1携带的时空数据（?1，?1）。

作为一种信息载体，?1存储了对象的ID和时空数据（?1，?1）。服务器解码?1并与数据库中的ID匹配，然后将时空数据添加到存储此对象ID的空间：

?1，?1→数据库

当用户再次扫描?0时，会创建另一组时空数据，并重复上述步骤2、3和4，循环后，时空数据组将存储在服务器的数据库中，存储的时空数据代表对象的时空轨迹。表2显示对象的存储时空数据。

表2 对象时空数据的存储格式

3.2.4查询过程

步骤1（向服务器发送查询请求）。当用户想要查询对象的时空轨迹时，智能手机应用程序会创建另一个二维代码：我们称之为?0，它存储查询请求和对象的ID。用户可以输入对象的ID，也可以从?0扫描和解码。然后?0将发送到服务器：

?0:对象的ID 查询请求→服务器

步骤2（服务器解码和搜索数据库）。服务器在接收到对象的ID后，从?0中解码该对象的ID，然后搜索数据库以匹配该对象的ID，并获取该对象的时空数据。

步骤3（在

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