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基于超高频RFID技术的电影数字母版智能管理系统应用研究
2017-03-29 | 访问次数: | 新闻来源:现代电影技术

作者:国家新闻出版广电总局电影数字节目管理中心  肖凯  张红  徐宏  王哲


【摘要】本文结合RFID技术,在详细分析电影数字母版介质使用机制的基础上,建设了基于超高频RFID技术的电影数字母版介质智能管理系统。该系统结合计算机网络技术以及信息安全管理要求,对电影数字母版介质应用过程的信息数据进行采集,并以编码的形式存储到RFID标签中,通过对电影数字母版介质应用轨迹的判断,实现电影数字母版介质的网络化、信息化管理。

【关键词】RFID  电影  数字母版  介质管理  信息安全


1.引言

      随着数字化、网络化、信息化技术在中国电影产业中的应用,信息安全以及版权保护对于电影母版越来越重要,为了有效保护电影数字母版,本文围绕电影数字母版介质的应用管理进行了研究。

      目前,电影数字母版存储介质以高清数字录像带居多,同时有硬盘、LTO数据流磁带等介质。此外根据《信息安全技术信息系统安全等级保护基本要求(GB/T 22239-2008)》中对于数据存储介质的要求,应确保存储介质存放在安全的环境中,并应对介质进行控制和保护,同时应对介质归档和查询等过程进行记录。因此,实现电影数字母版在使用过程中的高效管理,保证电影数字母版存储介质使用过程安全,在电影产业高速发展的今天显得尤为重要。

      本文在详细分析电影数字中心使用电影数字母版机制的基础上,结合超高频RFID技术以及信息安全管理要求,通过对电影数字母版介质使用过程的逻辑判断,实现了电影数字母版介质的网络化、信息化管理。

2.电影数字母版的使用机制

      电影数字节目管理中心(以下简称“电影数字中心”)以节目存储库为核心,通过对存储库中电影数字节目的应用和管理,为中国数字电影的发展提供技术支持和技术服务,为政府主管部门、版权方、院线、放映等单位提供数据统计等运营服务,进而保障各环节的良性运行,达到实现中国电影产业大发展、大繁荣的总目标。电影数字母版在电影数字中心主要被用来完成节目存储库建立过程中的音视频采集和数据转码、农村流动放映发行版影片的制作、影院发行母版的制作等。到目前为止,电影数字中心有包括HDCAM-SR高清录像带、HD-D5高清录像带、HDCAM高清录像带、移动硬盘等不低于5种的电影数字母版存储介质,总数量超过8000盘,并且每年以不低于600盘的数量递增,介质种类也随着数量的增加而有所变化。

      电影数字中心对电影数字母版存储介质的使用管理机制基本可分为:①入库管理;②出库管理;③应用管理;④其他管理。入库管理即电影数字母版存储介质进入节目库的管理需求,可以是单次入库后再不出库;也可以是入库后多次调取应用后的再入库。出库管理即电影数字母版存储介质出节目库的管理需求,可以是单次出库后再不入库;也可以是多次调取应用的多次出库。应用管理是结合电影数字中心的业务流程对电影数字母版介质应用环节的管理需求,电影数字节目的视音频上载、声画同步、编目、技术审看等应用;采集、编码、打包、加密等发行版制作应用;审看以及复制应用等。其他管理包括元数据、用户信息、管理级别等辅助性管理需求。电影数字母版的使用机制分析如图1所示。


图1  电影数字母版的使用机制

      因此,电影数字中心使用和管理电影数字母版介质具有如下特点:①使用过程中电影数字母版存储介质具有移动性,并且移动情况较为复杂;②电影数字母版存储介质保存对环境有一定要求;③使用过程中对电影数字母版具有较高的版权管理要求。所以,针对上述情况,在电影数字母版介质的使用过程中,提出如下管理要求:①对电影数字母版介质实现网络化、信息化管理;②对移动中的电影数字母版存储介质的轨迹信息进行采集并进行判断;③在断网、断电情况下能实现电影数字母版介质的有效使用跟踪管理。

3.电影数字母版存储介质记录原理及该介质对超高频RFID技术的要求

      本文以电影数字母版存储介质中较常用的HDCAM-SR高清录像带、HD-D5高清录像带、LTO数据流带等磁带类存储介质为例进行测试。上述存储介质在记录时,当记录信号电流通过磁头线圈时,线圈中将产生感应磁通,由于磁头线圈绕在高导磁率的铁氧体磁芯上,因此磁头线圈产生的感应磁通将要通过磁芯构成闭合回路,但由于磁芯留有工作间隙,间隙处为空气或玻璃介质,其磁阻要比铁氧体磁芯大得多,结果使磁力线在磁头工作间隙处外溢而产生漏磁场。当涂有磁性材料(磁粉)的磁带与磁头工作间隙相接触时,由于磁粉的磁阻很小,它便把磁头间隙两端连接起来构成闭合回路,从而对漏磁场形成旁路,结果使磁带上的磁粉被通过它的磁通所磁化并保留下来。当磁带以一定的速度移动并经过磁头工作间隙时,便可在磁带上留下连续的与记录信号电流大小成正比的剩磁轨迹(简称磁迹),磁带经过磁头示意见图2。


图2  磁带经过磁头示意图

      磁带重放时,让记录有信号磁迹的磁带与重放磁头工作间隙接触,并以与记录时相同的速度运行。由于磁带表面留有与记录信号大小成正比的剩磁感应强度,它会向外辐射漏磁场。当磁带表面与重放磁头工作间隙接触时,该漏磁场被磁头的铁心所桥接,磁力线由铁心的一端进入,从另一端回到磁带,于是磁头铁心中就有大小等于实际接触磁头工作间隙的那部分磁带的磁化量平均值的磁通量。当磁带运行时,磁带的磁化量发生变化,从而使磁头铁心中的磁通量也发生变化。于是,磁头线圈中便产生了相应的感生电动势。例如,HDCAMSR的记录波长只有0.294微米,这样短的记录波长要求磁带的磁性材料必须具有极高的矫顽力和剩磁通密度。因为记录波长是如此之短所以磁性层的厚度也必须大大减小,否则不同厚度磁性层上的不同磁化方向会相互抵消形成所谓的自消磁效应。为了提高磁带的输出还要减小磁性颗粒的尺寸。此外,为保证磁头与磁带更好的接触状态还必须提高磁带表面的平整度。因此,电影数字母版存储介质在使用的过程中要防止工作环境中的磁场影响数字录像带磁迹的完整性,所以要求在管理电影数字母版存储介质的过程中,系统产生的磁场应符合数字录像带长期存放场地的磁场标准,即不影响数字录像带磁迹的物理特性,以保障电影数字母版使用过程中的物理安全。

      射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术按其工作频率分为:低频(124~134 KHz)RFID系统、高频(6~13.56 MHz)RFID 系统和超高频(840~960 MHz)RFID 系统。而超高频RFID 系统具有可以标识每个物体,能非接触远距离地同时对多个物体进行识读,存储信息量非常大,并具有可快速扫描、体型小型化、形状多样化、抗污染能力强、可重复使用、具有穿透性和无屏障阅读等优点。超高频RFID系统的工作原理为阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号,当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流,射频卡获得能量被激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号,经天线调节器传送到阅读器,阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作。而超高频RFID 技术与其他的信息网络相比,信息的传送更加迅速、准确、安全,并且具有读取距离远、适合移动物体的识别等特点,符合电影数字母版介质流水线式的工作流程及移动频率高的管理需要。

      本文针对超高频RFID技术以及磁带类电影数字母版存储介质的特点,进行了多轮测试验证。试验表明,RFID 读写器天线与RFID 标签在1米距离内,且将天线功率设为12DBI 情况下,形成磁场的高斯值为0.4-0.6,远低于磁带存储环境要求磁场强度小于40高斯值的要求;在回放过程中,测试录像带经过扫描后,播放性能良好,其色度、亮度及声场的表现形式均没有改变,因此电影数字母版RFID 标签在应用中产生的磁场环境对数字电影录像带磁迹安全并无影响。又因为超高频RFID具有读取距离远、适合移动物体的识别等特点,符合电影数字母版流水线式的工作流程及移动频率高的管理需要,从而保证了电影数字母版使用管理的安全性。另外标签的尺寸方面考虑,电影数字母版存储介质HD-D5及HDCAM-SR的外壳尺寸一般为315mm × 187mm× 34mm和228mm ×140mm ×32mm,且电影数字节目以流水线式的流程进行制作,由于不同的工作流程均需要使用电影数字母版,根据电影数字母版的使用要求,需要在信息采集的过程中,了解被扫描到的电影数字母版存储介质的信息内容,该信息包括标签编号、母版名称、母版及读取设备类型等。基于电影数字母版使用的特点,在电影数字母版使用的过程中,要求系统电子标签的尺寸能够适合电影数字母版存储介质的尺寸,而且电子标签应具有信息存储量大、使用频率高、防止被破坏和被撕毁的特点。根据电影数字母版存储介质的特有尺寸,设计RFID无源标签厚度为不超过2mm,侧面标签应呈长条状,尺寸小于或等于50mm(长)× 15mm(宽),该无源标签可打印,打印后即应有粘附能力,且粘附物质无腐蚀性,粘附对象长期使用保证无破坏性影响。在无源标签的应用过程中,具有规范性和可靠性,有防拆、防污和防水功能,以防止盗用电影数字母版而撕毁标签。

      因此,基于电影数字母版存储介质记录原理及该介质对超高频RFID技术的要求,经过试验测试及验证,本文选用基于超高频RFID技术对电影数字母版介质进行信息读取管理。

4.电影数字母版存储介质移动判断逻辑推理

      以电影数字母版介质在电影数字中心使用为测试用例,电影数字母版进入电影数字中心范围内,首先需要从东侧或西侧的电梯间进入,到达离线存储操作机房后,在电影数字母版存储介质上粘贴标签,同时输入相应影片信息,该步骤标志着相关电影数字母版介质已经在管理范围之内。电影数字中心9层平面图如下所示。

      如图3所示,在电影数字母版介质使用过程中,电影数字母版可能的途径以红色箭头表示,在正常情况下,电影数字母版可能到达的房间包括离线存储机房、离线存储操作机房、发行版制作机房、上载整理机房、服务操作机房等。电影数字母版在电影数字中心内部随着审片、制作、保存、出库、入库等相关用途和流程不同而会进入不同的房间。因此,在管理电影数字母版的过程中,就要实时对电影数字母版的移动信息进行确认,并且要实时区分电影数字母版介质的走向。如果电影数字母版介质没有按照预定轨迹进行移动,或者在某一地区放置时间超过预定时间,将会向管理人员提出预警,管理人员将检查相关电影数字母版用途。


图3  电影数字中心9层平面图

      电影数字母版介质智能管理系统中,一个读写器配置4个天线,平均每个门配置1个读写器,而电影数字母版进入电影数字中心后,基于目前的使用机制,可能会陆续通过4个电梯间、3个机房以及其他多个房间的大门,因此系统应对电影母版的走向自动做出如下判断:

      ①进入机房判断

      ②途径路线判断

      ③机房判断

      ⑤出单位判断

      ⑥进单位判断


图4  超高频RFID天线布局图④其他路线判断

      超高频RFID天线位置示意图如图4所示。

      根据工作人员使用电影数字母版的经验,建立了系统判断分析条件对电影数字母版的位置做出判断。系统判断分析条件是一种基于规则的分析判断,它直接采用语言型判定规则,在设计中不需要建立被判定对象的精确数学模型,通过模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的对象进行有效分析和判定。系统通过读写器采集的标签信息,以采集时间、采集天线的位置以及采集顺序作为判断依据,得出某一时刻电影数字母版位置信息。逻辑判断推理的核心部分是包含语言规则的规则库和模糊推理,规则库是操作人员或是预先设定路线方位的总结。逻辑判断推理模型的结构如图5所示。


图5  逻辑判断推理模型的组成结构

      本系统以测量值E1、E2、E3、E4(某个读写器所关联的4个天线信号采集值)为输入,以判断信号U(以判断电影母版位置信息)为输出的推理模型。在使用电影数字母版过程中,具体判断电影数字母版规则如图6所示。


图6  逻辑判断推理规则示意图

      如图6所示,贴有标签的电影数字母版存储介质在经过某个房间的大门时,如果先被门外的天线读取,在一定时间段内再被门内的天线读取,则该类情况被判断为进门;

      电影数字母版存储介质标签如果先被门内的天线读取,在一定时间段内再被门外的天线读取,则该类情况被判断为出门;

      电影数字母版存储介质标签若只被门内或门外的天线读取,而在预定时间段内被其他同方位的天线读取,则该类情况被判断为经过;

      若在某段时间内只被门内或门外的天线读取,则视为停留。

      上述4种情况为系统判断电影数字母版实时状态的规则。当使用电影数字母版时,工作人员先把某一电影数字母版的用途进行预设,同时系统读取电影数字母版路途状态,系统经过推理后,若和预设规则不一致,则输出“违规使用”的判断,提示信息将以手机短信以及界面提醒的形式发送至管理人员;如果和预设规则一致,则不输出“违规使用”的判断。同时电影数字母版移动信息被系统自动记录,形成统计报表。

      建立逻辑判断规则表的基本思想是考虑到在操作过程中所遇到的各种可能出现的情况和相应的判断策略。系统判定需要根据某房间多组天线的信号读取值同时结合管理员对电影数字母版经过的路径预设来判定当时电影数字母版状态信息,同时系统记录该位置。如果本次电影数字母版进入某房间的时间不符合预设情况,则报警信息会通知管理员。此外,该逻辑判断还能根据天线读取信息的情况,与预设情况进行对照,确保电影数字母版的使用方式按照计划执行。

5.系统实现

      5.1设计实现

      根据电影数字中心对电影数字母版介质的管理要求,本文设计了一套集电影数字母版信息采集、信息传输、信息处理、信息存储、信息预警的电影数字母版智能管理系统,系统提供用户管理,基础信息管理(包括介质类型管理、介质读取设备类型管理、读写器管理、短信接收人管理、运行参数管理等),母版出入库管理,母版出库审核,母版移动管理,母版跟踪管理,日志管理等多功能管理。实现了电影数字母版介质使用过程的全程追踪及电影数字母版使用信息的全方位覆盖。系统如图7所示。


图7  基于超高频RFID技术的电影数字母版智能管理系统图

      根据对电影数字母版的信息获取需求,将电影数字母版的存储介质类型、影片名称、母版用途、入库时间、启用时间、停用时间、安全级别、跟踪路径及标签打印时间等相关数据信息存储到电子标签中。电影数字母版标签登记完毕后,标志着该电影数字母版进入工作状态,当电影数字母版介质进入读写器的工作范围后,系统将通过读写器触发标签,进行身份验证,从而在读写器和标签之间建立特定的通信信道,然后标签开始传送母版相关数据到数据库,实时将电影数字母版出入库、位置信息通过计算机网络传递给后台处理,实现对电影数字母版数据信息的采集和追踪。在数据信息采集过程中,通过网络完成数据库系统和电影数字母版信息之间的通信建立、防止碰撞和身份验证。系统会按照预先设定好的判断依据,自动确认使用途径,当系统判断的电影数字母版使用途径和设定的不一致时,将通过网页提示报警和短信报警两种形式发给管理人员,随后管理人员锁定报警地点并采取相应措施,从而实现电影数字母版存储介质的安全管理。

      系统在使用过程中,管理人员可以通过基于B/S系统结构的web中心平台进行数据查询、数据处理、流程控制、后台监控、报警发布等工作。而系统的ActiveX插件平台将读、写标签功能嵌入到网页中,可以使本地程序方便地融入到B/S架构中,使得用户对本地的硬件设备操作起来更加的便利。同时,ActiveX控件可在线更新,无需另外下载客户端进行安装。后台数据操作采用调用web services接口的方式完成,web中心平台、ActiveX插件平台均可通过移动接口的方式持久化信息。系统拓扑结构图如图8所示。


图8  基于超高频RFID技术的电影数字母版管理系统拓扑结构图

      根据电影数字中心对电影数字母版的使用特点和使用区域,将系统部署在电影数字母版使用过程中的必经之路,通过对电影数字母版特征信息的有效采集,实现电影数字母版的全方位定位,以达到对电影数字母版使用过程的高效管理。如发行版制作流程,需经过审看、采集、编码、加密、打包、下载和发行版审看才能完成,上述流程具有严格的操作规程和时间要求,如果此过程中,电影母版没有按照指定线路流通或者在某一区域停滞时间过长,则可能发生电影母版内容安全或物理性安全不能够保障的问题,因此,电影母版一旦进入电影数字中心,必须采取严格的线路控制、时间控制及地点控制来防止电影母版在使用过程中出现内容及物理安全问题。

      此外,在系统建设过程中,RFID天线的工作依靠电力,而电磁波存在直射、反射、绕射和散射的传播机制,在上述传播机制过程中,除直射外其他传播方式均有不同程度的能量损耗,而标签的工作机制是接收到足够的电磁波来供给标签工作,如果在电影数字母版的移动过程中,周围有障碍物或者天线突发故障,则贴在电影数字母版存储介质上的标签可能将不能接收到足够的电磁波来驱动其工作,因此依靠天线的RFID系统将不能正常工作。手持读写设备具有便携、快捷以及读写距离可控制的特点,如果一旦发生天线故障或者因传播途径而引起的问题,使用手持式读写设备,可及时对RFID标签读写和扫描,以达到及时读取电影数字母版存储介质上的标签信息,并进行相应的处理、存储和通讯。在需要手持读写设备的过程中,电影数字母版介质管理系统的判断方式将以使用时间的长短为判断依据,如果两次扫描时间在预设时间之内,则系统正常进行电影数字母版介质流转信息的采集,包括出库、途径、入库等相关信息。如果两次扫描时间在预设时间外,则系统发生报警,将报警信息发送至管理人员处,管理人员启动应急预案。如果两次扫描并没有按照预定的手持式读写设备进行扫描,则系统同样会发生报警。

      5.2测试验证

      本文选用二十部影片进行实验,以HDCAM-SR高清录像带作为电影母版的存储介质。首先将电影母版的标签编号、母版名称、母版及读取设备类型等相关信息写入电子标签,将电子标签粘贴在高清录像带上,然后由工作人员将装载着高清录像带的推车送入或送出房间,当录像带推车通过RFID扫描天线时,推车上的二十部母版介质信息全部被识别,被识别的信息通过网络传输至后台数据库。电影数字母版测试存储介质如图9所示。


图9  电影数字母版测试用存储介质

      电影母版信息采集情况如图10所示。


图10  电影数字母版采集信息

      电影母版相关信息的成功采集,标志着上述电影母版进入电影数字中心的电影母版使用流程,系统自动监督该批次电影母版在使用流程过程中是否按照设定的使用流转。实验设计了介质流通过程必须经过的带库、926房间为中转地点,对上述房间的移动轨迹进行了实时跟踪和监控。电影母版移动情况如图11所示。


图11  电影母版移动信息

      如果电影母版没有按照预期的流动轨道进行流动,系统则会自动进行报警。实验对如下影响电影母版安全的问题进行了测试,包括电影母版未提出申请带出相关房间产生的预警,电影母版通过审核后未按时到达指定房间产生的预警,电影母版没有经过申请而移动产生的预警。图12是某批次电影母版在实验过程中产生的报警信息。

      同时,根据信息安全相关标准中关于存储介质管理要求,本文选取手持机进行核点测试,选择任务后,所有待扫描的标签信息均为白色,扫描到的标签信息均为绿色,如图13、图14所示。


图12  电影母版报警信息


图13  未扫描的标签信息(白色)

      验证数据表明,基于超高频RFID的电影母版智能管理系统可以有效管理进入电影数字中心的电影母版,并能够及时准确地对电影母版没有按照正常流程工作进行预警,能够准确地将发生电影母版安全问题的时间、地点、种类、人员等相关信息报告给管理人员,使管理人员能够及时有效地对可能产生问题的电影母版做出应急处理,保障了进入电影数字中心电影母版的内容安全和版权安全。


图14  已经扫描完毕的标签信息(绿色)

6.结论

      本文所建系统以电子标签为信息载体,通过超高频RFID中间件和通用业务组件与数据库进行交互,从而实现电影数字母版介质智能管理系统的各项功能。本系统涵盖了超高频RFID电子标签、读写设备、RFID中间件、管理服务器、数据库系统及应用软件系统等。系统设计中充分考虑了选型产品的可集成性、一致性、安全性,系统涉及到的硬件设备均部署于“电影数字中心”的局域网环境中,各子系统的应用业务由主机分布式处理,然后通过局域网与数据中心进行交互,这样便于日常维护、设备更新、运行监控等业务。同时根据测试验证,RFID天线读写器产生的磁场不会影响数字录像带的磁迹,保证了电影数字母版存储介质的物理安全。同时,本系统实现了电影数字母版的网络化、信息化管理,有效提高了版权管理和信息安全管理水平,有效提高了电影数字中心对于电影数字母版使用过程的管理能力。


注释

①本项目为广电总局科研项目,项目编号2013-44,项目名称:基于物联网技术电影数字母版介质监管系统研究。


《现代电影技术》2017年第2期精品文章


2016年度电专委电影技术征文二等奖


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