（光学工程专业论文）基于dsp的欧元水印条码识别系统的研究.pdf

中文摘要 水印条码是欧元引进的新防伪点，它携带了欧元纸币的特定信息，因此研究 出套准确，快速识别欧元防伪条码的检测方法是有其实际意义和应用前景的： 一方面，我们能够通过对防伪条码的检测识别出欧元伪钞；另方面，通过对带 有币值信息的水印条码的检测能够实现各个面值纸币的混点。从根本上解决了点 钞机经常出现的“夹板”问题；再一方面，通过研究这个先进防伪技术的检测手 段，我们能够进一步将这一技术应用于金融票证甚至是人民币中，来增加高级防 伪点维护我国金融安全。本文就实现欧元水印条码的检测系统作了研究，主要完 成了以下工作： l 。提出了欧元水印条码的识别方法。根据水印条码的形成机理选择光透射原 理对欧元的水印条码进行检测和识别：通过重点讨论和比较不同面值欧元不同区 域的透光度变化曲线，得出检测和识别欧元水印条码的两个条件；运用求相关系 数的方法能够实现通过检测水印条码识别和提取不同币值欧元的相应特征；并引 入f f t 进行快速相关计算的方法以简化算法程序，减少计算的时间。 2 结合课题的需要完成了欧元水印条码识别系统的硬件设计。 3 根据设计目标，设计了硬件系统的软件部分。软件设计部分主要分为单片 机软件设计部分和d s p 软件设计部分。 4 对做出的系统电路进行了实验研究。给出了采集信号和实验的计算结果， 并对实验结果进行分析。对采集到的不同纸币的水印条码曲线进行分析，并将相 同面值纸币的水印条码采集曲线进行分析比较，计算其相关度并分析了相关度出 现较低现象的原因。 关键词：欧元，水印条码，d s p ，m s p 4 3 0 单片机，检测和识别 a b s t r a c t w a t e r m a r kb a r sa r eo n eo ft h en e wa n t i c o u n t e r f e i tt e c h n o l o g i e sa p p l i e db y e u r o s b e c a u s et h e ye a r l ye u r o s s p e c i a li n f o r m a t i o ns oi ti sp r o m i s i n ga n dp r a c t i c a l t om a k er e s e a r c ho nt h em e t h o dt od e t e c tw a t e r m a r kb a r sq u i c k l ya n da c c u r a t e l y ：f i r s t , w ec a l li d e n t i f yc o u n t e r f e i tn o t e sb yt h ed e t e c t i o no fw a t e r m a r kb a r s ；s e c o n d ，b e c a u s e w a t e r m a r kb a r sc a l i t ye u r on o t e s v a l u e , w ec a nc o u n tc m - i e n c i e so fd i f f e r e n tv a l u eb y t h ed e t e c t i o no fw a t e r m a r kb a r sa n di m p r o v et h eo p e r a t i o no fc u r r e n c yc o u n tm a c h i n e ； t h i r d ，b yr e s e a r c h i n go nt h ed e t e c t i o nm e t h o do ft h i sa d v a n c e da n t i - c o u n t e r f e i t c h a r a c t e rw ec a ni m p o r tt h i st e c h n o l o g yi n t of i n a n c i a lc o u p o n sa n dr m bn o t e st o m a i n t a i no u rc o u n t r y sf i n a n c i a ls a f e t y t h i sp a p e ri n t r o d u c e so u rr e s e a r c ho nt h e d e t e c t i o ns y s t e mo f w a t e r m a r kb a r si ne u r o s t h ew o r kh a sb e e n d o n ea sf o l l o w s ： 1 d e s i g nt h ed e t e c t i o nm e t h o do fw a t e r m a r kb a r so fe u r o s a c c o r d i n gt ot h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mw ec h o o s et h el i g h tt r a n s m i s s i o nm e t h o dt om a k ed e t e c t i o na n d i d e n t i f i c a t i o no fw a t e r m a r kb a r s ；b yd i s c u s s i n ga n dc o m p a r i n gt h et r a n s m i t t a n c e c u r v e so fd i f f e r e n ta r e a so fe u r o s w ef i n dt h et w oc o n d i t i o n st od e t e c ta n di d e n t i f y w a t e r m a r kb a r s ；w ea p p l yc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tt oi d e n t i f yw a t e r m a r kb a r so f d i f f e r e n te u r o sa n de x t r a c tt h ec o r r e s p o n d i n gv a l u ei n f o r m a t i o no fe u r o so fd i f f e r e n t v a l u e ；f f ta l g o r i t h mi sa p p l i e dt os i m p l i f i c a t i o nt h ep r o g r a ma n dr e d u c ec o m p u t e t i m e ， 2 a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n tw ec o m p l e t et h eh a r d w a r ed e s i g no ft h e d e t e c t i o ns y s t e m 3 d e s i g n t h es o f b v a r cp a r to f t h es y s t e m n 圮s o f t w a r ed e s i g ni sc o m p o s e do f m c u s o f t w a r ep a r ta n dd s ps o f t w a r ep a r t 4 u s et h ed e t e c t i o ns y s t e mt om a k ee x p e r i m e n t sa n dg e tt h es i g n a l sa n do u t p u t a n dm a k ea n a l y z eo f t h er e s u l t sa n de x p e r i m e n tc u r v e so f w a t e r m a r kb a r so f d i f f e r e n t e u r o so f d i f f e r e n tv a l u e c o m p u t et h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f w a t e r m a r kb a r s c u r v e a n dp r o v i d et h et e n s o ro f w h ys o m ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n ti sl o w k e yw o r d s ：e u r o s ，w a t e r m a r kb a r s ，d s p , m s p 4 3 0m c u ，d e t e c t i o no f e u r o s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鎏盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砺为傅 签字日期：硼c ，年t 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了船苤壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弓j 【，菇俊 签字日期：) b 年i , e l8 日 导师魏弓一i 歇格 签字日期刁矿一c 年f 月可日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 有价证券防伪与防伪检测技术 有价证券防伪是保证国家金融和市场有序发展的重要举措，随着我国改革开 放的发展，有价证券防伪是保证国家金融和市场有序发展的重要举措，随着我国 改革开放的深入，采用高新技术加强有价证券防伪与防伪检测工作，具有十分的 必要性和迫切性。 为了有效地遏制伪造与假冒的违法犯罪活动，防伪技术也随着科学技术的飞 速发展，高新技术的不断应用而得到了长足发展。随着政府和企业对各种伪造假 冒活动打击力度不断加大，打击领域不断拓宽，防伪技术的研发及推广应用的领 域和市场也日益扩大，有资料显示，全球防伪市场的年总值为2 0 0 0 亿美元，国 内防伪市场年总值也达到5 0 0 多亿人民币【“。目前有价证券的防伪可以按照以下 几种不同角度进行分类： ( 1 ) 纸张防伪 纸张是印刷各种证券的物质基础，一些采用特殊工艺制造的专用纸基本上就 是具有防伪特点，在专用纸张中采用的防伪技术主要有： a 水印纸 水印纸在制造过程中，可利用技术手段将所需要的标识、图案等做入其中，这 些图案平常情况下不易看出，只有对着强光才能看清楚，被世界各国防伪专家认为 是一种行之有效的防伪技术，大多数国家的钞票，重要的国际文件，设施图纸和各 种票证也都用水印纸印刷。水印除在货币纸张中被采用，在其它票证纸张中也被 广泛使用。水印在纸张中的位置有固定的，不固定的和半固定的几种它在制造过 程中融汇了设计，雕模，制网，抄纸等复杂的工艺过程，因此常使造假者束手无策。验 看水印也是肉眼识别真假的最有效的大众防伪手段之一【2 】。 b 安全线 安全线是指在造纸过程中将条金属线或塑料线置于纸张中间。安全线最早 使用的是特别金属线，现在使用的是塑料线并己经发展成为多种多样，如微型安母 安全线，荧光安全线等。其安全绩的开关有直线，波浪形，锯齿形等。 c 红蓝纤维或彩点 在造纸过程中将红蓝纤维或彩色小片( 点) 掺入纸桨内，或在纸张未定型前撒 第一章绪论 在纸张表面，在紫外线台勺照射下有荧光反射。红蓝纤维和彩点在纸张中有固定位 置和不固定位置两种。 d 防复制用纸 这种纸张复印后，会浮现“复制”和“无效”的字样可有效防止彩色复印重要 文件。另一种全吸收型防复印纸外观呈蓝色或棕红色，纸上图文只有透过光才能 看到，其复印一片漆黑。 e 无荧光专用纸 一般纸张在紫外照射下均显有荧光于是印钞纸及一些有价证券或票据采用 无荧光的专用纸防伪。如各国的纸币，护照以及一些票证的纸基均无荧光，各国对 无荧光的专用纸流通的控制就是种行之有效的防伪措施，这样也更容易显露出 附加暗记的荧光图文。 ( 2 ) 印刷防伪 精湛的印刷防伪技术不仅需要先进昂贵的印刷设备而且需要具有多年印刷 经验的技术人员，故对造假分子楚个很大障碍。 a 多色串印 多色串印也称串色印刷或彩虹印刷，一般采用凸版印刷机印刷，它是根据印品 要求，在黯槽中放置隔板后，再在不同隔版里分别放入多种色相的泼墨。在串黯辊 的串动作用下，使相邻部份的油墨混合后再传至印版上采用这种印刷工艺，可以 一次印上多种色彩，并且中间过渡柔和。由于从印品上很难看出黯槽隔板放置距 离，故也能起到一定的防伪作用。如果在大面积的底纹印刷上采用这种工艺，其防 伪作用将更为突出。 b 刑用计算机创作版纹 用特定软件制作特别复杂、细微、高分辨率的底纹，如十分复杂的团花，任 意的几何图形等。这些特征无论激光复印，还是电子扫描分色，都会产生规则的 衍射图案或出现错位，很容易被发现。 c 手工雕刻凹版印刷 手工雕刻凹版由于工艺复杂，图案唯一性和投资成本高等因素，带有极强的 不可模仿性和防伪性能，使各国货币等有价证券通用的印制技术和防伪技术。凹 版图案低于印版的版面，印出的图案呈三维图像，立体感强、层次分明、用手触 摸有凹凸感。 d 花纹对接 一种底绞印刷技术，当纸币按规定的尺寸裁切后，切口边底纹上原有的花纹 已不完整，但如果把两个切口边对接，又可以组成一幅完整的底纹图。我国第五 套人民币将纸币的正背面，上下或左右卷曲时，有花纹的部位均可吻合对接。 第一章绪论 e 对印 钞票和一些有价证券正背两面的图案透光观察可以完全重合，或是正背两面 的部分图案透光观察互补组成一个完整的新图案。 接线印刷 在票面花纹的同一条线上出现两种颜色彼此连接时，连接处两种颜色即不能 分离又不能重叠，这需要有精密的设备和高超的工艺水平。人民币上的双色号码 即采用了这一技术。 g 缩微印刷技术 把只能用放大镜看到的极其微小的文字印在肉眼看似一条实线或虚线上，当 然，缩微文字也可印在图案的定点线条或点上。缩微印刷也可用在有价证券的安 全线上，以综合防伪。 隐性图像 利用机雕制版出的深浅多变的线条印出的图案，粗看是一种图形，适当转换 角度会看到图案还隐藏着另外一种或多种图像。而用照像制版或激光照排仿制 时，会发生变形、模糊不清，使某些特征丢失【3 】。 ( 3 ) 激光全息图形 其原理是把激光器射出的激光分成波长相同的两束，分别照射被摄物和底 片，从而得到记录被摄物光波强度和位相的全息照片。再通过光的衍射效应，使 原来的物体光束还原。透过全息照片可看到一个逼真的被摄物立体图像，且图像 线条非常精细并带有随机性，故很难仿制。 ( 3 ) 多重衍射光栅 多重衍射光栅是一种光学变幻装置，变化不同视角，装置中的图案将随角度 变化产生不同彩虹效果，伪造困难。 ( 4 ) 激光穿孔 一些有价证券应用了打孔技术，孔距整齐，孔径质量很好，不带毛边、孔径 很小、孔很密集。 除此以外，有价证券的防伪还引入了各种尖端科技，这些技术包括量子点材 料、集成电路微芯片，生物色素和波纹丝绸技术等。有价证券的防伪技术经历了 巨大的发展，防伪检测技术也同步有了长足进步。按照国家标准规定检测手段的 先进程度从高到低，可分为四个等级【4 】：a 级一高技术专用检测仪器；b 级先 进的检测仪器；c 级般的检测工具；d 级一感官检测。 可见，对于不依靠视觉和触觉等感官判断进行的鉴别的高级防伪技术，如何 能被有效、准确、快速地检测和识别无疑是有效使用该防伪技术的关键，且在很 大程度上决定其应用前景。因此，研究先进的防伪检测技术对于先进防伪技术的 第一章绪论 实际应用其着决定性的作用，同时也促进安全防伪技术的发展，最终能够使防伪 与真伪鉴别技术同步发展，实现从技术研发到成果实施的体系。 1 2 水印的形成、应用与发展 水印在当今科学技术发达的今天，仍被世界各国防伪专家公认为一种行之有 效的防伪技术，继续被各国采用并有所发展，大多数国家的钞票、重要的国际文 件、设施图纸和各种票证也采用了水印。 水印是在造纸过程中，在丝网上安装事先设计好的水印图文印版，通过印刷 滚筒压制而成。由于图文高低不同，使纸浆形成厚薄不同的相应密度。成纸后， 因图文处纸浆的密度不同，其透光度有差异，故在透光观察时可现出原设计的图 文，此即水印。水印有固定水印、半固定水印和不固定水印三种p 】。固定水印固 定在纸币、护照、证件和金融票证等纸张的一定位置上，而且与肉眼可见的印刷 图文或其他方位措施匹配准确，如我国1 9 9 0 年版1 0 0 元、5 0 元人民币，在水印 窗位置分别有毛泽东、工人的头像。半固定水印每组水印之间的距离、位置均固 定，各组在纸上成连续排列，故也叫连续水印，多用于专用的纸张。不固定位置 的水印分布于纸张或票面的满版，故也称满版水印，如我国5 元和1 元人民币均 有满版古钱水印，我国的火车票上也有满版水印。有很多国家的水印采用线条图， 如加拿大护照各页上的枫叶固定水印，这种水印有阴文与阳文两种。水印的形态 有人物或动物像、几何图形及文字图案等。透光观察水印清晰可见，形象生动逼 真，层次丰富，立体感强。国外新研制出一种透明水印，只能从某一个角度观察 出来。水印不能用影印机、扫描仪等再现，因此有着很好的防伪效果。 随着电子科技的发展，如今有新的水印纸的推出，即电子水印纸和数字水印 纸。据英国泰晤士报1 9 9 9 年5 月3 日报道，一种称为“微巴”的系统，利 用“混沌”理论将资料编成密码加入文件背景中，这种“微巴”肉眼看不见，但 用扫描器可以阅读，破解其密码。只有原始印版才能印制，任何精密印刷设备均 无法复制或只能印出一些模糊不清的图像。据研制公司称，从数学角度来破译“微 巴”的编译系统，几乎不可能。识别这种水印纸时，使用一种标准的计算机扫描 仪。“微巴”可以很容易隐藏在货币、股票等有价证券的水印、图像的背景中。 该技术也可以用于照片的无关重要部位和其他纸品的防伪标识等处用扫描仪查 验【4 】。 由于当前高质量图像输入输出设备空前发展，特别是精度超过1 2 0 0 d p i 的彩 色喷墨、激光打印机和高精度复印机的出现，使得货币、支票以及其他有价证券 的伪造变得更加容易。此时，数字水印技术便可以作为一个极佳的应对解决办法。 第一章绪论 数字水印是信息隐藏理论的一个分支，是指用信号处理的方法在数字化的多 媒体数据( 图像、音频、视频等) 中嵌入隐蔽的信息。这种信息通常是不可见的， 只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印过程就是在被保护的载体数 据( 如静止图像、视频、音频等) 中嵌入某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的 信息。这些信息可以是作者的序列号、公司标志、有意义的文本，同时又不影响 被保护的数字对象。用来嵌入的这些信息通常被称为数字水印。 因为数字水印的可证明性、不可感知性和鲁棒性，数字水印也可以作为理想 的防伪手段应用到印刷中。对于各种容易仿造的印刷品，我们可以采取在印刷过 程中加入水印的办法保护版权。具体到印刷过程中就是，在印前图像处理阶段， 向原稿图像和文字中加入带有密钥的水印信息，然后再发排、制版、印刷成印刷 品。如果产品被盗版或伪造，我们可以通过对印刷品进行扫描检测，提取出证明 版权的水印信息 6 1 。 1 3 欧元中的水印条码 水印作为一大防伪技术已经广泛应用于世界各国高面值的纸币和各种金融 票证以及文档标识中，其检验方法方便易行，是大众最为熟悉的防伪点之一。于 2 0 0 年1 月1 日发行的欧元被公认为当今世界上科技含量最高，防伪点最多最完 备的纸币。值得注意的是，其中除了广为公众熟悉的水印图案之外，还首次引入 柱状白水印这一防伪点，即本文所说的水印条码，所谓水印条码，如图2 2 中区 域2 所示，是与纸币宽度方向平行的一组水印条码，通常有三或四条，并随面 值的不同宽度和间隔有所变化。这个水印条码类似于商品包装上的机读码，携带 了相应币值纸币的特定信息，是计算机能够读入的，它与前者相比，具有防伪特 性好、可机读和不易伪造的优点。 1 4 本文选题背景、主要研究工作与各章节主要内容 由于欧元水印条码携带了特定的信息，因此通过对带有币值信息的水印条码 的检测能够实现各个面值纸币的混点，从根本上解决了点钞机经常出现的“夹板” 问题。所以，研究出一套准确，快速识别欧元防伪条码的检测方法是有其实际意 义和应用前景的：一方面，我们能够通过对防伪条码的检测识别出欧元伪钞；另 一方面，通过研究这个先进防伪技术的检测手段，我们能够进一步将这一技术应 用于金融票证甚至是人民币中，来增加高级防伪点维护我国金融安全。 本文就是基于实现欧元水印条码进行有效，准确、快速识别的目的，采用 第章绪论 d s p 、m s p 4 3 0 单片机为主要器件设计识别系统而展开的。具体工作包括：水印 条码检测方式的选择和条码的识别算法；选择合适波长的光源以得到最佳的实验 效果；利用合适的平台设计欧元水印条码识别系统的原理图和p c b 图；用c 语 言设计单片机程序和d s p 的算法程序；利用c c s 和i a rw o r k b e n c h 对系统进行 调试并得到实验结果。 本文安排的各章主要内容如下； 第一章介绍了有价证券的防伪与防伪检测技术，从纸张防伪、印刷防伪、激 光全息防伪等多方面阐述了有价证券的主要防伪方法和基本原理。介绍了水印的 形成、应用和发展，分析了欧元引进的水印条码这一新防伪点，介绍了研究水印 条码的意义和前景。最后阐述了本文的研究的意义和主要内容。 第二章对欧元水印条码的识别方法进行了设计。根据水印条码的形成机理采 用光透射原理对欧元的水印条码进行检测和识别，此方法具有准确，快速，无损 被测物等特点；通过重点讨论和比较不同面值欧元不同区域的透光度变化曲线， 得出检测和识别欧元水印条码的两个条件，通过引入相关系数的计算，证明了本 实验结果的一致性和可重复性；运用求相关系数的方法能够实现通过检测水印条 码识别和提取不同币值欧元的相应特征；并引入f f t 进行快速相关计算的方法 简化算法程序，减少计算的时间。 第三章介绍了欧元水印条码识别系统的核心芯片m s p 4 3 0 单片机一 m s p 4 3 0 f 1 4 9 和d s p 芯片一t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 的结构和特点。识别系统采用硅光 电二极管作为信号采集电路的核心元件简化了电路。系统将信号采集电路和信号 处理电路集成在一个电路板上有利于系统的小型化。文章结合课题的需要首先设 计了欧元水印条码识别系统的硬件原理框图；详细介绍了系统各电路部分的设计 和特点及功能；最后介绍了d s p 的主机接口( h p i ) ，以及m s p 4 3 0 单片机与d s p 通过主机接口实现通信。 第四章根据设计目标，设计了硬件系统的软件部分。软件设计部分主要分为 单片机软件设计部分和d s p 软件设计部分。单片机软件部分包括系统的初始化， a d 转换模块，异步通信模块和e e p r o m 的读写部分。d s p 软件设计部分主要 是信号处理部分程序的设计。文章还介绍了d s p 程序通过h p i 方式进行自举上 载的实现方法，并根据h p i 的通信方式实现了d s p 与单片机的通信。 第五章给出了实验结果，并对实验结果进行分析。文章对采集到的不同纸币 的水印条码曲线进行分析，并将相同面值纸币的水印条码采集曲线进行分析比 较，计算其相关度。最后结合水印的自身特点，永印条码的退化现象，以及实验 条件简陋等方面分析了相关度出现较低现象的原因。 第二章欧元水印条码的识别方法研究 2 1 引言 第二章欧元水印条码的识别方法研究 普通水印图案作为一大防伪技术已经广泛应用于世界各国高面值的纸币和 各种金融票证以及文档标识中，其检验方法方便易行，是大众最为熟悉的防伪点 之一。于2 0 0 1 年1 月1 日发行的欧元被公认为当今世界上科技含量最高，防伪 点最多最完备的纸币。值得注意的是，其中除了广为公众熟悉的普通水印图案之 外，还首次引入水印条码这一防伪点，所谓水印条码，如图2 中区域2 所示， 是与纸币宽度方向平行的一组水印条码，通常有三或四条，并随面值的不同宽度 和间隔有所变化。这个水印条码类似于商品包装上的机读码，携带了相应币值纸 币的特定信息，是计算机能够读入识别的，它与前者相比，具有防伪特性好、可 机读和不易伪造的优点。此外，通过对带有币值信息的水印条码的检测能够实现 各个面值纸币的混点，从根本上解决了点钞机经常出现的“夹板”问题。所以， 研究出一套准确，快速识别欧元防伪条码的检测方法是有其实际意义和应用前景 的：一方面，我们能够通过对防伪条码的检测识别出欧元伪钞；另一方面，通过 研究这个先进防伪技术的检测手段，我们能够进一步将这一技术应用于金融票证 甚至是人民币中，来增加高级防伪点维护我国金融安全。 2 2 测量原理 水印条码有多种检测方法，分光反射法和光透射法两种。但是光反射法受纸 币图案和脏污等因素影响较大，而且水印形成机理是在制纸的过程中，由于制纸 所用的版上由一些凹凸的纹路，导致在纸张成形的过程中，相应地方纤维素沉降 比较多，所以较其他地方为厚，水印相应位置透光率就和没有水印的地方有显著 不同。而水印条码厚度均匀，条纹规则，其透光特性能够和其他水印图案以及票 样表面印刷图案显著区别，从而能够作为识别票样币种及面值的重要特性来进行 识别，因此，采用光透射法能更好的提取水印条码的特征，且这种方法具有非接 触，快速、无损票样等优点。 本研究实验采用光电透射法测量。透射法是利用一定强度的激光照射样品， 用光电探测器接收透射光，通过测量透过光线的强度变化来提取票样上的相应信 第二章欧元水印条码的识别方法研究 息，再进行进一步分析。光线透过纸币时一部分会因为漫反射，散射和被吸收而 使得出射光线减弱，减弱的强度随物质的种类、厚度、密度以及表面颜色不同而 变化i 刀。 ! 、 r i i ni d i fi 如 图2 - 1 透射测量法原理 图2 - 1 是透射测量法原理简图，图中i 。一输入原始光强，i d 。f 一漫反射光 强，i a b s 一吸收光强，i 。一散射光强。i 。一输出信号光强。 总体来说，激光的光强主要决定于透射物质的衰减系数h 和厚度d ，并遵从 指数衰减规律【s 】； i = i o e x p ( 一，耐) ( 2 1 ) 式中，衰减系数u 具体由以下几部分组成： = ，f 幽( 旯) + ，4 - 神，( 2 2 ) 式中，j | a b s ( ) 表示吸收衰减系数，因为不同颜色物质对光线能量吸收不同，所 以这个系数是波长 的函数，具体表现就是黑色物质吸收光能最多，而白色最少； l l 。是散射衰减系数，一部分光线透过物质后以不同方向散射，不能被探测器探 测到，也造成一定能量损失；ud i f 是漫反射衰减系数，光线照射到票样表面，一 部分光线形成漫反射，也不能被探测器探测。 对于本实验，由于被测样品是纸质，透明度较低，相应地，能够形成散射的 光能很少，所以可以忽略。而且，漫反射造成的光能损失和吸收造成的光能损失 相比来说很小，也可以忽略。于是，衰减系数u 可以简化成如下形式： | 1 2 # l q h 从而，( 1 ) 式可以表示成； ( 2 3 ) i = ，oe x p ( - t o b , d ) ( 2 4 ) f 1 3 ( 4 ) 式可以看出，在本实验中影响透光强度的两个主要因素就是样品表面不同 颜色区域对入射光的吸收和纸币的厚度。因为我们要根据纸币的厚度变化来提取 信息，所以在设计实验时要尽量突出厚度交化带来的透光率变化，而削弱其他因 素变动造成的影响。 第二章欧元水印条码的识别方法研究 2 3 光电检测设计和关键器件的选择 2 3 1 光电检测设计 在奔绍光电检测设计之前，先来了解一下欧元特征( 本文以5 0 欧元票样正面 为例) 。 图2 - 2 ，5 0 欧元票样( 正面) 图2 2 是面值为5 0 欧元的纸币正面。图中1 一水印图案区，2 一水印条码区， 3 一防伪金属线，4 一全息防伪贴块。另外，b ，c ，d 三处显示的是本实验的三 条采样线端点，光电检测是在上述三个位置沿票面长度方向直线扫描采样检测并 绘图。 图2 - 3 光电检测实验装置简图 图2 3 是实验的装置简图，图中l 一激光器，2 准直透镜，3 一待测纸币，4 一光阑，5 一光电探测器，6 一数据采集p c 。实验方法是：从l d 发出的激光经 准直透镜后射到纸币上，除了有极少量的光能因为漫反射和散射损失，一部分被 吸收，转化为热能，另一部分透过纸币，经光阑滤光，由光电探测器接收，并转 换成电压信号输出。其中，光源和探测器固定，通过水平沿票样长度方向移动纸 第二章欧元水印条码的识别方法研究 币来采集数据。实验中，我们的采样间隔是o 5 m m 。 2 3 2 实验关键器件的选择 实验中，光源我们采用工作功率为8 m w 的8 0 8 n m 波长l d 。8 m w 的功率消 耗能量少，有利于实验产品化，而且不至于功率过大损坏检测样品，真正实现非 接触无损检测。选择近红外波长激光器我们主要考虑有两点：一是近红外波长激 光器发出的光比短波长光被物质吸收为少 9 1 ，这就减少了票样表面图案变化对透 光率的影响，因为我们主要关心的是票样厚度变化对透光率的影响，其他影响则 视为干扰信号，应该尽量减小；二是采用红外光源配合对相应波长敏感的探测器 能够最大限度地降低外界光线对接收信号的影响，从而使实验具有较高的致性 和可重复性。本实验采用的探测器是t h o r l a b s 公司出品的p d a 5 5 型硅光二极管 光电探测器，其对不同波长的响应曲线如图4 所示： w a v e l o n g mc n m 】 图2 4 探测器对不同波长光响应度 f i g 4 d e t e c t o rr e s p o s i v i t y 可见8 0 8 n m 波长接近其响应峰值，它与8 0 8 n m 波长l d 配合使用能够最大 限度地接收信号光，同时削弱自然光的影响。此外，基于本实验特点，我们特别 制作了与水印条码平行的狭缝光阑，这样能够更好地突出条码厚度变化的信息。 2 4 测试结果及讨论 在光电检测实验中，我们基于上述实验装置，分别对面值为5 ，2 0 和5 0 欧 元的纸币进行检测，研究其透光度变化的规律。每个币值的纸币分别在图2 所示 的b ，c ，d 三个位置沿票样长度方向测三组数据，绘出透光度变化曲线如下图 所示： 乏voilg臣譬岳 第二章欧元水印条码的识别方法研究 图2 - 5 各个面值欧元透光度曲线图 如图2 5 所示，我们可以清楚地看到在三个不同面值的欧元透光度曲线图中 都有一块特定的区域，区域中有三个或四个连续的剧烈峰一谷差在1 3 0 一1 6 8 v 之间变化的图形，它们类似于正弦曲线。这就是我们关心的水印条码区，透光度 剧烈变化就是因为纸币上水印条码造成的厚度变化引起的。不同面值的欧元水印 条码区分别是：5 欧元在3 0 - - 4 6 m m 处；2 0 欧元在3 1 5 - - 5 2 m m 处；5 0 欧元在 3 3 5 4 5 m m 处。而且，我们能够注意到不同面值欧元分别在b ，c ，d 三个不同 位置测得的透光度变化曲线在水印条码区都有着高度的相似性，而不同位置其他 区域之间的曲线则明显不同，所以能容易地将水印条码区和其他区域相区分。但 是需要指出的是在5 欧元的5 5 5 m m 处，2 0 欧元的6 2 m m 处，5 0 欧元的6 4 m m 处都有一个明显的很窄的波谷，这个波谷是各个面值纸币上都有的防伪金属线造 成的透光度剧烈变化，另外，在5 欧元的1 0 8 一1 1 5 m m 处和2 0 欧元的1 2 0 一1 2 8 m m 处b ，c ，d 三个位置都有一个明显的比较宽的波谷，这是欧元特有的防伪贴条 第二章欧元水印条码的识别方法研究 造成的，同样地，5 0 欧元的d 位置也有类似波谷，而另外两个位置没有，这是 因为5 0 欧元是防伪贴块，具体位置可以参照图2 2 。 实现水印条码的准确识别需要具备两个条件：一是同一面值不同位置欧元水 印条码区透光曲线应该具有高度相似性，这样不仅能使多次测量有较高一致性， 还能使检测具有较好的可重复性，即使采样位置有所不同；二是水印条码区透光 曲线应该能和其他区域相区分，比如说和水印图案区( 水印条码区左边) 以及印刷 图案区( 水印条码区右边) ，这样不至于造成其他区域曲线带来干扰信息。为了证 明我们的实验方法能够实现对水印条码的识别，我们引入了相关系数的概念。 我们用的相关系数又称p e a r s o n 相关，用来做线性拟和，我们这里引入它是 用来显示两条曲线相应区闯的相似程度，其数学表达如下【1 0 i 1 1 1 1 ： k ，：璺 ( 2 5 )k = = = = = _ = =1 2 ) ， 一4 s s 。s s ” 式中，f x y 就是曲线x 与y 的相关系数，相关系数取值区l 司是【1 ，1 】，值越大就说 明两条曲线之间越相似；s s x y ，s s ，【x 和s s y y 定义分别为； = k 一；j z = x 2 2 忘2 + 矗2 = 卫2 一疵2 = 对比 一胛 ( 2 6 ) 船，= b 一歹j 2 ：z y 2 - 2 n y 2 + 行_ 2 = y 2 一万2 = 玎( d ) 一n 歹7 ( 2 7 ) 船，= b x b , 一歹) = 砂一丹万= n ( d ) 一 ；歹 ( 2 8 ) 其中，x i ，y i 就分别对应两条曲线相应区域的电压值，y 。是曲线的自相关 函数，是两条曲线的互相关函数。 为了说明问题，我们以面值5 0 欧元为例，把b ，c ，d 三个不同位置测得的 曲线分成三个不同区域，作一个相关系数的比较： 表2 15 0 欧元不同位置不同区域间相关系数比较 韶 区 巡 水印图案区水印条码区印刷图案区 b c0 2 0 7 0 9 3 40 3 9 1 b & d0 2 9 4 0 9 5 30 0 6 7 c & d0 3 2 40 9 4 6 0 ，6 1 6 由表2 1 我们可以清楚地看出，欧元不同位置测得的透光曲线间相互比较， 水印条码区问具有高度的相似性，而其他区域不具备类似特征，这充分证明了水 印条码区域用光电测量具有很高的一致性和可重复性。 第二章欧元水印条码的识别方法研究 表2 25 0 欧元水印条码区和其他面值对应区域相关系数比较 盛 相 芯 bcd 50 1 5 6o 1 3 9o 0 0 9 2 00 2 8 60 3 9 0o 0 1 1 运用求相关系数的方法，我们能够进一步地很方便地实现对不同面值欧元相 应水印条码进行识别处理。方法是这样的：鉴于不同面值欧元水印条码都有自己 相对固定的区间，我们可以用一条某一面值的水印条码区域透光曲线作为参照， 将待测纸币相应区域透光曲线与其作相关，求出相关系数，如果是同一面值同一 区域，则相关系数一定高于某个域值，相反，当相关系数低于这个域值，则说明 待测纸币是假币或是其他面值纸币。例如，我们以5 0 欧元d 位置水印条码区( 位 置是3 3 - - 5 4 5 m m ) 透光曲线为参照，分别与其他面值欧元3 3 5 4 5 m m 位置的透 光曲线做相关，结果列于表2 。可见，其他面值欧元相应部分与5 0 欧元水印条 码相关度很低，所以，通过检测防伪条码宽窄和间隔排列，能够实现识别欧元面 值的功能。 2 4 快速傅立叶变换 离散卷积和相关运算是数字信号处理( d s p ) 的两种基本运算。在本系统中， 如果直接进行时域处理会因所需的乘法和加法次数过多而耗时太长，使处理的实 时性变差。快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，简称f f t ) 是减少离散傅 立叶变换( 简称d f t ) 计算时间的快速、高效计算方法。在f f t 出现之前，虽 然d f t 为离散信号的分析处理从理论上提供了变换工具。但实际上因计算时间 过长而难以实现。直到1 9 6 5 年库利一图基( c o o l e y t u k e y ) 提出了时间抽取基2 f f t 算法，才使问题得到解决。充分利用f f t 快速、高效的特点来实现离散卷积和 相关运算可以使本系统的计算时间大大减少，在进行大规模检测时体现的更明 显。 2 4 1 直接d f i 的复杂度分析 d f t 可以看成将时域的n 个点映射成频域的n 个点映射成频域的n 个点的 一种映射关系，由离散傅立叶变换分析己知，d f t 计算式为1 2 】： z ( 七) = 吖胛j 降 n = o 第二牵欧元水印条码的识g 方法研究 2 ( 0 k n 1 ，w n = e 寸百) ( 2 9 ) 离散傅立叶反变换( 简称i d f t ) 的计算式为 x o ) 5 寺荟别七，咿 ，一， ( 0 n s n 1 )( 2 1 0 ) 2 f 式2 9 中= p - j 百称为n 点d f t 的“变换核函数”。式2 1 0 中形一“：e 口m 7 ”称 为n 点d f t 的“变换核函数”。显然，正逆d f t 的核函数互为共轭。 分别将式( 1 ) 和式( 2 ) 所蕴含的n 个公式写成矩阵形式 x ( o ) x 0 ) x ( 一，) 盖( o ) x o ) x ( n j ) 形。 矿o w 1 w 2 ” w ，x r ”一j 矿州”一” o旷o w 。1 iw t “ 矸7 1 n | 打i ? 彤一f n l 扣2 矽。 1 r x p ) 矿似。m 8 x o ) w ( w - o 似，x ( 一j ) 鬟w曩x(1w(u-t7 7 - 1 ) x ( n 1 。咿o 1 1) 0一) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 由式2 1 1 和式2 1 2 可知，k 夕和x 陋，分别是n 列静列矩阵，丽核函数w 4 和w 4 分别是n n 方阵。这两个方阵都是对称矩阵，即 矿“】= 矿“】r 眇一】：陟一r 由矩阵2 1 l 式可知，每计算一个x 似j 值需要进行n 次复数相乘和n ，1 次复 数相加，如需计算z f 叫，x ( o x ( n - u 共n 个x 似，值时。则需2 次复 数相乘，n x ( n 1 ) 复数相加。直接d f t 计算的复杂度为d r 2j ，随着n 的增 加，计算量将是惊人的。例如，设n = 1 0 ，就需要1 0 0 次复数乘法运算，当设 n = 1 0 2 4 ( 2 ”) 时，就需要一百多万次( 1 0 4 8 5 7 6 ) 复数乘法运算。按照这样一种计 算规律，如果所取得样点较多，运用d f t 就很难对信号进行实时处理。 聊靴 咖 咖咖 聊 ，一 ” d 汜 第二章欧元水印条码的识别方法研究 2 4 2 库利一图基f f t 算法基本思想 由式2 i i 可以看出，矩阵眇】与k g ) 】在相乘过程中存在一些不必要的重复 计算，减少计算量的关键是避免这些重复。为便于讨论，设n = 4 ，则式2 ii 成 为 x o ) x h ) x ( 2 ) x t 4 ) o 矿o o w o | w 2 形。形2 形。 形。形形6 ( 2 1 5 ) 式2 1 5 中的复数乘法运算次数为n 2 = 1 6 ，复数加法运算次数为n ( n 一1 ) = 1 2 。 根据d f t 核函数性质，我们有 形。= j 彬n 扭：一l w “= w “f k + n i = w t f “ ( 2 i 1 6 ) w “+ ”7 2 = 一w “ ( 2 1 7 ) 运用式2 1 6 ，当n ：4 时，有w 2 = w 6 ，w = w 9 ，运用式2 1 7 ，当n = 4 时， 有矽= 一w ，w 2 = 一w o 等。将以上特性用于时2 1 5 ，则可将陟】矩阵化为 肜。形。o 矽o ow|w 2 w | w 。w 2 w 4w 6 o 6 9 缈oo矽。 形o 形。一矽。 形。一o 形。 矿。一矿一o o 矽。形o w lw 2 w 3 _ i ，2w ow 2 i ：；，3w 2 w l ( 2 1 8 ) 由式2 1 8 可见，通过周期性和对称性简化后，矩阵眇】中的若干元素相同， 这就使得d f t 运算过程大大简化，此即库利一图基f f t 算法的基本思想。同样， i d f t 也可以用快速傅立叶算法实现。 库利一图基f i 叮算法的运算复杂度为d ( f d g 岁) 。可见，当n 比较大时，f f t 可 以极大地提高运算效率【1 3 】。 砂刀吖吖吖吖 1ii4一 口 j 6 9 形矿肜旷 形矽矿1i川l h矿川川 第二章欧元水印条码的识别方法研究 2 4 3 相关运算过程 从式2 6 - 2 ，8 可以看出，如果计算曲线的相关系数需要计算曲线的相关函数， 如果直接计算的话，将涉及到计算大量的平方和乘法运算，因此在这里引入快速 计算相关函数的方法。 两个离散信号的互相关函数定义为 岛。) = 万1 毛n - i 工如h 似一以) ( d m s 一，) ( 2 1 9 ) 离散信号的自相关函数定义为 以。) = 专薹x h 向一栉) ( o m n - 1 ) ( 2 2 0 ) 同卷积运算比较，相关运算少了一个时间反刍，但仍为一个乘法和加法序列， 所需工作量也很大。依据相关定理和维纳一辛钦( w i e n e r - k h i n t c h i n e ) 【l ”关系，快 速运算过程可按以下步骤进行：( 1 ) 对序列工0 ) 和y 如) 分别进行f f r 得出复频