一种普通纸张识别及防伪鉴别的装置及其使用方法

摘要

本发明涉及一种普通纸张识别及防伪鉴别的装置及其使用方法。适用于对载有重要信息的票据、公文、印章纸质材料的防伪和安全管理。本发明的纸张定位机构通过两种可选的喂入方式将纸张的某一固定点定位在显微及图像采集光学中心轴位置；显微机构和图像采集机构获取纸张的显微图像；嵌入式系统完成纸张的识别、防伪信息的发布和鉴别。本发明的特点是对纸张提取的是微米级纤维图像特征，由于具有唯一性，几乎不可仿制，防伪安全程度高，普通纸张直接打印防伪，使用方便，成本低；另外，本发明无须对每页受防伪保护的纸张建立查询数据库，仅对设备拥有者的信息及设备的标识码信息建立查询数据库，因而不受防伪发布次数的限制，数据库规模更小，技术环境更简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对未经任何加工处理的普通纸张进行自动识别防伪鉴别 的装置及使用该装置的方法。主要适用于对载有重要信息的票据、印章材料、 公文等纸质载体的安全管理及应用。

背景技术

近年来，随着高科技技术的广泛应用，仿冒技术水平不断提高。尤其对 印章材料、票据、证件等常用办公纸质材料信息的仿冒变得越来越容易，防 伪变得越来越困难。公文、资料、票据以及证件等纸质材料上的重要信息通 常采用普通纸张加盖印章的方式进行防伪。这种方式目前已经变得很不安全， 且无法管理。如果对载有重要信息的普通纸张能够自动加以甄别，则可以在 很大程度上解决上述问题。

目前，尚无一种能够区分相同材质的普通纸张并自动生成防伪信息和鉴 别纸张真伪的技术。现有的“纹理防伪技术”或“纸类识别技术”通常是以 专门选择的特定材料自身所固有的斑纹、人为添加的异质条纹杂质、或直接 印刷成复杂的纹理图案作为防伪标识，并制成防伪标签。可以看出：第一， 这种技术需要使用特殊材料或特殊工艺，并在印刷时制成标签，不适合数量 庞大的办公文档材料、票据、证件等纸张的防伪。因为这类用户通常使用的 是已有的成品纸类材料，不可能在生产中进行加工处理，防伪的操作次序要 求有所不同。第二，防伪材料制作要求特殊，制作成本较高；第三，如果将 防伪标签粘贴于纸上，这不仅不安全，且影响美观；第四，需要对每一页纸 的防伪信息建立查询数据库，数据库容量需求巨大，甄别的技术环境复杂， 隐性成本高，用户使用也不方便。市面上广泛使用的“条形码技术”，虽然成 本较低，但只能提供版权保护信息，不具备纸张防伪能力，不能区分经过扫 描复印的纸张。

为了解决上述问题，本发明的设计通过对纸张在微米级尺度下自身所固 有的纤维图像特征进行自动提取和识别，获得纸张识别码，利用纸张识别码 发布防伪信息和鉴别真伪，从而解决了这一技术难题。众所周知，纸质材料 都是由植物纤维制造而成。在微米级尺度下，植物纤维随机地构成纵横交错 的微观图像，如同指纹一样，在某种意义上讲，是不存在完全相同的纤维特 征的。因此，根据纤维特征就可以唯一确定该纸张。“定点显微图像采集” 主要通过纸张定位机构对纸张进行定位，显微放大机构对纸张固定点进行放 大，图像采集机构及嵌入式系统主要完成纸张显微图像的采集、“纸张识别” 及“防伪信息发布和真伪鉴别”。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的在于提供一种普通纸张识别及防伪鉴别的装置， 实现纸张防伪发布和鉴别真伪的功能，满足公文、票据等载有重要信息的纸 质材料的防伪、辨识、记录和管理等需求。

本发明的另一目的在于提供该装置的使用方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种普通纸张识别及防伪鉴别的装置，其特征包括：定位机构和光学显 微机构

(a)定位机构包括：定位板、定位板玻璃、盖板、盖板玻璃、定位板连 接件；盖板上设有LED灯和定位点透光孔，盖板玻璃置于盖板上，定位板玻 璃置于定位板上，定位板玻璃和定位板上刻有左右辅助定位线，通过定位板 连接件固结，定位板上有定位支撑帽和定位板采集孔，左辅助定位线和右辅 助定位线与定位板采集孔中心对称，盖板玻璃与定位板玻璃相贴；

(b)光学显微机构中的导向件、物镜、物镜连接件、连接筒和目镜，图 像传感透镜和图像传感器连接件串连，嵌入式系统电路通过插口与图像传感 器连接。

上述嵌入式系统电路主要由嵌入式数字信号处理器DSP、可编程控制器 CPLD、程序存储器Flash、SRAM、DRAM、数据缓冲FIFO、CMOS图像传 感器、ESAM硬件加密模块键盘及LCD显示器接口电路组成。

上述装置的使用方法，其步骤是：

(1)“辅助将纸张的一个边角(通常为直角)喂入到纸张定位机构， 喂入方式可采用左喂入(图3(a))或右喂入方式(如图3(b))；

(2)用刻画在定位板或定位板玻璃上的定位线”和“定位支撑帽”定位 纸张的边沿，使纸张固定在确定的位置，定位板玻璃和盖板玻璃用于夹紧纸 张，同时又使得纸张位置可以作微量调整；

(3)定位机构的LED灯安装在显微机构和图像采集机构的光学中心轴 线位置，以使定位点得到准确的光源照射；

(4)依靠导向件完成图像定点采集的位置微调，即在导向件的六个导向 修正螺栓孔内旋入螺栓，则光学中心轴线就由这些导向螺栓的紧固程度决定；

(5)光线透过纸张，经过光学显微机构中的物镜、物镜连接件连接筒和 目镜，再经图像传感透镜部件投射在图像传感器成像面板上，最终由嵌入式 系统电路得到定位点的纸张显微图像。

本发明的优点和产生的有益效果：

1、本发明采用一种纸张定位方法，使得更换纸张时，定点采集区域仍能 够精确地定位在显微和图像采集系统的光学中心轴线位置，以使每次采集的 都是纸张同一区域的图像或者偏移位置不大的图像，确保“定点采集区域” 的位置精确度。

2、本发明通过纸张定位机构、光学显微机构、图像采集机构以及嵌入式 系统，可对普通纸张进行防伪和鉴别。和其它纸张防伪方式不同，本发明对 纸张没有特殊要求，不用提前制作标签，针对普通纸张直接防伪，使用更方 便，成本更低；由于提取的是纸张微米级纤维图像特征，这种特征如同人的 指纹特征一样，具有唯一性，几乎不可仿制，防伪安全程度更高；另外，本 发明的方法不要求对受防伪保护的纸张建立查询数据库，仅对设备内部固化 的全球唯一“设备标识码”和设备拥有者的信息建立查询数据库，因而不受 防伪信息发布次数的限制，数据量远远小于对每页需要防伪的纸张都建立查 询信息的数据库数据量，在很大程度上降低了数据库规模，技术环境更简单， 成本更低，使很多应用成为可能。

3、根据本发明设计的装置可作为纸张防伪发布和鉴别工具的通用设备。 其特点是：防伪安全程度高；利用纸张纤维特征的识别信息，与设备内固化 的设备全球唯一标识码共同形成防伪信息，直接(或转换成条形码)打印在 纸上进行防伪，不需要做成标签粘贴。成本低，且无损美观；另外，无须建 立大容量的查询数据库，使用简单可靠。可适用于办公公文、印章管理、票 据、证件、资料公证等众多防伪技术领域。

附图说明

图1本发明定点显微图像采集系统功能方框图。

图2本发明纸张识别装置结构示意图。

图3本发明纸张喂入方式。

图4本发明纸张定位示意图。

图5本发明嵌入式系统电路原理示意图。

图6本发明纸张定位效果图。

图7本发明发布模块与鉴别模块图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的技术方案再作进一步的说明：

一种普通纸张识别及防伪鉴别的装置，包括：定位机构、光学显微机构 和嵌入式系统电路板。

一、定位机构

定位机构是对纸张进行定位和提供光源。定位机构包括：定位板5、定 位板玻璃4、盖板1、盖板玻璃3、定位板连接件15；LED灯2安装在显微机 构和图像采集机构的光学中心轴线位置，以使定位点得到准确的光源照射。 盖板1上设有LED灯2和定位点透光孔20。LED灯2给采集点提供光源， 使得采集的纤维图像清晰并能反映出纸张的纤维特征；盖板玻璃3置于盖板 1上，定位板玻璃4上刻有辅助定位线16，并置于定位板5上，通过定位板 连接件15固结，定位板5上有定位支撑帽18和定位板采集孔19，定位支撑 帽18为柱形，高于定位板玻璃4平面而突起，左辅助定位线和右辅助定位线 与定位板采集孔19中心对称，盖板玻璃3与定位板玻璃4相贴，用于加紧纸 张，并又能使纸张位置做微量调整。

(二)光学显微机构

光学显微机构用于对纸张进行光学放大。光学显微机构中的导向件6、 物镜8、物镜连接件9、连接筒10和目镜11，图像传感透镜12和图像传感 器连接件13串连，导向件6用于对显微系统的光学中心进行微调；完成图 像定点采集的位置微调。方法是在导向件6的六个导向修正螺栓孔7内旋入 螺栓，则光学中心轴线就由这些导向螺栓的紧固程度决定。物镜8、物镜连 接件9、连接筒10和目镜11，构成光学显微系统，起显微放大作用；图像传 感器透镜12、图像传感器连接件13以及含图像传感器的嵌入式微处理电路 板14组成图像采集系统。嵌入式系统电路14通过插口与图像传感器连接件 13连接。

(三)嵌入式系统电路板

嵌入式系统电路板14完成定点纤维图像采集、纸张的识别、防伪信息发 布和纸张真伪鉴别等工作。

嵌入式处理系统电路14主要由嵌入式数字信号处理器DSP、可编程控制 器CPLD、程序存储器Flash、SRAM、DRAM、数据缓冲FIFO、CMOS图像 传感器、ESAM硬件加密模块(存储全球唯一标识码)、键盘及LCD显示器 接口等电路组成，电路原理示意如图5所示。嵌入式系统硬件电路组成主要 包括如下几个部分：

嵌入式的数字信号处理器DSP21为主处理器(采用TMS320C6713)，负 责实时操作系统内核的运行、图像处理和模式识别算法的运行、运算结果的 安全存储、防伪信息发布和真伪鉴别时DES加密及解密等算法的运行，ESAM 芯片安全认证模块数据的读取、人机接口(显示屏和键盘)的中断任务处理 等工作；

数据缓冲FIFO22(芯片采用CY7C4265)，主要目的是为采集的图像数 据提供数据缓冲通道；

CMOS图像传感采集模块23(使用Ov7620图像采集芯片)，主要作用是 完成模拟视频的A/D转换，在本装置主要完成显微图像采集；

Flash存储器24(使用AM29F800)，用于存放程序；

DRAM存储器25(使用MT48LC4M32B)，用于存放临时数据；

可编程控制器CPLD26(使用CY37064)，完成整个电路系统的逻辑控制；

SRAM静态存储器27，用于存放临时数据；

键盘接口28，用于接收用户键盘指令和数据输入；

电源29与其他电路；

LCD液晶显示电路30，给用户提供显示信息；

安全认证加密模块31(可使用芯片W44C80S，，支持DES/3DES密钥算 法，可用于存储全球唯一标识码)，在本发明中主要用于存储“设备唯一标识 码”。

“纸张识别”及“防伪信息发布和鉴别”主要由上述嵌入式系统完成。

本发明的目的可以通过以下三个关键技术措施来实现：

第一，纸张定点显微图像采集

首先，由定位机构、光学显微机构以及图像传感机构完成纸张微米级纤 维图像的采集。这是因为现实条件不允许对纸张进行大面积微米级别的图像 采集，而只能对纸张某一特定区域进行定点采集。而这一特定区域的位置， 也应随纸张的更换保持基本不变，这样才可能对纸张进行有效的识别和比较。 由于采集的是微米级的纤维图像细节，需要上百倍的光学放大倍数，轻微的 定位误差将导致所采集的区域发生较大的偏移。因此，本发明采用一种纸张 定位方法，使得更换纸张时，定点采集区域仍能够精确地定位在显微和图像 采集系统的光学中心轴线位置，以使每次采集的都是纸张同一区域的图像或 者偏移位置不大的图像，确保“定点采集区域”的位置精确度。定点显微图 像采集的实施见图2至图4所示：

定位纸张时，先手动将盖板1打开，则盖板玻璃3和定位板玻璃4分离。 将纸张17从左端或右端插入两块玻璃之间，再由弹簧等机械装置将盖板玻璃 3和定位板玻璃4压紧，使纸张17固定。之所以选择玻璃材质，主要是为了 使纸张在加紧后位置仍然能够进行微调。

纸张喂入方式设计成左喂入(图3a)或右喂入方式(如图3b)。喂入方 式可定义为“标记S”。左喂入方式是将纸张一角从定位板左侧插入；右喂入 方式是将纸张一角从定位板右侧插入。设计成可选的喂入方式主要目的是为 了方便不同习惯的用户使用或纸张正反面选择。

纸张定位原理，如图4所示，以右喂入方式为例描述如下：定位板5上 采集孔10的左侧和右侧分别有一对“辅助定位线”16左辅助定位线和右辅 助定位线与定位板采集孔19)中心对称(图中仅显示了左辅助定位线)，“辅 助定位线”16是刻画在定位板5上的、肉眼可清晰分辨的、间隔距离很小的、 相互平行的双直线。纸张17插入后，将纸张17左边缘准确放置在左“辅助 定位线”的间隙中，即沿辅助线间隙放置。“定位支撑帽”18是高于定位板 玻璃4平面的柱形突起，纸张17下边缘就紧靠定位板上右“定位支撑帽”18 上端。纸张17定位准确后盖上盖板玻璃3压紧固定。定位板玻璃4和盖板玻 璃3用于夹紧纸张17，同时又使得纸张位置可以作微量调整。纸张左喂入方 式定位原理同右，只是使用右“辅助定位线”和左“定位支撑帽”定位则可。

通过上述定点位机构，使得定位板采集孔19中心每次都对准纸张靠近边 角的某一固定区域，确保定位板中心采集孔19与显微机构、图像采集传感机 构的光学中心同轴，实现精确的纸张定点图像采集。

第二，纸张识别

具体实现由嵌入式系统完成。由嵌入式系统的可编程控制器CPLD26控 制图像采集模块23采集图像数据，在FIFO缓冲通道22进行缓存后，再存入 DRAM25中，再由DSP21对图像进行分析处理。由定点采集机构采集的纸张 纤维图像清晰可辨，如同指纹一样特征明显，如图6所示。可以看出，同一 纸张同一采集点几次采集的纤维图像基本相似，定位点位置偏移不大，说明 纸张定位比较准确。

有DSP完成的纸张识别技术主要包括以下方法：(a)预处理：采用常规 图像处理技术对图像进行预处理，例如，图像平滑、图像增强以及边缘检测 等；(b)特征提取：使用特征匹配等图像特征提取技术提取纤维图像特征， 以主要特征点的相对位置、拓扑结构等特性消除由于光学系统带来的图像平 移、旋转和缩放的影响，使得提取的特征具有二维空间上的平移、旋转和缩 放的不变性；(c)识别：用统计或模式识别等模式分析算法在整个特征空间 上分类，亦即计算出能够标识该纸张的唯一特征码或“纸张识别码M”。

第三，防伪信息发布和鉴别

本发明的最终目的是在普通纸张上发布防伪信息和鉴别纸张信息的真 伪。防伪信息的发布和纸张真伪鉴别都需要由嵌入式系统完成。整个发布和 鉴别过程按照功能结构，可划分为两个功能模块：

(1)防伪发布：主要完成防伪信息的发布过程，方法如图7左框图所示。 图中设备唯一标识码M是用于区分设备的“设备唯一标识码”，用符号“M” 表示，由嵌入式电路板中的ESAM芯片31存储，固化在设备内部电路板中， 不可更改。发布过程：首先，对需要防伪保护的纸张进行定位、图像采集、 纸张识别，得到纸张识别码N；由单向函数F计算出密钥K＝F(N)；将设备 标识码M用密钥K和DES加密算法进行加密，E_K(M)＝C，得到密文C； 将纸张喂入方式标记S、C和M作为发布的防伪信息打印在受保护的纸张上 (特殊用户也可以先转换成条形码后再打印在纸张上)，发布过程就结束了。

(2)真伪鉴别：主要完成纸张真伪鉴别过程，方法如图7右框图所示。 真伪鉴别过程：用户将打印在纸张上的防伪码C和设备标识M用手工方式输 入到嵌入式系统(特殊用户可用条形码输入设备输入)；对当前需要鉴别的纸 张使用喂入方式S进行纸张识别，得到当前纸张识别码N′；由相同的单向函 数F计算出密钥K′＝F(N′)；使用密钥K′对防伪码C用DES解密算法进行解 密，得到明文M′；比较M′和M是否相同，如果相同则为真，否则，为伪造； 并通过嵌入式系统显示设备标识码信息M′和真伪信息。如果用户质疑鉴别设 备本身，可通过网络、移动互联网、电话等方式查询设备标识码信息和设备 所属者信息。

三、防伪信息发布和鉴别方法

本发明的最终目的是在普通纸张上发布防伪信息和鉴别纸张信息的真 伪。防伪信息的发布和纸张真伪鉴别都需要由嵌入式系统参与完成。原理和 方法如下：

(1)防伪信息发布的方法：如图7左框图所示。首先，对需要防伪保护 的纸张进行定位、图像采集、纸张识别，得到纸张识别码N；由单向函数F 计算出密钥K＝F(N)；图7中设备唯一标识码M是用于区分设备的“全球设 备唯一标识码”，由嵌入式电路板中的ESAM芯片31存储固化，不可更改。 将设备标识码M用密钥K和DES加密算法进行加密，E_K(M)＝C，得到密 文C；将纸张喂入方式标记S、C和M作为发布的防伪信息打印在受保护的 纸张上(特殊用户也可以先转换成条形码后再打印在纸张上)，发布过程就结 束了。

(2)纸张鉴别的方法：方法如图7右框图所示。用户将打印在纸张上的 防伪码C和设备标识M用手工方式输入(特殊用户若使用转换的条形码则用 条形码输入设备输入)到嵌入式系统；对当前需要鉴别的纸张使用喂入方式 S进行纸张识别，得到当前纸张识别码N′；由相同的单向函数F计算出密钥 K′＝F(N′)；使用密钥K′对防伪码C用DES解密算法进行解密，得到明文 M′；比较M′和M是否相同，如果相同则为真，否则，为伪造；并通过嵌入 式系统显示设备标识码信息M′和真伪信息。如果用户质疑鉴别设备本身，可 通过网络、移动互联网、电话等方式查询设备标识码信息和设备拥有者信息。

上述三项关键技术的具体实施步骤：

第一步：定点图像采集过程：

(1)将纸张的一个边角(通常为直角)喂入到纸张定位机构，喂入方式 可采用左喂入(图3(a))或右喂入方式(如图3(b))。

(2)用刻画在定位板上的“辅助定位线”16和“定位支撑帽”18定位 纸张的边沿，使纸张固定在确定的位置。定位板玻璃4和盖板玻璃3用于夹 紧纸张，同时又使得纸张位置可以作微量调整。

(3)定位机构的LED灯2安装在显微机构和图像采集机构的光学中心 轴线位置，以使定位点得到准确的光源照射。

(4)依靠导向件6完成图像定点采集的位置微调。方法是在导向件的六 个导向修正螺栓孔7内旋入螺栓，则光学中心轴线就由这些导向螺栓的紧固 程度决定。

(5)光线透过纸张，经过光学显微机构中的物镜8、物镜连接件9、连 接筒10和目镜11，再经图像传感透镜12部件投射在图像传感器成像面板上， 最终由嵌入式系统电路14得到定位点的纸张显微图像。

第二步：纸张识别：

获得的微米级纤维图像由装置中的嵌入式系统分析处理。嵌入式处理系 统的处理方法和过程如下：

由可编程控制器CPLD26控制图像采集模块23)采集图像数据，在FIFO 缓冲通道22中进行缓存后，再存入DRAM25中，由DSP21进行分析处理。 也就是对采集到的纸张显微图像进行分析，采用图像处理技术提取纤维图像 特征，以主要特征点的相对位置、拓扑结构等特性消除由于光学系统带来的 图像平移、旋转和缩放的影响。用统计或模式识别等分类算法计算出“纸张 识别码N”。

第三步：防伪信息发布和纸张真伪鉴别：

(1)发布过程：任意选择单向函数F，由单向函数F计算出密钥K＝F(N)； 对装置的设备唯一标识码M使用密钥K进行DES加密：E_K(M)＝C，得到 密文C；将C和M及喂入方式S作为防伪信息打印在受保护的纸张上。

(2)鉴别过程：手工输入(若已转化为条形码，则用条形码或其它设备 输入)纸张上打印的防伪信息C和M，装置对当前需要鉴别的纸张以喂入方 式S进行纸张识别，得到当前纸张识别码N′；由相同的单向函数F计算出密 钥K′＝F(N′)；使用密钥K′对当前纸张识别码N′用DES解密算法进行解密， 得到明文M′；比较M′和M是否相同，如果相同则为真，否则，为伪造；通 过嵌入式系统显示设备标识码信息M′和真伪信息。由于每一个设备都有全球 唯一“设备标识码M”(由本发明装置生产时预先存储在ESAM31中)，将“设 备标识码”连同设备所有者信息进行建档、存入查询数据库中。如果用户质 疑设备标识号本身，可通过互联网、传真、电话等方式查询档案以辨别真伪。