多光谱伪钞检测系统及其检测方法

摘要

本发明公开了一种多光谱伪钞检测系统及其检测方法，该检测系统包括线阵光源系统和线阵探测系统；线阵光源系统中安装有多光谱光源；线阵探测系统中集成了用于探测宽谱带光强信号的光电探测器，多光谱光源发出的光线照射在钞票表面，经钞票反射或透射后到达线阵探测系统，线阵探测系统内部的光电探测器将光强信号转换为电学信号后发送到上位机。该检测方法是：通过多光谱的线状光源扫描钞票，获取多光谱的反射或透射图像，通过比对待检测钞票与真钞票之间的光谱图像的差别，完成钞票鉴别的工作。本发明可以很好的识别“变造币”和“拼接币”，相较于现有技术识别更精确。

说明书

技术领域

本发明涉及光子学和信息科学的交叉技术领域，特别涉及一种多光谱伪钞 检测系统及其检测方法。

背景技术

货币是当今社会生活中的重要基石。伪钞的识别关系到大众的生活福祉。 然而，如今的伪钞制作方法层出不穷。在“完整”的伪钞制作以外，“变造币” 和“拼接币”也甚嚣尘上，并在一段时间内“欺骗”了银行ATM机。为了更好 的识别伪钞，人们提出了许多方案。光学方法由于其简单实用的特点备受亲睐。 然而，简单的利用光强（图像）信息，在许多情况下，无法提供最全面的信息。 物体的光谱信号可提供更全面的物体本质信息。因此，如何能够更加准确的识 别伪钞成为一个极具实用价值的研究课题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多光谱伪钞 检测系统，该系统通过采用多光谱线阵光源与线阵探测器，能够采集更多钞票 光谱图像的信息，从而更有利于识别伪钞。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述检测系统的检测方法，该检测方 法通过使用多光谱的光源照射，对钞票的反射式/透射式的多光谱图像进行采 集，具有识别准确的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：多光谱伪钞检测系统，包括线阵 光源系统和线阵探测系统；线阵光源系统中安装有多光谱光源；线阵探测系统 中集成了用于探测宽谱带光强信号的光电探测器；多光谱光源发出的光线照射 在钞票表面，经钞票反射或透射后到达线阵探测系统，线阵探测系统内部的光 电探测器将光强信号转换为电学信号后发送到上位机。

具体的，所述线阵光源系统包括光源安装座和第一平凸柱透镜，光源安装 座长边细分出N₁个子区域，每个子区域内安装S个光源；第一平凸柱透镜的平面 紧贴光源安装座的长边。

具体的，所述线阵探测系统包括探测器安装座和第二平凸柱透镜，探测器 安装座长边上细分出N₂个子区域，每个子区域内安装T个探测器，在其中的若 干个探测器的工作面上安装有滤光片；第二平凸柱透镜的平面紧贴探测器安装 座的长边。

优选的，若多光谱光源发出的光线是通过钞票反射到达线阵探测系统，则 线阵光源系统和线阵探测系统设于待测钞票的同一侧，所述线阵光源系统中每 个子区域内安装1个白光光源；所述线阵探测系统中每个子区域内安装3个探 测器，且3个探测器的工作面上分别安装红色、绿色、蓝色滤光片。采用反射 的探测方式，可以很好的识别“拼接币”中的胶带等，进而识别伪钞。

优选的，若多光谱光源发出的光线是通过钞票透射到达线阵探测系统，则 线阵光源系统和线阵探测系统设于待测钞票不同侧，所述线阵光源系统中每个 子区域内安装3个光源，3个光源颜色分别为红色、绿色、蓝色；所述线阵探测 系统中每个子区域内安装1个探测器。采用透射的探测方式，可以很好的识别 有一表面为伪造的“变造币”等，进而识别伪钞。

在通过上述检测系统获得钞票的光谱图像信息后，在上位机对图像信息进 行处理，识别出是否是伪钞。本发明的识别方法是基于多光谱特征分类技术的 伪钞检测方法，包括步骤：

（1）训练过程：

（1-1）通过多光谱光源扫描真钞，每扫描一次得到一测量向量；使用不同 的真钞重复扫描若干次，得到一标准矩阵；

（1-2）通过多光谱光源扫描假钞，得到一假钞的测试向量，将此测试向量 与标准矩阵中的所有测量向量逐个比较，计算与每个测量向量在范式空间中的 差异值，取其中的最小值作为该测试向量对应的差异值；使用不同的假钞重复 扫描若干次，得到一差异值向量，取该向量中的最小值作为阈值；

（2）新钞票的真伪判定过程：扫描新钞票，获得当前测量向量，将此当前 测量向量与标准矩阵中的所有测量向量逐个比较，取所有范式空间中差异值的 最小值作为该当前测量向量对应的差异值；若此差异值大于阈值，则认为此新 钞票为假钞，否则认为是真钞。

优选的，还包括步骤：

（1-3）根据假钞的测试向量与标准矩阵中的所有测量向量的比较结果，得 到不同光谱对差异值的贡献权重，根据贡献权重，对光谱对应的光源的光强或 者线阵探测器中的颜色平衡参数进行调整，使其比值与贡献权重相同；然后重 复步骤（1-1）、（1-2），获得新的标准矩阵和阈值。

优选的，所述步骤（1-2）、（2）中两个向量间范式空间中的差异值的获取方 法定义如下；Dev=||U×I_i-U×I_M||，其中，Dev为要求取的范式空间中的差异值， I_i为标准矩阵中第i列的向量，I_M为待比较的向量，通过主成分分析方法，获得 特征向量矩阵U，用于提取I_i和I_M向量的特征向量。

所述的贡献权重由以下方法获取：其中Tn表示标准 矩阵中的列数。

更具体的，所述检测方法是：

（1）训练过程：

(1-1)多光谱光源发出线状白光光线，光线扫描到真钞后，将反射或透射到 线阵探测系统，线阵探测系统一次扫描的结果定义为一维列向量I_e;i；线状光线 连续扫描钞票表面，总的探测结果定义为总测量矩阵矩阵的维度 为N×(w×M₂)；其中，N为验钞过程中线状光源在钞票表面的扫描次数，w为系 统中可探测的光谱数目，M₂为线阵探测系统中探测元件的数目；将总测量矩阵 重排，组成一个新的一维列向量I：其维度为 (N×wM₂)×1，命名为测量向量；

（1-2）随机选择T张真钞，重复步骤(1-1)的过程，依次获取测量向量，所 有的测量向量组合为标准矩阵：[I₁,I₂,...,I_T]，其中I_i表示第i次测量获取的测量向 量；

（1-3）使用假钞，根据步骤(1-1)的方式进行扫描，获取测试向量I_S,i；将测 试向量I_S,i与标准矩阵[I₁,I₂,...,I_T]中的所有测量向量逐个比较，获得范式空间中的 最小差异值Dev_i；

（1-4）使用不同的假钞，重复步骤（1-3），比较假钞的测试向量I_S与标准 矩阵[I₁,I₂,...,I_T]，获得范式空间中的最小差异值Dev，将所有的假钞对应的最小 差异值Dev定义为一维行向量L：[Dev₁,Dev₂,...,Dev_S]，其中S为使用的假钞的数目， Dev_j代表第j次测量假钞时获取的差异值；取[Dev₁,Dev₂,...,Dev_S]中最小值作为阈 值L_th；

（1-5）根据步骤（1-4）中假钞的测试向量I_S与标准矩阵[I₁,I₂,...,I_T]之间的 比较，同时获知各光谱对差异值Dev的贡献权重，根据贡献权重，改变光源中不 同颜色之间的强度比例，或调整探测器中的颜色平衡参数，然后重复步骤(1-1)- 步骤（1-4），获取新的标准矩阵[I₁,I₂,...,I_T]和阈值L_th；

（2）新钞票的真伪判定过程：利用多光谱光源扫描新钞票，获取一维测量 向量I_M，对一维测量向量I_M与步骤（1-5）获得的标准矩阵[I₁,I₂,...,I_T]进行逐一 比较，获得最小差异值L_M；若该差异值大于阈值L_th，则认为该钞票为假钞，反 之，则认为该钞票为真钞。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过采用多光谱光源照射，可以使获得的钞票信息更加全面，更 有利于后面的真伪识别。

2、本发明装置中，根据反射或透射检测方式的不同，线阵光源系统和线阵 探测系统的结构也可进行调整，检测方式更多样，使用更方便。

3、本发明方法可以很好的识别“变造币”和“拼接币”，如果采用反射式 探测方式，可以很好的识别“拼接币”中的胶带；而采用透射式探测方式，可 以很好的识别有一表面为伪造的变造币”。相较于现有技术识别更精确。

附图说明

图1是实施例1采用反射式检测方式时的结构原理示意图；

图2（a）是实施例1中线阵光源系统的侧视图；

图2（b）是实施例1中线阵光源系统的主视图；

图3（a）是实施例1中线阵探测系统的侧视图；

图3（b）是实施例1中线阵探测系统的主视图；

图4是实施例1的方法流程图；

图5是实施例2采用透射式检测方式时的结构原理示意图；

图6是实施例2中线阵光源系统的主视图；

图7是实施例2中线阵探测系统的主视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例多光谱伪钞检测系统采用反射式检测方式，线阵光 源系统1和线阵探测系统2设于待测钞票3的同一侧。

本实施例中，线阵光源系统1的结构如图2（a）、2（b）所示，其包括光源 安装座11和第一平凸柱透镜12，第一平凸柱透镜12的平面紧贴光源安装座11 的长边。光源安装座11长边细分出N₁个子区域14，每个子区域14内安装1个 白光光源13。在实际应用中也可以采用多个不同光谱（颜色）的小光源元件。

本实施例中，线阵探测系统2的结构如图3（a）、3（b）所示，其包括探测 器安装座21和第二平凸柱透镜22，第二平凸柱透镜22的平面紧贴探测器安装 座21的长边。探测器安装座21长边细分出N₂个子区域24，每个子区域24内 安装3个探测器23，且最上方的探测器工作面安装有红色滤光片，左下方探测 器工作面安装有绿色滤光片，右下方探测器工作面安装有蓝色滤光片。

图1中虚线箭头代表线阵光源系统发出的线状光线的传播方向，实线箭头 代表经钞票反射的光线的传播方向。沿着右下方运动的方形代表钞票，钞票上 有一线状区域被聚焦的线状光线照明。线阵光源系统发出的光线，经过第一平 凸柱透镜后聚焦为线状光线，照射在钞票上，经钞票反射后，由线阵探测系统 所检测。钞票在运动过程中，被线状光源所扫描，其表面信息全部由线阵探测 系统获得。

如图4所示，本实施例中检测方法如下：

一、训练阶段

步骤1：线阵光源中发出线状白光光线，光线照射到真钞后，将反射到相应 的线阵探测系统上。线阵探测系统可同时获取红、绿、蓝三种颜色的光强信息， 记为单次测量矩阵[I_eR;1,I_eG;1,I_eB;1]，该矩阵分为三部分，分别对应红、绿、蓝三种 颜色的反射光强信息。该矩阵的列向量维度为N₂，即线阵探测系统中子区域的 数目。光线扫描钞票的全部表面，获得总测量矩阵[I_eR;1,I_eG;1...I_eB;N]，其中N为光线 在钞票上的扫描次数，将该矩阵重排成一个新的列向量：I，其维度为(N×3N₂)×1， 定义为测量向量。

步骤2：采用不同的真钞重复上述过程，一旦重复扫描的次数达到指定次数 T次，则停止扫描，获取测量向量的组合，定义为标准矩阵：[I₁,I₂,...,I_T]。

步骤3：使用假钞票，根据训练阶段中的步骤1的方式进行测试。获取测试 向量I_S,i。将测试向量I_S,i与标准矩阵[I₁,I₂,...,I_T]中的所有向量逐个比较，获得最小 的范式空间中的差异值Dev_i。

步骤4：使用大量不同的假钞票，重复步骤3，比较假钞的测试向量与标准 矩阵，获得范式空间中的差异值Dev：Dev=[Dev₁,Dev₂,...,Dev_S]，其中S为使用的 假钞的数目，Dev_j代表第j次测量假钞时获取的差异值。取[Dev₁,Dev₂,...,Dev_S]中 最小值作为阈值L_th。

步骤5：根据步骤4中假钞的测试向量I_S与标准矩阵[I₁,I₂,...,I_T]之间的比较， 同时获知对差异值贡献最大的光谱分量，定义为最佳光谱分量。若此时的C分量 对差异值的贡献最大，可提高线阵探测器中C分量强度因子，然后重复步骤1- 步骤4，获取新的标准矩阵[I₁,I₂,...,I_T]和阈值L_th。所述C分量是红、绿、蓝三种 光谱分量中的一种。

二、新钞票的识别阶段

步骤6：利用多光谱线状光线扫描待检测的钞票，根据步骤1的方法，使用 线状光线扫描钞票，获取一维测量向量I_M，对I_M与步骤5获得的标准矩阵 [I₁,I₂,...,I_T]进行逐一比较，获得最小差异值L_M；若该差异值大于阈值L_th，则认为 该钞票为假钞，反之，则认为该钞票为真钞。

所述步骤3和步骤6中的两个向量的范式空间差异值的获取方法定义如下； Dev=||U×I_i-U×I_M||，其中I_i为标准矩阵中第i列的向量，I_M为待比较的向量，通 过主成分分析方法，可以获得特征向量矩阵U，用于提取I_i和I_M向量的特征向量。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：

如图5所示，本实施例多光谱伪钞检测系统采用透射式检测方式，线阵光 源系统1和线阵探测系统2设于待测钞票3的不同侧。

本实施例中，线阵光源系统1的结构如图6所示，其每个子区域14内安装 3个LED光源。其中最上方的光源为红色LED，左下方光源为绿色LED，右下 方光源为蓝色LED。线阵探测系统2的结构如图7所示，其每个子区域24内安 装1个探测器23。光源安装座长边细分出N₁个子区域14，探测器安装座长边细 分出N₂个子区域24，

图5中虚线箭头代表线阵光源系统发出的线状光线的传播方向，实线箭头 代表经钞票透射的光线的传播方向。沿着右下方运动的方形代表钞票，钞票上 有一线状区域被聚焦的线状光线照明。线阵光源系统发出的光线，经过第一平 凸柱透镜后聚焦为线状光线，照射在钞票上，经钞票透射后，由线阵探测系统 所检测。

本实施例中检测方法如下：

一、训练阶段

步骤1：线阵光源中三种不同颜色（光谱）的LED快速的交替发光，线阵探 测系统可依次同步的获得透射光谱，记为单次测量矩阵[I_eR;1,I_eG;1,I_eB;1]。该矩阵的 列向量维度为N₂，即线阵探测系统中子区域的数目。光线扫描钞票的全部表面， 获得总测量矩阵[I_eR;1,I_eG;1...I_eB;N]，其中N为光线在钞票上的扫描次数，将该矩阵重 排成一个新的列向量：I，其维度为(N×3×N₂)×1，定义为测量向量。

步骤2：上述过程重复T次，获得标准矩阵：[I₁,I₂,...,I_T]。

步骤3：使用假钞票，根据训练阶段中的步骤1的方式进行测试。获取测试 向量I_S,i。将测试向量I_S,i与标准矩阵[I₁,I₂,...,I_T]中的所有向量逐个比较，获得范式 空间中的差异值Dev_i。

步骤4：使用大量不同的假钞票，重复步骤3，比较假钞的测试向量与标准 矩阵，获得范式空间中的差异值Dev：Dev=[Dev₁,Dev₂,...,Dev_S]，其中S为使用的 假钞的数目，Dev_j代表第j次测量假钞时获取的差异值。取[Dev₁,Dev₂,...,Dev_S]中 最小值作为阈值L_th。

步骤5：根据步骤4中假钞的检测结果与标准矩阵之间的比较，同时获知Ct 个不同颜色的LED光源对差异值的贡献权重[w₁,w₂,w₃]，根据贡献权重，调整3 个不同颜色的LED光源的光强，使其比值与贡献权重相同，然后重复步骤1-步 骤4，获取新的标准矩阵[I₁,I₂,...,I_T]和阈值L_th。

二、新钞票的识别阶段

步骤6：利用多光谱线状光线扫描待检测的钞票，根据步骤1的方法，使用 线状光线扫描钞票，获取一维测量向量I_M，通过算法比较I_M与步骤5获得的测 量向量组合[I₁,I₂,...,I_T]进行逐一比较，获得最小差异值L_M；若该差异值大于阈值 L_th，则认为该钞票为假钞，反之，则认为该钞票为真钞。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。