СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАЩИТЫ ДОКУМЕНТОВ
METHOD AND DEVICE FOR PROTECTING DOCUMENTS

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для обеспечения защиты документов. Его целями являются, в частности, однозначная идентификация документов, их аутентификация, т.е. обеспечение способности к распознаванию их копий, и/или передача на документе информации относительно данного документа, например идентификационной информации о правообладателе прав интеллектуальной собственности, присоединенных к документу, и/или о месте его изготовления. Термин "документ" относится к любому носителю информации, например к бумажным документам, плоским документам, упаковке, готовым изделиям, литым изделиям и картам, например идентификационным или банковским.
Известны два вида печати на документах: первый, называемый аналоговым, согласно которому каждый документ получает одну и ту же печатную маркировку, например способ аналоговой офсетной печати, и второй называемый промышленным цифровым (серийным), согласно которому на каждый документ наносят индивидуализированную информацию, например способ струйной печати, управляемой индивидуализационной программой, и способ печати серийного номера.
При офсетной печати, являющейся одним из самых распространенных способов печати на футлярах и упаковках, для каждого цвета, используемого при печати документа, получают печатную форму, содержание которой используется при печати сотни тысяч и даже миллионы раз. В этом случае одно и то же содержание, заключенное в печатной форме, печатается на каждом документе при каждой операции печати. Другими примерами аналоговой печати являются флексографическая, типографская и ротационная глубокая печать. При аналоговой печати индивидуальная идентификация документов, в принципе, является невозможной, поскольку при печати каждый раз наносится одна и та же маркировка. Кроме того, поскольку в данном виде печати используют аналоговые процессы, точное число отпечатанных документов труднее контролировать. Поэтому существенным является риск изготовления подделок путем печати большего количества документов по сравнению с количеством, санкционированным правообладателем. В связи с указанным возникает проблема обеспечения соблюдения количества операций печати, указанного в заказе на изготовление, и часто меньшего предельного количества копий, изготовление которых возможно с применением данной печатной формы. Кроме того, возникает проблема предотвращения попадания в руки изготовителей подделок неиспользованных оттисков (начала или конца серии, брака, аннулированных заказов и т.д.), а также печатных форм, пленок и других объектов, позволяющих воспроизводить документы. Промышленная цифровая печать, обеспечивающая точную и однозначную идентификацию каждого документа, обычно является более предпочтительной по сравнению с аналоговой. Поскольку при серийной цифровой печати каждый идентификационный элемент печатается только один раз, считывание дубликата элемента идентификации может сигнализировать о подделке. Под дубликатом понимается элемент идентификации, идентичный прежде считанному элементу идентификации.
В общем случае для защиты маркировок, предназначенных для защиты от копирования и/или идентификации, необходимо обеспечить защиту нескольких участков: файла исходных данных, возможно, содержащего его файла настольной издательской системы, и, кроме того, в случае офсетной печати - печатных форм и, возможно, пленки.
Является возможным выполнение эквивалента серийной печати маркировки, предназначенной для защиты от копирования, на изделии, на котором уже выполнена аналоговая печать, путем последующей печати уникального кода или серийного номера в явном или, предпочтительно, в зашифрованном виде.
Подобная серийная печать может быть выполнена, например, в форме 2D-штрихкода. На первый взгляд, подобный способ позволяет индивидуально отслеживать каждый документ при создании надежного средства распознавания копий. Фальшивые документы, на которые не нанесено серийное печатное изображение, в этом случае не имеют действительного элемента идентификации.
Однако подобный подход не дает полного решения проблем. В самом деле, даже в случае невозможности идентификации злоумышленником поддельных документов аналогично возможному для изготовителя подлинника, уникальный код, напечатанный путем серийной печати на принтере, как правило, имеющем ограниченное качество печати, не является защищенным от копирования.
Таким образом, изготовитель подделок, обладающий документами, подлежащими идентификации на подлинность, может скопировать один или несколько действительных кодов и повторно скопировать их на документы, подлежащие идентификации как подлинные. Известны многие способы, в которых для определения характеристик и однозначной идентификации каждого документа используют измеримые физические характеристики.
Обычно выбранные измеримые физические характеристики имеют случайную природу и по состоянию науки и техники на сегодняшний день не могут быть скопированы, по меньшей мере, коммерчески выгодным путем. Подобные способы позволяют осуществлять контроль над всей совокупностью документов, рассматриваемых как "действительные"; таковыми рассматриваются только документы, физические характеристики которых, составляющие уникальную совокупность, введены в память.
Например, в патенте США US 4423415 описан способ, обеспечивающий идентификацию листа бумаги согласно его местным характеристикам прозрачности.
Некоторые другие способы основаны на установлении уникальных и невоспроизводимых физических свойств материала для создания уникальной и не способной к переносу подписи данного документа. Например, публикация РСТ WO 2006/ 016114 и заявка на патент США US 2006/104103 основаны на определении дифракционной картины, индуцированной воздействием излучения лазера на заданный участок объекта.
Хотя решение вышеуказанных проблем в данных заявках является интересным, подходы, основанные на считывании подписи с материала, трудно применять по нескольким причинам. Во-первых, запись подписей в ходе изготовления документов требует дорогостоящего оптического считывающего устройства, с трудом интегрируемого в производственный процесс. Кроме того, последний должен работать в очень высоком темпе. Как правило, оказывается, что подобные технологии являются применимыми только в мелкосерийном производстве. Кроме того, считывающее устройство, используемое на местах при проверке подлинности, для многих областей применения является слишком дорогостоящим. Оно также является громоздким и неудобным в работе, в то время как контроль на местах часто должен выполняться быстро и четко. Наконец, извлечение подписи из всех без исключения материалов является невозможным; в частности, исключениями являются стекло и объекты со слишком сильными отражательными свойствами, по меньшей мере в случае использования измерений дифракции излучения лазера.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных неудобств и, в частности, трудностей и пределов применимости известных способов идентификации, основанных на уникальных физических свойствах материала документа.
Цифровые аутентификационные коды, также называемые далее CNA, представляют собой цифровые изображения, которые однократно наносят на подложку, например, путем печати или местного изменения подложки и которые созданы таким образом, что некоторые из их свойств, обычно пригодных для автоматического измерения исходя из захваченного изображения, изменяются в случае копирования нанесенного изображения. Цифровые аутентификационные коды обычно основаны на искажении одного или нескольких сигналов, чувствительных к копированию, на этапе копирования, причем сигнал исходит от элементов изображения, обладающих измеримыми характеристиками, чувствительными к копированию. Некоторые типы цифровых аутентификационных кодов также могут содержать информацию, позволяющую идентифицировать или отслеживать содержащий его документ.
Существует несколько типов цифровых аутентификационных кодов. Узоры для распознавания копий, далее также называемые MDC, являются плотными изображениями, обычно псевдослучайной природы. Принцип их считывания основан на сравнении изображений путем измерения коэффициента сходства (или различия) между узором и узором, захваченным, например, устройством захвата изображений: если захваченный узор является копией, коэффициент сходства окажется меньшим, чем в случае подлинника.
Защищенные информационные матрицы, далее также называемые MIS, представляют собой, как и 2D-штрихкоды, изображения, созданные для надежной передачи большого количества информации. Однако в противоположность 2D-штрихкодам защищенные информационные матрицы являются чувствительными к копированию. При считывании производится измерение коэффициента ошибок кодированного сигнала, полученного из матрицы; коэффициент ошибок является более высоким для копий по сравнению с подлинниками, что позволяет отличить копии от подлинных оттисков.
Если узоры для распознавания копий и защищенные информационные матрицы не маркированы особым образом, например невидимыми чернилами, указанные элементы идентификации являются видимыми. Кроме того, нанесение на них невидимой маркировки не всегда является возможным по технологическим причинам или из-за высокой цены. Заметность маркировки, предназначенной для защиты от копирования, может представлять собой недостаток в эстетическом плане и, в некоторых случаях, в плане защиты, так как изготовителю подделок становится известно о существовании маркировки.
Также существуют цифровые аутентификационные коды, являющиеся невидимыми естественным образом или по меньшей мере трудными для визуального обнаружения.
Например, некоторые цифровые филиграни (известные под названием водяных знаков), включенные в печатные изображения, созданы таким образом, что при воспроизведении печатного изображения, например при фотокопировании, они повреждаются. Измерение степени искажения цифровой филиграни, менее высокого для подлинного оттиска по сравнению с его копией, позволяет распознавать указанные копии.
Сравнение нескольких филиграней с различной степенью чувствительности к копированию позволяет при сопоставлении соответствующих уровней энергии распознавать копии. Однако интеграция цифровых филиграней в процесс изготовления документов является более сложной, что ограничивает их использование: в самом деле, в противоположность узорам для распознавания копий и защищенным информационным матрицам цифровая филигрань не может быть просто "добавлена" к изображению; в реальности она является сложной функцией добавляемого сообщения и подлинного изображения, причем энергия цифровой филиграни на ее участках изменяется в зависимости от маскирующей способности подлинного изображения. Введение цифровой филиграни в документы или изделия связано с передачей исходного изображения на центральное устройство маркировки/печати, интегрирующее цифровую филигрань и возвращающее маркированное изображение. Подобная процедура применяется редко по причине размера файлов, часто очень большого, и связанных с ней проблем защиты изображения. Напротив, при нанесении маркировки/печати с применением узора для распознавания копий или защищенной информационной матрицы исходное изображение не должно передаваться на центральное устройство маркировки/печати; напротив, изображение узора для распознавания копий или защищенной информационной матрицы, обычно имеющее очень малый размер, например в несколько килобайт, передается обладателю файлов изображений, наносимых на документ или продукт. Кроме того, считывание цифровых филиграней особенно трудно стабилизировать, что делает распознавание копии по отношению к подлиннику более сомнительным. В самом деле, риск ошибки при использовании цифровых филиграней по сравнению с узорами для распознавания копий и защищенными информационными матрицами обычно существенно выше. Также известны способы пространственной маркировки с асимметричной модуляцией, далее также называемой MSMA, подобные описанным в публикации РСТ WO 2006/ 087351 и патенте Швейцарии 694233. Как и цифровые филиграни, MSMA допускают невидимую или по меньшей мере скрытую маркировку документов. MSMA обычно являются узорами из точек, добавляемыми к маркируемому документу в качестве дополнительного слоя. Например, в случае применения способа офсетной печати документ допечатывается печатной формой, содержащей только MSMA. Кроме того, MSMA легче интегрировать в процесс изготовления документов, чем цифровые филиграни, поскольку наличие исходного изображения на центральном устройстве маркировки/печати не является необходимым. В то же время в противоположность узорам для распознавания копий и защищенным информационным матрицам MSMA обычно требуют дополнительных печатной формы и чернил, что делает их использование более сложным и дорогостоящим. Кроме того, как и в случае цифровых филиграней, способы идентификации MSMA могут быть неточными. Известно, что нанесение маркировки/печать порождает неточности аналоговой природы, связанные с точным положением маркировочного изображения. Подобные неточности, размер которых составляет порядка одной печатной точки и даже менее, при значительном размере содержащей маркировку поверхности оказывают влияние на процесс распознавания копий, которым нельзя пренебречь. Однако способы распознавания MSMA, основанные на автокорреляции и перекрестной корреляции, не могут учитывать подобные неточности положения. Это увеличивает неточности при считывании маркировки и, как следствие, снижает способность распознавания подлинников и копий.
При захвате планшетными сканерами, обеспечивающими большую поверхность захвата при одновременном достаточно высоком разрешении захвата, MSMA позволяют распознавать простые копии, в частности фотокопии, и даже копии высокого качества, изготовленные с использованием сканеров высокой точности или высокого разрешения с последующей перепечаткой. В то же время MSMA обеспечивают ограниченную защиту от копирования специалистами по изготовлению подделок. В самом деле, после регистрации изображения высокого разрешения изготовитель подделок может использовать средства ручной обработки изображений, например Photoshop (зарегистрированная торговая марка), возможно, в сочетании со средствами автоматизированной обработки изображений (например, Matlab - зарегистрированная торговая марка), для восстановления всех зарегистрированных точек в их исходной форме. В случае высококачественных копий точки в копии маркировки не окажутся менее яркими, чем в подлинной маркировке, и вероятность того, что копия не окажется распознанной, окажется очень высокой. Таким образом, специалист по изготовлению подделок, вообще говоря, может точно повторить информацию, содержащуюся в MSMA, что не позволяет рассматривать данный способ как обеспечивающий защиту в течение долгого времени.
При применении наиболее распространенных способов печати (в частности, офсетного способа) MSMA (и другие цифровые аутентификационные коды) печатаются аналоговым способом. Поскольку типы печати, чаще всего используемые для MSMA и цифровых аутентификационных кодов, являются аналоговыми, варьирование маркировки и содержащегося в ней сообщения при каждой операции печати является невозможным.
Таким образом, существует потребность в обеспечении возможности получения характеристик и, как следствие, однозначной идентификации каждого оттиска одного и того же исходного изображения. Также существует потребность в идентификации печатной формы, использованной для изготовления документа, с целью осуществления отслеживания упомянутых документов. Настоящее изобретение призвано устранить все упомянутые выше недостатки или их часть.
В связи с этим первым аспектом настоящего изобретения предложен способ обеспечения защиты документов, отличающийся тем, что он включает в себя:
- этап печати на упомянутом документе распределения точек, причем при упомянутой печати вследствие случайностей при печати в каждой точке возникает непредвиденное изменение по меньшей мере одной геометрической характеристики напечатанных точек;
- предшествующий упомянутому этапу печати этап формирования упомянутого распределения точек, выполняемый таким образом, чтобы точки упомянутого распределения обладали по меньшей мере одной геометрической характеристикой, изменяющейся от точки к точке, причем геометрическая амплитуда сформированного изменения имеет порядок величины упомянутого непредвиденного изменения. Благодаря упомянутым средствам с момента формирования цифрового изображения изменения вызывают дефекты при печати. Стало быть, потенциальный изготовитель подделок не может распознать дефекты, вызванные печатью сформированных изменений. Он также не может исправить их с целью получения подлинника, идентичного сформированному цифровому изображению.
Согласно отличительным признакам изобретения на этапе формирования распределения точек геометрическая амплитуда сформированного изменения является меньшей размера точек.
Таким путем повышается эффективность способа, являющегося объектом настоящего изобретения. Согласно отличительным признакам изобретения на этапе формирования распределения точек формирование распределения точек выполняют в зависимости от непредвиденного изменения используемой системы печати. Здесь следует отметить, что изменение, вызванное печатью, для каждой из упомянутых точек является непредвиденным, однако статистический анализ позволяет найти его среднюю амплитуду, которая является относительно стабильной.
Согласно отличительным признакам изобретения точки на этапе формирования распределения точек обладают по меньшей мере одной изменяющейся геометрической характеристикой, причем упомянутое изменение в упомянутом распределении точек не повторяется.
Таким путем затрудняется определение того, какие точки подверглись изменениям вследствие наличия непредвиденного изменения при печати.
Согласно отличительным признакам изобретения на этапе формирования стороны по меньшей мере половины точек упомянутого распределения точек не являются смежными с четырьмя другими точками упомянутого распределения точек.
Согласно отличительным признакам изобретения на этапе формирования распределения точек более половины точек не касаются никакой другой точки упомянутого распределения.
Благодаря каждому из упомянутых средств избегают снижения эффективности настоящего изобретения вследствие взаимного влияния оттисков смежных точек.
Согласно отличительным признакам изобретения упомянутое сформированное изменение соответствует изменению положения точек по меньшей мере в одном направлении по отношению к положению, в котором центры точек являются выровненными по параллельным линиям, перпендикулярным упомянутому направлению, и отстоящими друг от друга в данном направлении по меньшей мере на один размер упомянутых точек. Согласно отличительным признакам изобретения упомянутое сформированное изменение соответствует изменению по меньшей мере одного размера точек по меньшей мере в одном направлении относительно среднего размера упомянутых точек в данном направлении.
Согласно отличительным признакам изобретения упомянутое сформированное изменение соответствует изменению формы точек относительно средней формы упомянутых точек в данном направлении.
Согласно отличительным признакам изобретения на этапе формирования упомянутое распределение точек представляет кодированную информацию.
Таким путем осуществляют вставку сообщения в сформированное распределение точек.
Согласно отличительным признакам изобретения способ, являющийся объектом настоящего изобретения и подобный кратко изложенному выше, содержит этап захвата изображения напечатанного распределения точек и этап определения уникальной подписи упомянутого напечатанного распределения в зависимости от упомянутого непредвиденного изменения при печати.
Благодаря упомянутому средству оказывается возможной идентификация каждого отпечатанного документа.
Согласно отличительным признакам изобретения способ, являющийся объектом настоящего изобретения и подобный кратко изложенному выше, содержит этап определения характеристической величины для непредвиденного изменения при печати, причем этап формирования распределения точек зависит от упомянутой величины.
Согласно отличительным признакам изобретения способ, являющийся объектом настоящего изобретения и подобный кратко изложенному выше, содержит этап распознавания копии в зависимости от характеристической величины для непредвиденного изменения при печати, причем упомянутый этап распознавания копии содержит этап сравнения упомянутой характеристической величины с заранее определенным значением и этап принятия решения о подлинности документа в зависимости от результата сравнения.
Вторым аспектом настоящего изобретения предложено устройство для обеспечения защиты документов, отличающееся тем, что оно содержит:
- средство печати распределения точек на упомянутом документе, способное вызывать в каждой точке в ходе упомянутой печати вследствие случайностей при печати непредвиденное изменение по меньшей мере одной геометрической характеристики напечатанных точек;
- средство формирования упомянутого распределения, способное до печати формировать упомянутое распределение точек так, чтобы точки упомянутого распределения обладали по меньшей мере одной геометрической характеристикой, изменяющейся от точки к точке, причем геометрическая амплитуда сформированного изменения имеет порядок величины упомянутого непредвиденного изменения.
Третьим аспектом настоящего изобретения предложен способ считывания распределения точек на документе, отличающийся тем, что он содержит:
- этап захвата изображения упомянутого распределения точек;
- этап определения характеристической физической величины для геометрического изменения точек упомянутого распределения, причем по меньшей мере одно изменение геометрической характеристики по меньшей мере части точек упомянутого распределения точек имеет тот же порядок величины, что и среднее абсолютное значение непредвиденного изменения по меньшей мере одной геометрической характеристики напечатанных точек для каждой точки, причем упомянутое изменение является следствием случайностей при печати;
- этап определения подлинности упомянутого распределения точек в зависимости от упомянутой физической величины.
Четвертым аспектом настоящего изобретения предложено устройство для считывания распределения точек с документа, отличающееся тем, что оно содержит:
- средство захвата изображения упомянутого распределения точек;
- средство определения характеристической физической величины для геометрического изменения точек упомянутого распределения, причем по меньшей мере одно изменение геометрической характеристики по меньшей мере части точек упомянутого распределения точек имеет тот же порядок величины, что и среднее абсолютное значение непредвиденного изменения по меньшей мере одной геометрической характеристики напечатанных точек для каждой точки, причем упомянутое изменение является следствием случайностей при печати;
- средство определения подлинности упомянутого распределения точек в зависимости от упомянутой физической величины.
Пятым аспектом настоящего изобретения предложена программа, загружаемая в информационную систему, причем упомянутая программа содержит инструкции, обеспечивающие возможность осуществления способа, являющегося объектом настоящего изобретения и подобного кратко изложенному выше.
Шестым аспектом настоящего изобретения предложен носитель (устройство хранения) информации, считываемой переносным или стационарным компьютером или микропроцессором, хранящий инструкции компьютерной программы и отличающийся тем, что он обеспечивает возможность осуществления способа, являющегося объектом настоящего изобретения и кратко изложенного выше.
Поскольку преимущества, цели и отличительные признаки упомянутых устройства, способа считывания, компьютерной программы и носителя информации являются сходными с таковыми для способа обеспечения защиты, подобного кратко изложенному выше, они здесь не упоминаются. Другие преимущества, цели и отличительные признаки настоящего изобретения раскрываются в следующем далее описании, выполненном в пояснительных и ни в коей мере не в ограничительных целях в соответствии с приложенными чертежами, причем:
- на фиг.1 показана цифровая маркировка, увеличенная примерно в 20 раз;
- на фиг.2 показана увеличенная маркировка, приведенная на фиг.1, после печати;
- на фиг.3 показана увеличенная фотокопия отпечатанной маркировки, показанной на фиг.2;
- на фиг.4 показана увеличенная высококачественная копия отпечатанной маркировки, показанной на фиг.2;
- на фиг.5 показан увеличенный узор из точек с изменяющимися характеристиками, причем изменяющейся характеристикой в данном случае является высота точек;
- на фиг.6 показан увеличенный примерно в 200 раз участок узора из точек с изменяющимися характеристиками, показанного на фиг.5, после печати;
- на фиг.7 показаны два увеличенных оттиска одного и того же узора из точек с изменяющимися характеристиками с постоянным размером точек до печати;
- на фиг.8 показана увеличенная защищенная информационная матрица, содержащая узор из точек с изменяющимися характеристиками в центре;
- на фиг.9 показана увеличенная защищенная информационная матрица, окруженная узором из точек с изменяющимися характеристиками;
- на фиг.10 показан увеличенный узор из точек с изменяющимися характеристиками, в четырех углах которого находятся по одной точке в окружении четырех соседних точек;
- на фиг.11 показан увеличенный узор из точек с изменяющимися характеристиками, содержащий линии из точек по четырем сторонам;
- на фиг.12 показан увеличенный участок узора из точек с изменяющимися характеристиками в форме решетки;
- на фиг.13 показано абсолютное значение двумерного Фурье-образа узора из точек с изменяющимися характеристиками, показанного на фиг.12;
- на фиг.14 показан увеличенный фрагмент узора из точек с изменяющимися характеристиками, содержащий кодированную информацию;
- на фиг.15 показана логическая схема частного случая варианта осуществления устройства, являющегося объектом настоящего изобретения;
- на фиг.16А-20 в виде логических схем проиллюстрированы этапы, осуществляемые в частных случаях реализации различных вариантов осуществления способа, являющегося объектом настоящего изобретения;
- на фиг.21 показан увеличенный фрагмент узора из точек с изменяющимися характеристиками высокой плотности;
- на фиг.22 показан увеличенный фрагмент узора из точек с изменяющимися характеристиками с градиентом размера точек;
- на фиг.23 в виде логической схемы проиллюстрированы этапы, осуществляемые в частном случае реализации способа, являющегося объектом настоящего изобретения;
- на фиг.24 показан увеличенный вид цифрового идентификационного узора, используемого в частных случаях реализации способа, являющегося объектом настоящего изобретения;
- на фиг.25 показан увеличенный цифровой идентификационный узор, показанный на фиг.24, напечатанный на объект в ходе первой операции печати в серии;
- на фиг.26 показан увеличенный цифровой идентификационный узор, показанный на фиг.24, напечатанный на объект в ходе второй операции печати в серии;
- на фиг.27 показан дискретный косинус-образ захваченного изображения одного из идентификационных узоров, показанных на фиг 25 и 26;
- на фиг.28А-28С в виде логических схем проиллюстрированы этапы, осуществляемые в частных случаях реализации способа, являющегося объектом настоящего изобретения;
на фиг.29 показаны распределения показателей двух групп идентификационных узоров, использованных в частных случаях реализации способа, являющегося объектом настоящего изобретения.
- на фиг.30 показано распределение точек, предназначенное для печати;
- на фиг.31 показано увеличенное изображение оттиска верхнего левого участка оттисков распределения точек, показанного на фиг.30;
- на фиг.32 показаны облака точек результатов измерений корреляции формы точек распределения точек, показанного на фиг.30;
- на фиг.33 показан график, полученный в ходе определения оптимального коэффициента ошибок, требуемого при печати;
- на фиг.34 в виде логической схемы показаны этапы, осуществляемые в способе определения печатной формы, использованной при печати документа.
Далее перед подробным описанием различных частных случаев реализации настоящего изобретения приводятся определения, используемые в описании:
- информационная матрица: физическое представление сообщения, обычно нанесенное на однотонную поверхность (в отличие от водяных знаков или цифровых филиграней, изменяющих характеристики пикселей печатаемого рисунка) и способное к машинному считыванию. Определение информационной матрицы охватывает, например, 20-штрихкоды, одномерные штрихкоды и другие средства представления информации, являющиеся менее общепринятыми, в том числе датаглифы (при маркировке данных);
- документ: любой объект (материальный), содержащий информационную матрицу;
- нанесение маркировки или печать: любой процесс, при котором происходит переход от цифрового изображения к его реальному воплощению (с вовлечением информационной матрицы, документа и др.), причем указанное воплощение обычно производится на поверхности и включает в себя струйную или лазерную печать, офсетную термическую печать, а также гравировку, лазерную гравировку, получение голограмм и др. Также указанное воплощение включает в себя более сложные способы, в том числе модельное литье, при котором цифровое изображение вначале гравируют на модели, затем отливают на каждом объекте. Следует отметить, что "литое" изображение может быть рассмотрено как имеющее три размерности в материальном мире, даже если его цифровое представление является двумерным. Следует также отметить, что некоторые из упомянутых способов включают в себя несколько трансформаций, например, классическая офсетная печать (в противоположность офсетной технологии "computer-to-plate") включает создание пленки, которая служит для создания печатной формы, которая в свою очередь используется при печати. Другие способы также позволяют печатать информацию в невидимой области либо с использованием частот, лежащих вне видимого спектра, либо путем записи информации внутрь поверхности и т.д.;
- идентификационный узор или MI: изображение, напечатанное исходя из исходного (цифрового) изображения, созданное и напечатанное таким образом, чтобы каждый из оттисков указанного изображения мог быть идентифицирован с большой вероятностью;
- уникальные характеристики: уникальные физические свойства идентификационного узора, позволяющие отличить его от любого другого оттиска того же исходного изображения;
- образ: совокупность значений измеренных характеристик, позволяющая охарактеризовать идентификационный узор и сравнить его с другими охарактеризованными идентификационными узорами;
- захват: любой способ, которым получают цифровое представление реального мира, в том числе цифровое представление материального документа, содержащего информационную матрицу;
- ячейка: участок узора из точек с изменяющимися характеристиками правильной, обычно прямоугольной, даже квадратной формы, в котором находится не более заранее заданного количества точек, причем указанное заранее заданное количество точек обычно равно единице за исключением особо отмеченных случаев;
- создаваемый пиксель: наименьший участок, рассматриваемый при создании узора из точек с изменяющимися характеристиками;
- точка: элементарный напечатанный участок очень небольшого, возможно переменного, размера, составляющий контраст с фоном, причем точка обычно является представлением одного или нескольких создаваемых пикселей;
- пиксель захвата или пиксель изображения: участок, изображение которого соответствует элементарной светочувствительной точке, или пикселю, устройства захвата изображений;
- порядок величины: физическая величина А имеет тот же порядок величины, что и физическая величина В, если значение А составляет от одной десятой до десяти, предпочтительно от одной второй до двух, значений В.
В вариантах осуществления настоящего изобретения, описанных ниже в соответствии с фиг.24-29, осуществляют:
- этапы 701-703 создания идентификационных узоров в цифровом виде;
- этапы 711-715 вычисления образа идентификационного узора (согласно одному из способов, изложенных далее);
- этапы 720-726 оптимизации печати идентификационных узоров;
- этапы 731-734 хранения и представления образов или уникальных характеристик документов;
- этапы 741-749 идентификации образа с использованием баз данных;
- этапы 751-756 верификации образа без использования базы данных;
- этапы 761-763 совместного использования идентификационного узора и цифрового аутентификационного кода;
- этапы 771-780 обеспечения защиты документа.
В отношении создания идентификационного узора в цифровом виде и определения параметров печати идентификационного узора следует указать, что в основе некоторых отличительных признаков настоящего изобретения лежит наблюдение того, что в случае многократной печати одного и того же исходного изображения защищенной информационной матрицы последняя содержит различные для каждой операции печати ошибки. Тот же эффект наблюдали и для узоров для распознавания копий. Более общим образом было отмечено, что для любого изображения, обладающего достаточной плотностью, 1) печать изображения приводит к его искажению и что 2) печать приводит к искажениям, различным для каждого оттиска.
Следует уточнить, что подобное явление не ограничивается случаем цифровых аутентификационных кодов. В самом деле, какова бы ни была плотность цифрового изображения, каждый из его оттисков будет отличаться от всех остальных в силу наличия случайных процессов в ходе печати. Только для изображений небольшой плотности различия являются гораздо менее многочисленными и значимыми. Для захвата различий, которые иногда являются ничтожными, в таких случаях необходимо гораздо более высокое разрешение захвата. Напротив, для цифровых аутентификационных кодов, напечатанных с адекватным разрешением, использование особенно высокого разрешения захвата не является необходимым (сканер разрешением 1200 точек на дюйм оказывается достаточным). Кроме того, если различия являются значительными, получение уникальных характеристик не обязательно должно производиться с очень большой точностью, что является преимуществом с точки зрения цены и стабильности алгоритмов считывания.
Идентификационные узоры являются изображениями, созданными и напечатанными с обеспечением максимальных различий между каждым оттиском одного и того же исходного идентификационного узора. Подобные изображения предпочтительно создаются псевдослучайным способом (например, с использованием одного или нескольких криптографических ключей), однако они могут быть полностью случайными (различие состоит в том, что в последнем случае криптографического ключа не существует либо он не сохраняется). В то же время следует отметить, что исходный цифровой идентификационный узор, в принципе, может быть придан огласке без риска для безопасности: в самом деле, легальными являются только идентификационные узоры, сохраненные в базе данных (имеющие сохраненный в ней образ), и контроль случайностей при печати, в принципе, невозможен. Таким образом, владение исходным изображением не дает изготовителю подделок реальных преимуществ, что является еще одним преимуществом идентификационных узоров с точки зрения защиты.
Поскольку искажения имеют случайную природу и приводят к результату, различному для каждого оттиска одного и того же исходного изображения, каждый оттиск идентификационного узора содержит уникальные, невоспроизводимые и непереносимые характеристики. Поэтому каждый оттиск одного и того же идентификационного узора отличается от всех остальных и таким образом содержит собственные средства однозначной идентификации. Возможно вычисление образа идентификационного узора и его использование различными путями для повышения степени защиты содержащего его документа, в частности, в режимах идентификации и верификации. Идентификационные узоры могут представлять собой простые прямоугольники, возможно, обрамленные окантовкой, облегчающей их обнаружение, но они также могут иметь особую форму, например форму логотипа и др. В то же время прямоугольная форма обладает преимуществами, с точки зрения считывания (легкость определения местоположения) и совместимости с обычными формами цифровых аутентификационных кодов или других кодов, в том числе одномерных или двумерных штрихкодов.
Далее описывается алгоритм создания идентификационного узора.
- на этапе 701 получают криптографический ключ, например последовательность из 32 байт (256 бит);
- на этапе 702 с использованием функции хеширования или рекурсивного шифрования и при инициализации алгоритма с использованием криптографического ключа формируют надлежащее число случайных битов. Например, для черно-белого идентификационного узора размером 10000 пикселей (1 бит на пиксель) необходимо 10000 бит; для узора в оттенках серого необходимо в 8 раз больше единиц информации (при равной вероятности оттенков). Предположим, что используется функция хеширования SHA-1 (по 256 бит на входе и выходе); тогда для получения необходимых битов следует произвести 40 (при 1 бит на пиксель) или чуть менее 320 (при 8 бит на пиксель) обращений к функции (поскольку 40×256>=10000 или 320×256>=80000). Считывающее устройство может использовать стандарты FIPS (Federal information processing standard, Федеральный стандарт обработки информации) и AES (Advanced Encryption Standard, Улучшенный стандарт шифрования);
- на этапе 703 биты собирают в изображение, например, размером 100×100 точек, возможно, дополненное окантовкой. На фиг.24 показан подобный идентификационный узор до печати.
На фиг.25 и 26 показаны два различных оттиска идентификационного узора, приведенного на фиг.24.
Функциональные свойства цифрового аутентификационного кода могут сочетаться с функциями идентификационного узора, поскольку характеристики создания и печати цифровых аутентификационных кодов близки к требуемым для идентификационных узоров. Например, алгоритмы создания узоров для распознавания копий, требующие использования криптографического ключа, родственны алгоритму, описанному выше, хотя цель алгоритма является совершенно другой. Алгоритмы создания защищенных информационных матриц одновременно требуют использования одного или нескольких криптографических ключей и одного или нескольких блоков информации. Однако результат оказывается сходным, т.е. изображением с псевдослучайными значениями.
Как пояснено ниже, оказывается, что идеальные условия печати идентификационных узоров близки к идеальным условиям печати цифровых аутентификационных кодов. Поэтому является возможным как при создании, так и после получения печатного результата комбинирование функций цифровых аутентицикационных кодов и информационных матриц.
В отношении способов получения и сравнения образа идентификационного узора в ходе верификации документа далее вначале описывается общий способ получения и сравнения образа, состоящий в извлечении значений точек из захваченного идентификационного узора:
- на этапе 711 определяют положение идентификационного узора на изображении напечатанного документа. Для идентификационного узора прямоугольной формы возможно, например, определение положения (ширины и высоты) четырех вершин узора;
2
- на этапе 712 определяют положение заданного числа извлекаемых точек в захваченном изображении и извлекают значение для каждой точки. Например, в случае дальнейшего использования FFT (быстрого Фурье-преобразования) или DCT (дискретного косинус-преобразования) при 256 точках по горизонтали и 256 точках по вертикали общим числом 256 предпочтительным является число точек, равное двум в целочисленной степени. Определение положения точек может выполняться с использованием стандартных геометрических методов, известных в уровне техники: определения положения реперных точек (например, четырех вершин идентификационного узора в случае, если он является прямоугольным), определения положения точек исходя из предположения, что захваченное изображение подверглось, например, аффинному или перспективному преобразованию. Значения положения обычно лежат в интервале от 0 до 255, как и в захваченном изображении. Поскольку положения могут быть дробными, значение для отдельно взятой точки может быть значением для "ближайшего соседа"; данный способ является экономичным, но неточным. Возможно также использование алгоритмов интерполяции с затратами, возрастающими с возрастанием требуемой точности, в том числе бикубической, билинейной интерполяции и т.д. Результатом является матрица целых чисел (при определении положений по способу "ближайшего соседа") или чисел с плавающей запятой (при интерполяции) размером 256×256;
- на этапе 713 вычисляют двумерный дискретный косинус-образ матрицы. Дискретный косинус-образ является предпочтительным, поскольку он позволяет сильно сжать энергию сигнала на небольшом числе составляющих;
- на этапе 714 выбирают заданное число коэффициентов, например 10×10 коэффициентов самой низкой частоты, и, возможно, вычитают постоянный коэффициент, известный под названием коэффициента DC, в положении (0,0);
- на этапе 715 коэффициенты приводят в форму вектора, представляющего собой образ защищенной информационной матрицы.
Следует отметить, что в способе, описанном выше, не используются никакие секретные процедуры, что позволяет вычислить образ кому угодно. В некоторых случаях это может быть желательным, если это не составляет риска для безопасности. Напротив, в других случаях является желательным, чтобы образ могли вычислить только уполномоченные лица. Для этого используют криптографический ключ, находящийся в секрете и позволяющий определить коэффициенты, составляющие образ. Данный ключ выдается только лицам или организациям, уполномоченным воссоздавать образ. Для выбора коэффициентов исходя из ключа существуют технологии, известные в уровне техники, доступные специалисту в данной области техники и обычно использующие алгоритмы хеширования или шифрования. Два образа, соответствующих различным операциям захвата, могут в этом случае сравниваться различными путями для получения меры сходства или, напротив, меры различия. При измерении, например, коэффициента корреляции между ними получают меру сходства, называемую далее "показателем".
Для проверки указанного способа извлечения уникальных характеристик был создан идентификационный узор размером 100×100 пикселей, который отпечатали 100 раз на лазерном принтере с разрешением 600 точек на дюйм. Для выполнения трех операций захвата каждого напечатанного идентификационного узора использовали планшетный сканер с разрешением 1200 точек на дюйм. Затем вычисляли образ каждого из 300 выполненных захватов. Для каждой из 44850 пар (вычислено как 300×(300-1)/2) образов вычисляли показатель. Указанные 44850 пар образов разделили на две группы:
- группу А из 600 пар образов, соответствующих различным захватам одного и того же напечатанного идентификационного узора;
- группу В из 44250 пар образов, соответствующих захватам различных идентификационных узоров.
Значение показателя составляло от 0,975 до 0,998 для группы А и от 0,693 до 0,945 для группы В. На фиг.29 показано распределение показателей для групп А и В. На основании значений показателей можно заключить, что перепутать пары из разных групп совершенно невозможно. Итак, с использованием способа вычисления образа, описанного выше, можно недвусмысленно определить, какому из 100 оттисков соответствует захваченное изображение.
Определение "степени разделения образов" состояло в вычислении различия средних значений показателя для групп А и В (в данном случае 0,992 и 0,863 соответственно) и проведении нормализации указанного различия по стандартному изменению показателя в группе А, в данном случае равному 0,005. Полученное значение оказалось равным 25,8. Как будет ясно из изложенного далее, данный индекс является полезным при определении параметров печати и создании узоров, позволяющих получить наилучшие результаты.
Далее описан второй способ получения образа, относящийся к защищенным информационным матрицам. Данный способ применяется, в частности, в случае, когда идентификационный узор также выполняет функции защищенной информационной матрицы. Объясняется, каким образом из захваченной защищенной информационной матрицы получают скремблированное сообщение. Данное скремблированное сообщение обладает ненулевым уровнем ошибок; совокупность ошибок используется в качестве образа. Преимуществом данного способа является то, что он позволяет использовать программное обеспечение, созданное для считывания защищенных информационных матриц. Это сводит к минимуму стоимость необходимых вычислений.
В то же время точное считывание защищенной информационной матрицы требует использования ключа, служащего для создания выровненных блоков, если таковой существует. Разглашение данного ключа во всех случаях является крайне нежелательным. Кроме того, изменения внутреннего выравнивания, специфичные для каждого оттиска, насколько возможно, устраняются. Это является крайне нежелательным, поскольку данные изменения используют при проведении различий между разными оттисками защищенной информационной матрицы.
В отношении способа определения оптимальных параметров создания и печати идентификационных узоров следует указать, что существует оптимальная степень искажения, позволяющая с наибольшей надежностью различить разные оттиски одного и того же исходного идентификационного узора. Так, в случае очень небольшой степени искажения оттиска, например, 1% или 2% (1 или 2% ячеек или пикселей идентификационного узора после качественного захвата являются плохо считанными), различные оттиски одного и того же идентификационного узора являются очень близкими друг к другу и надежно идентифицировать их при отсутствии очень точного захвата изображения и/или очень точного алгоритма анализа трудно. Сходным образом, при очень высокой степени искажения, например 45-50% (45 или 50% ячеек защищенной информационной матрицы после качественного захвата являются плохо считанными, причем 50% является достаточным для того, чтобы статистическая корреляция между считанной и исходной матрицами отсутствовала), напечатанные идентификационные узоры являются практически неотличимыми друг от друга. На практике оптимальная степень искажения близка к 25%, и предпочтительно приближаться к ней, если условия применения позволяют подобное. В самом деле, для 25% искажения, если предположить, что изменения при печати и, стало быть, искажения имеют вероятностную природу, в каждой точке напечатанного идентификационного узора вероятность того, что он будет отличаться от других напечатанных идентификационных узоров, будет максимальной.
Далее приводится вторая процедура анализа искомого уровня ошибок в момент формирования предназначенного для печати изображения в зависимости от используемых средств печати.
С целью определения возможности формирования узоров из точек с изменяющимися характеристиками, обеспечивающими оптимальное распознавание копий, далее авторами настоящего изобретения приводится модель, основанная на теории принятия решений. Измеренные характеристики изображения (или точек) представляют сигналами. Для упрощения анализа предполагают, что цифровые сигналы до печати имеют двоичные значения, соответствующие характеристикам, способным принимать двоичные значения (например, двум размерам точек, двум положениям и др.). Подобное предположение оправдывается тем фактом, что в большинстве способов печати имеют дело с двоичными изображениями. Очевидно, что выводы данного анализа могут быть распространены на более сложные случаи, в частности случаи, при которых возможными являются несколько значений характеристики точек. Операцию печати узора из точек с изменяющимися характеристиками моделируют путем добавления шума, распределенного по Гауссу. Кроме того, предполагают, что копии изготавливают тем же способом печати, с тем чтобы печать копии также моделировалась добавлением шума, распределенного по Гауссу и обладающего той же энергией. Кроме того, изготовитель подделок, выполняющий захват сигнала перед печатью его копии, вынужден реконструировать двоичный сигнал путем нахождения оценочной величины исходного значения с целью сведения к минимуму вероятности ошибок.
Подобная модель прямо соответствует узорам из точек с изменяющимися характеристиками, размеры точек которого могут быть равными 1×1 или 1×2 пикселя (напечатанным, например, с разрешением 2400 dpi); в этом случае изготовитель подделок будет обязан выбрать одно из значений размера точек в реконструированном изображении на основании результата сканирования в зависимости от результата измерений оттенка серого или оценки площади точки. Модель также соответствует узорам из точек с изменяющимися характеристиками, положения точек в котором различаются, например, на 1 пиксель.
Исходя из этой модели определяют оптимальный критерий распознавания, статистическое распределение значений критерия распознавания и значения параметра, при которых распознавание копий является максимальным.
В следующей далее таблице перечислены различные переменные.
s
Исходный сигнал
n, n<sub>c</sub>
Шум, шум от копии
х
Полученный сигнал
2
В общем случае исходный сигнал является равновероятным, т.е. s[i]:{+a,-a} при i=0, 1,…, N-1 и а>0. Шум, появившийся при печати, является распределенным по закону Гаусса N(0,σ).
Гипотезы модели описываются следующим образом:
Легко убедиться, что изготовитель подделок сведет к минимуму вероятность своей ошибки путем корректировки сигнала до ближайшего значения, лежащего в интервале от +а до -а.
Как следствие, проблема обнаружения состоит в выборе одной из следующих гипотез:
0
1
где H и H - гипотезы, что полученный сигнал соответственно является подлинником или копией.
Вероятность корректной оценки значения изготовителем подделок равна:
где
1
Получаем следующие распределения вероятностей для полученного сигнала, причем в выражении для гипотезы H имеем смешение двух распределений Гаусса:
1
Убедимся в том, что оптимальная функция классификации задается простым коррелятором. Проверка критерия Неймана-Пирсона позволяет выбрать гипотезу H, если отношение правдоподобия превосходит пороговое значение t
Отношение правдоподобия задается выражением:
При логарифмировании получаем для нового порогового значения t':
Итак, функция классификации представляет собой простой коррелятор T', значение которого при классификации сигнала как копии должно быть меньшим порогового значения t'.
Определим статистические характеристики T' для обеих гипотез. Предположим, что T' следует статистике Гаусса (что справедливо для высоких N), откуда получаем следующие выражения для средних и вариаций:
1
4
Вторым членом вариации для гипотезы H, равным aQ(-a/σ)(1-Q(-a/σ))), можно пренебречь, если копии сделаны с одного подлинника. На практике изготовитель подделок сводит свою работу к минимуму путем применения единственного подлинника для изготовления большого количества копий, вследствие чего данный член разумно отбросить.
2
В случае равенства вариаций достоверность процесса распознавания можно охарактеризовать коэффициентом изменения d, соответствующим разности между средними значениями функции Т' для обеих гипотез, нормализованной по дисперсии T':
где γ=а/σ - квадратный корень из отношения сигнала к шуму.
2
Поскольку эффективность распознавания с ростом коэффициента изменения возрастает, целью является определение значения γ, при котором выражение (γ(1-Q(γ))) принимает максимальное значение.
На фиг.33 показано значение данного выражения как функция γ. Последнюю можно интерпретировать следующим образом. Значения γ, близкие к нулю, соответствуют очень большой величине шума по отношению к сигналу: если шум очень высок, сигнал подвергается слишком сильному искажению при первой же операции печати и изготовитель подделок привносит слишком маленькое количество ошибок оценки. Напротив, при слишком высоких значениях γ сигнал не подвергается достаточному искажению и количество случаев, при которых изготовитель подделок не привносит ошибок оценки, является чрезмерным. Между двумя экстремумами выражение принимает оптимальное значение, численная оценка которого составляет значение γ=0,752.
Интересно отметить, что для данного значения вероятность того, что изготовителю подделок не удастся корректно определить значение, составляет примерно 22,6%.
2
2
На практике следует добиваться отношения γ сигнала к шуму, насколько возможно близкого к 0,752, т.е. к 0,565.
Для понимания того, как добиться подобного значения отношения, рассмотрим пример. Предположим, что формируют узор из точек с изменяющимися характеристиками, размер точек которого принимает два возможных значения (выраженные в количестве пикселей), причем размер точек имеет величину порядка девяти пикселей (например, 3×3 пикселя). Следует отметить, что размер точек может быть измерен с применением множества алгоритмов, например путем местного адаптивного сравнения оттенков серого с пороговым значением и подсчета пикселей, лежащих ниже порогового значения. Точки, состоящие из девяти пикселей, печатают достаточное число раз. Для захваченного изображения измеряют среднее значение и стандартное изменение количества пикселей в каждой точке. Предположим, что полученное среднее значение равно 12 (т.е. что наблюдается среднее увеличение физического размера на 33%) и что стандартное изменение равно 4. Данное значение стандартного изменения соответствует значению σ в формулах принятой авторами настоящего изобретения модели, описывающему шум. В таком случае для получения отношения γ, равного 0,75, что очень близко к оптимальному значению, следует стремиться к значению сигнала а, составляющему порядка трех. Для получения такого значения сигнала можно, например, определить два размера точек величиной 15 и 6 пикселей.
Далее описывается возможный алгоритм оптимизации параметров печати:
- на этапе 720 получают поверхность, доступную для идентификационного узора, например квадрат стороной 1/6 дюйма;
- на этапе 721 проводят формирование нескольких цифровых изображений идентификационных узоров различных размерностей, соответствующих различным возможным разрешениям печати, например, одного идентификационного узора размером 66×66 пикселей для разрешения 400 точек на дюйм, одного размером 100×100 пикселей - для разрешения 600 точек на дюйм, одного размером 133×133 пикселя - для разрешения 800 точек на дюйм и одного размером 200×200 пикселей - для разрешения 1200 точек на дюйм;
- на этапе 722 несколько раз, например 100 раз, производят печать каждого из идентификационных узоров различных размерностей при соответствующем разрешении таким образом, чтобы размеры при печати соответствовали доступной поверхности;
- на этапе 723 несколько раз, например 3 раза, производят захват каждого напечатанного идентификационного узора каждого типа;
- на этапе 724 производят вычисление образа каждого идентификационного узора;
- на этапе 725 вычисляют показатели сходства для всех пар захваченных идентификационных узоров, напечатанных при одном и том же разрешении;
- на этапе 726 следуют способу, описанному выше в экспериментальной части общего способа извлечения образа, с целью измерения "степени разделения образов" для каждого разрешения печати и выбора разрешения, при котором значение степени разрешения является максимальным.
В соответствии с вариантом осуществления возможна печать нескольких защищенных информационных матриц при различных разрешениях печати с определением разрешения при печати, при котором уровень ошибок составляет 25%, согласно вычисленному в одном из приведенных выше алгоритмов.
В соответствии с вариантом осуществления возможен выбор разрешения печати, при котором различие является наибольшей из двух величин: наименьшего значения показателя, вычисленного при сравнении образов, соответствующих одинаковым оттискам, и наибольшего значения показателя, вычисленного при сравнении образов, соответствующих различным оттискам.
В отношении способа представления и хранения характеристик следует указать, что предпочтительно сократить объем данных образа, насколько возможно. В случае идентификации речь идет о сравнении образа с большим числом образов, сохраненных в базе данных, что является очень дорогостоящим. Издержки снижают путем снижения размера сравниваемых образов, в частности, путем отказа от использования чисел с плавающей запятой.
Рассмотрим случай общего способа извлечения образа. Исходный вектор данных, полученный из захваченного идентификационного узора, представляет собой матрицу полученных значений размером 256×256; его представление в виде дискретного косинус-образа после выбора коэффициентов содержит 10×10 значений. Предпочтительным является представление матрицы значений одним байтом на значение, т.е. 100 байтами.
На этапе 727 производят печать по меньшей мере одного объекта с идентификационным узором для получения защищенного документа.
Однако коэффициенты дискретного косинус-образа могут принимать как положительные, так и отрицательные значения и в принципе не являются ограниченными. Чтобы представить подобные значения фиксированным количеством информации, значения должны быть квантизованы с целью их представления в двоичной форме. Возможный подход является следующим:
- на этапе 731 определяют минимальное и максимальное значения каждого коэффициента. Обычно минимальное и максимальное значения имеют одну и ту же абсолютную величину;
- на этапе 732 определяют количество бит и байт, позволяющее представить каждое значение;
- на этапе нормализации 733 из каждого коэффициента дискретного косинус-образа вычитают минимальное значение, затем делят разность на максимальное значение;
- на этапе 734 результат умножают на возможное число значений квантизованных данных, т.е. на 256, если на каждое значение отводится один байт. Целочисленное значение результата соответствует квантизованной исходной величине.
В качестве варианта осуществления этап квантизации оптимизируют с целью сведения к минимуму ошибки квантизации.
В отношении способа идентификации с использованием базы данных следует указать, что в случае идентификации идентификационный узор должен сравниваться с каждым идентификационным узором базы данных с целью определения его соответствия одному из идентификационных узоров базы данных, причем в данном случае идентификационный узор рассматривается как действительный и может быть найдена соответствующая информация об отслеживании. В противном случае идентификационный узор рассматривается как недействительный.
В вариантах осуществления выполняют следующие этапы
- на этапе 741 определяют образ идентификационного узора, содержащегося в захваченном изображении;
- на этапе 742 вычисляют показатель, или степень сходства, полученного образа с каждым из образов, хранящихся в базе данных;
- на этапе 743 определяют максимальную полученную степень сходства;
- на этапе 744, если максимальная степень сходства превосходит пороговое значение, идентификационный узор рассматривается как действительный;
- на этапе 745 находят связанную с ним информацию об отслеживании;
- в противном случае на этапе 746 идентификационный узор рассматривается как недействительный.
В вариантах осуществления:
- на этапе 747, если идентификационный узор также несет функции цифрового аутентификационного кода, получают информацию об отслеживании;
- на этапе 748 информация об отслеживании, позволяющая сузить пространство поиска, может также исходить из другого источника, например из присоединенного штрихкода, сведений контролера и т.д.;
- на этапе 749 указанную информацию используют для сужения пространства поиска в базе данных. Например, информация о заказе на изготовление позволяет выполнить предварительный выбор сравниваемых образов среди подсистемы образов, соответствующих данному заказу на изготовление.
В отношении способа верификации без использования базы данных следует указать, что он требует, чтобы на документе хранился предварительно вычисленный образ идентификационного узора. Например, на этапе вычисления образа каждого из легальных документов образ может быть одновременно предназначен для хранения в базе данных и для безопасного хранения на документе.
Хранение образа на документе предпочтительно осуществляют путем произвольно изменяющейся, т.е. различной для каждого документа, печати. Образ может храниться в одно- или двумерном штрихкоде либо в цифровом аутентификационном коде в зависимости от средств печати, качество которых может быть ограниченным.
Обычно является предпочтительным хранение образа защищенным способом, например с использованием криптографического алгоритма, снабженного секретным шифровальным ключом. Таким образом устраняется риск использования изготовителем подделок нелегальных документов в отсутствие соединения с контрольной базой данных. Для этого осуществляют следующие этапы:
- на этапе 751 определяют образ идентификационного узора, содержащегося в захваченном изображении;
- на этапе 752 получают предварительно вычисленный образ;
- на этапе 753 вычисляют показатель, или степень сходства, путем сравнения полученного образа с предварительно вычисленным образом;
- на этапе 754, если максимальная степень сходства превосходит пороговое значение, идентификационный узор рассматривается как действительный;
- в противном случае на этапе 756 идентификационный узор рассматривается как недействительный.
В отношении использования комбинированного идентификационного узора, обладающего функциями цифрового аутентификационного кода, следует указать, что способы получения однозначных характеристик документа в уровне техники используют свойства, интерпретация которых без обращения к базе данных является невозможной. Хотя идентификационные узоры могут быть простыми изображениями, не имеющими значения, как было показано выше, они могут также представлять собой изображения, обладающие другими функциями. В частности, они могут представлять собой цифровые аутентификационные коды и в таком случае могут содержать защищенную информацию (для их считывания необходимы один или несколько ключей) и/или иметь аутентификационные свойства (способность отличить подлинник от копии).
Образ идентификационного узора может быть создан так, чтобы он имел точность, достаточную для идентификации документа, но недостаточную для невозможности его воспроизведения. В действительности, рассмотрим общий способ определения образа, основанный на 100 коэффициентах низкочастотного дискретного косинус-образа, каждый из которых, возможно, представлен одним байтом. В принципе, кто угодно может получить указанные коэффициенты и создать изображение той же размерности, что и идентификационный узор, путем обращения указанных коэффициентов. Ясно, что полученное изображение резко отличается от напечатанных идентификационных узоров. Однако показатель, полученный при сравнении вычисленного образа захваченного обращенного изображения и исходного образа, составляет 0,952. Хотя такое значение показателя меньше любого значения показателя, полученного при сравнении образов одного и того же напечатанного идентификационного узора, он существенно выше показателей, полученных при сравнении образов различных напечатанных идентификационных узоров. Таким образом, существует риск того, что изготовитель подделок будет искать возможность воспроизведения образа легального идентификационного узора.
Более качественный и/или более тонкий захват изображения позволил бы снизить и даже устранить риск того, чтобы такая возможность подделки была реализована. Однако это не всегда является возможным. В этом случае, если идентификационный узор также является цифровым аутентификационным кодом, предпочтительно совместное использование их аутентификационных свойств с осуществлением следующих этапов:
- на этапе 761 производят идентификацию или верификацию идентификационного узора;
- на этапе 762 получают ключ или ключи, необходимые для аутентификации цифрового аутентификационного кода;
- на этапе 763 определяют, является ли цифровой аутентификационный код подлинником или копией.
Цифровые аутентификационные коды обычно основаны на искажении одного или нескольких физических характеристик, обеспечивающих защиту от копирования, чувствительных к копированию в ходе такового.
Так, цифровые водяные знаки имеют более низкий уровень энергии в копии либо различное отношение уровней энергии между водяным знаком, малочувствительным к копированию, и водяным знаком, высокочувствительным к копированию. То же самое имеет место в случае технологий нанесения пространственной маркировки - у копий наблюдается более низкий уровень энергии или корреляции. В случае узоров для распознавания копий, основанных на сравнении изображений, производят измерение индекса сходства (или различия) между подлинным узором для распознавания копий и узором для распознаваний копий, находящимся на захваченной копии; в случае, если последний действительно является копией, индекс сходства окажется меньшим. Наконец, для защищенных информационных матриц производят измерение степени ошибок кодированного сообщения, полученного из матрицы; указанная степень ошибок оказывается более высокой для копий (отметим, что вследствие избыточности кодированного сообщения заключенную в ней информацию обычно можно декодировать без ошибок).
Следует отметить, что в каждом из указанных способов производят измерение одной или нескольких величин, которые обычно являются непрерывными и не указывают явно на природу документа (подлинник или копию). Обычно требуется применение заданного критерия распознавания подлинников и копий, например, путем сравнения одной или нескольких полученных величин с одним или несколькими "пороговыми" значениями для определения соответствия определенных значений "копии" или "подлиннику".
В отношении вариантов осуществления способа обеспечения защиты документов, основанных на идентификационных узорах, следует указать, что могут быть осуществлены следующие этапы:
- на этапе 771 правообладатель выдает лицензию изготовителю на изготовление некоторого числа документов;
- на этапе 772 правообладатель передает изготовителю один или несколько идентификационных узоров, возможно, обладающих функциями цифрового аутентификационного кода, в виде цифрового изображения, предназначенного для печати на документах. Идентификационный узор может являться частью дизайна цифрового документа или быть передан отдельно. В варианте осуществления изготовитель получает идентификационный узор через третью сторону, уполномоченную правообладателем;
- на этапе 773 изготовитель производит печать предусмотренного числа документов с одним или несколькими идентификационными узорами, предусмотренными на каждом документе;
- на этапе 774 предусмотренное число документов передают правообладателю. В варианте осуществления документы передают сборщику, уполномоченному правообладателем. В другом варианте осуществления изготовитель непосредственно обрабатывает предусмотренное количество напечатанных документов согласно изложенному в варианте данного этапа;
- на этапе 775 правообладатель/сборщик осуществляет сборку готового изделия (которое может содержать несколько документов);
- на этапе 776 производят захват одного или нескольких изображений одного или нескольких идентификационных узоров. В принципе, процесс осуществляют автоматически, причем изделия, например, движутся на конвейере под объективом промышленной камеры. Последнюю приводят в действие автоматически или с использованием внешнего сигнала активации, исходящего от датчика;
- на этапе 777 каждое захваченное изображение идентификационного узора вводят в базу данных вместе со связанной с ним информацией (заказ на изготовление, дата и т.д.);
- на этапе 778 производится вычисление одного или нескольких образов каждого действительного изображения захваченного идентификационного узора в реальном времени или после захвата;
- на этапе 779 в целях возможного использования идентификационного узора в режиме верификации (в отсутствие соединения с базой данных) один из образов, обычно занимающий наименьший объем, квантизуют и/или сжимают с получением его компактного представления. Формируют информационную матрицу (datamatrix, штрихкод, защищенная информационная матрица (MIS) и т.д.), предпочтительно защищенную при помощи ключа и содержащую представление образа. Информационную матрицу печатают на документе, содержащем идентификационный узор;
- на этапе 780 при необходимости совокупность отпечатанных образов передают по безопасной связи на центральный сервер, с которым соединяются проверяющие с целью проверки валидности образов.
В вариантах осуществления:
- место, в котором производится захват изображений идентификационных узоров, может находиться в месте печати или изготовления; преимуществом при этом является то, что данная операция может быть интегрирована в процесс производства; недостатком - то, что она осуществляется в общедоступной зоне. При этом установка, служащая для вычисления и/или хранения образов, может быть защищенной; и/или
- указанное место может находиться у третьей стороны, уполномоченной правообладателем, обычно у той же третьей стороны, которая производит передачу используемых идентификационных узоров.
На фиг.23 показаны:
- этап 605 определения матрицы точек, характеризующей информацию, связанную с аутентифицируемым объектом;
- этап 610 нанесения маркировки на указанный объект таким образом, чтобы в ней существовали непредвиденные ошибки вследствие физических характеристик средств, использованных на этапе нанесения маркировки;
- этап 615 захвата изображения указанной маркировки;
- этап 620 определения физических характеристик упомянутых непредвиденных ошибок путем обработки упомянутого изображения;
- этап 625 запоминания информации, представляющей физические характеристики непредвиденных ошибок;
- этап 630 нанесения надежной маркировки, в ходе которой на указанный объект наносят надежную маркировку, содержащую информацию о физических характеристиках непредвиденных ошибок.
На этапе 605 производят определение информационной матрицы, например, в виде матрицы зон, каждая из которых содержит сотни точек и представляет двоичную информацию. Связанная с изделием информация представляет собой, например, название изготовителя, заказ на изготовление изделия и/или дату изготовления.
На этапе 610 производят нанесение полученной маркировки, состоящей из матрицы точек, с таким разрешением, чтобы по меньшей мере два процента точек маркировки являлись ошибочными по сравнению с подлинной матрицей точек. Используют, например, максимальное разрешение принтера. Такое разрешение, в частности, имеет следствием то, что копирование объекта, подразумевающее копирование маркировки, например, оптическими или фотографическими способами, повышает уровень ошибок в копии маркировки по сравнению с исходной маркировкой по меньшей мере на пятьдесят процентов.
На этапе 620 производят определение характеристик распределения непредвиденных ошибок в указанной маркировке в качестве физических характеристик непредвиденных ошибок. Например, вычисляют вектор, исходящий из центра маркировки и направленный к центру тяжести ошибок маркировки; затем характеризуют ошибки статистическим весом в зависимости от их положения, вычисляют новый вектор, исходящий из центра маркировки и направленный к центру тяжести ошибок маркировки, и так далее.
На этапе 630 надежной маркировкой являются, например, одномерный или двумерный штрихкод или матрица данных, известная под названием Datamatrix (зарегистрированная торговая марка). Поскольку вторая маркировка является надежной, она может быть стойкой к слепому копированию и позволяет идентифицировать объект. Предпочтительно на этапе 630 используют ключ кодирования физических характеристик непредвиденных ошибок, предпочтительно асимметричный.
Путем использования настоящего изобретения, несмотря на то, что один и тот же способ нанесения маркировки, например гравирование или печать, используют без изменения на многих объектах, физические характеристики ошибок маркировки позволяют произвести однозначную идентификацию каждой маркировки и, стало быть, каждого связанного с ней объекта.
При выполнении очередного захвата изображения маркированного объекта и очередной обработки изображения результат обработки изображения может быть сопоставлен с хранящейся в памяти информацией для идентификации объекта. Количество ошибок является значительным и обеспечивает однозначную идентификацию маркировки и объекта.
Считывание данных, относящихся к объекту, несущему маркировку, предоставляет адрес и/или средства доступа к базе данных физических характеристик ошибок.
Характеристики распределения ошибок могут быть получены при любых условиях захвата очередного изображения указанной маркировки.
При реализации некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения авторы изобретения обнаружили, что некоторые характеристики печати могут позволить распознавать подлинники и копии весьма эффективным образом. В частности, изменение эначения ("размера"), точного положения или формы маркированных точек может быть определено и введено в метрику, позволяющую отличать подлинники от копий. Следует отметить, что изменение оттенка цвета (или оттенка серого) в предназначенном для печати изображении сводится при помощи растра к изменению формы или размеров. Цифровые аутентификационные коды, упомянутые выше, создаются так, что они являются не пригодными для точного измерения указанных характеристик. Напротив, характеристики всех цифровых аутентификационных кодов известных типов являются искаженными вследствие изменений в положении, являющихся следствием случайностей при печати, причем указанные изменения влияют на используемые способы измерений. В лучшем случае осуществляется поиск способов их устранения. Напротив, цифровые филиграни и MSMA созданы так, чтобы обеспечить возможность измерения глобальных характеристик сигнала (например, энергии), точность которых при распознавании подлинников и копий является невысокой.
На фиг.1 показана цифровая маркировка 105, состоящая из совокупности точек 110 со случайными положениями, окруженной черной окантовкой 115. Следует отметить, что все точки 110 в данной исходной маркировке имеют одинаковый размер, т.е. 1 пиксель на печатное изображение разрешением 600 пикселей на дюйм. На фиг.2 показан оттиск 120 данной цифровой маркировки. На фиг.3 показана фотокопия 125 данной маркировки. Следует отметить, что в фотокопии 125 точки 110 исчезли. При простом измерении, например измерении числа точек, еще оставшихся в маркировке, изображение которой захвачено электронным устройством захвата изображений, или измерении коэффициента корреляции относительно контрольной маркировки легко отличить подлинник 120 от фотокопии 125 или копии низкого качества.
На фиг.4 показана высококачественная копия 130. Данная копия была изготовлена на основе захвата (обычно называемого "сканом") изображения сканером высокого разрешения с восстановлением исходного положения автоматически детектированных точек 110 (например, при помощи программного обеспечения Matlab, зарегистрированная торговая марка), зная, что последние являются черными и имеют размер 1/600 дюйма. Следует отметить, что все или по крайней мере большинство точек 110, присутствующих в подлиннике на фиг.2, присутствуют на фиг.4. Задача возможного изготовителя подделок, к несчастью, облегчается тем, что, поскольку все точки в подлиннике имеют один и тот же размер, он может позволить себе не проводить измерения размера или оттенков серого точек и просто восстановить точки в исходном размере (который является фиксированным и тривиальным образом определимым на большой совокупности).
Преимущественно, при реализации некоторых аспектов настоящего изобретения - простого подсчета числа имеющихся точек недостаточно для того, чтобы отличить подлинник от копии. Способ, основанный на корреляции или уровнях энергии и подобный используемому для MSMA, также является неэффективным для распознавания копий высокого качества.
Вследствие этого в предпочтительных вариантах осуществления для расширения возможностей использования узоров из точек определение подлинности документа вынуждает обратить особое внимание на геометрические характеристики точек, которые изучают на локальном уровне, в противоположность способам, известным в уровне техники. В частности, для обнаружения копий, хранения информации и/или получения однозначных характеристик документов использованы размер, форма и/или точное положение точек. Узоры из точек с изменяющимися характеристиками, являющиеся объектом некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения, таким образом обладают той особенностью, что размер, форма и/или точное положение их точек являются изменяющимися. Предпочтительно, при формировании распределения точек в упомянутых узорах из точек с изменяющимися характеристиками получают точки, по меньшей мере одна геометрическая характеристика которых является изменяющейся, причем геометрическая амплитуда созданного изменения имеет тот же порядок величины, что и средний размер по меньшей мере части точек, и является известной/измеримой для систем печати.
В следующем далее описании изложены:
- численные способы создания узоров из точек с изменяющимися характеристиками;
- способы измерения геометрических характеристик узоров из точек с изменяющимися характеристиками;
- способы комбинирования измеренных геометрических характеристик узоров из точек с изменяющимися характеристиками в метрике, позволяющие отличить подлинные узоры от их копий;
- способы оптимизации печати узоров из точек с изменяющимися характеристиками;
- способы идентификации узоров из точек с изменяющимися характеристиками на основе их геометрических характеристик;
- способы верификации узоров из точек с изменяющимися характеристиками;
- способы хранения информации в узорах из точек с изменяющимися характеристиками;
- способ обеспечения защиты документов.
Далее вначале описан способ формирования узора из точек с изменяющимися характеристиками. Для формирования узора из точек с изменяющимися характеристиками на этапе 300 предварительно определяют качество печатающей системы, используемой в дальнейшем при печати узоров из точек с изменяющимися характеристиками на документах. Качество печати характеризуется непредвиденным в каждой точке изменением по меньшей мере одной геометрической характеристики напечатанных точек, вызванным печатью вследствие случайностей при печати.
Затем, на этапе 302, производят определение площади, доступной для печати узора из точек с изменяющимися характеристиками, разрешения системы печати и требуемой максимальной плотности точек. Например, доступный размер может составлять примерно 1/6×1/6 дюйма, а плотность - 1/100 (примерно 1 пиксель на 100 может быть покрыт печатью). Максимальная плотность зависит от допустимой степени заметности узора из точек с изменяющимися характеристиками, зависящей от условий применения (например, цвета краски, подложки, способа печати, эстетики документа). Плотность может быть более высокой, например, возможна плотность 1/16 или 1/9, даже 1/4. Узоры из точек с изменяющимися характеристиками предпочтительно формируют так, чтобы напечатанные точки не касались друг друга.
В некоторых случаях доступный размер может быть гораздо большим, например, может составлять несколько квадратных дюймов. Однако большинство средств захвата, например фотографические аппараты, содержащие матричные устройства захвата изображений, обладают поверхностью захвата, не позволяющей охватить такую площадь (планшетные сканеры в общем случае не являются доступными при необходимости считывания документов "на местах"). В таком случае возможно "замощение", т.е. наложение идентичных или различающихся по соображениям безопасности узоров из точек с изменяющимися характеристиками друг на друга. В продолжении описания "замощением" называют оба типа наложения узоров из точек с изменяющимися характеристиками, соответственно идентичных или различных.
Если предположить, что средство захвата может быть применено к участку печатного изображения в произвольном положении, то максимальный размер узора из точек с изменяющимися характеристиками, гарантирующий, что на захваченной поверхности будет полностью содержаться по меньшей мере один узор из точек с изменяющимися характеристиками, равен половине наименьшей стороны захваченной поверхности. Для примера CCD размером 640×480, работающего при разрешении 1220 точек на дюйм (поверхности 1,33×1 см), приведенного выше, длина стороны узора из точек с изменяющимися характеристиками не должна превышать 0,5 см.
Затем осуществляют формирование узора из точек с изменяющимися характеристиками таким образом, чтобы:
- по меньшей мере половина точек указанного распределения не соприкасалась сторонами с четырьмя другими точками указанного распределения точек;
- по меньшей мере одно изменение размера по меньшей мере части точек указанного распределения точек имело тот же порядок величины, что и среднее абсолютное значение непредвиденного изменения.
Авторы изобретения обнаружили, что печать подлинника должна обеспечивать такое отношение порядков величины для получения наивысшей эффективности функций обеспечения защиты (аутентификации и идентификации) документа.
Кроме того, авторы изобретения обнаружили, что в некоторых вариантах осуществления для обеспечения защиты документа по отношению к копированию, вызывающему по причине случайностей при копировании непредвиденное в каждой точке изменение "при копировании" по меньшей мере одной геометрической характеристики напечатанных точек, является предпочтительным, чтобы в ходе печати распределения точек на документе указанная печать вызвала вследствие случайностей при печати непредвиденное в каждой точке изменение "при печати" указанной геометрической характеристики напечатанных точек, причем средняя амплитуда непредвиденного изменения имеет тот же порядок величины, что и минимальная средняя амплитуда непредвиденного изменения при копировании. Предпочтительно в таком случае осуществляется этап определения физической величины, характеризующей непредвиденное изменение при печати, согласно изложенному в другом месте настоящего описания в отношении функций аутентификации и идентификации документа.
Например, возможно использование узора из точек с изменяющимися характеристиками размером 200×200 пикселей, напечатанного с разрешением 1200 пикселей на дюйм на поверхности печати величиной 1/6 дюйма, "точки" которого имеют размер 2×2 создаваемых пикселя при среднем абсолютном значении непредвиденного изменения, лежащим между 0,2 и 20 пикселями. Отметим, что узор из точек с изменяющимися характеристиками размером 100×100 пикселей, напечатанный с разрешением 600 точек на дюйм с точками размером 1×1 пиксель, привел бы к сравнимым результатам. Однако согласно детально изложенному далее более высокое разрешение изображения (при том же размере зоны печати) предоставляет больше гибкости для варьирования размера и/или положения точек.
Перекрывания, соединения или очень сильного сближения точек предпочтительно избегать. Для этого узор из точек с изменяющимися характеристиками разделяют на смежные участки, например на 10×10 участков размером 20×20 пикселей каждый в случае узора размером 200×200 пикселей. Оставив поля величиной 1 пиксель на каждой из сторон каждого участка, получают участок величиной 18×18 пикселей, доступный для точки. Тогда на отведенном точке участке имеется 17×17=289 возможных положений каждой точки (если точка занимает 2×2 пикселя, ее, например, левый верхний угол может занимать лишь 17 положений по длине и 17 по ширине).
По соображениям безопасности является желательным, чтобы узор из точек с изменяющимися характеристиками имел псевдослучайную природу, например был создан исходя из криптографического алгоритма, снабженного ключом, держащимся в тайне. Данный ключ используют в качестве средства запуска алгоритма создания псевдослучайных чисел, которые могут быть воспроизведены всяким, кому известен ключ, но которые очень трудно найти не обладающему ключом.
Как видно из фиг.16А, для создания узора из точек с изменяющимися характеристиками осуществляют следующие этапы:
- этап 302 получения или определения доступной поверхности, разрешения системы печати и плотности печати;
- этап 304 получения криптографического ключа, например последовательности из 32 байт (256 бит);
- этап 306 формирования двоичных значений, например, с использованием функции хеширования или рекурсивного шифрования, причем алгоритм запускается криптографическим ключом. Например, в примере, упомянутом выше, существует 289 положений точки, стало быть, для определения положения точки на отведенном ей участке необходимо 9 бит.Таким образом, для определения положений 100 точек на соответствующих им участках необходимо 900 бит.Если предположить, что используется функция хеширования SHA-1 с 256 битами на входе и выходе, для получения необходимых двоичных данных требуется произвести четыре вызова функции;
- этап 308 включения точки в каждую ячейку и сборки ячеек в изображение для данного примера размером 200×200 пикселей. Например, на этапе 308 для определения положения точки в каждой ячейке используют последовательности, состоящие из девяти последовательных битов. Когда значение, представленное данной последовательностью, превосходит 289, выбирают следующую последовательность. В противном случае точку помещают в положение, определенное последовательностью, например, путем последовательного отсчета положений в каждой возможной строке положений. Затем ячейки соединяют между собой, например, последовательно по строкам.
После этапа 308 узор из точек с изменяющимися характеристиками включают в печатные пленки и на этапе 310 печатают документ.
В вариантах осуществления точки могут иметь различные размеры. Например, точки могут иметь площадь, меньшую или большую 2×2 пикселей. Таким образом, точки могут иметь несколько размеров, что предоставляет возможность измерения других геометрических характеристик, трудновоспроизводимых для изготовителя подделок. Например, точки могут иметь два возможных размера - либо 2×2 пикселя, как задано выше, либо 3×3 пикселя; неравные горизонтальные и вертикальные размеры, например 2×3 или 3×2 пикселя, также являются возможными. Следует отметить, что в случае двух квадратных точек для идентификации размера точки необходима одна дополнительная двоичная величина, которая добавляется к девяти другим двоичным величинам, по которым определяют положение точки на отведенном ей участке. Таким образом, на участок требуется десять двоичных величин, а на 100 ячеек - 1000 двоичных величин.
На фиг.5 показан узор из точек с изменяющимися характеристиками 135, содержащий точки, размеры которых изменяются псевдослучайным образом (точки размером 2×2 и 3×3 пикселя), и окантовка 140, окружающая узор из точек 135. На фиг.6 показан участок результата 145 печати узора из точек с изменяющимися характеристиками 135, показанного на фиг.5.
Следует отметить, что в вариантах осуществления к узору из точек с изменяющимися характеристиками добавляют окантовку, в данном случае 140, или произвольные геометрические формы, позволяющие определить его положение. Например, на окантовку или внутрь узора из точек с изменяющимися характеристиками на место участков, содержащих точки, добавляют блоки синхронизации.
В отношении измерений характеристик положения узоров из точек с изменяющимися характеристиками следует указать, что авторы изобретения установили, что, хотя точки, составляющие узор, могут быть определены и с практически полной достоверностью воспроизведены изготовителем подделок, последний лишь с большим трудом способен снизить недостоверность в точном положении точек. В самом деле, в ходе печати узора из точек с изменяющимися характеристиками точки не обязательно будут напечатаны в точном положении: подобная недостоверность является следствием случайностей при печати, а также перехода от цифровых величин к аналоговым. При переходе от цифровых величин к аналоговым в ходе печати, затем при возврате к цифровым величинам при захвате изображения средняя недостоверность в положении точек составляет порядка половины пикселя (соответственно пикселя печати и пикселя захвата изображения), поэтому данная недостоверность не зависит от недостоверности, связанной со случайностями при печати. Следует отметить, что в зависимости от стабильности устройства печати может возникнуть дополнительная недостоверность в положении. В ходе изготовления высококачественной копии к уже существующей недостоверности в положении добавляется недостоверность в положении при перепечатке. Таким образом, различие между положением точки в захваченном изображении и положением той же точки в исходном изображении в среднем является более высоким, если захваченное изображение является копией, чем если оно является подлинником.
Далее описан алгоритм измерения геометрических характеристик положения узора из точек с изменяющимися характеристиками. На входе используют захваченное на этапе 320 изображение участка документа, содержащего узор из точек с изменяющимися характеристиками, и криптографический ключ. На выходе этапов, составляющих данный алгоритм, получают вектор характеристик положения точек узора из точек с изменяющимися характеристиками;
- на этапе 322 с применением алгоритма создания узора из точек с изменяющимися характеристиками производят определение исходного положения каждой точки;
- на этапе 324 производят определение положения совокупности контрольных фрагментов, служащих для отсчета положения в захваченном изображении, при этом подразумевается, что контрольными фрагментами может служить сам узор из точек с изменяющимися характеристиками, поскольку он является известным, или его часть. Например, индикаторы углов или края квадрата могут служить в качестве контрольных ячеек. Также возможно использование других известных способов определения положения, например автокорреляции замощенных изображений;
- на этапе 326 исходя из контрольных фрагментов составляют изображение размером, равным исходному или умноженному на целое число исходному размеру;
- на этапе 328 для каждой ячейки в захваченном изображении определяют участок поиска, в котором может находиться изображение точки. (Например, если узор из точек с изменяющимися характеристиками напечатан с разрешением 600 ppi (points per inch, точек на дюйм) и захвачен при разрешении 1200 dpi (dots per inch, пикселей на дюйм), участок размером в ± 5 пикселей соответствует участку размером в ±2,5 пикселей в исходном изображении). Необходим относительно большой участок поиска, так как исходное положение контрольных ячеек может быть неточным;
- на этапе 330, если точка имеет темный цвет на светлом фоне, в воспроизведенном или захваченном изображении проводят определение положения пикселя, имеющего минимальное значение яркости на определенном участке или, если точка имеет светлый цвет на темном фоне, положения пикселя, имеющего максимальное значение яркости на определенном участке. Положение данного пикселя рассматривается в качестве положения центра точки в захваченном изображении;
- на этапе 332 проводят измерение расстояний между двумя положениями в каждом направлении;
- на этапе 334 совокупность результатов измерений расстояний соединяют в вектор геометрических характеристик.
Для узора из точек с изменяющимися характеристиками, состоящего из 100 ячеек, получают вектор размером 100×2. По причине неточностей в положении ячеек отсчета может иметь место систематическая ошибка. На этапе 332 предпочтительно производят компенсацию указанной систематической ошибки путем вычисления средних расстояний по горизонтали и вертикали и вычитают данное среднее из соответствующих расстояний (предполагается, что средняя величина неточностей в положении равна нулю).
В вариантах осуществления:
- для определения положения каждой точки используют другие характеристические величины, например значение яркости центрального пикселя точки, значение отклика на фильтр точек, соответствующее пикселям, и т.д., и/или
- положения точек определяют без воспроизведения изображения с учетом масштабного фактора захваченного изображения, а также его поворота и перемещения при определении участков поиска точного положения каждой точки.
В отношении распознавания, или различения, подлинных узоров из точек с изменяющимися характеристиками и их копий с использованием вектора характеристик положений следует указать, что можно поступать следующим образом:
- на этапе 340 для каждой точки вычисляют Эвклидово расстояние между положением точки, определенным из захваченного изображения, и исходным положением;
- на этапе 342 вычисляют среднюю величину, или медиану, указанного расстояния по совокупности точек с получением меры среднего расстояния;
- на этапе 344 указанное среднее расстояние сравнивают с заранее заданным пороговым значением;
- на этапе 346 определяют, является ли узор из точек с изменяющимися характеристиками подлинником или копией, следующим образом:
- если среднее расстояние меньше порогового, узор из точек с изменяющимися характеристиками рассматривается как подлинник;
- в противном случае он рассматривается как копия.
Предложенный способ иллюстрируется следующим примером. Один и тот же узор из точек с изменяющимися характеристиками был напечатан и захвачен три раза. Средние расстояния, вычисленные из векторов характеристик положений исходных изображений, составляли 0,454, 0,514 и 0,503 пикселей изображения. Были изготовлены три высококачественные копии, каждая исходя из одного из трех напечатанных узоров. Средние расстояния, вычисленные из векторов характеристик положений указанных копий, составили 0,965, 1,088 и 0,929 пикселей изображения. Можно утверждать, что на основе средних расстояний исходные узоры из точек с изменяющимися характеристиками могут быть с уверенностью отличены от их копий простым сравнением с пороговым значением. Возможными являются несколько значений порогового значения в соответствии с издержками, связанными с возможными ошибками ("положительное пороговое значение" - распознавание копии в качестве подлинника или "отрицательное пороговое значение" - распознавание подлинника в качестве копии). Если издержки, связанные с обоими типами ошибок, эквивалентны, то приемлемым компромиссом является порог величиной в 0,75 пикселей (изображения).
Для того чтобы отличить подлинные узоры из точек с изменяющимися характеристиками от копий, могут быть использованы другие известные математические методы, например, основанные на статистических методах и/или методах распознавания формы.
Вышеприведенное описание касается прежде всего обеспечения защиты документов от копирования, В продолжении описания речь идет о двух других формах обеспечения защиты документа, предназначенных, с одной стороны, для однозначной идентификации документов, которые не были напечатаны "переменным" способом печати, с другой стороны, для получения информации, касающейся документа, например серийного номера, даты, места выпуска и заказа на изготовление, названия правообладателя прав интеллектуальной собственности, удостоверяемых документом, или его назначения.
Далее описаны способы идентификации узоров из точек с изменяющимися характеристиками на основе их геометрических характеристик. Речь идет об использовании измеренных характеристик узоров из точек с изменяющимися характеристиками для однозначной идентификации каждого оттиска одного и того же исходного цифрового изображения узора из точек. Получение каждого оттиска узора из точек с изменяющимися характеристиками приводит к уникальным случайностям при печати, которые могут быть обнаружены при различных захватах того же оттиска. Поэтому при сохранении характеристик последовательных оттисков одного узора из точек с изменяющимися характеристиками в базе данных или на документе, содержащем узор из точек, предпочтительно защищенным образом (например, в 20-штрихкоде), возможна дальнейшая идентификация оттиска узора из точек с изменяющимися характеристиками и, как следствие, печатного документа, на который он нанесен, т.е возможно однозначное распознавание путем нахождения соответствия между геометрическими характеристиками узора из точек с изменяющимися характеристиками, изображение которого захвачено, и сохраненными геометрическими характеристиками.
Идентификация и аутентификация предпочтительно являются комбинированными между собой, причем применение одного и то же устройства для захвата и обработки изображений одновременно обеспечивает индикацию подлинности и идентификацию документа.
Могут быть использованы несколько видов геометрических характеристик точек, в том числе точное положение, мера яркости, размера или размеров точек и их формы. Степень яркости, измеренная по среднему либо минимальному оттенку серого в точке или по оттенку серого в ее центре, является особенно пригодной для установления различий, поскольку она значимо и непредвиденным образом меняется на различных оттисках одного и того же исходного изображения. Следует отметить, что использование точек переменных размера или формы в исходном узоре из точек с изменяющимися характеристиками не является необходимым для того, чтобы характеристики точек менялись от одного оттиска к другому. Для иллюстрации данного положения на фиг.7 показаны два оттиска одного и того же узора из точек с изменяющимися характеристиками, обладающего постоянным размером точек: точка 151 напечатана на нижнем изображении темнее, чем на верхнем, тогда как точка 152 - на верхнем изображении темнее, чем на нижнем.
Выполняют захват каждого из трех напечатанных узоров из точек с изменяющимися характеристиками по три раза, всего получают девять захваченных изображений. Вычисляют вектор характеристик, содержащий значение минимальной яркости точек для каждого из девяти захватов. Затем рассчитывают показатель сходства, т.е. коэффициент корреляции между векторами характеристик каждой из 9×8/2=36 возможных пар захваченных изображений. Из данных 36 пар 9 соответствуют различным захватам одного и того же оттиска, а 25 - захватам различных оттисков. Среднее значение индекса сходства в первой группе составляет 0,9566 при стандартном изменении, равном 0,0073, и минимальном значении, равном 0,9474, а во второй - 0,6203 при стандартном изменении, равном 0,0272, и максимальном значении, равном 0,6679. Разница между индексами сходства является сильно значимой и показывает, что напечатанный узор из точек с изменяющимися характеристиками может быть недвусмысленно идентифицирован на основе вектора характеристик точек.
На фиг.18 детально проиллюстрированы этапы способа идентификации, соответствующего такому подходу. На этапе 402 производят захват печатных изображений узоров из точек с изменяющимися характеристиками. Затем на этапе 404 производят расчет вектора характеристик, содержащего средние значения минимальной яркости точек. Упомянутый вектор характеристик, или "подпись" напечатанного узора из точек с изменяющимися характеристиками, содержит среднюю измеренную яркость каждой точки и, возможно, стандартное изменение между измерениями яркости для каждой точки. Следует отметить, что некоторые измерения яркости могут быть исключены на основе их различия со средними значениями других измерений и стандартного изменения между другими измерениями. Затем, на этапе 406, вектор характеристик вводят в базу данных вместе с указаниями, касающимися изготовления и/или обращения документа.
В ходе попытки идентификации на этапе 410 захватывают изображение напечатанного узора из точек с изменяющимися характеристиками. Затем, на этапе 412, вычисляют вектор характеристик, соответствующий сохраненному вектору. На этапе 414 определяют сохраненный вектор характеристик, наиболее близкий к вектору, вычисленному на этапе 412, и получают связанную с ним информацию.
В варианте осуществления вектор характеристик, определенный на этапе 404, также сохраняют надежным, т.е. стойким к копированию, на самом документе, например, при помощи 20-штрихкода или в Datamatrix (зарегистрированная торговая марка), предпочтительно зашифрованных по соображениям безопасности. В этом случае возможна аутентификация документа путем сравнения показателя сходства между двумя векторами характеристик и пороговым значением, заданным заранее или сохраненным в штрихкоде на этапе 416.
Для хранения информации в узорах из точек с изменяющимися характеристиками можно, например, определить два возможных положения или размера либо две возможные формы каждой точки внутри отведенной для данной точки ячейки, при этом на один участок приходится один бит.Каждому положению, размеру или форме присваивают значение бита (ноль или единица).
В соответствии с фиг.5, на которой показан узор из точек с изменяющимися характеристиками, обладающий двумя размерами точек, точки малого размера (2×2 пикселя) могут, например, представлять значение бита "0", а точки большого размера (3×3 пикселя) - значение бита "1".
Для узора из точек с изменяющимися характеристиками, содержащего 100 ячеек, можно таким путем хранить 100 бит при отсутствии избыточной информации. Для обнаружения и/или исправления ошибок желательно использование кода обнаружения и/или коррекции ошибок.
В случае использования положения для представления двоичной информации является предпочтительным, чтобы положения, соответствующие каждому из двух значений, были удалены друг от друга. Возможный способ обеспечения удаленности двух положений друг от друга состоит в разделении ячейки на две части равного размера, соответствующие двум значениям бита, и псевдослучайном назначении положения в области, соответствующей кодируемому бита. Следует отметить, что положение точки в ячейке может представлять более одного двоичного значения вследствие множественности возможных положений. Например, как показано выше, указанное положение может представлять 8 бит в 289 различных положениях или 6 бит, если исключить одно положение из двух в каждом направлении для ограничения риска ошибки интерпретации положения в ходе считывания.
При считывании узоров из точек с изменяющимися характеристиками производят определение участка поиска в окрестности двух возможных положений точки для каждой подъячейки. Для того чтобы определить, какая из двух подъячеек содержит точку, определяют минимальное значение яркости для каждой из двух подъячеек: участок с более низким значением яркости рассматривается как тот, в котором находится точка. В варианте осуществления каждому значению бита можно присвоить статистический вес в зависимости от разности или отношения яркостей каждой из двух подъячеек.
В вариантах осуществления:
- для представления одного бита информации (используемого далее в "решетках") используют присутствие или отсутствие точки;
- представляют более одной двоичной величины путем возможности более чем двух положений точки на ячейку;
- представляют более одной двоичной величины путем возможности более чем двух размеров точки на ячейку;
- представляют более одной двоичной величины путем возможности более чем двух форм точки на ячейку, и/или
- перед кодированием информации производят ее шифрование.
В отношении интеграции с другими цифровыми аутентификационными кодами следует указать, что узоры из точек с изменяющимися характеристиками могут быть интегрированы с другими цифровыми аутентификационными кодами для получения дополнительного слоя защиты и/или незаметного средства отслеживания документов. На фиг.8 показана защищенная информационная матрица 155, содержащая в центре участок, в который вставлен узор из точек с изменяющимися характеристиками 156. На фиг.9 показана защищенная информационная матрица 160, окруженная узором из точек с изменяющимися характеристиками 161. Следует отметить, что в последнем случае элементы, позволяющие определить положение цифрового аутентификационного кода 160, например его углы, могут быть использованы для приблизительной локализации и определения положения точек узора из точек с изменяющимися характеристиками 161.
В вариантах осуществления используют средства включения в узоры из точек с изменяющимися характеристиками реперов путем нанесения малозаметных маркировок. В самом деле, в некоторых случаях желательно, чтобы реперные маркировки были более дискретными, чем окантовка, с тем чтобы положение и даже присутствие узора из точек с изменяющимися характеристиками можно было обнаружить с трудом: например, возможными являются вставка маркировок в виде ограниченных или прерывных окантовок, угловых маркировок либо определение положения по цифровому аутентификационному коду или другим связанным символам.
Если один и тот же узор из точек повторяется несколько раз, например, путем мозаичного размещения, определение положения и локализация точек могут производиться с использованием методов автокорреляции и перекрестной корреляции согласно описанному в статье M.Kutter, "Watermarking resisting to translation, rotation and scaling", Proc. of SPIE: Multimedia systems and applications, Volume 3528, pp.423-431, Boston, USA, November 1998.
Другой путь включения дискретных реперных маркировок в узоры из точек с изменяющимися характеристиками состоит во вставке ячеек, состоящих из совокупности точек, имеющих характерную форму и поэтому легко находимых. Например, если желательно, чтобы репером служила точка, производится вставка значительного числа точек, соседствующих с реперной, с получением легко находимого скопления точек. На фиг.10 показан узор из точек с изменяющимися характеристиками 165, каждый из четырех углов 166 которого состоит из одной ячейки, содержащей центральную точку и четыре очень близкие к ней соседние точки, образующие углы квадрата с центром в центральной точке. При обнаружении вначале производят детектирование всех точек на достаточной площади, служащих "кандидатами". Затем для каждой точки определяют число соседних точек, находящихся на расстоянии от нее, меньшем или равном заданному расстоянию. Это может быть проделано быстро, если точки-"кандидаты" расположены по решетке, позволяющей быстро подсчитать количество соседних точек в промежутках решетки. Ограниченное число "кандидатов", например шесть, обладающих наибольшим числом соседних точек, сохраняют. Затем для определения того, какие "кандидаты" соответствуют контрольным точкам, в данном случае углам узора из точек с изменяющимися характеристиками, возможно использование известных геометрических методов. Например, для узора из точек с изменяющимися характеристиками 165 известно, что три подходящих "кандидата" должны образовывать прямоугольный равнобедренный треугольник.
Другой путь включения дискретных реперных маркировок состоит во вставке точек по одной линии. На фиг.11 показан узор из точек с изменяющимися характеристиками 170, содержащий по краям линии 171 с более высоким числом точек по сравнению с параллельными им линиями, находящимися внутри узора из точек 170. Упомянутые окантовочные линии могут быть обнаружены с использованием различных алгоритмов обнаружения линий, например с применением преобразования Хафа (Hough) и/или фильтра Собеля (Sobel), обеспечивающего фильтрацию шума.
В варианте реализации осуществляют мозаичное размещение одного и того же узора из точек с изменяющимися характеристиками или различных узоров из точек с изменяющимися характеристиками, содержащими линии точек или реперные маркировки, например скопления точек, подобные изображенному на фиг.10.
В предпочтительном варианте осуществления узоры из точек с изменяющимися характеристиками располагают в форме регулярной решетки. В самом деле, в некоторых случаях является преимуществом повтор узоров из точек с изменяющимися характеристиками на большой поверхности и даже на всем подлежащем защите документе путем мозаичного размещения. Таким способом уничтожение узора из точек с изменяющимися характеристиками оказывается очень трудным и даже невозможным; повышается гибкость положения захвата изображения. В частности, путем мозаичного размещения можно вставить один и тот же узор из точек с изменяющимися характеристиками много раз. Также возможна вставка одного узора из точек с изменяющимися характеристиками, по меньшей мере частично, отличающегося от всех остальных. Для корректного определения положения при считывании узоров из точек с изменяющимися характеристиками возможно использование реперных средств, описанных выше. Однако на практике контрольные, синхронизационные или реперные элементы могут быть трудными для корректного детектирования.
Как будет показано далее, при размещении точек в форме решетки можно облегчить их детектирование. Точки вставляют через регулярные промежутки, например, с расстоянием между ними, равным 4-12 пикселей в каждом направлении. Существует несколько способов представления информации на основе подобного принципа:
- присутствие точки или ее отсутствие позволяет представить один бит информации, как в узоре из точек с изменяющимися характеристиками 175, показанном на фиг.12, на котором присутствие точки соответствует значению бита "1", а ее отсутствие - значению бита "0";
- информацию позволяют представить размер, форма и разность амплитуд, меньших по меньшей мере одного размера точек узора из точек с изменяющимися характеристиками. Например, выбор точки среди четырех форм или четыре выбора размеров позволяют представить в каждой точке узора из точек с изменяющимися характеристиками 180 два бита информации, как показано на фиг.14, на которой представлен увеличенный фрагмент узора из точек с изменяющимися характеристиками 180. Видно, что точки этого узора из точек с изменяющимися характеристиками могут принимать следующие размеры в пикселях (первое число означает высоту, второе - ширину): 1×1, 2×2, 1×2 и 2×1, что соответствует значениям битов "00", "01", "10" и "11". Разумеется, являются возможными многие другие сочетания и формы точек.
В варианте осуществления, основанном на принципе совершенно правильной решетки, представление информации обеспечивается небольшим смещением точки. Например, смещение точки, составляющей поверхность площадью по меньшей мере два пикселя, смещение на один пиксель по горизонтали и/или вертикали позволяет представить два бита информации. Возможны, разумеется, многие другие варианты. Следует отметить, что подобное смещение точек не приводит к значительному изменению геометрических характеристик и, стало быть, не влияет на преимущества при использовании решеток, особенно для идентификации.
Решетка особенно пригодна при определении угла поворота и масштабного фактора применительно к захваченному изображению. В частности, можно взять за основу преобразование Хафа изображения или определение максимумов энергии в пространстве Фурье. На фиг.13 показано абсолютное значение двумерного Фурье-образа решетки, изображенной на фиг.12, при этом светлые точки соответствуют максимумам энергии. Обнаружение указанных максимумов энергии позволяет специалисту в данной области техники вычислить угол поворота и масштабный фактор изображения, что в свою очередь позволяет получить его нормализованные размеры с целью его обработки.
Если угол поворота и масштаб изображения являются известными и, возможно, скорректированными, производят определение значения трансляции, т.е. перемещения изображения, необходимого для корректного выравнивания точек решетки. Для этого возможно использование различных способов. Общей чертой всех упомянутых способов является фиксирование значений для совокупности точек решетки, которые затем находят с целью выравнивания решетки. Например, возможно фиксирование значений для совокупности точек, выбранных псевдослучайным образом в соответствии с ключом. При перекрестной корреляции между захваченным и скорректированным изображением решетки и изображением, созданным исходя из известных значений для точек, в положении, соответствующем перемещенной решетке, образуется корреляционный максимум.
В отношении алгоритма записи возможно использование многих способов, известных специалисту в данной области техники. В качестве примера предположим, что имеется решетка с мозаичным размещением или обычная размером 20×20 ячеек, печать выполнена при разрешении 600 точек на дюйм и маркированным может быть 1% поверхности (чтобы свести к минимуму визуальное воздействие маркировки), тогда в среднем в состав решетки входит одна точка из каждых 10 в каждом направлении. Исходный размер единицы мозаичного размещения составляет 200×200 пикселей; устройство захвата изображений позволяет получать изображения размером 640×480 пикселей при разрешении захвата 720 пикселей на дюйм. Следует отметить, что следует удостовериться в том, чтобы в захваченном изображении целиком содержалась по меньшей мере одна единица мозаичного размещения.
На этапе 502 на входе получают сообщение, например, состоящее из 8 байт, криптографический ключ и ключ скремблирования (при этом ключи могут быть идентичными). На этапе 504 производят шифрование упомянутого сообщения. На этапе 506 возможно добавление к сообщению битов обнаружения ошибок, например, двух байт, позволяющих снизить риск ошибок декодирования сообщения на 2 в степени 16. На этапе 508 после конкатенации зашифрованного сообщения с кодом обнаружения ошибок, в данном случае размером 10 байт, вычисляют сообщение, устойчивое по отношению к ошибкам, например, путем применения конволюционного кода. Для конволюционного кода второго уровня с памятью размером семь при восьми байтах на входе получают код, составляющий 142 бит. На этапе 510, если имеется 20×20 точек = 400 положений, можно повторить данное сообщение два раза, получив реплику сообщения размером в 284 бит.Тогда остается 400-284=116 неиспользованных положений, которые служат для хранения битов синхронизации, используемых при детектировании для выравнивания единицы мозаичного размещения согласно описанному ниже. На этапе 512 реплику сообщения скремблируют, т.е. производят пошаговые перестановку и преобразование функцией "или-не". Перестановка и преобразование, использованные в функции "или-не", вычисляются с использованием ключа скремблирования. Получают 284 скремблированных бита.
На этапе 514 псевдослучайным путем при помощи ключа формируют 116 бит синхронизации; определение их положения также может быть псевдослучайным, при этом они равномерно распределяются в единице мозаичного размещения.
Изображение узора из точек с изменяющимися характеристиками модулируют путем простого добавления в определенных положениях точки для бита "1" (для бита "0" изменения не происходит). Очевидно, что точка может быть составлена так, чтобы она имела изменяющиеся размер или размеры, форму и/или положение согласно ранее рассмотренным способам.
Если требуется покрыть большую поверхность, единицы мозаичного размещения на этапе 516 добавляют одну за другой. Тогда согласно вариантам осуществления можно наносить одну и ту же единицу мозаичного размещения или изменять сообщение в каждой единице мозаичного размещения. Например, во втором варианте часть сообщения может остаться неизменной, тогда как другая часть, например один байт, определяют для каждой единицы мозаичного размещения случайным образом. Тогда можно применить случайный угол поворота, кратный 90°, к каждому элементу мозаики с тем, чтобы затруднить попытки анализа кода изготовителем подделок. Кроме того, можно произвести вставку случайным образом битов синхронизации или их инверсий, т.е. для синхронизационных битов производится инвертирование битов синхронизации в положениях вставки точек. Преимуществом последнего подхода является то, что число возможных конфигураций повышается, но чтение при этом не становится более сложным, как будет показано далее. Если учитывать изменения ориентации, то можно получить 8 возможных конфигураций синхронизационных битов, что усложняет их анализ при попытке взлома изготовителем подделок.
Решетка 200×200 в приведенном примере может быть повторена согласно изложенному выше.
Далее, на этапе 518, узор из точек с изменяющимися характеристиками вводят в печатные пленки и производят печать документа.
В отношении алгоритма считывания следует указать, что при его выполнении осуществляют следующие этапы:
- этап 548 захвата изображения документа;
- этап предварительной обработки 550: предварительная обработка изображения может быть полезна, в частности, для выполнения следующего за ней этапа определения точек-"кандидатов". При предварительной обработке желательно удалить паразитные шумы и артефакты, вызванные освещением. Например, применение многонаправленного фильтра верхних частот, результат которого уравновешивается исходным изображением, позволяет убрать артефакты освещения; применение медианного фильтра позволяет снизить шум от отдельных пикселей;
- на этапе 552 производят определение точек-"кандидатов": последние соответствуют пикселям изображения, яркость которых лежит ниже порогового значения. Данное пороговое значение представляет собой, например, в процентном отношении 1% гистограммы так, чтобы не более 1% точек оказалось в числе точек-"кандидатов". Чтобы оставить только те "кандидаты", значение яркости которых является самым низким на участке, слишком близкие "кандидаты" (например, расстояние между которыми составляет менее пяти пикселей) исключают;
- на этапе 554 производят определение векторов соседних точек-"кандидатов" и оценивают угол поворота и масштабный фактор: задаются предельным расстоянием между соседними точками и находят все пары точек, расстояние между которыми меньше упомянутого порогового значения. Если данное пороговое значение достаточно низко, только четыре точки, непосредственно соседствующие с данной точкой, могут быть объединены в вектор, в противном случае возможно объединение непрямо соседствующих (диагональных) точек. Объединения точек, не являющихся соседствующими, предпочтительно избегать. Для этого избегают того, чтобы пороговое значение было слишком высоким. Тогда можно оценить угол поворота, приводя угол каждого из векторов к значению, составляющему от 0 до 90 градусов;
- на этапе 556, если непрямые соседи исключены, производят разделение векторов на две группы в зависимости от их размера (который больше в квадратный корень из двух раз для непрямых соседей) и вычитают 45 градусов из угла, вычисленного для непрямых соседей. Также можно оценить масштабный фактор путем измерения среднего расстояния между точками одной и той же группы, разделенного на расстояние в подлинном изображении, если таковое известно;
- возможно, на этапе 558 производят восстановление изображения для получения изображения, не подвергнутого повороту, в исходном размере или в исходном размере, умноженном на целое число;
- на этапе 560 получают матрицу значений, представленных точками, - среднее расстояние между точками, составляющее, например, 10 пикселей, и размер воспроизведенного изображения, например, 500×500 пикселей, являются при этом известными. Тогда формируют таблицу размеров, содержащую 50 строк и 50 столбцов и предназначенную для хранения оценок значений, содержащихся в сообщении, зная, что отношение между размерами воспроизведенного изображения и оцененным расстоянием между точками соответствует максимальному пороговому значению для количества точек в изображении. На практике, если решетка точек в захваченном изображении имеет значительный угол поворота, количество точек в воспроизведенном изображении может быть существенно менее высоким;
- на этапе 562 с целью заполнения указанной таблицы оценками значений, содержащихся в сообщении, производят поиск отправной точки для развертки изображения. Данная точка может, например, представлять собой первую обнаруженную точку-"кандидат", начиная от верхнего левого края изображения, либо точку-"кандидат", имеющую наибольшую вероятность оказаться точкой (например, точку с наименьшим значением уровня серого). Следует отметить, что важно не допустить ошибки в выборе точки, поскольку ошибка может иметь неблагоприятные последствия для дальнейших расчетов. К отправной точке можно вернуться и повторить расчет итерационным методом, если дальнейшие этапы считывания сообщения окажутся неудачными. Для выбранной точки в таблицу заносят значение, например ее уровень серого или наименьшее значение уровня серого на некотором участке вокруг ее центрального положения, с тем чтобы избежать ошибочного измерения, если оцененное положение точки слегка изменяется от реального положения, причем изменение либо является следствием псевдослучайных изменений, предназначенных для распознавания копии, либо следствием любых других неточностей положения. Полученное значение сохраняют в соответствующей ячейке таблицы; номера ячеек которой в рассматриваемом примере меняются от (0, 0) до (49, 49), например, в положении (0, 0), если отправная точка является первой точкой вверху слева, или в положении (32, 20), если отправная точка с наибольшей вероятностью находится в положении (322, 204). Затем производят развертку всех положений изображения, начиная с отправной точки, путем сохранения найденного для каждой точки значения в соответствующем положении таблицы;
- на этапе 564 производят выравнивание решетки: обычно таблица значений сдвинута относительно начала мозаичного размещения. Чтобы обратить эту разницу, используют значения значащих либо синхронизационных битов, которые позволяют определить сдвиг. Так, возможна корреляция известных синхронизационных битов с таблицей значений для каждого возможного значения сдвига и для четырех возможных главных направлений (0, 90, 180 или 270 градусов). Самое высокое значение корреляции определяет сдвиг и ориентацию относительно главных направлений. В другом варианте осуществления определение может быть выполнено по самому низкому значению или абсолютному значению корреляции, если замощение выполнено в негативе, по отношению к другой мозаике. В случае, если возможна случайная вставка битов синхронизации или их инверсий, для определения сдвига используют абсолютное значение самой высокой корреляции. С целью снижения количества вычислений корреляция может быть найдена в пространстве фурье-образов. Следует отметить, что единицы мозаичного размещения могут быть также ограничены непрерывными линиями либо скоплениями отдельных точек, способными служить реперами при выравнивании.
- на этапе 566 проводят воспроизведение скремблированного сообщения. Например, если сообщение содержится в решетке 20×20, формируют матрицу 20×20 и вводят в нее найденные значения. Остальная часть процесса декодирования сообщения может быть выполнена в соответствии со стандартными способами, известными в уровне техники. После того как скремблированное сообщение вычислено, применяют операции, описанные в приведенном выше алгоритме считывания, в обратном порядке;
- на этапе 568, возможном, как и другие измерения, в случае, когда решетка обладает особыми характеристиками, позволяющими распознавать копии, например, точным положением или размером точек, упомянутые характеристики могут быть измерены на определенной решетке с целью принятия решения о природе документа (подлинник или копия) или однозначной характеризации/идентификации документа.
На фиг.21 показан увеличенный участок узора из точек с изменяющимися характеристиками высокой плотности, каждая строка матрицы точек которого содержит ровно столько черных точек, сколько и белого фона или заднего плана, и представляет кодированную или не подвергнутую кодированию информацию. В верхней строке 185 является переменным положение каждой точки по ширине, тогда как в нижней строке 186 изменяющимися являются размеры точек, в данном случае меняющиеся между двумя значениями, соответствующими 3×3 и 2×2 создаваемых пикселя. Понятно, что подобные узоры из точек с изменяющимися характеристиками обладают преимуществом компактности, с точки зрения вставки заданного числа точек в документ при сохранении преимуществ изменений размеров, положения и/или формы, средняя амплитуда которых имеет тот же порядок величины, что и по меньшей мере один размер части указанных точек и/или непредвиденное изменение при печати и, предпочтительно, является меньшей первой из упомянутых величин. Как ясно показано, по меньшей мере половина точек данного узора из точек с изменяющимися характеристиками не соприкасается с другими четырьмя точками. При этом менее половины точек не касаются никакой другой.
На фиг.22 показан увеличенный участок узора из точек с изменяющимися характеристиками 190 с градиентом размеров точек. Данный участок соответствует углу узора из точек с изменяющимися характеристиками, в котором размеры точек уменьшаются последовательными кольцами, в данном случае толщиной в один ряд, однако на практике толщиной в несколько рядов, Например, на участке, показанном на фиг.22, размеры точек составляют 6×6 пикселей для наружного кольца внизу и справа, затем - 5×5 пикселей для следующего кольца, затем - 4×4 пикселя и так далее.
Таким образом, благодаря данному особому средству по меньшей мере для одного из колец средняя амплитуда непредвиденных изменений в каждой точке по меньшей мере одной геометрической характеристики точек имеет тот же порядок величины, что и размер точек данного кольца.
Можно заключить, что подобные узоры из точек с изменяющимися характеристиками обладают преимуществом компактности при вставке в документ заданного числа точек с сохранением преимуществ изменения размеров, положения и/или формы, средняя амплитуда которых имеет тот же порядок величины, что и по меньшей мере один размер части точек, и предпочтительно является меньшей упомянутого размера и/или среднего непредвиденного геометрического изменения при печати.
Для способов печати, в которых для многократной печати одного и того же изображения применяется одна печатная форма, известно, что каждый из оттисков упомянутой печатной формы обеспечивает возможность его однозначного распознавания среди всех остальных оттисков той же печатной формы; в настоящем описании приводится несколько способов извлечения и сравнения их образов, а также формирования изображений, для которых однозначность подобных образов является максимальной.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что каждая печатная форма обладает уникальным образом, который находится в каждом из выполненных с ее помощью оттисков. Было найдено, что возможным является определение конкретной печатной формы, с помощью которой выполнен оттиск, путем сравнения захваченного изображения оттиска с захваченным изображением печатной формы. Еще большей неожиданностью стало открытие возможности определения того, выполнены ли два оттиска с одной и той же печатной формы, путем сравнения захваченных изображений упомянутых оттисков. На фиг.30 показано исходное цифровое изображение, состоящее из идентичных точек размером 4×4 пикселя. Данное изображение наносили на несколько различных печатных форм для офсетной печати и получали несколько различных оттисков каждой из упомянутых печатных форм. Можно отметить, что, хотя каждый оттиск придает каждой из точек уникальную форму, различные оттиски одной и той же печатной формы тем не менее обладают уникальными сходными признаками. На фиг.31 показаны захваченные при высоком разрешении (20000 ppi) изображения верхних левых углов трех оттисков изображения. Два верхних изображения являются оттисками одной и той же печатной формы, тогда как нижнее изображение представляет собой оттиск другой печатной формы. Можно, в частности, отметить, что, хотя точки 801 и 802 двух оттисков одной и той же печатной формы являются различными, сходства в их форме являются четкими, тогда как точка 803 другой печатной формы не имеет никакого сходства по форме с двумя первыми точками.
Применение образа печатной формы представляет большой интерес для борьбы с подделками. В самом деле, хотя применение образов каждого оттиска в принципе обеспечивает возможность составления описи легальных оттисков и поэтому является эффективным средством защиты, регистрация подобных образов не всегда является возможной вследствие высоких издержек или проблем, связанных с логистикой. Однако легче осуществить захват одного или нескольких изображений различных элементов печатной формы исходя либо из самой печатной формы, либо из ее изображения. Затем возможно определение происхождения подозрительного оттиска от данной печатной формы или из иного источника. Например, если файл, содержащий цифровые данные документа, украден и применяется для изготовления копий, по существу являющихся совершенными, возможным является определение происхождения оттисков от другой печатной формы и, стало быть, их нелегальности.
В общем случае отличительные элементы подписи находятся на переходных участках, например по краям букв текста, на границах штрих-кода, на участках, богатых информацией при высоком разрешении, в том числе в защищенных информационных матрицах или по краям напечатанных точек, в том числе в пространственных маркировках с асимметричной модуляцией или в узорах из точек с изменяющимися характеристиками. В таком случае можно ограничиться небольшим участком, очень богатым отличительной информацией и, предпочтительно, осуществить захват с высоким разрешением с целью извлечения максимального количества деталей. Также возможны формирование и вставка изображений, делающих максимальным количество изменений деталей. Например, хотя изображение, показанное на фиг.30, является очень простым и содержит всего-навсего одну и ту же точку, повторенную несколько раз (в цифровом изображении), оно создает как характерную подпись печатной формы, так и характерную подпись оттиска, богатые информацией. Следует отметить, что возможным является повышение плотности точек с целью повышения однозначности подписи, причем предпочтительно избегать соприкосновения точек. Также можно отметить, что для подписи, применяемой и для идентификации печатной формы, использованной при печати, и для идентификации конкретного оттиска, выполненного с применением данной печатной формы, можно использовать одни и те же характеристики, извлеченные из изображения.
На десяти различных печатных формах напечатали изображение, показанное на фиг.30; затем получили большое количество оттисков каждой из десяти печатных форм. Осуществили захват в общей сложности 120 изображений при разрешении 2400 dpi; для каждого изображения вычислили вектор характеристик, служащих подписью, состоящий из уровней серого в каждой из 169 точек изображения. Измерение уровня серого легко провести, и оно действительно является характеристикой площади и плотности печати точки, которая в свою очередь зависит от площади точки, нанесенной на печатную форму; последняя является изменяющейся. Разумеется, изначально предпочтительно было бы точное определение контура, являющееся более богатым информацией, однако захват с разрешением 2400 dpi не обеспечивает возможности очень точного определения контура. Таким образом, уровень серого представляет собой сильно искаженную информацию; однако, как будет показано далее, для определения идентичности печатной формы или для проверки происхождения двух оттисков от одной печатной формы данная величина является достаточной. Был определен статистический коэффициент корреляции (показанный на фиг.32) между вектором характеристик одного из захваченных изображений оттиска и векторами характеристик захваченных изображений 811 того же оттиска, захваченных изображений 812 других оттисков той же печатной формы и захваченных изображений 813 оттисков других печатных форм. Можно видеть (поз.811), что коэффициент корреляции захваченных изображений одного и того же оттиска лежит в интервале от 0,6 до 0,65. Следует отметить, что в случае более высокого разрешения или более высокого качества захвата значения коэффициента корреляции должны были бы быть близкими к 1. В поз.812 показан коэффициент корреляции между десятью захваченными изображениями оттисков одной и той же печатной формы, составляющий от 0,2 до 0,3. Хотя данные значения корреляции являются относительно низкими, причиной чего частично является качество захвата, они существенно отличаются от нуля, что можно успешно объяснить "эффектом татуировки" на печатной форме. В поз.813 показан коэффициент корреляции между 100 захваченными изображениями оттисков различных печатных форм, в среднем равный нулю, что не является неожиданным. Все значения коэффициента корреляции группы 813 отличаются от значений для группы 812. Итак, при правильном выборе порогового значения, например, 0,15 возможна идентификация изображений, происходящих от одной и той же печатной формы.
Если доступно изображение очень высокого разрешения, например, подобное изображениям, показанным на фиг.31, возможно осуществление гораздо более точных измерений, например, на основе точного контура точки. Подобные измерения позволяют получить подписи более высокого качества с большим уровнем отличий. Возможно, в частности, применение методов анализа изображений, известных специалисту в данной области техники. Например, для измерения сходства между двумя объектами основываются на сходстве их контуров, выраженном одномерным вектором, представляющим значения расстояния от центра тяжести в зависимости от углового направления. Данный метод наряду с другими методами, которые также могут быть применены для сравнения двух объектов, описан в работе Э.Р.Дэвиса (E.R.Davies) "Машинное зрение: теория, алгоритмы, практические вопросы" (Machine Vision: Theory, Algorithms, Practicalities).
В первом варианте осуществления для идентификации печатной формы, использованной при печати документа, осуществляют следующие этапы:
- этап печати по меньшей мере одного документа с использованием упомянутой печатной формы;
- этап захвата с высоким разрешением по меньшей мере одного изображения по меньшей мере части упомянутого документа;
- этап извлечения геометрической характеристики по меньшей мере из одного захваченного изображения;
- этап сохранения извлеченной геометрической характеристики;
- при определении, использовалась ли упомянутая печатная форма, для печати документа-кандидата, этап захвата с высоким разрешением изображения части упомянутого документа-кандидата, соответствующей части документа, геометрическая характеристика которой бала сохранена;
- этап извлечения из изображения упомянутого документа-кандидата геометрической характеристики, соответствующей сохраненной геометрической характеристике;
- этап определения того, превосходит ли мера корреляции геометрической характеристики упомянутого документа-кандидата и сохраненной геометрической характеристики заранее заданное предельное значение.
В вариантах осуществления способ содержит, помимо упомянутых этапов, этап определения глобальной геометрической характеристики для каждого оттиска, полученного при помощи данной печатной формы, этап сохранения упомянутой геометрической характеристики и для документа-кандидата, этап определения глобальной геометрической характеристики, соответствующей сохраненной глобальной геометрической характеристике, и этап определения наиболее сильной корреляции сохраненной геометрической характеристики с геометрической характеристикой документа-кандидата.
Предпочтительно осуществляют стадию формирования изображения, предназначенного для печати с применением упомянутой печатной формы, причем упомянутое изображение содержит множество точек, не соприкасающихся между собой, как описано выше.
На фиг.34 показаны стадии другого варианта осуществления процесса определения печатной формы, послужившей для печати документа.
Вначале проводят этап 851 формирования изображения, предназначенного для печати, например матрицы, подобной описанной выше.
Затем, на этапе 852, осуществляют маркирование печатной формы упомянутым изображением, предназначенным для печати. На этапе 854 осуществляют печать по меньшей мере одного документа с применением упомянутой печатной формы.
На этапе 855 выполняют захват с высоким разрешением по меньшей мере одного изображения по меньшей мере части документа, на котором имеется оттиск, полученный на этапе 854. На этапе 856 по меньшей мере из одного изображения, захваченного на этапе 855, извлекают геометрическую характеристику. Например, отмечают угол напечатанного изображения и в зависимости от данного угла отмечают некоторую точку напечатанного изображения. Например, получают контур точки и вычисляют вектор, представляющий расстояние контура от центра тяжести точки в зависимости от угла. Предпочтительно для получения средней характеристики одной и той же точки в различных изображениях используют несколько изображений, захваченных с высоким разрешением на этапе 855.
На этапе 857 геометрическую характеристику, извлеченную на этапе 856, сохраняют, например, в базе данных.
В ходе определения легальности документа и нахождения печатной формы, послужившей для его печати, на этапе 860 осуществляют захват с высоким разрешением изображения части документа, соответствующей части документа, использованной на этапах 855-857.
На этапе 861 из изображения, захваченного на этапе 855, извлекают геометрическую характеристику. Например, отмечают угол напечатанного изображения и в зависимости от данного угла отмечают некоторую точку напечатанного изображения. Предпочтительно используют те же алгоритмы, что и на этапе 856. Предпочтительно для получения средней характеристики одной и той же точки в различных изображениях используют несколько изображений, захваченных с высоким разрешением на этапе 861.
На этапе 862 геометрическую характеристику, извлеченную на этапе 861, сохраняют, например, в базе данных использованной на этапе 857.
На этапе 863 осуществляют измерение коэффициента корреляции геометрической характеристики, определенной на этапе 861, с геометрическими характеристиками соответствующих точек, сохраненными на этапе 857. На этапе 864 определяют наивысший коэффициент корреляции. На этапе 865 определяют, превышает ли данная корреляция предельное, или "пороговое", значение, например 0,15. В случае утвердительного результата на этапе 866 принимают, что документ является легальным и что документ был напечатан с применением печатной формы, напечатавшей точку с наивысшим коэффициентом корреляции. В противном случае на этапе 867 принимают, что документ является нелегальным. Возможно, с применением второго порогового значения определяют, идет ли речь о копии, изготовленной на основе документа, напечатанного с применением печатной формы, напечатавшей точку, обладающую наивысшей корреляцией.
Следует отметить, что для идентификации одного выпуска (серии оттисков, выполненных без демонтажа печатной формы) среди множества выпусков, выполненных с применением той же печатной формы, предпочтительно использование большего количества точек и более высокого разрешения изображения, чем при простой идентификации печатной формы.
В самом деле, если даже печатная форма была изначально легальной, возможно она была украдена и применена для печати нелегальных документов. История ее механических повреждений, коррозия и любое загрязнение могут отразиться в подписи выпуска, которую труднее распознать (или идентифицировать), чем простую подпись печатной формы.
На фиг.15 показан особый вариант осуществления устройства, являющегося объектом настоящего изобретения. Данное устройство 201, например персональный компьютер с различными периферийными устройствами, содержит коммуникационный интерфейс 218, соединенный с сетью связи 202, способной к передаче и приему цифровых данных. Устройство 201 также содержит средства хранения 214, например жесткий диск. Также в нем имеется дисковод 215. Дискета 224 может содержать подлежащие обработке или обрабатываемые данные, а также программный код, используемый для реализации настоящего изобретения, причем данный программный код после однократного чтения устройством 101 хранится на жестком диске 114. Согласно варианту осуществления программа, обеспечивающая реализацию устройством настоящего изобретения, хранится в постоянном запоминающем устройстве 110 (ROM). Во втором варианте осуществления программу получают для сохранения описанным выше путем посредством сети связи 202.
Устройство 201 снабжено экраном 212, обеспечивающим визуализацию результатов обработки и взаимодействие с ним, например, при помощи графических интерфейсов. При помощи клавиатуры 213 пользователь может вводить данные, значения площади, плотности, разрешения, параметров или ключи либо осуществлять выбор выполняемых команд. Центральное процессорное устройство 211 (CPU, central processing unit) выполняет инструкции, относящиеся к реализации изобретения и хранящиеся в ПЗУ 210 или в других устройствах хранения информации. При подаче напряжения программы, имеющие отношение к реализации способа, являющегося объектом настоящего изобретения, и хранящиеся в постоянной памяти, например в ROM 210, передаются в оперативную память (RAM) 217, в которой после этого оказывается исполняемый код программы, являющейся объектом настоящего изобретения, и в которой имеются регистры для ввода в память переменных, необходимых для реализации изобретения. Разумеется, дискеты 224 могут быть заменены на любой носитель информации, например компакт-диск или карту памяти. В общем, средство для хранения информации, читаемой компьютером или микропроцессором, интегрированное или нет в устройство, возможно съемное, запоминает программу, исполняющую процесс, который является предметом настоящего изобретения, Коммуникационная шина 221 обеспечивает связь между различными элементами, содержащимися в персональном компьютере 201 или связанными с ним. Наличие шины 221 не является ограничивающим условием, в частности, центральное процессорное устройство 211 может обмениваться инструкциями с любым элементом персонального компьютера 201 посредством другого элемента персонального компьютера 201.