СПОСОБ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ ПОДЛИННОСТИ ЦЕННОГО ДОКУМЕНТА
METHOD OF ADDITIONAL AUTHENTICATION OF VALUABLE DOCUMENT

Изобретение относится к области автоматизированной проверки подлинности защищенных документов, например, банкнот. Для защиты этих документов от подделки применяют специальные технологии печати, которые не являются широкодоступными. Специальные технологии печати позволяют напечатать изображение с особыми характеристиками, воспроизведение которых с помощью общедоступных технологий сильно затруднено. Такими особыми характеристиками печатного процесса являются, в частности, очень малая ширина непрерывных линий, воспроизводимых на банкноте (может достигать значений менее 25 микрон), небольшой размер минимально воспроизводимых пробельных элементов (до 5 микрон), и крайне высокая пространственная дискретность синтеза изображений, например, дискретность цифрового изображения может составлять 10000 точек на дюйм и выше. Здесь и далее термин «дискретность» относится к частоте расположения пикселей в строках и столбцах цифрового изображения и сходен по значению с ранее применявшимся выражением «линиатура сканирования». Дискретность измеряется в количестве точек на дюйм (dpi) или точек на миллиметр. Дискретность не следует путать с термином «разрешающая способность», который характеризует передачу чередующихся черных и белых линий в цифровом изображении и зависит не только от числа пикселей на единицу длины, но и от качества применяемой оптической системы. Разрешающую способность измеряют в количестве различимых линий на дюйм (lpi) или пар линий на дюйм (lppi) либо на миллиметр.
Печатный рисунок на банкноте составляют таким образом, чтобы его правильное воспроизведение существенно опиралось бы на перечисленные особые характеристики печатного процесса. При попытке воспроизвести этот рисунок на общедоступном оборудовании, например, на копировальных машинах или высококачественных принтерах, рисунок банкноты воспроизводится с искажениями, которые хорошо заметны глазу и привлекают внимание даже неквалифицированного человека. Эти искажения выглядят как пропадание отдельных участков изображения, замена изображения сплошным темным тоном, а также появление новых элементов изображения, которые на подлинных банкнотах не наблюдаются. Например, на скопированной банкноте проявляется надпись «КОПИЯ».
Еще одним видом искажения, который обладает высокой заметностью, является так называемый муар. Муар проявляется как чередующиеся темные и светлые полосы, наложенные на оригинальное изображение. На копиях банкнот, он возникает в результате интерференции рисунка банкноты с периодической строчно-столбцевой структурой цифрового изображения, которое сканируется сканером и/или печатается принтером. Такой вид муара иногда называют муаром дискретизации, поскольку он возникает при переводе непрерывного рисунка в дискретный цифровой образ. Когда банкноты печатаются на специальном оборудовании, то их рисунок синтезируется с настолько малой дискретностью, что интерференция со строчно-столбцевой структурой не возникает. Однако при попытке сканирования и/или печати на общедоступном оборудовании со значительно более грубой дискретностью, интерференция хорошо проявляется на частях рисунка с периодической или квазипериодической структурой. Чтобы усилить проявление муаров при копировании, рисунок защищенных документов намеренно насыщают специальными элементами, которые содержат тонкие линии, образующие квазипериодические структуры. Такие элементы есть на большинстве видов современных банкнот. Они считаются особым видом полиграфической защиты и эффективно защищают банкноты от копирования. Таким образом, защищенные документы, обладающие свойством образования муарового изображения при сканировании, образуют обширный класс защищенных документов.
К сожалению, фальшивомонетчики нашли способ обойти защиту, основанную на образовании муарового изображения при сканировании. Они сканируют оригинальную банкноту при помощи качественного сканера общеполиграфического назначения, а затем обрабатывают изображение на компьютере. Эта обработка направлена как на устранение проявившихся муаровых изображений в области специальных элементов, возникших при сканировании, так и на замену специальных элементов их упрощенными версиями, которые могут быть затем напечатаны на обычном принтере без опасности создать муаровое изображение. В частности, при такой обработке квазипериодическая структура, состоящая из тонких линий, заменяется точками и отрезками более толстых линий, в расположение которых внесена значительная случайность. В наиболее тщательно выполненных подделках, направленность отрезков линий тоже сохраняют. При наблюдении невооруженным глазом, подобная подмена остается незамеченной, так как уровень средней оптической плотности, которую уверенно фиксирует глаз, сохраняется таким же, как и на подлинной банкноте. Глаз человека не видит отличий подделки в структуре тонких линий, так как их уверенное наблюдение невозможно без увеличительных приборов. Однако наблюдатель неуверенно определяет само наличие линий на подделке и их приблизительно верное направление. Чтобы надежно выявить подобную подделку, необходимо исследовать микроскопическую структуру рисунка на документе, что уже относится к экспертному исследованию и не может производиться во всех точках приема банкнот.
Казалось бы, автоматизированное оборудование для обработки банкнот должно уверенно обнаруживать подобные подделки. Однако этого не происходит, так как подавляющее большинство машин для обработки банкнот сканирует изображение на банкнотах с дискретностью получаемого цифрового образа 100-200 точек на дюйм и даже менее, что не превышает разрешающей способности человеческого глаза. Поэтому, очень актуальной является задача проверки подлинности тонколинейной структуры рисунка банкнот на автоматизированном оборудовании.
Простое увеличение дискретности цифрового образа до нескольких тысяч точек на дюйм позволило бы решить эту задачу, но оно вступает в конфликт с требуемыми скоростями обработки банкнот. Если проводится экспертное исследование документа, то сканирование с высоким разрешением и обработка результатов сканирования не ограничены во времени и могут успешно выполняться на современном оборудовании. Однако когда речь идет о производительности автоматизированной обработки, достигающей 10-25 банкнот в секунду, современный уровень техники не может обеспечить ни нужной скорости передачи данных с фотоприемной матрицы сканера, ни вычислительной мощности для обработки этих данных. Отставание по этим параметрам от уровня, необходимого для уверенной регистрации тонких линий рисунка защищенного документа, составляет более одного порядка величины. Такое отставание позволяет считать подобное решение технически нереализуемым в данный момент. Поэтому, необходимо искать альтернативные технические решения, которые можно было бы реализовать на современном уровне техники.
Известен патент RU 2668856 (опубл. 03.10.2018 г., МПК G07D 7/20), в котором для повышения дискретности цифрового образа используется фотоприемная матрица с невысокой дискретностью совместно с лазерной осветительной системой, обеспечивающей пространственную модуляцию освещения документа при помощи последовательности случайных изображений. При помощи линейной фотоприемной матрицы регистрируют отклики документа на набор из многих случайных изображений. Затем, в результате вычислительной обработки этих откликов, формируют часть образа банкноты, содержащую несколько строк, в каждой из которых количество пикселей существенно превышает количество элементов фотоприемной матрицы. Такой подход дает возможность контролировать микропечатные элементы, включая сюда как тонкие линии, так и микротексты. Недостатком известного устройства является сложность реализации и низкая скорость работы. Лазерная осветительная система включает в себя множество оптических элементов, некоторые из которых, такие как волоконный лазер и модулятор, весьма сложные и дорогие. Оптическая схема нуждается в тщательной юстировке. Вычислительная обработка полученных данных требует заметного увеличения мощности процессора в сравнении с теми процессорами, которые сейчас применяются в счетно-сортировальных машинах. Необходимость опроса фотоприемной матрицы множество раз с использованием различных случайных изображений кратно снижает скорость сканирования документа.
Если документ обладает свойством образования муарового изображения при сканировании, то это муаровое изображение может быть использовано не только для того, чтобы сделать очевидной попытку копирования документа, но и для непосредственной проверки подлинности документа. Иными словами, можно анализировать муаровое изображение, возникающее в ходе сканирования документа в оборудовании для обработки банкнот. Если муаровое изображение на проверяемом документе имеет те же характеристики, что и муаровое изображение, возникающее на подлинном документе, то это указывает на высокую вероятность совпадения тонколинейного рисунка на проверяемом документе с тонколинейным рисунком подлинного документа.
Само по себе, проявление муара дискретизации при сканировании в оборудовании для обработки банкнот хорошо известно и обычно рассматривается, как помеха для надежной аутентификации банкноты. Это связано с тем, что муаровое изображение нельзя рассматривать как стационарное изображение, поскольку в результате каждого сканирования даже одного и того же документа, муаровое изображение получается совершенно иным, чем при предыдущем сканировании. Это объясняется влиянием ряда случайных факторов, таких как перекос документа по отношению к направлению строки сканера и сдвиг рисунка банкноты относительно момента начала сканирования. В результате, на стационарный рисунок банкноты накладывается непредсказуемо изменяющееся муаровое изображение. Это вносит существенный шумовой компонент в такие характеристики образа банкноты, как средний уровень оптической плотности и дисперсия оптической плотности, а также искажает форму элементов рисунка. Все названные искажения ухудшают точность работы алгоритмов распознавания подлинности, основанных на статистических параметрах оптической плотности и на анализе формы элементов рисунка.
В уровне техники известны примеры, когда для борьбы с вредным влиянием муаров дискретизации применяют специальные меры. Так, в патенте RU 2631161 (опубл. 19.09.2017 г., МПК G07D 7/12) предложено, в ходе сканирования, случайным образом в небольшой степени изменять межстрочный интервал. Благодаря этой случайности, удается нарушить строгую периодичность строчно-столбцевой структуры цифрового образа, что блокирует интерференцию с ней квазипериодической структуры рисунка документа и связанное с интерференцией образование непрерывных муаровых полос.
С другой стороны, использование муаровых изображений в качестве защитного эффекта для проверки подлинности защищенных документов хорошо известно и широко используется на практике. Для проявления муара, как правило, используют так называемое проявляющее изображение на отдельном носителе, который в момент проверки накладывают на рисунок защищенного документа. Например, в качестве носителя используют прозрачную полимерную пленку, а проявляющее изображение является тонколинейным рисунком специально рассчитанной конфигурации, нанесенным на пленку при помощи черной краски. При наложении проявляющего изображения, только определенные, точно рассчитанные участки рисунка на поверхности документа остаются видимыми для наблюдателя через прозрачные участки между черными линиями. Интерференция между проявляющим изображением и тонколинейным рисунком защищенного документа дает хорошо заметный высококонтрастный муар.
Подобное решение описано, в частности, в патенте RU 2328036 (опубл. 27.06.2008 г., МПК G07D 7/12). В самом простом случае, проявляющее изображение имеет форму параллельных прямых линий одинаковой толщины, следующих с постоянным сдвигом друг относительно друга. Рисунок защищенного документа формируется таким образом, чтобы при наложении проявляющего изображения на нем проявлялся муар в виде дополнительного, ранее скрытого рисунка. Специальные методы проектирования рисунка защищенного документа позволяют достичь динамического визуального эффекта. Динамический эффект заключается в том, что при перемещении проявляющего изображения по поверхности защищенного документа форма муарового изображения претерпевает непрерывные сложные трансформации. В этом же патенте описано устройство для автоматической проверки подлинности, в котором с помощью цифровой камеры фотографируют документ, накрытый пленкой с проявляющим изображением. После этого, анализируют муаровое изображение по полученной с камеры цифровой фотографии, и выносят заключение о подлинности документа.
Описанное решение обладает высокой достоверностью проверки подлинности, поскольку для воспроизведения запланированного муарового изображения требуется точно воспроизвести рисунок подлинной банкноты, с заложенными в него тонкими непрерывными линиями и мелкой дискретизацией положения этих линий. Попытка подделки не приведет к успешному воспроизведению запланированного муарового изображения, только если фальшивомонетчикам не удастся получить доступ к особо охраняемым технологиям защищенной печати. Однако это решение подходит только для экспертного исследования и непригодно для автоматизированной обработки банкнот с высокой скоростью. Это связано с тем, что наложение и позиционирование проявляющего изображения подразумевает, что проверяемый документ неподвижен. Наблюдаемый муар очень сильно зависит от взаимного положения и ориентации проявляющего изображения и документа, поэтому, во время регистрации цифрового изображения недопустимы даже малейшие взаимные смещения. В счетно-сортировальных машинах банкноты перемещаются по сложным траекториям на скоростях до 10 километров в час, так что наложить и непрерывно, без каких-либо относительных смещений, удерживать на документе пленку с проявляющим изображением было бы весьма затруднительно.
Таким образом, можно говорить о двух механизмах муаробразования. При попытках копирования защищенных документов возникает муар дискретизации. Муар дискретизации, по сути, определяется остаточными ошибками перевода аналогового изображения документа в дискретный цифровой образ, и его контраст не может быть очень высоким. Так как остаточные ошибки дискретизации относятся как к строчному, так и столбцевому направлению, то муар дискретизации не имеет четко выраженного направления наивысшей чувствительности. При исследовании защищенного документа при помощи проявляющей пленки возникает муар взаимодействия двух изображений, находящихся на плотно совмещенных носителях.
Другой тип муара порождается взаимодействием изображения документа с проявляющим изображением. Проявляющее изображение обеспечивает наивысшую чувствительность к положению элементов рисунка документа в направлении, перпендикулярном его линиям. Как тот, так и другой тип муара принципиально возможно использовать для проверки подлинности, но между этими муарами имеются существенные различия. Поскольку проявляющее изображение само обладает очень высокой контрастностью, то и муар, возникающий при взаимодействии с ним, имеет значительно более высокую контрастность, чем муар дискретизации, возникающий при сканировании того же документа. Кроме того, граница черной краски на проявляющем изображении имеет высокую резкость, а плотное совмещение носителей обеспечивает малое размытие в зоне наложения двух изображений друг на друга. Благодаря этому, муар, порождаемый проявляющим изображением, оказывается весьма чувствительным к микроскопическим характеристикам тонких линий на документе, таким как толщина, непрерывность и равнотолщинность. Опыт показывает, что можно контролировать эти характеристики с чувствительностью 10-20 микрон и даже лучше, чему помогает особая чувствительность данного вида муара к смещениям по нормали к линии. Наиболее высокая чувствительность к дефектам тонких линий достигается при очень малой ширине прозрачных участков между черными линиями проявляющего изображения. Это можно объяснить тем, что чувствительность оказывается тем выше, чем большую относительную долю ширины прозрачного участка может перекрыть дефект тонкой линии рисунка на документе. Как будет показано далее с использованием математического аппарата двумерного преобразования Фурье, при малой относительной ширине прозрачных участков соотношение между толщиной линий на документе и периодом их повторения примерно равно соотношению между шириной линий муарового изображения и периодом их повторения.
Таким образом, муар, порождаемый проявляющим изображением, обладает высокой эффективностью для проверки подлинности. В отличие от этого типа муара, муар дискретизации основан на значениях отдельных пикселей цифрового изображения, которые имеют размер около 100 микрон (при дискретности 200-300 точек на дюйм) и передают усредненное значение оптической плотности документа. В реальности, зона усреднения в сканерах в 2 и более раза превышает размер пиксела и к тому же имеет размытые края. Это приводит к низкой контрастности муарового изображения и сложности его обнаружения на фоне высококонтрастных элементов печатного изображения документа. Муар дискретизации отражает наличие, направление и период повторения тонких линий. Однако из-за образования муара как со столбцами, так и со строками цифрового изображения, направление и период повторения тонких линий могут определяться неоднозначно. Этот тип муара не позволяет уверенно определить толщину тонких линий, их непрерывность и равнотолщинность. Поэтому, для муара дискретизации в качестве инструмента проверки подлинности характерна невысокая эффективность.
Таким образом, муар дискретизации является паразитным эффектом с низкой потенциальной эффективностью использования для подтверждения подлинности документа, в то время как муар взаимодействия между документом и проявляющим изображением можно считать высокоэффективным инструментом подтверждения подлинности. С другой стороны, муар дискретизации возникает естественным образом при высокоскоростной автоматизированной обработке документов, в то время как муар взаимодействия плохо применим для подобного вида обработки. Было бы желательно создать техническое решение, объединяющее легкость получения муара дискретизации в машинах автоматизированной обработки, с высокой точностью муара взаимодействия между документом и проявляющим изображением, но без упомянутых недостатков каждого из названных видов муара.
В патенте США US 7561308 (опубл. 14.07.2009, МПК G06K 15/00) проявляющее изображение, в виде цифрового образа, по ходу вычислительной обработки накладывается на сканированный цифровой образ проверяемого документа. Муар в данном способе порождается проявляющим изображением и обладает всеми положительными свойствами этого типа муаров. Однако для формирования муарового изображения требуется, чтобы образ проверяемого документа был отсканирован с высоким разрешением, при котором отчетливо воспроизводятся муарообразующие элементы. Это ограничивает применение данного способа как с точки зрения требуемой сканирующей аппаратуры, так и с точки зрения возможного быстродействия. Данный способ не может быть применен в скоростных машинах для автоматизированной обработки защищенных документов, таких, как сортировщики банкнот.
Известен патент КНР CN 107730707 (опубл. 23.02.2018, МПК G07D 7/20), в котором проверяемый защищенный документ сканируют с невысокой дискретностью, равной 200 точек на дюйм, что приводит к появлению муаров дискретизации в изображении. Места проявления муаров в изображениях проверяемого и заведомо подлинного документов анализируют при помощи метода матрицы совместной встречаемости (co-occurrence matrix) и сравнивают друг с другом. Известный патент не конкретизирует условия образования муара и опирается на муар дискретизации, как на естественное свойство изображения документа. Точнее говоря, муар рассматривается, как дополнительная текстура в документе. Метод матрицы совместной встречаемости является проверенным способом статистического анализа и сравнения текстур, поэтому, он позволяет приблизительно подтвердить сходство муаровых изображений подлинного и проверяемого документа. Однако муаровое изображение подвержено серьезным изменениям в зависимости от угла перекоса документа при сканировании. Эта изменчивость не учитывается в известном патенте, что ограничивает точность проверки сходства муаровых изображений. Малая контрастность муаров дискретизации в сравнении с контрастным изображением самого документа повышает погрешности и дополнительно снижает точность проверки. Устройство и способ согласно известному патенту, с точки зрения быстродействия и сложности реализации, вполне могут быть применены в скоростных машинах для автоматизированной обработки защищенных документов. Однако такое решение не позволяет достоверно отбраковывать качественно изготовленные поддельные документы.
Еще один недостаток решения, согласно известному патенту, состоит в возможности легкого обмана проверки с помощью муара теми фальшивомонетчиками, которые знают о сущности проводимой проверки. Эти фальшивомонетчики могут внести в печатное изображение документа дополнительную полутоновую структуру, которая имитирует внешний вид муара, ожидаемого на подлинном документе. Поскольку в известном патенте не проводится анализ процесса муарообразования и не учитывается влияние на него угла перекоса, то отличить имитацию от настоящего муара на основе только статистического анализа изображения не представляется возможным. При использовании муаров для проверки подлинности защищенного документа в машине для автоматизированной обработки, необходимо учитывать, что при некоторых углах перекоса документа в машине муар может вообще не регистрироваться в ходе сканирования, либо может оказаться непригодным для анализа. Из-за этого, на проверку с помощью муара нельзя полагаться в качестве основного средства подтверждения подлинности документа. Проверка с помощью муара является очень мощным средством подтверждения подлинности, но она должна использоваться только в дополнение к другим способам проверки. К таким способам относятся, например, проверка печатного изображения банкноты с использованием излучения с различными длинами волн, проверка наличия магнитных меток, проверка меток, содержащих люминофор, и другие. В качестве прототипа заявляемого изобретения выбран вышеупомянутый патент CN 107730707.
Наблюдение за результатами сканирования документов с невысокой дискретностью, в пределах от 100 до 300 точек на дюйм, позволило авторам заявленного изобретения сделать вывод о том, что часть печатного изображения, имеющегося на поверхности документа, иногда отсутствует в получаемом цифровом образе. Причем, это не связано с размытием мелких элементов, детально описанным в литературе по оптике, а именно с исчезновением этих элементов. Более углубленный анализ устройства современных линейных датчиков изображения, так называемого контактного типа, показал, что, при определенном сочетании конструктивных параметров датчика, ширина области на документе, с которой датчик получает излучение в ходе сканирования одной строки, оказывается очень малой. Это проявляется, в частности, в том, что при использовании таких датчиков в сканерах высокой дискретности (более 300 точек на дюйм) разрешающая способность сканера в направлении перемещения датчика оказывается значительно выше, чем в направлении вдоль датчика. Когда датчик с тем же конструктивным решением используется для сканирования с невысокой дискретностью, поле зрения датчика при сканировании соседних строк не перекрывается, из-за чего часть мелких элементов печатного изображения на поверхности документа не попадают в поле зрения датчика или же попадают частично. Это, в свою очередь, приводит к частичному либо полному исчезновению этих элементов. Такой эффект доставляет определенные сложности при сканировании макрообъектов на поверхности документа, но, одновременно, лежит в основе заявленного изобретения.
Технический результат заявляемого изобретения состоит в повышении достоверности подтверждения подлинности защищенного документа, обладающего свойством образования муарового изображения при сканировании.
Этот результат достигается за счет того, что в способе дополнительной проверки подлинности ценного документа, выполняемой после проведения основной проверки подлинности, в ходе которой получают цифровой образ проверяемого документа и устанавливают тип документа и его ориентацию при подаче для проверки, на основе которых определяют размещение зоны контроля цифрового образа документа, где имеется свойство образования муарового изображения, при этом для проведения дополнительной проверки подлинности документа используют упомянутый цифровой образ проверяемого документа, состоящий из последовательно отсканированных строк и полученный при соблюдении следующего условия: в ходе сканирования, измеряемая в направлении сканирования протяженность области регистрации на документе, из которой датчик получает не менее 80 процентов излучения, регистрируемого в ходе сканирования отдельной строки, составляет менее межстрочного шага смещения проверяемого документа относительно датчика, а также угол перекоса проверяемого документа по отношению к направлению сканирования, причем, указанная дополнительная проверка состоит в определении наличия в упомянутой зоне контроля в цифровом образе проверяемого документа контролируемых особенностей, которые заранее установлены, как характерные для муарового изображения, образующегося в цифровом образе подлинного документа для установленного типа и ориентации в той же зоне контроля, при угле перекоса подлинного документа в ходе сканирования, равном углу перекоса проверяемого документа, и по заранее заданному правилу выносят решение о подтверждении подлинности проверяемого документа.
Заявленное изобретение касается проверки подлинности, проводимой в дополнение к основной проверке подлинности документа. Основная проверка подлинности, как известно из уровня техники, обычно включает в себя построчное сканирование документа, поданного для проверки, с получением его цифрового образа. На основании цифрового образа проводят определение типа документа и его ориентации при подаче для проверки, и далее проводят проверку подлинности, предусмотренную для определенного типа документа и его ориентации. Согласно заявленному изобретению, дополнительная проверка проводится для заранее заданного типа и ориентации документа, то есть тогда, когда в ходе основной проверки подлинности уже было подтверждено, что проверяемый документ относится к заранее заданному типу и ориентации. Для выполнения заявленного способа используется сканированный цифровой образ проверяемого документа, который обычно получается в ходе основной проверки подлинности.
Если основная проверка подлинности может вестись для различных типов и ориентаций документа, то по крайней мере для части сочетаний этих типов и ориентаций могут быть предусмотрены отдельные реализации заявленного способа дополнительной проверки подлинности.
В соответствии с заявленным способом, к условиям получения сканированного цифрового образа проверяемого документа предъявляется специфическое требование. Это требование состоит в том, что в ходе сканирования, измеряемая в направлении сканирования протяженность области регистрации на документе, из которой датчик получает не менее 80 процентов излучения, регистрируемого в ходе сканирования отдельной строки, используемой для получения цифрового образа проверяемого документа, должна быть менее межстрочного шага смещения проверяемого документа относительно датчика. Как было сказано ранее, это требование может иногда выполняться в известных сканирующих устройствах за счет определенного сочетания их конструктивных параметров. Однако такое требование к осуществлению сканирования не описано в известных источниках и неизвестно о его применении для достижения заявленного технического результата. Это определяет новизну заявленного изобретения. В заявленном изобретении не применяется пленка с проявляющим изображением, не используется она и в прототипе. Однако можно говорить о том, что, в ходе сканирования на рисунок банкноты накладывается виртуальное проявляющее изображение. В самом деле, за счет того, что межстрочный шаг смещения документа относительно датчика превышает протяженность области регистрации на документе, из которой датчик получает не менее 80 процентов излучения, регистрируемого в ходе сканирования отдельной строки, часть рисунка на изображении, в виде узких полос, соответствующих каждому межстрочному смещению, практически не регистрируется датчиком. То есть можно считать, что, при сканировании, на рисунок документа наложено проявляющее изображение в виде равномерно расположенных черных полос одинаковой ширины, параллельных направлению размещения линейного датчика изображения. Шаг этих полос равен межстрочному интервалу сканирования, а промежуток между ними равен размеру области на документе, с которой датчик получает излучение в ходе сканирования одной строки. Термин «виртуальное» в отношении описанного здесь проявляющего изображения отражает тот факт, что отсутствует физический носитель проявляющего изображения.
Таким образом, муар, проявляющийся в цифровом образе, полученном в соответствии с заявляемым способом, по своей природе является не муаром дискретизации, как в прототипе, а муаром взаимодействия с проявляющим изображением. Он обладает всеми положительными свойствами этого типа муара: высокой контрастностью и высокой чувствительностью к характеристикам тонких линий на рисунке документа. Также важно, что ориентация и пространственная частота линий виртуального проявляющего изображения совпадают с ориентацией и пространственной частотой строчно-столбцевой сетки сканирования. Поэтому, те защищенные документы, рисунок которых специально создается для образования муара дискретизации при обычном сканировании, с высокой вероятностью будут создавать высококонтрастное муаровое изображение при сканировании в соответствии с заявляемым способом. Соответственно, характеристики тонколинейных элементов рисунка такого защищенного документа можно будет проверить по многим параметрам и сопоставить с характеристиками подлинного документа. Поэтому, заявленное изобретение обеспечивает более высокую степень достоверности подтверждения подлинности, чем прототип.
Влияние требования, предъявляемого в заявленном способе к сканированному цифровому образу документа, на улучшение характеристик получаемого муарового изображения, не является очевидным для специалиста.
Доля излучения, составляющая менее 20 процентов от всего излучения, регистрируемого датчиком в ходе сканирования отдельной строки, может попадать на датчик с других мест документа вне области регистрации, напрямую из осветительной системы датчика, а также из внешнего пространства вокруг датчика. Эта доля обусловлена несовершенством датчика как технического объекта, а также условиями его эксплуатации в устройстве для обработки документов. Причинами здесь могут быть, главным образом, остаточная энергия за пределами пятна рассеяния оптической системы, а также влияние пыли и микроскопических дефектов на оптических поверхностях, переотражения освещения от элементов датчика, и внешняя паразитная засветка. Выбор предела менее 20 процентов для указанной доли обусловлен тем, что при таком значении происходит некоторое снижение контрастности виртуального изображения. Однако это снижение контрастности не приводит к существенному уменьшению контрастности муара взаимодействия с проявляющим изображением. Коэффициент контрастности виртуального изображения остается достаточно высоким, в худшем случае близким к 5-кратному. Яркость в каждой конкретной точке муара есть произведение яркости проверяемого изображения и светопропускания проявляющего изображения в той же точке. Поэтому и контрастность муара, в худшем случае, снижается не более, чем на примерно 20 процентов по сравнению с абсолютно контрастным проявляющим изображением.
В заявленном изобретении используют угол перекоса по отношению к направлению сканирования, возникшего при сканировании документа. Угол перекоса изменяет ориентацию виртуального проявляющего изображения и этим существенно изменяет характерные особенности возникающего муара, такие, как направление и длина вектора пространственной частоты муара. В заявленном способе, как и в прототипе, проверку проводят в зоне контроля, место расположения которой выбирается таким образом, чтобы охватить хотя бы часть муарообразующих элементов документа. Проверяется наличие в зоне контроля в цифровом образе проверяемого документа контролируемых особенностей, которые характерны для муарового изображения, возникающего в цифровом образе подлинного документа заданного типа и ориентации в той же зоне контроля, полученном при угле перекоса подлинного документа в ходе сканирования, равном углу перекоса проверяемого документа. Это обеспечивает высокую достоверность проверки подлинности, так как учитывается зависимость характерных особенностей муара от угла перекоса. В прототипе, напротив, зависимость муара от угла перекоса не учитывается. Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает значительно более достоверное подтверждение подлинности, чем прототип.
В частности, заявленное изобретение, в отличие от прототипа, позволяет в подавляющем большинстве случаев обнаружить имитацию муарового изображения, выполненную фальшивомонетчиками при помощи полутоновой печати. С учетом зависимости контролируемых особенностей муара от угла перекоса, вероятность того, что фальшивомонетчики точно воспроизвели муаровое изображение, по своим особенностям соответствующее углу перекоса, который был случайным образом получен в ходе сканирования проверяемого документа, оказывается очень низкой.
Как следует из сказанного здесь, технический результат заявленного изобретения достигается за как счет самого факта использования виртуального проявляющего изображения, основанного на заданном требовании к сканированному цифровому изображению, так и за счет учета влияния угла перекоса проверяемого документа на образование муара. Как указывалось ранее, необходимо учитывать, что при некоторых углах перекоса документа в машине муар может вообще не регистрироваться в ходе сканирования либо может оказаться непригодным для анализа. Вторая возможность возникает, например, когда сам муар регистрируется, но период муарового изображения превышает размер муарообразующей структуры на документе и не может быть достоверно измерен. Это ограничение связано с сущностью самого физического явления муара, является общим для всех способов, опирающихся на образование муара при сканировании, и проявляется как для прототипа, так и для заявленного изобретения. Из-за указанного ограничения, в ходе применения заявленного способа иногда может выясняться, что дополнительная проверка подлинности невозможна. Поэтому, заявленный способ, как и любой способ, основанный на контроле муарового изображения, должен использоваться в качестве дополнения к основной проверке. Это позволяет обеспечить обоснованность принимаемого решения о подлинности документа.
В случае, когда дополнительная проверка невозможна, по заранее заданному правилу может быть принято решение о подтверждении либо отсутствии подтверждения подлинности документа. Например, если машина настроена на работу с наиболее глубокой проверкой подлинности, в заранее заданном правиле на этот случай должно быть предусмотрено отсутствие подтверждения подлинности документа, что ведет к его браковке. Подобный вид браковки принято называть технической браковкой, так как он не связан напрямую с подлинностью банкноты. В машинах для обработки защищенных документов техническая браковка происходит во многих случаях, препятствующих обработке, например, при очень большом угле перекоса. Напротив, если машина настроена на средний уровень глубины проверки, при котором допускается иногда не проводить дополнительную проверку подлинности, в заранее заданном правиле на этот случай может быть предусмотрено принятие решения о подтверждении подлинности.
Использование массива объективов с единичным увеличением, создающих неперевернутое изображение, является типовым решением для линейных датчиков контактного типа, применяемых при сканировании документов. В переносе изображения с документа на приемную площадку фотоприемных элементов датчика одновременно участвуют несколько объективов, каждый из которых пропускает только определенную часть пучка излучения, испускаемого малым участком на поверхности документа и направляемого на приемную площадку.
Конструкция контактного линейного датчика изображения, пригодного для создания виртуального проявляющего изображения в соответствии с заявленным изобретением, может иметь оптическую систему, предназначенную для формирования изображения документа на линейном массиве фотоприемных элементов, расположенных вдоль прямой линии, и содержащую массив объективов, формирующих неперевернутое изображение с единичным увеличением, и размещенных в один ряд либо в два параллельных ряда, причем линейный размер поля зрения каждого объектива более чем в 3 раза превосходит расстояние между его оптической осью и оптической осью любого из соседних с ним объективов, при этом как линия расположения фотоприемных элементов датчика, так и ряд размещения объективов в массиве ориентированы в направлении, практически перпендикулярном к направлению сканирования, а размер приемной площадки каждого фотоприемного элемента, измеренный в направлении сканирования, меньше межстрочного шага смещения проверяемого документа относительно датчика.
Такая конструкция позволяет достигнуть очень малой ширины области на документе, с которой датчик получает излучение в ходе сканирования одной строки, даже при смещении документа из положения наилучшей фокусировки. Подобные случайные смещения практически постоянно наблюдаются в счетно-сортировальных машинах, так как документ движется мимо датчика в широком канале и может занимать в этом канале различные положения по отношению к датчику. Малая ширина указанной области обуславливается тем, что упомянутый ранее пучок, испускаемый малым участком на поверхности документа и направляемый на приемную площадку, имеет ассиметричную форму. А именно, он сжат в направлении сканирования и растянут в перпендикулярном направлении, поскольку состоит из нескольких пучков, проходящих через соседние объективы. При нахождении поверхности документа в перетяжке пучка, то есть в положении наилучшей фокусировки, размер малого участка, сопряженного с приемной площадкой, очень мал и определяется дифракционными ограничениями. За счет асимметрии пучка, при смещении документа из положения наилучшей фокусировки, размер указанного малого участка значительно увеличивается в направлении линии расположения фотоприемных элементов датчика, но остается небольшим в направлении сканирования. Поле зрения датчика складывается из отдельных малых участков, каждый из которых сопряжен с соответствующей приемной площадкой.
Размер приемной площадки фотоприемного элемента в направлении сканирования, меньший межстрочного шага смещения проверяемого документа относительно датчика, является необходимым условием для того, чтобы межстрочный шаг смещения поля зрения датчика вдоль документа превышал размер области на документе, с которой датчик получает излучение в ходе сканирования одной строки. Это связано с единичным увеличением объективов, составляющих оптическую систему. Влияние других конструктивных параметров датчика на указанную ширину детально будет рассмотрено далее.
При описании муарового изображения, порождаемого проявляющим изображением, было указано, что его эффективность для проверки подлинности оказывается тем выше, чем уже участки прозрачности между черными линиями. В терминах заявленного изобретения, ширина участков прозрачности виртуального проявляющего изображения определяется шириной области на документе, с которой датчик получает излучение в ходе сканирования одной строки. Эта ширина, в свою очередь, складывается из размера поля зрения датчика, измеренного в направлении смещения документа, и самого смещения документа за тот интервал времени, за который датчик регистрирует падающее на него излучение при сканировании одной строки. Отсюда следует, что для повышения эффективности проверки следует минимизировать как размер поля зрения, так и смещение при регистрации строки.
Дополнительного уменьшения размера поля зрения в направлении смещения документа можно достигнуть, если в оптической системе дополнительно применить элементы, ограничивающие ход лучей каждого из объективов. Использование таких элементов, например, апертурных диафрагм, хорошо известно специалистам и позволяет дополнительно уменьшить размер поперечного сечения пучка излучения, измеренный в направлении сканирования, при положении поверхности документа вдали от перетяжки. При этом, однако, должно учитываться влияние дифракционных эффектов, приводящее к увеличению размера поперечного сечения пучка вблизи перетяжки.
Чтобы уменьшить смещение документа за тот интервал времени, за который датчик регистрирует падающее на него излучение при сканировании одной строки, можно уменьшить длительность воздействия излучения. Это позволяет уменьшить размер области регистрации на документе, измеренный в направлении сканирования. Для этого датчик изображения может быть оснащен системой подсветки, которая импульсно облучает место расположения документа в поле зрения датчика, причем, подают импульс облучения в ходе сканирования каждой строки цифрового образа, и обеспечивают, чтобы сумма величины смещения поля зрения датчика вдоль документа в течение этого импульса и размера поля зрения датчика в направлении сканирования, была равна значению, меньшему, чем величина межстрочного шага смещения поля зрения датчика вдоль документа, используемого для получения цифрового образа проверяемого документа.
Линейные датчики изображения часто оснащают несколькими источниками подсветки, для того, чтобы проводить сканирование в различных областях спектра. Обычно, применяют подсветку в красном, синем и зеленом свете, а также в инфракрасном излучении. При импульсной подсветке необходимый уровень фотоэлектрической чувствительности датчика обеспечивается за счет определенной энергии импульса. С целью дальнейшего уменьшения длительности импульса подсветки без ущерба для энергии импульса можно задействовать источники нескольких длин волн, для которых отклик рисунка на документе в зоне проверки отличается незначительно. Например, для черно-белого рисунка можно во время импульса подсветки в течение определенного интервала времени одновременно включать красный, синий и зеленый источник подсветки, за счет чего необходимая энергия импульса будет достигнута за значительно более короткое время, чем при использовании одного источника. Заявляемый способ содержит шаг определения угла перекоса, и последующее использование значения угла перекоса при проверке зоны цифрового образа на наличие особенностей, характерных для муарового изображения, возникающего в этой зоне цифрового образа подлинного документа. Как уже говорилось, муаровое изображение на подлинном документе, при изменении угла перекоса, может меняться до неузнаваемости. С другой стороны, знание угла перекоса позволяет достаточно точно предсказать, каким должно быть муаровое изображение на подлинном документе, и на основе этого сформировать эталон для сравнения с муаровым изображением на анализируемом документе. Определение угла перекоса может быть выполнено, например, путем определения местоположения ведущей кромки документа на цифровом образе. Методы для обнаружения прямолинейных границ объектов и определения их угла наклона хорошо известны специалистам в области технического зрения.
Термин «рисунок документа» мы здесь и далее будем использовать для представления изображения документа в высоком разрешении, при котором не искажается передача микроскопических элементов, таких, как тонкие линии или микротексты. Цифровой образ документа получается при сканировании с невысокой дискретностью и небольшой разрешающей способностью, поэтому, микроскопические элементы в нем либо искажены, либо потеряны, либо проявляются косвенным образом в виде муаровых изображений.
Муаровое изображение, полученное на цифровом образе подлинного документа, даже при одном и том же угле перекоса, может выглядеть по-разному. Так как муаровое изображение представляет собой интерференционную картину, то фаза этой картины зависит от сдвига фаз двух интерферирующих изображений. В заявленном изобретении, фаза муара зависит от сдвига рисунка документа по отношению к фазе сканирования строк цифрового изображения. Поскольку муаровое изображение образуют тонколинейные периодические или квазипериодические элементы рисунка, то сдвиг фаз представляет собой относительный сдвиг положения рисунка в пределах расстояния между соседними муарообразующими линиями. Фаза муара проявляется в том, в какой части муарового изображения будет минимальная яркость, а в какой - максимальная. Изменение фазы муара на 180 градусов приводит к тому, что участки минимальной и максимальной яркости муарового изображения меняются местами. Начальный сдвиг положения документа в пределах расстояния между соседними муарообразующими линиями представляет собой очень малую величину, которая определяется тем, какой сдвиг имеет край документа по отношению к положению ближайшей линии виртуального проявляющего изображения. При прохождении каждого документа через сканер начальный сдвиг является случайной величиной, поэтому, от одного сканирования к другому, муаровое изображение меняет свою фазу случайным образом. Поэтому, в ходе проверки изображения на наличие особенностей, характерных для муарового изображения подлинного документа, необходимо исключить влияние фазы муара.
Для исключения влияния фазы муара могут применяться разнообразные подходы. В одном из возможных способов, применяется двумерное преобразование Фурье. Удобство применения преобразования Фурье обусловлено тем, что оно позволяет судить о наличии определенных пространственных частот в изображении, исключив из рассмотрения фазу. Рассмотрим в терминах двумерного Фурье-преобразования, что происходит при сканировании документа. В рисунке документа, обладающего свойством образования муара при сканировании, присутствуют периодические или квазипериодические структуры. В Фурье-образе рисунка эти структуры представляются как набор точек и отрезков прямых линий, либо компактных областей небольшого размера. Перекос проявляется в повороте Фурье-образа на угол перекоса. При наложении виртуального проявляющего изображения, которое происходит во время сканирования в соответствии с заявляемым способом, яркость изображения документа умножается на яркость проявляющего изображения.
Виртуальное проявляющее изображение можно представить как сумму постоянной составляющей, соответствующей усредненному уровню проявляющего изображения, основной гармоники фундаментальной пространственной частоты, соответствующей межстрочному интервалу сканирования, а также высших гармоник фундаментальной частоты. Умножение рисунка документа на фундаментальную частоту проявляющего изображения приводит к одновременным сдвигам его Фурье-образа как в область низких частот, так и в область высоких частот, на величину фундаментальной частоты. Это явление известно как образование комбинационных частот. То же самое происходит при перемножении рисунка на гармонику фундаментальной частоты, при этом величина сдвига равна произведению фундаментальной частоты на номер гармоники. Нужно учитывать, что исходный рисунок также частично проходит через проявляющее изображение в неизменном виде, что соответствует умножению на постоянную составляющую. Поэтому, итоговый Фурье-образ результата наложения представляет собой линейную комбинацию исходного и сдвинутых Фурье-образов рисунка документа. Коэффициенты линейной комбинации при каждом сдвинутом изображении определяются амплитудой соответствующей этому сдвигу гармоники фундаментальной частоты в виртуальном проявляющем изображении.
При Фурье-преобразовании цифрового образа, полученного при сканировании, получается ограниченный прямоугольный участок итогового Фурье-образа, размер которого в направлении сканирования равен фундаментальной пространственной частоте, а в перпендикулярном ему направлении равен пространственной частоте расположения приемных площадок в линейной фотоприемной матрице датчика. Такое ограничение является прямым следствием теоремы отсчетов, известной как теорема Найквиста - Шеннона или теорема Котельникова. Частотные координаты в указанном прямоугольном участке итогового Фурье-образа не превышают половины фундаментальной пространственной частоты и половины пространственной частоты расположения приемных площадок в линейной фотоприемной матрице датчика.
В заявленном изобретении, Фурье-преобразование цифрового образа необходимо проводить только для заранее заданной зоны контроля, поскольку в ней находятся контролируемые характерные особенности муара. Это ограничение существенно уменьшает вычислительные затраты. Результат Фурье-преобразования цифрового образа документа в зоне контроля мы будем называть контролируемым Фурье-образом. Характерные особенности муарового изображения проявляются в контролируемом Фурье-образе в виде соответствующих признаков, выражающихся как определенная картина распределения амплитуды спектральных компонентов Фурье-образа на частотной плоскости.
В соответствии с вышесказанным, для проверки на наличие особенностей, характерных для муарового изображения подлинного документа, в заявляемом способе при помощи дискретного Фурье-преобразования вычисляют контролируемый Фурье-образ содержимого цифрового образа проверяемого документа в зоне контроля, проверяют наличие в контролируемом Фурье-образе признаков, соответствующих контролируемым особенностям, и по наличию указанных признаков делают вывод о наличии контролируемых особенностей.
При сложном характере муара, отличающемся от прямых полос равного наклона, расположенных с постоянным периодом, в качестве набора признаков для проверки рассматривается целиком все распределение амплитуды спектральных компонентов Фурье-образа на частотной плоскости, которое должно присутствовать в контролируемом Фурье-образе. В соответствии с этим, предварительно получают цифровой образ подлинного документа для каждого типа и ориентации путем сканирования указанного подлинного документа без перекоса, обеспечивая дискретность в направлении сканирования, в три либо более раз превышающую дискретность контролируемого цифрового образа в направлении сканирования, и выполняют дискретное Фурье-преобразование содержимого этого цифрового образа в зоне контроля с получением эталонного Фурье-образа зоны контроля, а для проверки на наличие признаков, соответствующих контролируемым особенностям, в контролируемом Фурье-образе зоны контроля, с учетом угла перекоса, преобразуют эталонный Фурье-образ зоны контроля для получения целевого Фурье-образа, область пространственных частот которого совпадает с таковой областью контролируемого Фурье-образа, и, по предварительно заданному критерию сходства проводят сравнение распределения амплитуды спектральных компонентов Фурье-образа на частотной плоскости целевого Фурье-образа с таковым распределением контролируемого Фурье-образом зоны контроля, причем при достижении заранее заданной степени сходства делают вывод о наличии признаков, соответствующих контролируемым особенностям, если же заранее заданная степень сходства не достигается, то делают вывод об отсутствии признаков, соответствующих контролируемым особенностям.
Так как используется дискретное преобразование Фурье, то распределение амплитуды спектральных компонентов Фурье-образа на частотной плоскости есть просто двумерное изображение, состоящее из пикселей. При этом, распределения для контролируемого и целевого Фурье-образов имеют одинаковую размерность, так как области пространственных частот у них совпадают. Для нахождения степени сходства может применяться любой из известных методов нахождения степени сходства изображений, например, вычисление коэффициента корреляции. Превышение некоторого, наперед заданного порогового значения коэффициента корреляции может рассматриваться как достижение заданной степени сходства.
В теории Фурье-преобразования, амплитуда спектрального компонента, соответствующего определенной пространственной частоте, вычисляется как корень квадратный из суммы квадратов действительного и мнимого значений Фурье-образа для этой пространственной частоты. Поэтому, амплитуду спектрального компонента иногда называют модулем комплексной амплитуды этого компонента. Амплитуда спектрального компонента не зависит от фазы муара. Сравнение распределения амплитуды спектральных компонентов Фурье-образа на частотной плоскости целевого Фурье-образа с распределением амплитуды спектральных компонентов контролируемого Фурье-образом зоны контроля, таким образом, выводит из рассмотрения фазу муара. За счет этого, устраняется зависимость результата сравнения от малого начального смещения документа по отношению к положению строк виртуального проявляющего изображения.
Цифровой образ подлинного документа для каждого типа и ориентации получают путем сканирования с дискретностью в направлении сканирования, в три либо более раз превышающую дискретность контролируемого цифрового образа в том же направлении. Отметим, что, в соответствии с теоремой отсчетов, дискретность контролируемого цифрового образа задает наибольшую пространственную частоту в направлении сканирования, равную 1/2 пространственной частоты сканирования строк контролируемого цифрового образа. Увеличение дискретности в три или более раза увеличивает наибольшую пространственную частоту эталонного Фурье-образа до 3/2 пространственной частоты сканирования строк контролируемого цифрового образа. Такое увеличение дискретности сканирования необходимо, чтобы передать муарообразующую структуру рисунка подлинного документа. Оно позволяет выполнить частотный сдвиг эталонного Фурье-образа в сторону меньших частот на величину пространственной частоты сканирования строк контролируемого цифрового образа, что соответствует взаимодействию с первой гармоникой фундаментальной частоты виртуального проявляющего изображения. В результате сдвига, часть сдвинутого Фурье-образа покрывает частотный интервал целевого Фурье-образа. Такое покрытие необходимо, чтобы заполнить целевой Фурье-образ спектральными компонентами, характеризующими муар.
Чем выше дискретность в направлении сканирования, тем более точное представление подлинного документа в целевом Фурье-образе может быть получено. Так, при увеличении дискретности в пять раз по отношению к дискретности контролируемого цифрового образа, для формирования целевого Фурье-образа могут использоваться результаты взаимодействия не только с первой, но и второй гармониками фундаментальной частоты. Дискретность в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, необходимо обеспечивать приблизительно равной дискретности в направлении сканирования, чтобы устойчиво передавать структуру тонких муарообразующих линий и соответствующие им пространственные частоты. Для сканирования с высокой дискретностью могут применяться сканеры оригиналов, применяемые в издательско-полиграфической деятельности. Поскольку необходимо получить изображение высокой дискретности только для зоны контроля, в качестве цифрового образа подлинного документа может применяться микрофотография зоны контроля, полученная при помощи микроскопа, имеющего малый уровень дисторсии.
В одной из возможных реализаций, для получения целевого Фурье-образа, получают повернутый Фурье-образ путем поворота эталонного Фурье-образа на угол перекоса, получают, по меньшей мере, один сдвинутый Фурье-образ путем сдвига повернутого Фурье-образа вдоль оси, соответствующей направлению сканирования, на величину, кратную пространственной частоте сканирования, определяемой шагом строк цифрового образа, и вычисляют линейную комбинацию повернутого Фурье-образа и, по меньшей мере, одного сдвинутого Фурье-образа согласно заранее заданным коэффициентам линейной комбинации, после чего из указанной линейной комбинации выделяют область пространственных частот, по размерам совпадающую с областью пространственных частот контролируемого Фурье-образа, и используют ее как целевой Фурье-образ.
Эта реализация повторяет ранее описанный процесс формирования Фурье-образа муара при наложении виртуального проявляющего изображения на рисунок документа. Получаемый целевой Фурье-образ, таким образом, должен быть близок к контролируемому Фурье образу, если, конечно, рисунки заведомо подлинного документа и проверяемого документа в пределах зоны контроля оказываются близкими. Коэффициенты линейной комбинации могут быть найдены на основе исследования экспериментального исследования аппаратной функции линейного датчика, которая определяет пространственное распределение яркости виртуального проявляющего изображения и гармонический состав его Фурье-образа. Методы исследования аппаратной функции датчика изображения хорошо известны специалистам. Для малых коэффициентов линейной комбинации, не оказывающих существенного влияния на результат сравнения степени сходства, соответствующие сдвинутые Фурье-образы следует исключить из линейной комбинации с целью упрощения вычислений. Также, следует исключить те сдвинутые Фурье-образы, которые сдвигаются на большую величину и из-за этого не вносят вклада при выделении целевого Фурье-образ.
Чтобы обеспечить наивысшую скорость вычислений, для получения Фурье-образов очевидным решением будет использовать алгоритм быстрого дискретного преобразования Фурье, хорошо известный специалистам в области обработки изображений. Имеется дополнительная возможность сокращения вычислительных затрат, выполняемых во время проверки подлинности. Вычислительные манипуляции с Фурье-образом подлинной банкноты, включающие поворот, сдвиг, линейную комбинацию и выделение целевого Фурье-образа, можно провести заблаговременно для широкого набора возможных углов, и сохранить набор полученных результатов в качестве заготовок. Во время проверки подлинности из этого набора будет необходимо извлечь заготовку, соответствующую углу, наиболее близкому к измеренному углу перекоса проверяемого документа, и использовать его в качестве целевого Фурье-образа для сравнения.
Достаточно распространенным является случай, когда муарообразующие элементы в зоне контроля имеют периодическое или почти периодическое расположение. Эталонный Фурье-образ такой зоны контроля характеризуется повышенными значениями амплитуды спектральных компонентов в одной либо нескольких компактных областях и малыми значениями амплитуды вне названных областей. Такие компактные области мы будем называть областями концентрации мощности. Расположение этих областей на частотной плоскости определяется периодом муарообразующих элементов, а размер областей соответствует отклонениям от периодичности. Как правило, имеется одна доминантная область, пространственная частота центра которой соответствует периоду муарообразующих элементов, и множество вторичных областей, соответствующих гармоникам указанной частоты. Для такого эталонного Фурье-образа можно использовать преобразование в целевой Фурье-образ с использованием поворота, смещения и линейной комбинации, как было описано ранее. Однако можно значительно уменьшить сложность вычислительной обработки, если вместо операций с Фурье-образами производить операции поворота и смещения известных координат областей концентрации мощности. Для этого в качестве признака, соответствующего контролируемой особенности, используется превышение заданного уровня амплитуды контролируемого Фурье-образа в по меньшей мере одной характерной области на частотной плоскости, причем, размер и расположение характерной области на частотной плоскости вычисляются на основе угла перекоса по заранее заданному алгоритму.
Превышение заданного уровня амплитуды может определяться различными способами. Для сравнения может применяться пиковое, среднее или же среднеквадратичное значение амплитуды в характерной области. Алгоритм для вычисления положения и размера характерной области опирается на заранее известное расположение центра области концентрации мощности в эталонном Фурье-образе и выполняет последовательность поворота в соответствии с углом перекоса и сдвига на величину, кратную частоте сканирования строк контролируемого цифрового образа.
Положение областей концентрации мощности можно получать непосредственно из эталонного Фурье-образа. Однако во многих случаях их можно вычислить без получения самого эталонного Фурье-образа, только на основании ручного обмера периода муарообразующих элементов в рисунке подлинного документа, наблюдаемого под микроскопом. Это позволяет избежать процедуры сканирования подлинного документа с высоким разрешением, которая требует применения сложного оборудования.
В одной из реализаций заявленного изобретения, межстрочный шаг, по мере сканирования, изменяют на величину, ограниченную заранее определенными пределами, и учитывают это изменение в ходе проверки на наличие контролируемых особенностей. Изменение межстрочного шага в одной или нескольких последовательных строках вызывает изменение фазы муара, а изменение межстрочного шага в соседних группах строк вызывает изменение частоты муара. Оба вида изменения могут быть обнаружены при анализе цифрового образа проверяемого документа и соотнесены с произведенным изменением межстрочного шага. В результате, может быть определено, насколько отклик параметров муара, таких как фаза и пространственная частота, на изменение межстрочного шага, соответствует ожидаемой для подлинного документа. Это позволяет дополнительно обнаружить имитацию муарового изображения, выполненную фальшивомонетчиками при помощи полутоновой печати.
Как было выяснено авторами в ходе экспериментов, муаровое изображение, полученное в соответствии с заявляемым способом, несет информацию о толщине и неразрывности тонких линий рисунка документа. Когда тонколинейная структура содержит группу параллельных отрезков, расположенных на равном расстоянии, то муаровая структура также представляет собой группу отрезков, расположенных на равном расстоянии. Угол, под которым направлены отрезки в муаровой структуре, и пространственная частота муара определяются направлением и пространственной частотой отрезков рисунка и углом перекоса документа. Важно, что между толщиной и пространственным периодом отрезков в муаровом изображении, соблюдается приблизительно то же самое отношение, что и между толщиной и пространственным периодом отрезков в рисунке документа. Точность соблюдения этого отношения тем выше, чем уже прозрачные полосы в виртуальном проявляющем изображении. Это позволяет измерить толщину линий в рисунке, опираясь на параметры муара. Кроме того, муар отражает неразрывность линий на рисунке. Для неразрывных линий поперечный профиль яркости муара, измеренный по направлению перпендикулярно линиям муара, имеет характерную форму, которая определяется межстрочным шагом смещения поля зрения датчика вдоль документа и размером области на документе, с которой датчик получает излучение в ходе сканирования одной строки. Однако если линии рисунка на документе имеют разрывы и/или существенную модуляцию толщины, то поперечный профиль яркости муара становится значительно более пологим, а продольный профиль яркости вдоль линии муара становится неравномерным. По этим отличиям можно судить о неразрывности линий и постоянстве их толщины.
В возможной реализации заявленного способа, в ходе проверки на наличие контролируемых особенностей, проверяют выполнение заранее заданного критерия, говорящего о наличии контролируемой особенности и основанного на оценке толщины линий печатного изображения на поверхности документа. Проверка может быть реализована, в частности, за счет того, что зону контроля заранее определяют таким образом, чтобы в ней в цифровом образе подлинного документа заданного типа и заданной ориентации содержалось множество параллельных отрезков, отстоящих друг от друга на одинаковые расстояния, так что они задают вектор пространственной частоты отрезков, а в ходе проверки на наличие контролируемых особенностей находят вектор пространственной частоты муара на основе вектора пространственной частоты отрезков и угла перекоса, при помощи дискретного Фурье-преобразования вычисляют контролируемый Фурье-образ содержимого цифрового образа проверяемого документа в зоне контроля, и проверяют выполнение заранее заданного критерия с использованием распределения значений контролируемого Фурье-образа вдоль прямой линии, проходящей через начальную точку на частотной плоскости в направлении вектора пространственной частоты муара.
Эта проверка основана на том, что муар, порождаемый множеством параллельных отрезков, отстоящих друг от друга на одинаковые расстояния, сам состоит из периодически расположенных отрезков. Фурье-образ такого муара, представляет собой набор характерных областей с повышенной амплитудой, расположенных вдоль прямой линии, проходящей через начальную точку на частотной плоскости в направлении вектора пространственной частоты муара. Характерные области располагаются вдоль прямой с шагом, равным пространственной частоте муара. Порядок следования характерных областей здесь нумеруется с нуля от начала координат, так что нулевая область соответствует постоянной составляющей, первая область соответствует пространственной частоте муара, а вторая соответствует удвоенной пространственной частоте муара и так далее.
Вектор пространственной частоты муара может быть найден на основе положения первой характерной области. Ранее был описан способ вычисления положения характерной области на основе известного местоположения области концентрации мощности эталонного Фурье-образа. В применении к пространственной частоте муара, в эталонном Фурье-образе заранее выбирают область концентрации мощности, которая при взаимодействии с виртуальным проявляющим изображением переходит в первую характерную область. Для вычисления положения характерной области, к координатам компактной области применяют поворот на угол перекоса и смещение в сторону меньших частот на вектор, кратный фундаментальной пространственной частоте.
Значения контролируемого Фурье-образа вдоль указанной прямой линии характеризуют толщину муарообразующих отрезков, как будет детально описано далее. В частности, чем тоньше муарообразующий отрезок по отношению к периоду расположения этих отрезков, тем выше амплитуды Фурье-образа во второй и последующих характерных областях. В качестве критерия может быть использовано превышение амплитуды контролируемого Фурье-образа во второй характерной области над некоторым заранее заданным порогом. В качестве альтернативного критерия можно рассматривать превышение отношения амплитуд во второй и в первой характерных областях над заранее заданным пороговым значением. Выполнение критерия указывает на то, что толщина муарообразующих отрезков в зоне контроля проверяемого документа оказывается не более той, которая характерна для подлинного документа.
На Фиг. 1 показана схема переноса изображения с поверхности документа на приемную площадку линейного датчика изображения.
На Фиг. 2 изображено формирование виртуального проявляющего изображения в ходе сканирования строк.
Фиг. 3 иллюстрирует образование муара между группой параллельных отрезков, отстоящих друг от друга на одинаковое расстояние, и виртуальным проявляющим изображением.
На Фиг. 4 тот же процесс образования муара показан с помощью двухмерного Фурье-преобразования.
Фиг. 5 показывает влияние угла перекоса на образование муара.
На Фиг. 6 проиллюстрированы ограничения образования муара, связанные с углом перекоса.
На Фиг. 7 изображен процесс образование муара между группой параллельных отрезков, отстоящих друг от друга на одинаковое расстояние, и виртуальным проявляющим изображением, в котором по контролируемому Фурье-образу можно судить о толщине отрезков.
На Фиг. 8 показана блок-схема процесса проверки банкноты.
На Фиг. 9 и Фиг. 10 изображены блок-схемы дополнительной проверки банкноты в соответствии с первым и вторым вариантами реализации, соответственно.
Практическая реализация заявленного изобретения предназначена для применения в счетно-сортировальной машине для обработки банкнот. Эта машина имеет подающий карман, механизм с банкнотопроводным трактом и системой элементов для перенаправления банкнот, набор датчиков, размещенных в тракте, контроллер и несколько приемных карманов. Контроллер используется для управления механизмом, сбором информации с датчиков, а также анализом этой информации для подтверждения подлинности и принятия решения о направлении банкноты в тот или иной карман. Банкноты помещаются пользователем в приемный карман. По команде пользователя контроллер запускает механизм, вследствие чего банкноты слистываются из подающего кармана и мимо датчиков проходят по тракту. Элементы для перенаправления, управляемые контроллером в соответствии с результатами подтверждения подлинности банкнот, направляют каждую банкноту в тот или иной приемный карман.
0
0
В практической реализации используется линейный контактный датчик изображения, сходный с серийно выпускаемыми датчиками, которые обычно применяются в сканерах и счетно-сортировальных машинах. Контактный датчик содержит импульсную светодиодную осветительную систему, которая обеспечивает равномерное освещение сканируемой области документа красным, синим и зеленым светом. Перенос изображения с поверхности документа на приемную площадку 5 линейного датчика изображения показан на Фиг. 1. Оптическая система датчика содержит линейный массив объективов 1, расположенных в один ряд вплотную друг к другу. Объектив 1 обеспечивает формирование неперевернутого изображения с увеличением Г=1. Он реализован в виде градиентной линзы диаметром D=300 мкм (диаметр линзы совпадает с апертурой), имеющей угол приема излучения θ=12° и рабочий отрезок Х=2,8 мм. Эти параметры соответствуют широко используемому типоразмеру массивов объективов, выпускаемых разными производителями. Например, к этому типоразмеру относится массив градиентных линз типа Selfoc Lens Array модели EG 12. Угол θ достаточно велик для того, чтобы излучение попадало на приемную площадку 5, проходя одновременно через четыре соседних объектива 1. На практике, при изменении параметров этих объективов, их количество меняется от 3 до 5 в зависимости от сочетания их апертуры D, рабочего отрезка Х и угла приема излучения θ.
f
Группа из четырех объективов 1 обеспечивает перенос энергии излучения с элементарного пятна в положениях 2-4 на поверхности документа на приемную площадку 5. Мы называем пятно элементарным, чтобы показать, что оно сопряжено с приемной площадкой 5 фотоприемного элемента датчика. Пятно в положении 2 показано для указания положения документа, соответствующего наилучшей фокусировке, а пятно в положении 3 и 4 соответствует крайним допустимым положениям документа по отношению к контактному датчику изображения в пределах глубины резкости D=1 мм. Значение необходимой глубины резкости определяется возможностью смещения поверхности документа в направлениях к датчику и от датчика при работе машины. Так как энергия с площади элементарного пятна в положениях 2-4 собирается на приемной площадке 5 заданного размера, то удобно рассматривать работу группы объективов в обратном ходе лучей, то есть от приемной площадки к документу.
Размер А приемной площадки 5, измеряемый в направлении сканирования (перпендикулярно оси расположения приемных площадок), выбирается по возможности малого размера и близким к размеру минимального пятна рассеяния объектива 1. Минимизация размера А необходима, чтобы получить наименьший размер пятна в направлении сканирования в положениях 2-4, что обеспечивает минимальную ширину прозрачных полос виртуального проявляющего изображения. При этом должен обеспечиваться уровень фоточувствительности, необходимый для работы датчика на наибольшей скорости сканирования. Для современной технологии фотоприемных элементов и градиентных линз, оптимальный выбор размера А приемной площадки 5 составляет 40-55 мкм.
min
Пучок излучения 6 имеет перетяжку в положении наилучшей фокусировки, соответствующую пятну 2. Пучок 6 вдали от перетяжки имеет ассиметричное поперечное сечение с соотношением сторон 1:4. Однако в области перетяжки, т.е. в положении 2 пятно является, как показывает опыт, практически круглым, несмотря на большую асимметрию пучка 6. Сужения пятна в направлении, перпендикулярном направлению сканирования, которого можно было бы ожидать из соображений дифракционной оптики, не происходит. Это связано, скорее всего, с тем, что длины различных объективов имеют значительные различия, превышающие длину волны излучения, что не позволяет рассматривать группу объективов как согласованно работающий единый дифракционно-ограниченный объектив с сильно вытянутой асимметричной апертурой. Размер Wmin пятна в положении 2 в направлении сканирования определяется размером приемной площадки 5 и диаметром минимального пятна рассеяния. На этот размер влияют как дифракция на оправе, так и аберрации. Как показывает опыт, для рассматриваемого типоразмера массива объективов, значение W не превышает примерно 65-80 мкм.
В уровне техники асимметрия пучка массива градиентных линз и связанная с этим зависимость размера пятна от расстояния до положения наилучшей фокусировки обсуждаются в патенте США US 5450157 (опубл. 12.09.1995 г., МПК G02B 3/00). Однако в этом патенте асимметрия рассматривается как недостаток при обеспечении энергетической освещенности приемника, а для ее устранения предлагается увеличить количество параллельных рядов градиентных линз. Увеличение количества параллельных рядов градиентных линз приводит к увеличению размера пятна, находящегося вдали от перетяжки, измеряемого в направлении сканирования. В контексте заявленного изобретения, это противоположно желаемому эффекту сужения пятна. Указанный патент имеет информативное значение, так как содержит обоснованную методику расчета параметров пучка.
max
Положения 3 и 4 пятна находятся в дальней зоне по отношению к перетяжке пучка и их размер в направлении сканирования определяется, по большей части, геометрическим ходом лучей. Исходя из геометрического хода лучей и увеличения Г=1, можно приблизительно представить этот размер как  Таким образом, при указанном выше интервале оптимальных размеров приемной площадки величина W находится в интервале 94-109 мкм.
max
max
В направлении, перпендикулярном направлению сканирования, размер L элементарного пятна в положениях 3 и 4 значительно превышает размер W в направлении сканирования. Это связано с асимметрией поперечного сечения пучка 6 с соотношением сторон 1:4.
max
Для сканирования, импульс питания осветительной системы подают одновременно на все светодиоды красного, синего и зеленого цвета. За счет высокой освещенности в импульсе его требуемая длительность оказывается достаточно малой, так что за время импульса документ смещается не более чем на а=10 мкм. В результате, протяженность области регистрации W на документе, из которой датчик получает излучение, регистрируемое в ходе сканирования отдельной строки, не превышает значения а+W, то есть 104-119 мкм.
Дискретность в направлении сканирования определяется синхронизацией сканирования отдельных строк с перемещением защищенного документа, и обеспечивается контроллером машины в соответствии с сигналами, получаемыми от датчика движения механизма. Эта дискретность может выбираться за счет настройки момента выдачи сигнала на сканирование отдельной строки в контроллере по отношению к сигналам от датчика движения. Дискретность в перпендикулярном направлении определяется шагом приемных площадок фотоприемной матрицы датчика. Значения дискретности в каждом из указанных направлений могут быть выбраны независимым образом в интервале 100-200 dpi. Однако для простоты описания, в описываемой реализации дискретность в обоих направлениях равна 150 dpi. Она соответствует межстрочному интервалу сканирования S и шагу приемных площадок фотоприемной матрицы, каждый из которых равен 169 мкм.
В защищенные документы часто вводят муарообразующие поля, которые специально рассчитывают для создания муара при сканировании на офисных сканерах. Такие сканеры обычно имеют дискретность из ряда значений 1200dpi, 600 dpi, 300 dpi, где смежные значения дискретности отличаются в 2 раза. При дискретности 150 dpi, которая является продолжением этого ряда, вероятность образования муара при сканировании защищенного документа также оказывается достаточно высокой.
Многие производители линейных фотоприемных матриц делают их адаптируемыми к различным значениям дискретности. Для этого приемные площадки делают соответствующими наивысшему применяемому значению дискретности, а для получения меньших значений дискретности электрически соединяют соседние приемные площадки в группы и используют каждую группу для регистрации одного пикселя строки. Так, например, для дискретности, равной 600 dpi, делают размер квадратной приемной площадки матрицы равным примерно 40 мкм и располагают их с шагом 42,33 мкм вдоль прямой линии. Для получения дискретности 300 dpi объединяют соседние приемные площадки в группы по две, для получения дискретности 150 dpi приемные площадки объединяют в группы по четыре. В описываемой реализации используется именно такая матрица, используемая в режиме объединения по четыре площадки в группе.
Межстрочный шаг смещения проверяемого документа S=169 мкм относительно датчика превышает протяженность области регистрации на документе W=104 мкм, из которой датчик получает излучение, регистрируемое в ходе сканирования отдельной строки, используемой для получения цифрового образа проверяемого документа, где указанная протяженность измеряется в направлении сканирования. Как показано на Фиг. 2, между областями регистрации 7 при сканировании последовательно расположенных строк 10 имеются области нечувствительности 9 шириной S-W=65 мкм. Рисунок документа в них вообще не регистрируется датчиком в ходе сканирования. В пределах области 7 регистрации количество энергии излучения, получаемой датчиком в ходе сканирования строки, распределено неравномерно в направлении сканирования 8. Как всегда происходит при построении изображения оптической системой для светлых объектов, близких по размеру к минимальному пятну рассеяния, в центре объекта обеспечивается больший уровень энергии, чем на его периферии. Из-за этого, при рассмотрении в направлении сканирования 8, из центральной части области 7 регистрации собирается больше энергии, чем из краевых участков этой области. Таким образом, в терминах виртуального проявляющего изображения, между областью 7 регистрации и областью 9 нечувствительности имеется размытая граница прозрачности, располагающаяся в пределах области 7 регистрации.
max
Отсканированная строка состоит из отдельных пикселей P1, Р2, …, PN, где яркость каждого пикселя формируется пропорционально усредненному отклику четырех приемных площадок 5. Таким образом, пиксель имеет размер 169 мкм в направлении, перпендикулярном направлению сканирования. В этом направлении, протяженность области чувствительности датчика, из которой датчик получает излучение при регистрации одного пикселя строки, значительно превышает размер пикселя из-за большого размера L элементарного пятна.
На Фиг. 3 показано, каким образом происходит сканирование группы отрезков 11 на поверхности документа, расположенных через равные интервалы 1/F и слегка наклоненных под углом ϕ по отношению к направлению сканирования 8. Здесь F обозначает длину вектора  пространственной частоты группы отрезков, который перпендикулярен отрезкам 11 (вектор на рисунке не показан).
Виртуальное изображение 12 состоит из областей 7 регистрации и областей 9 нечувствительности, расположенных в чередующемся порядке с повторяющимся интервалом S=1/f. Здесь f обозначает длину вектора  фундаментальной пространственной частоты виртуального проявляющего изображения, то есть частоты сканирования строк, ориентированного в направлении сканирования 8.
В результате наложения группы отрезков 11 и виртуального проявляющего изображения 12 формируется муаровое изображение в виде прямых полос 13. Это изображение имеет пространственную частоту М и период повторения полос 1/М. Ориентация и длина вектора  пространственной частоты муара отличаются от ориентации и длины векторов , и определяются углом наклона ϕ. Можно продемонстрировать, что даже малые изменения угла ϕ приводят к значительным изменениям вектора  Этот эффект сильного влияния угла наклона на пространственную частоту муара хорошо известен специалистам. Математическое рассмотрение процесса образования муара может проводиться разными способами. Например, можно вычислить положение муаровых полос между группой отрезков 11 и виртуальным проявляющим изображением 12 путем геометрического расчета точек пересечения этих структур. Однако наиболее полное представление в отношении явления муарообразования дает двумерное преобразование Фурье. Использование преобразования Фурье позволяет анализировать муар, образованный не только группой отрезков, но также любым иным рисунком на поверхности документа, обладающим свойством муарообразования.
В данном описании мы будем графически представлять отдельные спектральные компоненты Фурье-образа при помощи окружностей малого размера, где центр окружности соответствует пространственной частоте компонента, а размер окружности соответствует его амплитуде. Фурье-образ изображения обладает центральной симметрией, поскольку изображение представлено только действительными значениями. Хотя теоретический размер Фурье-образа не ограничен и может занимать всю частотную плоскость, в реальности очень высокие пространственные частоты не могут регистрироваться в изображениях из-за физических ограничений процесса получения изображения. Поэтому, в данном описании Фурье-образ ограничен прямоугольником на частотной области, соответствующим интервалу пространственных частот, имеющему практическую ценность.
На Фиг. 4А показан Фурье-образ группы отрезков 11. Он состоит из спектральных компонентов первой гармоники 16 пространственной частоты F, второй гармоники этой частоты 17, а также ее высших гармоник (на рисунке не показаны). Компонент 15 с нулевой частотой является нулевой гармоникой и соответствует среднему уровню яркости изображения группы отрезков 11. Эти спектральные компоненты находятся на прямой 18, совпадающей по направлению с вектором  и разделены интервалами F.
На Фиг. 4В показан Фурье-образ виртуального проявляющего изображения 12. Он состоит из спектральных компонентов первой, второй и третьей гармоник пространственной частоты сканирования f, расположенных в точках ±f, ±2f и ±3f на оси ординат, а также высших гармоник (на рисунке не показаны). Компонент с нулевой частотой является нулевой гармоникой и соответствует среднему уровню светопропускания проявляющего изображения 12. Наложение проявляющего изображения 12 на рисунок на поверхности документа в виде группы отрезков 11 представляется как перемножение яркости исходного изображения на светопропускание проявляющего изображения в каждой точке с получением яркости результирующего изображения в той же точке. Фурье-преобразование представляет каждое из исходных изображений в виде суммы гармонических функций. При поточечном перемножении изображений происходит попарное перемножение гармонических функций одного изображения с гармоническими функциями другого изображения, во всех возможных сочетаниях. Результат перемножения пары гармонических функций есть сумма гармонической функции с частотой, равной разности частот исходных функций, и функции с частотой, равной сумме частот исходных функций. Этот процесс известен как получение комбинационных разностной и суммарной компонент.
Для ясности понимания, следует указать, что виртуальное проявляющее изображение представляет собой физический эффект, связанный не со светопропусканием пленки обычного проявляющего изображения, а с концентрацией излучения, воспринимаемого датчиком, в области регистрации 7. Однако для описания процесса образования муара это различие не имеет существенного значения, поскольку не влияет на получаемые выводы. Поэтому, в данном описании мы пользуемся понятием светопропускания. Кроме того, при получении двумерного Фурье-образа принято говорить о яркости исходного изображения. В соответствии с этим подходом, для получения Фурье-образа виртуального проявляющего изображения, его светопропускание следует формально рассматривать как нормированную яркость.
При указанном перемножении, результирующий Фурье-образ муаровой структуры получается следующим образом. Каждая спектральная компонента Фурье-образа рисунка документа (Фиг. 4А) взаимодействует со всеми компонентами Фурье-образа виртуального проявляющего изображения (Фиг. 4В) с получением разностной и суммарной компонент от каждого взаимодействия. Разностная компонента получается сдвигом спектральной компоненты Фурье-образа рисунка на величину -nf, где n - номер гармоники фундаментальной пространственной частоты виртуального проявляющего изображения. Аналогично, суммарная компонента получается сдвигом на величину nf. Фурье-образ муаровой структуры, порождаемой группой отрезков 11, показан на Фиг. 4С. Для исходной частотной компоненты 16 можно проследить суммарные и разностные компоненты, получаемые сдвигом на ±nf в направлении оси ординат. Амплитуда получаемых суммарных и разностных компонент пропорциональна произведению амплитуд взаимодействующих спектральных компонент. Комбинационные компоненты, выходящие за пределы интервала практически используемых пространственных частот, имеют невысокие амплитуды и на рисунке не показаны. В векторном виде пространственную частоту комбинационного компонента можно представить как
В общем виде, для получения Фурье-образа муара произвольного рисунка на поверхности документа с виртуальным проявляющим изображением, необходимо построить линейную комбинацию множества копий Фурье-образа этого произвольного рисунка, каждая из которых соответствует n-й гармонике виртуального проявляющего изображения и сдвинута на ±nf в направлении оси ординат. Коэффициенты линейной комбинации пропорциональны амплитуде соответствующей гармоники виртуального проявляющего изображения. На практике, количество членов в линейной комбинации, оказывающих влияние на воспроизведение муара, оказывается небольшим из-за быстрого снижения амплитуды комбинационных компонентов с ростом номера гармоники, и из-за выхода этих компонентов за практически значимый интервал пространственных частот. Поэтому, следует ограничиться линейной комбинацией, содержащей несколько практически значимых членов.
Дискретность сканированного цифрового образа ограничивает передачу в нем высоких пространственных частот муарового изображения. Прямоугольник 19 обозначает границу этого ограничения. Высота прямоугольника равна пространственной частоте сканирования строк f, а ширина его равна пространственной частоте пикселей Р0, Р1, …, PN в строке пикселей, соответствующей области 7 регистрации. Так как в описываемой реализации дискретность цифрового образа одинакова в обоих направлениях и равна 150 dpi, то прямоугольник 19 является квадратом со стороной f. В цифровом образе, в соответствии с теоремой отсчетов, невозможно передать пространственную частоту, превышающую f/2 по каждому из направлений. В этом описании мы будем называть прямоугольник 19 областью видимости.
Из всего множества комбинационных частотных компонентов, полученных при наложении виртуального проявляющего изображения 12 на группу отрезков 11, в область видимости попадают только симметрично расположенные компоненты 20, соответствующие единственному вектору пространственной частоты  Этот вектор направлен параллельно прямой 21. Рисунки Фиг. 3 и Фиг. 4 выполнены в одинаковом масштабе по обеим координатным осям и с соблюдением отношения размеров на чертеже для значений F и f. Поэтому, вектор  вычисленный графическим образом на Фиг. 4, по величине и направлению соответствует муаровым полосам 13 на Фиг. 3. Полосы 13 перпендикулярны прямой 21.
Рассмотрим теперь влияние угла перекоса α документа. Фурье-образ рисунка документа в зоне контроля при перекосе также поворачивается на угол α. На примере одного спектрального компонента 25 это показано на Фиг. 5А. В результате перекоса спектральный компонент 25 претерпевает поворот на угол α и переходит в спектральный компонент 26. Далее, при наложении виртуального проявляющего изображения, спектральный компонент переходит в ряд комбинационных компонентов путем смещения на ±nf параллельно оси ординат. Комбинационный компонент 27, являющийся результатом взаимодействия со второй гармоникой Фурье-образа виртуального проявляющего изображения и сдвинутый на -2f относительно компонента 26, оказывается в области видимости 19. Он проявляется как муар в виде параллельных прямых полос, наблюдаемый на цифровом образе проверяемого документа в зоне контроля. Углу перекоса а соответствует матрица поворота А, позволяющая выполнить поворот как векторную операцию. Преобразование пространственной частоты на Фиг. 5А можно записать в векторном виде как
Угол перекоса α при работе счетно-сортировальных машин обусловлен несовершенством работы механизма слистывания, изменяется от листа к листу по случайному закону и обычно находится в пределах ±15°. На Фиг. 5В показано преобразование спектрального компонента 31, местоположение которого соответствует Фурье-образу рисунка документа в зоне контроля, не имеющему перекоса. Для различных углов перекоса положения 30-32 этого же спектрального компонента находятся на дуге окружности 33 с центром в начале координат. Соответствующие им положения 34-36 комбинационного компонента получаемые после сдвига на -f от взаимодействия с первой гармоникой, лежат на дуге окружности 38.
Описанные действия, состоящие из поворота и смещения, можно применять для получения вектора пространственной частоты муара для каждого отдельного спектрального компонента Фурье-образа рисунка документа в зоне контроля. Для Фурье-образа рисунка документа в зоне контроля, содержащего множество спектральных компонентов, способных создать муар, необходимо сначала провести поворот указанного Фурье-образа на угол α. Дальше следует выполнить смещение нескольких копий повернутого Фурье-образа, каждой на свое значение ±nf параллельно оси ординат. Потом нужно сформировать линейную комбинацию из результатов смещения, и выделить ту часть линейной комбинации, которая попадает в область видимости 19.
Очень часто муарообразование происходит в результате взаимодействия только с одной определенной гармоникой пространственной частоты сканирования. В этом случае линейная комбинация вырождается до единственного члена. При рассмотрении этого члена достаточно провести поворот и смещение для части Фурье-образа рисунка документа в зоне контроля. На Фиг. 5С приведен пример взаимодействия с первой гармоникой пространственной частоты сканирования. Здесь показаны три различных квадратных участка 37 Фурье-образа рисунка документа в зоне контроля, которые при различных углах перекоса в пределах ±15° переходят в область видимости 19 в результате поворота и смещения на -f при взаимодействии с первой гармоникой пространственной частоты сканирования. Поворот и смещение необходимо проводить не для всего Фурье-образа рисунка документа, а только для прямоугольника 36, охватывающего квадраты 37. Это позволяет значительно сократить время вычислительной обработки.
В некоторых случаях, муар в зоне контроля цифрового образа документа может формироваться при одних углах перекоса и не формироваться при других. Происхождение этого явления показано на Фиг. 6. Для различных возможных пространственных частот муарообразующей структуры рисунка документа в зоне контроля возможны различные положения окружностей 38, 40, 41, по которым, в соответствии с углом перекоса, перемещается положение комбинационного спектрального компонента, соответствующего муару.
При некоторых углах перекоса комбинационный спектральный компонент на окружности выходит за пределы области видимости 19, что приводит к пропаданию муара. Для окружностей 38 и 41 это происходит при слишком больших и при слишком малых углах перекоса, а для окружности 40 дополнительно еще и при углах перекоса, близких к нулю.
Кроме того, иногда муар наблюдается, но при некоторых углах перекоса он имеет столь низкую пространственную частоту, что измерить ее значение и направление оказывается невозможным. Это показано на примере окружности 41, которая проходит вблизи начала координат. Квадрат 48 со стороной 2z определяет пределы пространственной частоты, в которых измерить ее значение и направление невозможно. Невозможность измерения вызывается неопределенностью, когда период муара оказывается больше размера муарообразующей структуры в рисунке банкноты. В силу неопределенности, положение комбинационного спектрального компонента 39 сливается со спектральным компонентом 15, имеющим нулевую пространственную частоту.
При помощи толстых линий на Фиг. 6 показаны сегменты окружностей, при расположении на которых комбинационных спектральных компонентов муар образуется и пригоден для измерения величины и направления его пространственной частоты. При углах, когда муар не образуется либо не пригоден для измерения величины и направления его пространственной частоты, проведение дополнительной проверки подлинности с помощью муара невозможно.
В случае муарообразующих структур в виде группы 11 параллельных отрезков, отстоящих на равные расстояния, соответствующие им области концентрации мощности 16, 17 имеют малый размер на частотной плоскости. В случае дискретного Фурье-преобразования этот размер близок к значению дискретного шага частоты. Когда муарообразующая структура содержит волнистые или изогнутые линии, расположенные эквидистантно, это приводит к тому, что области концентрации мощности несколько увеличиваются в размере. Те же размеры имеются у характерных областей, соответствующих комбинационным компонентам, порожденным от взаимодействия виртуального проявляющего изображения с упомянутыми областями концентрации мощности. При повороте и смещении размер на частотной плоскости области концентрации спектральных компонентов не изменяется, и потому, без изменения, переходит в размер получаемой характерной области. При переходе области концентрации увеличенного размера в характерную область увеличенного размера, положения областей преобразуются друг в друга в соответствии с поворотом и смещением спектрального компонента, соответствующего центру области, аналогично Фиг. 4 и Фиг. 5.
Проверка банкнот выполняется следующим образом (Фиг. 8). Во время работы машины производится слистывание банкноты из подающего кармана и проводка ее по тракту машины мимо линейного датчика изображения (S1). При этом через каждые 169 мкм производится сканирование строки изображения, соответствующей области 7 регистрации. В результате, формируется цифровой образ проверяемой банкноты, состоящий из строк, где каждая строка состоит из пикселей Р0-PN (S2). В ходе сканирования отслеживают положение ведущей кромки банкноты и ее смещение вдоль датчика с каждой вновь отсканированной строкой. На основе полученной информации о смещении, находят угол перекоса банкноты α и формируют соответствующую ему матрицу поворота A (S3).
Когда банкнота полностью прошла мимо датчика изображения, на основе цифрового образа проверяемой банкноты создается цифровой образ с уменьшенной дискретностью, равной 50 dpi (S4). Это делается путем усреднения уровней яркости в квадратных группах 3x3 соседних пикселей, после чего усредненное значение присваивается соответствующему пикселю в образе с уменьшенной дискретностью. Далее, на основе образа с уменьшенной дискретностью, проводят распознавание типа и ориентации банкноты (S5). Тип банкноты задается ее валютой, номиналом, годом эмиссии, то есть классификационными характеристиками. Если тип и ориентация были успешно определены, то проводят основную проверку подлинности. Применяемые методы определения типа и ориентации, а также проверки подлинности хорошо известны специалистам и во множестве описаны в патентной литературе. Для определения подлинности могут также использоваться данные, полученные с других датчиков, установленных в тракте машины. К таким датчикам относятся датчики магнитных свойств, датчики люминесценции, датчики пропускания инфракрасного излучения и другие, хорошо известные специалистам. Если тип банкноты не удалось установить либо, если банкнота была признана неподлинной, дальнейшую проверку не проводят и помечают банкноту для отправки в карман отбраковки (S9).
Если банкнота признана подлинной, но для ее типа и ориентации не реализован способ дополнительной проверки подлинности согласно заявленному изобретению, то дальнейшую проверку не проводят, а обработку банкноты в машине ведут на основе ранее сделанного вывода о ее подлинности (S8). В противном случае выполняют дополнительную проверку (S7) в соответствии с заявленным изобретением, в той его реализации, где которой заранее заданные тип и ориентация совпадают с типом и ориентацией проверяемой банкноты. Результатом этой проверки может быть либо подтверждение подлинности, либо браковка.
С учетом приведенного ранее описания процесса муарообразования, перейдем к изложению первой практической реализации способа.
Предварительная работа в способе проводится для заранее заданных типа, а также ориентации банкнот при прохождении через машину. На основе анализа рисунка банкнот и их пробного сканирования, назначают зону контроля, в которой муар проявляется особенно заметно и имеет характер, близкий к параллельным полосам. Такой муар дают прямые либо слегка волнистые или изогнутые линии рисунка банкноты, расположенные эквидистантно и имеющие высокую пространственную частоту. Зону контроля подлинной банкноты заданного типа сканируют без перекоса, с высокой дискретностью, превышающей 2000 dpi, при помощи издательско-полиграфического сканера и получают цифровой образ подлинной банкноты в зоне контроля.
Выполняют дискретное двумерное Фурье-преобразование этого цифрового образа с использованием программного обеспечения для научной обработки изображений, широко применяемого на практике. На полученном эталонном Фурье-образе помечают область видимости 19. Далее, находят область концентрации мощности, в которой имеется высокая амплитуда спектральных компонентов, и которая при взаимодействии с виртуальным проявляющим изображением дает комбинационные спектральные компоненты в области видимости 19, соответствующей муару. Для этого моделируют взаимодействие с виртуальным проявляющим изображением и получение муарового изображения при помощи сдвига положения области концентрации мощности на ±nf параллельно оси ординат, как показано на Фиг. 4А-С и как было описано ранее. В результате, фиксируют пространственную частоту центра области концентрации мощности  и диаметр ее охватывающего круга d, а также номер N гармоники фундаментальной пространственной частоты, при взаимодействии с которой комбинационные компоненты попадают в область видимости 19 и наблюдаются как муар. Эти параметры далее используют при выполнении способа в машине.
В первой реализации способа (Фиг. 9), дополнительную проверку подлинности в машине начинают с проверки допустимости пространственной частоты центра характерной области. Для этого вычисляют (S21) пространственную частоту, соответствующую центру характерной области  в которую, в результате взаимодействия рисунка проверяемой банкноты и виртуального проявляющего изображения, переходит пространственная частота центра области концентрации мощности  эталонного Фурье-образа. После этого, проводят проверку допустимости значения  (S22). Если координаты вектора  выходят за интервал  то есть за пределы области видимости 19, то делают вывод о невозможности проведения дополнительной проверки подлинности по причине отсутствия муара. Если обе координаты  оказываются в пределах заранее заданного интервала [-z, z] от начала координат на частотной плоскости, что соответствует квадрату 48, то делают вывод о невозможности проведения дополнительной проверки подлинности из-за невозможности анализа значения и направления вектора пространственной частоты муара вследствие очень низкого значения пространственной частоты. В остальных случаях считают  допустимым и продолжают проверку.
Из цифрового образа проверяемой банкноты выделяют участок, соответствующий зоне контроля, и для этого участка производят быстрое двумерное Фурье-преобразование с получением контролируемого Фурье-образа (S23). Полученный Фурье-образ имеет частотные интервалы по осям абсцисс и ординат, равные  и точно соответствующие интервалам области видимости 19. По кругу диаметром d с центром в центре характерной области  вычисляют среднеквадратичную амплитуду спектра в контролируемом Фурье-образе (S24). Если среднеквадратичная амплитуда оказывается менее заранее определенного предела L, то делают вывод о неподлинности банкноты и ее браковке (S31). В противном случае, принимают решение о подтверждении подлинности банкноты (S32). Среднеквадратичный метод усреднения дает амплитуду, соответствующую среднему значению спектральной мощности в охватывающем квадрате характерной области. Это позволяет исключить влияние неравномерности распределения мощности в характерной области, возникающей из-за дискретности разбиения частотной плоскости.
Значение L определяют заблаговременно, экспериментальным путем, с выполнением предыдущих шагов описываемой реализации способа и с использованием выборки подлинных банкнот заданного типа. При этом добиваются, чтобы на подлинных банкнотах среднеквадратичная амплитуда спектра в контролируемом Фурье-образе в круге диаметром d с центром в центре характерной области всегда была бы несколько выше L. На поддельных банкнотах, в которых муарообразующие элементы отсутствуют или выполнены неточно, в контролируемом Фурье-образе не будет концентрации спектральной мощности в указанном круге, либо же сконцентрированная мощность будет малой. Соответственно, среднеквадратичная амплитуда спектра в указанном круге будет меньше L, что позволяет отличить подлинную банкноту от поддельной. Решение о подлинности, которое обеспечивается в этой реализации, подтверждает наличие муарообразующих элементов в зоне контроля и их пространственную частоту.
Решение, принимаемое в случае невозможности проведения дополнительной проверки подлинности, зависит от настройки глубины проверки, предварительно выполненной пользователем машины. Если машина настроена на работу с наиболее глубокой проверкой подлинности, то помечают банкноту для отправки в карман отбраковки, как показано на Фиг. 9. Таким образом, реализуется техническая браковка банкноты. Напротив, если машина настроена на средний уровень глубины проверки, при котором допускается иногда не проводить дополнительную проверку подлинности, то делают вывод о подлинности банкноты в соответствии с результатом ранее выполненной проверки подлинности.
Описанная здесь проверка позволяет проконтролировать пространственную частоту муарообразующих элементов, таких, как линии. Однако она не позволяет проконтролировать, насколько толщина линий в зоне контроля проверяемой банкноты соответствует толщине линий рисунка подлинной банкноты. Далее приводится описание теоретических оснований, позволяющих проверить соответствие толщины линий.
Толщина линий оказывает непосредственное влияние на амплитуду второй и более старших гармоник в Фурье-образе. Когда толщина линий равна периоду их повторения, в Фурье-образе амплитуда первой гармоники велика, а вторая и последующие гармоники имеют малые амплитуды. При уменьшении толщины линий, амплитуда первой гармоники падает, а амплитуда более старших гармоник растет. При очень малой толщине линий, в сравнении с периодом их повторения, амплитуды всех гармоник становятся приблизительно одинаковыми. Этот вывод непосредственно получается из известного в математике рассмотрения спектра периодической последовательности предельно узких импульсов, имеющих форму дельта-функции Дирака.
Таким образом, контроль амплитуды второй и более старших гармоник в спектре позволяет контролировать толщину линий. Для амплитуды гармоник муарообразующих линий прямой контроль обычно невозможен, так как они находятся вне области видимости 19. Однако эти амплитуды можно контролировать косвенным образом через амплитуды гармоник муаровой структуры, попадающих в область видимости 19.
На Фиг. 7 при помощи окружностей без заполнения показаны спектральные компоненты Фурье-образа группы тонких муарообразующих отрезков. Компонент 42 соответствует первой гармонике, а компонент 45 - второй гармонике. Ни один из этих компонентов не попадает в область видимости 19 и не может быть проверен напрямую. Однако комбинационный компонент 43 от взаимодействия компонента 42 с первой гармоникой фундаментальной частоты виртуального проявляющего изображения попадает в область видимости 19. Аналогично, комбинационный компонент 46 от взаимодействия компонента второй гармоники 45 со второй гармоникой фундаментальной частоты виртуального проявляющего изображения также попадает в область видимости 19. Эти комбинационные компоненты находятся на прямой 47 в силу пропорционального соотношения координат векторов их пространственных частот. Они являются гармониками пространственной частоты муара, наблюдаемого в зоне контроля в проверяемом цифровом образе. Их амплитуды пропорциональны как амплитудам спектральных компонент группы тонких муарообразующих отрезков, так и амплитудам соответствующих гармоник фундаментальной частоты виртуального проявляющего изображения. Прямая 47 перпендикулярна полосам муара.
В целом, комбинационные компоненты, соответствующие гармоникам пространственной частоты муара, возникают в результате взаимодействия гармоник с одним и тем же номером, соответствующих муарообразующим отрезкам, с одной стороны, и виртуальному проявляющему изображению, с другой. Например, первая гармоника 42 взаимодействует с первой гармоникой фундаментальной частоты и дает первую гармонику муара 43, вторая гармоника 45 взаимодействует со второй гармоникой фундаментальной частоты и дает вторую гармонику муара 46, и так далее. Чтобы вторая гармоника муара 46 оказалась в зоне видимости 19, первая гармоника 43 должна иметь достаточно малую пространственную частоту.
Таким образом, не для всех муаров контроль амплитуды второй гармоники является возможным.
Амплитуда второй гармоники муара 46 тем больше, чем больше амплитуда второй  гармоники фундаментальной пространственной частоты виртуального проявляющего изображения. Для улучшения проверки толщины линий желательно увеличить обе эти амплитуды, чтобы снизить влияние шумов. С этой целью следует, по возможности, уменьшить ширину W области 7 регистрации. Для этого, нужно уменьшить размер элементарного пятна датчика в направлении сканирования для интервала возможных положений пятна 2-4 на банкноте, путем оптимизации параметров массива объективов 1 и уменьшения размера приемной площадки 5. Кроме того, уменьшению ширины W способствует уменьшение длительности импульса освещения. Эти методы понятны специалистам.
Вторая реализации изобретения предназначена для проверки не только наличия и пространственной частоты муарообразующих линий, но и их толщины. В этой реализации выбирают зону контроля таким образом, чтобы возникающий в ней муар был бы достаточно низкочастотным, и его вторая гармоника находилась бы в пределах области видимости 19 для большинства практически встречающихся углов перекоса банкноты.
Предварительно, получают эталонный Фурье-образ, точно так же, как это делается в первой реализации, и исследуют расположение областей концентрации мощности, соответствующих первой и второй гармоникам муарообразующей структуры на банкноте. На основании этого, фиксируют пространственную частоту центра области концентрации мощности  соответствующей первой гармонике, и диаметр ее охватывающего круга d. Пространственная частота  соответствует области концентрации мощности, образованной второй гармоникой.
При выполнении второй реализации способа в машине (Фиг. 10), как и в первой реализации, дополнительную проверку подлинности начинают с проверки допустимости пространственной частоты центра характерной области. Для этого вычисляют центр  характерной области, соответствующей первой гармонике (S25). Проверку допустимости (S22) проводят аналогично первой реализации для положения центра  характерной области, и принимают решение на основании проверки допустимости таким же образом.
1
1
Получение контролируемого Фурье-образа и проверку (S26) среднеквадратичного значения амплитуды в характерной области, соответствующей первой гармонике, проводят аналогично первой реализации, используя значение предела L, который задается заранее для первой гармоники. Если среднеквадратичная амплитуда оказывается меньше предела L, то делают вывод о браковке банкноты (S31), считая ее неподлинной.
В противном случае, банкноту предварительно считают подлинной.
Далее вычисляют (S27) пространственную частоту центра  характерной области, соответствующей второй гармонике.
Пространственную частоту центра характерной области, соответствующей второй гармонике, считают допустимой, когда координаты вектора  не выходят за интервал  то есть за пределы области видимости 19.
Если  оказывается недопустимым, то завершают проверку и выносят решение о подлинности банкноты (S32). Оно основывается только на предварительном подтверждении наличия муарообразующих линий и их пространственной частоты, так как провести проверку толщины линий по второй гармонике невозможно.
2
В случае допустимости пространственной частоты центра характерной области, соответствующей второй гармонике, по кругу диаметром d с центром, заданным пространственной частотой  вычисляют (S28) среднеквадратичную амплитуду второй гармоники муара в контролируемом Фурье-образе. Если эта амплитуда оказывается менее заранее определенного предела L, то делают вывод о браковке банкноты (S31), считая ее неподлинной. В противном случае, делают вывод о подтверждении подлинности банкноты (S32) на основании проверки не только наличия муарообразующих линий и их пространственной частоты, но также и их толщины.
1
2
Пределы L и L находят заблаговременно, экспериментальным путем, аналогично пределу L в первой реализации.
Каждая из описанных здесь реализаций предназначена для дополнительного подтверждения подлинности банкноты, относящейся к единственному сочетанию типа и ориентации банкноты. Однако если машина предназначена для обработки многих типов банкнот в разных ориентациях, то можно расширить применимость заявленного способа на несколько типов и ориентаций банкнот. С этой целью, следует выбрать из обрабатываемых машиной сочетаний типа и ориентации те сочетания, при которых в цифровом сканированном образе проверяемой банкноты наблюдается заметный муар, и для них также реализовать заявленный способ. Это можно выполнить в соответствии с первой или второй реализацией. Тогда, в зависимости от типа и ориентации проверяемой банкноты, машина будет способна выполнять соответствующую реализацию заявленного способа. В ходе проверки банкноты, выбор реализации подходящего способа для нескольких типов и ориентаций банкнот предусмотрен на шаге S10, как показано на Фиг. 8.
Применение преобразования Фурье дает удобный, но не единственный подход к анализу муара. В соответствии с заявленным способом, для проверки контролируемых особенностей могут также применяться другие методы, например, основанные на прямом обмере размера, периода и направления муаровых полос в зоне контроля.