Система идентификации объекта на основе оптического элемента
OBJECT IDENTIFICATION SYSTEM BASED ON AN OPTICAL ELEMENT

1. Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области разработки средств маркировки различных объектов для идентификации и предотвращения незаконного копирования последних. Более конкретно оно относится к методам и системам выявления подлинности объектов путем ассоциирования объектов с оптической меткой, обладающей уникальными рефракционными свойствами, при этом потребитель получает возможность самостоятельно путем сравнительно простых средств идентифицировать оптическую метку и тем самым проверить аутентичность маркированных объектов.
2. Уровень техники
Часто появляется необходимость уникальной маркировки различных объектов для идентификации этих объектов, а также с целью предотвращения незаконного копирования, при этом желательно, чтобы идентификацию путем сравнительно простых средств  мог осуществить непосредственный потребитель либо покупатель объектов. Существующие технологии, такие, как нанесение на изделия графических кодов,  голографических изображений, дифракционных меток, а также снабжение изделий радиочастотными метками (RFID),  не в полной мере отвечают поставленной цели. Существующие технологии либо не обеспечивают уникальность маркировки и могут копироваться или дублироваться на различных этапах, либо требуют использования специальных устройств для декодировки маркировки, что исключает возможность самостоятельной проверки аутентичности  объектов непосредственным потребителем либо покупателем.
В патенте RU 96269 U1 предложена комбинированная марка, включающая подложку и полимерный слой со структурой, состоящей из перекрывающегося поля голограммы и поля с цифровой информацией. Отличительной особенностью марки является то, что поле голограммы выполнено в виде рельефа из отражающего свет материала, а поле с цифровой информацией представляет собой массив дискретных элементов, оптические свойства которых отличаются от свойств контактирующей с ними (окружающих их) среды, и которые могут преобразовывать падающее электромагнитное излучение или прикладываемое к ним электрическое поле в эмитируемый или отраженный ими оптический сигнал, при этом в качестве устройства считывания индивидуальных особенностей марки предлагается устройство, включающее источник излучения, фокусирующую оптику, полупрозрачное или дихроичное зеркало, линзовую систему, фотоприемное устройство и блок обработки данных. Недостатком указанной комбинированной марки в смысле защиты изделий от подделок является возможность изготовления дубликата в процессе изготовления марки, а также последующее копирование, т.к. нанесенный на марку рельеф, а также включенный массив дискретных элементов не носят случайный состав и порядок распределения.  Также существует необходимость использования сложного устройства для считывания и распознавания марки (включающее источник излучения, фокусирующую оптику, полупрозрачное или дихроичное зеркало, линзовую систему, фотоприемное устройство и блок обработки данных), что исключает возможность самостоятельной проверки пользователем аутентичности маркированного изделия.
В патенте RU 2 568 821 C1 предложен способ оптической маркировки изделий, включающий формирование оптической марки, характеризующейся наличием неоднородностей со случайным пространственным распределением, направление на марку оптического излучения, формирование пространственно модулированного распределения интенсивности излучения рабочего спектрального диапазона, обусловленное наличием названных неоднородностей марки, считывание информации о распределении названных неоднородностей и сохранение полученной информации в базе данных системы идентификации, отличающийся тем, что названную оптическую марку изготавливают методом прессования из порошка материала с показателем преломления выше, чем у кварца, на марку направляют оптическое излучение с нескольких фиксированных направлений и регистрируют отражение от неоднородностей по нескольким фиксированным  направлениям.  Указанный способ позволяет повысить надежность защиты маркировки от дублирования при изготовлении и копирования впоследствии, т.к. марка характеризуется наличием неоднородностей со случайным пространственным распределением, в то же время указанный способ требует сложного устройства для распознавания марки, требующего фиксации отраженного от марки излучения в нескольких фиксированных положениях при нескольких различных фиксированных направлениях облучения марки, для  реализации предложенного в изобретении алгоритма, а именно – «при этом на марку в различное время направляют оптическое излучение с нескольких различных фиксированных направлений и регистрируют отражение от неоднородностей по различным направлениям».
Тем самым исключена возможность самостоятельной проверки пользователем аутентичности маркированного изделия.
В  патенте  US20080025594A1 описана система и метод для обнаружения и проверки информационных меток на изделиях либо субстанциях.
Система включает в себя нанесение на объект двух меток, уникальную аналоговую метку с помещенными внутрь метки либо на поверхность метки случайно распределенными частицами, а также цифровую метку, сопряженную на помеченном объекте с упомянутой выше меткой. Метод предполагает получение изображения обеих меток с последующим декодированием характеристик уникальной аналоговой метки, а также декодирование цифровой метки, с последующим сопоставлением полученных результатов. В случае совпадения результатов продукт признается истинным.
По методу предполагается, что вследствие внешнего облучения внедренные в уникальную метку частицы начнут отражать внешнее либо генерировать свое собственное излучение, которое может быть зафиксировано регистрирующим устройством, направленным на уникальную метку, и впоследствии зарегистрированная информация может быть проверена на соответствие хранящейся в базе данных информации о характере метки и ее соответствии цифровой метке, тем самым определить аутентичность помеченного объекта.
Указанный способ позволяет повысить надежность защиты маркировки от дублирования при изготовлении и копирования впоследствии, т.к. марка характеризуется наличием неоднородностей со случайным пространственным распределением, в то же время указанный способ требует сложного устройства для распознавания марки, включающее в себя функцию облучения марки неким видом энергии с фиксацией характера и пространственного расположения  отраженной либо сгенерированной меткой вторичной энергии, с последующим декодированием полученного изображения марки,  тем  самым исключается возможность самостоятельной проверки пользователем аутентичности маркированного изделия.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является способ оптической маркировки изделия, описанный в патенте RU 2311677 . Способ оптической маркировки изделия предусматривает выбор оптической марки, характеризующейся наличием неоднородностей со случайным пространственным распределением, считыванием информации о распределении названных неоднородностей и сохранением полученной информации в базе данных системы идентификации. При этом выбор оптической марки производят из числа неповторяющихся, оптически анизотропных объектов со случайным пространственным распределением неоднородностей, неразличимых невооруженным глазом. На выбранную марку направляют пучок света от источника излучения, с помощью поляризационного прибора формируют пространственно модулированное распределение интенсивности излучения рабочего спектрального диапазона, обусловленное наличием названных визуально неразличимых неоднородностей оптически анизотропной марки, считывают названное распределение интенсивности излучения и сохраняют считанную информацию в базе данных в качестве основного кода изделия. Оптическую марку изготавливают из анизотропного оптического материала в виде прозрачного окна, например, в виде стеклянной пластины или листа пластика, не подвергавшихся термическому отжигу, и характеризующихся наличием свилей, нерегулярной волнистости поверхности или пространственно неоднородных внутренних напряжений. Это могут быть капсулированные жидкие кристаллы, частицы измельченной слюды, двулучепреломляющие микрокристаллы или волокна целлюлозы.
Одним из недостатков данного  способа является то, что измерения оптических характеристик в одном слое не обеспечивают достаточной защиты от подделок, так как возможности современной пленарной технологии позволяют формировать на поверхности элементы с высокой пространственной разрешающей способностью.
Измерения оптических характеристик в разных слоях повышают защиту от возможных подделок, но при этом требуют механической перестройки фокусировки оптической измерительной системы на различную глубину. При проведении механической перестройки глубины настройки увеличивается время измерений и значительно усложняется механика системы, обеспечивающая высокоточное позиционирование. В любом случае для реализации способа требуется сложная считывающая система, включающая в себя строго позиционированные  осветитель, поляроид, оптическую марку, выполненную из материала, оптическая анизотропия которого является пространственно модулированной по случайному закону, поляроид, объектив, отображающий изображение оптической марки на поверхность матричного фотоприемника, а также матричный фотоприемник, тем самым исключена возможность самостоятельной проверки пользователем аутентичности маркированного меткой изделия.
3. Раскрытие сущности изобретения
Целью изобретения является создание оптической идентификационной метки, ассоциированной с маркированным объектом и обладающей уникальными рефракционными свойствами, которые практически невозможно копировать в процессе использования  либо дублировать на этапе изготовления, при этом технология распознавания оптической метки должна позволять потребителю путем сравнительно простых средств  самостоятельно производить  идентификацию оптической метки и тем самым самостоятельно  проверять аутентичность маркированных объектов.  В качестве маркированных объектов могут выступать любые физические объекты, кроме того, предлагаемая метка может служить в роли средства персональной идентификации для организации  доступа в защищенные помещения либо в компьютерные базы данных.
Это достигается тем, что система идентификации объекта на основе оптического элемента, включающая в себя оптическую метку, ассоциированную физически и в базе данных с маркированным объектом, отличается тем, что оптическая метка включает в себя оптический элемент с уникальными рефракционными свойствами и источник светового луча, зафиксированные в оптической метке относительно друг друга в положении, обеспечивающем прохождение светового луча сквозь оптический элемент, с возможностью выхода светового пучка, образованного преломленным оптическим элементом световым лучом, за пределы оптической метки,  с последующей идентификацией оптической метки в базе данных путем идентификации уникального рефракционного изображения, возникающего на поверхности,  размещенной в направлении распространения светового пучка, образованного преломленным оптическим элементом световым лучом, с последующей демонстрацией пользователю имеющейся в базе данных информации об ассоциированном с данной оптической меткой объекте.
Это достигается также тем, что идентификация уникального рефракционного изображения, возникающего на поверхности,  размещенной в направлении распространения светового пучка, образованного преломленным оптическим элементом световым лучом, осуществляется путем съемки уникального рефракционного изображения с помощью мобильного устройства, оснащенного камерой и средствами связи с базой данных, с последующим распознаванием рефракционного изображения и поиском соответствия в базе данных  рефракционных изображений оптических меток, с целью идентификации оптической метки, с последующим отображением на мобильном устройстве информации об объекте, ассоциированном в базе данных с данной оптической меткой.
Это достигается также тем, что оптическая метка включает в себя  оптический элемент с уникальными рефракционными свойствами, состоящий из одного или нескольких прозрачных объектов неправильной случайной формы, сопряженных друг с другом случайным образом, при этом индекс рефракции материала прозрачных объектов отличается от индекса рефракции окружающей прозрачные элементы  среды.
Это достигается также тем, что оптическая метка включает в себя оболочку, оптический элемент, зафиксированный внутри оболочки в случайном пространственном положении относительно оболочки, зафиксированный внутри оболочки лазерный диод в качестве источника светового луча, а также источник питания лазерного диода и выключатель питания, при этом выключатель питания сконфигурирован в положении, обеспечивающем удобство активирования большим пальцем кисти человеческой руки.
Это достигается также тем, что сведения об уникальных рефракционных изображениях оптических меток и сведения об ассоциированных с конкретными оптическими метками маркированных объектах вносятся в  базу данных с последующей идентификацией  оптической метки по её уникальному рефракционному изображению, передаваемому в базу пользователем, с последующим определением в  базе данных объекта, ассоциированного с идентифицированной оптической меткой, с последующей  передачей пользователю имеющейся в базе данных информации об указанном объекте.
Это достигается также тем, что на поверхность оптической метки, а также на маркированный объект нанесен видимый пользователю уникальный код, при  этом сведения об уникальных  кодах оптических меток и соответствующих  им уникальных рефракционных изображениях оптических меток, а также сведения об ассоциированных с конкретными оптическими метками маркированных объектах вносятся в базу данных с последующей передачей пользователем уникального кода и рефракционного изображения оптической метки в базу данных, для идентификации  в базе данных оптической метки по соответствию ее уникального цифрового кода с ее рефракционным изображением, с последующим определением в базе данных объекта, ассоциированного с идентифицированной оптической меткой, с последующей  передачей пользователю имеющейся в базе данных информации об указанном объекте.
4. Краткое описание чертежей и графических материалов
На Фиг.1 представлена принципиальная схема системы идентификации объекта на основе оптического элемента с источником светового луча (1) и оптическим элементом (2). Также обозначены световой луч (3), составляющие оптический элемент прозрачные объекты (4), световой пучок (5), образованный световым лучом, преломленным оптический элементом,  оболочка (11), а также поверхность (6) с отображенным на поверхности рефракционным изображением (7).
На Фиг. 2 представлен условный общий вид оптической метки (8),  физически ассоциированной  с маркированным объектом (9), с нанесенным на метку и объект уникальным кодом (17).
На Фиг.3 представлен способ съемки пользователем уникального рефракционного изображения оптической метки с использованием мобильного устройства (10) в виде смартфона, где (8) – оптическая метка, (5) – световой пучок, (6) – поверхность, (7) – рефракционное изображение.
На Фиг.4 представлен чертеж одного из возможных вариантов конструктивного исполнения оптической метки, где (3) – световой луч, (2) – оптический элемент, (4) – прозрачные объекты, составляющие оптический элемент, (11) – оболочка оптической метки, (12) – источник светового луча в виде лазерного диода, (13) – источник питания, (14) – выключатель питания, (15) – материал, фиксирующий оптический элемент в оболочке, (16) – прозрачный защитный экран.
На Фиг.5 представлен общий алгоритм определения аутентичности маркированного объекта путем идентификации ассоциированной с маркированным объектом оптической метки, с помощью поиска в базе данных рефракционного изображения, соответствующего снятому пользователем и переданному в базу данных рефракционному изображению оптической метки.
На Фиг.6 представлен общий алгоритм определения аутентичности маркированного объекта путем идентификации ассоциированной с маркированным объектом оптической метки с помощью проверки в базе данных соответствия ее уникального кода со снятым пользователем и переданным в базу данных рефракционным изображением оптической метки.
5. Осуществление изобретения
Предлагаемая система идентификации объекта на основе оптического элемента базируется на явлении рефракции (преломления), т.е. на изменении направления луча (волны), возникающем на границе двух сред, через которые этот луч проходит, или в одной среде, но с меняющимися свойствами, в которой скорость распространения волны неодинакова. Ядром системы является источник светового луча (1) и оптический элемент (2) с уникальными рефракционными свойствами, сквозь который направляется световой луч (3). Источник светового луча (1) и оптический элемент (2) фиксируются относительно друг друга в оболочке (11) и вместе составляют собой оптическую метку (8).
Поскольку каждый оптический элемент уникален  в смысле его рефракционных свойств, световой луч, проходя сквозь оптический элемент, формирует световой пучок (5) с уникальными характеристиками и при направлении светового пучка на поверхность (6) создает на этой поверхности уникальное рефракционное изображение (7), которое может быть снято камерой мобильного устройства (10), и затем с помощью программ распознавания изображения может быть найдено соответствие этого изображения с рефракционными изображениями, хранящимися в базе данных, каждое из которых соответствует оптическому элементу определенной оптической метки. Тем самым становится возможным ассоциировать оптическую метку с маркированным объектом, и, поскольку оптический элемент каждой оптической метки уникален в смысле рефракционных свойств, пара оптическая метка-маркированный объект перекрестным образом подтверждает свою аутентичность.
Сведения об уникальных рефракционных изображениях оптических меток и сведения об ассоциированных с конкретными оптическими метками маркированных объектах вносятся в базу данных с последующей идентификацией конкретной  оптической метки по её уникальному рефракционному изображению, после передачи пользователем уникального рефракционного изображения оптической метки в базу данных с последующим определением в  базе данных объектов, ассоциированных с конкретной оптической меткой, с последующей  передачей пользователю имеющейся в базе данных информации об указанном объекте.
Оптический элемент (2) оптической метки (8) состоит из одного или нескольких прозрачных объектов (4) неправильной случайной формы, например, фрагментов дробленого стекла, сопряженных друг с другом случайным образом, при этом индекс рефракции материала прозрачных объектов отличается от индекса рефракции окружающей прозрачные элементы  среды.
Конструктивно оптическая метка (8) может быть реализована путем размещения в единой оболочке (11) оптического элемента (2)  и лазерного диода (12) в качестве источника светового луча (3), при этом оптический элемент зафиксирован в оболочке фиксирующим материалом (15) в случайном пространственном положении относительно источника светового луча.  Кроме того, оптическая метка  включает в себя  элемент питания (13) лазерного диода и  выключатель питания (14),  при этом выключатель питания сконфигурирован в положении, обеспечивающем удобство активирования большим пальцем кисти человеческой руки, чем обеспечивается максимально упорядоченная ориентация рефракционного изображения, возникающего на матовой поверхности (6), помещенной в направлении распространения светового пучка (5), образованного преломленным оптическим элементом (2) световым лучом (3).  Световой пучок исходит из оптической метки сквозь защитный прозрачный экран (16).
В качестве средств идентификации рефракционного изображения (7) и тем самым идентификации оптической метки пользователем предлагается использование мобильного устройства (10), снабженного камерой и средствами связи с базой данных, при этом в качестве таких мобильных устройств  могут использоваться  повсеместно распространенные в настоящее время смартфоны. Порядок распознавания метки пользователем и тем самым  порядок проверки аутентичности маркированного объекта состоит из следующих основных этапов:
1. пользователь направляет оптическую метку, физически ассоциированную с маркированным объектом,  на поверхность, находящуюся на расстоянии 20…50 см. от оптической метки, расположенную желательно перпендикулярно к направлению распространения светового пучка от оптической метки, и большим пальцем руки активирует выключатель питания. Поверхностью для экспонирования рефракционного изображения, созданного преломленным оптическим элементом светового луча, может служить любая сравнительно плоская матовая поверхность, например, стена помещения либо лист бумаги.
2. пользователь с помощью камеры мобильного устройства делает снимок рефракционного изображения, возникшего на поверхности.
3. пользователь отправляет в базу данных снятое рефракционное изображение оптической метки и запрос на получение данных об ассоциированном  в базе данных с оптической меткой маркированном объекте.
4. пользователь получает желаемое - проверяет соответствие полученных из базы данных сведений о маркированном оптической меткой объекте с реальным маркированным оптической меткой объектом.
Для упрощения идентификации оптической марки на поверхность оптической марки, а также на маркированный объект может наноситься уникальный код (17), видимый пользователю, при этом указанный уникальный код должен соответствовать в базе данных уникальному рефракционному изображению оптической марки, в этом случае пользователь передает в базу данных не только снятое мобильным устройством рефракционное изображение оптической марки, но и дополнительно уникальный код оптической марки, тем самым исключается необходимость поиска соответствия уникального рефракционного изображения оптической марки со всеми хранящимися в базе данных рефракционными изображениями оптических марок, в этом случае  для определения аутентичности маркированного объекта достаточно проверить соответствие в базе данных уникального рефракционного изображения оптической марки с уникальным кодом оптической марки и соответствующего маркированного объекта, тем самым пара оптическая метка-маркированный объект перекрестным образом подтверждают свою аутентичность.