СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ МАРКИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА, ИМЕЮЩЕГО ПОВЕРХНОСТЬ ИЗ ПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА
METHOD AND SYSTEM FOR MARKING OBJECT HAVING SURFACE OF CONDUCTIVE MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области маркирования объекта, имеющего поверхность из проводящего материала, а именно, - к способу и системе для маркирования такого объекта. Обычно маркирование применяют для опознавания или установления подлинности маркированного объекта.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обычным является маркирование определенных объектов, таких как оружие, боеприпасы или ценности с целью обеспечения возможности опознавания отдельных объектов или определения подлинности объекта. Как правило, замысел может состоять в наложении метки на объект, эта метка является уникальной, сравнимой с отпечатком пальца, может быть легко распознана и, таким образом, позволяет легкое опознавание или определение подлинности объекта. В этом отношении важной целью является то, что копирование или подделка метки становится практически невозможной.
Сегодня решения для маркирования основаны на уникальных материалах, нанесении рисунков или физических свойствах метки. Такие метки обычно создают с помощью технологии печати, лазерной гравировки или механической гравировки. Большинство этих меток создают из предопределенного кода, наложенного в форме символов, и подтверждают с помощью процесса считывания и опознавания. Однако такие метки часто могут быть скопированы или подделаны. Это объясняется тем, что технология для наложения метки на основе предопределенного кода обычно также может быть использована посторонним лицом для подделки или копирования метки. Предопределенный код обычно на самом деле не является случайным. Для создания меток с действительно случайными признаками подходят очень немногие процессы маркирования. Процессы, подходящие для создания действительно случайной метки, должны были бы зависеть от хаотических динамических процессов. Известные случайные признаки основываются на случайном расположении волокон, пузырьков, пятен или хлопьев, которые создают с помощью технологии печати или возникающие естественным образом во время процесса изготовления. Однако большинство этих процессов вряд ли можно применить для изделий, имеющих металлическую поверхность, таких как оружие, боеприпасы или сделанная из металла тара.
Обычной технологией маркирования для маркирования таких объектов является лазерная гравировка. Технология лазерной гравировки, как правило, основана на псевдослучайных признаках, когда случайность создают с помощью генератора чисел, но не основана на хаотических физических явлениях. Кроме того, имеется возможность скопировать такие метки также с помощью технологии лазерной гравировки.
MD 3389 F2 раскрывает способ и устройство маркирования электрически проводящих изделий случайным образом с помощью электрической дуги сварочного типа и вибратора для создания случайности. Согласно этому документу материал из электрода перемещают на предварительно обработанную решетку объекта, подлежащего маркированию, для получения случайной метки. Случайность метки, которая состоит из наплавленного на поверхность объекта металла, получают с помощью вибрирования электрода и перемещения изделия относительно электрода. Здесь электродом, противоположным объекту, который подлежит маркированию, является «катод» (-) в электрической цепи, тогда как сам объект, подлежащий маркированию, является «анодом» (+). Это приводит к перемещению материала с электрода к поверхности объекта.
Однако этот принцип также не приводит к настоящему случайному маркированию, поскольку вибрация электрода является управляемой и в целом также может быть скопирована. Кроме того, этот способ требует расходования дополнительного материала электрода на формирование метки. Способ предыдущего уровня техники является сложным из-за необходимой сетки, и он требует предварительной обработки поверхности объекта.
Соответственно, имеется потребность в способе маркирования и соответствующей системе для маркирования объектов, имеющих поверхность из проводящего материала, таких как металлические объекты, которые позволяют маркировать объекты уникальным образом и таким способом, который нельзя скопировать или подделать.
GB 2 108 906 А раскрывает идентификационную карту, изготовленную из листа металлической фольги или бумаги с металлическим пленочным покрытием или пластика, на котором области, прозрачные для инфракрасного света могут быть изготовлены с помощью способов печати, таких как гравирование электроискровой коррозий или лазерными лучами для создания штрих-кода для инфракрасного света.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является предоставление способа и устройства, которые позволяют уникальным образом маркировать объекты, имеющие поверхность из проводящего материала, так что метку едва ли, если вообще возможно, воспроизвести, скопировать или подделать, но можно легко распознать и зарегистрировать. Еще одной целью настоящего изобретения является предоставление способа и устройства, которые позволяют устанавливать подлинность или опознавать объект, имеющий поверхность из проводящего материала очень надежным образом.
Эту задачу решают с помощью способа по пунктам 1 или 12 и системы по пунктам 16 или 24, соответственно.
Дополнительные предпочтительные признаки способа или системы перечислены в зависимых пунктах формулы изобретения и подробно изложены в следующем описании.
ОПИСАНИЕ
Способ маркирования объекта, имеющего поверхность из проводящего материала, включает этап приложения искрового разряда к поверхности объекта, так что материал поверхности частично плавится, частично подвергается абляции, или и то, и другое, искровым разрядом, тем самым образуя узор на объекте. Этот узор может быть использован как метка. С помощью вышеуказанного способа создают кратер случайной формы или случайное распределение кратеров случайной формы, и материал переплавляется и повторно наплавляется в окрестности кратеров.
Также можно видеть, например, с помощью 3D микроскопии, что в искровой метке имеются нерасплавленные или частично расплавленные островки механически обработанной металлической поверхности (см. фиг. 3). Эти признаки являются уникальными для явления искрового разряда и их невозможно воспроизвести другими способами маркировки.
Другими уникальными признаками являются большие кратеры шириной более 100 микрон, созданные путем плавления значительного объема материала поверхности (см. фиг. 3). На краю искровой метки также можно наблюдать очень маленькие кратеры шириной менее 10 микрон, которые обычно создаются отдельным анодным основанием электрической дуги. Другими уникальными признаками являются крошечные брызги расплавленного металла шириной менее 2 микрон (см. фиг. 3).
Формы и распределение кратеров, а также переплавленный и повторно наплавленный материал, обеспечивают случайный и уникальный внешний вид отметки на основании физических свойств и хаотического поведения искрового разряда. Она демонстрирует сложную трехмерную микроскопическую и макроскопическую структуру, которую можно лишь с большим трудом, если вообще возможно, скопировать каким-либо известным способом, в частности, лазерной гравировкой или подобными способами.
В частности, используя 3D микроскопию, можно сделать заключение о типичной глубине кратера и высоте выступа относительно изначальной немаркированной поверхности, как представлено на фиг. 4.
Система для маркирования объекта, имеющего поверхность из проводящего материала, содержит генератор искрового разряда, противоэлектрод, электрически подключенный к генератору искрового разряда, так что противоэлектрод образует анод, и коннектор для электрического соединения генератора искрового разряда с поверхностью, так что поверхность образует катод относительно противоэлектрода. Противоэлектрод расположен относительно поверхности так, что искровой разряд может быть сгенерирован между противоэлектродом и поверхностью так, что материал поверхности частично плавится, частично подвергается абляции, или и то, и другое, искровым разрядом. Таким образом на объекте может быть образован вышеуказанный узор.
Электрическое соединение генератора искрового разряда с поверхностью включает ситуацию, когда поверхность и генератор искрового разряда оба заземлены или иным образом приведены к одинаковому электрическому потенциалу, так что при активации генератора искрового разряда возникает достаточная разность потенциалов между противоэлектродом и поверхностью.
Преимуществами способа являются уникальность каждой полученной метки и невозможность воспроизведения ее топологии другими способами, такими как лазерная абляция, печать или механическая гравировка.
На фиг. 5a и 5b представлены метки, полученные различными другими способами гравировки или маркирования, для сравнения с маркированием согласно настоящему изобретению, как для примера представлено на фиг. 5c.
При искрении толстой проводящей поверхности может быть получена метка в материале, имеющая изменчивое двумерное распределение с грубой структурой и тонкой структурой. В этом контексте «толстый» означает толще нескольких миллиметров (но по меньшей мере толще половины миллиметра) и может зависеть от материала и условий искрения. Метка, полученная вышеуказанным способом, тогда имеет присущие трехмерные отличительные признаки по микрометрической шкале, поскольку она состоит из одного или предпочтительно многих кратеров и повторно наплавленных капель расплавленного материала (см. фиг. 3 и 4).
При искрении тонких металлических поверхностей материал может быть полностью подвергнут абляции в определенных областях, и может быть получена случайная маска с микроскопическими отличительными признаками. В этом контексте «тонкий» означает толщину в несколько микрометров (но по меньшей мере толще одного микрометра). При наложении на второй материал эта маска может демонстрировать защитный признак, использующий, например, свечение от фонового материала.
Метка может зависеть от по меньшей мере одного из свойств материала (как химических, так и топологических, типа шероховатости поверхности), подлежащего обработке искровым разрядом, времени распределения подаваемого тока в зазоре проводящего канала искрового разряда и среды, в которой создается искровой разряд (например, воздух или аргон, азот или другой инертный газ). Изменение этих параметров обеспечивает большое разнообразие внешнего вида меток, что, следовательно, позволяет извлекать в высшей степени разнообразные признаки, которые могут быть использованы для создания очень большого объема уникальных идентификаторов или атрибутов.
Полученные метки могут иметь возможность демонстрировать с помощью анализа световой или электронной микроскопии, топологию и форму поверхности, которые несомненно показывают, что они являются результатом искровых разрядов, а не других средств. Следовательно, метка, полученная вышеописанным способом, является особо защищенной относительно копирования или подделки.
Временная длительность искрового разряда, составляющая порядок величины от десятков микросекунд до сотен микросекунд, позволяет маркировать этикетки на печатных линиях или изделия на производственных линиях, работающих на сравнительно высокой скорости.
Соответственно, процесс искроразрядного маркирования, описанный в данном документе, позволяет очень эффективно маркировать объекты. Способ не занимает много времени и является недорогим. Способ не расходует материал, а только модифицирует материал на поверхности объекта. Имеется возможность накладывать метку на относительно малую область объекта, что, в свою очередь, позволяет накладывать метку также на очень маленькие объекты, такие как оболочки боеприпасов или подобные объекты. Также способом искроразрядного маркирования, описанным выше в данном документе, могут быть маркированы тонкие металлические слои, такие как слои металлической краски, напечатанные на этикетке. Кроме того, не требуется, чтобы поверхность объекта, подлежащего маркировке, была специально подготовлена, снабжена якорными отметками или предварительно подготовлена иным образом. Кроме того, присущая сложность искровых меток позволяет гарантировать уникальную и невоспроизводимую метку и высокую информационную вместим, которую нужно закодировать на объекте, подлежащем маркированию.
Поверхность проводящего материала может предпочтительно представлять собой металлическую поверхность. Эта поверхность может состоять из объемного металла или из фольги из металла, наплавленных на объект из другого материала. Кроме того, можно применять способ и к объектам, имеющим поверхность, снабженную проводящей краской. Проводящие свойства поверхности используют для получения искрового разряда с целью модификации поверхности. В общем также возможно, чтобы объект был сделан из нескольких слоев, имеющих проводящий материал, рядом с фактической поверхностью, так что можно прикладывать искровой разряд к поверхности объекта через проводящий материал близко под фактической поверхностью объекта. Тепло, генерируемое в проводящем материале, тогда все равно позволяет частичное плавление, частичную абляцию, или и то, и другое, материала объекта на поверхности, чтобы таким образом создавать узор метки.
Искровой разряд, как понимается в настоящем тексте, может быть более конкретно описан следующим образом. Электрический пробой создают между двумя электродами при приложении достаточно высокого напряжения. Когда высокое напряжение превышает напряжение пробоя для данных электродного зазора, газа, давления и температуры, возникает механизм пробоя.
Несколько критериев пробоя для изолирующих газов описаны Meek, J.M. Craggs J.D. в «Electrical Breakdown of Gases», John Wiley & Sons, Нью-Йорк, США, 1978 – первое издание в 1923, содержание которого этим включается в данный документ с помощью ссылки. Двумя общепринятыми критериями пробоя в газах являются «Townsend Breakdown Mechanism», как описано  Townsend, J.S. в «The Theory of Ionization of Gases by Collision». Constable & Co. Ltd., Лондон, Великобритания, 1910, содержание которого этим включено в данный документ с помощью ссылки, и «Streamer Breakdown Mechanism», описанный Loeb, L.B. Meek, J.M. в «The Mechanism of Spark Discharge in Air at Atmospheric Pressure. . I II» Journal of Applied Physics, т. 11, стр. 438-447 459-474, 1940, содержание которого этим включено в данный документ с помощью ссылки.
Критерий механизма пробоя Таунсенда основан на последовательности лавин и зависит от «удаленных» процессов генерации электронов на катоде. Он обычно преобладает в условиях низкого давления, где столкновения электронов сокращены в электродном зазоре и не относится к искровым разрядам при атмосферном давлении, если только электродный зазор не является очень малым.
Критерий механизма стримерного пробоя зависит от лавины к стримерному переходу, вследствие «мгновенной» локальной генерации электронов, обеспечивающей рост критической лавины, что вызывает неустойчивость в зазоре и индуцирует пробой зазора.
Посередине имеется переходная область, в которой мы наблюдаем некоторые признаки обоих механизмов. Пробой является чрезвычайно быстрым процессом, происходящим в течение нескольких десятых наносекунд; эта длительность зависит от свойств, давления и температуры газа, а также зависит от протяжения электродного зазора.
Когда между двумя электродами прикладывают только высокое напряжение, разряд называют «электростатическим разрядом». В этом случае проводящий канал будет исчезать, и плазма будет погашена процессами рекомбинации, и практически не может возникнуть никакого существенного плавления или абляции катодного материала. Следовательно, метка на материале была бы точечной и микроскопической и не представляла бы собой метку согласно пониманию настоящего описания.
После пробоя зазора напряжение падает до нескольких десятых вольт благодаря увеличению проводимости, ток может быть подан из источника тока в проводящий канал. Поданный ток будет усиливать процессы ионизации, необходимые для поддержания разрядной плазмы.
Энергия, прилагаемая таким образом к катоду в положении, где присоединено основание искрового разряда, является достаточной для обеспечения частичного плавления и/или абляции катодного материала. Этот процесс позволяет электронам поддерживать разрядный ток, который необходимо извлекать из катодного материала. Часть абляционного материала затем может повторно конденсироваться возле кратера, созданного абляцией, и может создать благоприятные условия для новых областей плавления/удаления. Этот тип хаотического скачкообразного механизма обеспечивает случайные узоры кратеров и наплавленного материала на поверхности катода.
Генераторы искровых разрядов и устройства для абляции материала хорошо известны, особенно в области спектрохимического анализа. Их используют или в искроразрядных оптических эмиссионных спектрометрах/спектрографах, где плазма искрового разряда является источником излучения, или в индуктивно связанных плазменных спектрометрах, где искровые разряды действуют как генераторы аэрозоля. Документом, описывающим эти устройства, является «Compendium of Analytical Nomenclature», часть 10, Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), доступный по ссылке http://iupac.org/publications/analytical_compendium/Cha10sec313.pdf.
Обычно генератор искровых разрядов содержит две схемы, первую для создания высокого напряжения пробоя зазора и вторую для подачи тока в проводящий канал. Эти схемы могут быть установлены параллельно или последовательно.
Предпочтительно проводящий материал объекта образует «катод» (-, излучающий электроны или другие отрицательно заряженные частицы), тогда как противоэлектрод, с помощью которого генератор искровых разрядов может образовывать  искровой разряд, образует «анод» (+, притягивающий электроны или другие отрицательно заряженные частицы). Эта конфигурация электрической схемы(схем) предотвращает перемещение материала с электрода на поверхность объекта, подлежащего маркированию, и облегчает маркирование поверхности с помощью эффектов плавления или абляции.
Также предпочтительно поверхность находится под воздействием газа, в частности воздуха, аргона или азота, или другого инертного газа, пока к поверхности прикладывают искровой разряд. Свойства искрового разряда и, следовательно, метки, создаваемой искровым разрядом, могут быть изменены под влиянием атмосферы рядом с поверхностью объекта. В качестве альтернативы воздуху, аргон или азот, или другой инертный газ могут быть использованы для предотвращения окисления метки или поверхности поблизости от метки. Предпочтительно, можно контролировать тип и состав газа благодаря тому, что способ выполняют в корпусе, в котором можно надежно контролировать атмосферу, в частности, тип газа, его давление и температуру.
Предпочтительно, способ маркирования объекта дополнительно включает получение первого изображения по меньшей мере части узора, извлечение по меньшей мере одного первого характерного признака из первого изображения узора, связывание первого характерного признака с объектом и сохранение информации первого характерного признака и связанного объекта.
Также предпочтительно, первый характерный признак используют для создания первого кода, предпочтительно зашифрованного первого кода, первый код предпочтительно прикрепляют к объекту или печатают на нем. Первый код может иметь форму штрих-кода, буквенно-цифрового кода или цифрового кода, такого как RFID. Предпочтительно, чтобы код был легко считываемым машиной.
В предпочтительном варианте осуществления узор назначают второму коду, предпочтительно серийному номеру, который является независимым от узора и выполнен с возможностью учета и контроля серии узора на объекте, этот второй код предпочтительно прикрепляют к объекту или печатают на нем. Второй код может представлять собой средство опознавания для объекта, маркированного узором. Таким образом, можно легко считывать информацию про объект при считывании второго кода без необходимости оценивать узор на объекте. Однако второй код сам по себе не является настолько же защищенным, как метка, наложенная вышеупомянутым способом. Следовательно, второй код предназначен представлять собой дополнительную информацию на объекте, которая может облегчать работу с объектом.
В частности, информация первого характерного признака и связанного объекта хранится в удаленном запоминающем устройстве. Удаленное запоминающее устройство может представлять собой центральное хранилище, которое предпочтительно доступно удаленно, например, по защищенному сетевому или подобному информационному соединению. Таким образом, можно осуществлять доступ к информации, хранящейся в удаленном запоминающем устройстве, практически из любого места.
Способ определения подлинности или опознавания объекта, маркированного с помощью способа, который описан выше, включает получение второго изображения по меньшей мере части узора, извлечение по меньшей мере одного второго характерного признака из второго изображения узора и сравнение информации второго характерного признака с сохраненной информацией первого отличительного признака для нахождения совпадающей информации.
Если необходимо определить подлинность или опознать объект, такой как оружие, может быть получено изображение узора на нем, из узора могут быть извлечены характерные признаки по меньшей мере из его части, и сравнены с соответствующими признаками, хранящимися в базе данных. Если признаки найдены в базе данных как назначенные определенному объекту, объект, имеющий на себе узор с полученного изображения, опознают или определяют как подлинный.
Предпочтительно, по меньшей мере также считывают один из первого и второго кода. В этом случае можно дополнительно подтвердить, правильно ли коды наложены или напечатаны на объекте.
В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере одно из информации второго отличительного признака и по меньшей мере одного из первого и второго кода передают на удаленное запоминающее устройство. Это позволяет очень надежно определять подлинность или опознавать объект, поскольку, на основании вторых характерных признаков, извлеченных из изображения по меньшей мере части узора, сравнимый первый характерный признак может быть опознан путем сравнения информации первого и второго характерных признаков, так что однозначно опознают или определяют подлинность объекта, назначенного первому характерному признаку.
В предпочтительном варианте осуществления первый и второй характерные признаки содержат по меньшей мере одно из координат отдельных кратеров или расплавленных зон узора, предпочтительно относительно эталонной метки, средний диаметр отдельного кратера или расплавленной зоны узора, относительное расстояние между по меньшей мере двумя кратерами или расплавленными зонами узора, и контур узора или часть узора.
Что касается потенциальных алгоритмов обработки изображений или способов извлечения и/или сравнения характерных признаков или информации изображения узора, делается ссылка на работу Dengsheng Zhang и др. «Review of shape representation and description techniques», Pattern Recognition 37 (2004), 1-19, содержимое которой этим включается в данный документ с помощью ссылки. Имеется много возможных способов, некоторые из которых основаны на контурах, другие - на областях узора, подлежащего определению. Применительно к настоящему изобретению потенциально могут быть использованы и контуры, и области.
В алгоритмах и дескрипторах распознавания узоров имеются современные тенденции. В некоторых из них в качестве дескрипторов применяют бинарные строки, и сравнение или сопоставление выполняют с помощью расстояния Хэмминга. Примерами дескрипторов являются:
• BRIEF: (Бинарные надежные независимые элементарные признаки)
 Попарное сравнение интенсивности в фрагменте изображения.
 Единственными параметрами являются пространственные расположения и длина.
• BRISK: (Бинарные надежные инвариантные масштабируемые ключевые точки)
 То же, что и BRIEF, но с фиксированным пространственным расположением, а также оценкой ориентации и масштаба.
• FREAK: (Быстрые ключевые точки сетчатки)
 Пространственное расположение по модели зрительной системы человека.
 Пары пикселей, используемые для сравнения, узнают с помощью данных обучения.
Пример сопоставления изображений представлен на фиг. 6.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 - схематическое изображение установки системы для маркирования объекта согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2a и 2b - изображения типичной метки 18, полученной единичным искровым разрядом в аргоновой атмосфере на металлическом объекте.
Фиг. 3a и 3b - изображения заметных топологических отличительных признаков, которые обычно наблюдаются на искровой метке. Такие признаки представляют собой, например, смещенные нерасплавленные островки 23, крупные и глубокие кратеры 24 шириной вплоть до 100 мкм, мелкие кратеры 25 шириной менее 10 мкм или крошечные брызги 26 расплавленного металла шириной обычно приблизительно 2 мкм.
Фиг. 4a - вид сверху типичной искровой метки.
Фиг. 4b - изображение вертикального профиля искровой метки, представленной на фиг. 4a, вдоль пунктирной линии 240, представленной на фиг. 4a. На вертикальном профиле представлены выступы 27 до 10 мкм от изначально плоской горизонтальной поверхности 29 и кратеры 28 глубиной до 20 мкм от изначально плоской горизонтальной поверхности. Нерасплавленные островки выступают из их начального положения на изначальной поверхности вплоть до 15 мкм.
Фиг. 5a-5c - изображения примеров текстур поверхности, которые являются типичными для различных способов маркирования и гравировки, по сравнению с искровыми метками. На фиг. представлены изображения поверхностей, маркированных кислотным травлением 51, пескоструйной обработкой 52, анодированием 53, плазменным напылением 54 и лазерной абляцией 55, на фиг. 5b представлены изображения поверхностей, обработанных лазерным маркированием 56, на фиг. 5c представлена искровая метка 57 согласно настоящему изобретению.
Фиг. 6a1, 6a2, 6b1 и 6b2 - изображения способа извлечения признаков изображения и определения соответствия изображения эталонному изображению (что, таким образом, позволяет опознавать метку). На фиг. 6a1 и 6a2 представлено сравнение двух различных изображений одной метки, 60 и 70, сделанных различными фотокамерами. На фиг. 6b1 и 6b2 представлено сравнение двух различных изображений, 61 и 71, двух различных меток, сделанных различными фотокамерами.
На фиг. 7a представлены типичные гистограммы локальных бинарных узоров 40. На фиг. 7a номер ссылки 41 представляет модель подлинной текстуры искровой метки. Гистограмма текстуры настоящей подлинной искровой метки представлена номером ссылки 42, а гистограмма текстуры поддельной искровой метки представлена номером ссылки 43, т.е. метки, которая получена способом, отличающимся от того, которым получена искровая метка.
На фиг. 7b представлены разницы 33 гистограмм 31 настоящей подлинной искровой метки и модели подлинной искровой метки с одной стороны, и настоящей поддельной искровой метки и модели 30 подлинной искровой метки с другой стороны. Фиг. 7b демонстрирует, что искровые метки могут быть распознаны в большинстве случаев 32 с помощью всего одной конфигурации оператора ЛБШ.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 представлено схематическое изображение установки системы 10 для маркирования объекта 18 согласно предпочтительному варианту осуществления. Система 10 для создания искровых разрядов и, таким образом, случайных меток, как описано выше, содержит генератор 12 искровых разрядов, противоэлектрод 14 и коннектор 16 для электрического соединения генератора 12 искровых разрядов с объектом 18, подлежащим маркированию. Необязательно система содержит корпус 20 для управления защитной газовой средой над объектом, подлежащим маркированию. Корпус также может ограничивать защитный газ. Генератор 12 искровых разрядов электрически соединен с противоэлектродом 14 и объектом 18.
Одиночная метка 22, полученная из единичного искрового разряда, созданного между противоэлектродом 14 и чистой и неокисленной металлической поверхностью объекта 18 может распространяться на несколько квадратных миллиметров и может представлять собой трехмерную грубую структуру и тонкую структуру. Метка может состоять из сотен микроскопических кратеров, из которых был аблирован материал, и наплава образца, созданных конденсацией части абляционного материала или отверждением расплавленного материала. Тогда метка представляет собой грубую структуру в форме компактных «островков», как для примера представлено на фиг. 2a, и тонкую структуру в форме катодных кратеров и наплавленных участков, как для примера представлено на фиг. 2b, 3a и 3b. Местоположение, вместе с глубиной кратеров 28 и высотой наплавов или выступов 27, как представлено на фиг. 4a и 4b, является случайным и не может быть воспроизведено с помощью устройств или способов, доступных сегодня (см. фиг. 5a-5c).
Топология грубой структуры и контуры могут быть использованы даже если возможности создания изображений являются недостаточными для визуализации микроскопических деталей. Это может быть в случае, когда, например, для определения метки применяют фотокамеру смартфона или другого наладонного устройства. Извлечение признаков подобного размера хорошо известно в области техники обработки изображений и машинного зрения. Изображение представлено на фиг. 6a1 и фиг. 6a2, где характерные признаки 65 и 66 могут быть извлечены из обоих изображений 60 и 70 одной и той же метки, сделанных различными фотокамерами.
Текстурный анализ может быть использован для определения того, была ли метка создана искрением поверхности металла или другим способом, таким как описанные применительно к фиг. 5a и 5b. Это обычно может быть осуществлено в целях определения подлинности, без опознавания конкретной метки, связанной исключительно с маркированным объектом, т.е. без опознавания конкретного объекта. Один пример текстурного анализа применяет локальные бинарные шаблоны (ЛБШ). Это простые операторы, описывающие микроструктуры вокруг пикселя (Texton). Они являются устойчивыми к (глобальным) изменениям оттенков серого и инвариантны при вращении. Они определяются радиусом поиска и числом соседей для каждого пикселя на изображении. Для текущих примеров был применен простейший ЛБШ оператор, использующий 8 соседних пикселей. Текстура представляется распределением однородных ЛБШ кодов, вычисленных в каждом пикселе и по всему изображению. Опознавание структуры производят с помощью сравнения гистограмм.
Пример распознавания и сравнения текстуры представлен на фиг. 7a и 7b. На фиг. 7a представлены гистограммы проявлений ЛБШ для модели искровой метки 41, примера подлинной искровой метки 42 и метки 43, полученной другим способом (также называемой поддельной меткой). На фиг. 7b показано, что подлинная и поддельная метки могут быть распознаны по их соответствующему расстоянию 33 по гистограмме до модели искровой метки. Четкого разделения расстояния по гистограмме поддельной метки до модели 30 от расстояния по гистограмме подлинной метки до модели 31 достигают с помощью всего одной схемы ЛБШ для нескольких различных образцов 32.
Определение макроструктуры и микроструктуры метки можно сравнить с задачей «обнаружения пятен». Обнаружение пятен относится к математическим методам, которые предназначены для обнаружения областей в цифровом изображении, которые отличаются по свойствам, таким как яркость, по сравнению с участками, окружающими эти области. Пятна эффективно обнаруживаются стандартными алгоритмами обработки изображений, и их свойства могут быть вычислены для извлечения отличительных признаков, как представлено на фиг. 6a1 и 6a2, где пятна 65 и 66 могут быть обнаружены и сравнены на двух изображениях одной и той же отметки, полученных различными фотокамерами. На фиг. 6a1, изображение 60 соответствует изображению, использованному для записи отличительного признака метки в базе данных, а изображение 70, представленное на фиг. 6a2, соответствует изображению той же искровой метки, подлинность которой необходимо определить и которую необходимо опознать. С другой стороны, на фиг. 6b2 представлен вариант изображения 71, который не происходит из тех же искровых меток, что записанное изображение 61 и представленное на фиг. 6b1. Здесь никакие общие признаки не обнаружены.
Топология микроскопической структуры, контуры и модификация яркого и темного аспекта путем изменения освещения, фокусной плоскости или угла обзора могут быть использованы для описания характера тонкой структуры, например, маленьких кратеров 25 или крошечных расплавленных брызг 26 металла, как представлено на фиг. 3a и 3b. Это возможно с помощью, например, световой микроскопии. Информация, извлеченная из тонкой структуры, может быть использована или для полуэкспертного определения подлинности, чтобы гарантировать, что данная метка была произведена искровым разрядом, или для определения особого отличительного признака на микроскопическом уровне. Для последнего было бы предпочтительно записать отличительные признаки стандартным процессом получения микроскопических изображений, который является воспроизводимым.
Изменяя фокусирующую плоскость светового микроскопа, при неизменном освещении, можно получить экспериментальные данные о 3D структурах(см. фиг. 3b и фиг. 4a и 4b). Аналогично, для опознания 3D структур меток, полученных искроразрядным маркированием, как описано в данном документе, может быть использована технология сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). 3D структура, такая как представлена на фиг. 3b, 4a и 4b, малых темных кратеров, представляющих собой абляцию материала, и более крупных выпуклостей, визуально представляющих затвердевшие капли металла, может быть проверена и использована для целей опознавания или определения подлинности. Эта структура является особенно характерной для эффект искрового разряда на катодном основании и не может быть воспроизведена никаким другим процессом маркирования, известным сегодня. На фиг. 3a и 3b представлены некоторые заметные структуры, обнаруживаемые в искровых метках.
Материалы, подлежащие маркированию, являются предпочтительно металлическими. Примерами являются тонкие металлические полосы в бандеролях или массивные металлические детали, изделия, жестяные банки и т.п. Металлическая поверхность предпочтительно является чистой, без смазки, неокисленной и с шероховатостью, эквивалентной полученной путем тонкого фрезерования, шлифования или холодной прокатки. Хотя предварительная обработка поверхности не является существенной для работы способа или системы, стандартный вид поверхности перед применением способа к поверхности или соответствующему объекту, соответственно, облегчает использование меток для опознавания или определения подлинности.  Обычной средней шероховатостью Ra для этих типов способов изготовления является 6 микрометров или 250 микродюймов, как отображено, например, в стандарте США ASME Y14.36M или ISO 1302, или предпочтительно меньше. Однако также более грубые поверхности обычно являются подходящими для обработки вышеуказанным способом.
В одном иллюстративном применении способа металлические полосы, интегрированные в акцизные марки, могут быть отмечены искровым разрядом с целью безопасного маркирования. Искроразрядное маркирование может быть применено на конкретной части полос. Полоса может быть из Al, Cu, Ti, Ag или любого их сплава или другого мягкого металла.
В другом иллюстративном применении маркируют консервированные продукты прямо на защищенном или незащищенном материале жестяной банки. Обычно внешняя поверхность металлических банок защищена тонким слоем отвержденной УФ светом грунтовки из эпоксидной и/или акриловой смолы. Этот слой может быть подвергнут абляции искровым разрядом и совмещенной меткой: могут быть получены лак и металл, в зависимости от энергии искрового разряда. Маркирование других типов металлической тары, такой как коробки или тара для парфюмерии, ювелирных изделий или ценных предметов роскоши также может быть выполнено искроразрядным способом. Также могут быть маркированы и сами металлические предметы роскоши. Например, металлические части ювелирных изделий, которые могут быть из Au, Ag, Pt, Pd и других драгоценных металлов или их сплавов, могут быть маркированы способом согласно настоящему изобретению.
В другом иллюстративном применении искроразрядным способом маркируют оружие и боеприпасы. Предпочтительно метки могут быть созданы на чистой металлической области изделия или на области, которая была ранее отмечена цифровой меткой, например, тиснением или гравированием. Выгравированные метки могут направлять искровой разряд, так что метка создается вокруг любых выгравированных символов. Окончательный узор, следовательно, будет представлять собой сочетание детерминированной цифровой метки, такой как серийный номер, и дополнительных случайных и уникальных признаков, созданных искроразрядным способом.
В другом иллюстративном применении искроразрядным способом согласно настоящему изобретению маркируют поверхность из проводящего материала, имеющуюся на некотором механическом компоненте или запасной детали, применяемых в моторостроении или авиастроении. Это является особо полезным для опознавания или определения подлинности компонентов, которые являются важными в плане безопасности пользователей: например, автомобильных тормозных накладок или авиационных шасси. Действительно, эти (как правило, дорогие) компоненты все чаще и чаще подделывают, в результате чего они обычно не удовлетворяют требуемым стандартам качества.
В качестве показательного примера, система маркирования, применяющая искровой разряд согласно настоящему изобретению, содержит следующие элементы:
1. Однонаправленный генератор искрового разряда, обеспечивающий высокое напряжение 6-15 кВ для пробоя зазора между электродом и поверхностью, подлежащей обработке искровым разрядом и дополнительной подаче тока по различным временным узорам и с различными энергиями. В зависимости от типа металла подаваемый ток принимает значения от 10 до 150 ампер, тогда как напряжение составляет приблизительно 30 В. Длительность искрового разряда от пробоя до угасания может составлять от 30 до 200 микросекунд.
В этом примере системы маркирования разрядный процесс имеет три основных периода:
Во-первых, короткая вспышка короче 1 микросекунды, в которой приложено высокое напряжение и происходит пробой;
во-вторых, вторая фаза, в которой подают ток вплоть до нескольких десятых ампер, длительностью от 2 до 10 микросекунд; и
в-третьих, третья фаза, в которой ток уменьшается и поддерживается на уровне менее 20 ампер. Длительность этой третьей фазы может составлять от 50 до 200 микросекунд, например, в зависимости от типа металла.
Такие генераторы искровых разрядов хорошо известны и применяются в основном для искровых атомно-эмиссионных или оптических эмиссионных спектрометров, в области спектрохимического анализа материалов и их сплавов. Справочным документом, описывающим генератор искровых разрядов, является WO 2010/066644 A1, содержимое которого таким образом включается в данный документ с помощью ссылки.
2. Зазор разряда, образованный противоэлектродом, обычно изготовленным из, но без ограничения, вольфрама, этот противоэлектрод выполнен с возможностью действовать как анод, с одной стороны, и материалом, подлежащим обработке искровым разрядом на потенциале земли, который таким образом выполнен с возможностью действовать как катод, с другой стороны. Материал может быть приведен к потенциалу земли с помощью контактного электрода.
3. Необязательно, противоэлектрод и материал могут быть окружены защитным газом, таким как аргон или азот, или другой инертный газ, который может быть укрыт в защитном корпусе 20, для предотвращения окисления метки.
4. Необязательно, противоэлектрод может быть кольцеобразным и выполненным с возможностью ввода защитного инертного газа через наконечник электрода. Или электрод может быть окружен соосной кольцеобразной форсункой для введения газа.
Иллюстративный пример конфигурации для маркирования, записи и активации маркированных объектов описан ниже.
Первой операцией является искроразрядное маркирование оружия, как описано выше. Объекты, например, оружие, части оружия или оболочки боеприпасов, которые необходимо маркировать, удерживают электрически заземленными держателями, установленными на конвейере таким образом, что поверхность, подлежащая маркированию, представлена в одном направлении и на одном расстоянии от противоэлектрода. Метку создают на объекте, и затем создают изображение метки объединенным модулем источника света и фотоаппарата. После получения изображения извлекают и кодируют индивидуальные свойства метки.
Код и необязательно изображение безопасным способом отправляют на систему обработки данных и записывают в базу данных.
После того как объекты, например, оружие, были доставлены их пользователям, они могут быть проверены с помощью соответствующего наладонного устройства, которое имеет возможность получать макроизображения, извлекать макропризнаки изображения и отправлять полученный код и/или изображение по безопасному соединению на систему обработки данных.
Здесь полученную информацию, а именно, код и/или изображение сравнивают с существующими записями в базе данных, так что объекты могут быть опознаны на основании имеющейся записи базы данных.
Определение подлинности метки на более высоком уровне может быть осуществлено в местной лаборатории для микроскопических исследований, если наладонное устройство не имеет возможности осуществлять микроскопическую проверку маркированного объекта.
Определение подлинности метки может быть осуществлено наладонным устройством или лабораторным оборудованием.
Как правило, с помощью наладонного устройства и при внешнем или специальном освещении можно рассмотреть детали размером более 10 микрометров, так что можно рассмотреть признаки грубой структуры. В этом случае обработка изображений будет основана в особенности на распознавании топологии и контуров скоплений катодных кратеров и наплавов материала, и никакие трактовки не будут осуществлены на основании освещенности элементов на изображении. Детали топологии и контуров представляют собой информационные векторы и могут быть закодированы. Процесс кодирования может быть осуществлен на устройстве, и результат может быть отправлен, в зашифрованном сообщении, на систему обработки данных для осуществления определения подлинности, подобно вышеописанному способу.
Лабораторное оборудование для определения подлинности может содержать оптический микроскоп, использующий поляризованный свет. Микроскоп может обнаруживать пики переплавленного материала, а также впадины или кратеры абляционного материала путем создания изображений ярких и темных узоров. Путем изменения фокусирующей плоскости яркие области могут изменяться в темные области, при этом сохраняя свою форму.
Кроме того, микроскоп может быть использован с автоматизированным программным обеспечением обработки изображений, которое может распознавать узоры элементарных катодных кратеров. Программное обеспечение может осуществлять алгоритмы текстурного анализа с предопределенной моделью, такой как, например, анализ локальных бинарных шаблонов для определения, что наблюдаемая метка принадлежит к классу искровых меток, а не к другим типам способов маркировки, представленным, например, на фиг. 5a и 5b, как описано применительно к фиг. 7a и 7b.
Примеры для основы способа определения подлинности или опознавания:
1) Отличительный признак формы
Отличительный признак формы представляет форму по одномерной функции, полученной по точкам границ формы. Существует множество отличительных признаков формы. Они включают центроидальный профиль, комплексные координаты, центроидное расстояние, угол наклона, интегральный угол, кривизну, площадь и длину хорды.
2) Шаг шкалы
Представление шага шкалы формы может быть создано путем отслеживания положения точек перегиба на границе формы, отфильтрованного низкочастотными фильтрами Гаусса переменной ширины. По мере увеличения ширины фильтра Гаусса несущественные перегибы из границы удаляются, и форма становится более гладкой. Точки перегиба, которые остаются в представлении, считают значительными отличительными признаками объекта. Результатом этого процесса сглаживания является дерево интервалов, называемое отпечатком, состоящее из точек перегиба.
Хотя изобретение было описано выше относительно определенных примеров и вариантов осуществления, пределы защиты этими примерами или вариантами осуществления не ограничены.