CN109344942A - 一种用于防伪标签的光学散斑puf*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于防伪标签的光学散斑PUF***，包括至少一个光学PUF样本、图像采集装置和图像处理装置，光学PUF样本包括长方形的基材和附着在基材的正面的激光散斑，基材的材料为玻璃，激光散斑为多个随机分布的黑色斑点，黑色斑点的粒径为20～60μm，成分为丙烯酸，激光散斑的面积为基材的正面面积的0.45～0.55，图像采集装置包括红外激光器、第一定向孔、第二定向孔、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、扩束镜、准直透镜、半反半透镜、第一CCD相机和第二CCD相机；优点是种稳定性和可靠性较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学散斑PUF***，尤其是涉及一种用于防伪标签的光学散斑PUF***。
背景技术
随着市场经济的发展和科技水平的提高，给人们生活提供了丰富的商品物质资源，也带来了极大的便利。但与此同时，假冒伪劣商品呈几何速度膨胀，已经严重影响经济的良性发展、扰乱正常的市场秩序、阻碍企业的长远发展、损害消费者的合法权益，对人们的身心健康和财产安全造成严重威胁。防伪标签是当前预防以欺骗为目的且未经所有权人准许而进行仿制或复制活动的最有效措施。传统的防伪标签包括包装防伪、加贴防伪标志以及内涵防伪标识等。包装防伪采用一次性使用的包装纸或包装膜，可以具有防伪特征的防伪纸或防伪膜；加贴防伪标志，采用激光全息、印刷防伪、核微孔防伪、标记分布防伪和数码防伪等，一般使用多重综合防伪，并可用电话和手机等方式把商品上代表其唯一身份的号码输进去，可从返回信息中得知真伪；内涵防伪标识在商品中或商品包装上采用材料特征，利用材料不可转移复制，使用材料特征量的记录和检验，达到使用的唯一性。防伪特征和识别方法是防伪标签的灵魂，需要根据产品的特点量身打造，因此如何选取和实现防伪技术是当前防伪标签中的一大难题。
物理不可克隆函数(Physical Unclonable Functions，PUF)的概念，最早由Pappu等研究人员在Science杂志中提出，依据光学操作原理实现物理单向函数(Physical One-Way Functions,POWFs)，并用于武器控制条约的战略武器识别。PUF通过提取物理机制的随机固有属性，产生无限多个特有的数据信息，具有唯一性、随机性和不可克隆性等特性，可广泛应用于防伪等领域。物理不可克隆函数是信息安全领域硬件识别技术的重要补充，将PUF与防伪标签融合应用，可以有效地保护信息的安全。PUF是标签剂的独特随机物理模式，不能被复制，并且必须由提供大量稳健PUF标签的随机过程制造。PUF标签具有物理图案，如果用合适的分析工具读取，可以被记录和存储。PUF标签是“钥匙”，存储图案是“锁”。这种组合形成PUF密钥，提供不可破解的加密和打击假冒伪劣。
文献2(Cowburn,R.Laser surface authentication-reading Nature’s ownsecurity code.Contemp.Phys.49,331–342(2008).)中公开了一种用于防伪标签的光学散斑PUF***，该***是利用搭载在电机上的激光源，不断的来回扫描一个物体的表面，然后采用非投射方式的漫反射光得到图片之后，对这些图片进行处理，再与真物体的结果去比较，来判断物体是否是伪造的。在这种漫反射得到图像的过程中容易受到环境光线的影响，而且需要把微弱的漫反射光采集成像，使得采集图像的CCD精度要求非常高。因其散射体的表面容易受到物理损伤导致误差，所以在认证的时候稳定性和可靠性不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种稳定性和可靠性较高的用于防伪标签的光学散斑PUF***。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于防伪标签的光学散斑PUF***，包括至少一个光学PUF样本、图像采集装置和图像处理装置，所述的光学PUF样本包括长方形的基材和附着在所述的基材的正面的激光散斑，所述的基材的材料为玻璃，所述的激光散斑为多个随机分布的黑色斑点，黑色斑点的粒径为20～60μm，成分为丙烯酸，，所述的激光散斑的面积为所述的基材的正面面积的0.45～0.55；
所述的图像采集装置包括红外激光器、第一定向孔、第二定向孔、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、扩束镜、准直透镜、半反半透镜、第一CCD相机和第二CCD相机；所述的红外激光器、所述的第一定向孔、所述的第二定向孔和所述的第一反射镜从左往右依次设置，所述的第一定向孔、所述的第二定向孔和所述的第一反射镜位于所述的红外激光器的发射光路上，所述的第一反射镜的入射面与水平方向的夹角为45度，所述的红外激光器发射的激光依次通过所述的第一定位孔和所述的第二定位孔后沿水平方向入射到所述的第一反射镜，所述的第二反射镜位于所述的第一反射镜的后面，所述的第二反射镜位于所述的第一反射镜的反射光路上，所述的第二反射镜的入射面与水平面的夹角为135度，所述的扩束镜位于所述的第二反射镜的左侧，所述的第三反射镜位于所述的扩束镜的左侧，所述的扩束镜的扩大倍率为20倍，所述的扩束镜位于所述的第二反射镜的反射光路上，所述的第三反射镜位于所述的扩束镜的出射光路上，所述的第三反射镜的入射面与水平方向的夹角为135度，所述的准直透镜位于所述的第三反射镜的反射光路上，所述的半反半透镜位于所述的准直透镜的出射光路上，所述的半反半透镜的反射面与水平面之间的夹角为135度，一个所述的光学PUF样本设置在所述的准直透镜的反射光路上，且该光学PUF样本的背面朝向所述的半反半透镜，该光学PUF样本的正面朝向所述的第二CCD相机，所述的第一CCD相机和所述的第二CCD相机分别与所述的图像处理装置连接；工作时，所述的红外激光器发射的光束依次通过所述的第一定位孔和所述的第二定位孔后沿水平方向成45度入射到所述的第一反射镜，光束通过所述的第一反射镜反射后成45度入射到所述的第二反射镜并经由所述的第二反射镜反射后进入所述的扩束镜中，所述的扩束镜将进入其内的光束直径放大20倍后再成45度入射到所述的第三反射镜中，所述的第三反射镜将光束入射到所述的准直透镜中，所述的准直透镜将摄入其内的光束调整为平行光束后成45度摄入所述的半反半透镜中，所述的半反半透镜将入射到其内的光束一方面反射到所述的光学PUF样品的背面，一方面透射出去被所述的第一CCD相机捕获，入射到所述的光学PUF样品上的光束通过所述的光学PUF样品上的正面后形成光学散斑，该光学散斑被所述的第二CCD相机捕获并拍摄得到光学散斑图，所述的图像处理装置对接收到的光学散斑图进行处理，得到光学PUF。
所述的光学PUF样本的材料为长为76.2mm，宽为25.4mm，厚度为1.0-1.2mm的干净无尘透明的载玻片或者边长为22mm，厚度为0.13-0.17mm的干净无尘透明的盖玻片。
所述的光学PUF样本的制备过程为：
A.将基材清洁干净后置于一平台上；
B.采用自动喷漆设备在距离基材正面20cm高度处对基材正面喷射粒径为20～60μm的丙烯酸涂料液滴，丙烯酸涂料液滴在基材正面形成多个随机分布的黑色斑点；
C.放在无尘室中静置5-6分钟得到光学PUF样本。
所述的图像处理装置对接收到的光学散斑图像进行处理，得到光学PUF的具体过程为：
(1)从接收的光学散斑图中随机选取一幅，将选取的光学散斑图的像素记为N×M，其中，N为第二CCD相机的横向像素数，M为第二CCD相机的纵向像素数；
(2)对选取的光学散斑图进行灰度化处理，得到N行×M列像素的灰度图，并获取灰度图中每个像素对应的灰度值；
(3)对得到的N×M像素的灰度图进行二值化处理，具体步骤如下：
Ⅰ.新建一个能够存放N行×M列数据的二维数组；
Ⅱ.设定一个中间变量a，将a初始化为大于等于0且小于等于255的一个整数；
Ⅲ.将灰度图中第j行第k列的像素对应的灰度值与a的当前值进行比较，如果该灰度值小于a，则将0存放到二维数组的第j行第k列，如果该灰度值大于等于a，则将1存放到二维数组的第j行第k列，j＝1,2，…，N，k＝1,2，…，M；
Ⅳ.计算二值化数组存放的N*M个数的平均值，将该平均值记为b，*为乘运算符号，对b进行判定：
如果b大于等于0.48且小于等于0.52，则将当前得到的二维数组作为二值化数组，进入步骤(4)；
如果b不属于0.48-0.52范围内的数，则对先a的值进行更新，将a更新后的值作为a的当前值，重复步骤Ⅲ和Ⅳ，直至b大于等于0.48且小于等于0.52，将最后得到的二维数组作为二值化数组，进入步骤(4)，其中a的具体更新过程为：当b小于0.48，且b与0.48之间的差值不大于0.1时，采用a的当前值减去c的值对a的取值进行更新，c为小于等于10的整数，当b小于0.48，且b与0.48之间的差值大于0.1时，采用a的当前值加上d的值对a的取值进行更新，d为小于等于10的整数，当b大于0.52，且b与0.52之间的差值不大于0.1时，采用a的当前值减去e的值对a的取值进行更新，e为大于10的整数，当b大于0.52，且b与0.52之间的差值大于0.1时，采用a的当前值加上f的值对a的取值进行更新，f为大于10的整数；
(4)新建一个用于存放1行×N*M列数据的一维数组，对该一维数组进行赋值：将二值化数组的第1行第1列的数存放到该一维数组的第1行第1列，二值化数组的第1行第2列的数存放到该一维数组的第1行第2列，以此类推，直到将二值化数组的第N行第M列的数存放到该一维数组的第1行第N*M列，将得到的一维数组记为B；
(5)对一维数组B进行冯诺依曼处理，具体步骤如下：
a.判断N*M是否为偶数，如果N*M不是偶数，则在该一维数组B中增加一列作为一维数组B的第1行第N*M+1列，并将1存放在该处，如果N*M是偶数，则不作处理，将一维数组B的当前列数记为M1；
b.新建一个用于存放冯诺依曼处理数据的一维数组，将其记为Q，设定一个中间变量p，将1赋值给p；
c.采用一维数组B的第1行第2p-1列的数和第1行2p列的数组成两位二进制数，一维数组B的第1行第2p-1列的数为该两位二进制数的高位，一维数组B的第1行第2p列的数为该两位二进制数的低位，如果该两位二进制数为10，则在一维数组Q的从左向右第一个空位处存入0，如果该两位二进制数为01，则在一维数组Q从左向右第一个空位处存入1，如果该两位二进制数为为11或者00，则不对一维数组Q进行处理；
d.判定p是否等于N*M1/2，如果不等于，则采用p的当前值加1后的值更新p，然后返回步骤c，如果等于，则一维数组Q数据存放完成，将当前的一维数组Q作为第一次冯诺依曼处理数组，将第一次冯诺依曼处理数组的列数记为M2；
(6)采用步骤(5)相同的方法对第一次冯诺依曼处理数组进行冯诺依曼处理，得到第二次冯诺依曼处理数组；
(7)将第二次冯诺依曼处理数组放入NIST测试软件测试，若测试项的P-value值全都大于显著性水平0.01，而且Block Frequency此项数据大于0.5，则表示第二次冯诺依曼处理数组通过NIST测试，满足随机数的条件，否则不能通过NIST测试，此时再随机选取一幅未被选取过的光学散斑图，返回步骤(2)重新进行处理，直至得到满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组，将满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组的列数记为M3；
(8)对满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组进行重组，具体步骤如下：
S1.判断M3能否表示为某个整数的平方，如果能，则对满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组不做处理，如果不能，则增加满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组的列数，使其列数能表示为某个整数的平方，且增加的列数为满足条件的最少列数，在增加的列数处从左往右按照010101……的规则存放数据，将当前的第二次冯诺依曼处理数的列数开根号得到的数记为I；
S2.新建一个用于存放I行xI列的二维数组F，将步骤S1中最后得到的第二次冯诺依曼处理数组的第1行第1列的数存放到二维数组F的第1行第1列，第1行第2列的数存放到二维数组F的第1行第2列，第1行第I+1列的数存放到二维数组F的第2行第1列，以此类推，直至将第1行第I*I列的数存放到二维数组F的第I行第I列，将此时的二维数组F作为散斑数组；
(9)新建一个用于存放I行×I列像素的散点图，对该散点图进行填充：如果散斑数组的第h行第w列的数为1，则将散点图的第h行第w列的像素处用黑色填充，如果为0，则用白色填充，h＝1,2，…，I，w＝1,2，…，I；
(10)填充后得到的散点图即为光学PUF。该方法中，通过多次冯诺依曼处理，可以减少数据量，提高运算速度，而且可以大幅度的降低重复无用数据的占比，从而提高光学PUF的随机性，增加被伪造的难度，增强可靠性。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过长方形的基材和附着在基材的正面的激光散斑构建光学PUF样本，基材的材料为玻璃，激光散斑为多个随机分布的黑色斑点，黑色斑点的粒径为20～60μm，成分为丙烯酸，激光散斑的面积为基材的正面面积的0.45～0.55，通过红外激光器、第一定向孔、第二定向孔、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、扩束镜、准直透镜、半反半透镜、第一CCD相机和第二CCD相机构成图像采集装置，工作时，红外激光器发射的光束依次通过第一定位孔和第二定位孔后沿水平方向成45度入射到第一反射镜，光束通过第一反射镜反射后成45度入射到第二反射镜并经由第二反射镜反射后进入扩束镜中，扩束镜将进入其内的光束直径放大20倍后再成45度入射到第三反射镜中，第三反射镜将光束入射到准直透镜中，准直透镜将摄入其内的光束调整为平行光束后成45度摄入半反半透镜中，半反半透镜将入射到其内的光束一方面反射到光学PUF样品的背面，一方面透射出去被第一CCD相机捕获，入射到光学PUF样品上的光束通过光学PUF样品上的正面后形成光学散斑，该光学散斑被第二CCD相机捕获并拍摄得到光学散斑图，图像处理装置对接收到的光学散斑图进行处理，得到光学PUF，光学PUF样本的材料为干净无尘透明的盖玻片，第二CCD相机捕捉的光线为激光器的透射光，环境光光照度小于10000lx时对于透射光线的影响较弱，透射光线在第二CCD相机上成的像维持基本不变，可靠性较高，同时光学PUF样本中的激光散斑耐候性优，保色性好，耐腐蚀性强，抗老化能力强，在非恶劣环境下通用性较高，可以得到稳定性高的光学PUF。
附图说明
图1为本发明的图像采集装置的结构图；
图2(a)为本发明的图像采集装置采集的光学散斑图一；
图2(b)为图2(a)所述的光学散斑图一采用本发明的实施例二的图像处理方法处理得到的光学PUF；
图3(a)为本发明的图像采集装置采集的光学散斑图二；
图3(b)为图3(a)所述的光学散斑图二采用本发明的实施例二的图像处理方法处理得到的光学PUF；
图4(a)为本发明的图像采集装置采集的光学散斑图三；
图4(b)为图4(a)所述的光学散斑图三采用本发明的实施例二的图像处理方法处理得到的光学PUF；
图5(a)为本发明的图像采集装置采集的光学散斑图四；
图5(b)为图5(a)所述的光学散斑图四采用本发明的实施例二的图像处理方法处理得到的光学PUF。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：如图所示，一种用于防伪标签的光学散斑PUF***，包括至少一个光学PUF样本、图像采集装置和图像处理装置，光学PUF样本包括长方形的基材和附着在基材的正面的激光散斑，基材的材料为玻璃，激光散斑为多个随机分布的黑色斑点，黑色斑点的粒径为20～60μm，成分为丙烯酸，，激光散斑的面积为基材的正面面积的0.45～0.55；
图像采集装置包括红外激光器1、第一定向孔2、第二定向孔3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、扩束镜7、准直透镜8、半反半透镜9、第一CCD相机10和第二CCD相机11；红外激光器1、第一定向孔2、第二定向孔3和第一反射镜4从左往右依次设置，第一定向孔2、第二定向孔3和第一反射镜4位于红外激光器1的发射光路上，第一反射镜4的入射面与水平方向的夹角为45度，红外激光器1发射的激光依次通过第一定向孔2和第二定向孔3后沿水平方向入射到第一反射镜4，第二反射镜5位于第一反射镜4的后面，第二反射镜5位于第一反射镜4的反射光路上，第二反射镜5的入射面与水平面的夹角为135度，扩束镜7位于第二反射镜5的左侧，第三反射镜6位于扩束镜7的左侧，扩束镜7的扩大倍率为20倍，扩束镜7位于第二反射镜5的反射光路上，第三反射镜6位于扩束镜7的出射光路上，第三反射镜6的入射面与水平方向的夹角为135度，准直透镜8位于第三反射镜6的反射光路上，半反半透镜9位于准直透镜8的出射光路上，半反半透镜9的反射面与水平面之间的夹角为135度，一个光学PUF样本设置在准直透镜8的反射光路上，且该光学PUF样本的背面朝向半反半透镜9，该光学PUF样本的正面朝向第二CCD相机11，第一CCD相机10和第二CCD相机11分别与图像处理装置连接；
工作时，红外激光器1发射的光束依次通过第一定向孔2和第二定向孔3后沿水平方向成45度入射到第一反射镜4，光束通过第一反射镜4反射后成45度入射到第二反射镜5并经由第二反射镜5反射后进入扩束镜7中，扩束镜7将进入其内的光束直径放大20倍后再成45度入射到第三反射镜6中，第三反射镜6将光束入射到准直透镜8中，准直透镜8将摄入其内的光束调整为平行光束后成45度摄入半反半透镜9中，半反半透镜9将入射到其内的光束一方面反射到光学PUF样品的背面，一方面透射出去被第一CCD相机10捕获，入射到光学PUF样品上的光束通过光学PUF样品上的正面后形成光学散斑，该光学散斑被第二CCD相机11捕获并拍摄得到光学散斑图，图像处理装置对接收到的光学散斑图进行处理，得到光学PUF。
本实施例中，光学PUF样本的材料为长为76.2mm，宽为25.4mm，厚度为1.0-1.2mm的干净无尘透明的载玻片或者边长为22mm，厚度为0.13-0.17mm的干净无尘透明的盖玻片。
本实施例中，光学PUF样本的制备过程为：
A.将基材清洁干净后置于一平台上；
B.采用自动喷漆设备在距离基材正面20cm高度处对基材正面喷射粒径为20～60μm的丙烯酸涂料液滴，丙烯酸涂料液滴在基材正面形成多个随机分布的黑色斑点；
C.放在无尘室中静置5-6分钟得到光学PUF样本。
本实施例中，采用现有成熟的图像处理技术得到光学PUF。
实施例二:本实施例与实施例一基本相同，区别在于：
本实施例中，图像处理装置对接收到的光学散斑图像进行处理，得到光学PUF的具体过程为：
(1)从接收的光学散斑图中随机选取一幅，将选取的光学散斑图的像素记为N×M，其中，N为第二CCD相机11的横向像素数，M为第二CCD相机11的纵向像素数；
(2)对选取的光学散斑图进行灰度化处理，得到N行×M列像素的灰度图，并获取灰度图中每个像素对应的灰度值；
(3)对得到的N×M像素的灰度图进行二值化处理，具体步骤如下：
Ⅰ.新建一个能够存放N行×M列数据的二维数组；
Ⅱ.设定一个中间变量a，将a初始化为大于等于0且小于等于255的一个整数；
Ⅲ.将灰度图中第j行第k列的像素对应的灰度值与a的当前值进行比较，如果该灰度值小于a，则将0存放到二维数组的第j行第k列，如果该灰度值大于等于a，则将1存放到二维数组的第j行第k列，j＝1,2，…，N，k＝1,2，…，M；
Ⅳ.计算二值化数组存放的N*M个数的平均值，将该平均值记为b，*为乘运算符号，对b进行判定：
如果b大于等于0.48且小于等于0.52，则将当前得到的二维数组作为二值化数组，进入步骤(4)；
如果b不属于0.48-0.52范围内的数，则对先a的值进行更新，将a更新后的值作为a的当前值，重复步骤Ⅲ和Ⅳ，直至b大于等于0.48且小于等于0.52，将最后得到的二维数组作为二值化数组，进入步骤(4)，其中a的具体更新过程为：当b小于0.48，且b与0.48之间的差值不大于0.1时，采用a的当前值减去c的值对a的取值进行更新，c为小于等于10的整数，当b小于0.48，且b与0.48之间的差值大于0.1时，采用a的当前值加上d的值对a的取值进行更新，d为小于等于10的整数，当b大于0.52，且b与0.52之间的差值不大于0.1时，采用a的当前值减去e的值对a的取值进行更新，e为大于10的整数，当b大于0.52，且b与0.52之间的差值大于0.1时，采用a的当前值加上f的值对a的取值进行更新，f为大于10的整数；
(4)新建一个用于存放1行×N*M列数据的一维数组，对该一维数组进行赋值：将二值化数组的第1行第1列的数存放到该一维数组的第1行第1列，二值化数组的第1行第2列的数存放到该一维数组的第1行第2列，以此类推，直到将二值化数组的第N行第M列的数存放到该一维数组的第1行第N*M列，将得到的一维数组记为B；
(5)对一维数组B进行冯诺依曼处理，具体步骤如下：
a.判断N*M是否为偶数，如果N*M不是偶数，则在该一维数组B中增加一列作为一维数组B的第1行第N*M+1列，并将1存放在该处，如果N*M是偶数，则不作处理，将一维数组B的当前列数记为M1；
b.新建一个用于存放冯诺依曼处理数据的一维数组，将其记为Q，设定一个中间变量p，将1赋值给p；
c.采用一维数组B的第1行第2p-1列的数和第1行2p列的数组成两位二进制数，一维数组B的第1行第2p-1列的数为该两位二进制数的高位，一维数组B的第1行第2p列的数为该两位二进制数的低位，如果该两位二进制数为10，则在一维数组Q的从左向右第一个空位处存入0，如果该两位二进制数为01，则在一维数组Q从左向右第一个空位处存入1，如果该两位二进制数为为11或者00，则不对一维数组Q进行处理；
d.判定p是否等于N*M1/2，如果不等于，则采用p的当前值加1后的值更新p，然后返回步骤c，如果等于，则一维数组Q数据存放完成，将当前的一维数组Q作为第一次冯诺依曼处理数组，将第一次冯诺依曼处理数组的列数记为M2；
(6)采用步骤(5)相同的方法对第一次冯诺依曼处理数组进行冯诺依曼处理，得到第二次冯诺依曼处理数组；
(7)将第二次冯诺依曼处理数组放入NIST测试软件测试，若测试项的P-value值全都大于显著性水平0.01，而且Block Frequency此项数据大于0.5，则表示第二次冯诺依曼处理数组通过NIST测试，满足随机数的条件，否则不能通过NIST测试，此时再随机选取一幅未被选取过的光学散斑图，返回步骤(2)重新进行处理，直至得到满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组，将满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组的列数记为M3；
(8)对满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组进行重组，具体步骤如下：
S1.判断M3能否表示为某个整数的平方，如果能，则对满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组不做处理，如果不能，则增加满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组的列数，使其列数能表示为某个整数的平方，且增加的列数为满足条件的最少列数，在增加的列数处从左往右按照010101……的规则存放数据，将当前的第二次冯诺依曼处理数的列数开根号得到的数记为I；
S2.新建一个用于存放I行xI列的二维数组F，将步骤S1中最后得到的第二次冯诺依曼处理数组的第1行第1列的数存放到二维数组F的第1行第1列，第1行第2列的数存放到二维数组F的第1行第2列，第1行第I+1列的数存放到二维数组F的第2行第1列，以此类推，直至将第1行第I*I列的数存放到二维数组F的第I行第I列，将此时的二维数组F作为散斑数组；
(9)新建一个用于存放I行×I列像素的散点图，对该散点图进行填充：如果散斑数组的第h行第w列的数为1，则将散点图的第h行第w列的像素处用黑色填充，如果为0，则用白色填充，h＝1,2，…，I，w＝1,2，…，I；
(10)填充后得到的散点图即为光学PUF。
Claims (4)
1.一种用于防伪标签的光学散斑PUF***，包括至少一个光学PUF样本、图像采集装置和图像处理装置，其特征在于所述的光学PUF样本包括长方形的基材和附着在所述的基材的正面的激光散斑，所述的基材的材料为玻璃，所述的激光散斑为多个随机分布的黑色斑点，黑色斑点的粒径为20～60μm，成分为丙烯酸，所述的激光散斑的面积为所述的基材的正面面积的0.45～0.55；
所述的图像采集装置包括红外激光器、第一定向孔、第二定向孔、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、扩束镜、准直透镜、半反半透镜、第一CCD相机和第二CCD相机；所述的红外激光器、所述的第一定向孔、所述的第二定向孔和所述的第一反射镜从左往右依次设置，所述的第一定向孔、所述的第二定向孔和所述的第一反射镜位于所述的红外激光器的发射光路上，所述的第一反射镜的入射面与水平方向的夹角为45度，所述的红外激光器发射的激光依次通过所述的第一定位孔和所述的第二定位孔后沿水平方向入射到所述的第一反射镜，所述的第二反射镜位于所述的第一反射镜的后面，所述的第二反射镜位于所述的第一反射镜的反射光路上，所述的第二反射镜的入射面与水平面的夹角为135度，所述的扩束镜位于所述的第二反射镜的左侧，所述的第三反射镜位于所述的扩束镜的左侧，所述的扩束镜的扩大倍率为20倍，所述的扩束镜位于所述的第二反射镜的反射光路上，所述的第三反射镜位于所述的扩束镜的出射光路上，所述的第三反射镜的入射面与水平方向的夹角为135度，所述的准直透镜位于所述的第三反射镜的反射光路上，所述的半反半透镜位于所述的准直透镜的出射光路上，所述的半反半透镜的反射面与水平面之间的夹角为135度，一个所述的光学PUF样本设置在所述的准直透镜的反射光路上，且该光学PUF样本的背面朝向所述的半反半透镜，该光学PUF样本的正面朝向所述的第二CCD相机，所述的第一CCD相机和所述的第二CCD相机分别与所述的图像处理装置连接；
工作时，所述的红外激光器发射的光束依次通过所述的第一定位孔和所述的第二定位孔后沿水平方向成45度入射到所述的第一反射镜，光束通过所述的第一反射镜反射后成45度入射到所述的第二反射镜并经由所述的第二反射镜反射后进入所述的扩束镜中，所述的扩束镜将进入其内的光束直径放大20倍后再成45度入射到所述的第三反射镜中，所述的第三反射镜将光束入射到所述的准直透镜中，所述的准直透镜将摄入其内的光束调整为平行光束后成45度摄入所述的半反半透镜中，所述的半反半透镜将入射到其内的光束一方面反射到所述的光学PUF样品的背面，一方面透射出去被所述的第一CCD相机捕获，入射到所述的光学PUF样品上的光束通过所述的光学PUF样品上的正面后形成光学散斑，该光学散斑被所述的第二CCD相机捕获并拍摄得到光学散斑图，所述的图像处理装置对接收到的光学散斑图进行处理，得到光学PUF。
2.根据权利要求1所述的一种用于防伪标签的光学散斑PUF***，其特征在于所述的光学PUF样本的材料为长为76.2mm，宽为25.4mm，厚度为1.0-1.2mm的干净无尘透明的载玻片或者边长为22mm，厚度为0.13-0.17mm的干净无尘透明的盖玻片。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于防伪标签的光学散斑PUF***，其特征在于所述的光学PUF样本的制备过程为：
A.将基材清洁干净后置于一平台上；
B.采用自动喷漆设备在距离基材正面20cm高度处对基材正面喷射粒径为20～60μm的丙烯酸涂料液滴，丙烯酸涂料液滴在基材正面形成多个随机分布的黑色斑点；
C.放在无尘室中静置5-6分钟得到光学PUF样本。
4.根据权利要求1所述的一种用于防伪标签的光学散斑PUF***，其特征在于所述的图像处理装置对接收到的光学散斑图像进行处理，得到光学PUF的具体过程为：
(1)从接收的光学散斑图中随机选取一幅，将选取的光学散斑图的像素记为N×M，其中，N为第二CCD相机的横向像素数，M为第二CCD相机的纵向像素数；
(2)对选取的光学散斑图进行灰度化处理，得到N行×M列像素的灰度图，并获取灰度图中每个像素对应的灰度值；
(3)对得到的N×M像素的灰度图进行二值化处理，具体步骤如下：
Ⅰ.新建一个能够存放N行×M列数据的二维数组；
Ⅱ.设定一个中间变量a，将a初始化为大于等于0且小于等于255的一个整数；
Ⅲ.将灰度图中第j行第k列的像素对应的灰度值与a的当前值进行比较，如果该灰度值小于a，则将0存放到二维数组的第j行第k列，如果该灰度值大于等于a，则将1存放到二维数组的第j行第k列，j＝1,2，…，N，k＝1,2，…，M；
Ⅳ.计算二值化数组存放的N*M个数的平均值，将该平均值记为b，*为乘运算符号，对b进行判定：
如果b大于等于0.48且小于等于0.52，则将当前得到的二维数组作为二值化数组，进入步骤(4)；
如果b不属于0.48-0.52范围内的数，则对先a的值进行更新，将a更新后的值作为a的当前值，重复步骤Ⅲ和Ⅳ，直至b大于等于0.48且小于等于0.52，将最后得到的二维数组作为二值化数组，进入步骤(4)，其中a的具体更新过程为：当b小于0.48，且b与0.48之间的差值不大于0.1时，采用a的当前值减去c的值对a的取值进行更新，c为小于等于10的整数，当b小于0.48，且b与0.48之间的差值大于0.1时，采用a的当前值加上d的值对a的取值进行更新，d为小于等于10的整数，当b大于0.52，且b与0.52之间的差值不大于0.1时，采用a的当前值减去e的值对a的取值进行更新，e为大于10的整数，当b大于0.52，且b与0.52之间的差值大于0.1时，采用a的当前值加上f的值对a的取值进行更新，f为大于10的整数；
(4)新建一个用于存放1行×N*M列数据的一维数组，对该一维数组进行赋值：将二值化数组的第1行第1列的数存放到该一维数组的第1行第1列，二值化数组的第1行第2列的数存放到该一维数组的第1行第2列，以此类推，直到将二值化数组的第N行第M列的数存放到该一维数组的第1行第N*M列，将得到的一维数组记为B；
(5)对一维数组B进行冯诺依曼处理，具体步骤如下：
a.判断N*M是否为偶数，如果N*M不是偶数，则在该一维数组B中增加一列作为一维数组B的第1行第N*M+1列，并将1存放在该处，如果N*M是偶数，则不作处理，将一维数组B的当前列数记为M1；
b.新建一个用于存放冯诺依曼处理数据的一维数组，将其记为Q，设定一个中间变量p，将1赋值给p；
c.采用一维数组B的第1行第2p-1列的数和第1行2p列的数组成两位二进制数，一维数组B的第1行第2p-1列的数为该两位二进制数的高位，一维数组B的第1行第2p列的数为该两位二进制数的低位，如果该两位二进制数为10，则在一维数组Q的从左向右第一个空位处存入0，如果该两位二进制数为01，则在一维数组Q从左向右第一个空位处存入1，如果该两位二进制数为为11或者00，则不对一维数组Q进行处理；
d.判定p是否等于N*M1/2，如果不等于，则采用p的当前值加1后的值更新p，然后返回步骤c，如果等于，则一维数组Q数据存放完成，将当前的一维数组Q作为第一次冯诺依曼处理数组，将第一次冯诺依曼处理数组的列数记为M2；
(6)采用步骤(5)相同的方法对第一次冯诺依曼处理数组进行冯诺依曼处理，得到第二次冯诺依曼处理数组；
(7)将第二次冯诺依曼处理数组放入NIST测试软件测试，若测试项的P-value值全都大于显著性水平0.01，而且Block Frequency此项数据大于0.5，则表示第二次冯诺依曼处理数组通过NIST测试，满足随机数的条件，否则不能通过NIST测试，此时再随机选取一幅未被选取过的光学散斑图，返回步骤(2)重新进行处理，直至得到满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组，将满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组的列数记为M3；
(8)对满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组进行重组，具体步骤如下：
S1.判断M3能否表示为某个整数的平方，如果能，则对满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组不做处理，如果不能，则增加满足随机数条件的第二次冯诺依曼处理数组的列数，使其列数能表示为某个整数的平方，且增加的列数为满足条件的最少列数，在增加的列数处从左往右按照010101……的规则存放数据，将当前的第二次冯诺依曼处理数的列数开根号得到的数记为I；
S2.新建一个用于存放I行xI列的二维数组F，将步骤S1中最后得到的第二次冯诺依曼处理数组的第1行第1列的数存放到二维数组F的第1行第1列，第1行第2列的数存放到二维数组F的第1行第2列，第1行第I+1列的数存放到二维数组F的第2行第1列，以此类推，直至将第1行第I*I列的数存放到二维数组F的第I行第I列，将此时的二维数组F作为散斑数组；
(9)新建一个用于存放I行×I列像素的散点图，对该散点图进行填充：如果散斑数组的第h行第w列的数为1，则将散点图的第h行第w列的像素处用黑色填充，如果为0，则用白色填充，h＝1,2，…，I，w＝1,2，…，I；
(10)填充后得到的散点图即为光学PUF。
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