CN1745387A - 物体光学鉴别和标识的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方法，其在于在特定的照明条件下，用相干光照明控制物体量的至少部分散射表面，记录得到的散斑，用于照明参数的不同名义值，并且在所述名义值附近的值的范围内，然后，在相同的名义条件下照明所述物体，并且每次将获得的散斑与已经记录并保留在物体上的图形比较，如果它们的散斑相应于记录图形之一，确认另外的物体或那些相同的物体。

Description

物体光学鉴别和标识的方法及其装

本发明是关于物体光学鉴别和标识的方法和用于实现该方法的装置。

为了鉴别物体，有可能结合难以复制或伪造的标识，诸如全息标签，要不然，例如，有可能以特殊的方式构成其载体材料，再要不然，有可能在材料中包括一部分物体只能借助特定设备通过物理观测来检测的物体颗粒或成分。

专利GB2 221 870公开了鉴别物体的方法，其是基于通过这些物体上浮雕结构、或者通过两种不同折射率材料的叠和、或者通过结合在其中并在其层之一的一定体积中产生分散射的目标物体的反向散射的“散斑(speckle)”的观测。

而且，为了鉴别钞票，已经提出和使用直接利用它们的载体任意结构，其结构在非相干光条件下观测，并且与基于用公共关键码编码规则编码图像的电子签名有关。

上面引用的鉴别方法需要改变被鉴别的物体，这并总是可能(艺术作品，易损物体等)或只对某些种类的物体可用(钞票等)。

本发明的主题是鉴别和/或标识物体的方法，其不需要改变这些物体，提供它门的明确鉴别，容易鉴别伪造的物体，并且容易实现。

本发明的主题是容易生产和使用的鉴别和/或标识物体的装置，其容于适用各种物体并且尽可能便宜。

根据本发明的方法在于在特定的照明条件下，用大量的相干光照明参照物体的至少部分散射表面，记录散斑，从而获得照明参数的不同名义值以及在这些名义值附近范围内的值，然后，在确认另外的物体或相同的物体中在相同的名义条件下照明这些物体，并且每次将用这些记录的图形与获得的散斑比较，并且如果它们的散斑相应于记录图形之一，保留该物体。

根据本发明的装置包括带有激光源的光学记录装置，存储装置和带有激光源的光学读取装置，这些光学装置的参数可改变。

根据本发明的特征，光学装置的可改变参数至少是下列参数之一：激光源的波长，激光束的发射方向，激光束的聚焦，激光源的位置，物体相对激光束的倾角和位置。

通过非限定性的实例和附图的图示，阅读几个实施例的详细描述将更加理解本发明，其中：

图1和图2是根据本发明的鉴别和标识装置的光学读取装置的两个不同实施例的部件图；

图3是根据本发明的鉴别和标识装置的光学记录装置的实施例的方框图；

图4是根据本发明的方法，根据记录的散斑用于构成参照的图像光谱范围的简图；

图5是根据本发明的光学装置的实施例简化部件图，其用于通过电子全息图记录的参照。

本发明涉及用相同的记录和读取装置鉴别和标识物体。因此，为了简单起见，仅涉及鉴别，应该理解，相同的设备和方法应用于标识。

如果应用已知的方法在物体的表面形成散斑，物体诸如在不透明的物体或相位屏(phase screen)上，当遵循读取时的照明条件与记录时的照明条件大约相同时，将获得相同的图形。但是，这种物体的伪造是相当容易的，并能通过各种方法伪造(模压、光学复制等)。

为了确保非常好地保护，以防伪造，本发明提出照明在其体积中散射或部分散射的物体。从而使这些的复制非常困难。但是，散射光的结构对各个观测参数的变化变得更加灵敏。

因此，如果在检测期间使用的波长不同于记录时使用的波长，由于照明光源的激光二极管的自然散射，观测的图形完全不同于记录的图形。如果用于检测的装置(在此称为读取装置)与用于记录的装置相同，可以期望良好的再现性。另一方面，如果希望研制包括几个低成本阅读器的***，需要解决这个问题。散斑结构的复杂性和它各种观测参数的灵敏度取决于散射介质的特性：它的平均散射波长，它的吸收，数量和不均匀的几何特性。如果要保护的物体的设计在一方的控制内，有可能根据应用来选择弱3D介质(也就是说，该介质吸收强，散射弱)，或者相反地选择介质其发光波以无数散射经过复杂的路径，从而使决定复制或伪造的概率很低。还有可能改变出现散射的区域厚度。

本发明提出，通过读取***的结构，减少结果依赖的参数的数量。因此，倾角容差光学结构是有利的选择。为了减少不能完全控制的参数的影响，实现下列特性：

这些特性的第一个特征在于记录具有这些未被控制参数的各种值的散斑，例如，当相干照明光束的波长彼此不同时，记录物体的散斑用于读取时各种可能波长。这种方法要求复杂和昂贵的记录***，但是，记录操作是一次性的，或者用少量的记录***来证实，尽管记录器一般有许多并且便宜。但是，对于许多参数值可不记录散斑，因为给定物体的参照数据库迅速增加，并且在识别步骤期间性能产生变化。

这些特征的第二个特征在于读取阶段，考虑在允许值的范围内改变参数。因此，有可能通过改变阅读器激光二极管的电流值扫描小范围的波长。在本发明提出改变值的参数中，特别是：读取光束的聚焦、照明光源的位置、物体相对该光束的倾角。当然，这些参数的数量可以调整并且应该优选地使不同值的数量保持最小，因为阅读器的复杂性和读取操作的持续时间作为参数数量和它们各个值的函数迅速增加。

根据本发明的第二实施模式，通过对于通过证实从可允许值范围内随机抽取地给定参数(例如，在读取***相对物体的特定位置的情况下)中使***相互作用，观测到的信号是真正期望的。从而有可能选择希望的安全水平：用一个和相同的***，有可能促成迅速标识或鉴别，或通过成倍地增加确认检测的数量而保证安全。这些特性使本发明的方法可靠并更加难以篡改。

现在描述本发明的装置实施例，其用于应用于允许进入保护区的证章或票据的阅读器。当然，本发明不限于这种应用，可以进行需要标识或鉴别非常不同物体的许多其它应用(艺术作品、票据、钞票等)。

识别性能与在获取步骤期间收集的信息数量有关。这个信息数量I可以用关系式表示：

I＝Log(在后概率/在先概率)，在后概率是识别的物体正好是给定观测的那个的概率，在先概率是出现观测的概率。

为了最大化获得信息的量，需要：

1)为了在先概率尽可能地低，这通过尽可能多地选择照明像素数来，并且保证这些像素的亮度值尽可能地相互独立来获得(如果像素的尺寸实际小于散斑颗粒(speckle grain)的尺寸就不是这种情况)；

2)为了在后概率尽可能地大。这样，对于一个物体需要可再现的测量条件足够可再现以不会随着时间或者依照阅读器给出相差太多的结果。

应该理解，这两个限制在相反方向起作用。设计的***提供许多独立像素预示着***的再现性和物体的稳定性被很好地控制。实际上，如果一个人能够获得10 000独立像素，并且如果对各个这些像素进行阈值处理来限定两种可能状态，在适当的预处理后(明确地打算让它们独立)，在先概率是1/(2^10 000)，即，是e^-3000数量级，总的来说，理论上可能识别10^3 000不同的物体。实际上，不可能全利用这个性能，因为声称识别这些物体的每一个将预示其是获得的各个像素中的某一个，或在后概率等于1。事实不是这种情况，因为访问的模拟信息完全取决于观测条件，和因为必须提供适于获取的比较程序和确定域值。

本发明的比较程序考虑获得物表现为图像形式的性质。比较图像的传统程序是原始图像的相关性或意图规范化原始图像的预处理产生的相关性。相关性是图像的全面比较，如果最大相关性大于给定域值，确定两个图像相同。域值的选择明显影响在先概率：如果以长度为1000比特的二进制信号工作，和如果域值固定在0.5，在先概率从10^-301到10^-58。实际上，出于可靠的原因，经常需要将判断域值基本上固定在较低的值，也就是说，容许较大的误差百分比。但是，例如1000比特长的信号，具有固定在0.1的域值的相关性产生10^-3的在先概率。从而可以看出这些方法，从包括大约10000独立像素的图像开始是合理的。降低性能的另一个因素是图像的位置没有正确限定。从而不仅要考虑“中心”相关结果，而且要考虑相应于给定托架内图像转换的相关结果。

参照图1描述根据本发明的阅读器的第一实施例。这个阅读器1包括激光源2，例如单模激光二极管，点光源2a之后为透镜3，在图像聚焦4处形成点光源2a的图像。焦距4与短焦距(例如4mm)的第二透镜5的物方焦点重合，透镜5的光轴垂直于透镜3的光轴。透镜5的像方焦点与要检查的物体6的表面重合。透镜5是紧跟着光圈(diaphragm)7。焦点4在偏振分光立方棱镜8的倾斜分光面上。检测器9垂直于透镜5的光轴设置在相对立方棱镜8与物体6的相反侧。

在这个装置1中，透镜3在透镜5的物方焦点处形成光源点2a的图像。因此，照明物体6的光束10被准直，其横截面由光圈7确定。透镜5在检测器9上形成物体6的照明区的图像。另一方面，立方棱镜8朝物体6反射偏振的照明光束，其在相反方向只允许垂直于第一偏振的偏振光束通过(不反射它)。因此，物体6的镜向反射消除并大大地降低。

选择读取***1的数值孔径和光学放大率的值，这样散斑颗粒的尺寸大于检测器9像素尺寸，从而避免影响识别质量的混淆现象。通过实例，它有可能作用在500μm×500μm级的物体场。如果检测器9的有用表面面积为5mm×5mm，光学放大率可以是10倍。如果检测器9包括256×256像素矩阵，有可能仅正确地取样10.e4的散斑颗粒。读取***的分辨率在物面有意地限制为5μm，例如，借助光圈7将数值孔径限制为0.1。

阅读器1还包括物体6的精确定位装置(没有示出)和使其有可能将观察到的数字图像与期望(记录)要验证的图像相比较的计算装置(没有示出)。有利地，***1还包括读取物体6的表面或内部包含的信息(磁轨、电子芯片、光存储区、条形码等)的装置(没有示出)。

图2表示本发明读取***光学装置的另一实施例10。在这个图中，与图1相同的元件用相同的附图标记。与图1所示装置的主要差别是透镜3和5的光轴重合，这两个透镜设置在物体6和检测器9之间的发光立方棱镜8的两侧。激光源2直接照明立方棱镜8的倾斜面，倾斜面位于透镜3的物方焦点(考虑到激光束在立方棱镜8的倾斜面的反射)。

参照图3，描述根据本发明的记录***的实施例。按通常的方式，记录***类似于读取***。它们之间的差别主要在于当记录时使它与读取***彼此不同的关键参数有可能改变的装置，(这些读取***通常是芯片，因为它们成批产生，从而它们的特性在***之间彼此不同)。特别是，这些关键参数是激光源的波长、焦距、被检测的物***置。这个一次性的，或小批生产的记录***应该比读取***有更高的质量。它用于记录要考虑和改变的关键参数的组合一样多的参照散斑图像。整套散斑形构成允许连续的鉴别或标识的参照数据库。

在图3中，与图1和图2相同的元件用表注相同的附图标记。图3的装置11包括与图2相同的光学成像装置，即，透镜3和5具有重合的光轴并设置在分光立方棱镜8的两侧。激光源2设置在透镜3的物方焦点。光圈7紧跟透镜3的后面(在激光源的光束朝外方向)。物体6a(其需要证实是否实际上是可信的，也就是说，物体6本身用于产生数据库)以与物体6的相同方式放置。而且，如图3所示的是致动器12用于非常精确地改变(例如，几微米或几十微米)激光束在物体6a上的焦距，例如，通过改变透镜3的位置。还有可能改变光圈7的孔径。当然，其它的方式(没有示出)有可能改变记录***的其它关键参数(激光波长等，如上所述)。

在数据库中记录的图像可以是由记录***的记录器提供的原始图像。但是，本发明提供预处理图像，优选为压缩形式，特别是，当数据库必须包括许多图像时。预处理可以用许多方式来证实。由于图像的傅里叶变换(例如，通过FFT获得)非常适于通过读取识别，其是本发明优选的预处理程序之一。为了使获得的参照图像标准化，其按系数划分，也就是说，仅保留其相位信息，这意味着在图像的光谱中进行“白化”操作。而且，为了仅保存信息的可再现部分，相应于低空间频率的值被去除，这些包括与物体相关(平均反射率)和涉及照明(为了避免照明光束的不均匀性)的项，其还包括光谱混淆现象的残余物。还去除信噪比较低的相应于高空间频率的值。保留的值用尽可能低的比特数来编码，但是，不会太多地降低识别概率。根据寻求的安全水平和根据数据库的理想最大值，需要寻找在用于每次参照的保留值的数和参照动态范围之间折衷。在图4中所示的是用于构建参照数据库的示例性光谱域。在这个图4中，坐标轴在X轴和Y轴标上刻度作为散斑空间频率的标准化值。限定用于低于一半标准空间频率的的轮廓13包括图像的整个空间频率，和划界封闭的表面14(阴影)，其中画出包含在表面14内采用的示例性光谱域15(阴影线)。

在本发明的框架内可以进行其它图像转换，其导致减小数据库的大小，同时减少信息的损失，例如，微波变换或余弦变换。如在传统的图像压缩程序中，仅从最重要中间保留一定数量的转换系数。给出这些图像相当均匀的光谱，其与自然图像有很大不同，如上述方法所述，事先可以选择要保留的成分，并且在图像编码和压缩时与传统做法相反。

本发明的方法以下列局部鉴别的方式进行。读出***处理公共密匙，其允许其读出和译码在卡上的散斑图像标记。在预处理打算隔开的图像有用区之后，在观测到的光学标记和存储在卡中的标记之间作比较。这种比较根据传统上称为“图形匹配”的程序进行，例如，通过在观测的图像和参照图像之间的相关性，如上所述。给出相关的已知特性，如果参照图像以光谱成分形式存储，如上所述，比较操作基本包括进行观测图像的傅里叶变换和计算那些参照光谱成分保留的次数。然后，操作的结果与域值比较，对鉴别作出决定。

根据本发明可替换形式的方法，优选借助几个权衡结果的混合标准来作出鉴别，例如：

相关峰顶的振幅和预定域值之间偏离的对数，

相关峰顶的当前位置和正常位置之间的距离，

在几次连续测量中的这些数据的变化。

相关峰顶的位置确定要求图像和参照图像结果的反傅里叶变换，就计算能力来说更贵。另一方面，这些各种数据的结合使得在作出决定之前，使用有可能避免假警报和评估测量的可能。如果比较失败，在改变参数之后(例如激光源的波长)阅读器能够重新开始操作。

根据本发明的鉴别方法的变化包括影响鉴别的地点远离阅读器，例如在连接各种阅读器和记录器的服务器位置。使用在记录步骤期间记录的数据证实鉴别步骤。根据这个变量，提供散斑图像的光学标记和物体的参照，以及阅读器的参数。服务器在用阅读器读取的光学图像和相应于服务器提供的参数的物体的参照图像之间进行比较。

有利地，本发明提供周期性进行或一次使用阅读器，要求鉴别的各种参数的校准，特别是关键参数。这些校准借助于校准物体的一个或多个散斑图像。作为变量，校准物体可以是读取***的载体。适用的阅读器的参数本地确定或通过与其相连的服务器确定。

根据本发明方法的另一方面，基于阅读器的询问进行鉴别。在这种情况下，询问中的阅读器包括聚焦镜头(上述实施例的镜头5)，镜头5安装在致动器上，致动器允许沿垂直于透镜光轴平面的一个或两个方向位移。有利地，这些致动器可以自动和精确地调整聚焦。物体观测区的散斑图像形成于检测器(检测器9)的二维传感器上。然后，以下列方式进行鉴别过程。

观测的物体，例如进入保护位置的卡，依靠合适的机械导向装置，预定位于光学阅读器的下面。在由卡带来或卡的载体提供的辨别数据的同时，散斑图像传输到确认装置。确认装置将相应于物体参照的图像(存储在确认装置或从数据库传输)与接收到的散斑图像相比较。如果物体真正是宣称的物体，比较的结果是正的。如果基于相关性比较，物体相对传感器的位置数据提供给确认装置。这些数据构成在传感器下的物体定位误差测量。它们可以提供物体定位装置，从而有可能进行物体的位置校正。在这种情况下，在该定位校正之后进行的第二测量应该提高识别质量并实际允许物体的某些鉴别。

如果第二测量提供的结果与第一次的不一致(例如，如果发现的新位置误差不是接近于零或如果结果不是适当提高的)，很有可能检测的物体不是真的。

为了提高鉴别方法的可靠性。有可能“询问”阅读器。根据上述的步骤确定的“零”位置，阅读器可以在随机从确定的系列值中绘出坐标的点询问本身的位置。然后，阅读器必须能提供相应于在数据库中记录的散斑图像，以用于这些观测坐标和这个物体。从而错误的接受概率基本上变小。相反，可以进行该相同的过程，以在第一可疑识别结果中确认接受的物体。测定的坐标可以是垂直于聚焦透镜(透镜5)光轴的平面的坐标或沿这个光轴的坐标(也就是说，根据所述致动器的自由度数目，平行于其本身的聚焦平面的转换)。

这种证实鉴别的方式具有几个优点。首先是***更容许定位误差或物体的变形。第二是在物体更大范围内作比较，从而使其更难复制，并且维护***以防物体局部变坏的操作问题(其可与频繁操作物体一起产生，如可以是擦伤、刺破等)。第三是阅读器能够响应***无法预料的要求(***随时绘出要观测物体的坐标点)，利用响应其用处的硬件或软件装置，使得读取装置的盗版更复杂。在这种情况下，盗版必须存取表面上的所有数据或物体的激活量。

作为本发明的方法的变化，聚焦装置可以使用聚焦到被检测物体的表面的辅助光束。在这种情况下，聚焦误差检测器可以是已知的型号，诸如经常用于光盘读取头的散光传感器。但是，可以简化以直接观测用于鉴别物体的散斑信号。可能的方法包括将物体放在其最可能聚焦的位置，与期望的散斑图像进行比较，然后，稍微改变这个位置。比较接过的变化使它有可能评价形成物镜位置的校正，以便提高结果质量，并且从而更接近最佳聚焦位置，这类似于梯度程序。

在前文中，光学装置被认为是这样设计，即以在检测器上产生物体有用区的图像。如果检测器不在光学装置的像面上，这个装置可以作为变量操作。检测器可以在与光学装置光瞳平面共轭的平面上，该平面是照明物体的傅里叶平面。在这种情况下，遵循香农(Shannon)取样条件的散斑的空间滤光可以通过限制在物体上照明散斑的尺寸，或通过将光圈应用到中间图像平面获得。可以发现在“中间”平面(在图像平面和傅里叶平面之间)传感器布置可以表示在涉及散斑颗粒的尺寸适应检测器的空间分辨率的***设计中更好的折衷。

如上所述，物体的照明考虑均匀和准直。本发明的***甚至在不遵循这些条件的情况下也工作。

在图5中表示根据本发明的记录装置的简图，其中通过电子全息的方法进行记录。在这个装置16中，激光源17放在准直透镜18的物方焦点处，准直透镜18紧跟着是分光立方棱镜19，分光立方棱镜19的半透半反倾斜面面对照明。从透镜18发射的部分平行光束透过这个倾斜面并垂直到达用压电致动器移动的反射镜20。反射镜20反射的光束到达立方棱镜19的倾斜面，光束从立方棱镜19的倾斜面朝检测器21反射。从透镜18发射没有透过立方棱镜19的倾斜面的部分光束朝被检测物体22和光圈23反射。从透镜18发射并从检测器21返回的部分平行光束作为全息检测装置的参照光束。从而检测器21接收参照光束和物体22反向散射光束(其直接透过立方棱镜19)组合组成的照明。根据已知的技术，从而记录获得的几个条形图，由于反射镜20的致动器，每次改变参照光束的光程。根据使用的技术，记录相应于k.2π/3或k.π/2的光程长度变化的亮度的三个或四个图像。基于这些获得物，有可能抽取物体散射的复杂场。那么，有可能应用已知的成像公式定律，计算相应于用传统光学装置观测的图像亮度，传统的光学装置包括设置在明确位置的简单透镜和亮度检测器，诸如CCD。

这种方法的好处在于其记录物体的全息图，从而使它有可能重新计算图像，诸如用观测装置可以看到与正常特性稍有不同的特性。但是，如果物体的照明介质是高散射的，仍然需要记录相应于观测的各种可能波长的全息图，因为光束的路径是多路的，反向散射场不依赖于观测波长的简单方式。

Claims (20)

1.一种光学鉴别和标识物体的方法，其特征在于：其在于在特定的照明条件下，用大量的相干光照明参照物体的至少部分散射表面，记录散斑，从而获得照明参数的不同名义值，并且还在这些名义值附近的值的范围内，然后，在相同的名义条件下照明这些物体，并且每次将用这些记录的图形获得的散斑与保留在物体上的图形比较，如果它们的散斑相应于已记录图形之一，确认另外的物体或相同的物体。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，参数至少是下列参数之一：物体的照明波长，在参照物体上焦距，照明源的位置，物体的方向。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在记录之前，散斑被预处理。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，预处理保换压缩所述图像。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，压缩包含至少进行下列操作之一：傅里叶变换、快速傅里叶变换、微波变换、余弦变换。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，仅保存其相位信息标准化所述图像。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，预处理也包含去除相应于低空间频率和高空间频率值的图像。

8.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，用相关性比较散斑.

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，基于至少下列结果之一的权衡标准，作出比较决定：

在相关峰顶的振幅和预定域值之间偏离的对数，

相关峰顶的当前位置和名义位置之间的距离，

在几次连续测量中这些数据的变化。

10.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，构成参照图形的数据库，并利用这些数据库进行鉴别或标识。

11.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，借助校准图像进行阅读器的校准，从而确定关键参数。

12.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过询问阅读器证实鉴别或标识。

13.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过全息图记录散斑。

14.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，阅读器的光学部分的特性是可调节的，并且校正物体的任何定位误差同时易于减小物体的测量误差。

15.如权利要求15所述的方法，其特征在于，已经确定的阅读器“零”位置，阅读器根据随机绘出的坐标定位，并且已获得的散斑图像与理论上应该获得的图像作比较。

16.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，除了散斑之外，记录识别物体其他性质的信息。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在物体表面或内部含有标识信息。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，至少通过下列载体之一承载标识信息：磁轨、电子芯片、光存储区、条形码等。

19.一种光学鉴别和标识物体的装置，其特征在于它包括：带有激光源(2，17)的光学记录装置，带有激光源(2)的存储装置和光学读取装置(1，10)，这些光学装置的参数可以改变。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，可改变的参数至少是下列参数之一：激光源的波长，激光束的发射方向，激光束的聚焦，激光源的位置，物体相对激光束的倾角和位置。

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