RU2151069C1 - Method for protection of securities against forgery - Google Patents

Abstract

FIELD: protection of securities against forgery. SUBSTANCE: the method consists in application on the surface or implantation in the volume of material of contrast substance forming an element of protection of securities representing a mark consisting of coding lines, strokes or points. Location of lines, strokes or points of the applied mark, its dimensions and quantity of the applied contrast substance are set by means of a code transformed to a wave signal with base B=2TΔF, where B-signal base, T-signal duration, ΔF-signal frequency band; the signal base is within 10⁴-10⁸ and more. The technical result is associated with the possibility of use of complex codes, providing for application of the mark by a super-low quantity of contrast substance, so that it becomes impossible to change the content of substance in separate elements of the mark with an accuracy required for reproduction. EFFECT: enhanced reliability. 3 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к средствам защиты ценных бумаг, таких, например, как документы, денежные банкноты и др. The invention relates to security measures for securities, such as, for example, documents, banknotes, etc.

Известен способ защиты документов от подделки, заключающийся в просвечивании ценных бумаг или документов световым лучом, регистрации значений физических параметров прошедшего излучения, промодулированного по интенсивности внутренней текстурой бумаги и формировании по результатам регистрации метки, наносимой на поверхность ценных бумаг или документов, при этом наносимую метку формируют в виде штрихового кода в соответствии с полученным цифровым кодом текстуры бумаги (пат. RU N 2043201 С1, кл. В 44 F 1/12, от 10.05.93). A known method of protecting documents from counterfeiting, which consists in screening securities or documents with a light beam, recording the values of the physical parameters of the transmitted radiation, modulated by the intensity of the internal texture of the paper, and forming, according to the results of registration, a mark applied to the surface of the securities or documents, and the applied mark is formed in the form of a bar code in accordance with the received digital code of the paper texture (US Pat. RU N 2043201 C1, CL 44 F 1/12, dated 05/10/93).

Недостатками указанного способа является высокая себестоимость и низкая технологичность процесса кодирования, связанные с необходимостью сканирования каждой отдельной ценной бумаги и нанесением в закодированном виде метки, содержащей информацию об электронном образе данного документа. The disadvantages of this method is the high cost and low manufacturability of the encoding process associated with the need to scan each individual security and applying in encoded form a label containing information about the electronic image of this document.

Задачей предложенного изобретения является снижение себестоимости и повышение технологичности процесса нанесения защитного кода без существенного ухудшения надежности защиты. Поставленная задача решается предлагаемым способом защиты документов от подделки, заключающемся в нанесении в процессе изготовления документа на его поверхность или имплантировании в объем материала контрастного вещества, образующего элемент защиты документа, представляющего собой метку, состоящую из кодирующих линий, штрихов или точек, размеры которых, местоположение и количество наносимого контрастного вещества задают посредством кода, преобразуемого при считывании в волновой сигнал с базой B = 2TΔF, = где B - база сигнала, T - длительность сигнала, ΔF - полоса частоты сигнала, причем база сигнала находится в диапазоне 10⁴-10⁸ и более, причем закон кодирования и размер базы сигнала выбираются эмитентом исходя из требуемой надежности защиты.The objective of the proposed invention is to reduce the cost and increase the manufacturability of the process of applying a security code without significantly compromising the reliability of protection. The problem is solved by the proposed method of protecting documents from counterfeiting, which consists in applying a contrast agent forming a document security element in the process of manufacturing a document onto its surface or implanting it into a document, which is a label consisting of coding lines, strokes or dots whose dimensions, location and the amount of contrast medium applied is set by means of a code that is converted when read into a wave signal with a base B = 2TΔF, = where B is the signal base, T is long signal strength, ΔF is the signal frequency band, and the signal base is in the range of 10 ⁴ -10 ⁸ or more, and the encoding law and the size of the signal base are selected by the issuer based on the required reliability of protection.

Кроме того, другим аспектом изобретения является то, что наносимая метка состоит из нескольких слоев, верхний из которых представляет собой произвольный рисунок, промежуточный выполнен прозрачной краской, а нижний представляет собой слой, несущий код метки. Также является целесообразным введение в код наносимой метки любой информации, например, даты изготовления документа, кода фабрики, номера станка и др., что также повышает надежность защиты. In addition, another aspect of the invention is that the applied mark consists of several layers, the upper of which is an arbitrary pattern, the intermediate is made of transparent paint, and the lower is a layer that carries the mark code. It is also advisable to introduce any information into the code of the applied mark, for example, the date of manufacture of the document, factory code, machine number, etc., which also increases the reliability of protection.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в возможности использования сложных кодов, которые в свою очередь позволяют наносить метку сверхмалым количеством контрастного вещества, при этом измерить содержание вещества в отдельных элементах метки с необходимой для воспроизведения (подделки) точностью становится невозможным вследствие неизбежных шумов измерений. Обнаружить и идентифицировать метку возможно только по совокупности ее элементов, зная код метки. Следует также отметить, что наличие шумов измерений, конечная разрешающая способность сканирующей аппаратуры и технологическая погрешность нанесения метки приводят к тому, что при попытке подделки взаимное расположение и геометрические размеры элементов копии метки будут отличаться от оригинала. Это отличие легко обнаруживается, если известен код метки. The technical result that can be obtained by using the invention consists in the possibility of using complex codes, which in turn allow labeling with an ultra-small amount of contrast medium, while it becomes impossible to measure the substance content in individual elements of the label with the accuracy necessary for reproduction (fake) due to inevitable measurement noise. It is possible to detect and identify a label only by the totality of its elements, knowing the label code. It should also be noted that the presence of measurement noise, the final resolution of the scanning equipment and the technological error of marking lead to the fact that when you try to fake the relative position and geometric dimensions of the elements of the copy mark will differ from the original. This difference is easily detected if the tag code is known.

Техническая сущность изобретения иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображена схема структуры метки, на фиг.2 - график плотности распределения величин q_ш и q_с+ш, на фиг. 3 - структурная схема прибора обнаружения метки, на фиг. 4 - структурная схема алгоритма обработки изображения метки, на фиг. 5 - структурная схема экспериментальной установки для считывания и определения наличия метки, на фиг. 6 и 7 показаны исходное изображение метки и изображение после компенсации неравномерности засветки соответственно, на фиг. 8 показано изображение метки при произвольном расположении считывающего прибора, на фиг.9 - изображение метки после преобразования координат.The technical essence of the invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of the structure of the label, FIG. 2 is a graph of the distribution density of q _w and q _{c + w} ; FIG. 3 is a block diagram of a tag detection device; FIG. 4 is a structural diagram of a tag image processing algorithm; FIG. 5 is a structural diagram of an experimental setup for reading and determining the presence of a tag; FIG. 6 and 7 show the original image of the mark and the image after compensating for uneven illumination, respectively, in FIG. Figure 8 shows the image of the mark at an arbitrary location of the reader, and Fig. 9 shows the image of the mark after coordinate conversion.

Ниже приведены примеры осуществления способа и необходимые пояснения, раскрывающие предложенный способ. Below are examples of the method and the necessary explanations that reveal the proposed method.

Метка представляет собой совокупность линий, штрихов или точек, содержащих контрастное вещество и нанесенных на поверхность документа в процессе печати или имплантированных в объем материала (бумаги). Размеры, местоположение элементов и количество контрастного вещества в них задаются специальным псевдослучайным кодом. Защитные свойства метки достигаются за счет использования сложных кодов с базой 10⁴ - 10⁸ и более, подобрать и повторить которые практически невозможно.A label is a collection of lines, strokes, or dots containing a contrast agent and applied to the surface of a document during printing or implanted in a volume of material (paper). The sizes, location of elements and the amount of contrast medium in them are set by a special pseudo-random code. The protective properties of the label are achieved through the use of complex codes with a base of 10 ⁴ - 10 ⁸ or more, which are almost impossible to select and repeat.

Повышение защитных свойств меток, наносимых печатным способом, достигается применением краски, прозрачной в видимом диапазоне для волн и имеющей высокий коэффициент отражения в дальней ИК-области. Погрешность измерения геометрических размеров элементов изображения в ИК-диапазоне увеличивается с увеличением длины волны вследствие явления дифракции, что затрудняет подделку метки. Improving the protective properties of labels applied by printing is achieved by using ink that is transparent in the visible range for waves and has a high reflectance in the far infrared region. The error in measuring the geometric dimensions of image elements in the infrared range increases with increasing wavelength due to diffraction, which makes it difficult to fake the mark.

Метка наносится любым способом печати (офсет, металлография, орловская, трафаретная, струйная печать и др.) краской со сверхнизким содержанием вещества, меняющего физические, химические или другие свойства материала. Изменения свойств должны быть настолько малы, чтобы измерить их в отдельном элементе было невозможно с достаточной для копирования точностью. Например, для нанесения метки можно использовать специальный пигмент, прозрачный в видимом диапазоне длин волн и отражающий (поглощающий) в других участках диапазона длин волн от дальнего ИК- до гамма-излучения. При печати метки офсетным способом двумя или несколькими печатными формами концентрация вещества в различных формах отличается столь незначительно, что обнаружить отличие концентрации без знания кода метки невозможно. Соотношение концентраций в различных формах также кодируется, что дополнительно повышает защищенность метки. Код может быть введен в печатный рисунок путем внесения небольших смещений (в пределах технологической погрешности печати) в элементы рисунка (точки растра). Внешне такой рисунок не отличается от исходного однако несет информацию о внесенном коде. Код не вводится в печатную продукцию, а для идентификации подлинности используются индивидуальные особенности печатного станка и печатных форм. При этом изображение определенного участка продукции сканируется, хранится в памяти прибора и используется в качестве эталона для идентификации. Для повышения степени защиты и механической стойкости поверх метки, напечатанной с использованием ИК-пигмента, может быть нанесен промежуточный слой ИК прозрачной краски и произвольный рисунок. Дополнительно в код метки может быть занесена любая информация, например дата печати, код фабрики, номер печатного станка и др. Пример структуры защитной метки приведен на фиг. 1. The label is applied by any printing method (offset, metallography, Oryol, screen, inkjet printing, etc.) with ink with an ultra-low content of a substance that changes the physical, chemical or other properties of the material. Changes in properties should be so small that it would be impossible to measure them in a single element with sufficient accuracy for copying. For example, for applying labels, you can use a special pigment, transparent in the visible wavelength range and reflecting (absorbing) in other parts of the wavelength range from far infrared to gamma radiation. When printing labels by offset in two or more printing forms, the concentration of the substance in different forms differs so little that it is impossible to detect the difference in concentration without knowing the code of the label. The ratio of concentrations in various forms is also encoded, which further enhances the security of the label. The code can be entered into the printed drawing by introducing small offsets (within the technological error of printing) into the elements of the drawing (raster points). Externally, such a picture does not differ from the original one, however, it carries information about the entered code. The code is not entered into the printed matter, but individual features of the printing press and printing forms are used to identify the authenticity. At the same time, the image of a certain section of the product is scanned, stored in the memory of the device and used as a reference for identification. To increase the degree of protection and mechanical resistance, an intermediate layer of IR transparent ink and an arbitrary pattern can be applied over the label printed using IR pigment. Additionally, any information, for example, date of printing, factory code, printing machine number, etc. can be entered in the label code. An example of the structure of the security label is shown in FIG. 1.

При считывании используется метод оптимального обнаружения сигналов, а именно: известно, что для случая полностью известного сигнала s(t) оптимальным с точки зрения максимизации соотношения сигнал/помеха и соответственно вероятности обнаружения сигнала является корреляционный алгоритм. Если па входе присутствует аддитивная смесь сигнала и шума со спектральной плотностью мощности No, y(t)=s(t)+n(t), то на выходе коррелятора получим:
Z(τ) = ∫s(t)•s(t-τ)dt+∫n(t)•s(t-τ)dt, (1)
где ∫s(t)•s(t-τ)dt - автокорреляционная функция сигнала s(t), достигающая максимума при τ = 0 и при этом численно равная энергии сигнала E;
∫n(t)•s(t-τ)dt - функция взаимной корреляции сигнала и шума, дисперсия которой равна σ² = N₀E/2.
Соотношение максимума автокорреляционной функции сигнала к среднеквадратическому отклонению (СКО) шума на выходе коррелятора равно
В качестве примера для нормального шума на фиг. 2 приведены плотности распределения величин q_ш - шума и q_с+ш - сигнала + шум на выходе коррелятора.When reading, the method of optimal signal detection is used, namely: it is known that for the case of the fully known signal s (t), the correlation algorithm is optimal from the point of view of maximizing the signal to noise ratio and, accordingly, the probability of detecting the signal. If at the input there is an additive mixture of signal and noise with power spectral density No, y (t) = s (t) + n (t), then at the output of the correlator we get:
Z (τ) = ∫s (t) • s (t-τ) dt + ∫n (t) • s (t-τ) dt, (1)
where ∫s (t) • s (t-τ) dt is the autocorrelation function of the signal s (t), reaching a maximum at τ = 0 and numerically equal to the signal energy E;
∫n (t) • s (t-τ) dt is the cross-correlation function of signal and noise, the dispersion of which is σ ² = N ₀ E / 2.
The ratio of the maximum of the autocorrelation function of the signal to the standard deviation (RMS) of the noise at the output of the correlator is
As an example, for normal noise in FIG. Figure 2 shows the distribution densities of q _w - noise and q _{c + w} - signal + noise at the output of the correlator.

Из фиг. 2 видно, что вероятности правильного обнаружения P_п.о. и ложных тревог P_л.т. зависят от величины H и значения порога обнаружения q_o. Указанные вероятности могут быть рассчитаны по формулам:

.From FIG. Figure 2 shows that the probabilities of correct detection of P _bp and false alarms P _lt depend on the value of H and the detection threshold q _o . The indicated probabilities can be calculated using the formulas:

.

В таблице 1 приведены расчетные значения P_п.о., и P_л.т. для различных значений соотношения энергии сигнала к спектральной плотности шума H^-2.Table 1 shows the calculated values of P _bp , and P _hp for different values of the ratio of signal energy to spectral noise density H ^-2 .

В задаче распознавания М равновероятных сигналов на фоне аддитивного нормального шума вероятность правильного обнаружения и вероятность ошибки рассчитываются по формулам:
P_п.о.=1-P_ош
P_oш = K(1-Ф(H((1-ρ)/2)^1/2), гдe:
ρ = E^-1 ∫ s_is_jdt - коэффициент корреляции сигналов S_i S_j.In the problem of recognizing M equally probable signals against the background of additive normal noise, the probability of correct detection and the probability of error are calculated by the formulas:
P _bp = 1-P _osh
Posh = K (1-Ф (H ((1-ρ) / 2) ^1/2 ), where:
ρ = E ^-1 ∫ s _i s _j dt is the correlation coefficient of signals S _i S _j .

Формула 5 дает верхнюю границу оценки вероятности ошибок, коэффициент K в этой формуле меняется от 1 до М-1 в зависимости от числа распознаваемых сигналов и свойств базиса эталонов. Минимальное значение вероятности ошибок достигается при использовании ортонормированного базиса, удовлетворяющего условию:
ρ = 0, при i≠j ρ = 1, при i=j.Formula 5 gives the upper bound for estimating the probability of errors, the coefficient K in this formula varies from 1 to M-1 depending on the number of recognized signals and the properties of the basis of the standards. The minimum error probability value is achieved using an orthonormal basis satisfying the condition:
ρ = 0, for i ≠ j ρ = 1, for i = j.

Эффективность работы коррелятора существенным образом зависит от свойств используемых сигналов. Выигрыш в отношении максимальной амплитуды сигнала к СКО шума на выходе коррелятора к отношению на входе равен:
W=(2B)^1/2,
где B = 2TΔF - база сигнала,
T-длительность сигнала,
ΔF - полоса частот сигнала.The effectiveness of the correlator substantially depends on the properties of the signals used. The gain in relation to the maximum signal amplitude to the standard deviation of noise at the output of the correlator to the ratio at the input is:
W = (2B) ^1/2 ,
where B = 2TΔF is the signal base,
T-signal duration
ΔF is the frequency band of the signal.

Для дискретного сигнала шаг дискретизации в соответствии с теоремой Котельникова равен 1/2ΔF, при этом B=n, где n - число отсчетов сигнала. For a discrete signal, the sampling step in accordance with the Kotelnikov theorem is 1/2 / F, with B = n, where n is the number of samples of the signal.

Таким образом, увеличивая базу сигнала, можно получить требуемые характеристики обнаружения при соотношении сигнал/шум на входе коррелятора много меньше 1. На этом и основаны защитные свойства метки. Для двухмерной дискретной метки база может быть оценена по формуле:
B=XY/dx dy,
где X,Y - геометрические размеры метки,
dx,dy - разрешающая способность по X и Y.Thus, increasing the signal base, it is possible to obtain the required detection characteristics when the signal-to-noise ratio at the input of the correlator is much less than 1. The protective properties of the label are based on this. For a two-dimensional discrete label, the base can be estimated by the formula:
B = XY / dx dy,
where X, Y are the geometric dimensions of the label,
dx, dy - resolution on X and Y.

Например, для метки размером 5 x 7 мм при разрешающей способности dx=dy= 0,05 мм В = 14000, что позволяет в соответствии с (2) обеспечить вероятность обнаружения метки 0,99 при соотношении сигнал/шум 0,042. For example, for a tag with a size of 5 x 7 mm with a resolution of dx = dy = 0.05 mm B = 14000, which allows, in accordance with (2), to provide a probability of detecting a tag of 0.99 with a signal to noise ratio of 0.042.

При формировании шумоподобных сигналов наибольшее распространение получил метод на основе линейных рекуррентных последовательностей. Линейной рекуррентной последовательностью называется последовательность элементов d₁, d₂, d₃...d_i, удовлетворяющая рекуррентному правилу:

Каждый из элементов d₁, d₂, d₃,...d_j может принимать любые значения из области чисел (0, 1, 2,... p_э-1), коэффициенты a₁ a₂,...a_i, также принадлежат к той же области чисел. Символ

означает суммирование по модулю p_э. Величина p_э есть простое число, являющееся основанием последовательности, m - "память" последовательности. Если у периодической последовательности с основанием p и памятью m используются все возможные сочетания из p по m, то последовательность имеет максимальный период, равный p^m-1.In the formation of noise-like signals, the method based on linear recurrence sequences was most widely used. A linear recurrence sequence is a sequence of elements d ₁ , d ₂ , d ₃ ... d _i , satisfying the recurrence rule:

Each of the elements d ₁ , d ₂ , d ₃ , ... d _j can take any values from the range of numbers (0, 1, 2, ... p _e -1), the coefficients a ₁ a ₂ , ... a _i also belong to the same region of numbers. Symbol

means summation modulo p _e . The value of p _e is a prime number that is the base of the sequence, m is the "memory" of the sequence. If a periodic sequence with base p and memory m uses all possible combinations of p over m, then the sequence has a maximum period equal to p ^m -1.

Для обнаружения и идентификации метки используется специальный прибор, в памяти которого хранится код метки, позволяющий уверенно ее обнаруживать корреляционным методом. Структурная схема прибора представлена на фиг. 3. To detect and identify the mark, a special device is used, in the memory of which the mark code is stored, which allows it to be confidently detected by the correlation method. The block diagram of the device is shown in FIG. 3.

Прибор состоит из считывающего устройства, преобразующего изображение метки в электрический сигнал, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), предназначенного для преобразования электрического сигнала в цифровой код, и процессора, реализующего алгоритм распознавания метки путем сравнения ее изображения с кодом, хранящимся в памяти прибора. The device consists of a reader that converts the image of the tag into an electrical signal, an analog-to-digital converter (ADC) designed to convert the electrical signal into a digital code, and a processor that implements the tag recognition algorithm by comparing its image with the code stored in the memory of the device.

Алгоритм распознавания метки, реализуемый процессором, показан на фиг. 4 и состоит из следующих основных операций:
- компенсации неравномерности засветки кадра изображения;
- поиска центра метки и положения границ геометрической фигуры, обрамляющей метку;
- поворота изображения метки и переноса центра метки;
- расчета коэффициента корреляции изображения метки и эталона;
- принятия решения о подлинности метки.The label recognition algorithm implemented by the processor is shown in FIG. 4 and consists of the following basic operations:
- compensation for uneven illumination of the image frame;
- search for the center of the mark and the position of the borders of the geometric figure surrounding the mark;
- rotation of the tag image and transfer of the center of the tag;
- calculation of the correlation coefficient of the image of the label and the standard;
- deciding on the authenticity of the label.

Экспериментальная проверка предлагаемого способа проводилась на лабораторной установке, схема которой приведена на фиг. 5. Установка состоит из телелупы прибора "Эксперт", с помощью которой производилась запись изображения метки в файл и PC-486 для обработки видеоданных. Разработано специальное программное обеспечение, реализующее алгоритм обработки изображений, представленный на фиг. 4. An experimental verification of the proposed method was carried out in a laboratory setup, a diagram of which is shown in FIG. 5. The installation consists of the “Expert” device teleporter, with the help of which the mark image was recorded in a file and PC-486 for processing video data. Special software has been developed that implements the image processing algorithm shown in FIG. 4.

Для проверки отпечатана метка на струйном принтере с разрешением 720 точек на дюйм. Метка имеет размеры 5x7 мм. To check, a mark is printed on an inkjet printer with a resolution of 720 dpi. The mark has dimensions 5x7 mm.

Метка скопирована на ксероксе, с копии снята еще одна копия. The label was copied on a copy machine, another copy was taken from the copy.

На фиг. 6 и 7 показаны изображения метки до и после компенсации неравномерности засветки кадра изображения соответственно. In FIG. Figures 6 and 7 show label images before and after compensating for uneven illumination of the image frame, respectively.

На фиг. 8 и 9 показаны изображения метки до и после поворота изображения метки и перенос центра метки соответственно. In FIG. Figures 8 and 9 show the tag images before and after the rotation of the tag image and the transfer of the center of the tag, respectively.

Для проверки записаны по ≈10 изображений исходной метки, отпечатанной на принтере, и ее ксероксных копий, записанных при различных углах метки. В таблице 2 приведены полученные коэффициенты корреляции, математическое ожидание и СКО. For verification, ≈10 images of the original label printed on the printer and its xerox copies recorded at different angles of the label were recorded. Table 2 shows the obtained correlation coefficients, expectation and standard deviation.

Из таблицы видно, что значение коэффициента корреляции с копией метки в 2-3 раза меньше, чем с оригиналом, что позволяет с высокой надежностью отличать подлинную метку от поддельной. The table shows that the value of the correlation coefficient with a copy of the tag is 2-3 times less than with the original, which makes it possible to distinguish a genuine tag from a fake tag with high reliability.

Claims (3)

1. Способ защиты ценных документов от подделки, заключающийся в нанесении на поверхность или имплантировании в объем материала контрастного вещества, образующего элемента защиты документа, представляющего собой метку, состоящую из кодирующих линий, штрихов или точек, отличающийся тем, что местоположение линий, штрихов или точек наносимой метки, ее размеры и количество наносимого контрастного вещества задают посредством кода, преобразуемого в волновой сигнал с базой B = 2TΔF, где B - база сигнала, T - длительность сигнала, ΔF - полоса частоты сигнала, причем база сигнала находится в диапазоне 10⁴ - 10⁸ и более.1. A method of protecting valuable documents from counterfeiting, which consists in applying to the surface or implanting in a volume of material a contrast agent that forms the security element of the document, which is a label consisting of coding lines, strokes or dots, characterized in that the location of the lines, strokes or dots of the applied mark, its size and amount of the applied contrast medium are set by means of a code converted into a wave signal with a base B = 2TΔF, where B is the signal base, T is the signal duration, ΔF is the s frequency band Nala, the process gain is in the range of 10 ⁴ - August ¹⁰ or more. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что наносимую метку составляют из нескольких слоев, верхний из которых представляет собой произвольный рисунок, промежуточный выполнен прозрачной краской и нижний - представляет собой слой, несущий код метки. 2. The method according to claim 1, characterized in that the applied mark is made up of several layers, the upper of which is an arbitrary pattern, the intermediate is made of transparent paint and the lower one is a layer that carries the mark code. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в код наносимой метки дополнительно вводят дату изготовления документа, код фабрики, номер станка и т.п. 3. The method according to claim 2, characterized in that the date of manufacture of the document, factory code, machine number, and the like are additionally entered in the marking code.

Images