Способ определения неплатежных банкнот, полученных склеиванием частей различных банкнот

Изобретение относится к способам проверки подлинности банкнот и предназначается для использования в машинах сортировки банкнот. Предлагаемый способ реализован в устройствах, обеспечивающих автоматизацию обработки банкнот в режиме реального времени, а именно для определения и сортировки неплатежных банкнот, полученных склеиванием частей различных банкнот.

Известен способ проверки подлинности банкнот, реализованный в машине сортировки банкнот БАРС [1]. Сущность этого способа заключается в том, что банкнота сканируется сканирующими устройствами для получения изображения в трех спектрах, полученные изображения передаются со сканирующих устройств в компьютер, в котором происходит сравнение полученных образов банкноты с эталонными и принимается решение о подлинности, достоинстве и ветхости банкноты в соответствии с компьютерной программой распознавания образов. Компьютерная программа распознавания образов является программным средством, позволяющим обучать компьютер распознавать предъявленные ему изображения и давать ответ на вопрос, в какой степени введенное изображение соответствует эталонному. Программа может определить полное соответствие изображений, частичное соответствие изображений, полное несоответствие изображений, соответствие и несоответствие отдельных фрагментов изображения. Стандартным средством для решения такого рода задачи является программа STARC [2].

Известны и другие способы определения подлинности банкнот, основанные на анализе признаков: наличие или отсутствие магнитной краски, магнитной ленты, металлической ленты. Однако все эти способы не позволяют определить банкноты, полученные склеиванием частей различных банкнот.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества сортировки банкнот в режиме реального времени за счет выявления банкнот, полученных склеиванием частей различных банкнот.

Указанная задача решается следующим образом.

Предлагается способ определения неплатежных банкнот, полученных склеиванием частей различных банкнот, заключающийся в том, что банкноту сканируют с обеих сторон сканирующими устройствами, полученное изображение передают в вычислительный блок, на который заранее устанавливают программное средство распознавания образов, проверяют соответствие расположения элементов изображения эталонному и в случае полного соответствия изображений каждой стороны банкноты эталонному банкнота признается платежной, в случае частичного соответствия - проверяется соответствие зон защиты банкноты, а при полном несоответствии - банкнота признается неплатежной, отличающийся тем, что в случае частичного соответствия расположения элементов изображения эталонному для каждой стороны банкноты с помощью программного средства распознавания образов осуществляют выделение контуров изображения металлографии для каждой стороны банкноты, после чего проверяют совпадение взаиморасположения и геометрических размеров элементов металлографии на каждой стороне банкноты эталону.

Способ отличается тем, что проверяют, являются ли выделенные контуры изображений металлографии замкнутыми и совпадают ли длины данных контуров с длинами контуров изображений металлографии соответствующих сторон эталонной банкноты, и если один из контуров данной банкноты не является замкнутым или длина хотя бы одного из контуров изображения металлографии не совпадает с длиной соответствующего контура эталонной банкноты, то данную банкноту признают неплатежной.

Способ отличается тем, что в качестве программного средства используют программу Оптического Распознавания Символов.

Способ отличается тем, что для каждой из сторон эталонной банкноты на контуре изображения металлографии выбирают точки, после чего находят аналоги этих точек на данной банкноте; в случае совпадения соответствующих сторон эталона и данной банкноты длины ломаных, вписанных в эти точки, банкноту признают платежной, в случае несовпадения - неплатежной.

Способ отличается тем, что для каждой стороны данной банкноты для области, ограниченной контуром изображения металлографии, находят ось симметрии и центр масс, после чего точки контура изображения металлографии рассматривают в прямоугольной системе координат с центром в центре масс и осью X, направленной вдоль оси симметрии, и рассматривают аналогичные системы координат для областей, ограниченных контурами изображений металлографии, каждой стороны эталона; затем для каждой стороны эталонной банкноты подбирают точки на контуре изображения металлографии и с помощью преобразований вышеупомянутых систем координат соответствующих сторон эталонной банкноты и данной банкноты эти точки переводят в точки контура изображения металлографии данной банкноты, после чего сравнивают длины ломаных, вписанных в эти точки; в случае если для соответствующих сторон эталонной и данной банкнот длины ломаных, вписанных в эти точки, совпадают, то данную банкноту признают платежной.

Способ отличается тем, что в тех же системах координат, описанных в предыдущем абзаце, для контуров изображения металлографии каждой стороны данной банкноты строят наименьший содержащий контур металлографии прямоугольник со сторонами, параллельными осям координат, затем для обеих сторон эталонного изображения аналогичным способом строят прямоугольники; при совпадении геометрических размеров прямоугольников для соответствующих сторон банкноту признают платежной, в случае несовпадения - неплатежной.

Способ отличается тем, что для каждой стороны данной банкноты строят выпуклую оболочку, сравнивают периметры выпуклых оболочек для каждой стороны данной банкноты с периметрами выпуклых оболочек контура; при совпадении периметров выпуклых оболочек для соответствующих сторон банкноту признают платежной, при несовпадении - неплатежной.

Способ отличается тем, что для каждой стороны банкноты контур изображения металлографии из системы координат данной банкноты (центр - центр масс, ось Х - ось симметрии) преобразуют в соответствующую систему координат эталона, после чего производят интерполяцию для аппроксимации контуров многочленами или другими семействами функций; если погрешность (максимум модуля разности функций) не превосходит некоторого наперед заданного порогового значения η, то банкноту признают платежной.

Способ отличается тем, что для каждой стороны банкноты аппроксимацию производят не для всего контура, а предварительно разбивают каждый из контуров на некоторое число соответствующих друг другу участков и аппроксимацию производят отдельно на каждом участке; если погрешность для каждой пары соответствующих участков не превосходит некоторого наперед заданного порогового значения η, то банкноту признают платежной.

Способ отличается тем, что в случае частичного соответствия расположения элементов изображения эталонному для каждой стороны банкноты с помощью программного средства распознавания образов осуществляют выделение контуров изображения металлографии для каждой стороны банкноты, после чего проверяют совпадение взаиморасположения и геометрических размеров элементов металлографии на каждой стороне банкноты эталонным, в случае соответствия принимают решение о подлинности банкноты, а в случае несоответствия принимают решение о неплатежности банкноты.

Банкноты печатают с разных матриц в несколько проходов, т.е. независимо друг от друга наносятся металлографические изображения, офсет и т.п. Известно, что допуск на смещение металлографии относительно офсета доходит до 1,5 мм, а неточность обрезки до 1 мм. Таким образом, смещение металлографии относительно краев банкноты может доходить до 3,5 мм. Кроме того, необходимо иметь в виду, что металлография на лицевой стороне и металлография на обратной стороне банкноты наносятся не за один проход (т.е. они также печатаются независимо друг от друга). Следовательно, расположение металлографии и других изображений, наносимых на банкноту, относительно друг друга на разных банкнотах различается. Единственное, что можно достоверно утверждать, что на платежных банкнотах положение различных частей металлографии одной стороны относительно друг друга неизменно, т.е. на разных банкнотах одного и того же достоинства изображения металлографии должны точно совпадать.

При склеивании частей различных банкнот стараются подобрать точное совпадение металлографии по одной стороне, однако, даже если это и удастся сделать, какие-нибудь части металлографии обратной стороны сместятся относительно друг друга. Это происходит потому, что, как уже говорилось выше, металлография на разные стороны банкноты наносится независимо и вследствие этого практически не существует различных банкнот изображения металлографии, на которых можно совместить одновременно с обеих сторон.

Таким образом, чтобы определить является ли банкнота склеенной из частей разных банкнот, достаточно сравнить между собой рисунки металлографии банкноты с обеих сторон с соответствующими рисунками на эталоне.

Для этой цели, в частности, используется программа оптического распознавания символов (ОРС). С помощью этой программы можно производить распознавание отдельных символов, нанесенных на банкноту (буквы, цифры и т.п.) в трех спектрах (видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом). В частности, с помощью программы ОРС можно считывать серийный номер банкноты. Последнее обстоятельство имеет значение для проверки, является ли банкнота склеенной из частей различных банкнот. Дело в том, что, как правило, для повышения защищенности серийный номер банкноты наноситься на более чем одном месте. При этом различные изображения серийного номера могут быть нанесены таким образом, что их нельзя распознать в одном и том же спектре. При обработке программой ОРС можно распознать все нанесенные на банкноту изображения серийного номера в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом спектре. Ясно, что в случае несовпадения какой-либо пары серийных номеров банкноты данная банкнота является фальшивой. Такая ситуация может возникнуть в случае, если банкнота была склеена из частей различных банкнот. Из вышеизложенного ясно, что если при компьютерной обработке изображения банкноты с использованием программы ОРС возникнет подобная ситуация, то сортирующая машина совершенно правильно определит, что данная банкнота является фальшивой.

Способность программы ОРС считывать изображение серийного номера может оказаться полезным при обработке банкнот, на которые в соответствии с технологией их изготовления наносится один серийный номер. Дело в том, что существуют базы данных, содержащие серийные номера фальшивых банкнот. Понятно, что если окажется, что серийный номер обрабатываемой банкноты совпадает с серийным номером из базы данных фальшивых банкнот, то банкнота является фальшивой. В этом случае применение программы ОРС также является полезным. Конечно, сверку номеров можно осуществлять не только для банкнот, на которых серийный номер нанесен только в одном месте, но и для банкнот, на которые он нанесен в более чем одном месте.

Хотя очевидно, что приведенные выше способы анализа изображения банкнот помогают повысить вероятность распознавания фальшивых банкнот и, в частности, банкнот, склеенных из частей различных банкнот, но они могут оказаться полезными не во всех ситуациях. Дело в том, что не для всех банкнот можно определить серийные номера. Причины этого могут быть различными. Например, серийный номер на банкноте только один или какие-нибудь из серийных номеров напечатаны мелко для распознавания программой ОСР. Кроме того, изготовитель неплатежной банкноты может сохранить серийные номера.

Поскольку, как уже указывалось, задачей настоящего изобретения является повышение качества распознавания банкнот, полученных склеиванием различных банкнот, то естественно, что необходимо применять способы обработки тех банкнот, для которых распознавание серийных номеров не дает результатов.

В этом случае проверяется соответствие изображения металлографии данной банкноты изображению металлографии эталона (подлинной банкноты того же достоинства; изображение эталона хранится в памяти компьютера в удобном для обработки виде).

В дальнейшем мы будем при рассмотрении какой-либо характеристики изображения банкноты сравнивать ее с соответствующей характеристикой эталона и при обозначении этой характеристики для эталона будем добавлять префикс et. При этом будет предполагаться, что все характеристики эталона, которые используются, уже вычислены заранее и хранятся в удобном для обработки компьютером виде.

Первый шаг алгоритма состоит в выделении точек изображения, которые описывают контур изображения металлографии. Чтобы выделить эти точки естественно воспользоваться следующим фактом: при переходе через края изображения имеют место перепады яркости.

Для обнаружения точек изображения, в которых имеются перепады яркости, рассматриваются группы элементов изображения размером 2×2, при этом, чтобы сократить объем обрабатываемой информации, учитывается информация о расположении краев изображения металлографии на эталонной банкноте и то, что смещение металлографии относительно краев банкноты не превышает 3,5 мм.

Для каждой группы вычисляются приближенные значения частных производных в центральной точке группы по формулам:

где ε - расстояние между центрами элементов группы.

Для каждой такой группы вычисляется приближенное значение квадрата градиента по формуле:

Если значение квадрата градиента равно нулю, то при переходе через центральную точку данной группы яркость остается неизменной, в противном случае в центральной точке группы имеет место перепад яркости. Выполняя аналогичные действия, мы можем выделить те точки изображения банкноты, в которых происходят перепады яркости.

Пусть А - множество таких точек. Хотя во всех точках, которые лежат на границах изображений, имеют место перепады яркости, это не означает, что все точки, в которых происходит перепад яркости, лежат на границе какого-нибудь изображения. Нам нужно выделить из множества точек А те точки, которые лежат на границе изображения металлографии.

Чтобы отделить лишние точки, мы используем информацию, которую имеем о контурах эталонного изображения, и тот факт, что смещение металлографии относительно краев банкноты не превосходит 3,5 мм. Используя эту информацию и учитывая расположение точек множества А, мы находим границу изображения металлографии на проверяемой банкноте.

Далее полученный контур (границу) изображения металлографии проверяемой банкноты будем обозначать Fr. Относительно этого контура изображение металлографии банкноты распадается на две области: внутреннюю Int и внешнюю Ext. Соответствующие характеристики для эталона в соответствии с нашими договоренностями будут обозначаться et_Fr, et_Int и et_Ext.

Для изображения банкноты определим следующую функцию от двух переменных:

Очевидно, что данная функция легко реализуется двумерным массивом. С помощью этой функции можно определить, является ли найденный контур замкнутым. Действительно, для этого достаточно проверить 8-окрестность каждой точки границы. Если для какой-то точки мы получим, что 8-окрестность содержит меньше двух точек (не считая данной точки), то контур не является замкнутым.

Применительно к нашей задаче это будет означать, что банкнота склеена из частей других банкнот. Более точно, при склеивании банкнот разошлись края изображений.

Однако и случай совпадения краев не обязательно означает, что банкнота не является склеенной из других. Для того чтобы это проверить, нужно посчитать периметр (длину) контура. Это можно сделать следующим образом. Зафиксируем некоторую начальную точку А на контуре. Побежим от не вдоль контура против часовой стрелки. В 8-окрестности каждой точки (кроме нее) имеется ровно две точки контура. Первая точка - точка, из которой мы пришли, а вторая точка - следующая точка, т.е. точка, в которую мы перемещаемся. Длина вычисляется следующим образом. Пусть В - точка, которую на данный момент мы посетили последней. Нам известна длина l дуги контура АВ (против часовой стрелки). Пусть С - следующая за В точка контура. Если точка С располагается относительно В по горизонтали или вертикали, то длину дуги АС считаем равной l+1, если же С располагается относительно В по диагонали, то длину дуги АС считаем равной l+√2. Когда мы вернемся в точку А, то получим длину контура. Необходимо сделать следующее замечание. При вычислении периметра текущую длину лучше хранить парой чисел (а, b), где а фактически означает суммарное число горизонтальных и вертикальных шагов, a b - общее число шагов по диагонали. При таком представлении длина легко вычисляется по формуле а+b√2, и не будет накапливаться погрешность вычислений.

Применительно к интересующей нас задаче отметим следующее: если длины контуров данной банкноты и эталонной не совпадают, то данная банкнота является склеенной из других, в противном случае она является цельной банкнотой.

Хотя приведенный способ определения является ли банкнота цельной, очевидно, корректен, для своей реализации он предъявляет очень высокие требования к алгоритмам распознавания краев изображений, чего порой не удается достичь на практике. В связи с этим имеет смысл использовать некоторые дополнительные тесты. (В том случае, если мы не установили, что банкнота не является цельной. Более точно, это может произойти, если мы не сумели выделить все точки контура.)

Например, можно выбрать s контрольных точек на поверхности контура и рассмотреть ломанную L с вершинами в этих точках. Аналогичное построение можно сделать для эталона и получить для него ломанную et_L. При этом, естественно, выбор точек ломанных должен выполняться непроизвольным образом. Выборку точек можно осуществлять, например, следующими способами:

1) подобрать на эталоне какие-то характерные точки (et_a₁,et_a₂,...,et_a_s), расположенные равномерно вдоль края, свойства которых в сравнительно небольших окрестностях отличаются от других точек края, затем найти аналоги этих точек (а₁, а₂,...,а_s) на проверяемой банкноте. Для каждой пары чисел i, j, где 1≤i, j≤s и i≠j сравнить расстояние между точками а_i и a_j с расстоянием между точками et_a_i и et_a_j. В случае если для каждого i, j, где 1≤i, j≤s и i≠j расстояния совпадут, то банкнота признается цельной;

2) для каждой банкноты можно найти центр масс и ось симметрии внутренних областей, ограниченных контуром изображения металлографии; рассмотрим для каждой банкноты соответствующую прямоугольную систему координат с центром в центре масс, осью X, направленной вдоль оси симметрии. Границы контуров переведем в соответствующие системы координат. Выбор точек осуществляется так: берем точки (et_a₁, et_a₂,...,et_a_s) на крае в эталоне и с помощью преобразований координат находим соответствующие точки (a₁, а₂,...,a_s) на проверяемой банкноте. Для каждой пары чисел i, j, где 1≤i, j≤s и i≠j сравнить расстояние между точками а_i и а_j с расстоянием между точками et_a_i и et_a_j. В случае если для каждого i, j, где 1≤i, j≤s и i≠j расстояния совпадут, то банкнота признается цельной.

В качестве других методов используется сравнение сравнительно легко вычислимых геометрических объектов, охватывающих (описывающих) края.

Простейший из этих способов следующий. С помощью введенной только что системы координат преобразуем систему координат, связанную с тестируемой банкнотой, в систему координат, связанную с эталоном. Рассмотрим для каждой банкноты прямоугольник, одна сторона которого параллельна оси абсцисс и проходит через точку края изображения металлографии с наименьшей ординатой, вторая - параллельна оси абсцисс и проходит через точку края металлографии с наибольшей ординатой, третья - параллельна оси ординат и проходит через точку края металлографии с наименьшей абсциссой, четвертая - параллельна оси ординат и проходит через точку края металлографии с наибольшей абсциссой. Сравниваем геометрические размеры этих прямоугольников и в случае их совпадения банкнота признается цельной. Очевидно, что несмотря на свою кажущуюся простоту этот метод довольно эффективен.

Применяется также метод построения выпуклой оболочки контура. Под выпуклой оболочкой контура понимается наименьший выпуклый многоугольник, такой, что каждая точка контура лежит либо внутри этого многоугольника, либо на одной из его сторон. Наиболее известные алгоритмы построения выпуклой оболочки можно найти в [2]. Необходимо заметить, что выпуклая оболочка инвариантна относительно системы координат. Вообще говоря, ее можно рассматривать не только как геометрическую фигуру, описывающую контур изображения металлографии, но и как ломаную с вершинами в точках контура. Сравнение геометрических размеров осуществляется аналогично тому, как это делается для ломаных. Необходимо заметить, что изучение линейной оболочки может служить довольно мощным инструментом. Во-первых, выпуклая оболочка содержит сравнительно небольшое количество точек изображения. Особенно большой выигрыш достигается для сильно изломанных изображений. Во-вторых, точки, которые расположены достаточно близко друг к другу, можно объединять в более крупные вершины и строить выпуклые оболочки на множестве этих более крупных вершин. Среди других преимуществ можно выделить то, что выпуклая оболочка достаточно устойчива к шумам. Особенно ярко проявляется это свойство, если в окрестностях точек выпуклой оболочки нет зашумленных объектов.

Конечно, строить прямоугольники и выпуклые оболочки можно не только для контура "в целом". Например, можно разбить оба из рассматриваемых нами контуров на k участков так, чтобы участки одного контура соответствовали участкам другого. Затем для каждой пары соответствующих участков выполнить, аналогично тому, как рассматривалось выше, построение прямоугольника и выпуклой оболочки, а затем для соответствующих участков сравнить геометрические размеры.

Возможны и другие методы. С помощью рассматриваемой выше системы координат (центр - центр масс, ось Х - ось симметрии) преобразуем систему координат, связанную с тестируемой банкнотой, в систему координат, связанную с эталоном. Далее будем обозначать через Cont(x, y) границу контура проверяемой банкноты, а через et_Cont(x, y) границу контура эталона. С помощью интерполяционных методов (например, обратного преобразования Фурье [2], [3]) можно аппроксимировать контуры многочленами. Разобъем каждый из контуров на s небольших участков, так чтобы они соответствовали друг другу. На каждом из участков выберем точки так, чтобы на соответствующих участках было одинаковое количество точек. На каждом из них с помощью обратного преобразования Фурье [2], [3] производим интерполяцию. Оцениваем погрешность с помощью метода наименьших квадратов [2]. Если погрешность на каждом участке не будет превосходит некоторого наперед заданного порогового значения η, то банкнота цельная. В противном случае она является склеенной из других банкнот. Заметим, что методы аппроксимации лучше применяются к гладким изображениям, в то время как, например, метод построения выпуклой оболочки - для сильно изломанных изображений.

Вообще необходимо отметить, что эффективность приведенных методов распознавания во многом зависит от достоинства банкноты. Выбор методов проверки выбирается после определения достоинства банкноты.

Приведенный здесь способ определения, является банкнота цельной или она склеена из других банкнот, используется в машине сортировки и пересчета банкнот БАРС [1].

Машина работает следующим образом. Пачка банкнот закладывается в фидер, из которого банкноты по одной поступают в транспортную систему, транспортная система подает банкноту к сканирующим устройствам, сканирующие устройства передают изображение банкноты в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовых спектрах в вычислительный модуль, в котором полученные изображения обрабатываются и сравниваются с эталонными.

Литература

1. Патент Российской Федерации RU 2158443.

2. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ - М.: МНЦМО, 2001.

3. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации. - М.: Финансы и статистика, 2002.

1. Способ определения неплатежных банкнот, полученных склеиванием частей различных банкнот, заключающийся в том, что банкноту сканируют с обеих сторон сканирующими устройствами, полученное изображение передают в вычислительный блок, на который заранее устанавливают программное средство распознавания образов, проверяют соответствие расположения элементов изображения эталонному и в случае полного соответствия изображений каждой стороны банкноты эталонному, банкнота признается платежной, в случае частичного соответствия проверяется соответствие зон защиты банкноты, а при полном несоответствии банкнота признается неплатежной, отличающийся тем, что в случае частичного соответствия расположения элементов изображения эталонному для каждой стороны банкноты с помощью программного средства распознавания образов осуществляют выделение контуров изображения металлографии для каждой стороны банкноты, после чего проверяют совпадение взаиморасположения и геометрических размеров элементов металлографии на каждой стороне банкноты эталону.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что проверяют, являются ли выделенные контуры изображений металлографии замкнутыми и совпадают ли длины данных контуров с длинами контуров изображений металлографии соответствующих сторон эталонной банкноты, и если один из контуров данной банкноты не является замкнутым, или длина хотя бы одного из контуров изображения металлографии не совпадает с длиной соответствующего контура эталонной банкноты, то данную банкноту признают неплатежной.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве программного средства используют программу Оптического Распознавания Символов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для каждой из сторон эталонной банкноты на контуре изображения металлографии выбирают точки, после чего находят аналоги этих точек на данной банкноте; в случае совпадения соответствующих сторон эталона и данной банкноты длины ломаных, вписанных в эти точки, банкноту признают платежной, в случае несовпадения - неплатежной.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для каждой стороны данной банкноты строят выпуклую оболочку, сравнивают периметры выпуклых оболочек для каждой стороны данной банкноты с периметрами выпуклых оболочек контура; при совпадении периметров выпуклых оболочек для соответствующих сторон банкноту признают платежной, при несовпадении - неплатежной.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для каждой стороны банкноты контур изображения металлографии из системы координат данной банкноты (центр - центр масс, ось Х - ось симметрии) преобразуют в соответствующую систему координат эталона, после чего производят интерполяцию для аппроксимации контуров многочленами или другими семействами функций; если погрешность (максимум модуля разности функций) не превосходит некоторого наперед заданного порогового значения η, то банкноту признают платежной.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что для каждой стороны банкноты аппроксимацию производят не для всего контура, а предварительно разбивают каждый из контуров, на некоторое число соответствующих друг другу участков и аппроксимацию производят отдельно на каждом участке; если погрешность для каждой пары соответствующих участков не превосходит некоторого наперед заданного порогового значения η, то банкноту признают платежной.