Разработка методов и оптико-электронных приборов автоматического контроля подлинности защитных голограмм со скрытыми изображениями Одиноков, Сергей Борисович

Введение к работе

Актуальность Защита документов от массовой подделки является одной из серьезных проблем, стоящих перед мировой экономикой и государственными организациями разных стран. По данным Международной ассоциации производителей защитных голограмм (The International Holography of manufacturers association - IHMA), сумма потерь от подделок документов и фальсификации товаров наиболее известных торговых марок-брэндов только в 2010 г. составила более 100 млрд. дол. США. В наибольшей степени от подделки страдают бумажные и пластиковые документы.

В настоящее время для защиты документов от подделки во всем мире успешно используются защитные голограммы. В России, как и во многих зарубежных странах, защитные голограммы (ЗГ) активно используются для маркировки таких документов, как: банковские ценные бумаги; банковские пластиковые карточки; акцизные марки на алкогольную продукцию; паспорта граждан и удостоверения личности; пропуска сотрудников специальных государственных организаций и учреждений; лицензии, патенты; документы об образовании и квалификации и многие другие.

Под ЗГ понимается выполненная на пленочном носителе голограмма, содержащая голограммные и дифракционные оптические элементы (ГОЭ, ДОЭ), а также голографические изображения, и обладающая следующими основными свойствами: 1) невозможностью прямого копирования ЗГ; 2) невозможностью подделки ЗГ из-за сложной технологии их получения с помощью дорогостоящего оборудования; 3) полной разрушаемостью ЗГ при попытке их отделения от документов.

Массовый выпуск ЗГ и их особое значение для защиты документов от подделки приводят к тому, что в этих условиях становится актуальной задача идентификации и контроля подлинности ЗГ с помощью автоматических оптико- электронных приборов и устройств в реальном масштабе времени. Наиболее часто на практике возникает задача отнесения ЗГ к одному из двух классов - к классу подлинных ЗГ или к классу неподлинных (фальсифицированных) ЗГ. В этом случае под контролем подлинности ЗГ понимается процесс отнесения исследуемой входной ЗГ к классу подлинных ЗГ (называемому также классом эталонных ЗГ) по совпадению совокупности характерных признаков, описывающих характеристики и параметры оптико-голографического изображения.

При визуальных наблюдениях глазами человека (контролера, эксперта) осуществляется контроль подлинности ЗГ по видимым голографическим изображениям. На принятие окончательного решения в этом случае сильно влияют условия наблюдения ЗГ и субъективные способности человека к восприятию и интерпретации полученной информации, длительность идентификации может составлять от единиц до нескольких десятков минут, что не удовлетворяет практическим требованиям серийного контроля подлинности ЗГ в реальном времени.

В связи с этим наиболее перспективным для контроля подлинности ЗГ является использование автоматических оптико-электронных приборов (ОЭП), которые дают возможность наиболее полно проанализировать характерные признаки оптико-голографического изображения ЗГ. Автоматизация процесса контроля подлинности ЗГ позволяет не только избавиться от влияния субъективных человеческих факторов, но и обеспечить контроль подлинности ЗГ в реальном масштабе времени с высокой вероятностью принятия правильного решения.

Голографические изображения в ЗГ содержат:

1. видимые изображения, наблюдаемые глазом человека и содержащие трехмерные или многоплановые по глубине плоские изображения, изображения с динамикой отдельных частей (кинеграммы), многоцветные изображения и многие др.;

2. скрытые изображения, невидимые глазом человека и содержащие микро- и нанотексты, микрооптические детали (например, линзы Френеля), плоские или трехмерные скрытые изображения, скрытые кодированные изображения, восстанавливаемые в лазерном свете как в плоскости, так и вне плоскости носителя ЗГ.

Для контроля подлинности ЗГ с помощью автоматических ОЭП наиболее перспективным является использование скрытых изображений (СИ), а также их модификаций - скрытых кодированных изображений (СКИ) и скрытых кодированных бинарных изображений (СКБИ), которые получаются на стадии изготовления ЗГ в виде дополнительных субголограмм к основным голограммам, восстанавливающим визуальные изображения. Они имеют стабильные во времени параметры и могут считываться с помощью оптико-электронных средств. Использование СКБИ, полученных в виде субголограмм внутри структуры ЗГ, является наиболее перспективным для решения поставленной задачи контроля подлинности ЗГ и позволяет:

обеспечить наибольшую вероятность идентификации ЗГ;

выполнить идентификацию в реальном масштабе времени персоналом невысокой квалификации без сложной и дорогостоящей экспертизы;

избавиться от влияния субъективных факторов человека;

повысить степень защищенности ЗГ от подделки;

применять автоматические оптико-электронные приборы и устройства для контроля подлинности ЗГ, встраиваемые в аппаратно-программные комплексы для контроля подлинности документов различными оптико-физическими методами по совокупности разнородных признаков.

При контроле подлинности ЗГ возникают следующие задачи: 1 задача - массовый потоковый контроль подлинности входных ЗГ с помощью ОЭП на соответствие только одному типу эталонной ЗГ (например, ЗГ на акцизных марках), заранее внесенной в базу данных, причем время, затрачиваемое на идентификацию одной ЗГ, не должно превышать 0,1 с.;

2. 1. задача - потоковый контроль подлинности входных ЗГ с помощью ОЭП путем их сравнения с различными эталонными ЗГ (например, ЗГ на разных банковских ценных бумагах), при котором выполняет поиск различных типов эталонных ЗГ, заранее внесенных в базу данных, а время, затрачиваемое на идентификацию, не должно превышать единиц секунд;

   2. задача - выборочный контроль подлинных ЗГ из потока входных голограмм с помощью ОЭП относительно многих различных эталонных ЗГ (например, ЗГ на паспортах, пластиковых пропусках, удостоверениях и др.), при котором выполняются операции внесения в базу данных новых ЗГ, поиска из базы данных различных типов эталонных голограмм и идентификация входных ЗГ, причем, время, затрачиваемое на идентификацию, не должно превышать 10 секунд. Данные задачи требуют разработки новых методов контроля подлинности ЗГ и создания для них специализированных ОЭП.

   В течение последних десяти лет в России проводились научно- исследовательские и опытно-конструкторские работы в области разработки 2 оптических приборов и ОЭП как для визуального, так и для автоматического контроля подлинности ЗГ, в частности, в таких организациях как: НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники (НИИРЛ) МГТУ имени Н.Э.Баумана (г. Москва), ФГУП «Всероссийский НИИ Оптико-физических измерений» (ВНИИОФИ, г. Москва), Институт Автоматики и Электрометрии СО РАН (г. Новосибирск), ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова»» (г. Санкт-Петербург), ФГУП «НТЦ «Атлас»» (г. Москва), Национальный ядерный университет «МИФИ» (г. Москва), Центр компьютерной голографии МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва), ОАО «Вилдис» (г. Москва), ЗАО «DORS» (г. Москва), ОАО «Первый печатный двор» (г. Москва), НИИ ФГУП «ГОЗНАК» (г. Москва), а также в организациях стран СНГ- ЗАО «Голографическая индустрия» (г. Минск, Республика Беларусь), ГУП «БЕЛОМО» (г. Минск, Республика Беларусь), СП «Голография» (г. Киев, Украина), Физико-Механический институт им. Г.В. Карпенка НАН Украины (г. Львов). Немногочисленные отечественные и зарубежные установки представляют собой либо простые оптические визуальные приборы (например, на основе лупы), либо сложные, крупногабаритные и дорогостоящие лабораторные установки, которые применяются для контроля подлинности ЗГ только на экспертном уровне с участием высококвалифицированных специалистов.

   Серьезным препятствием на пути создания и широкого внедрения такой оптико-электронной аппаратуры является тот факт, что в России отсутствует серийный выпуск подобных приборов, недостаточно полно проведены теоретические исследования и не разработаны научно-обоснованные методики расчета и проектирования ОЭП для автоматического контроля подлинности ЗГ.

   В связи с этим актуальным является разработка новых методов контроля подлинности ЗГ со скрытыми изображениями и автоматических ОЭП, обеспечивающих идентификацию ЗГ в реальном масштабе времени, высокую вероятность идентификации ЗГ и имеющих малые массо-габаритные параметры.

   Целью диссертационной работы являлась разработка теории и методов контроля подлинности ЗГ с помощью когерентно-оптических процессоров, разработка на их основе методик проектирования ОЭП для автоматического контроля подлинности ЗГ.

   Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1) выполнен анализ основных типов ГОЭ, ДОЭ и СИ, формируемых в субголограммах и обоснование выбора типов СКБИ, используемых в ОЭП для автоматического контроля подлинности ЗГ;

   2) разработаны новые методы контроля подлинности ЗГ на основе алгоритма сравнения входного и эталонного СКБИ, восстановленных со входной и эталонной субголограмм;

   3 ) разработана теория когерентно-оптических процессоров различных типов для ОЭП контроля подлинности ЗГ, разработаны математические модели оптических трактов и проведен анализ преобразования сигналов в когерентно-оптических системах различных типов;

   2. 2. 1. разработаны методики проектирования ОЭП для автоматического контроля подлинности ЗГ с субголограммами, восстанавливающими СКБИ;

         2. созданы и экспериментально исследованы параметры и характеристики макетных образцов ОЭП для контроля подлинности ЗГ.

         Методы исследований. При решении теоретических и прикладных задач

         были использованы:

         -пространственно-координатный и пространственно-частотный методы преобразования сигналов в когерентно-оптических процессорах идентификации ЗГ; -методы теории вероятности, теории обнаружения и распознавания образов и изображений;

         -методы математического и компьютерного моделирования.

         Научная новизна работы заключается в том, что в процессе проведения исследований были получены новые научные результаты теоретического и прикладного характера:

         2. 2. 2. 1. разработана теория когерентно-оптических процессоров для контроля подлинности ЗГ, восстанавливающих СКБИ с субголограмм Фурье и Фраунгофера, включающая математические модели и преобразование сигналов в когерентно- оптических системах разного типа;

                  2. обоснованы и разработаны новые методы контроля подлинности ЗГ:

                  метод контроля подлинности ЗГ на основе корреляционного анализа в модифицированном когерентно-оптическом корреляторе с совместным преобразованием Фурье (МКОК СПФ) функций пространственно-частотных спектров (ПЧС) нескольких входных и эталонных СКБИ, восстановленных с субголограмм;

                  метод контроля подлинности ЗГ на основе пространственно-частотного анализа функции входного СКБИ, восстановленного со входной субголограммы, в оптическом тракте когерентно-оптического спектроанализатора (КОС) и сравнения по корреляционному алгоритму цифровых массивов комбинированных интегрально- точечных характеристик функций ПЧС входного и эталонного СКБИ в электронном тракте ОЭП;

                  метод контроля подлинности ЗГ на основе оптической свертки функций входного и эталонного СКБИ, восстановленных с субголограмм, выполняемой в когерентно- оптическом процессоре (КОП) с помощью операции их цифрового векторно- матричного умножения (ЦВМУ);

                  1. разработаны методики проектирования ОЭП контроля подлинности ЗГ, построенные на основе когерентно-оптических систем различного типа;

                  2. созданы и экспериментально исследованы параметры и характеристики макетных образцов ОЭП для контроля подлинности ЗГ.

                  На защиту выносятся следующие научные положения и результаты, полученные в диссертационной работе:

                  4. 2. 1. теория когерентно-оптических процессоров для контроля подлинности ЗГ, включающая преобразование сигналов и совокупность математических моделей оптических трактов и элементов когерентно-оптических систем различного типа;

                        2. математическая модель и анализ преобразования сигналов в оптическом тракте МКОК СПФ, содержащем транспаранты с функциями ПЧС нескольких входных и эталонных СКБИ, позволившие получить математические выражения, устанавливающие зависимость между параметрами нелинейности рельефно-фазовых субголограмм, амплитудных и геометрических искажений входных оптических сигналов, погрешности позиционирования субголограмм и величиной интенсивности корреляционных максимумов, отношением сигнал/шум и вероятностью идентификации в выходной плоскости оптической системы МКОК;

                        3. математическая модель ПЧС скрытого бинарного изображения (СБИ), сформированного в оптическом тракте КОС, позволившая получить математические 4 выражения, описывающие интегрально-секторные параметры (ИС-параметры) и комбинированные интегрально-точечные параметры (КИТ-параметры) ПЧС СБИ в виде цифровых массивов данных, а также математическая модель процесса идентификации ЗГ на основе корреляционного алгоритма сравнения сигналов, описываемых цифровыми массивами КИТ-параметров ПЧС входного и эталонного СБИ, позволившая установить зависимость между этими параметрами и вероятностью идентификации ЗГ в выходной плоскости оптической системы КОС;

                        4. математическая модель и анализ преобразования сигналов в оптическом тракте КОП, выполняющем оптическую свертку функций входного и эталонного СКБИ с помощью операции их цифрового векторно-матричного умножения, позволившие получить математические выражения, устанавливающие зависимость между параметрами оптоэлектронных элементов, размерами субголограмм, параметрами нелинейности рельефно-фазовых субголограмм, параметрами дискретной функции рассеяния 1-го рода когерентной оптической системы, учитывающей перекрестные помехи между каналами КОП, и вероятностью ошибки на единицу младщего разряда в выходной плоскости оптической системы КОП;

                        5. методики проектирования ОЭП различного типа для контроля подлинности ЗГ со скрытыми изображениями;

                        6. результаты экспериментальной апробации методов контроля подлинности ЗГ с помощью макетов МКОК СПФ, КОС и КОП различных типов.

                        Практическая ценность работы заключается в разработке оригинальных оптических схем и методик проектирования ОЭП различного типа для автоматического контроля подлинности ЗГ, в том числе:

                        МКОК СПФ «Голокор-1», «Голокор-2», «Голокор-3», предназначенных для потокового контроля подлинности ЗГ на ценных бумагах, паспортах, пластиковых пропускных документах при решении задачи 1-го типа в реальном масштабе времени;

                        КОС «Голоспектр-1», НКОС «Голоспектр-2», предназначенных для выборочного контроля подлинности ЗГ на бумажных и пластиковых документах при решении задачи 2-го типов в реальном или в квазиреальном масштабе времени;

                        КОП «Голопро-1», предназначенного для выборочного контроля подлинности ЗГ, нанесенных на бумажных и пластиковых документах при решении задачи 3-го типа вне реального масштаба времени или за время приближенное к реальному масштабу времени.

                        Кроме того ОЭП данного класса могут быть использованы:

                        для контроля качества самих ЗГ в производственно-технологическом цикле при их серийном выпуске на предприятиях в реальном времени;

                        для контроля подлинности ЗГ, нанесенных на документах с высокой степенью защиты, например, паспортов, пластиковых карт и пропусков нового поколения с микрочипами вне реального времени;

                        для экспертного анализа ЗГ при криминалистических исследованиях в контрольных и судебных организациях вне реального времени.

                        Реализация и внедрение результатов исследований Результаты работы были внедрены:

                        1) в ФГУ в/ч 34435 - в виде методики экспериментальных исследований диагностических признаков ЗГ на макете оптико-электронного аппаратно-программного комплекса, предназначенного для криминалистических исследований ЗГ;

                        4. 2. в Государственном Российском Федеральном центре судебных экспертиз (ГРФЦСЭ) Минюста России - в виде методики исследования характерных признаков ГОЭ-ДОЭ и скрытых изображений ЗГ при проведении судебно- криминалистической экспертизы подлинности документов;

                           3. в Научно-исследовательском и испытательном центре биометрической техники (НИИЦ БТ) МГТУ имени Н.Э. Баумана - в виде метода лазерной индивидуализации и идентификации ЗГ со СКБИ;

                           4. в ООО «Голография-Сервис» (г. Москва) - в виде макетных образцов МКОК «Голокор-2» и «Голокор-3», КОС «Голоспектр-1» при оперативном контроле подлинности серийно изготовленных ЗГ со СКБИ;

                           5. в ЗАО «Хологрэйт» (г. Санкт-Петербург), ООО «Крипто-принт» (г. Москва) - в виде методик анализа ЗГ и макетных образцов ОЭП для контроля подлинности ЗГ. Реализация результатов работы подтверждается соответствующими актами о внедрении и использовании.

                           Результаты работы использованы при выполнении 5-ти НИР и 2-х ОКР, выполненных в НИИ РЛ МГТУ им.Н.Э. Баумана в 1996-2010 гг. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» (РЛ-2) МГТУ имени Н.Э. Баумана. Апробация работы

                           Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийских и Международных конференциях и форумах, в том числе: на I-VII Международных научно-технических конференциях «ГОЛОЭКСПО» в 2004-2010 гг. (г. Москва, г. Санкт-Петербург, Россия; г. Киев, Украина); на Международных научно- технических конференциях «Прикладная оптика» в 2004, 2006, 2008 гг. (г. Санкт- Петербург, Россия); на Международных научно-технических конференциях «Оптоинформатика» в 2006, 2008 гг. (г. Санкт-Петербург, Россия); на Международном форуме «0PTICS-EXP0-2007» в 2007 г. (г. Москва, Россия); на Международной конференции «Оптическая обработка информации и голография» в 2005г. (г. Варна, Болгария); на Всероссийском семинаре «Ю.Н. Денисюк - основоположник отечественной голографии» в 2007 г., г. Санкт-Петербург, и др.

                           Материалы диссертационной работы были представлены на следующих международных конференциях - "Diffractive and holographic technologies, systems, and spatial light modulators VI", Photonics West 99 - Electronic Imaging, , 23-29 января 1999 г., San Jose, USA; "Practical holography XIII", Photonics West 99 - Electronic Imaging, 23-29 января 1999 г., San Jose, USA; "Practical holography XIV and holographic materials VI", Photonics West 2000 - Electronic Imaging, 22-28 января 2000 г., San Jose, USA; "Practical Holography XV and Holographic Materials VII", Photonics West 2001 - Electronic Imaging, 20-26 января 2001 г., San Jose, USA; "Optical Security and Counterfeit Deterrence Techniques IV", Photonics West 2002 - Electronic Imaging, 23-25 января 2002 г., San Jose, USA; "Holopak-Holoprint-2004" 11 ноября 2004, Praga, Czechia; "Optoelectronics and holography" 20-22 aпреля 2009, Praga, Czechia; на 8-ой Пан-Европейской конференции по высокозащищенной печати, 8-10 марта 2011г., г. Вена, Австрия.

                           Публикации

                           Основные научные результаты диссертации опубликованы в монографии; 34 научных статьях, в том числе опубликованных в отечественных центральных научно-технических журналах, входящих в перечень утвержденный ВАК России;

                           6 в 27 статьях, опубликованных в тематических сборниках трудов конференций, 21 статье на английском языке, опубликованных в международных тематических журналах SPIE и журнале Optical Memory & Neural Networks. На разработанные способы и устройства для записи ЗГ и контроля их подлинности получены 6 авторских свидетельств и 11 патентов РФ.

                           Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 216 ссылок и наименований. Общий объем работы изложен на 381 странице машинописного текста, включая 127 рисунков и 13 таблиц.

                           Похожие диссертации на Разработка методов и оптико-электронных приборов автоматического контроля подлинности защитных голограмм со скрытыми изображениями

                           Разработка метода и оптико-электронной аппаратуры пространственно-частотного анализа оптических изображенийТрусов, Алексей Иванович

                           

                           Оптико-электронные приборы, методы и информационное обеспечение контроля реакций биообъекта на лазерное воздействиеНовиков, Владимир Анатольевич

                           

                           Исследование и разработка методов улучшения качества изображения в тепловизионных приборахНгуен Хунг Ван

                           

                           Разработка объективных методов контроля качества изображения в микроскопеВолкова, Мария Анатольевна

                           

                           Разработка и исследование новых методов цифровой обработки оптических изображений прозрачных трубокСтаростин Евгений Михайлович

                           

                           Исследование и разработка метода математического моделирования влияния оптической анизотропии на качество изображения прецизионных оптических систем Белозубов Александр Владимирович

                           Исследования и разработка метода и оптико-электронного устройства дистанционного измерения температурыРассел Мостафа Махмуд

                           Разработка методов и оптико-электронной аппаратуры автоюстировки бортовой локационной станции с мощным источником лазерного излученияБарышников Николай Васильевич

                           

                           Разработка методов и оптико-электронных средств лазерного оперативного контроля многокомпонентных газовых смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществГородничев Виктор Александрович

                           Разработка и исследованиеавтоматизированных оптико-электронных методов контроля качества заготовок микросхемСунь, Чанку