基於成像高光譜技術的紙幣真偽辨別研究

基於成像高光譜技術的紙幣真偽辨別研究

0 引言

紙zhi幣bi是shi國guo家jia發fa行xing的de用yong於yu交jiao換huan的de貨huo幣bi符fu號hao。它ta的de出chu現xian極ji大da的de繁fan榮rong和he發fa展zhan了le國guo民min經jing濟ji
，便bian捷jie了le人ren民min工gong作zuo和he日ri常chang生sheng活huo。隨sui著zhe近jin年nian來lai我wo國guo經jing濟ji持chi續xu、kuaisudezengchang，jinchukoumaoyidejijuzengda，renminbiqudelejudadefazhan，guojihuajinchengriyijiakuai。dantongshiyeduizhibizailiutongguochengzhongdejiancehejianbietichulegenggaodeyaoqiu。

目前常用的真、假紙幣鑒定方法大體可以分為兩類:主觀鑒別類和專家鑒別類。其中，主觀鑒別類是通過視覺
、感官等主觀方式對紙幣真假進行鑒別
，如針對紙幣上的“水印”、正背麵重合印刷
、圖紋接線、多色套印、顏色等信息，通過直接目視觀察對其進行判斷。又如紙幣的厚度、挺度、粗糙度以及凹印油墨沉積處明顯的手感等信息可以通過觸摸來獲取。此類方法簡單易行
、方fang便bian快kuai捷jie，是shi最zui為wei常chang用yong的de方fang法fa。但dan因yin其qi主zhu要yao由you消xiao費fei者zhe依yi靠kao主zhu觀guan感gan受shou或huo經jing驗yan判pan斷duan，缺que乏fa科ke學xue性xing和he準zhun確que性xing。專zhuan家jia鑒jian別bie類lei方fang法fa，需xu要yao借jie助zhu一yi定ding的de儀yi器qi來lai鑒jian別bie，如ru放fang大da鏡jing、紫外線燈、磁性檢驗設備
，以及化學分析方法等。這類方法相比於主觀鑒別法雖然準確性有所提升
，但還未能達到高效
、準確對紙幣真偽進行鑒別的目的，因此，需要研究新的更科學
、更準確的鑒別方法。

圖像分析技術是近年來新興的紙幣防偽鑒定技術
，該技術通過圖像傳感器采集紙幣的光譜圖像(包括紅外、可見光、紫外等)，bingliyongshuzituxiangchulijishujinxingfenxihechuli。zhibizaituxiangfangmianjuyougengweifengfudexinxi
，jiabiwufazaigeguangputuxiangxiadoubaochiyuzhenbideyizhixing。erqietuxiangtuxingjishu
，keyiduidanzhangtuxianghuoduoguangpuronghedetuxiangjinxingsuofang、旋轉
、對比度調整等處理
，可以多方位多層次檢測紙幣數據
；還可以對紙幣防偽特征區域及其它感興趣的區域進行測量和定量分析，給出檢測信息和識別結果。因此，圖像分析技術可以克服傳統檢測技術的問題

，大大提高紙幣防偽鑒定的準確性。本ben研yan究jiu利li用yong四si川chuan雙shuang利li合he譜pu科ke技ji有you限xian公gong司si自zi主zhu研yan發fa的de高gao光guang譜pu成cheng像xiang係xi統tong獲huo取qu第di五wu套tao百bai元yuan大da鈔chao新xin舊jiu兩liang個ge版ban本ben與yu不bu同tong版ban本ben的de假jia幣bi的de高gao光guang譜pu圖tu像xiang
，分fen析xi不bu同tong版ban本ben真zhen鈔chao、假鈔在400-1000nm範圍內其光譜反射率的差異
，從而提取真鈔不同於假鈔的特征波段，為製作驗鈔設備提供理論基礎。

1、 材料與分析

1.1 試驗材料

試驗中的2015版百元新版、2005版百元舊鈔均為真鈔，從中國銀行ATM機提取
，另外兩張百元假鈔則由公安係統提供。

1.2 紙幣高光譜圖像采集

紙幣高光譜圖像數據采集采用四川雙利合譜科技有限公司的 GaiaSorter高光譜分選儀係統。該係統主要由高光譜成像儀、CCD相機、鹵素燈光源、暗箱、計算機組成，如圖1。實驗儀器參數設置如表1。

 圖1 GaiaSorter 高光譜分選儀

表1   GaiaSorter 高光譜分選儀係統參數

在進行高光譜圖像采集時，需要設置相機曝光時間，平台移動速度以及物鏡之間的距離。這 3 個參數相互影響，圖像調節的目的是使采集的圖像大小合適，清晰，不變形失真。經過反複嚐試，物鏡高度設置為 26 cm，曝光時間設置為10ms，平台移動速度設置為 0.45 cm/s。圖像采集軟件采用四川雙利合譜科技有限公司提供的高光譜成像係統采集軟件SpecView完成。圖像處理采用 ENVI5.3 軟件進行處理。在進行圖像處理之前，先要對采集的光譜圖像進行圖像校正，圖像校正公式如下：

(1)

式中
，R_ref是校正過的圖像，DN_raw是原始圖像，DN_white為白板校正圖像，DN_dark 是黑板校正圖像。

1.3 高光譜圖像預處理

試驗得到的光譜含有由儀器和試驗條件等引起的噪聲，對這些噪聲的處理有助於減少噪聲對光譜分析的影響，突出光譜的有效信息。Savitzky-Golay (SG)平滑算法可以有效消減光譜數據中的隨機噪聲，消噪效果受平滑點數的影響，本文中選擇SG二次多項式5點平滑對光譜數據進行處理。

2、結果與分析

2.1 2005版真鈔、2015版真鈔與假鈔正麵光譜差異分析

百元紙幣有正反兩麵，兩麵的信息均可作為判斷紙幣真偽的必要條件
，圖2為百元紙幣正麵毛主席衣領部分特征點的2005版真鈔、2015版真鈔以及假鈔的光譜曲線圖。從圖中可知

，無論是2005版的真鈔還是2015版的真鈔，其在530 nm處有一吸收穀
，530nm後反射率均呈指數上升趨勢，在580 nm附近出現拐點，之後反射率繼續上升

，在640 nm附近上升趨勢逐漸減弱
，其光譜反射率取向平穩。而兩張百元假鈔，其吸收穀在450-500 nm範圍內，在500 nm後兩張假幣的光譜反射率均呈指數上升趨勢
，到580 nm附近，光譜反射率上升趨勢減弱，但仍保持緩慢上升趨勢。

運用動態滾動模式觀察紙幣正麵高光譜圖像各波段的灰度圖可知，在近紅外區域能較好地區分紙幣的真偽。圖3列舉了正麵真假鈔百元大鈔在近紅外870 nm處灰度圖
，從圖中可知，無論是2005版還是2015版的百元真鈔
，紙幣左側的毛主席頭像水印、100數字等均清晰可見
，而兩張假鈔的左側無毛主席頭像水印
，且100數字顯示模糊甚至沒有，因此正麵的這兩個標誌可以作為識別紙幣真偽的必要條件。

圖2 真假鈔百元大鈔正麵光譜曲線圖

圖3 正麵真假鈔百元大鈔在近紅外870 nm處灰度圖

2.2  2005版真鈔
、2015版真鈔與假鈔反麵光譜差異分析

圖2分析了百元大鈔正麵真偽鈔的光譜差異
，從光譜曲線來看，真鈔與假鈔在400-1000 nm範圍內存在顯著性差異。圖4從百元大鈔反麵來分析真偽幣的光譜曲線差異。以紙幣左側人民大會堂特征點為例(如圖3左側的紅色五角星)

，分析2005版真鈔、2015版真鈔、假鈔的光譜曲線差異。從圖3右圖可知
，假鈔-1在400-590 nm範圍內，其光譜反射率大小及變化趨勢與真鈔十分相似，且在550 nm處均有一個吸收穀，從550-590 nm範圍內均呈指數上升趨勢。在可見光範圍內
，假鈔-1與真鈔的反射率及其相近
，因此用人眼幾乎很難判斷其真偽。假鈔-2的造偽水平沒有假鈔-1高，除560-570 nm範圍內，在其他可見光和近紅外區域

，能較好地辨其真偽。 在700 nm後，真鈔與假鈔的光譜反射率差異逐漸增大，因此
，可利用近紅外區域的波段辨別紙幣的真偽。

圖4真假鈔百元大鈔反麵光譜曲線圖

運用動態滾動模式觀察反麵高光譜圖像各波段的灰度圖可知，在近紅外區域能較好地區分紙幣的真偽。圖5列舉了正麵真假鈔百元大鈔在近紅外870 nm處灰度圖，從圖5可知
，百元真鈔反麵除了擁有正麵在近紅外處毛主席頭像水印
、100數字清晰可見外
，反麵人民大會堂的左側清晰可見，而人民大會的右側的圖像則在近紅外區域全被吸收，沒有顯示出任何信息
；假鈔則在近紅外區域要麼模糊地顯示出整個人民大會堂（如假鈔-1），要麼全部被吸收沒有顯示出來（如假鈔-2）
，均沒有任何信息顯示出啦，因此反麵的毛主席頭像水印、100水印和人民大會堂均可作為識別紙幣真偽的必要條件。

圖5 反麵真假鈔百元大鈔在近紅外870 nm處灰度圖

3、結論

本研究利用高光譜成像技術，從百元紙幣的正反兩麵來比較真、偽紙幣特征點的光譜信息差異，對紙幣進行真偽鑒別，得到如下結論。

1）百元紙幣正麵無論是從可見光還是近紅外區域均能較好地區分真偽紙幣，這是因為無論真鈔在530 nm處有一吸收穀，530nm後反射率均呈指數上升趨勢，在580 nm附近出現拐點，之後反射率繼續上升，在640 nm附近上升趨勢逐漸減弱，其光譜反射率取向平穩，而偽鈔沒有以上真鈔所具有的特征。在近紅外區域，百元大鈔的毛主席頭像水印、100水印亦可作為辨別紙幣真偽的必要條件。

2）baiyuandachaofanmianyouyuzaojiajishudetigao，zaikejianguangquyuyoushihouhennanbianbiezhibidezhenjia
，yincixuyaojiezhuhongwaijishu

，zaijinhongwaiquyu
，baiyuanzhenchaoyoumaozhuxitouxiangshuiyin、100水印、左側人民大會堂清晰可見，而偽鈔沒有以上特征，因此可作為辨別紙幣真偽的必要條件。

3）綜上所述
，利用光譜紅外技術
，從紙幣的正反兩麵出發，更能有效地提高紙幣辨別能力。