Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
УДК 681.7 На правах рукописи
ОДИНОКОВ СЕРГЕЙ БОРИСОВИЧ
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОДЛИННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПОДЛИННОСТИ ЗАЩИТНЫХ ГОЛОГРАММ СО СКРЫТЫМИ ИЗОБРАЖЕНИЯМИ ЗАЩИТНЫХ ГОЛОГРАММ СО СКРЫТЫМИ ИЗОБРАЖЕНИЯМИ
05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва - 2011
Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана.
Официальные оппоненты: Белозеров Альберт Федорович, доктор технических наук, профессор, ФГУП Государственный институт прикладной оптики Ган Михаил Абрамович, доктор технических наук, профессор, ФГУП НПК "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" Потатуркин Олег Иосифович, доктор технических наук, профессор, Институт автоматики и электрометрии СО РАН Ведущая организация ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений, г. Москва
Защита диссертации состоится л21 сентября 2011 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.141.19 в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу:
105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.19.
Автореферат разослан л____ _____________ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Е.В. Бурый 1.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 оптикоэлектронных 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 явля- ется 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 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;
3 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 научноисследовательские и опытно-конструкторские работы в области разработки 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 НТ - 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;
4) разработаны методики проектирования ОЭП для автоматического контроля подлинности ЗГ с субголограммами, восстанавливающими СКБИ;
5) 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:
1) разработана теория когерентно-оптических процессоров для контроля подлинности ЗГ, восстанавливающих СКБИ с субголограмм Фурье и Фраунгофера, включающая математические модели и преобразование сигналов в когерентнооптических 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 (ПЧC) 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 интегральноточечных 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 когерентнооптическом процессоре (КОП) с помощью операции их цифрового векторноматричного умножения (ЦВМУ);
3) разработаны методики проектирования ОЭП контроля подлинности ЗГ, построенные на основе когерентно-оптических систем различного типа;
4) 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:
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 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;
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 судебнокриминалистической экспертизы подлинности документов;
3) в Научно-исследовательском и испытательном центре биометрической техники (НИИ - 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 научнотехнических конференциях Прикладная оптика в 2004, 2006, 2008 гг. (г. СанктПетербург, Россия); на Международных научно-технических конференциях Оптоинформатика в 2006, 2008 гг. (г. Санкт-Петербург, Россия); на Международном форуме OPTICS-EXPO-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 20г., 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;
в 27 статьях, опубликованных в тематических сборниках трудов конференций, 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.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая ценность и научные положения, выносимые на защиту. Приведены структура диссертации, формы апробации и реализации результатов.
В первой главе проведен анализ основных типов ГОЭ-ДОЭ, скрытых элементов и изображений, используемых в ЗГ, и показано, что для решения задачи контроля подлинности ЗГ с помощью автоматических ОЭП наиболее перспективным является формирование дополнительных субголограмм (Фурье или Фраунгофера), содержащих скрытые изображения. Субголограммы получаются методом наложенной записи на основную ЗГ. Представлена классификация СИ, СКИ, СКБИ по способу записи на фоточувствительную среду в виде дополнительных субголограмм и показано, что наиболее перспективным типом скрытых изображений является СКБИ.
Проведен анализ известных и предложенных автором методов оптического аналогового кодирования-декодирования СКБИ в оптических схемах получения субголограмм. Отмечено, что для выполнения требований о повышении степени защищенности СКБИ от несанкционированного считывания, восстанавливаемых с дополнительных субголограмм, используются методы кодирования-декодирования входных оптических изображений с помощью амплитудно-фазовых кодирующих масок (АФКМ). Были проведены: 1) теоретический анализ оптических методов кодирования-декодирования скрытых изображений с помощью АФКМ, установленных в предметной и опорной ветвях; 2) анализ влияния погрешностей координатного и углового позиционирования АФКМ при считывании с субголограмм СКБИ; 3) анализ отношения сигнал/шум при наложении нескольких дополнительных субголограмм со СКБИ. По результатам проведенного сравнительного анализа показано, что: 1) для оптического аналого-вого кодирования необходимо осуществить свертку (или другую линейную интег-ральную операцию) функций пропускания АФКМ и входного транспаранта (ВхТ) СКБИ, причем ПЧС АФКМ должен быть шире ПЧС ВхТ; 2) допустимая погреш-ность взаимного поперечного позиционирования системы АФКМ-ВхТ-субголо-грамма для субголограмм Фурье лежит в пределах от 10 мкм до 30 мкм, а для субголограммы Френеля - 50-100 мкм; допустимое изменение угла падения восстанавливающего пучка относительно угла падения опорного пучка не должно превышать одной угловой минуты, что вызывает затруднения при практической реализации схем; 3) необходимо обеспечить очень жесткие допуски на технологические погрешности при изготовлении АФКМ (например, допуска на погрешность изготовления глубины и формы рельефа наиболее эффективных чисто фазовых масок достигают единиц нанометров), что приводит к значительным технологическим трудностям при их изготовлении и значительному увеличению их стоимости; 4) для задаваемых из практики параметрах оптических схем и требуемой величины отношения сигнал/шум при мультиплицировании субголограмм можно получить только две наложенные субголограммы.
Проведенный анализ методов оптического аналогового кодированиядекодирования скрытых изображений показал, что эти методы невозможно использовать на практике при реализации ОЭП для автоматического считывания СКБИ. Было показано, что наиболее эффективным является прямое цифровое кодирование скрытых изображений и формирование СКБИ, которые обеспечивают следующие преимущества: 1) представляют собой бинарные изображения с повышенным контрастом и позволяют увеличить отношение сигнал/шум как на этапе получения субголограмм ЗГ, так и на стадии восстановления СКБИ; 2) представляют собой систему оптических битов (например, светлая оптическая точкаЦлогическая 1, темная точка-логический 0), расположенных в соответствии с правилами цифрового двоичного кодирования; 3) не требуют распознавания формы и измерения размеров оптических битов и в меньшей степени подвержены влиянию искажений, обусловленных погрешностями позиционирования, линейными сдвигами, угловыми поворотами и изменением их масштаба, что в конечном итоге приводит к повышению скорости обработки информации; 4) для кодированиядекодирования при записи-считывании СКБИ могут быть использованы известные высокоэффективные алгоритмы криптографии и стеганографии.
Во второй главе обоснованы и предложены методы контроля подлинности ЗГ со СКБИ. Показано, что при контроле подлинности ЗГ выполняются следующие операции: 1) формирование входной информации в виде СКБИ; 2) запись СКБИ в виде входных субголограмм Фурье (Фраунгофера, Френеля, голограмм сфокусированного изображения); 3) восстановление со входной и эталонной субголограмм входного и эталонного СКБИ в плоскости сравнения; 4) выполнение операции сравнения входного и эталонного СКБИ информации по выбранному алгоритму;
5) вынесение решения об идентификации ЗГ по выбранному критерию.
Разработанная обобщенная структурная схема ОЭП для автоматического контроля подлинности ЗГ с различными вариантами хранения эталонного СКБИ представлена на рис.1 и состоит из: 1) эталонного канала, включающего в себя либо электронный блок памяти для хранения эталонного СКБИ, либо оптический блок памяти для хранения эталонных субголограмм, пространственный модулятор света (ПМС) для ввода в оптический тракт эталонного СКБИ; 2) объектного канала, включающего в себя ЗГ со входной субголограммой, с которой восстанавливается входное СКБИ; 3) лазера для восстановления входного СКБИ и эталонного СКБИ со входной и эталонной субголограмм, а также для считывания эталонного СКБИ с ПМС; 4) оптико-электронного блока для выполнения операции сравнения эталонного СКБИ и входного СКБИ, включающего в себя когерентно-оптическую систему и фотоприемное устройство на основе матричного приемника изображений (ФПУ-МПИ); 5) электронного блока формирования сигнала об идентификации ЗГ.
Эталонные СКБИ хранятся в ОЭП в виде: а) оптических изображений, восстанавливаемых с матрицы эталонных субголограмм; б) цифровых изображений в электронном блоке памяти как внутри ОЭП, так и во внешней компьютерной базе данных под соответствующим номером.
Компьютерная база Эталонный канал Объектный канал данных эталонных СКБИ Электронный Оптический блок Защитная блок памяти памяти для хранения голограмма для хранения эталонных СКБИ Лазер эталонных как субголограмм СКБИ Субголограмма с входным СКБИ ПМС для ввода Субголограмма ЭтСКБИ в с ЭтСКБИ оптический тракт прибора Восстановленное Восстановленное входное СКБИ эталонное СКБИ Оптико-электронный блок для сравнения эталонного и входного СКБИ Электронный блок формирования сигнала об да идентификации ЗГ нет Рис. 1. Обобщенная структурная схема ОЭП контроля подлинности ЗГ с хранением эталонных СКБИ в оптической, электрон ной памяти прибора, во внешней компьютерной базе данных При восстановлении с субголограмм восстанавливаются входное СКБИ и эталонное СКБИ (или эталонное СКБИ считывается с ПМC), которые поступают в оптико-электронный блок их сравнения. В оптической части оптико-электронного блока выполняется операция когерентно-оптического сравнения эталонного и входного СКБИ, результат которого регистрируется с помощью ФПУ-МПИ. Далее в электронном блоке формирования сигнала идентификации выполняется обработка сигнала сравнения и формируются выходные сигналы типа: ДА-есть идентификация ЗГ или НЕТ - нет идентификации ЗГ. Алгоритм работы оптикоэлектронного блока сравнения эталонного и входного СКБИ полностью определяет возможности ОЭП в целом для контроля подлинности ЗГ. Известно, что на практике достаточно легко в когерентных оптических системах реализуются операции преобразования Фурье, оптической свертки, пространственной фильтрации и пространственно-частотного спектрального анализа, которые и были выбраны в качестве базовых операций и алгоритмов для сравнения входного и эталонного СКБИ.
По результатам анализа методов контроля подлинности ЗГ со СКБИ были разработаны и предложены следующие методы:
1) метод контроля подлинности ЗГ на основе корреляционного анализа в МКОК СПФ функций ПЧC нескольких входных и эталонных СКБИ, восстановленных с субголограмм, используемый для решения задачи 1-го типа потокового контроля подлинности ЗГ на документах в реальном времени;
2) 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 интегральноточечных характеристик функций ПЧС входного и эталонного СКБИ в электронном тракте ОЭП, используемый для решения задач 2-го типа контроля подлинности ЗГ на документах в реальном или квазиреальном времени.
3) метод контроля подлинности ЗГ на основе оптической свертки функций входного и эталонного СКБИ, восстановленных с субголограмм, выполняемой в когерентнооптическом процессоре (КОП) с помощью операции их цифрового векторноматричного умножения (ЦВМУ), используемый для решения задачи 3-го типа выборочного контроля подлинности ЗГ на документах вне реального времени.
Вышеуказанные методы, теория соответствующих когерентно-оптических процессоров, включающая математические модели и анализ преобразования сигналов в них, результаты экспериментальных исследований макетов соответствующих процессоров последовательно рассмотрены в главах 4, 5 и 6.
В третьей главе представлена теория МКОК СПФ для контроля подлинности ЗГ с обработкой ПЧC нескольких входных и эталонных СКБИ, восстановленных с субголограмм, включающая математическую модель оптического тракта и анализ преобразования сигналов в МКОК. Показано, что коэффициенты пропускания входной и эталонной субголограмм во входной плоскости МКОК можно определить не в виде функций описывающих СКБИ, а в виде функций, описывающих ПЧС СКБИ. В работе был проведен анализ преобразования сигналов в оптических схемах для случаев получения матриц из нескольких линзовых субголограмм Фурье и без- линзовых субголограмм Фраунгофера, причем с использованием диффузной подсветки и дефокусировки для снижения динамического диапазона амплитуд в ПЧС. При этом главным требованием при построении оптических схем получениясчитывания субголограмм является необходимость формирования каждой пары входного и эталонного СКБИ, восстановленных с каждой пары входной и эталонной субголограмм из матрицы, строго в одном пространственном положении с последующим наложением их друг на друга и с целью обеспечения формирования соответствующих парных интерференционных картин от СКБИ. Показано, что оптическая схема получения матрицы нескольких линзовых субголограмм Фурье имеет существенный недостаток, заключающийся в необходимости синхронного линейного перемещения входного транспаранта с СКБИ и фурье-преобразующего объектива на различные расстояния, а также синхронного изменения угла наклона лазерного пучка, освещающего входной транспарант с СКБИ. Это значительно усложняет конструкцию схемы записи линзовых субголограмм Фурье и трудности при ее практическом использовании в схеме всего МКОК СПФ в целом. Было показано, что оптическая схема получения матрицы нескольких безлинзовых субголограмм Фраунгофера свободна от указанных недостатков. В связи с этим оптическая схема получения и считывания матрицы нескольких субголограмм Фраунгофера положена в основу оптической схемы и математической модели оптического тракта МКОК СПФ. Оптическая схема МКОК СПФ с безлинзовыми субголограммами Фраунгофера приведена на рис.2. Далее для простоты анализа и без потери общности рассматривается, что во входной плоскости 1 (x, y) коррелятора установлены работающие на просвет одна входная и одна эталонная субголограммы Фраунгофера (СГФр), на которых записаны ПЧС одного входного и одного эталонного СКБИ. Эталонная СГФр нанесена на стационарно установленный в корреляторе носитель, а входная СГФр нанесена на тестируемом документе, вводимом в коррелятор. В плоскости сравнения 2 (, ) восста-навливаются волновые поля, соответствующие входному и эталонному СКБИ, которые после наложения формируют интерференционную картину, регистрируемую на фоточувствительную регистрирующую среду (ФРС) или на фоточувствительном слое пространственного модулятора света (ФС-ПМС, например, ПМС типа МДПЖК). При освещении ФС-ПМС плоской волной (на рис.2 не показана) и после преобразования Фурье с помощью фурье-преобразующего объектива 3 (ФПО) в плоскости корреляционного анализа 4 (xТ,yТ) формируется распределение комплексных амплитуд пропорциональное корреляционной функции от коэффициентов пропускания входного и эталонного СКБИ. В случае равенства коэффициентов пропускания входного и эталонного СКБИ распределение комплексных амплитуд преобразуется в распределение амплитуд с ярко выраженными корреляционными максимумам (пиками), расположенными в заданных пространственных точках и регистрируемыми с помощью ФПУ-МПИ, сигналы с которого обрабатываются в электронном блоке (рис.1) с целью идентификации ЗГ в соответствии с выбранным критерием обнаружения.
При таком подходе имеют место следующие преимущества:
1) малый локализованный размер входной и эталонной субголограмм Фраунгофера с ПЧС от входного и эталонного СКБИ, дает возможность разместить их во входной плоскости на малом расстоянии друг от друга, что позволяет снизить требования к относительному отверстию фурье-преобразующего объектива и уменьшить продольные габариты оптической системы МКОК СПФ за счет уменьшения фокусных расстояний;
2) малое относительное смещение между субголограммами Фраунгофера во входной плоскости приводит к уменьшению пространственной частоты модулирующей cos-функции в интерференционной картине, сформированной после наложения входного и эталонного СКБИ, и к снижению требований к разрешающей способности фоточувствительного слоя ФС-ПМС (или ФРС);
3) в плоскости сравнения при наложении восстановленных входного и эталонного СКБИ формируется равномерное распределение интенсивности света в отличии от традиционной схемы с записью голографического фильтра в виде ПЧС СКБИ, что в несколько раз снижает требования по динамическому диапазону ФС-ПМС.
Проведенный теоретический анализ показал, что, учитывая габаритные параметры оптической системы МКОК, оптимально установить во входной плоскости МКОК матрицу, содержащую от 2 до 8 пар входных и эталонных субголограмм Фраунгофера, что приводит к формированию в выходной плоскости корреляционного анализа нескольких корреляционных пиков, взаимное геометрическое положение которых служит дополнительным признаком и позволяет повысить вероятность идентификации ЗГ. Коэффициенты пропускания эталонной и входной субголограмм Фраунгофера во входной плоскости 1 описываются функциями r(x,y)=F{R(, )}= r (, ) (ПЧС входного СКБИ) x y Рис. 2. Оптическая схема МКОК СПФ с безлинзовыми субголограммами Фурье и t(x,y)=F{Т(, )}= t (, ) (ПЧC эталонного СКБИ) соответственно, где F{.} - x y оператор прямого преобразования Фурье. Восстановленные со входной и эталонной субголограмм Фраунгофера входное и эталонное СКБИ накладываются друг на друга в плоскости сравнения 2 (, ), в которой в результате формируется интерференционная картина с распределением интенсивности света Im(,) = 2R(,)T(,)cos[(2 / в)( xs / zи + ys / zи ], (1) R(,)=F-1{r(x,y)} и T(,)= F-1{t(x,y)} где * - знак комплексного сопряжения,.
Видно, что возникает cos-модулирующий множитель, обусловленный интерференцией. В случае линейной записи на ФС-ПМС и его работы на просвет, коэффициент пропускания ФС-ПМС равен tпвмс = Im(, ). Если ФС-ПМС работает на отражение (что характерно, например, для ПМС типа МДП-ЖК), то его коэффициент отражения равен пвмс = Im(,), а при считывании используется плоская волна, освещающая ПМС (на рис.2 не показана).
После второго преобразования Фурье от выражения (1), получим распределение комплексных амплитуд в плоскости 4 (xТ,yТ) корреляционного анализа -Aк (x ', y ') = F {Im(,)} = r(x ', y ') r(x ', y ') + t(x ', y ') t(x ', y ') + - xs y - ys + xs y + ys x x +r*(x ', y ') t(x ', y ') [, ] + r(x ', y ') t*(x ', y ') [, ], вzи вzи вzи вzи где (.) - дельта-функция; - знак операции свертки; координаты xТ, yТ в плоскости корреляционного анализа связаны с пространственными частотами x ' = czk, y ' = czk соотношениями, - длина волны света, используемого при с x y считывания зарегистрированной интерференционной картины.
После преобразований окончательно получим Aк ( x ', y ') = (1 / c zk )[r ( x ', y ') r ( x ', y ') + t( x ', y ') t( x ', y ') + + r* ( x ', y ') t( x ', y ') [ x '- xsc zk / (в zи ), y '- ysc zk / (в zи )] +(2).
+ r ( x ', y ') t* ( x ', y ') [ x '+ xsc zk / (в zи ), y '+ ysc zk / (в zи )]] Последние два члена в выражении (2) определяют амплитуды корреляционных пиков в выходной плоскости корреляционного анализа и их смещение относительно оптической оси на величины (xs zк /( zи)) и (ys zк /( zи)). Следовательно, с в с в взаимное геометрическое положения этих пиков однозначно связано с величиной смещения между входной и эталонной СГФр во входной плоскости.
Для повышения вероятности правильной идентификации (правильного обнаружения) было предложено во входной плоскости использовать N безлинзовых входных СГФр, на каждой из которых записаны N типов входных СКБИ. Тогда суммарный коэффициент пропускания матрицы из нескольких входных СГФр 1Е N t(x, y) = (x, y) СГФрN имеет вид,где NЦчисло входных СГФр. При этом каждая t i j=Hti из входных СГФр находится в строго заданном пространственном месте.
В плоскости сравнения в заданных пространственных местах будет сформировано N наложенных входных СКБИ и одного эталонного СКБИ, восстаN новленных с входных СГФр 1Е СГФрN, описываемых функцией T (,) = о,з, и ( ) T i i=одной эталонной СГФр, что приведет к образованию N интерференционных картин, направление и частота полос в каждой из которых определяется положением голограммы Hti относительно Hr,т. е. смещениями xsi и ysi. Тогда в выходной плоскости корреляционного анализа распределение комплексных амплитуд (2) принимает вид N Aк ( x ', y ') = (1 / z ) { r r ( x ', y ') + ti ti ( x ', y ') + c k i = + r ti ( x ', y ') [ x '- x z / ( z ), y '- y z / ( z )] + s i c k в и si c k в и. (3) + r ti (, ) [ x '+ x z / ( z ), y '+ y z / ( z )]} x y s i c k в и si c k в и Соответственно в выходной плоскости корреляционного анализа сформируется 2N корреляционных пиков первого порядка, взаимное расположение которых строго зависит от взаимного расположения одной эталонной и матрицы из нескольких входных субголограмм. Взаимные геометрические положения (смещения) между корреляционными пиками является дополнительным признаком, на основании которого выносится решение о похожести между r(x,y) и t(x, y), что позволяет увеличить вероятность правильной идентификации ЗГ. В работе для принятой математической модели оптического тракта МКОК СПФ был проведен теоретический анализ:
1) влияния величин коэффициентов нелинейности рельефно-фазовой субголограммы на параметры корреляционных пиков в выходной плоскости анализа оптического тракта МКОК СПФ;
2) влияния искажений амплитуды входных оптических сигналов и геометрических параметров входного СКБИ на параметры корреляционных пиков в выходной плоскости анализа, а также на отношение сигнал-шум и вероятность идентификации ЗГ.
Было показано, что с учетом коэффициентов нелинейности распределение комплексных амплитуд в выходной плоскости корреляционного анализа имеет вид 1 qxsc zk qysc zk Ak (x ', y ') = ( ) exp[ jkI (R2 + T )] jq KqkI 2RT [x '- ],, y '-(4) zk в zи в zи q =- где q- номер дифракционного порядка; Kq2 - коэффициенты нелинейности в величине амплитуды в каждом из дифракционных порядков.
Сравнивая выражения (3) и (4), видно, что при q = 0, 1 в плоскости корреляционного анализа формируются корреляционные пики взаимно расположенные в тех же местах, что и ранее. Вместе с тем появляются пики высших порядков, смещенные относительно пика нулевого порядка на расстояния rq, xsc zk ysc zk пропорциональные значениям q, т.е rq = q(( )2 + ( )2 )1/ 2. Видно, что пики в zи в zи как первых, так и высших порядков лежат на одной прямой, проходящей через пик нулевого порядка и в общем случае могут накладываться друг на друга. Для преодоления данного недостатка необходимо обеспечить пространственное разделение истинных корреляционных пиков первого порядка и дополнительных ложных корреляционных пиков. Для случая нескольких входных СКБИ следует избегать расположения трех и более входных субголограмм на одной прямой. Тогда истинные и ложные корреляционные пики формируются разными входными СКБИ и не будут накладываться друг на друга. Кроме того, при регистрации рельефно-фа- зовых субголограмм не следует стремиться к высоким значениям глубины модуляции фазы 1 восстановленной оптической волны близким к тем, которые обеспечивают максимальную дифракционную эффективность. В этом случае интенсивность ложных пиков будет значительно ниже, чем у истинных. Тогда с помощью выбора соответствующего порога истинные и ложные пики можно легко разделить по уровню сигнала в электронном блоке обработки информации.
В работе был проведен теоретический анализ влияния изменения геометрических параметров и изменения амплитудных параметров входных оптических сигналов в МКОК СПФ, обусловленных возможными изменениями параметров входного СКБИ относительно параметров эталонного СКБИ, на амплитуду корреляционных пиков в выходной плоскости анализа. Показано, что амплитудные искажения, обусловленные неоднородностями освещенностей во входном СКБИ, проявляются в виде снижения среднего и локального контраста полос интерференционной картины в плоскости сравнения, что приводит к уменьшению амплитуды корреляционного пика в плоскости анализа. Так, например, при неоднородностях светового потока в пределах 0,7-1,4 средний контраст полос интерференционной картины снижается не более, чем на 6%. Изменение масштаба входного СКБИ относительно эталонного СКБИ, их взаимное смещение и поворот приводят к геометрическим искажениям в плоскости сравнения, выражающиеся в уменьшении общей площади наложенных изображений, следовательно, к изменению площади, пространственной частоты и направлению полос формируемой интерференционной картины. Например, смещение входного СКБИ на величину, равную 20% от размера прямоугольного элемента восстановленного изображения, уменьшает общую площадь интерференционной картины также на 20% от ее максимального значения. Смещение приводит к переналожению соседних входных СКБИ, каждое из которых восстанавливается со своей входной субголограммы. Вследствие этого в участках переналожения будут образовываться дополнительные "паразитные" интерференционные картины, которые приводят к снижению амплитуды в корреляционных пиках, появлению дополнительных паразитных пиков меньшей интенсивности, уменьшению отношения сигнал/шум и к снижению вероятности идентификации ЗГ.
Идентификация ЗГ сводится к процедуре обнаружения оптического сигнала с известными параметрами в виде корреляционного пика в выходной плоскости корреляционного анализа. Для критерия Неймана-Пирсона вероятность идентификации ЗГ в МКОК СПФ может быть охарактеризована вероятностью правильного обнаружения и вероятностью ложной тревоги. При использовании в МКОК СПФ матрицы нескольких CГФр, восстанавливающих несколько входных СКБИ, формируются несколько интерференционных картин в плоскости сравнения, а решение об идентификации ЗГ принимается в случае обнаружения нескольких корреляционных пиков в N областях, соответствующих расчетным положениям.
Показано, что применение на входе МКОК СПФ матрицы нескольких входных СГфр позволяет задавать уменьшенные значения величины вероятности ложной тревоги Рлт. Так уже при N=2 и значении сигнал/шум равном 20, значение Рлт может быть уменьшено от 1,310-2 до 1,610-4. При этом вероятность правильного обнаружения Робн уменьшается незначительно - с 0,97 до 0,95. В случае с одним входным СКБИ для обеспечения задаваемого значения Рлт = 1,610-4 вероятность правильного обнаружения равна Робн =0,95, а значение отношения сигнал/шум должно быть равно или больше 150 (т.е. больше в 7,5 раз).
С целью проверки основных теоретических положений и полученных резуль- татов было разработано несколько макетов МКОК СПФ с использованием ФС-ПМС различных типов. На рис.3 приведена функциональная оптическая схема МКОК CПФ типа Голокор-1 с использованием оптически управляемого ПМС (ОУ ПМC) типа Приз и проведены его экспериментальные исследования.
В экспериментальных исследованиях в качестве примеров входного и эталонного СКБИ были выбраны транспаранты с бинарным изображением, состоящим из шестнадцати элементов с коэффициентом пропускания близким к 1, а геометрическое расположение одной эталонной субголограммы Фраунгофера и двух входных субголограмм Фраунгофера было выбрано в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Блок считывания входных и эталонного СКБИ включает синий лазер ( = 0,44 мкм, мощность излучения 15 мВт), узел формирования восстанавливающего пучка, эталонную и две входные субголограммы Фурье. Блок корреляционной обработки включает считывающий красный лазер ( = 0,65 мкм, мощность излучения 5 мВт), коллиматор, ОУ ПМС типа Приз на кристалле сили- ката висмута Bi12SiO20 (чувствительность 2,310-7 Дж/см2 на =0,44 мкм, разрешаю- щая способность до 70 мм-1, динамический диапазон 31,5 дБ), лампу-вспышку для стирания ранее записанных интерференционных картин, фурье-преобразующий объектив (фокусное расстояние fТф1 = 35 мм, fТф2 = 70 мм; диаметр зрачка Dвх зр = ф мм), ФПУ-МПИ (500х582 пикселов, рабочая освещенность 0,2 к). Фотографии распределений интенсивности света в корреляционных пиках в плоскости анализа представлены на рис. 4. На рис. 4а показано фото 0-го порядка при отсутствии входного СКБИ (входной субголограммы Фраунгофера).
Рис. 3. Функциональная оптическая схема макета МКОК СПФ Голокор-1 На рис. 4 б, в, г приведены фото для следующих случаев: б) и в) входная субголограмма расположена относительно эталонной субголограммы по вертикали и по горизонтали соответственно; г) три входных субголограммы расположены относительно эталонной субголограммы в вертикальном, горизонтальном и промежуточном диагональном положениях одновременно. Появление нескольких корреляционных пиков, расположенных в виде заданной геометрической фигуры и на определенных расстояниях друг относительно друга, делает процесс идентификации ЗГ более устойчивым к помехе, которая может представлять собой в предельном случае сплошное "светлое" поле во всей области кодового изображения.
а) б) в) г) Рис. 4. Фотографии распределений интенсивности света в корреляционных пиках Была проведена экспериментальная проверка работоспособности МКОК СПФ типа Голокор-1 при амплитудных и геометрических искажениях входного сигнала, вызываемых смещением входной субголограммы относительно её исходного положения. Показано, что в экспериментах при заданных выше параметрах оптической схемы и величине смещения входной субголограммы не более 1 мм, указанные эффекты выражены незначительно и не приводят к существенному снижению интенсивности корреляционных пиков по сравнению с расчетными параметрами. В экспериментах использовалась входная СГФр, восстанавливающая три входных СКБИ в различным пространственных положениях (рис.4), при этом вероятность правильного обнаружения составила величину не менее 0,9, а значение отношения сигнал/шум не менее 50.
С целью уменьшения количества используемых лазеров, снижения управляющих напряжений для ОУ ПМС и уменьшения габаритных размеров оптической схемы, был разработан и изготовлен макет МКОК СПФ Голокор-2 основе ФСПМС типа МДП-ЖК, функциональная оптическая схема которого приведена на рис.5. Проведены его экспериментальные исследования по контролю подлинности ЗГ с несколькими входными СКБИ, восстановленными с матрицы нескольких входных субголограмм Фраунгофера. При этом матрица из нескольких входных субголограмм размещалась на пластиковой карточке, а эталонная субголограмма Фраунгофера была установлена внутри прибора. После 1-го фурье-преобразующего объектива в плоскости сравнения восстанавливаются несколько входных и одно эталонное СКБИ. Полученная в результате их наложения интерференционная картина регистрируется с помощью ФС-ПМС типа МДП-ЖК (лметалл-диэлектрикполупроводник-жидкий кристалл) с фоточувствительным слоем из арсенида галлия.
Рис. 5. Функциональная оптическая схема макета МКОК СПФ Голокор-2 На основе использования ФС-ПМС типа МДП-ЖК При считывании данной картины в отраженном когерентном свете лазера, после 2го фурье-преобразующего объектива, в плоскости анализа формируется структура корреляционных пиков, регистрируемых ФПУ МПИ. В состав прибора входят следующие элементы: 1) два лазерных осветителя на основе лазерных диодов ( = 0,65 мкм, Р=3-4 мВт) и коллимирующих линз, используемые для считывания эталонной и входных субголограмм Фраунгофера и результирующей интерференционной картины МДП-ЖК; 2) первый и второй фурье-преобразующие объективы, с оптической системой из отклоняющих и полупрозрачных зеркал; 3) ПМС типа МДП-ЖК; 4) цифровая видеокамера; 5) электронные драйверы управления блоками; 6)персональный компьютер. На макете Голокор-2 была выполнена серия экспериментов по идентификации ЗГ на пластиковых пропускных документах, содержащих матрицу входных субголограмм, восстанавливающие одновременно три входных СКБИ. В результате (при усреднении по 5измерениям) вероятность идентификации (правильного обнаружения) составила величину не менее 0,92, а значение отношения сигнал/шум не менее 50. Таким образом, в результате экспериментальных исследований были подтверждены правильность и обоснованность выбора математической модели и теории преобразования сигналов в МКОК СПФ. Была разработана методика проектирования и расчета основанных параметров МКОК СПФ с использованием ФС-ПМС различных типов, включающая габаритный и энергетический расчеты оптической схемы, оценку вероятности идентификации и отношения сигнал/шум в выходной плоскости анализа.
В четвертой главе представлены математические модели входного (эталонного) скрытого бинарного изображения (СБИ), восстанавливаемого с голограммы сфокусированного изображения, и его ПЧС, сформированного в оптическом тракте когерентно-оптического спектроанализатора (КОС) Разработанная математическая модель ПЧС входного СБИ, позволила получить математические выражения, описывающие ПЧС с помощью интегрально-секторных параметров (ИС-параметров), параметров координатных точечных пиков (КТПпараметров) и комбинированных интегрально-точечных параметров (КИТпараметров), полученных в результате выборки и пространственной фильтрации ПЧС, а затем сформированных в электронном тракте в виде цифровых численных массивов. Автором были модифицированы интегральные и дифференциальные параметры, ранее введенные в работах Г. Старка, Р. Отула, И.Н.Спиридонова для ПЧС медицинских изображений. Предложена процедура получения ИС-параметров, КТП-параметров и КИТ-параметров из ПЧС входного и эталонного СБИ: 1) формирование в когерентно-оптическом спектроанализаторе ПЧС входного СБИ с учетом пространственной фильтрации нулевого и высших порядков спектра; 2) регистрация ПЧС с помощью ФПУ-МПИ и его преобразование в цифровые сигналы; 3) по заданному алгоритму выборка отсчетов из ПЧС входного СБИ, сформированного в цифровой форме, как отдельных точечных амплитуд гармоник спектра, так и секторных зон с заданным набором амплитуд гармоник спектра; 4) вычисление в цифровой форме как интегральных параметров по усредненной совокупности амплитуд гармоник ПЧС в выделенных секторных зонах, так и точечных параметров по выборкам амплитуд гармоник ПЧС входного СБИ, а также их комбинированных параметров. Функциональная оптическая схема когерентнооптического спектроанализатора (КОС) для получения ИС-параметров, КТПпараметров и КИТ-параметров из ПЧС входного и эталонного СБИ показана на рис.6. При освещении субголограммы 2 когерентным излучением лазера 1 (или излучением от нескольких лазеров на различных длинах волн) с нее восстанавливается СБИ, а в задней фокальной плоскости фурье-преобразующего объектива формируется ПЧС входного СБИ, который пространственно фильтруется и регистрируется с помощью ФПУ-МПИ 4. В компьютере 5 по разработанному алгоритму выполняется цифровая обработка сигналов и формируются цифровые численные массивы ИС-параметров и ИТК-параметров из ПЧС входного и эталонного СБИ, а затем по ним производится корреляционное сравнение входного и эталонного СБИ, по результату которого выносится решение об идентификации ЗГ.
При разработке математических моделей входного скрытого бинарного изображения и его ПЧC были сделаны следующие предположения: 1)входное СБИ записывается на голограмму (или субголограмму) сфокусированного изображения (ГСФИ) по технологиям дот-матрикс или электронным лучом, с которой оно восстанавливается в плоскости носителя голограммы, т.е. плоскости голограммы и скрытого изображения совпадают; 2) входное СБИ представляет собой двухмерное изображение, состоящее из элементарных изображений (участков) с видимым некодированным бинарным изображением и элементарных изображений (участков) со скрытым некодированным бинарным изображением (например, микротекстом);
Рис. 6. Функциональная оптическая схема КОС Рис. 7. Структура входного СБИ 3) отдельные элементарные изображения (участки) в свою очередь состоят из голопикселей, заполненных дифракционными решетками различной ориентации и с различными опорными пространственными частотами, которые не накладываются друг на друга; 4) входное СБИ представляет собой тонкий фазовый транспарант с синусоидальным профилем рельефа, высота которого не зависит от опорной пространственной частоты. На рис.7 показана структура типового входного СБИ.
Математическая модель входного СБИ включает разбиение СБИ на N элементарных изображений (ЭИЗ), как показано на рис.7, заполненных в свою очередь голопикселями (размером аха) с различными ориентациями решеток и Оп Оп опорными пространственными частотами и . Коэффициент отражения всего x i yi СБИ представляется в виде N Оп Оп ЭИЗ СБИ x, y = ( ) ( ), () {ikhcos 2 x + y } есть x, y где iЭИЗ (x, y) = fiЭИЗ(x, y)exp x i y i i i=коэффициент отражения i-го элементарного изображения, h -глубина рельефа, fi ГП x, y -апертурная функция i-го элементарного изображения размером b b.
( ) Учитывая, что каждое i-ое элементарное изображение состоит из M квадратных голопикселей и exp iAcos ) может быть разложена в ряд по функциям Бесселя, ( получим ПЧС входного СБИ в виде M СБИ 2 ПП , = sinc a, a exp ( ) () a x y x y -i2 x j x + y j y j= Оп Оп Оп Оп J kh vx, v + J1 kh vx + , v + + vx - , v - { ( ) ( ) ( ) () () (5) 0 y x i y y i x i y y i Оп Оп Оп Оп - J kh vx + 2, v + 2 + vx - 2, v - 2 + ( ) () () 2 x i y y i x i y y i Оп Оп Оп Оп + in J kh vx + n, v + n + vx - n, v - n.
( ) } () () n x i y y i x i y y i n =Из проведенного анализа следует, что ширина основного пика спектра апертурной функции элементарного изображения f ЭИЗ , зависит от его формы и размеров ( ) i x y и изменяется в пределах от min =1 bmax до. Для элементарных max =1 bmin изображений наблюдаемых глазом на практике, характерный размер структуры колеблется от bmin = 0,1 мм до bmax =10 мм. В результате ширина основного спектрального пика ограничена сверху max =10 мм-1, т.е. на два порядка меньше величины опорных пространственных частот. Учитывая, что размеры ЭИЗ (например, микротекстов) значительно меньше размеров самого СБИ, которое обычно на практике равно 10-40 мм, то спектральные пики формируемые ими значительно шире, но из-за чрезвычайно малой площади, занимаемой этими элементами, их вклад в энергетику спектра пренебрежимо мал. Например, площадь фразы МИКРОТЕКСТ с высотой букв 200 мкм составляет 0,2 % от площади вceй голограммы 20 20 мм, что соответствует 0,2 % от энергии спектра всей голограммы. Ширина спектрального пика ЭИЗ в ПЧС СБИ на 2 порядка меньше опорной частоты, которой этот ЭИЗ заполнен. На нулевой частоте складываются спектральные пики всех ЭИЗ, что затрудняет идентификацию ЗГ по частотам, ниже Оп Оп опорных (менее min ). На частотах, выше опорных (более max ), форма спектральных пиков на удвоенных, утроенных и т.д. опорных пространственных частотах отличаются от формы пиков непосредственно на опорных частотах только множителем функцией Бесселя соответствующего порядка, причем для A = 2 h / =1,99 выполняется неравенство Jn A < J1 A для всех n 2. Поэтому ( ) ( ) высокие пространственные частоты являются избыточными для идентификации ЗГ.
Кроме того, поскольку в технологии dot-matrix всегда выполняется условие Оп Оп max < 2min, то спектральные пики на удвоенных опорных пространственных частоОп Оп тах не попадают в интервал частот от min до max. Для идентификации ЗГ необходимо рассматривать ПЧС входного (эталонного) СБИ только в диапазоне частот от Оп Оп min до max, на котором будут располагаться спектральные пики для данного СБИ на их опорных пространственных частотах с множителем iJ1 kh. Таким образом, ( ) необходимой частью процесса спектрального анализа СБИ является фильтрация Оп (режектирование) низких (менее min, включая нулевую частоту) и высоких (выше Оп min ) пространственных частот. Интегральные параметры ПЧС СБИ определяются в A , виде нормированной суммы амплитуд гармоник спектра ( ) в зоне, выделенной в заданных интервалах пространственных частот (с количеством интервалов разбиения по частоте N) и угловых параметров (с количеством N = / интервалов разбиения по углу ), как это показано на рис. 8 (I квадрант).
Для упрощения анализа предполагалась осевая симметрия ПЧС входного СБИ, что в большинстве случаев имеет место на практике. В результате проведенного анализа из совокупности интегральных параметров (частотного, углового и др.) был выбран интегрально-секторный параметр (ИС-параметр), описывающий ПЧС входного СБИ в требуемых интервалах пространственных частот и углов (рис. 8). ИС-параметр Dij определяется как нормированная величина интеграла от спектра мощности в плоскости пространственных частот от (i-/2) до и (i+/2) по сектору от (j/2) до (j+/2) и пропорционален энергии ПЧС в квадратном секторе(в пересечении секториального угла и полукольца r i ) j + + ji 2 2 ma x D = A , d d / A , d d . (6) i, j () () 0 min - ji 2 Рис. 8. Области интегрирования частотного, углового и секторного параметров в ПЧС СКБИ Показано, что для описания ПЧС СБИ достаточно сформировать массив ИСD1,1...D1, N Di, j N,N i =1ЕN j =1ЕN параметров { } = для всех и. Для DN...DN, N , случая субголограмм массив ИС-параметров определяет ее дифракционную эффективность на различных интервалах пространственных частот и ориентаций дифракционных решеток в ПЧС СБИ.
С целью повышения вероятности идентификации ЗГ по ПЧC входного и эталонного СБИ было предложено дополнительно определить в спектрах параметры координатных точечных пиков (КТП-параметры) и комбинацию из ИСпараметров и КТП-параметров, называемых далее комбинированными интегральноточечными параметрами (КИТ-параметры), полученных в результате выборки отсчетов ПЧС в электронном тракте и сформированных в виде цифровых численных массивов. КТП-параметры ПЧС СБИ определяются в виде массива координатных остроконечных пиков L = 1,1,2,2...,N, амплитуды и размеры которых [] N превышают наперед заданные пороги, т.е. под остроконечным спектральным пиком понимается наличие четко выраженного локального максимума в ПЧС с высоким контрастом в окрестности малого радиуса (IV квадрант-белый крестик на рис.8).
Разработана математическая модель процесса идентификации ЗГ в электронном тракте ОЭП на основе корреляционного алгоритма сравнения цифровых сигналов, описываемых цифровыми численными массивами КИТ-параметров ПЧС входного и эталонного СБИ. При этом эталонные СБИ предварительно вводятся в оптический тракт КОС для формирования ПЧC эталонных СБИ и после пространственной фильтрации и регистрации с помощью ФПУ-МПИ, из ПЧС каждого эталонного СБИ формируются КИТ-параметры в виде цифровых численных массивов, сохраняемых в памяти компьютерами под соответствующими номерами. Аналогично формируются КИТ-параметры для входных СБИ.
Предложенная математическая модель позволила установить зависимость между параметрами скрытых изображений и вероятностью идентификации ЗГ.
i,i Пусть ПЧС входного СБИ описывается координатным массивом L( ) остроконечных пиков и массивом ИС-параметров D. Тогда можно определить i, j LD = ,, Di N КИТ-параметры в виде массива { }, характеризующего спектр i i мощности одновременно по некоторым интегральным и точечным параметрам вида LD = 1,1, D1;2,2, D2...,N, DN . В результате в электронном блоке выпол[ ] N ЭТАЛ Dij ВХОД D няются следующие операции: 1) определяются массивы и { } { } ji ИС-параметров для ПЧС входного и эталонного СБИ; 2) определяется число общих пиков, которые присутствуют в массивах ПЧС эталонного LЭТАЛ = i,i,DiЭТАЛ и {} N ПЧС входного LВХОД = ,, Di ВХОД СБИ;3) определяется список совместимых {} i i N пиков LC = DВХОД, DЭТАЛ, который содержит только ИС-параметры ПЧС эталон- { } j j K ного и входного СБИ, координаты пиков которых совпали; 4) определяется коэффиN N В Х Э Т циент корреляции R D, D, = DiВ Х DiЭ Т, где k = k / N -угол () k, j - k, j i =1 j =поворота сектора, кратный интервалу разбиения интегральной характеристики ;
5) формируется решение об идентификации ЗГ, если выполняется соотношение R DВХ, DЭТ > h, где h-пороговый уровень, определяемый выбранным критерием () обнаружения. Для случая критерия Неймана-Пирсона, при заданной вероятности ложной тревоги PЛТ были получены выражения для вероятности правильной обнаружения PПО в зависимости от отношения сигнал/шум в плоскости спектрального анализа. Показано, что при заданных параметрах СБИ: размер 2хмм, число голопикселей-128х128; набор пространственных частот-900,1400,1600 мм; на частоте 1400 мм-1 ориентации решеток- / 4, / 2, 3 / 4 ; в спектре мощности 9 пиков; пороговое значение коэффициента корреляции h = 0,9, отношение сигнал/шум =100 и вероятность ложной тревоги PЛТ 10-6, то вероятность идентификации ЗГ составила не менее 0,98.
С целью проверки основных теоретических положений и результатов математического моделирования были разработаны макеты когерентного оптикоэлектронного спектроанализатора (КОЭС) Голоспектр-1 и некогерентного оптико-электронного спектроанализатора (НКОЭС) Голоспектр-2. На рис. 9 при- ведена оптическая схема КОЭС Голоспектр-1, предназначенного для контроля подлинности ЗГ, нанесенных на пластиковые карточки. Оптическая схема включает лазерный диод ( = 405 нм, мощность излучения-25 мВт), фотоприемное устройство на основе сканирующей линейки фотодиодов и фурье-преобразующий объектив.
Рис. 9. Оптическая схема КОЭС Голоспектр-1 В макете диаметр ЗГ был равен 25 мм, фокусное расстояние f =75 мм, максимальная пространственная частота 1600 мм-1. В макете КОЭС использовалась специализированная линейка фотодиодов с разрешением 600 точек на дюйм (размер фотоячейки 42 мкм) и областью сканирования от 90х50 мм до 150х150 мм. Таким образом, размер элемента приемника изображения по порядку величины соответствует ширине спектрального пика ПЧС СКБИ. Экспериментально было показано, что КИТ-параметры полностью определяются сектором ПЧС входного СБИ, заключенным в интервале пространственных частот от 900 до1600 мм-1 и ориентаций решеток в секторе от 0 до . В этом секторе ПЧС СБИ состоит из отдельных узких спектральных пиков. Это позволяет поставить в соответствие каждой ЗГ свой цифровой массив КИТ-параметров, сохраняемых в базе данных эталонных голограмм. Экспериментальные исследования показали, что вероятность правильного обнаружения составила 0,94, а вероятность ложной тревоги составила РЛТ=3.10-7 (при заданном по критерию Неймана-Пирсона пороговом уровне hПОР=0,9). В макете некогерентного НКОЭС Голоспектр-2 вместо лазера были использованы четыре светодиода с длинами волн света 0,47 мкм, 0,55 мкм, 0,65 мкм и ИК-излучения с длиной волны 0,85 мкм, а для регистрации использовались четыре линейки с 8-мью фотодиодами в каждой. При количестве испытаний по 2000 раз на каждую пластиковую карточку вероятность правильного обнаружения для НКОЭ Голоспектр-2 удалось повысить до значения 0,97.
В пятой главе представлена теория когерентно-оптического процессора (КОП) для контроля подлинности ЗГ, реализующего оптическую свертку функций входного и эталонного СКБИ с помощью операции их цифрового векторноматричного умножения. Приведены математическая модель КОП и анализ преобразования сигналов в оптическом тракте, позволившие получить математические соотношения, устанавливающие зависимость между параметрами оптоэлектронных элементов, параметрами нелинейности рельефно-фазовых субголограмм, параметрами дискретной функции рассеяния 1-го рода когерентной оптической системы, учитывающей перекрестные помехи между каналами матричного ПМС и матричного приемника, и вероятностью ошибки на единицу младшего разряда в выходной плоскости оптической системы КОП.
Показано, что известный алгоритм умножения двух двоичных чисел с помощью операции свертки над их цифровыми представлениями, называемый алгоритмом цифрового умножения с помощью аналоговой свертки (ЦУАС), может быть реализован в оптическом тракте КОП с помощью операции векторноматричного умножения коэффициентов пропускания транспарантов, содержащих СКБИ в виде двоичного позиционного кода, и эквивалентен корреляционному алгоритму сравнения входного и эталонного СКБИ, восстановленных с субголограмм Фурье. На основе данного положения был предложен метод контроля подлинности ЗГ с оптической сверткой функций входного и эталонного СКБИ, восстановленных с субголограмм, выполняемой в КОП с помощью операции их цифрового векторно-матричного умножения.
Показано, что входное и эталонное СКБИ представляют собой бинарные изображения, в которых формируются группы из N элементов (обычно N=8), пространственно позиционируемые в виде строк и столбцов. Это позволяет рассматривать их как эквивалентные математические векторы, столбцы и матрицы, состоящие из чисел в двоичной форме, а обработку таких изображений - как эквивалентные математические операции над векторами и матрицами.
Проведен анализ преобразования сигналов в оптической схеме КОП, реализующего алгоритм ЦУАС с помощью оптической свертки в области пространственных частот. Показано, что главным достоинством этой схемы является требование статичности во времени функций входного и эталонного СКБИ, восстановленных с субголограмм Фурье. При этом коэффициент пропускания эт(x,y) транспаранта с эталонным СКБИ, выбираемый из базы данных эталонных сигналов, принимается за эталонный вектор, а функция пропускания вход(x,y) транспаранта со входным СКБИ, восстановленного со входной субголограммы Фурье, принимается за входной вектор. На рис.10 приведена оптическая схема КОП с векторно-матричным умножением входного и эталонного СКБИ, реализующего свертку оптических сигналов по алгоритму ЦУАС в области пространственных частот, где 1-лазер, 2-коллимирующий объектив, 4- ПМС-ЖК с эталонным СКБИ, 3 и 6 - фурье-преобразующие объективы (ФПО), 5- входная субголограмма Фурье, восстанавливающая входное СКБИ, 7 - ФПУ МПИ.
Входное СКБИ представлено в виде Фурье-образа входного вектора-столбца F fВХ (-,-) {}, состоящего из бинарных чисел, и записано в виде субголограммы Фурье 5, установленной в частотной плоскости. Эталонное СКБИ представлено в fЭТ (x, y) виде эталонного вектора-столбца (или столбцов эталонной матрицы), состоящего из бинарных чисел, вводимого в оптический тракт КОП с помощью ПМC-ЖК 4. После первого ФПО 3 в плоскости входной субголограммы Фурье формируется распределение комплексной амплитуды пропорциональное ПЧС эталонного СКБИ.
Рис. 10. Функциональная оптическая схема КОП, реализующего оптическую свертку входного и эталонного СКБИ в области пространственных частот с помощью операции векторно-матричного умножения После отражения лазерного излучения от входной субголограммы Фурье с нее восстанавливается распределение комплексных амплитуд пропорциональное ПЧС входного СКБИ. В результате умножения амплитудного коэффициента пропускания субголограммы Фурье с распределением комплексных амплитуд пропорциональным ПЧС эталонного СКБИ, формируется результирующее распределение комплексных амплитуд, пропорциональное произведению ПЧC входного СКБИ и ПЧС эталонного СКБИ. Для осуществления свертки выполняется преобразование Фурье F fВХ (-,-) от результата произведения Фурье образов [ { } F fЭТ (-,-) ] с { } помощью второго ФПО 6. В результате в плоскости ФПУ-МПИ 7 формируется распределение интенсивности лазерного излучения, пропорциональное свертке коэффициентов пропускания входного вход(x,y) и эталонного эт(x,y) векторовстолбцов x y x y и и I x, y,и и, , () (7) и и вход эталон где -линейное увеличение оптической системы; x,y Цкоординаты в плоскости входного транспаранта ПМС-ЖК; xu, yu Цкоординаты в плоскости анализа; f С3 и f С - фокусные расстояния ФПО 3 и 6; - угол восстановления входного СКБИ.
Показано, что нелинейность рельефно-фазовых субголограмм Фурье приводит к появлению дополнительных членов разложения в выражении для пропускания субголограммы и к изменению в соответствии с коэффициентами нелинейности величины амплитуды в каждом из дифракционных порядков за счет перераспределения энергии. Показано, что в рабочем пучке первого порядка, дифрагировавшем на субголограмме Фурье, кроме полезного сигнала восстановленного входного СКБИ появляется фоновый сигнал, причем отношение сигнал-фон не превышает 2-х раз для случая максимальной дифракционной эффективности и максимальной фазовой модуляции коэффициента пропускания субголограммы. Для получения максимального отношения сигнал/фон в рабочем порядке дифракции необходимо повышать значение отношения интенсивностей объектного и опорного пучков при записи субголограммы Фурье и уменьшать дифракционную эффективность в первом порядке дифракции за счет снижения глубины модуляции фазы объектной волны. При этом минимальное значение глубины модуляции фазы ограничено уменьшением дифракционной эффективности голограммы в рабочем порядке дифракции до величины, при которой потребуется в несколько раз увеличивать мощность излучения лазера, что приводит к увеличению массогабаритных параметров оптической схемы и усложнению всей конструкции КОП.
Представлена математическая модель оптического тракта КОП, учитывающая влияние шумов и погрешностей оптоэлектронных элементов на вероятность ошибки при вычислении свертки сигналов в выходной плоскости КОП. Проанализированы основные погрешности и шумы оптоэлектронных элементов: 1) разброс параметров коэффициентов пропускания отдельных элементов ПМС-ЖК, 2) разброс чувствительности элементов (мультипликативная погрешность) и аддитивные шумы матричного приемника излучения и 3) нелинейность АЦП, которые вместе приводят к различию потоков мощности излучения, представляющих логические переменные 0 и 1, и возникновению ошибки вычислений на выходе оптико-электронного тракта.
Для разработанной математической модели КОП была определена вероятность ошибки вычислений на двоичную единицу младшего разряда (ДЕМР) на выходе АЦП при обработке сигналов в электронном блоке. На выходе оптикоэлектронного тракта имеют место цифровые сигналы и появление на выходе АЦП цифр 0 и 1 равновероятно. Для определения вероятности ошибки в этом случае используется критерий Уидеального наблюдателяФ, при котором вероятность ошибки ДЕМР определяется как Pош= (Pлт +Pпр), где Pлт и Pпр - вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала. В предположении статистической независимости погрешностей и шумов и распределении плотности вероятности оптоэлектронных элементов КОП по нормальному закону, было получено выражение для вероятности ошибки на ДЕМР l 2 exp(-g / 2 ) - 0, g + 0,5 g g РОШ = 0,5 + Фdg = 1- Ф 1/ -L 2Ф(L / g ) g 2 N -1 N gexp(- ) L 2g g + + 0.5 g + + yПОР = 0.5 (1- ( ) + ( - ))dg, (8) 1/ N -1 N 2L /g )g 2 ( [] -L где Ф-интеграл вероятности; N-размерности входного и эталонного векторов; L - величина нелинейности АЦП; и - среднеквадратические значения (СКЗ) N -1 N модуляционной характеристики АЦП; - СКЗ, определяемое точностными g параметрами оптоэлектронной элементной базы КОП; yПОР=(N-0,5)- пороговое значение для АЦП; - отношение сигнал на выходе АЦП. Рассмотренные математические модели АЦП и погрешностей оптоэлектронных элементов позволяют провести статистический расчет, т.е. определить функционал, связывающий вероятность ошибки Рош на ДЕМР с размерностью N и совокупностью параметров качества-среднеквадратических значений (СКЗ), дисперсии погрешностей и шумов оптоэлектронных элементов КОП. Для упрощения расчетов было введено понятие трех видов оптоэлектронной элементной базы КОП: 1) серийная ЭБ с СКЗ погрешностей и шумов непосредственно измеренными на лучших образцах выпускаемой элементной базы; 2) экспериментальная ЭБ с СКЗ, получаемыми в условиях тщательной настройки и юстировки элементов; 3) перспективная ЭБ с минимально возможными СКЗ. Были получены математические выражения, показывающие зависимость вероятности ошибки от размерности N входного вектора (числа слагаемых) для различных типов элементной базы и от отношения сигнал/шум на выходе АЦП. Показано, что: 1) при размерности входного вектора N=8 значение вероятности ошибки составляет 10-6 для серийной элементной базы, 10-7 для экспериментальной элементной базы, 10-9 для перспективной элементной базы; 2) при размерности входного вектора N=значение вероятности ошибки не превышает допустимую величину, равную 10-3 для всех типов элементной базы; 3) при размерности входного вектора N=8 и значении отношения сигнал/шум =75 значение вероятности ошибки составляет 10-3 для серийной элементной базы и 10-6 для экспериментальной элементной базы; 4) из всех возмущающих факторов наиболее существенное влияние на точность вычислений оказывают шумы и погрешности приемника излучения, а также нелинейность АЦП.
Представлена математическая модель перекрестных помех между каналами матричного ПМС и матричного приемника при обработке сигналов в оптическом тракте КОП. Показано, что перекрестные помехи обусловлены осцилляциями вида функции рассеяния когерентной оптической системы и проявляются в наложении хвостов функции рассеяния на соседние элементы эталонной матрицы и матричного фотоприемника, что приводит к ошибкам при умножении транспарантов-столбцов и поэлементном сложении векторов в плоскости приемника и, следовательно, к появлению ложного сигнала ошибки. Показано, что функция рассеяния может быть представлена в дискретном виде, а для анализа достаточно использование дискретной функции рассеяния 1-го рода, при которой первый порядок (первый максимум) функции рассеяния накладываются не более, чем на соседние элементы матрицы ПМС и элементы матричного приемника излучения.
Получено математическое выражение для вероятности ошибки, показывающее ее зависимость от параметров дискретной функции рассеяния 1-го рода - диаметра кружка рассеяния и ряда конструктивных параметров оптической системы.
Показано, что при диаметре кружка рассеяния в пределах d=0.02-0.03 мм, величина энергии в первом порядке дискретной функции рассеяния 1-го рода составляет величину hкр1=0,0236, и при размерности входного вектора N=8, вероятность ошибки, обусловленная перекрестными помехами, не может превышать предельнодопустимой величины 10-4.
С целью проверки теоретических положений и результатов математического моделирования был разработан макет КОП Голопро-1 на основе ПМС типа МДП- ЖК, оптическая схема которого приведена на рис.11, и проведены его экспериментальные исследования по идентификации ЗГ со СКБИ, восстановленными с субголограмм Фурье.
В качестве тестовых оптических сигналов были использованы:
1) входное СКБИ, восстановленное со входной субголограммы Фурье, в виде 8-ми разрядного вектора;
Рис. 11. Функциональная оптическая схема макета КОП Голопро-1 2) эталонное СКБИ в виде эталонной матрицы размерностью NxM=8х8 элементов, выводимое из электронного тракта в оптическую систему процессора с помощью ПМС, причем логической У1Ф элемента эталонного вектора соответствует коэффициент пропускания ячейки ПМС-ЖК равный 1, а логическому У0Ф элемента эталонного вектора соответствует коэффициент пропускания ячейки ПМС равный 0.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность макета КОП Голопро-1 для контроля подлинности ЗГ по СКБИ, заданных в виде векторов, а также правильность полученных теоретических результатов, технических решений и методики расчета и проектирования подобных КОП.
В заключении сформулированы и приведены основные выводы, научные и практические результаты работы.
3. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В диссертационной работе решена крупная научно-техническая проблема разработки методов и проектирования ОЭП для контроля подлинности защитных голограмм, имеющая важное значение для развития оптико-электронного приборостроения в области оптических технологий защиты документов от подделки и обеспечения безопасности документооборота в стране. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:
1) обоснованы и разработаны новые методы контроля подлинности ЗГ:
- метод контроля подлинности ЗГ на основе корреляционного анализа в МКОК с совместным преобразованием Фурье функций ПЧС нескольких входных и эталонных СКБИ, восстановленных с субголограмм Фурье или Фраунгофера;
- метод контроля подлинности ЗГ на основе пространственно-частотного анализа функции входного СБИ, восстановленного со входной субголограммы, в оптическом тракте КОС и сравнения по корреляционному алгоритму цифровых массивов комбинированных интегрально-точечных параметров, характеризующих ПЧС входного и эталонного СБИ, в электронном тракте ОЭП;
- метод контроля подлинности ЗГ на основе оптической свертки функций входного и эталонного СКБИ, восстановленных с субголограмм, выполняемой в когерентнооптическом процессоре с помощью операции их векторно-матричного умножения;
2) разработана математическая модель оптического тракта МКОК с СПФ нескольких ПЧС СКБИ, восстаноленных с субголограмм Фурье (Фраунгофера), и проведен анализ преобразования сигналов, позволившие получить математические выражения, устанавливающие зависимость между параметрами нелинейности рельефно-фазовых субголограмм, амплитудных и геометрических искажений оптических сигналов, погрешностями позиционирования субголограмм и величиной интенсивности корреляционных максимумов, отношением сигнал/шум и вероятностью идентификации в выходной плоскости оптической системы МКОК;
3) разработана математическая модель ПЧС СБИ, сформированного в оптическом тракте КОС, позволившая однозначно описать спектр совокупностью интегральносекторных параметров (ИС-параметры) и комбинированными интегрально-точечными параметрами (КИТ-параметры), сформированными в виде цифровых численных массивов путем выборки отсчетов из зарегистрированного ПЧС СБИ в электронном тракте ОЭП; разработана математическая модель процесса идентификации ЗГ, построенного на корреляционном алгоритме сравнения цифровых массивов КИТ-параметров ПЧС входного и эталонного СБИ, показавшая, что для заданных геометрических параметров СБИ, уровня порога равного hпор = 0,9 и отношения сигнал/шум выходных сигналов равного =100, вероятность правильного обнаружения и вероятность ложной тревоги составили РПО=0,98 и РЛТ=310-7.
4) разработана математическая модель КОП, позволившая характеризовать точностные параметры процессора вероятностью ошибки на единицу младшего разряда и определить математические выражения, связывающие вероятность ошибки с отношением сигнал/шум в выходной плоскости оптического тракта процессора; получены математические выражения, определяющие зависимость вероятности ошибки от величины динамического диапазона процессора, параметров погрешностей и шумов оптоэлектронных элементов, нелинейности АЦП и погрешностей дискретизации функции рассеяния 1-го рода когерентной оптической системы; показано, что для предельно-допустимого значения вероятности ошибки равного 10-3 и отношения сигнал/шум не менее 40, размерность входного вектора может лежать в требуемых на практике пределах N=8-16 бит; разработана математическая модель перекрестных помех между каналами обработки сигналов в оптическом тракте КОП и получены математические выражения, определяющие зависимость вероятность ошибки от параметров дискретной когерентной функции рассеяния 1-го рода и конструктивных параметров оптической системы;
5) разработаны оригинальные оптические схемы и методики проектирования ОЭП контроля подлинности ЗГ и проведены экспериментальные исследования:
- макетов когерентно-оптических корреляторов Голокор-1 на основе оптически управляемого ПМС ПРИЗ, Голокор-2 на основе ПМС типа МДП-ЖК, Голокор-3 с цифровой обработкой СКБИ, предназначенных для массового в потоковом режиме контроля подлинности ЗГ на ценных бумагах, бумажных и пластиковых документах в реальном масштабе времени; при использовании в макете Голокор-2 входной субголограммы Фраунгофера, восстанавливающей три различных входных СКБИ, вероятность правильного обнаружения составила 0,9, а значение отношения сигнал/шум не менее 50;
- макетов когерентно-оптического Голоспектр-1 и некогерентно-оптического Голоспектр-2 спектроанализаторов, предназначенных для выборочного контроля подлинности ЗГ на бумажных и пластиковых документах в квазиреальном масштабе времени; при количестве испытаний до 2000 раз на каждую пластиковую карточку вероятность правильного обнаружения для НКОЭ Голоспектр-2 составила 0,97;
- макета когерентно-оптического процессора Голопро-1 на основе ПМС типа МДП-ЖК, предназначенного для выборочного контроля подлинности ЗГ на паспортах, бумажных и пластиковых удостоверениях вне реального времени, и показавшего, что при размерности входного вектора N=8 значение вероятности ошибки составило не более 10-6.
Проведенные экспериментальные исследования и полученные экспериментальные результаты перечисленных макетных образцов ОЭП для автоматического контроля подлинности ЗГ подтвердили правильность разработанных в диссертации теоретических положений и математических моделей.
Результаты диссертации опубликованы в 98 работах. Основные из них:
1. Информационная оптика / Н.Н. Евтихиев [и др.]. М: МЭИ, 2000. 611 с.
2. Одиноков С.Б. Оптико-электронный матричный процессор для идентификации защитных голограмм с кодированными скрытыми изображениями // Оптический журнал. 2006. Т. 37. №7. С. 29-37.
3. Одиноков С.Б., Петров А.В. Анализ точностных параметров оптико-электронного матрично-векторного процессора обработки цифровой информации // Квантовая электроника. 1995. Т. 22. №10. С. 1001-1008.
4. Одиноков С.Б. Методы и оптико-электронные процессоры для идентификации защитных голограмм с кодированными скрытыми изображениями // Ю.Н. Денисюк - основоположник отечественной голографии: сборник трудов Всероссийского семинара. 2007. С. 129-137.
5. Одиноков С.Б., Борисов М.В. Оптическая система записи и считывания матрицы голограмм // Автометрия. 2000. № 6. С. 33-43.
6. Одиноков С.Б. Анализ схем оптико-электронных идентификаторов защитных голограмм с кодированными скрытыми изображениями // Вестник МГТУ.
Приборостроение. 2005. Специальный выпуск. МГТУ 175 лет. С. 67-75.
7. Получение и считывание голограмм со скрытым изображением / С.Б. Одиноков [и др.] // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2004. №1(54). С. 37-55.
8. Одиноков С.Б., Щербинин М.В. Анализ погрешности установки кодирующей маски в схемах получения плоских голограмм // Автометрия. 2000. № 6. С. 23Ц33.
9. Одиноков С.Б. Классификация специальных элементов в защитных голограммах и их идентификация подлинности // ГОЛОЭКСПО-2007: сборник трудов 4-й Международной конференции. Москва, 2007. С. 23-24.
10. Одиноков С.Б., Квашин В.А. Влияние дискретной передаточной функции на точность вычислений в акустооптическом матрично-векторном процессоре // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1997. № 3. С. 71-79.
11. Odinokov S.B. Access control holographic system based on joint transform correlator and image encoding // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). 2008. V.
17. №3. Р. 220-231.
12. Odinokov S.B., Petrov A.V. Analysis of addition accuracy in optoelectronic matrix vector multiplier // International Journal of Optoelectronics London. 1994. V. 9, №4. Р.
315-323.
13. Одиноков С.Б., Павлов А.Ю. Оптико-электронный матричный идентификатор защитных голограмм // Информационно-измерительные и управляющие системы.
2005. Т. 4. №4-5. С. 104-116.
14. Одиноков С.Б., Лушников Д.С., Павлов А.Ю. Программно-аппаратный комплекс ГОЛОИНИД для индивидуализации и идентификации защитных голограмм со скрытым кодированным изображением // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2008.
№4 (73). С. 115-121.
15. Одиноков С.Б., Павлов А.Ю. Анализ оптических схем стенда для получения специального голографического защитного элемента и устройства контроля подлинности защитных голограмм // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2009. №(75). С. 31-50.
16. Разработка и исследование метода и оптической системы получения мультиплексных голограмм в системах архивной оптико-голографической памяти / С.Б. Одиноков [и др.] // Оптический журнал. 2009. Т. 76. №7. С. 3-9.
17. Одиноков С.Б. Оптико-электронное устройство контроля подлинности защитных голограмм на основе анализа пространственного спектра // Естественные и технические науки. 2010. №2 (46). С. 256-260.
18. Одиноков С.Б., Жердев А.Ю. Пространственно-частотный спектральный анализ и оптико-электронный спектроанализатор для контроля подлинности защитных голограмм // Мир техники кино. 2010. №15. С. 8-17.
19. Odinokov S.B., Sherbinin M.V. Comparative analysis of optical arrangements intended for recording of holograms with optically encoded and concealed images // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). 2008. V. 17. №4.
Р. 263-270.
20. Анализ влияния характеристик акустооптического матрично-векторного процессора на точность вычислений / С.Б. Одиноков [и др.]. // Оптический журнал.
1996. №10. С. 53-56.
21. Одиноков С.Б., Вихарев С.В., Сенькин В.М. Некоторые проблемы сертификации специальных защитных знаков по опыту работы испытательной лаборатории // Системы безопасности связи и телекоммуникации. 1998. С. 98-102.
22. Одиноков С.Б., Борисов М.В. Оптическая система устройства для получения матрицы голограмм // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1998. № 3. С. 14-23.
23. Одиноков С.Б., Сальников Е.Е. Исследование качества радужных голографических изображений на основе измерения модуляционной передаточной функции // Автометрия. 2002. №3. С. 71-79.
24. Одиноков С.Б. Методы и оптико-электронные приборы для контроля подлинности защитных голограмм со скрытыми изображениями // ГОЛОЭКСПО2009: сборник трудов 6-й Международной конференции. Киев, 2009. С. 33-36.
25. Research of a method and optical system for record multiplex holograms in system of holographic memory / S. Odinokov [et al.] // Proc. SPIE. 2009. V. 7358. Р.735816-1735816-7.
26. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р. Технология изготовления дифракционных и голограммных оптических элементов с функциональным микрорельефом поверхности методом плазмохимического травления // Вестник МГТУ.
Приборостроение. 2010. №2 (79).
27. Изготовление голографического зеркала на основе слоя бихромированной желатины / С.Б. Одиноков [и др.] // Оптический журнал. 2011. Т. 78, №2. С. 36-41.
28. Одиноков С.Б., Борисанова А.О. Измерение амплитудно-фазовой модуляционной характеристики жидкокристаллического модулятора света, используемого в системе голографической памяти // Мир техники кино. 2011. №19.
С. 23-31.
29. Устройство для контроля подлинности голограмм: пат. № 2103741 РФ / С.Б. Одиноков [и др.] // БИ. 1998. №12.
30. Устройство для идентификации ценных бумаг: пат. №43672 РФ / С.Б. Одиноков [и др.] // БИ. 2005. №3.
31. Способ защиты голограмм от подделки и устройство автоматического контроля подлинности голограммы: пат. №2246743 РФ / С.Б. Одиноков [и др.] // Изобретения.
2005. №5.
32. Патент Российской Федерации No 2103741. Устройство для контроля подлинности голограмм /Бондарев Л.А., Куракин С.В., Курилович А.В., Одиноков С.Б., Смык А.Ф.// БИ, №12 - 27.01.1998.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям