CN101645133A - 验证和创建安全物品的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了验证和创建安全物品的方法和装置。用于从纸、纸板、塑料或许多其他材料类型制成的物品，确定数字签名的方法和装置。相干光源引导光束照射物品，以及检测器装置收集来自从物品的许多不同部分散射的光的数据点，以便收集大量独立的数据点，通常为500或更多。通过收集专用于物品的许多不同部分的大量独立信号组成，可计算对所扫描的物品的区域唯一的数字签名。每当需要测试物品的真实性时，可重复该测量。使用该方法，已经发现，对制造专门定制的标志的努力和花费实质上是无意义的，因为可以以直接方式从各种日常物品测量唯一特性。

Description

验证和创建安全物品的方法和装置
本申请是基于申请号为200580013724.9，申请日为2005年03月09日，发明名称为“真实性验证方法、产品和装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及安全方法，更具体地说，涉及诸如个人标识(ID)卡的物品、销售产品、重要文档或其他项目的真实性的验证。
背景技术
许多传统的验证安全系统依赖于对除制造商以外的任何人难于执行的过程，其中，由于固定装置的费用、技术专门知识的复杂性或尤其两者，强加该困难。例子是在钞票中提供水印和在信用卡或护照中提供全息图。不幸的是，罪犯正变得越来越老练，事实上能再现原始制造商能做的一切事。
由此，存在用于验证安全系统的已知方法，依赖于使用由自然法则管理的一些过程来创建安全标志，所述自然法则导致每一标志是唯一的，以及更重要的，每一标志具有可测量的唯一特性，并由此能用作后续验证的基础。根据该方法，以获得唯一特性的设定方法来制造和测量标志。该特性然后可以存储在计算机数据库中，或者被保留。这种标志可以嵌入载体物品，例如钞票、护照、ID卡、重要的文档中。随后，可以再次测量该载体物品，并将测量的特性与存储在数据库中的特性进行比较以便确定是否匹配。
在该一般方法内，已经建议使用不同的物理效果。已经考虑的一种效果是测量来自沉积的磁性材料的磁响应特性，其中，作为在以不能复制的方式形成的磁性材料中自然出现的缺陷的结果，每一样本具有唯一的磁响应[1]。在多个现有技术文档中考虑的另一效果是，使用来自物品的固有属性的激光散斑来提供唯一特性。
GB 2 221 870A[2]公开了一种方法，其中，诸如ID卡的安全装置有效地具有在其上凸出的标志。标志的形式是从原版导出的结构表面。来自光散射结构的散斑图对原版是唯一的，因此能被测量以便证明安全装置上的标志的真实性。在具有激光器和检测器的读取器中，测量安全装置上的标志，所述激光器用于生成大小粗略等于标志(2mm直径)的相干光束，所述检测器诸如电荷耦合器件(CCD)检测器，用于测量激光束和标志相互作用所产生的散斑图。记录该结果数据。为了验证，可以将安全装置放在读取器中，并将其记录的散斑图信号再次与来自从同一原版产生的参考装置的类似记录信号进行比较。
US 6,584,213[3]描述了一种使用从专门定制的表面结构反射的散斑图的另一替换，其中，在从专门定制的透明标志的传输中使用散斑图。该技术的优选实现是定制尺寸约为1cm×1cm的环氧树脂标志，其中嵌入玻璃球。通过将玻璃球混合在流体聚合物中的胶状悬浮体中，然后固化以便固定玻璃球的位置，来定制所述标志。通过被定位以测量散斑图的CCD检测器，使用传输的相干激光束来探测唯一的玻璃球集。在该方法的改进中，将已知标识符编码在反射面上，反射面然后粘在标志的一个侧面上。探测光穿过所述标志，被已知标识符反射，然后再次穿过所述标志。玻璃球由此改变散斑图，使得从已知标识符生成唯一的散列密钥。
Kralovec[4]简单地报道了在八十年代，US的Sandia国家实验室的工作人员进行了被注入切开的光纤的特殊钞票纸实验。可以从该光纤测量散斑图，以及数字符号版本在该钞票的侧面上印刷为条码。然而，Kralovec报道该想法不能正确地工作，因为光纤太易碎，以及当钞票流通时，由于磨损，散斑图快速改变。这表示从用在钞票中的光纤测量的散斑图不再匹配条码，以致钞票不再能以预期方式，由散斑图来验证。
Anderson[5]在其2001课本第251页也简单地谈及似乎与Kravolec[4]所述类似的方案，用于监视武器管制协定。Anderson观察到许多材料具有唯一的表面，或可以通过用少量炸药侵蚀它们，来做出这样的表面。这也就是说，使得易于识别固定设备，诸如重的大炮，其中，识别每一个枪筒足以防止被任一方欺骗武器管制协定。Anderson报道使用激光散斑技术来测量枪筒的表面图，记录在日志中或粘附在装置上，作为机器可读数字签名。
代替使用激光散斑，存在一组更直接的建议方案，简单地以高分辨率来成像物品，并将该高分辨率图像用作唯一特性，然后可以被再成像用于验证真实性。这可以被视为采用用于由警方保存的指纹库的传统方法。
US 5,521,984[6]建议使用光学显微镜来获得小面积昂贵物品，诸如绘画、雕刻、邮票、宝石或特殊文档的图像。
Anderson[5]在他的2001课本的第252页报道邮政系统正考虑基于用显微镜直接成像信封的这种方案。报道生成信封的纸纤维的图像，提取图案并记录在数字标记的邮政邮戳中。
US 5,325,167[7]建议了根据类似方案，成像昂贵文档的一部分上的色粉颗粒的颗粒结构。
通过该在前工作，存在对理想验证方案很显然的各种所需特性。
该报道的基于磁性或散斑的技术似乎能提供高安全级，但对具体实现，需要定制特殊材料[1，2，3]以便确保探测结构的长期稳定性[4]。在许多情况下，将标志集成到将固定的物品中是不现实的。特别地，将树脂标志或磁性芯片集成在纸或纸板中并不容易，并且包含相当大的费用。为了与纸或纸板集成，任一标志理论上应当是可印刷的。另外，还存在基于可贴标志的方法的固有安全风险，因为该标志可能被拆卸并贴到不同的物品上。
所报道的直接成像技术[5，6，7]具有它们直接从物品获得它们的数字签名而避免需要特殊标志的优点。然而，它们的固有安全性很低。例如，它们易受到对于存储的图像数据的欺诈访问，允许制作可被不正确地验证为真实的物品，或通过简单使用高分辨率打印机来打印当查看真实物品的相关部分时在显微镜下所看到的图像来进行仿造。直接成像技术的安全级也与成像数据量成比例，为了更高安全级，迫使使用昂贵的高分辨率成像装置。在一些应用，诸如邮政分选或钞票验证中这是可接受的，但在许多应用中是不可接受的。
发明内容
本发明源自有关使用由磁性材料制成的标志来应用验证技术的发明人的工作，其中，通过影响标志的磁响应的磁性材料中的不可再现缺陷来提供唯一性[1]。作为该工作的一部分，以条码格式来制作磁性材料，也就是，制作为许多平行的条。同样，通过用磁性读取器来扫过磁场，来读取条的唯一磁响应，构建光学扫描仪，以便通过在条码上扫描激光束，以及使用条码条和在其上形成条码条的物品的可变反射率的对照，来读取条码。该信息与磁特性互补，因为使用条码以一种非常公知的自验证方案来编码唯一磁响应的数字签名，例如如上所述用于钞票[4]。
令发明人非常吃惊的是，当使用这个光学扫描仪时发现，在其上支撑磁性芯片的纸质背景材料对扫描仪给出唯一的光学响应。在进一步研究之后，确定许多其他非定制表面，诸如各种纸板和塑料的表面显示出相同的效应。此外，发明人已经确定，唯一特性至少部分由散斑引起，但也包括非散斑作用。
由此发现，可以获得基于散斑的技术的所有优点，而不必使用特殊定制的标志或以任何其他方式特殊定制物品。特别地，许多种纸和纸板已经被发现由相干光束产生唯一特性散射信号，使得可以从几乎任何纸质文档或纸板封装项获得唯一数字签名。
用于安全装置的上述现有技术散斑读取器似乎基于用准直，即非聚焦激光束来照射整个标志，并用CCD来成像最终散斑图的有效立体角部分[2，3]，从而获得由大的数据点阵列组成的标志的散斑图图像。
由本发明人使用的读取器不以这种方式进行操作。它使用角度分开的四个单通道检测器(四个简单的光电晶体管)来仅收集来自散射激光束的四个信号分量。将激光束聚焦到仅覆盖表面的非常小部分的光点。当在表面上扫描光点时，通过四个单通道检测器，从表面上的不同局部区域收集信号。来自物品的特性响应因此由来自物品表面上的大量(通常上百或上千)不同局部区域的独立测量组成。尽管使用四个光电晶体管，但仅使用来自单个光电晶体管的分析表明，能仅由该单通道导出唯一特性响应。然而，如果在响应中包括四通道中的另外的通道，则将获得更高的安全级。
根据本发明的一个方面，提供一种用于确定来自排列在读取体积中的物品的签名的装置，包括：用于生成相干光束的源；检测器装置，用于从当相干光束从所述读取体积散射时获得的信号，收集数据点集合，其中，不同数据点集合与来自读取体积的不同部分的散射有关；以及数据采集和处理模块，用于从所述数据点集合，确定物品的签名。
在一些实施例中，通过提供驱动器，用于使相干光束在读取体积上移动，来确保不同数据点集合与来自读取体积的不同部分的散射有关，以及使相干光束尺寸化为具有基本上小于读取体积在垂直于相干光束的平面中的投影的横截面，使得相干光束在驱动器的作用下，采样所述读取体积的不同部分。可以通过在保持固定的物品上移动光束的电动机来提供驱动器。该驱动电动机可以是伺服电动机，自由运转电动机，步进电动机或任何适当的电动机类型。另外，在低成本读取器中，该驱动器可以是手动的。例如，操作者可以通过将安装物品的支架移过静态光束，在读取体积上扫描光束。相干光束的横截面将通常比读取体积的投影小至少一个数量级(最好至少两个数量级)，以便能收集大量的独立数据点。可以提供聚焦装置，用于将相干光束聚焦到读取体积中的焦点。聚焦装置可以配置成将相干光束聚焦到细长焦点，在任一情况下，最好将驱动器配置成在与细长焦点的长轴横向的方向上，在读取体积上移动相干光束。能方便地通过柱面透镜或等效的镜面装置来提供细长焦点。
在其他实施例中，能确保不同数据点集合与来自读取体积的不同部分的散射有关在于，检测器装置包括多个检测器通道，检测器通道排列和配置成检测来自读取体积的各个不同部分的散射。这可以通过定向检测器、通过光纤或其他措施局部收集信号来实现。通过定向检测器或信号的其他局部收集，相干光束不需要被聚焦。事实上，相干光束可以是静态的，并照射整个采样体积。可以通过相对于检测器元件合并或者相对于检测器元件固定的聚焦透镜，来实现定向检测器。可以结合微透镜来使用光纤。
读取器可以进一步包括外壳，用于容纳至少部分检测器装置，并具有读取孔，相对该读取孔放置物品以便使其定位在读取体积中。对于现场使用，设想读取器将是基于具有读取孔的外壳的自备单元。因此，可以将例如由客户官员或贸易标准官员验证的物品放在读取孔之上的设定位置。读取孔通常将由透明窗覆盖以避免灰尘进入光学部件。
其他形式的读取器可以更适合于生产线使用。例如，读取器可以进一步包括物品传送器，用于将物品或更可能是一系列类似的物品移过相干光束。在生产环境中，相干光束可以是静态的以及物品移过它。例如，香水的包装盒可以在设定高度上的传送带上经过并与水平激光束相交。
在许多情况下，用于将给定形状的物品定位在相对于读取体积的固定位置的物理位置辅助装置将是有用的。将期望仅物品的小部分，诸如包装或一张纸或护照的项将通常用来获得签名。因此，当重新读取物品用于验证时重要的是，如最初所做的那样来测量物品的同一部分。为了帮助，该物理位置辅助装置可以是有用的。
可以使用各种检测器装置。
当检测器装置仅由单个检测器通道组成时，可以制成可工作读取器。其他实施例使用由角度分布的一组检测器元件组成，并用来收集读取体积的每个不同部分，最好是一小组几个检测器元件的一组数据点的检测器装置。当签名包含来自同一组的数据点之间的比较的影响时，提供安全性增强。该比较可以方便地包含互相关。
尽管能通过仅一个检测器通道来制成工作读取器，最好是至少2个通道。这允许将生成的检测器信号之间的互相关，其用于与确定签名有关的信号处理。设想2和10个检测器通道之间对大多数应用是适合的，2至4个目前被认为是装置简易性和安全性之间的最佳平衡。
将检测器元件有利地排列在与读取体积相交的平面中，相对于相干光束轴，在平面中角度地分布该对的每一构件，最好，在光束轴的每一侧具有一个或多个检测器元件。然而，非平面检测器排列也是可接受的。
已经发现，使用由不同检测器获得的信号的互相关提供了用于增加安全级并用于允许随时间更可靠地再现签名的有价值数据。从科学观点看，互相关的效用有点令人惊讶，因为散斑图固有地不相关(除来自图中的相对点的信号外)。换句话说，对于散斑图，通过定义，在来自不同检测器的信号之间将存在零互相关，只要在与激发位置相交的公共平面中，它们不排列在从激发位置偏移的相等大小角度上。使用互相关作用的值因此表示散射信号的重要部分不是散斑。非散斑作用可以被视为从复曲面(诸如纸纤维扭绞)直接散射或衍射散射作用的结果。目前，散斑和非散斑散射信号作用的相对重要性不清楚。然而，从迄今执行的实验可以看出，检测器并没有测量到纯散斑图，而是具有散斑和非散斑分量的复合信号。
将互相关分量并入签名还能用于提高安全性。这是因为，即使可以使用高分辨率打印来生成再现真正物品表面上的对比度变化的物品，这将不能匹配通过扫描真正物品获得的互相关系数。
在主要实施例中，检测器通道由简单光电晶体管形式的分立检测器部件组成。可以使用其他简单分立部件，诸如PIN二极管或光电晶体管。还将使用集成检测器部件，诸如检测器阵列，尽管这会增加装置的复杂度和成本。
从修改激光束在待扫描物品上的照射角度的初始实验，实际上很重要的是，激光束几乎垂直入射到被扫描的表面上以便获得能通过小的变化，从同一表面重复测量的特性，即使当测量之间物品退化。至少一些现有技术读取器使用倾斜入射[2]。一旦意识到，该效果似乎是显而易见的，但如由一些现有技术的散斑读取器，包括Ezra等人[2]的设计证明，很显然不是立即显而易见，事实上，由本发明人构建第一原型读取器。通过在实验室条件下，具有倾斜入射的发明人的第一原型读取器合理地起作用，但对用作物品的纸的退化相当敏感。例如，用手指摩擦纸足以引起在重新测量看起来相当的差异。第二原型读取器使用垂直入射，并已经被发现相对于常规处理的纸的退化，以及更严重的事件，诸如通过各种打印机，包括激光打印机，通过复印机，在上面写，在上面打印，在炉中专门焦烧以及挤压和重新变平，是很强健的。
因此，安装该源以便使相干光束对准到读取体积上，以便通过近垂直入射照到物品是有利的。通过近垂直入射表示±5，10或20度。另外，能使光束对准以便在物品上具有倾斜入射。在物品上扫描光束时，这通常将具有负面影响。
还注意到，在详细描述中所述的读取器中，在反射中安置检测器装置，以便检测从读取体积散射回的辐射。然而，如果物品是透明的，则可以在透射中安置检测器。
在一组实施例中，数据采集和处理模块用来进一步分析数据点以识别遵循预定编码协议的信号分量并由此生成参考签名。设想在多数实施例中，预定编码协议的特性基于对比度，即散射信号强度。特别地，可以使用传统的条码协议，其中，在1D条码或用于2D条码的更复杂图案的情况下，条码以条纹形式打印或应用到物品上。在这种情况下，数据采集和处理模块能用来执行比较，以便确定参考签名是否与通过读取已经放在读取体积中的物品获得的签名相匹配。因此，物品，诸如一张纸可以被标记成具有其自己特性的数字标记版本，诸如条码。应当从具有单向函数的物品特性来获得参考签名，即，使用要求私钥的不对称加密算法。这作为对于具有读取器的未授权第三方的阻挡，该未授权第三方希望读取仿造物品并在它们上打印表示根据加密方案的读取器的扫描的标签。典型地，条码标签或其他标记将表示可由公钥译码的密码，以及将预留私钥用于授权的标签方。
可以提供先前记录的签名的数据库，其中，数据采集和处理模块用来访问数据库，并执行比较以便确定数据库是否包含与已经放在读取体积中的物品的签名的匹配。数据库可以是形成读取器装置的一部分的大存储器件的一部分，或可以位于远程位置，并通过电信链路由读取器访问。电信链路可以采用任何传统形式，包括无线和固定链路，以及可用在互联网上。在至少一些操作模式下，数据采集和处理模块用来如果未找到匹配，则允许将签名添加到数据库中。由于显然的原因，该工具通常将允许授权个人。
当使用数据库时，除存储签名外，它还可以用来将数据库中的签名与有关物品的其他信息，诸如文档的扫描副本、护照持有者的照片、有关产品的制造地和时间的细节、或可出售商品的意图销售目的地的细节相关联(例如以便跟踪灰色进口)。
可以使用如上所述的读取器装置，以便通过读取例如生产线中的一连串物品，用签名填充数据库，和/或以便随后校验物品的真实性，例如在现场使用中。
本发明允许识别由各种材料，诸如纸、纸板和塑料制成的物品。
本发明允许确定是否已经篡改物品。如果粘附的透明膜，诸如胶带覆盖用来创建签名的扫描区，则这是可能的。如果必须去除胶带来篡改物品，例如打开包装盒，则可以选择粘接使得它将不可避免地修改下面的表面。因此，即使使用类似的胶带来重封该盒，这将是可检测到的。
本发明提供一种识别由纸或纸板制成的物品的方法，包括：使纸或纸板暴露于相干辐射；收集测量相干辐射从纸或纸板的固有结构的散射的数据点集合；以及由数据点集合确定物品的签名。
固有结构意指物品由于其制造将固有具有的结构，由此区别于专门为安全目的提供的结构，诸如通过标志给出的结构或并入物品中的人造纤维。
纸或纸板意指由木质纸浆工艺制成的任何物品。可以通过涂覆或浸渍来处理纸或纸板，或覆盖透明材料，诸如玻璃纸(TM)。如果特别关心表面的长期稳定性，则可以用例如在透明涂层上喷射丙烯酸来处理纸。
数据点因此可被收集作为相干光束的照射位置的函数。这可以通过在物品上扫描局部相干光束，或通过使用定向检测器来收集来自物品的不同部分的散射光，或通过两者的结合来实现。
从下述例子，本发明被认为特别适合于纸或纸张物品：
1.有价值的文档，诸如共享证书、货物帐单、护照、政府间条约、法令、驾驶执照、汽车性能证书、任何权威证书
2.用于追踪或跟踪目的的任何文档，例如邮政系统的信封、法律实施跟踪的钞票
3.出售产品的包装
4.设计者商品，诸如时尚物品的商标标签，
5.化妆品、药物或其他产品的包装
6.盘本身上，例如中心附近或外壳上的CD和DVD
本发明还提供一种识别由塑料制成的物品的方法，包括：使塑料暴露于相干辐射；收集测量相干辐射从塑料的固有结构的散射的数据点集合；以及由数据点集合，确定物品的签名。
如果塑料对相干辐射是不透明的，则散射将来自塑料的固有表面结构，而如果塑料是透明的，则散射可以来自相干辐射撞击物品的任何部分。
从下述例子，本发明被认为对塑料物品特别有用：
1.例如药物的塑料包装
2.ID卡，包括银行卡、工作人员ID卡、存储卡-包括ID卡，特别是银行或存储卡上的标记条
特别有用的应用可以是在标记后在ID卡的标记条上扫描，以便用于验证的数字签名专用于标记卡，并由个人的签名和基础条的表面结构的组合形成。
在具有个人照片的ID物品的情况下(可以是塑料ID卡或来自其他材料，诸如纸护照的护照)，读取器在ID卡的照片部分上进行扫描(与扫描首页或空白页分开)可能是有用的，作为无篡改发生的测试。这是因为，如果使用涂层或粘合膜将照片附加在ID物品上，则它必须被仿造者去除以便将仿造照片固定在ID物品上。这种仿造将被实现本发明的读取器识别出，因为新的照片将具有不同的表面结构。
期望任何其他材料将可由本发明识别，只要其具有适当的表明结构。已经具有微观级的非常平滑表面的材料类型可能不适合，因为可能是具有非常深和/或不稳定表面的不透明材料(例如羊毛材料)。
本发明还允许识别各种不同类型的物品，包括包装、文档和衣物。
本发明提供一种通过其包装来识别产品的方法，包括：使产品的包装暴露于相干辐射；收集测量相干辐射从包装的固有结构的散射的数据点集合；以及由数据点集合，确定产品的签名。
暴露于相干辐射的包装的相关部分可以由纸、纸板、塑料(例如玻璃纸(TM)热缩塑料包)、金属或具有适当固有表面或内部结构的其他材料制成。物品可以包含在包装中，以及可选地，以防篡改的方式封装该包装。另外，该包装可以是物品的配件，诸如用不可视损坏不能松开的连接器固定的标签。这对例如药物产品、化妆品和香水以及飞机或陆地或水上车辆的备件特别有用。
本发明提供一种识别文档的方法，包括：使文档暴露于相干辐射；收集测量相干辐射从文档的固有结构的散射的数据点集合；以及由数据点集合，确定文档的签名。
本发明还提供一种通过固定到其上的标签，来识别衣物或鞋类产品的方法，包括：使标签暴露于相干辐射；收集测量相干辐射从标签的固有结构的散射的数据点集合；以及由数据点集合，确定标签的签名。该标签可以是附加到衣物或鞋类上的正常未修改的商标标签，例如塑料、纸板。
本发明还提供一种识别诸如CD或DVD的盘的方法，包括：使盘暴露于相干辐射；收集测量相干辐射从盘的散射的数据点集合；以及由数据点集合，确定盘的签名。
总的来说，在一些情况下，可以从出售产品所辅加的一些东西，诸如其包装获得签名，以及在其他情况下，从物体本身，诸如从文档或出售产品的表面结构获得签名。本发明可以找出许多实际应用，例如，控制灰色市场进口或伪造。对这些应用，能由消费者官员或贸易标准官员使用便携式读取器
设想签名在大多数应用中为数字签名。通过当前技术的数字签名的典型大小在200位至8k位的范围内，目前对于高安全性，最好具有约2k位大小的数字签名。
本发明的另一特征是提供一种通过其固有结构的签名特性来标记物品的方法，包括：通过应用上述识别方法的任何一个来获得签名；以及用根据机器可读编码协议编码签名的标签来标记物品。
最好使用不对称加密算法，将签名编码在标签中。例如，标签可以表示公钥/私钥加密系统中，可由公钥解密的密码。另外，可以使用对称加密算法，将签名编码在标签中。
如果标签是通过打印过程施加的油墨标签，则非常方便地用于许多材料，特别是纸和纸板。
标签可以是可视的，例如条码，或不可视的，例如当物品为智能卡时，嵌入为智能芯片中的数据。
本发明还涉及根据上述标记方法标记的物品。
附图说明
为更好理解本发明以及表明可以如何开始实施，现在通过举例，参考附图，其中：
图1是体现本发明的读取器装置的示意侧视图；
图2是表示读取器装置的读取体积如何通过在其上扫描细长光束被采样n次的示意透视图；
图3是读取器装置的功能部件的示意框图；
图4是表示其外部形式的读取器装置的透视图；
图5是读取器装置的另外实施例的示意透视图；
图6A以侧视图示意性示出了基于方向光收集和覆盖照射，体现本发明的读取器的另一成像排列；
图6B以平面图示意性示出了用于体现本发明的读取器的另一成像排列的光学覆盖区，其中，结合通过细长光束的局部照射，使用定向检测器；
图7是具有覆盖约0.5×0.2mm区域的图像的纸表面的显微镜图像；
图8A表示使用图1的读取器，来自单个光电检测器的原始数据，包括光电检测器信号和编码器信号；
图8B表示在用编码器信号线性化以及平均振幅后，图8A的光电检测器数据；
图8C表示根据平均级数字化后的图8B的数据；
图9是表示如何由扫描生成的物品的签名的流程图；
图10是表示如何相对于签名数据库，验证由扫描获得的物品的签名的流程图；
图11是具有编码由固有测量的表面特征获得的数字签名的条码标签的ID卡的示意平面图；
图12是具有编码由固有测量表面特性获得的数字签名的数据的芯片的ID卡的示意平面图；以及
图13是具有编码由固有测量表面特性获得的数字签名的两个条码标签的保证文档的示意平面图。
具体实施方式
图1是体现本发明的读取器装置1的示意侧视图。光学读取器装置1用于从安置在装置的读取体积中的物品(未示出)测量签名。读取体积由读取孔10形成，读取孔10是外壳12中的缝隙。外壳12包含该装置的主要光学部件。该缝隙在x方向上具有主要范围(见该图中的插入轴)。主要光学部件是用于形成相干激光束15的激光源14，以及由多个k个光电检测器元件组成的检测器装置16，其中，在该例子中，k＝4，标记为16a，16b，16c和16d。通过柱面透镜18，使激光束15聚焦到在y方向(垂直于该图的平面)上延伸并位于读取孔径平面中的细长焦点。在该示例性原型读取器中，细长焦点具有约2mm的长轴尺寸和约40微米的短轴尺寸。这些光学部件包含在装配件20中。在所示的实施例中，四个检测器元件16a...d以距离光束轴的交叉梳状排列，以不同偏移角度分布在光束轴的任一侧，以便收集从存在于读取体积中的物品的反射中散射的光。在示例性原型中，偏移角为-70，-20，+30和+50度。选择光束轴任一侧的角度不相等，使得它们收集的数据点尽可能独立。所有四个检测器元件排列在共同的平面中。当相干光束从读取体积散射时，光电检测器元件16a...d检测从位于外壳上的物品散射的光。如所示，将源安装成使激光束15的光束轴处于z方向，以便它垂直入射到读取孔中的物品。
通常，期望焦深大，以便位于z方向上的物品的任何差异不会导致读取孔平面中的光束大小的显著变化。在所示的原型中，焦深为约0.5mm，足够大以产生良好结果。焦深、数值孔径和工作距离的参数是相互关联的，导致光点大小和焦深之间的非常公知的折衷。
驱动电动机22排列在外壳12中，用于经适当的轴承24或其他装置，来提供光学组件20的线性运动，如由箭头26所示。驱动电动机22由此用来在x方向上在读取孔10上线性移动相干光束，使得在与细长焦点的主轴横向的方向上扫描光束15。由于在其焦点尺寸化相干光束15，以便在xz平面(图的平面)中具有远小于读取体积在垂直于相干光束的平面，即设置读取孔的外壳壁的平面中的投影的横截面，驱动电动机22的扫描将导致相干光束15在驱动电动机22的作用下，采样读取体积的许多不同部分。
包括图2来示例说明该采样，并且图2是表示如何通过在其上扫描细长光束来采样读取区n次的示意透视图。由采样长度“1”和宽度“w”的区域的标号为1至n的相邻矩形表示在驱动的作用下，沿读取孔扫描时聚焦激光束的采样位置。进行数据收集以便当驱动沿缝隙扫描时，收集n个位置的每一个的信号。因此，收集与来自读取体积的n个不同所示部分的散射有关的一系列k×n个数据点。同时示意性地示例说明了沿x方向，即扫描方向，在与缝隙10相邻的外壳12的底面上形成的距离标记28。在x方向上标记之间的示例性间隔为300微米。
通过细长焦点的尾部采样这些标记并提供用于数据在x方向上的线性化，如在下文中进一步详细所述的。通过附加光电检测器19执行该测量，所述附加光电检测器19是排列成收集来自与缝隙相邻的标记28的区域的光的定向检测器。
在另一实施例中，标记28由为光学组件20的一部分的专用编码器发射器/检测器模块19读取。编码器发射器/检测器模块用在条码读取器中。例如，已经使用基于聚焦发光二极管(LED)和光电检测器的Agilent HEDS-1500模块。将模块信号馈送到作为额外检测器通道的PIC ADC中。
通过40微米的焦点的示例性次要尺寸，以及x方向上2cm的扫描长度，提供2000个数据点以及k＝4。根据所需安全级、物品类型、检测器通道数量“k”以及其他因素，k×n的值的典型范围为100＜k×n＜10,000。也已经发现，增加检测器的数量k也改进了测量对于通过处理、打印等的物品表面退化的不灵敏度。实际上，通过迄今使用的原型，经验法则是，独立数据点的总数，即k×n应当为500或以上，以便提供具有各种表面的可接受的高安全级。
图3是读取器装置的功能部件的示意框图。通过电子链接23将电动机22连接到可编程中断控制器(PIC)30。检测器模块16的检测器16a...d通过各自的电连接线17a...d连接到作为PIC 30的一部分的数模转换器(ADC)。类似的电连接线21将标记读取检测器19连接到PIC 30。将理解到，代替或结合电连接，也可以使用光学或无线连接。通过串行连接32将PIC 30与个人计算机(PC)34连接。PC 34可以是台式或膝上型计算机。作为PC的替代方案，也可以使用其他智能装置，例如个人数字助理(PDA)或专用电子单元。PIC 30和PC 34共同形成数据采集和处理模块36，用于由检测器16a...d所收集的数据点集合来确定物品的签名。PC 34通过接口连接38访问数据库(dB)40。数据库40可以驻留在PC 34上的存储器中，或存储在其驱动上。另外，数据库40可以远离PC 34并通过无线通信，例如使用移动电话服务或无线局域网(LAN)，结合互联网来访问。此外，数据库40可以本地存储在PC 34上，但从远程源定期下载。
数据库40包含先前记录的签名的库。编程PC 34以便在使用中访问数据库40，并执行比较以便确定数据库40是否包含与已经位于读取体积中的物品的签名的匹配。也可以编程PC 34，以便允许如果未找到匹配，则将签名添加到数据库中。预留该使用模式以便由授权用户使用，以及可以从将专用于验证目的的领域中的系统中省略。
图4是表示其外形的读取器装置1的透视图。易于看到外壳12和缝隙状读取孔10。物理位置辅助装置42也明显并提供用于在与读取孔10有关的固定位置中，定位给定外形的物品。在所示的例子中，物理位置辅助装置42以直角支架的形式，可以在其中定位文档或包装盒的角。这确保了每当需要扫描物品，可以将物品的相同部分定位在读取孔10中。对于具有轮廓分明的角的物品，诸如纸张、护照、ID卡和包装盒来说，简单角支架或等效则足以。
能提供文档馈送装置以确保物品位置一致。例如，该装置能遵循用于文档扫描仪、复印机或文档管理系统的任何传统格式。对于包装盒，替代方案将是提供适当的引导孔，例如矩形横截面孔，用于容纳矩形盒的基座，或用于容纳管状盒(即圆柱盒)的基座的圆形横截面孔。
图5是表示用于检测成批物品的读取器装置1’的另一实施例的示意透视图。该读取器基于能在其上放置包装物品的传送带44，为简化表示，仅示出了一个物品5。当物品5通过传送带44时，由静态激光束15扫描物品5上的读取区10’。由在除传送带44外的位置中固定放置的激光源14生成激光束15。激光源14具有整体光束聚焦透镜(未示出)，用于产生在z方向(即与地面平行)上传播的铅笔状近准直光束，以便在高度’h’处在传送带44上面通过，以便在高度“h”处与物品5相交以扫描读取区10’。光束横截面可以是光点，即圆形(由整体球面透镜产生)，或在y方向上延伸的线(例如，由整体柱面透镜产生)。尽管仅示出了一个物品，将意识到能传送类似物品流，并且当它们通过光束15时被连续扫描。
基于传送机的读取器装置的功能部件与如上所述的独立读取器装置类似。唯一实质差异是物品移动，而不是激光束移动，以便在扫描束和物品之间生成所需的相对运动。
预期基于传送机的读取器能用在生产线或仓库环境中，通过读取一连串物品，由签名填充数据库。作为控制，可以再次扫描每一物品以便校验记录的签名可以被校验。通过连续操作的两个系统，或每一物品从其中通过两次的一个系统来完成此功能。批扫描也能用在销售点(POS)，或使用基于POS装置部件的读取器装置。
上述实施例基于局部激发小横截面的相干光束，结合接受在包括局部激发区的更大区域上散射的光信号的检测器。可以设计功能上等效的光学系统，基于仅收集来自局部区域的光的定向检测器，结合更大区域的激发。
图6A以侧视图，示意性地表示用于体现基于定向光收集和相干光束的覆盖照射的本发明的读取器的成像装置。结合柱面微透镜阵列46排列阵列检测器48，使得检测器阵列48的相邻条仅收集来自读取体积中的相应相邻条的光。参考图2，排列每一柱面微透镜以便收集来自n个采样条之一的光信号。然后，可以通过整个读取体积的覆盖照射而发生相干照射(在图中未示出)。
在一些情况下，结合局部激发和局部检测的混合系统也有用。
图6B以平面视图，示意性地表示这种用于体现本发明的读取器的混合成像装置的光学覆盖区，其中，结合细长光束的局部照射，使用定向检测器。该实施例可以被视为图1的实施例的改进，其中，提供定向检测器。在该实施例中，提供三组定向检测器，每组用于收集来自沿“1×w”激发条的不同部分的光。通过虚线圆，示出了来自读取体积的平面的收集区，以便第一组例如2检测器收集来自激发条上部的光信号，第二组检测器收集来自激发条中部的光信号，以及第三组检测器收集来自激发条下部的光信号。所示每一组检测器具有直径约1/m的圆形收集区，其中，m是激发条的细分数量，其中在本例子中，m＝3。用这种方式，对于给定扫描长度1，能使独立数据点的数量增加m倍。如下所述，对除收集采样散斑图的光信号以外的目的，可使用一个或多个不同组定向检测器。例如，可以使用一组以适合于条码扫描的方式收集光信号。如果是这种情况，那一组仅包含一个检测器就足够，因为当仅扫描用于对照时，将没有获得互相关的优点。
现在，描述适合于执行本发明的各种读取器装置的原理结构部件和功能部件，现在描述用于确定签名的数值处理。将理解到，该数值处理大部分用在PC 34上运行的计算机程序以及从属于PIC 30的一些元件来实现。
图7是纸表面的显微镜图像，该图像覆盖约0.5×0.2mm的区域。包括该图来示例说明诸如来自纸的宏观平的表面在许多情况下是在宏观比例高度结构化的。对于纸，作为组成纸的木质纤维的交织网络的结果，表面被宏观高度结构化。该图还示例约10微米的木质纤维的特性长度尺度。该尺寸与相干光束的光波长具有正确的关系以便产生衍射，由此产生散斑，以及还漫射具有根据纤维方向的剖面的散射。由此将意识到，如果读取器被设计用于特定类商品，则可以使激光的波长适合于待扫描的商品类的结构特征大小。从该图很显然，每页纸的局部表面结构将是唯一的，它取决于各个木质纤维如何排列。一页纸由此与专门创建的标志，诸如现有技术的特殊树脂标志或磁性材料沉积没有区别，因为它具有作为由自然法则管理的制造过程的结果的唯一结构。这同样适用于许多其他类型的物品。
换句话说，发明人已经发现，当可以以直接方式从各种日常物品测量到唯一特性时，为制造特殊定制的标志而努力和花钱根本没有意义。现在，描述利用物品表面(在透射的情况下内部)的自然结构的散射信号的数据收集和数值处理。
图8A表示来自图1的读取器的光电检测器16a...d的单独一个的原始数据。该图描绘出任意单位(a.u.)的信号强度和点数n(见图2)。在I＝0-250之间波动的较高迹线是来自光电检测器16a的原始信号数据。较低迹线是从标记28(见图2)拾取的编码器信号，处于1＝50附近。
图8B表示在通过编码器信号线性化后，图8A的光电检测器数据(注意，尽管x轴与图8A不同刻度，这不重要)。另外，计算强度的平均值并从强度值中减去。由此处理后的数据值在0上下波动。
图8C表示数字化后，图8B的数据。所采用的数字化方案是简单的二进制方案，其中，将任一正强度值设置在值1，并将任一负强度值设置在0。将意识到，也能使用多状态数字化，或许多其他可能的数字化方法的任何一个。数字化的最重要特征仅是，一致地采用相同数字化方案。
图9是表示如何由扫描来生成物品的签名的流程图。
步骤S1是数据采集步骤，在该步骤期间，在整个扫描长度上，每约1ms获得每一光电检测器处的光学强度。同时，获得编码器信号作为时间的函数。注意到，如果扫描电动机具有高线性精度(例如步进电动机)，则可以不需要数据的线性化。由从ADC 31取出数据的PIC 30获得数据。将数据点从PIC 30实时传送到PC 34。另外，数据点也可以存储在PIC 30的存储器中，然后在扫描结束时传送到PC 34。在下文中，将在每一扫描中收集的每检测器通道的数据点数量n定义为N。另外，将值ak(i)定义为来自光电检测器k的第i个存储的强度值，其中i从1至N。由这种扫描获得的两个原始数据集的例子如图8A所示。
步骤S2使用数值内插来局部扩展和收缩ak(i)，使得编码器转变在时间上平均间隔。这对电动机速度的局部变化进行校正。该步骤在PC 34中由计算机程序执行。
步骤S3是可选步骤。如果执行，该步骤相对于时间数值地微分数据。也可以期望将弱平滑函数应用于该数据。微分可用于高度结构化表面，因为它相对于相关(散斑)作用衰减来自信号的不相关作用。
步骤S4是对每个光电检测器，在N个数据点上取记录的信号的平均值的步骤。对于每个光电检测器，从所有数据点减去该平均值，使得数据分布在0强度附近。现在参考图8B，该图表示在线性化和减去计算的平均值之后，扫描数据集的例子。
步骤S5数字化模拟光电检测器数据以便计算扫描的数字签名表示。通过应用下列规则来获得该数字签名：ak(i)＞0映射到二进制“1”，以及ak(i)＜＝0映射到二进制“0”。将数字数据集被定义为dk(i)，其中，i从1到N。物品的签名可以有利地包含除刚刚所述的强度数据的数字化签名外的其他分量。现在，描述这些另外的可选签名分量。
步骤S6是可选步骤，其中，创建更小的“缩略图”数字签名。这通过平均相邻的m个读数组，或最好，通过拾取每第c个数据点来完成，其中c是缩略图的压缩因子。后者是优选的，因为平均可能不成比例地放大噪声。用在步骤S5中的相同的数字化规则适用于简化数据集。将缩略图数字化定义为tk(i)，其中，t为1至N/c，以及c是压缩因子。
步骤S7是当存在多个检测器通道时适用的可选步骤。附加分量是在从不同光电检测器获得的强度数据之间计算的互相关分量。2个通道存在一个可能的互相关系数，3个通道存在达三个互相关系数，以及4个通道存在达6个互相关系数等等。互相关系数是有用的，因为已经发现，它们是材料类型的良好提示符。例如，对于特定类型的文档，诸如指定类型的护照或激光打印纸，互相关系数总是似乎处于可预测范围内。可以在ak(i)和al(i)之间计算标准互相关，其中，k≠l，以及k，l在所有光电检测器通道数上改变。标准互相关函数Γ定义如下：
Γ ( k , l ) = Σ i = 1 N a k ( i ) a l ( i ) ( Σ i = 1 N a k ( i ) 2 ) ( Σ i = 1 N a l ( i ) 2 )
可以存储用在以后验证中的互相关函数的另一方面是互相关函数中的峰值宽度，例如半最大值全宽度(FWHM，full width halfmaximum)。在下文中进一步描述在验证过程中使用互相关系数。
步骤S8是计算表示信号强度分布的简单强度平均值的另一可选步骤。这可以是用于不同检测器的每一个平均值的整体平均值，或用于每个检测器的平均值，诸如ak(i)的均方根值。如果如在上述读取器中，在垂直入射的任一侧成对排列检测器，则可以使用用于每对检测器的平均值。已经发现，强度值是对于材料类型的良好天然过滤器，因为其是样本的整体反射率和粗糙度的简单表示。例如，可以将去除平均值(即DC背景)后的非标准均方根值用作强度值。
由扫描物品获得的签名数据可以与签名数据库中所保存的记录进行比较用于验证目的，和/或写到数据库以便添加签名的新记录来扩大现有数据库。
新数据库记录将包括在步骤S5中获得的数字签名、以及可选地在步骤S6中获得的用于每个光电检测器通道的更小缩略图版本、在步骤S7中获得的互相关系数、以及在步骤S8中获得的平均值。另外，可以将缩略图存储在它们自己的单独数据库上优化用于快速搜索，并将剩余数据(包括缩略图)存储在主数据库上。
图10是表示相对于签名数据库来校验从扫描获得的物品的签名的流程图。
在简单实现中，能简单地搜索数据库以便基于签名数据的全集查找匹配。然而，如现在所述，为了加速验证过程，该过程最好使用更小的缩略图，以及基于计算的平均值和互相关系数的预筛选。
验证步骤V1是验证过程的第一步骤，其是根据上述过程扫描物品，即执行扫描步骤S1至S8。
验证步骤V2采用每一个缩略图项并估计它与tk(i+j)之间的匹配位的数量，其中，j是被改变以便补偿扫描区的位置误差的位偏移。确定j的值，然后确定给出最大数量匹配位的缩略图项。这是用于进一步处理的“命中”。
验证步骤V3是在相对于扫描的数字签名分析存储用于记录的全数字签名之前执行的可选的预筛选测试。在该预筛选中，在扫描步骤S8中获得的均方根值与命中的数据库记录中的相应存储值进行比较。如果各个平均值在预定范围内不相符，则拒绝“命中”被进一步处理。然后，将该物品拒绝为未校验(即跳到验证步骤V6并发出失败结果)。
验证步骤V4是在分析完整数字签名之前执行的另外的可选预筛选测试。在该预筛选中，将在步骤S7中获得的互相关系数再次与命中的数据库记录中的相应存储值进行比较。如果各个互相关系数在预定范围内不相符，则拒绝“命中”被进一步处理。然后，将该物品拒绝为未校验(即，跳到验证步骤V6并发出失败结果)。
能在校验步骤V4中执行的使用互相关系数的另一校验是校验互相关函数中的峰值宽度，其中，通过将由上述扫描步骤S7中的初始扫描存储的值与再扫描值进行比较，来估计互相关函数：
Γ k , l ( j ) = Σ i = 1 N a k ( i ) a l ( i + j ) ( Σ i = 1 N a k ( i ) 2 ) ( Σ i = 1 N a l ( i ) 2 )
如果再扫描的峰值的宽度远高于初始扫描的宽度，则可以将此用作重新扫描的物品已经被篡改或者可疑的指示。例如，该校验应当击退试图通过光电检测器从正扫描的表面期望的相同强度变化来打印条码或其他图案而欺骗系统的骗子。
验证步骤V5是在扫描步骤S5中获得的扫描数字签名和命中的数据库记录中的相应存储值之间的主要比较。将整个存储的数字化签名dk db(i)分成k个检测器通道上的q个相邻位的n块，即，每块具有qk位。q的典型值为4以及k的典型值为4，使得每块16位。然后，将qk位与存储的数字签名dk db(i+j)中的qk相应位进行匹配。如果块内的匹配位的数量大于或等于一些预定阈值Zthresh，则递增匹配块的数量。Zthresh的典型值为13。对于所有n块重复此操作。对于不同偏移值j，重复该整个过程，以便补偿扫描区的位置误差，直到找到最大数量匹配块为止。将M定义为匹配块的最大数量，通过估计下述来计算偶然匹配的概率：
p ( M ) = Σ w = n - M n s w ( 1 - s ) n - w w n C
其中，s是任何两个块之间偶然匹配的概率(反过来，取决于Zthresh的被选值)，M是匹配块的数量，以及P(M)是M或更多块偶然匹配的概率。通过比较来自类似材料的不同对象的扫描，例如纸文档的多次扫描等的数据库内的块，确定s的值。对q＝4，k＝4以及Zthresh＝13的情形，发现s的典型值为0.1。如果qk位完全无关，则对Zthresh＝13，概率理论将得出s＝0.01。经验找出更高值的事实是因为由于有限的激光点宽度，k个检测器通道之间的相关性和块中的相邻位之间的相关性。当对于一张纸比较数据库项时，那张纸的典型扫描产生总数510个块中的约314个匹配块。对上述等式，设置M＝314，n＝510，s＝0.1，得出10-177的偶然匹配概率。
验证步骤V6发出校验过程的结果。在验证步骤V5中获得的概率结果可以用在成功/失败测试中，其中，基准是预定的概率阈值。在这种情况下，概率阈值可以由系统设置在一个等级，或可以是设置在由用户选择的等级的可变参数。另外，概率结果可以输出给用户作为信任等级，以概率本身的原始形式或以使用相对术语(例如，不匹配/不良匹配/良好匹配/优秀匹配)或其他类别的改进形式。
将意识到许多变化是可能的。例如，代替将互相关系数用作预筛选分量，可以将它们与数字化强度数据一起用作主签名的一部分。例如，可以数字化互相关系数并添加到数字化的强度数据上。也可以在它们本身上数字化互相关系数并用来生成位串等等，然后可以与上述相同的方式搜索数字化的强度数据的缩略图，以便找到命中。
现在描述本发明的进一步实现。
图11表示具有条码的ID卡50。ID卡也可以具有诸如照片、全息图的独立安全元件54，或包含专用于个人的一些生物信息。条码被示为扫描区56的一部分。用虚线示例说明，因为其在ID卡是没有特色的。扫描区细分为包含条码的下部区域52和空白上部区域58。将ID卡50设计成由图6B所示类型的读取器装置扫描，其中，使用一个定向检测器组来扫描条码区52，以及使用另两组来扫描上部区58。在该实施例中，条码编码通过使用本发明的方法来扫描空白上部区所获得的签名。
换句说话，根据本发明的方法，通过扫描卡的空白上部区，在制造ID卡时初始施加条码，然后将条码打印在下部区52上。由此，通过其固有结构，即上部区58中的表面结构的签名特性来标记ID卡。
注意，条码本身可用于扫描的线性化，代替或结合如上所述的单独线性化标记。当读取器具有不良线性化的驱动，诸如用在自动取款机(ATM)中的那种滚轮驱动时，这特别有用。容许具有不良线性的驱动将允许读取器包含在许多卡读取装置，诸如具有最小改进的ATM中。事实上，条码或甚至假标记可以打印在卡上，仅用于线性化目的，而根本不用于加密。在那种情况下，使用参考数据库或从卡的另一部分提取数据，例如通过从芯片(所谓的智能卡)提取数据，来执行校验。
将意识到，可以使用该基本方法，通过编码从其固有物理属性获得的物品本身的签名的标签来标记大量物品，例如任何可打印物品，包括纸或纸板物品或塑料物品。
给定遵循公众公知的编码协议的条码或其他标签的公共属性，建议确信已经使用用于创建条码的不对称加密算法，即，使用单向函数，诸如根据非常公知的RSA算法来变换签名。优选实现是标签来表示公钥/私钥加密系统中的公钥。如果由多个不同用户使用该系统，则建议每一客户具有其自己的私钥，使得私钥的公开将仅影响一个客户。标签由此编码公钥，以及由授权人员安全地定位私钥。
另外，加密可以是对称的。在这种情况下，可以将密钥安全地保存在防篡改存储器或文档扫描仪上的加密处理器智能卡中。
标记方法的另一可预测优点是，初学用户没有专门知识将不知道所执行的验证。对用户来说，很自然地假定读取器装置是简单的条码扫描仪以及被扫描的是条码。
在一个例子中，对CD、DVD或具有其他内容的盘，签名在盘上并形成用于盘上的数据的解密密钥的一部分。然后当读取数据时，盘播放器从盘读取散斑签名。
标记方案能用来允许纯粹基于标签来校验物品，而不访问数据库。在原理上，这是与在现有技术[1]中所报道的失败钞票类似的方法。
然而，还设想可以结合数据库验证方案来使用标记方案。例如，条码可以编码数字签名的缩略图形式，并可用来允许在参考数据库进行筛选前的快速预筛选。这实际上可以是非常重要的方法，因为潜在地在一些数据库应用中，记录数量将变得巨大(例如上亿)，以及搜索策略将变得很关键。固有的高速搜索技术，诸如使用位串将变得重要。
作为编码缩略图的条码的替代方案，条码(或其他标签)可以编码记录定位符，即索引或书签，记录定位符能用来在数据库中快速找到正确的签名以便进一步比较。
另一变形是，条码(或其他标签)编码缩略图签名，如果数据库不可用(例如暂时离线，或在非常远的位置进行扫描而没有互联网访问)，该缩略图签名能用来通过合理但不高的可信度获得匹配。然后，如果数据库可用，可将同一缩略图用于主数据库内的快速记录定位，允许执行更高可信度的验证。
图12是所谓智能卡的ID卡50的示意平面图，其包含数据承载芯片54。由芯片54承载的数据包括签名编码数据，该签名编码数据编码从ID卡50的固有测量表面特性获得的数字签名，该固有测量表面特性是从扫描区56获得的，扫描区56在该例子中是无特色的，如由虚线所示，但能以任何所需方式被装饰或例如包含照片。
图13是保证文档50的示意平面图。扫描区56包括一个在另一个之上排列的两个条码标签52a、52b，该条码标签编码从固有测量的表面特性获得的数字签名，与图11的ID卡例子类似。在用于个人签名59的数字签名扫描区58上下排列条码52a，52b，如示意所示。区域58至少最好覆盖有透明粘合覆盖物用于防篡改。
将设想许多其他的商业例子，仅通过举例给出了上述图11至13。
从上述的详细描述将理解到，如何通过暴露材料于相干辐射、收集测量从材料的固有结构的相干辐射的散射的数据点集合、以及由数据点集合确定物品的签名，来识别由材料，诸如纸或纸板或塑料制成的物品。
还将理解到，扫描区的大小或在物品上位置实际上是任意的。如果需要，例如，扫描可以是光栅化以便覆盖更大的二维区域的线性扫描。
此外，将理解到这将如何被应用，以便通过其包装、文档或衣服项目，通过将物品暴露于相干辐射、收集测量相干辐射从材料的固有结构的散射的数据点集合、以及由数据点集合确定物品的签名，来识别产品。
从数值处理的上述描述，将理解到，光束局部化的降低(例如由于相干光束的不理想聚焦，读取体积中的光束横截面扩大)对系统将不是灾难性，而仅通过增加偶然匹配概率而降低其性能。由此，该装置相对于装置变化是强健的，提供性能的稳定逐步降低，而不是突然的不稳定故障。在任一情况下，执行读取器的自测试是简单的，由此通过对于收集的数据执行自相关来拾取任何装置问题，以便确定响应数据中的特性最小特征大小。
能应用于纸或纸板的另一安全性测量是例如将透明封印(例如胶带)粘接在扫描区上。选择粘合剂足够强，使得去除它将破坏必须被保护以便执行验证扫描的下面的表面结构。相同的方法能应用于将透明聚合物或塑料膜沉积在卡上或具有类似材料的封装上。
如上所述，读取器可以嵌入专门设计用来实现本发明的装置中。在其他情况下，通过将适当辅助部件添加到原则上设计具有另一功能性的装置，诸如复印机、文档扫描仪、文档管理系统、POS装置、ATM、机票登机卡读取器或其他装置上，来设计该读取器。
除上述具体指出的外，技术人员还将能设想本发明的许多其他变化。
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Claims (40)

1.一种验证安全物品的方法，可依赖于安全物品的发行或占有来证实持有者的权利和身份中的一个或多个，所述方法包括：
将相干光束引导到物品表面的若干部分上；
检测从物品表面的每个所述部分散射的信号，以创建数据点组的集合，其中每个数据点组对应于来自所述物品表面的一个所述部分的信号；
由数据点集合确定物品的签名；以及
比较所确定的签名和以前记录的已知真实物品的签名。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述安全物品选自包括下列的组：护照、ID卡、银行卡、信用卡、CD、DVD、保证文档或机票。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述引导包括将光束引导到物品的签名区或照片区的至少一部分上。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，进一步包括：从打印在安全物品上的条码或者从位于安全物品内或安全物品上的集成电路处理器或存储器中提取在其中编码的以前记录的签名。
5.如前述任一权利要求所述的方法，其中，使用来自数据库的以前记录的签名来执行所述比较，在所述数据库中存储了多个以前记录的已知真实物品的签名。
6.如前述任一权利要求所述的方法，进一步包括：确定物品的缩略图签名，并且比较所确定的缩略图签名和以前记录的已知真实物品的缩略图签名。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述比较缩略图签名用来减少要进行的全部签名比较的数目。
8.如权利要求6或7所述的方法，进一步包括：从打印在安全物品上的条码或者从位于安全物品内或安全物品上的集成电路处理器或存储器中提取在其中编码的缩略图签名。
9.如权利要求6、7或8所述的方法，进一步包括：
搜索以前记录的签名和它们的缩略图数字签名的数据库，以便通过在所确定的缩略图数字签名和以前记录的缩略图数字签名之间进行比较来寻找至少一个候选匹配；以及
对于任何候选匹配，通过在所确定的数字签名和所述至少一个以前记录的数字签名之间进行比较来确定是否存在匹配。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：对于每个匹配，基于被发现存在匹配的所确定的数字签名和以前记录的数字签名之间的相似度来确定信任等级。
11.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述检测包括：在角度分布的一组检测器元件中的每个检测器元件处检测从物品散射的信号，以便为物品的每个不同部分收集一组数据点。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述确定包括并入来自相同组的数据点之间的比较的作用。
13.一种创建安全物品的方法，可依赖于安全物品的发行或占有来证实持有者的权利和身份中的一个或多个，所述方法包括：
将相干光束引导到物品表面的若干部分上；
检测从物品表面的每个所述部分散射的信号，以创建数据点组的集合，其中每个数据点组对应于来自物品表面的一个所述部分的信号；
由数据点的集合确定物品的签名；以及
将所确定的签名存储为以前记录的已知真实物品的签名，能够相对于所述以前记录的已知真实物品的签名来进行物品的以后确认。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述物品选自包括下列的组：护照、ID卡、银行卡、信用卡、CD、DVD、保证文档或机票。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中，所述引导包括将光束引导到物品的签名区或照片区的至少一部分上。
16.如权利要求13、14或15所述的方法，其中，所述存储包括：将所确定的签名写入到物品上的条码或位于物品内或物品上的集成电路处理器或存储器中。
17.如权利要求13-16中任一项所述的方法，进一步包括：确定物品的缩略图签名，并且将所确定的缩略图签名存储为以前记录的缩略图签名。
18.如权利要求17所述的方法，进一步包括：将所确定的缩略图签名写入到物品上的条码或位于物品内或物品上的集成电路处理器或存储器中。
19.如权利要求13-18中任一项所述的方法，其中所述检测包括：在角度分布的一组检测器元件中的每个检测器元件处检测从物品散射的信号，以便为物品的每个不同部分收集一组数据点。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述生成包括并入来自相同组的数据点之间的比较的作用。
21.一种用于验证安全物品的装置，可依赖于安全物品的发行或占有来证实持有者的权利和身份中的一个或多个，所述装置包括：
源，用来将相干光束引导到物品表面的若干部分上；
检测器，用来检测从物品表面的每个所述部分散射的信号，以创建数据点组的集合，其中每个数据点组对应于来自物品表面的一个所述部分的信号；
处理器，用来由数据点的集合确定物品的签名；以及
比较器，用来比较所确定的签名和以前记录的已知真实物品的签名。
22.如权利要求21所述的装置，其中，所述安全物品选自包括下列的组：护照、ID卡、银行卡、信用卡、CD、DVD、保证文档或机票。
23.如权利要求21或22所述的装置，其中，所述源用来将光束至少引导到物品的签名区或照片区的一部分上。
24.如权利要求21、22或23所述的装置，进一步包括：读取器，用来从打印在安全物品上的条码或者从位于安全物品内或安全物品上的集成电路处理器或存储器中提取在其中编码的以前记录的签名。
25.如权利要求21-24中任一项所述的装置，其中，所述比较器用来使用来自数据库的以前记录的签名，在所述数据库中存储了多个以前记录的已知真实物品的签名。
26.如权利要求21-25中任一项所述的装置，其中，所述处理器还用来确定物品的缩略图签名，并且所述比较器还用来比较所确定的缩略图签名和以前记录的已知真实物品的缩略图签名。
27.如权利要求26所述的装置，其中使用比较器来比较所确定的缩略图签名和以前记录的缩略图签名减少了要进行的全部签名比较的数目。
28.如权利要求26或27所述的装置，进一步包括：读取器，用来从打印在安全物品上的条码或者从位于安全物品内或安全物品上的集成电路处理器或存储器中提取在其中编码的缩略图签名。
29.如权利要求26、27或28所述的装置，进一步包括数据库搜索器，所述数据库搜索器用来：
搜索以前记录的签名和它们的缩略图数字签名的数据库，以便通过在所确定的缩略图数字签名和以前记录的缩略图数字签名之间进行比较来寻找至少一个候选匹配；以及
对于任何候选匹配，通过在所确定的数字签名和所述至少一个以前记录的数字签名之间进行比较来确定是否存在匹配。
30.如权利要求29所述的装置，其中，所述数据库搜索器还用来对于每个匹配，基于被发现存在匹配的所确定的数字签名和以前记录的数字签名之间的相似度来确定信任等级。
31.如权利要求21-30中任一项所述的装置，其中，所述检测器包括角度分布的一组检测器元件，以便为物品的每个不同部分收集一组数据点。
32.如权利要求31所述的装置，其中，所述处理器用来将来自相同组的数据点之间的比较的作用并入到确定签名中。
33.一种用于创建安全物品的装置，可依赖于安全物品的发行或占有来证实持有者的权利和身份中的一个或多个，所述装置包括：
源，用来将相干光束引导到物品表面的若干部分上；
检测器，用来检测从物品表面的每个所述部分散射的信号，以创建数据点组的集合，其中每个数据点组对应于来自物品表面的一个所述部分的信号；
处理器，用来由数据点的集合确定物品的签名；以及
存储器，用来将所确定的签名存储为以前记录的已知真实物品的签名，能够相对于所述以前记录的已知真实物品的签名来进行物品的以后确认。
34.如权利要求33所述的装置，其中，所述物品选自包括下列的组：护照、ID卡、银行卡、信用卡、CD、DVD、保证文档或机票。
35.如权利要求33或34所述的装置，其中，所述源用来将光束引导到物品的签名区或照片区的至少一部分上。
36.如权利要求33、34或35所述的装置，其中，所述存储器用来将所确定的签名写入到物品上的条码或位于物品内或物品上的集成电路处理器或存储器中。
37.如权利要求33-36中任一项所述的装置，其中，所述处理器还用来确定物品的缩略图签名，并且所述存储器用来将所确定的缩略图签名存储为以前记录的缩略图签名。
38.如权利要求37所述的装置，其中，所述存储器还用来将所确定的缩略图签名写入到物品上的条码或位于物品内或物品上的集成电路处理器或存储器中。
39.如权利要求33-38中任一项所述的装置，其中所述检测器包括角度分布的一组检测器元件，以便为物品的每个不同部分收集一组数据点。
40.如权利要求39所述的装置，其中，所述处理器用来将来自相同组的数据点之间的比较的作用并入到确定签名中。
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