CN103119610A - 用于识别和/或评价文件表面上的三维隆起结构的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于识别文件（4）的表面（3）上的三维隆起结构（2）的装置（1）和方法。所述方法包括以下步骤：借助光照明所述表面（3）；在照明所述表面（3）期间检测所述表面（3）的成像；分析处理所检测的成像以求得所述隆起结构（2），其中，以至少两种不同的类型平面地照明所述表面（3），并且对于不同照明类型中的每一种检测所述表面（3）的至少一个平面成像（71、81），以及共同分析处理所述表面（3）的多个如此检测的平面成像（71、81）。

Description

用于识别和/或评价文件表面上的三维隆起结构的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种方法和一种装置，借助于所述方法和所述装置能够识别和/或评价基本上平坦的文件的表面上的隆起结构。

背景技术

在现有技术中已知一系列文件，所述文件例如包括证件、护照、身份证、门禁卡、身份证明文件、驾驶证、签证、信用卡、银行卡和其他有价文件——如证券、票据、电话卡、邮票或者安全标签以及类似文件，仅举几例。为了确保这样的文件免受篡改、仿造、假冒和/或伪造和/或复制，文件设有应恰恰阻碍篡改、仿造、假冒和/或伪造和/或复制或者甚至使其不可能的特征。这种至少妨碍仿造、伪造、复制等等的特征称作安全特征。通常，文件具有多个不同的安全特征，这些安全特征单个地和/或组合地保护所述文件免受伪造、仿造或复制。

安全特征可以采用非常不同的构型。安全特征可以表示例如制造文件的材料。其他安全特征包括待光学证明的特征，例如全息图、所谓的光学可变颜色、透明度匹配度（Durchsichtpasser）、扭索印刷（Guillochendruck），仅列出一些。一组安全特征表示触觉特征，其中子组包括隆起结构。其可以被触觉地检测。

这种相对于文件表面的通常具有的表面水平突出的结构视作隆起结构。通常，文件表面具有平滑且平坦的表面。隆起结构是从平滑的表面突出并且具有明显大于表面的平均表面粗糙度的尺寸的结构。

隆起结构的示例例如是盲文、点字。

点字的球状隆起的、突出的点具有相对较大的、通常约0.45mm的高度，而在安全文件中还使用多个具有相对于文件表面的周围表面水平小得多的高度的隆起结构。

应具有特别高的防伪安全性的多个文件如今基于塑料制造。在此经常产生由一个或优选多个塑料薄膜拼接的所谓的文件体。所述拼接例如可以借助于高压高温层压方法进行。这种文件体现今经常被如此制造，使得所使用的薄膜中的一个或多个如此构造，使得其可以借助激光射束标记。通常所述薄膜具有有利于一个或多个波长的激光射束的吸收的材料并且用于将局部的能量存储到文件体中。根据所存储的能量和/或功率，然后局部地破坏塑料结构，这通常导致塑料的黑化。然而，也能够如此实施所述标记，使得除了黑化之外发生经破坏的塑料材料的膨胀。所述膨胀然后能够导致文件表面上的隆起结构。当文件体的上保护层没有通过激光射束直接黑化和/或毁坏时，这也适用。

这种隆起的和可触觉感知的表面结构敏感地取决于在制造或者标记文件时的生产参数。因此值得期望的是，在制造文件期间可以尽可能地在生产线中和在文件中的每一个上执行质量控制。

在现有技术中已知借助定向光、例如激光射束在扫描过程中借助线状的照明扫描文件表面的方法。在此，在与文件表面的表面法线偏离的方向下进行入射。在表面法线的确定方面，文件的表面被认为是平坦的、平滑的平面。在扫描表面期间，依次检测多个成像。如果表面具有隆起结构，则在各个成像中在隆起结构所在的每个位置上识别在文件表面上反射的线状照明与直线的偏差。因此，借助于分析处理装置确定所述偏差并且为了识别和/或评价隆起结构而分析处理和使用所述偏差。

所述已知的方法和已知的装置的缺点是，需要文件表面的动态照明，在所述动态照明时必须使直线光带在文件的整个表面上“移动”一次。因此限制了通过这种检查和/或识别装置的生产率，使得目前在制造期间无法在经济上实现每个文件的检查。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是，提供用于识别和/或评价文件表面上的隆起结构的改进方法和改进装置。

本发明所基于的思想是，依次不同地、平面地、但固定不变地照明文件的表面并且对于不同照明中的每一个分别检测文件表面的平面成像。在此可以分别同时照明和检测文件的整个表面。因此，用于检测各个不同成像的持续时间基本上通过所使用的摄像机的平面成像的检测时间确定。接下来共同分析处理对于文件表面的不同照明检测的至少两个成像，以便能够求得和分离成像中由隆起造成的特征并且由此识别和/或评价隆起结构。本发明的优点是，对于至少两种不同的照明类型，能够检测和分析处理数量少得多的、在极端情况中仅仅两个表面成像——也就是说对于所述至少两个照明类型中的每一个分别一个成像。由此能够明显提高所述方法或者所述装置的生产率。在以下意义上能够固定不变地执行各个照明：在照明时分别同时平面地照明所述表面并且不必借助用于照明的光动态地扫过所述表面。由此能够更稳健地设计机械结构。

定义

以下结构视为隆起结构：所述结构沿着文件表面的表面法线相对于表面的平均水平和/或主要具有的水平以一个量值突出，所述量值比由表面的通常表面粗糙度决定的表面水平面波动更大。

波长位于红外波长范围内、可见波长范围内或紫外波长范围内的电磁射束视为光。

以下光入射视为掠射光入射：所述光入射可以理想化为光束，并且所述光束的射到文件表面上的单个射束相对于表面的法线具有大于45°、优选大于75°并且最优选大于80°的角。

以下光入射视为来自一个方向的光入射：光可以通过光束理想化并且射束可以理想地视为由一个理想化的点状光源或线状光源发出。线状光源在此视为基本上直线的。因此，“从一个方向照明”意味着，借助一个光锥进行照明，所述光锥包括各个光束，所述各个光束对于确定的空间方向在矢量几何上具有小于一个确定的、限界的空间角范围的偏差。

尽管存在隆起和不平坦但理想化地假设平滑且平坦的表面的法线视为文件表面的表面法线。

照明期间检测成像也理解为以下检测：成像的检测时间区间包括如在闪光摄影中那样的照明时间区间。

平面的照明是以下照明：同时在平面的每个地方照明被照明的平面。

在此以下过程理解为检测平面的成像：同时地、成像地检测一个平面。

优选实施方式

尤其建议一种用于识别和/或评价文件的表面上的三维隆起结构的方法，所述方法包括以下步骤：借助光照明所述表面；在照明所述表面期间检测所述表面的成像，以及分析处理所检测的成像，用于求得所述隆起结构，其中规定，以至少两种不同的类型平面地照明所述表面，以及对于不同的照明类型中的每一种检测表面的至少一个平面成像，以及共同分析处理多个如此检测的平面成像。因此，依次以两种或多种不同的类型分别平面地照明所述表面，并且在照明期间对于不同照明中的每一种检测表面的成像，所述成像平面地反映所述表面。

特别优选地，对于不同的照明类型中的每一种检测表面的恰好一个平面成像。通过这种方式，获得特别快速且节省时间的方法。对于各个不同照明类型的照明在以下意义上是固定不变的：在拍摄期间不改变相应的照明类型并且全面积地同时照明所检测的表面。

同样建议一种用于识别和/或评价文件的表面上的三维隆起结构的装置，所述装置包括照明装置、用于检测文件表面的平面成像的摄像机和用于分析处理所检测的成像和求得隆起结构的分析处理装置，其中所述照明装置和摄像机如此彼此定向，使得所述摄像机能够在通过照明装置照明所述表面期间检测成像。在此规定，所述照明装置被构造用于以至少两种不同的类型分别平面地照明所述表面，并且所述摄像机被构造用于在不同的照明期间分别检测表面的至少一个平面成像，并且所述分析处理装置被构造用于共同分析处理不同的成像。优选地，对于不同的照明中的每一种分别检测所述表面的恰好一个平面成像。这种装置不需要能够执行文件表面的动态部分照明的器件。由此能够实现紧凑且稳健的结构，所述结构适合于集成到生产装置中。

为了实现不同的照明类型，所述照明装置优选包括多个照明单元，借助于所述多个照明单元的分离运行可分别实现照明类型中的一种。因此优选地，对于每一种照明类型，在照明装置中设有一个自身的照明单元。然而在其他实施方式中可以规定，多个照明单元组合地运行，以便产生一种照明类型，也就是说，以确定的方式照明。

为了在成像中产生归因于隆起结构的特征，特别有利的是，以不同的类型照明所述表面，其方式是，从不同方向以掠射入射角下的光照明表面。

为了实现来自不同的方向的照明，在本发明的一个实施方式中规定，照明单元中的至少几个沿着摄像机的检测区域的不同边缘设置，所述文件在照明和成像检测期间位于所述检测区域中。为了实现来自不同方向的掠射光入射，所述至少几个照明单元优选被进一步如此构造，使得如果所述表面位于摄像机的检测区域中，则平面地借助掠射入射角下的光从一个方向分别照明所述文件的表面。

特别优选地，使用不同的照明类型，其成对地包括照明，其中这样一对不同照明从彼此完全相反的方向在掠射入射角下照明所述表面。因此依次从相反的方向照明所述表面，并且分别检测一个成像。在这种情况下，“完全相反的方向”如下理解：在所述方向投影到文件表面的平面中时，所述方向彼此基本上共线并且彼此反向。对此，有利的是，至少几个照明单元中的至少一对设置在检测区域的完全相反的侧上。

特别优选地，借助一个光锥在掠射入射角下实施照明，所述光锥在光强度方面具有几乎均匀的、矩形的横截面轮廓。对此，所述至少几个照明单元在一个实施方式中分别包括一个形成照明锥的轮廓的光学器件。

所述照明单元可以分别包括一个或多个照明器件。在耐久性和可控性方面，发光二极管已证实是特别优选的。一个照明单元尤其可以具有多个沿着一个区段设置的照明器件，优选发光二极管。

为了针对文件表面的掠射照明产生尽可能均匀的、矩形的射束轮廓，如果其位于检测区域中，则几个、更多个或所有的照明单元的光学器件可以包括至少一个柱面透镜。在一个实施方式中，柱面透镜的轴线与文件的侧边缘或者检测区域的侧边缘平行地定向。

优选地如此确定摄像机的检测区域，使得摄像机检测表面的俯视图。所述检测区域在此视为一个平面的理想化区段，所述表面在检查期间位于所述区段中。因此，为了检测俯视图，基本上与检测区域的表面法线平行地从摄像机看文件表面。特别优选地，检测区域的中心点和（因此）文件表面的中心点在成像的中心成像。作为俯视图检测表面的优点在于，基本上不失真地检测表面和特征。这尤其对于识别通过隆起的空间设计——例如以笔路和/或几何图的形式的经编码的内容是特别有利的。因此，摄像机的检测区域在此理想化地分别视为平坦的、通常矩形的或者与所检测的成像的几何形状相匹配的区域。

通常，文件和（因此）文件表面在不同的照明和同时检测不同的成像期间相对于摄像机和照明装置和（因此）其照明单元处于静止。由此确保了：在不同的成像中，表面的同一地点分别在相应的成像中的相同位置处成像。然而也可考虑，在检查期间移动所述文件。在此，应平行于检测区域——也就是说在检测区域中进行表面的恒定的、均匀的运动。特别优选地，使检测不同成像与运动如此同步，使得在数字摄像机单元的情况下在不同成像之间不同成像中的地点分别以所定义的像素间距沿着运动方向移动，所述运动方向对应于摄像机的像素阵列的对称方向。如果像素如常见的那样布置成行和列，则运动优选平行于所述行或平行于所述列进行。

相对于行或列倾斜的运动方向使得在分析处理时需要更高的计算开销。

特别优选地，在分析处理时分别相互比较不同成像中的至少两个，以便根据所发现的差别来求得隆起结构。在分析处理时，优选分离阴影和/或反射轮廓。

除了来自不同方向的掠射照明之外，借助漫射光平面地照明表面的照明已经证明是有利的照明类型。构造在摄像机旁边或者后面或者包围摄像机并且包括例如毛玻璃或者其他漫散射体的照明单元能够引起这样的照明。在散射光中检测的成像尤其可以用作参考，因为在所述成像中既不会出现阴影也不会出现反射轮廓。

尤其当在各个所检测的成像中记录由作为隆起结构的其他安全特征引起的特征时，这特别有利。

在基于塑料——例如基于聚碳酸酯制造的文件中，能够在红外波长范围中很好地识别由激光黑化造成的隆起结构。因此，在一个实施方式中规定，使用发射红外波长范围中的光的照明器件。

优选完全自动化地执行本发明。控制装置在此不仅控制照明装置和摄像机而且控制分析处理装置。分析处理装置识别和评价隆起结构。

在一个实施方式中，在分析处理时，将所发射的数据与预给定数据进行比较，所述预给定数据分配给在表面上预期的隆起结构，并且根据比较进行文件表面上的隆起结构的质量评估。根据所述评价可以表明文件是符合质量要求或者是有缺陷的。同样，所述评价可以用于反作用于生产过程。预给定数据在这种情况下代表在各个成像中在分析处理时或者在相应的分析处理之后产生隆起结构的特征。

附图说明

本发明的其他优点由以下对优选实施方式的详细描述得出，结合附图详细说明所述实施方式。在此示出：

图1：用于识别和/或评价文件表面的隆起结构的装置的示意图；

图2：根据第一实施方式借助照明单元掠射地照明文件表面的示意图；

图3：根据另一实施方式用于解释借助照明单元在掠射入射下照明表面的示意图；

图4：用于识别和/或评价文件表面上的隆起结构的方法的实施方式的流程图的示意图；

图5：具有触觉隆起结构的文件的成像，所述隆起结构的触感从右向左增加，其中在照明表面期间借助来自左侧的掠射光检测成像。

图6：与在图5中相同的文件的成像，其中在照明文件表面期间借助来自右侧的掠射光检测成像；以及

图7：图5和6的成像的差成像，使得可明显地识别由隆起结构造成的特征。

具体实施方式

在图1中示意性地表示用于识别和/或评价文件4的表面3上的三维隆起结构2的装置1。所述装置1包括照明装置5，其组成部分通过阴影部分表示。在所示的实施方式中，照明装置5总共包括五个不同的照明单元6-10。所述照明单元相对彼此如此设置，使得所述照明单元能够分别单独全面积地照明文件4的表面3。此外，所述装置1包括摄像机11，用于平面地检测文件4的表面3。摄像机11具有检测区域12，所述检测区域是空间中的一个平面的一个虚拟部分，文件4的表面3在检查期间并且因此在通过摄像机11检测成像期间位于所述平面内。优选地，如此确定检测区域12的尺寸，使得能够全面积地检测文件4的表面3。摄像机11的检测区域12是摄像机在检测成像时优选清晰成像的区域。特别有利地，如此设置摄像机11，使得摄像机的中心观察方向13以一个合适的角度落到文件4的表面3上。因此，在借助于摄像机11检测成像时，分别检测文件4的表面3的俯视图。所述中心观察方向13因此与文件4的表面3的表面法线14共线。

借助于摄像机11检测的成像由分析处理装置15分析处理，以便根据光学检测的特征识别并且如有必要评价隆起结构2。文件4例如能够设置在输送装置16上并且借助于所述输送装置导入和导出。所述输送装置16可以、但不必是装置1的组成部分。

照明装置5以及照明单元6-10、摄像机11和分析处理装置15和如有必要输送装置16由控制装置17控制。照明单元6-10中的几个——即照明单元6-9沿着检测区域的边缘21-24设置，而照明单元10设置在表面3上方，在本实施方式中包围摄像机11。在此，在检查期间，照明单元6和8以及照明单元7和9分别成对地相对于检测区域12或者文件4的表面3彼此完全相反地对置。

照明单元6-9分别构造用于借助光在掠射入射角下从方向25-28平面地照明文件4的表面3。与此相反，如此构造所述照明单元10，使得其产生漫射光并且借助漫射光全面积地照明文件4的表面3。

如通过不同的方向箭头41-43表示的那样，产生漫射射束的照明单元10包括例如一个或多个照明器件以及一个漫散射体（未示出）——例如毛玻璃，所述漫散射体设置在所述照明器件（未示出）和文件4的表面3之间。

图2示意性地表示照明单元6（相同的技术特征在不同附图中具有相同的参考符号），所述照明单元6沿着文件4的垂直于图平面延伸的短边缘设置在文件4旁，以便借助来自方向25的掠射光照明所述文件4。照明单元6包括至少一个照明器件31，所述照明器件发射在空间上受限的光锥32中的光。绘制了光锥32的边界射束33、34。光锥32中的中心射束35与文件4的表面3的表面法线14平行地定向。

光锥32朝向镜36，所述镜与中心射束35或者表面3的表面法线14或者与表面3本身构成45°角。光锥32的光在所述镜36上反射，如这通过边界射束33、34示出的那样。可以看出，文件4的整个表面3位于在反射之后产生的照明光锥38中并且因此在掠射光入射下被全面积地照明。

在图3中表示了照明单元6的变型，其中在检测区域12或者文件4和文件的表面3和镜36之间设有柱面透镜37，以便更均匀地构造照明。尤其是，如果沿着检测区域12的边缘21（与图平面垂直）（在图平面上方和/或下方）设置多个照明器件，则照明光锥38具有均匀的、矩形的横截面轮廓。

显然，可以选择不同的照明单元几何结构。

这根据图4说明，图4表示用于识别和/或评价文件的表面的隆起结构的方法的实施方式的示意性流程图51。

首先，选择52照明类型之一或者根据按照图1的实施方式选择52照明单元之一——例如根据图1的装置1的照明单元6，并且随后激活所述照明单元，使得其在掠射光入射下根据所选择的照明类型平面地照明53文件4的表面3。在沿着方向25的照明期间，借助于摄像机11检测54成像。随后停用所选择的照明单元或者结束55根据所选择的照明类型的照明。

依次以不同的方式照明文件表面。对此，以类似的方式依次激活不同的、现有的照明单元并且分别在照明期间检测成像。因此，进行方法步骤52-55的迭代，其通过询问56表示，在所述询问中检查：是否存在在文件检查时还未激活过的照明单元或者是否存在另一个先前尚未使用的照明类型。如果是这种情况，则选择52所述照明单元或者照明类型之一，并且针对其重新实施方法步骤53-56。

本领域专业人员会理解，其他的照明也是可能的，其中多个照明单元组合地照明文件表面。同样可能的是，不是对于所有使用仅仅一个照明单元的可能照明类型使用并且分别检测一个成像。

随后分析处理57所检测的成像。例如有利的是，能够借助求差58来成对地分析处理所述成像，其中在掠射光入射下从完全相反的方向——例如25和27或者26和28照明文件表面3。作为差，在此在隆起结构2（见图1）的朝向照明单元的一侧上出现反射投影29，并且在背离所述照明单元6的一侧上出现阴影30。在此，对于图1中的反射投影29和阴影30的表示考虑：在掠射光入射下通过照明单元6沿着方向25进行照明。因此在分析处理时，优选分离反射投影29和阴影30。由此可能的是，推断出隆起。能够实现这些的图像处理软件在现有技术中是已知的并且在此不详细解释。

在分析处理之后，输出59关于所求得的隆起的信息。替代地或附加地可能的是，检测60预给定数据，所述预给定数据代表在文件表面上所预期的结构。通过所检测的预给定数据与由分析处理求得的数据的比较61，能够进行所述文件能否可以视为符合质量要求的评价。

根据图5-7举例说明所述分析处理。

在图5中描绘了触觉文件4的表面3的所检测的成像71，其中隆起结构2的触感从右向左增加。因此，设置在左侧的结构2从文件4的表面3突出最远。

根据图5的成像7的摄取在借助来自左侧的掠射光照明期间进行。

图6表示了与在图5中相同的文件4的相同表面3的成像，然而其中在借助来自右侧的掠射光照明期间检测所述成像。

在图7中最后表示图5和图6的成像71和81的差成像91。尤其在差成像91的左侧区域中可以明显地识别所产生的特征91，所述特征由文件4的表面3的隆起结构2造成并且代表所述隆起结构。

本领域专业人员会理解，在这里仅仅描述了示例性的实施方式。不同实施方式的各个特征可以任意组合，以便执行本发明。

参考标记列表

1      装置

2      隆起结构

3      表面

4      文件

5      照明装置

6-10   照明单元

11     摄像机

12     检测区域

13     中心观察方向

14     表面法线

15     分析处理装置

16     输送装置

17     控制装置

21-24  检测区域的边缘

25-28  方向

29     反射轮廓

30     阴影

31     照明器件

32     光锥

33、34 边界射束

35     中心射束

36     镜

37     柱面透镜

38     照明光锥

41-43  方向箭头

51     流程图

52     选择一个先前仍没有选择过的照明类型（选择一个先前仍没有选择过的照明单元）

53     根据所选择的照明类型照明所述表面（激活所选择的照明单元）

54     检测成像

55     结束照明（停用照明单元）

56     询问：是否存在其他仍没有激活过的照明单元/照明类型

57     分析处理

58     求差

59     输出信息

60     检测预给定数据

61     比较

71     成像（在来自左侧的掠射光下拍摄）

81     成像（在来自右侧的掠射光下拍摄）

91     差成像

92     特征（代表所识别的隆起结构）

Claims (10)

1.一种用于识别文件（4）的表面（3）上的三维隆起结构（2）的方法，所述方法包括以下步骤：

借助光照明所述表面（3）；

在照明所述表面（3）期间，检测所述表面（3）的成像；

分析处理所检测的成像以求得所述隆起结构（2），

其特征在于，

以至少两种不同的类型平面地照明所述表面（3），并且对于不同照明类型中的每一种检测所述表面（3）的至少一个平面成像（71、81），以及共同分析处理所述表面（3）的多个如此检测的平面成像（71、81）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以不同的类型照明所述表面（3），其方式是，从不同的方向（25-28）借助掠射入射角下的光来照明所述表面（3）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，不同的照明类型中的一种是至少一种照明，在所述至少一种照明中借助漫射光全面积地、均匀地照明所述表面（3）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在分析处理时，分别相互比较不同的成像（71、81）中的至少两个，以便根据所检测的差别来求得所述隆起结构。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在分析处理时，分离阴影（30）和/或反射轮廓（29）。

6.一种用于识别文件（4）的表面（3）上的三维隆起结构的装置，所述装置包括：

照明装置（5）、用于检测所述文件（4）的表面（3）的平面成像的摄像机和用于分析处理所检测的成像（71、81）并且求得所述隆起结构的分析处理装置（15），其中，所述照明装置（5）和所述摄像机（11）如此彼此定向，使得所述摄像机（11）能够在通过所述照明装置（5）照明所述表面（3）期间检测所述成像（71、81），

其特征在于，

所述照明装置（5）被构造用于以至少两种不同的类型分别平面地照明所述表面（3），并且所述摄像机（11）被构造用于在不同的照明期间分别检测所述表面（3）的至少一个平面成像（71、81），并且所述分析处理装置（15）被构造用于共同分析处理不同的成像（71、81）。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述照明装置（5）包括多个照明单元（6-10），借助于所述多个照明单元的分离运行可分别实现所述照明类型中的一种。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述多个照明单元（6-9）中的至少几个照明单元沿着所述摄像机（11）的检测区域（12）的不同边缘（21-24）设置，所述文件（4）在所述照明和所述成像检测期间位于所述检测区域中，并且所述至少几个照明单元被如此构造，使得如果所述文件（4）位于所述摄像机（11）的所述检测区域（12）中，则平面地借助掠射入射角下的光从一个方向（25-29）分别照明所述文件（4）的表面（3）。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，一个照明单元（10）被构造和设置用于产生漫射光并且以一种照明类型全面积地、漫射地照明所述文件（4）的表面（3）。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述多个照明单元（6-9）中的至少几个照明单元分别包括一个形成照明光锥（38）的轮廓的光学器件。

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