CN106682912A - 3d结构的认证方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种3D结构的认证方法。提出新的认证功能，该功能可视、能够用移动装置认证并且也可以挑战伪造者。在可能的实施例中，认证功能的表面可以具有三维特征，该特征能够被例如智能手机相机的手持相机识别，同时其无法通过简单的扫描和打印处理被容易地再生。在进一步的可能实施例中，使用智能手机相机能够获取认证功能的至少两个不同视点，并且所得的图像可以使用智能手机处理器进行分析以识别认证功能的三维特征。通过在表面上压纹三维结构，能够以低成本来执行功能的制造。例如，可以通过不干胶标签或直接压纹到产品包装上来执行认证特性。

Description

3D结构的认证方法
背景
本发明涉及用于贵重物品的防伪、防篡改和可追溯性。一般采用特定的办法解决这些三个安全问题中的每一个。
为了防止伪造，现有技术的方法通常基于特定标记(如全息图、DNA编码、光学可变油墨、隐形油墨、密码、缩微文本等)，其中操作者检查该标记存在或不存在。这样的解决方案主要针对伪造(以及在某些情况下篡改)有用，并且它们的安全性原则上依赖于伪造标记的复杂性。特别是，不可见的标记可以被打印在贵重物品或商品的表面，正如在申请人的专利US7492920、US7684088和US7965862中所述。
为了防止篡改，大多数现有技术解决方案或者基于冗余编码策略，或者基于篡改证据的方法。冗余安全性是基于关键信息的双重编码(像护照上的名字也被编码在所附磁条上，或文本的哈希值被打印到不能被修改的文档上)。篡改证据也可以使用各种物理或化学方法来实现，这使得能够检测到对文档或包装进行的修改。这些方法包括特殊的纸张处理，使它能够立即被溶剂或超声波探测系统着色，该系统能够检测薄薄的纸片的叠加。
可追溯性是利用每个物品的唯一标识来实现。可追溯性系统通常需要中央数据库以对每个编号的物品保持信息记录。可以例如通过打印编码了唯一数字的条形码，或通过使用独特的物品特性并将它们存储在数据库中，类似于人类指纹，来将唯一标识添加到该物品。应当注意的是，唯一标识潜在地使得能够解决类似以联合的方式伪造、篡改和改道(diversion)的所有安全问题。
对于纸箱和纸类物品，唯一标识通常由喷墨打印(喷码(DOD)或连续)、激光打印、或字母标识符或诸如条形码、2D矩阵码或QR码的信息携带码的雕刻来执行。
在篡改检测的情况下，防篡改方法的主要目标是保证在文档中明文打印的数据没有被非法修改(例如，支票的票面价值的增加)。作为示例，要达到此目的的一种简单的方法是，用打印在其上的标识码(例如使用条形码或十六进制字符串)来唯一地识别文档。该数字通过对明文打印在文档上的所有数据经过查找表来准许访问。然后可以检查打印在文档上的数据与存储在查找表中的数据是否相匹配。光学字符识别/OCR可以用于自动化比较处理。在US6920437中描述了用于完整检查身份文档的示例性解决方案，而在US6565000中详细描述了用于护照文档的另一种解决方案。
对于监视贵重物品的供应链和跟踪商品的平行进口(改道-水货(graymarket goods))，可追溯性尤为重要。为了跟踪商品的改道，对于每个包装的唯一标识符可以与目标国家和其他供应链相关的数据一起被记录在数据库中。在水货市场的情况下，商品可以被再进口(改道)到与原始的目标国家不同的国家。通过检索唯一码标识符，然后可以追溯商品的源头和原始的目标国家。例如，在US6922687和US6547137中描述了包括中央服务器、中央数据库和客户端应用的该方法的示例性系统结构，其中标识符被打印在依附到产品的标签上。对于制药工业，这种解决方案还可以通过如US6776341中所述直接在标签或药丸上标记该标识符来实现。对于电子工业，US6629061描述了一种解决方案，其中标识符被打印在电路板上，并嵌入到存储设备中；在US6459175中给出用于与供电行业中的水货战斗的另一种方法。对于服装行业，US6461987描述了一种通过微标签条来获取唯一标识的解决方案。
在假冒检测的情况下，所有生产的包装或文档的标识符被保存在中央数据库中。对于每个产品，然后可以查询数据库并知道：
●如果标识符属于数据库。如果是这样，那么证明这是有效的标识符，即，它不是被伪造者发明的(在某些情况下使用保密算法随机选择识别码)。
●如果已经为同一标识符发送了另一请求，这可能表示存在同一产品的几个假冒拷贝。本方法不是很可靠，因为服务器可能无法在没有额外智能下区分这种情况和同一正版产品的数个认证的情况。默认情况下，在造假者取得正版产品并将其复制了很多次的情况下，作为对数据库的第一次请求，假冒产品的第一次认证尝试将是确定的，而作为对数据库的第二次请求，正版产品的稍后的第一次认证请求可能会失败。
用于可追溯性的某些较后的解决方案也适用于假冒检测，例如使用商标的US6776341或者用于服装行业使用微型商标条的US6461987。既可以通过打印也可以通过雕刻的手段来执行编码的应用，例如US6706314，其中可以使用激光来读取编码以用于可追溯性或用于防伪应用。也可以将特殊光源用于反应于特定波长的材料。尽管这种方法通常只提供二进制应答(因为它能够产生非常有限数量的不同的标识符)，专利US6384409提到使用这种方法与水货战斗。也可使用生物标记物(如在US6030657中所述)或利用专用的读取器的磁性图案(如在US5975581中所述)。
因此，上述现有技术的唯一标识方法使得能够解决三个不同的安全问题：防篡改、可追溯性和防伪。然而，他们在实践中存在一些致命缺陷：
●中央服务器给出的答案是不可靠的：被检测为正版的产品实际上可能是假货，反之亦然；
●它们要求在每个物品上施加唯一编码，这很昂贵。
●它们需要从读取器/检测设备到中央服务器的专用连接。
上述解决方案的附加限制在于，它们主要依靠添加例如条形码、隐蔽标记或打印的标识符的2D信息到昂贵物品或商品的材料或打印表面。这种2D限制减少了潜在的造假者的搜索空间，造假者可以投入显著的努力和投资以提取和复制安全功能。对于某些应用，可能因此期望将安全功能扩展到额外的材料尺寸。
在这种情况下，可以使用采用在不施加唯一编码的前提下使能唯一标识(有时也被称为“指纹”或PUF(物理不可克隆功能))。基本方法包括精确测量/标识/表征表面或产品材料或文档的某些内置特征并使用该功能以唯一地标识产品。特征可以例如是色彩波动、表面粗糙度、材料结构等。例如，在专利申请GB0418138.4，GB0418173.1，GB0418178.0和GB0509635.9中，英根亚(Ingenia)技术提出使用(通常由激光产生的)相干光源来测量纸箱和纸的微观拓扑。这种技术可以被直接嵌入打印机设备中，如在PCT/GB2005/000903中所描述的。这种技术基本上可以被用于任何混乱表面，使用能够在不同的发生率来探测材料表面的激光光源阵列，如PCT/GB2005/000922中所描述的。在德拉鲁公司(De La Rue Company Plc)的申请GB2221870中描述了类似的方法，其中相干光的散射被用于检测。在麻省理工学院(MIT)提出的US6584214中描述了另一种解决方案，其中材料的整个3D混沌结构被用于产生唯一的标识符。使用基于相干光(用于非透明材料)或者超声和X射线(用于透明材料)的设备来获得3D结构。在US5454045中描述了使用超声测量的另一种方法，其中(宏观或微观)特征被在材料内部测量、被存储并随后与新的测量相比较来匹配控制。
在公开的专利申请US20050075984、US20030014647和US20030712659中，描述了基于插入透明介质并粘结在产品上的微气泡的随机组的方法。检测是基于从单一的2D图像捕获进行阴影和反射的测量，以确定每组气泡的唯一式样。透明介质随后被物理地固定到要被标识的产品或文档上。这种方法是不寻常的，因为它在某种程度上介于两种方法之间：一方面它是模拟随机过程，但是另一方面，它需要被物理地施加在产品上，它与打印出序列号的方法在概念上相同，但具有额外的微泡深度。
另一系列解决方案是基于使用材料的随机和混沌性质来创建数字签名。这种数字签名可以用于认证目的，用于加密目的或篡改检测。有关认证的应用，例如在US6928552中公开的，其中签名被加密并被印在材料本身上作为对于每个物品样品的唯一的图像。由公司Signoptic技术公开的各种专利申请还侧重于使用材料的微观结构的数字签名的生产和使用。在文档WO2005/122100中，描述了不同的应用，其中签名被用来加密数据。文档WO2006/078651特别侧重于从纤维材料获得签名用于认证。US8994956和WO2008053121A2描述了具体的光学设备和配件用于通过反射来观察在毫米或亚毫米尺度的物体的结构细节。
因此，现有技术的方法在防伪实践中仍然存在以下缺点中的一个或多个：
●指纹识别技术需要捕捉十万甚至上百万的参考图像，用于在验证正版物品的组时可能会遇到的所有可能的内在特性。此外，每个图像必须为受控的质量，事实上任何坏的参考图像将导致不可靠的答案(假阳性或假阴性)。在现实世界中，在可能在一些偏远的地方制造产品的工业环境下，这一要求可能会增加部署的成本到不可接受的程度。增加成本的两个特别的示例是硬件和软件的基础设施设置或生产延误(例如在网络或成像问题的情况下必须停止生产)。
●基于材料结构的大多数认证方法需要访问中央服务器和计算系统的网络接入，这限制了其使用为连接的区域并大幅减缓了认证过程。
●检测和分类成正版与赝品需要特定的采集设备，诸如相干光投影仪、放大镜或特殊光学配件，以能够检测本征特征。对于多个验证应用，理想的是使用例如像智能手机相机的标准成像设备。
不同于如上述指纹识别解决方案中依赖于物品材料或表面的内在特性，另一种方法包括压纹(即变形)包装箔(例如用于香烟包装)或包装的3D表面用于认证目。例如由Boegli Gravures在EP1867470中描述的，例如签名、点或图案的识别标记阵列可以是着色的压纹的成线，并且标志的压纹可能在着色的和/或标志区域。然而，在EP1867470中描述的方法并不限于弱认证，因为压纹图案是由具有最小噪声水平阈值的简单模板匹配图像或视频摄像处理技术来检测的，这意味着伪造者能够很容易地检测压纹图案并通过类似于成像技术来再现它；整个安全依赖于压纹伪造包装的挑战，或者如在EP1867470中所建议的，在自动图像处理中使用的替代2D认证方法(如灰度关联)和由申请人开发的方法，如在US7492920、US7684088或US7965862中所述方法，组合起来。然而，这些解决方案只利用了2D空间，而在某些应用中也希望采取与压纹处理相关的3D尺寸的优势。
在由Digimarc提出的WO2014182963中，形成信息传送平铺(tiles)的两个图案，一个图案通过打印形成而另一个图案通过压纹形成。在一般情况下，打印包括平铺的水印图案，其传达可适合用于认证目的的多位有效载荷数据；而压纹包括平铺的水印图案，其传达空间校准信息以便于多位有效载荷数据的检索，按照Digimarc数字水印技术，如本领域技术人员公知的隐写和水印。因此，在该解决方案中压纹被限制在校准功能并且认证鲁棒性仍然依赖于底层2D标记技术。如在WO2014182963中提到，压纹也可以嵌入标记有效载荷，然而Digimarc解决方案需要一些穷举搜索步骤来检测可能不适用实时场景的标记-或者如果其可行，则造假者也可能应用穷举搜索来扭转并再现嵌入标记。
因此，提供了以下优点的新颖的解决方案是有必要的：
●无需网络连接
●无需专用的硬件，效率高到足以与标准的智能手机工作
●低生产成本
●挑战伪造
●用户友好
发明内容
这是通过用成像设备认证3D图案的方法来实现的，该方法包括以下步骤：
-用成像设备的屏幕向终端用户提供第一成像设备的位置的指示；
-用成像设备的相机捕捉3D图案表面的第一数字图像；
-用成像设备的处理器比较所述第一图像和3D图案参考图像以生成第一特性信号；
-用成像设备的屏幕向终端用户提供第二成像设备的位置的指示；
-用成像设备的相机捕捉3D图案表面的第二数字图像；
-用成像设备的处理器比较所述第二图像和3D图案参考图像以生成第二特性信号；
-用成像设备的处理器测量第一特性信号和第二特性信号之间的差；
-用成像设备的处理器确定所测量的差是否大于预定义的阈值。
在一个可能的实施例中，第一特性信号和第二特性信号之间的差被测量为第一矢量和第二矢量之间的角，其中第一矢量联接第一互相关图像信号的预定义区域中的最高相关值的第一点和第一互相关图像信号中的第一点的预定义相邻区域中的最低互相关值的第二点，第二矢量联接第二互相关图像信号的预定于iquyu中的最高互相关值的第三点和第二互相关图像信号中的第三点的预定义相邻区域中的最低互相关值的第四点。
如果所测量的差大于预定阈值，则3D图案可以被认证为正版。例如，当智能手机被用作成像设备时，成像设备可以通过：显示消息到成像设备显示屏幕，和/或通过发出声音到成像设备的显示扬声器，和/或通过产生成像设备的振动，来指示成功信号给终端用户。
可以通过各种制造工艺来产生3D图案，例如从旨在表示随机或伪随机的点位置，和/或随机或伪随机的点尺寸，和/或随机或伪随机的点灰度值的3D图案参考图像来压纹和热冲压。
为了防止由例如成型的3D图案表面逆向工程的方法伪造的3D物品，3D图案结构可以填充有耐溶剂的透明材料。可选地，在3D图案表面材料对特定溶剂敏感的应用中，3D图案结构可以填充有与3D物品表面材料一样对相同的溶剂敏感。
附图说明
图1：用于定义压纹区的、用伪随机数生成器生成的图案的位图图像示例。
图2：不同类型的图案。
图3：低通滤波和阈值化之后的后处理图案。
图4：通过伪随机图案(a)的二重化(b)或者四重化(c)的自相关图案的设计。
图5：示出4次重复图案的效果的自相关图像。
图6：基于后续被压纹(b)和涂漆(c)的反射面(a)的应用的制造方法。
图7：所得表面的特写。
图8：基于不同参数的压纹图案的特写。
图9：用于特定组的参数的压纹图案的视觉情形。
图10：在所获取的3D图案的图片上的智能手机的位移的影响。
图11：使用数字重叠来引导操作者从位置(a)到位置(b)。
图12：对于一个智能手机位置的互相关(cross-correlation)图案的特写。
图13：对于不同智能手机位置的互相关图案的特写。
图14：对于第一个位置，由智能手机观察到的图像及对应的互相关图像。
图15：对于第二个位置，由智能手机观察到的图像及对应的互相关图像。
图16：计算表征了对于2个位置(a)和(b)的入射光的方向的向量。
具体实施方式
概述
可以以这样的方式设计鲁棒的认证特征：它们检查很简单，在认证过程中不需要显著的用户专业知识，同时保持难以被伪造/复制。在一个优选的实施例中，因为它们难以以精确的方式重现，因此使用三维(3D)表面结构作为鲁棒的认证功能。这些结构首先在嵌入阶段与产品相关联，例如在制造产品时，以及稍后在检测阶段被检测，例如在海关。
在嵌入阶段，存在许多可能性以获得这些3D结构。例如，它们可以被设计，然后用专用的生产工具或处理。他们可能已经被固有的产品特征所表征。其他的方法可能包括选择具体的生产流程以创建过程中的具体的三维结构。
在检测阶段，认证过程依赖于将三维结构与参考进行比较。在一个可能的实施例中，该比较可以使用从三维结构的不同视点捕获的至少两个图像。通过使用不同的视点，3D表面可以被唯一表征。
因此，伪造的挑战在于制造三维结构的精确复制。特别是，如果表面的低质量的3D复制品或简单副本可以被识别为是非正品，则伪造将是成功的。可以使用任何成像装置来完成2D图像的捕获。在一个实施例中，可以使用如苹果iPhone(Apple iPhone)或三星银河(Samsung Galaxy)系列的移动/智能手机。在其他实施例中，也可以使用USB显微镜、扫描仪等。作为示例，使用智能手机时，可通过从左向右移动智能手机来捕获不同的视点图像。也可以从视频捕获中萃取不同的视点图像。
3D图案设计
在本申请的其余部分，使用术语“图案”、“物品”、“特征”或“结构”将与实际的基础几何形状、支撑材料和制造方法的使用无关。
根据用于生产有价值的物品或便于被认证的制造过程，设计3D认证结构可以依赖于不同的方法。最复杂和鲁棒的方式包括充分设计所希望的表面结构的3D模型。为了这个目的，可以使用如3D Studio Max的计算机图形工具。但是，完成3D建模是复杂的，需要高度熟练的技术人员，而且不一定值得为所有类型的物品努力和花费成本。在其它实施例中，3D模型可能更会被用于制造工具的物品生产，例如邮票，使用例如激光技术，而不是用于物品表面的3D模型本身。
用于创建3D表面结构的设计的可能的实施例采用2D设计/图像作为基础图案，其中彩色/灰度值代表第三维高度信息。在一个可能的实施例中，如下文所述，压纹(embossing)可被用于在制造阶段将3D认证功能嵌入到物品中，但除压纹外，其他的技术可以用于其它生产技术中，如例如使用能够沉积大量墨水的技术的模塑或打印，例如丝网打印，正如本领域技术技术人员公知的。基础图案可以使用数字处理来设计。这种图案可以随后被用来定义压纹图案，例如，以产生可以随后在该物品的制造过程中使用的压纹工具或板。在一个可能的实施例中，图案可以是二进制位图，并且可以定义公约以识别压纹区域是由白色还是黑色的像素定义。例如，位图的白色像素可以代表压纹区(因此凹陷)并且黑色代表非压纹区域。其他可能的实施例当然也是可能的，例如描述2D或3D形状的2D或3D文件格式、例如用于增量制造技术的.STL文件、用于机加工的.STEP文件、或DXF矢量文件格式，可以用于描述3D表面结构。
为了使3D结构高效并提供作为认证功能的最低安全性水平，图案的设计必须固有地设有一定的复杂性水平。例如，具有有限数量的平坦表面的3D结构可能无法达到所需的复杂度水平，因为它很容易进行逆向工程并且用简单的设备进行复制。在另一个极端，白噪声表面具有过高频率以至于它们不能在没有如激光测微的高度专业化和昂贵的技术下读取。在一个可能的实施例中，装饰性图案、如蛇皮肤纹理的类似天然表面的图案、或没有任何视觉关联的随机结构，都可以使用。不同的设计元素的组合也是可能的。为了品牌的目的，3D认证结构可以与品牌元素，如商标、品牌的设计、品牌颜色等组合。对于全局的形状也是如此，其中，可以使用从单条线到矩形、方形、圆椭圆、自由形式的或甚至多个不同的连接的区中的任何形状。
在一个可能的实施例中，可以使用随机/伪随机寻找模式。随机/伪随机寻找图案的产生可以包括步骤：
●在随机或伪随机位置生成特定数量的点。在一个可能的实施例中，如图1所示，这些可变点的位置可以由被预定义的种子初始化的伪随机数生成器确定。在另一个可能的实施例中，可使用基于物理性质的真实的随机生成器，例如量子效应生成器。在另一个可能的实施例中，确定的过程和随机/伪随机的组合可以被用于产生随机查找和结构化的图案。其他实施例也是可能的。
●在可变的点位置上生成特定数量的可变大小的点。在一个可能的实施例中，这些可变点的大小可以由被预定义的种子初始化的伪随机数生成器来确定。在另一个可能的实施例中，可以使用基于物理性质的真实的随机生成器，例如量子效应生成器。在另一个可能的实施例中，确定的过程和随机/伪随机的组合可以被用于产生随机查找和结构化的图案。其他实施例也是可能的。
●可变的点位置上生成特定数量的可变颜色/灰度值(高度)的点。在一个可能的实施例中，这些可变的点值可以由被预定义的种子初始化的伪随机数生成器来确定。在另一个可能的实施例中，可以使用基于物理性质的真实的随机生成器，例如量子效应生成器。在另一个可能的实施例中，确定的过程和随机/伪随机的组合可以被用于产生随机查找和结构化的图案。其他实施例也是可能的。
上述可能的嵌入步骤也可以被组合，例如，以产生包括可变的点位置和可变的点灰度值两者的基础图案图像。图2中示出了示例性生成的3D图案。在一个可能的实施例中，可以具体选择嵌入步骤，以匹配制作物品所使用的压纹生产过程的要求。在另一可能的实施例中，可以采用嵌入步骤使得所得图案呈现特定的数学属性，该属性可在以后被用来缓解自动认证处理。
根据要求，可以在所得的基础图案图像上应用进一步的后处理步骤。在一个可能的实施例中，图像可被特别适于制造物品所用的压纹生产过程。后处理的一个示例包括模糊化所生成的图像。其它的方法包括增加以模糊(即低通滤波)后续的阈值，目的是定义更圆的区域，如图3所示。
在另一个可能的实施例中，可以选择这样的后处理操作，使得得到的图案具有特定的数学属性，该属性可在以后被用来缓解自动认证处理。
这种数学属性的示例是：
●图像的特定2D频谱，其中在傅立叶变换的振幅的数个已知位置(Fx，Fy)处呈现一些峰值(peak)。这可以例如在后处理步骤通过增加特定频率的峰值或甚至调整频率相位来实现。
●自相关属性。在这种情况下，可以通过将自身的复制并且空间上移位的版本重叠到原始位图上来嵌入自相关元件，例如如图4中所示，其中(a)是原始图案，(b)2倍移位-复制版本，以及(c)4倍移位-复制版本。对于大量的点，2D自相关图像以峰值为特征，例如如图5中所示(4倍移位-复制的特定情况)。在另一个可能的实施例中，原始图案的平铺可以用于引入自相关。
嵌入-制造
3D图案或3D模型可以随后用于创建生产所需的3D表面所使用的工具。除了表面的3D结构，材料的反射率还可能对特征的有效性具有影响。下面，我们描述了通过热冲压的方法同时使用3D结构和材料反射率的可能的制造实施例。其他实施例也是可能的。
用于说明的特定过程是基于所谓热冲压的方法。制造过程包括如图6中所示的以下步骤：
步骤a)：在基板(1)上沉积反射表面(2)(例如，通过热冲压，粘合反射表面或沉积金属油墨)。如果在基片上直接进行压纹加工则可以潜在地避免这一步骤。该衬底可以是不光滑的或反射性的，例如金属箔。
步骤b)：在反射表面(2)上压纹图案(3)。也可以在铝泡罩(blister)上直接执行，正如那些用于药丸制造的技术那样。在使用在衬底上沉积金属油墨得到反射表面的特定情况下，随后可能会在油墨已经干燥之前进行压纹步骤，这使得以低机械压力来执行压纹。可使用作为本领域技术人员公知压纹来执行压纹步骤b)，例如，通过在热印箔(或用作压纹材料的任何物品，涂料也可以)上按压刚性板，以便将刚性板的3D形状转移到待压纹的材料上。在操作过程中，待压纹的材料可以铺设在例如橡胶板的柔性板上，或者铺设在具有负的3D形状的刚性板上。
用于压纹的刚性板，以及作为相关的匹配的负的形状板，可以以这样的方式来创建：其表面复制3D数字图像基础图案设计，其中每个像素的灰度指定表面压纹的高度。这样的板可以通过化学蚀刻、或机加工、或激光结构化来获得。方法之间的主要区别在于，机加工和激光结构化使得能够在每个位置特定地定义板的高度(因此各灰度值将具有对板的特定高度)，而化学蚀刻更多是通断过程(其中数字图像图案设计通常具有表示蚀刻或非蚀刻区的2种颜色)。
还有另一种方法包括将步骤a)和步骤b)结合成一个单一的操作。在这种情况下，使用其表面不平坦但是具有待压纹的图案的工具来执行热冲压处理(或箔冲压或任何相当的方法)。
为了进一步保护压纹图案并防止使用模型的假冒，可以应用进一步的步骤c)，参照图6：
步骤c)：附加的透明层或清漆的可选沉积(4)。此沉积材料可以任选以难被移除。例如，该附加层或清漆材料可以是溶剂稳定的。相反，沉积材料可以被任选以便与压纹材料一样对于相同的溶剂敏感，从而当溶剂接触时使3D认证结构也被破坏，从而防止其表面表征被假冒。然而，对于步骤c)另一种方法包括粘合透明的自动粘合箔。
图9中示出根据后一种方法的示例性压纹物品的表面，并且在图7和图8中示出一些特写。
如上所述，上述示例使用冲压以产生所需的3D表面。然而，其他方法是可能的，仅举几例，如压铸、热成型、吹塑和金属轧制。
所有引用的生产方法共同点是他们都允许创建3D表面结构。这种结构必须使得其3D性质可以在认证过程中被表征。相比于仅比较压纹表面的2D图像与预期的2D外观的现有技术的方法，该功能是关键的区别。
用于认证的操作模式
如前面提到的，从标准的2D成像捕获的3D表面的认证需要从两个不同视点捕获的至少两个图像。除了上述视点，照明也可以有一定的影响，并且如果对于两个视点的照明不同则甚至提高了效果。为了说明的目的，我们将描述用于两个视点的操作模式。然而，可以扩展到任何数量。极端的情况下将是“连续的”的视点，例如通过将智能手机运行在视频模式下的同时移动智能手机。在实践中，视频本身不是完全连续的，而是以每秒25帧或30帧捕获的。
在具有两个视点的最简单的情况下，检测是基于在不同照明和位置下得到的两个不同图像。图10示出了在2个不同的位置上的智能手机(0)和用于拍摄图片的智能手机照相机(3)，在验证步骤中分析该图片以检测存在或不存在3D认证图案特征。可以看出，依赖于闪光灯(4)的入射光方向(1)或(2)，压纹图案的不同的侧面(5)被相机看到并且被闪光灯照亮，如图14和图15中所示。为了引导操作者拍摄这2个图片，如图11中所示，数字重叠(1)可以显示在智能手机屏幕(0)上，并且可以指示操作者以将具有分别在智能手机的2个位置(a)和(b)上的压纹图案视图(2)的重叠与相应的在压纹图案图像捕获之前的重叠对准。其他实施例也是可能的，其中用户可以从任何位置上拍摄具有或不具有重叠的任何两个图像。
在一个可能的实施例中，图案检测和图像分析验证步骤可以在视频流的每个图像上直接实时执行，该视频流使用运行在智能手机上的专用应用，在闪光灯连续打开并且具有数字地裁剪对应于重叠的区域(或在离重叠为已知的位置上)的应用的情况下从相机获得。一旦在位置(a)上明确地检测到图案，则智能手机应用可以自动地用位置(b)的重叠来取代位置(a)的重叠，这引导操作者将智能手机移动到位置(b)，然后视频流的实时图像分析继续进行，直到第二次检测的成功。另外，也可以实施方法以触发视频捕获的“未检测到”停止，例如，通过当在给定的时间内没有成功的检测时的超时。
在闪光灯或者任何其他光源可以便利认证过程的同时，也有可能通过仅改变视点而不是光源来运行模式检测和图像分析的认证步骤。
图像分析
现在将更详细地描述图像分析认证步骤。图像分析认证步骤通过分析所获取的图像是否表示具有足够精度的3D认证图案，使得自动地确定被检查的产品是否是真品，同时在假冒产品中，3D认证图样复制通常具有比原始的低得多的质量。在一个优选实施例中，图像分析认证步骤以快速和可靠的方式检查(例如从几个图像或从一个视频流捕获的)一系列照片是否验证了下列两个特定条件：
1.一系列图片中的足够数目的图像以足够的精度表征了数字图像，该数字图像被用于创建如压纹板的三维结构。
2.被检查的表面具有三维特征。
如本领域中技术人员已知的，可以使用多个2D图像重构3D表面。例如，“从明暗恢复形状”的方法能够从具有不同的照明条件下拍摄的一个或多个图像重建表面的3D形状。然而，这些解决方案通常复杂、速度慢并且对照明条件非常敏感，因此不适合使用具有相对观察样本的未知的方位并且在不受控制的照明条件下的智能手机进行实时检测。
一种使用从例如用智能手机相机获得的一系列图像捕获的至少二维图像来同时评估两种认证条件的方法，是通过计算3D图案图像D(如图上图1为实例)和所获取的认证图案的图像I之间的互相关图像C，互相关产生I和D之间的特性信号。在一个优选的实施例中，所获取的认证图案的图像I是通过例如局部均衡或高通滤波的本领域已知的数字图像滤波方法，来首次预处理成平铺版f(I)，以摆脱肉眼可见的照明的变化。如果我们写出*互相关操作，则我们有：
C＝D*f(I)
以上条件1和条件2现在可以证明如下：
1.对于正版物品，互相关图像(或特性信号)C表现出具有高于预定阈值Ts的信噪比的峰值，例如：通过计算下面的表达式
2.对于3D表面，对成像设备的至少两个不同位置、视点，在表面的捕获图像上的照明变化的效果，产生第一和第二特性信号之间的差。在峰值位置的情况下，如在前面的第一步骤所解释的，这种差别可以被证明如下：
a.对于图11中的位置(a)，对应于所获取的图像I1，计算互相关图像，特性信号：
C1＝D*f(I1)
b.在互相关图像C1中，计算2D矢量其将预定义区域(图16.a.3)中的最高相关值(图16.a.1)的点连接到后者(图16.a.4)的预定义相邻区域中最低相关值的点(图16.a.2)。
c.对位置(b)执行相同的操作(使用在(图16.b.5到图16.b.8)所示的不同的相邻区域和对应点，以根据下式计算C2上的矢量
C2＝D*f(I2)
d.计算和间的角度α的绝对值，然后证明它超过预定的阈值αs：
在图12和图13以及图14和图15中分别示出对应于上述步骤2a和步骤2b的互相关图像的示例。
上面介绍的互相关当然只是用来测量3D图案图像和所获取的认证图案的图像之间的相似性的可能实施例，3D图案图像可以是前和/或后处理的，所获取的认证图案的图像也可以是前和/或后处理的。使用互相关是由于其简单且优雅，但许多其他方法也可用于测量相似性。这样的方法可以例如基于任何类型的差计算，例如绝对差、平方差等。在不同的投影域更复杂的方法可以使用例如多分辨率变换或者甚至神经网络的相似测量。
根据视点、照明条件和3D表面的初始设计，可以观察到许多不同的2D图像图案。上述实施例已经被作为示例详细描述，但其它实施例也是可能的，这对那些本领域技术人员将是显而易见的，例如：
●可以以这种方式设计3D认证结构：某些表面元素仅对特定的视点可视，并且当视点改变时被隐藏。
●可以以这种方式设计3D认证结构：它投下非常特定的阴影，从而导致对于不同的视点和/或照明出现不同的相关图案。
●可以以这种方式设计3D认证结构：从特定视点，不同的3D元素彼此相互干涉，并产生非常特定的干涉图案。
可以设计一些3D结构以显示出规则的网格外观，例如为了美观的原因。例如，在Boegli方法的情况下，其中，定期“缺陷”的模板被自愿地伪装在网格结构中。在这种情况下，仍可以使用上述方法进行检测，也可以进一步通过以下来改进：
●预过滤所获得的图像以衰减提高的缺陷可视性
●和/或后过滤互相关(或任何其它域变换的数据)以减少与网格相关的信号并增加与缺陷模板相关的信号。
实验结果–对伪造的鲁棒性
下面考虑三种类型的伪造方法：2D扫描打印、3D成型(molding)和3D扫描复制。
2D扫描打印：
这种3D表面设计的一个主要目标是，使用2D扫描和打印的复制将导致不表现出上述图像分析部分中列出的特性的图案。的确，图12和图13之所以不同的核心是由以下事实引起的：从2个不同的位置上观测和照明3D结构导致2个不同的图像。相反，纯粹的2D图案将提供2个非常相似的图像，其不同之处主要在于由改变视点和相机引起的不同的全局照明和几何扭曲。
3D成型：
另一个伪造方法包括成型(或任何其他类型的3D结构的转换)表面结构，以便直接地创建副本或创建可用于快速复制的工具(例如通过压纹或者成型)。图6中示出一个使得该复制过程更加难以实施的解决方案，该方案包括用透明材料填充表面。该材料可任选以难以被移除。例如，耐溶剂的材料是适合的。另一种方法是使用在与溶剂接触时易于破坏的材料。
3D扫描复制：
也可以使用3D扫描仪来获取图案的3D表面。然后，该信息被用于通过化学蚀刻或机械加工来创建例如压纹冲压机的工具。这里再一次地，如果3D图案被均匀清漆层覆盖，则通过激光扫描仪的3D获取更难被实施。

Claims (16)

1.一种用成像设备认证3D图案的方法，所述方法包括以下步骤：
-用成像设备屏幕向终端用户提供第一成像设备的位置的指示；
-用成像设备相机捕捉3D图案表面的第一数字图像；
-用成像设备处理器比较所述第一图像和3D图案参考图像以生成第一特性信号；
-用成像设备屏幕向终端用户提供第二成像设备的位置的指示；
-用成像设备相机捕捉3D图案表面的第二数字图像；
-用成像设备处理器比较所述第二图像和3D图案参考图像以生成第二特性信号；
-用成像设备处理器测量第一特性信号和第二特性信号之间的差；
-用成像设备处理器确定所测量的差是否大于预定义的阈值，并且在肯定的情况下，认证3D图案为正版。
2.如权利要求1所述的方法，其中将第一图像或第二图像与3D图案参考图像进行比较的步骤进一步包括：预处理第一图像或第二图像的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中将第一图像或第二图像与3D图案参考图像进行比较的步骤包括：互相关第一图像或第二图像与3D图案参考图像以生成第一互相关信号或第二互相关信号。
4.如权利要求3所述的方法，其中测量第一特性信号和第二特性信号之间的差的步骤进一步包括：过滤第一互相关信号或第二互相关信号的步骤。
5.如权利要求2所述的方法，其中第一特性信号和第二特性信号之间的差被测量为第一矢量和第二矢量之间的角，其中第一矢量联接第一互相关图像信号的预定义区域中的最高相关值的第一点和第一互相关图像信号中的第一点的预定义相邻区域中的最低互相关值的第二点，第二矢量联接第二互相关图像信号的预定义区域中的最高互相关值的第三点和第二互相关图像信号中的第三点的预定义相邻区域中的最低互相关值的第四点。
6.如前述任一项权利要求所述的方法，还包括以下步骤：
-如果所测量的差大于预定义的阈值，则通过在成像设备显示屏幕上显示消息来指示终端用户3D物品被认证。
7.如权利要求1至5中所述的方法，还包括以下步骤：
-如果所测量的差大于预定义的阈值，则通过发出声音到成像设备的显示扬声器来指示终端用户3D物品被认证。
8.如权利要求1至5中所述的方法，还包括以下步骤：
-如果所测量的差大于预定义的阈值，则通过产生成像设备的振动来指示终端用户3D物品被认证。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中3D图案参考图像表示随机或伪随机的点位置。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，其中3D图案参考图像表示随机或伪随机的点尺寸。
11.如前述任一项权利要求所述的方法，其中3D图案参考图像表示随机或伪随机的点灰度值。
12.如前述任一项权利要求所述的方法，其中成像设备是智能手机。
13.如权利要求1至12的方法，其中，3D图案表面被填充有耐溶剂的透明材料。
14.如权利要求1至12所述的方法，其中3D图案表面覆盖有耐溶剂的透明贴材料。
15.如权利要求1至12所述的方法，其中3D图案表面材料对特定溶剂敏感，并且3D图案填充有与压纹物品表面材料一样对相同的溶剂敏感的透明材料。
16.如权利要求1至12所述的方法，其中3D图案表面材料对特定溶剂敏感，并且3D图案覆盖有与压纹物品表面材料一样对相同的溶剂敏感的透明贴材料。
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