DE10161008A1

DE10161008A1 - Verfahren zur Identifizierung von Gegenständen wie Münzen, Token, Identifikations-Tags, Schlüssel etc.

Info

Publication number: DE10161008A1
Application number: DE10161008A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Lohmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2002-08-08

Abstract

In einem Verfahren zur Identifizierung von Gegenständen wie Münzen, Token, Identifikations-Tags, Schlüssel o. ä. wird der zu identifizierende Gegenstand mit einer zeitabhängigen physikalischen Größe angeregt und das vom Gegenstand dadurch erzeugte Antwortsignal registriert. Die so gewonnene Information wird anschließend hinsichtlich seiner relevanten Signalanteile zerlegt, gefiltert und analysiert und dann anhand eines Vergleichs mit zuvor abgespeicherten Referenzwerten eine Ja/Nein Entscheidung bezüglich der Identität des Gegenstandes herbeigeführt.

Description

Aufgabengebiet

Ein in der Praxis häufiges Problem ist die zuverlässige Identifizierung bzw. Prüfung auf Echtheit von Gegenständen (Münzen, Token, Identifikations-Tags, Schlüssel etc.), im folgenden allgemein als Identifikant bezeichnet. Ziel ist hierbei eine möglichst hohe Trefferquote bzw. eine möglichst hohe Vertrauenswürdigkeit (Confidence Level) der Aussage. Besonders schwierig gestaltet sich die Aufgabe, wenn z. B. wie bei der Identifizierung bzw. Echtheitsprüfung von Münzen mit in betrügerischer Absicht hergestellten Simulationen bzw. Fälschungen zu rechnen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in all den genannten Fällen eine zuverlässige Aussage hinsichtlich der Identität des Gegenstandes (Identifikanten) zu liefern.

Stand der Technik

Aus der Literatur sind zu diesem Thema eine Vielzahl von Lösungsansätzen bekannt. Im Prinzip basieren die meisten dieser Ansätze darauf, eine oder mehrere physikalische Eigenschaften der zu identifizierenden bzw. zu validierenden Gegenstände mit Hilfe von Sensoren zu messen, eventuelle Störsignale auszufiltern und dann das Ergebnis mit zuvor abgespeicherten Referenzwerten zu vergleichen.

Nachteil dieser Vorgehensweise ist u. a. die Beschränkung auf wenige konkrete Eigenschaften des Identifikanten. Im Falle einer Münze sind dies in der Regel Durchmesser, Dicke, Gewicht und Material. Eigenschaften wie z. B. die jeder Münze eigenen Prägung der Oberfläche, die Gestaltung des Randes etc. können mit diesen Verfahren nicht oder nur mit sehr hohem technischen Aufwand und dann auch nur ansatzweise und mit einer bedingten Zuverlässigkeit bzw. Reproduzierbarkeit ermittelt und ausgewertet werden.

Da für jeden zusätzlich auszuwertenden Parameter zusätzliche Sensoren und entsprechende Auswertelogik notwendig sind, steigt bei dem Versuch, die Zuverlässigkeit bzw. die Trefferquote dieser Systeme durch Auswertung weiterer physikalischer Parameter des Identifikanten zu erhöhen, der technische Aufwand sehr schnell an und kann, da das Ergebnis letztendlich vom schwächsten Glied in der Kette aller Sensoren abhängig ist, sogar dazu führen, daß die Trefferquote bzw. die Vertrauenswürdigkeit des Ergebnisses des Gesamtsystems wieder verschlechtert wird.

Weiterhin gibt es eine Reihe von Verfahren, die vom speziellen Material des Identifikanten abhängen. Z. B. benötigen viele Verfahren die Eigenschaften des metallischen Materials von Münzen, funktionieren also nur im Zusammenhang mit der Identifizierung von Münzen z. B. US 6068102, US 6015037, US 4488116, US 6148987.

Ein weiterer, nicht unbedeutender Nachteil dieser Verfahren ist die relative Unflexibilität, die dadurch begründet ist, daß Sensoren immer so montiert werden müssen, daß sie die Meßgröße, die sie erfassen sollen, möglichst optimal erfassen. Diese Position variiert jedoch schon bei vergleichsweise ähnlichen Identifikanten, so daß bei einer Erweiterung, z. B. bei Hinzunahme einer weiteren gültigen Münze bei einem Münzverifikator nachträglich in der Regel mechanische und damit aufwendige Adaptionen notwendig wird.

Bei Anwendungen, die einen kriminellen Angriff durch Nachbauten oder Simulationen erwarten lassen, ist der Sachverhalt, daß nur einzelne Eigenschaften des Identifikanten überprüft werden, nicht unproblematisch, kann sich doch der potentielle Angreifer darauf beschränken, mit seinem Nachbau oder seiner Simulation nur die ganz konkret abgeprüften Eigenschaften zu simulieren.

Ein anderer in der Literatur gefundener Ansatz ist die Analyse der Münzoberfläche z. B. mit Hilfe eines Lasers (EP 0996098A2) oder z. B. über spezielle Abtastmatrizen US 6288538 oder anderen Verfahren z. B. US 6305523. Auch diese Lösungsansätze sind bezüglich Aufwand und Einschränkung auf wenige Eigenschaften des Identifikanten analog zu den oben beschriebenen zu bewerten. Einem teilweise sehr hohen technischen Aufwand steht eine sehr beschränkte Anzahl von analysierten Eigenschaften des Identifikanten gegenüber.

Eine weitere Gruppe von Patenten (z. B. EP 0766207A2 bzw. US 6079262, EP 0360506A2 bzw. US 5062518) analysiert die Fall- bzw. Rollgeräusche speziell von Münzen auf harten Unterlagen. Diese Patente beschäftigen sich zum Teil mit der Eliminierung von unerwünschten Abhängigkeiten von Parametern wie Fallhöhe, der schwer zu reproduzierenden Art des Auftreffens, Ausführung und Beschaffenheit der Unterlage etc. Diese Verfahren analysieren zwar auch zum Teil mehrere materialbedingte und mechanische Eigenschaften des Identifikanten gleichzeitig, sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen und Einschränkungen verbunden. (Die Erzeugung der zur Analyse verwendeten Größen ist wenig reproduzierbar, Beschränkung auf die Eigenresonanzen von (metallischen) Münzen, Beschränkung auf akustische Eigenschaften des Identifikanten, usw.)

Das in Patentanspruch 1 angegeben Verfahren unterscheidet sich bereits im theoretischen Ansatz von den bisher dargestellten Verfahren. Der wesentliche Teil der geschilderten Probleme ist bei diesem Verfahren entweder gar nicht existent oder aber nicht relevant, oder die Probleme können durch geschickte Wahl von Parametern auf einfache Weise minimiert werden.

Beschreibung der Erfindung

Bekannt aus der Nachrichtentechnik ist der Begriff des nachrichtentechnischen "Systems", d. h. man betrachtet eine oder mehrere Komponenten eines nachrichtentechnischen Gesamtsystems nicht in ihren konkreten Ausprägungen, z. B. ein Netzwerk aus Widerständen, Kondensatoren o. ä., sondern als ein sogenanntes System, also quasi als "Black Box" mit einem Eingang und einem Ausgang. Erfüllt das System gewisse Vorraussetzungen (die meisten realen Systeme erfüllen diese Forderungen zumindest näherungsweise), so wird die Abhängigkeit zwischen Ein- und Ausgangssignal durch die sogenannte Übertragungsfunktion beschrieben. Bei geeigneten Annahmen und Vorraussetzungen bezüglich Eingangssignal und Verhalten des Systems ist ein definierter Zusammenhang zwischen Eingangssignal, also Anregung des Systems, Übertragungsfunktion und erhaltenem Ausgangssignal gegeben. Die Nachrichtentechnik stellt zu diesem Thema sowohl eine sehr umfangreiche und grundlegende Theorie wie auch entsprechende praktische Hilfsmittel und mathematische Algorithmen zur Verfügung.

Der Begriff des Systems und die zugehörigen theoretischen Ansätze sind nicht ausschließlich auf nachrichtentechnische Systeme bzw. nachrichtentechnische Problemstellungen beschränkt. Zum Beispiel besitzt praktisch jeder reale Gegenstand aufgrund seiner individuellen mechanischen Ausprägung ein ihm eigenes mechanisch Schwingungsverhalten. Angeregt z. B. mit einer mechanischen Schwingung wird er mit einem für ihn typischen Schwingungsverlauf antworten. Da er zumindest näherungsweise auch die von nachrichtentechnischen Systemen geforderten Vorraussetzungen erfüllt, dürfen auf ihn für diesen Fall auch die theoretischen Modelle der Nachrichtentechnik angewendet werden.

Bei geeigneten Annahmen und Voraussetzungen läßt sich dieses Prinzip daher auch auf das Problem der Identifizierung bzw. Validierung von in weiten Grenzen beliebig ausgeprägten Gegenständen anwenden.

Hierzu betrachtet man den Gegenstand (Identifikant) nicht mehr in seiner physikalischen Ausprägung (z. B. Durchmesser, Dicke oder Material einer Münze), sondern als System (Black Box), das bei Anregung mit einem geeigneten Eingangssignal ein Ausgangssignal erzeugt, das außer vom Eingangssignal selbst nur von seiner ihm eigenen Übertragungsfunktion, also von seiner inneren physikalischen Ausprägung im Bezug auf das Eingangssignal abhängt. Durch Analyse des Ausgangssignals ist bei Kenntnis des Eingangssignals die Ermittlung der Übertragungsfunktion möglich. Ist die Übertragungsfunktion selbst wiederum eine Funktion der zu ermittelnden Eigenschaften des Identifikanten so ist mit dem Nachweis der Ähnlichkeit bzw. Übereinstimmung von ermittelter und zuvor abgespeicherter Übertragungsfunktion die Aufgabe der Identifizierung des Identifikanten gelöst.

Die Übertragungsfunktion wird man vorzugsweise wegen der einfacheren durchzuführenden mathematischen Operationen in Form von Spektralanteilen ermitteln, verarbeiten und speichern. Der Zusammenhang zwischen der spektralen Darstellung der Eingangsfunktion (E), der Übertragungsfunktion (Ü) und der spektralen Darstellung des Ausgangssignals (A) im Spektralbereich ist nämlich gegeben durch:

A = E * Ü. (* = einfache Multiplikation, allerdings sind A, E, Ü in der Regel komplexe Größen)

Das Eingangssignal läßt sich in dieser Darstellung auf sehr einfache Weise durch eine geeignete mathematische Operation vom Spektrum des gemessenen Signals entfernen.

Für die relativ rechenintensive Transformation in den Spektralbereich stehen geeignete und preisgünstige Rechenwerke zur Verfügung. Auch sind bereits optimierte Software-Algorithmen zur Durchführung dieser Transformation bekannt und implementiert.

Ausführungsbeispiel der Erfindung

Wie bereits eingangs erläutert, ist die Validierung von Münzen ein sehr häufig auftretendes Problem, so daß hier das vorgestellte Verfahren anhand dieser Problemstellung exemplarisch erläutert werden soll. Dieses konkrete Ausführungsbeispiel ist jedoch keineswegs auf die Validierung von Geldmünzen beschränkt, sondern kann prinzipiell für die Identifizierung beliebiger Gegenstände angewendet werden.

Um Geldmünzen zu identifizieren bzw. sie von Fälschungen zu unterscheiden ist es notwendig, möglichst viele Eigenschaften des Identifikanten in die Analyse einzubeziehen und nachzuweisen, daß diese in ihrer Gesamtheit den Werten der echten Münze entsprechen. Soll das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren hierfür Anwendung finden, stellt sich daher die Aufgabe, die Münze mit einem physikalischen Signal so anzuregen, daß möglichst viele der Eigenschaften der Münze einen Beitrag zur Übertragungsfunktion liefern. Bei der Wahl der physikalischen Größe bzw. der Zeitfunktion der Anregung, des Eingangssignals, ist man im Prinzip frei; es muß letztendlich nur dafür gesorgt werden, daß der Identifikant nach einer endlichen Zeit ein auswertbares Signal abgibt, dessen Signalanteile wesentlich von den zu prüfenden Eigenschaften des Identifikanten abhängt. Zweckmäßigerweise wird man die Eingangsgröße so wählen, daß zum einen die Frequenzbereiche, in denen der Identifikant markante Spektralanteile liefert, bevorzugt werden und in anderen Bereichen, in denen mit Störsignalen zu rechnen ist, nach Möglichkeit keine Spektralanteile des Nutzsignals liegen.

Im Falle der Münze bietet sich hier eine Anregung durch akustische Schwingungen an. Alle Parameter wie Oberflächenprägung, Randprägung, Material, Dicke, Durchmesser werden durch diese Schwingungen angeregt und durch Eigenresonanzen bzw. Absorption von Spektralanteilen ihren Einfluß auf das zu messende Ausgangssignal ausüben und im Spektrum des Ausgangssignals durch entsprechende vergrößerte bzw. gedämpfte Spektralanteile zu erkennen sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des dargestellten Verfahrens ist entsprechend Abb. 1 gekennzeichnet durch eine digitale Steuereinheit (1) zur Ablaufsteuerung, eine digital-analog Wandeleinrichtung (2) zur Ausgabe des von der Steuereinheit vorgegebenen Anregungssignals (8), einen elektromechanischen Wandler (3) zur Anregung des Identifikanten (10) und zur Aufnahme der Meßgröße, eine analogdigital Wandeleinrichtung (4) zur Digitalisierung der aufgenommenen Meßwerte, eine digitale Verarbeitungseinheit (5) zur Verarbeitung der aufgenommenen Meßwerte, eine optionale digitale Filtereinrichtung (9), einem Speicher (6) zur Speicherung der Referenzgrößen, und eine Komparatoreinheit (7) zur Erzeugung der Ja/Nein Entscheidung über die Identität des Identifikanten (10).

Die zentrale digitale Steuereinheit, die für die Ablaufsteuerung einer derartigen Einrichtung grundsätzlich notwendig ist, wird vorteilhaft technisch und leistungsmäßig so ausgelegt, daß sie auch die für das Verfahren notwendigen mathematischen und signalverarbeitungsmäßigen Algorithmen ausführen kann.

Die Aufgabe wird in dem Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

1. der Identifikant mit einem geeigneten akustischen Signal angeregt wird
2. das durch den Identifikanten dadurch abgegebene Signal registriert wird
3. das registrierte Signal digitalisiert und für die weitere Verarbeitung abgespeichert wird
4. das registrierte Signal in den Spektralbereich transformiert wird
5. das Anregungssignal ebenfalls in den Spektralbereich transformiert wird, sofern nach Unteranspruch 5 verfahren wird.
6. das Spektrum des Eingangssignales vom registrierten Spektrum abgetrennt wird, sofern nach Unteranspruch 5 verfahren wird.
7. die errechneten Spektralanteile mit zuvor gespeicherten Referenzwerten verglichen werden
8. eine Ja/Nein Entscheidung anhand der Ergebnisse des Vergleichs und optionaler weiterer Informationen über den Identifikanten getroffen wird

Sollte die einmalige Anwendung des Verfahren nicht zum gewünschten Ergebnis führen, so kann der Vorgang, aber auch aus anderen Gründen, z. B. um den Einfluß von bestimmten Störsignalen zu minimieren oder zur Erhöhung der Sicherheit, der Störfestigkeit oder der Präzision der Aussage des Analyseergebnisses, mit unterschiedlichen Zeitfunktionen der gleichen physikalischen Anregungsgröße oder/und mit anderen physikalischen Anregungsgrößen wiederholt durchgeführt werden. Vorraussetzung ist nur, daß das entsprechende Referenzspektrum zuvor bereits abgespeichert wurde und für die Ja/Nein-Entscheidung zur Verfügung steht.

Auch können aus den gleichen Gründen weitere, dem Stand der Technik entsprechende Verfahren angewendet werden.

Denkbar ist auch ein sogenannter Lernmodus, die Möglichkeit, nachträglich durch empirisches Analysieren und Abspeichern der Übertragungsfunktion von zuvor nicht bekannten Identifikanten direkt auf dem Zielsystem das System zu erweitern.

Erfindungsgemäße Vorteile

Anhand des Ausführungsbeispiels der Erfindung sollen hier noch einmal die Vorteile des in Patentanspruch 1 angegeben Verfahren aufgezeigt werden:

- Mit einem einzigen Analysevorgang werden bei Anwendung des angegebenen Verfahrens alle wesentlichen materialbedingten und mechanischen Eigenschaften des Identifikanten in ihrer Gesamtheit erfasst und analysiert. Nachbauten und Simulationen des Identifikanten werden so im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erschwert.
- Das Verfahren bietet eine Vielzahl von Freiheitsgraden, die es erlauben, das Verfahren exakt auf den zu identifizierenden Identifikanten abzustimmen. Diese Abstimmung kann automatisch gesteuert werden und bedarf keines externen Eingriffs in das System.
- Der Einfluß möglicher Störsignale läßt sich durch eine zweckmäßige Wahl der benutzten Anregungsgröße minimieren. Zusätzlich können, da das gemessene Signal bereits in geeigneter digitalisierter Form vorliegt, ohne Mehraufwand digitale Filteralgorithmen auf das Meßsignal angewendet werden.
- Aufgrund der Vielzahl an Freiheitsgraden kann das Verfahren bei Bedarf z. B. zur Erhöhung der Sicherheit, der Störfestigkeit oder der Präzision der Aussage (Confidence Level) ohne Einschränkung wiederholt und/oder mit unterschiedlichen Parametern angewendet werden. Hierbei ist im Prinzip kein externer Eingriff notwendig und alle wesentlichen Variationen des Systems können softwaregesteuert erfolgen.
- Das Verfahren kann auch bei bereits installierten Einrichtungen nachträglich z. B. für neue Identifikanten erweitert oder aber auch an neue Forderungen nur durch softwaretechnische Änderungen angepaßt werden.
- Das Verfahren kann bei Bedarf z. B. zur Erhöhung der Sicherheit, der Störfestigkeit oder der Präzision der Aussage (Confidence Level) unproblematisch mit allen bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren kombiniert werden.
- Es sind praktisch keine technisch aufwendigen und damit fehleranfälligen Sensoren notwendig.

Claims

1. Verfahren zur Identifizierung von Gegenständen wie Münzen, Token, Identifikations-Tags, Schlüssel o. ä., dadurch gekennzeichnet, daß der zu identifizierende Gegenstand mit einer zeitabhängigen physikalischen Größe erregt wird, das von dem zu identifizierenden Gegenstand dadurch aktiv abgegebene in der Regel ebenfalls zeitabhängige Antwortsignal in den relevanten Zeitbereichen registriert wird, einer Analyse unterzogen wird und durch Vergleich der durch die Analyse gewonnenen Werte mit zuvor abgespeicherten Referenzwerten eine Ja/Nein Entscheidung hinsichtlich der Identität des Gegenstandes getroffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem zu identifizierenden Gegenstand abgegebene Antwortsignal einer Spektralanalyse unterzogen wird und durch Vergleich gemessener Spektralwerte mit zuvor abgespeicherten spektralen Referenzwerten die Ja/Nein Entscheidung hinsichtlich der Identität des Gegenstandes getroffen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren z. B. zur Erhöhung der Sicherheit, der Störfestigkeit oder der Präzision der Aussage nacheinander oder alternativ mit unterschiedlichen Zeitsignalen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren z. B. zur Erhöhung der Sicherheit, der Störfestigkeit oder der Präzision der Aussage nacheinander oder alternativ mit unterschiedlichen physikalischen zeitabhängigen Größen durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 das Spektrum der unterschiedlichen Anregungssignale vor dem Vergleich mit dem Referenzspektrum vom gemessenen Spektrum abgetrennt wird und somit unabhängig vom anregenden Zeitsignal immer mit dem gleichen Referenzspektrum verglichen werden kann.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Signal in analoger und/oder in digitalisierter Form einer Filterung unterworfen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung speziell mit mechanischen beziehungsweise akustischen Schwingungen erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Durchführung der Ja/Nein Entscheidung zusätzlich weitere Informationen berücksichtigt werden, die entweder bereits grundsätzlich über den/die Identifikanten bekannt sind bzw. durch andere angewendete Verfahren ermittelt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benötigten Referenzwerte in einem speziellen Lernmodus direkt im System erzeugt und für zukünftige Analysevorgänge von vergleichbaren Identifikanten im System abgespeichert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung des Verfahrens z. B. nach Anspruch 7 sowohl die Anregung des zu identifizierenden Gegenstandes wie auch die Registrierung der Meßgröße mit ein und derselben Wandeleinrichtung erfolgt.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehrerer der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch eine digitale Steuereinheit (1) zur Ablaufsteuerung, eine digital-analog Wandeleinrichtung (2) zur Ausgabe des von der Steuereinheit vorgegebenen Anregungssignals (8), einen elektromechanischen Wandler (3) zur Anregung des Identifikanten und zur Aufnahme der Meßgröße, eine analog digital Wandeleinrichtung (4) zur Digitalisierung der aufgenommenen Meßwerte, eine digitale Verarbeitungseinheit (5) zur Verarbeitung der aufgenommenen Meßwerte, eine optionale digitale Filtereinrichtung (9), einem Speicher (6) zur Speicherung der Referenzgrößen, und eine Komparatoreinheit (7) zur Erzeugung der Ja/Nein Entscheidung über die Identität des Identifikanten (10).