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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Prüfen
von Münzen
oder münzähnlichen
Gegenständen
nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1, sowie
einen Münzprüfer zur
Durchführung
des vorgenannten Verfahrens nach den Merkmalen des Oberbegriffes
des Patentanspruches 13.
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Zur Unterscheidung zwischen echten
Münzen
oder münzähnlichen
Gegenständen,
wie beispielsweise Wertmarken oder sogenannte "Tokens", einerseits und Falsifikaten oder Fremdmünzen andererseits
werden nach dem Stand der Technik elektronische Münzprüfer, insbesondere
in Verkaufs- und Geldwechselautomaten, eingesetzt.
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Solche elektronischen Münzprüfer beruhen
oft auf einer ausgefeilten induktiven Messtechnik, mit der die Unterscheidung
der verschiedenen Münzen
und Wertmar ken im Allgemeinen problemlos möglich ist. Jedoch treten immer
häufiger
auch solche Falsifikate oder Fremdmünzen auf, die mit dieser üblicherweise
verwendeten Messtechnik nur sehr schwer oder gar nicht unterscheidbar
sind, etwa wenn für
die Falsifikate Blei, Zinn oder deren Legierungen verwendet werden
oder die Falsifikate so gegossen oder aufgeprägt sind, dass sie selbst im
optischen Erscheinungsbild vom Original kaum noch zu unterscheiden
sind, insbesondere wenn auch die Farbe durch einen entsprechenden
Farbauftrag nachgebildet wurde.
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Aus der Deutschen Offenlegungsschrift
100 51 009 A1 wird vorgeschlagen, diese Probleme dadurch zu lösen, dass
im Münzautomaten
das Prägebild
einer eingeworfenen Münze
fotografisch durch einen Bildempfänger erfasst wird und mit vorgegebenen
Bilddaten verglichen wird, um daraus auf die Echtheit der Münze oder
das Vorhandensein eines Falsifikates zu schließen.
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Ausgehend von der optischen Erfassung
des Bildes der Münzprägung wohnt
diesem vorgeschlagenen Verfahren jedoch weiterhin der Nachteil inne,
dass das Prägebild
einer Münze
oder eines münzähnlichen
Gegenstandes durch eine optische Täuschung realisiert sein kann,
etwa durch entsprechenden Farbauftrag auf einer geprägten Falschmünze.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zum Prüfen
von Münzen
oder münzähnlichen
Gegenständen
sowie einen Münzprüfer hierfür anzugeben,
welcher in einfacher und kostengünstiger
Weise eine zuverlässige
Unterscheidung zwischen Falsifikaten einerseits und Münzen oder
münzähnlichen
Gegenständen
andererseits ermöglichen
und dabei die Nachteile des genannten Standes der Technik vermei det.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 sowie durch einen Münzprüfer nach
Patentanspruch 13 gelöst.
Das Verfahren weist dabei die folgenden Vorteile auf:
Dadurch,
dass bei der Abtastung der Münze
oder des münzähnlichen
Gegenstandes das Prägeprofil
der Münze
erfasst wird, wird die Echtheitsprüfung auf Grundlage der Oberflächenstruktur
einer Münze
durchgeführt.
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Durch diese Erfassung des Oberflächenreliefs
wird eine Vielzahl von Materialeigenschaften, insbesondere die Schärfe und
Detailliertheit des Prägungsprofils
in die Prüfung
auf Echtheit mit einbezogen, so dass eine Täuschung aufgrund von fotografischer
oder farblicher Imitation einer Münze oder eines münzähnlichen Gegenstandes
ausgeschlossen wird.
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So weisen etwa geprägte Imitationen
einer Münze
aus Blei gegenüber
dem Original deutliche Unterschiede in der Schärfe des Prägungsprofils auf, auch wenn
das rein optische Erscheinungsbild – auch aus verschiedenen Blickwinkeln – zum Verwechseln ähnlich ist.
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Dadurch, dass das abgetastete Prägeprofil
als Zuordnung von Positionen und Abtastwerten vorliegt, in einer
Form, die einen Signalverlauf abhängig von Ort bzw. Zeit darstellt,
kann das Prägeprofil
rechnerisch mit den Mitteln digitaler Signalverarbeitung weiter
bearbeitet werden und auch zur weiteren Verarbeitung einfach zwischengespeichert
werden.
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Dadurch, dass aus diesem Signalverlauf
eine Oberwellen-Charakteristik errechnet wird, wird der das Münzprofil
repräsentierende
Signalverlauf in eine mathe matische Funktion überführt, anhand derer die charakteristischen Übergänge zwischen
zwei verschiedenartig geprägten
Teilen des Münzprofils
gezielt herausgearbeitet sind. Auf diese Weise äußert sich eine kantigere bzw.
zackigere Kurvenform im Münzprofil
der Originalmünze
in einer spezifisch-charakteristischen Kurvenform der vorliegend
als Oberwellen-Charakteristik bezeichneten
Funktion. Ein direkter Vergleich dieser Oberwellen-Charakteristik
mit vorgegebenen Referenzwerten oder -wertefolgen ist gerade bezüglich der
Ausgeprägtheit
des Münzprofils
technisch erheblich ergiebiger als ein direkter Vergleich der die
Münzprofile
repräsentierenden
Signalverläufe.
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Dadurch, dass die Oberwellen-Charakteristik
in vorbeschriebener oder auf andere Weise ausgewertet wird, gelangt
das Verfahren in besonders zuverlässiger Weise, und besonders
auf die Schärfe
der Ausprägung und
die Verschiedenheit unterschiedlicher Prägebereiche im Münzprofil
abstellend, zur Erzeugung eines eindeutigen Signals, ob eine dem
Prüfverfahren
unterzogene Münze
als echte Münze
oder als Falsifikat einzustufen ist. Dementsprechend kann ein Automat,
der sich dieses Verfahrens bedient, das Münz-Falsifikat zuverlässig zurückweisen.
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Die Erfindung nach Patentanspruch
13 weist ihrerseits die folgenden Vorteile auf:
Dadurch, dass
Speichermittel zur Aufnahme der Abtastwerte als Signalverlauf enthalten
sind, wird eine einfache Verarbeitbarkeit der erfassten Abtastwerte
als Signalverlauf gewährleistet.
Insbesondere wird die Weiterverarbeitbarkeit durch Rechnermittel
zur digitalen Signalverarbeitung technisch erleichtert.
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Dadurch, dass in den Signalverarbeitungsmitteln
Rechnermittel zur digitalen Verarbeitung des Signalverlaufes zu
einer Oberwellen-Charakteristik aufweisen, wird eine Vorrichtung
zur Analyse des Signalverlaufs hinsichtlich seiner Oberwellenanteile
bereitgestellt und auf diese Weise eine die Oberwellenanteile repräsentierende
Funktion dargestellt.
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Dadurch, dass die Auswerte-Mittel
Mittel enthalten zur Erzeugung eines "Echt-" bzw. "Falsch-"Signals können die Auswert-Mittel nicht
nur eine Bewertung anhand der Oberwellen-Charakteristik vornehmen,
sondern das Ergebnis dieser Be- bzw. Auswertung an einen gegebenenfalls
mit dem Münzprüfer verbundenen
Automaten oder an andere Systeme weitergeben. Dadurch, dass solche
Auswerte-Mittel enthalten sind, wird es ferner ermöglicht,
die Oberwellencharakteristik bzw. einer aus dieser ermittelten Bewertungszahl
einen Vergleich zu einem Differenzwert bzw. einer Wertefolge, welcher)
im System gespeichert sein kann, vorzunehmen, und dementsprechend
das "Echt"- bzw. "Falsch"-Signal zu erzeugen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind nach den jeweils auf die unabhängigen Ansprüche rückbezogenen
Patentansprüche
möglich
und werden im Folgenden kurz erläutert:
Wird
das Verfahren dahingehend vorteilhaft weitergebildet, dass während oder
nach der Abtastung der Münze eine
Korrekturrechnung durchgeführt
wird, welche unterschiedliche Laufzeiten der Münze durch die Abtastvorrichtung
normiert, werden unterschiedliche Abtastlängen des Signalverlaufes aufgrund
unterschiedlicher (Durch-)Laufzeiten der Münze die Abtastvorrichtung rechnerisch
ausgeglichen, so dass unter schiedliche Laufzeiten nicht die Berechnung
miteinander vergleichbarer Oberwellen-Charakteristiken verfälschen.
Auf diese Weise wird also stets gewährleistet, dass unabhängig von
der Geschwindigkeit, mit der die Münze die Abtastvorrichtung passiert,
die Oberwellen-Charakteristik-Funktionen verschiedener Münzen mit
verschiedenen Passiergeschwindigkeiten stets in den wesentlichen
Merkmalen miteinander verglichen werden können.
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Das Verfahren kann weiterhin dahingehend
vorteilhaft ausgebildet werden, dass bei der Auswertung der ermittelten
Oberwellen-Charakteristik (im folgenden Synonym: Charakteristik)
dadurch bewertet wird, dass auf die Charakteristik-Funktion mindestens
in Teilbereichen des Funktionsverlaufes eine oder mehrere der folgenden
Metriken in Kombination angewendet werden: Frequenz der maximalen
Amplitude der Charakteristik-Funktion,
Verhältnis
der minimalen und maximalen Amplitude der Charakteristik-Funktion
zueinander, Stetigkeit der Charakteristik-Funktion, sowie Summe
der Beträge
der Amplituden der Charakteristik-Funktion. Es kann dabei auch die
Summe der Beträge
der Amplituden der Charakteristik-Funktion in einem ersten Teilbereich
der Charakteristik zur Summe der Beträge der Amplituden im übrigen Bereich
des Funktionsverlaufes der Charakteristik ins Verhältnis gesetzt
werden. Dadurch werden praktisch einfach zu ermittelnde und aussagekräftige Bewertungskriterien
angegeben, welche anhand der Charakteristik die Oberwellenanteile
des Signalverlaufes und somit die Ausgeprägtheit des Prägeprofils
und seiner Eigenschaftskontraste in verschiedenen Profilbereichen
quantifizieren.
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Eine besonders vorteilhafte Realisierung
des Verfahrens sieht vor, die Ermittlung der Oberwellencharak teristik
aus dem Signalverlauf und deren Auswertung laufzeitoptimiert und
echtzeitfähig
auszugestalten, wobei die zu garantierende Zeitanforderung so zu
bemessen ist, dass bei mehreren hintereinander zu überprüfenden Münzen, welche
durch die Abtastvorrichtung geführt
werden, ein kontinuierlicher Münzlauf
zugelassen wird.
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Echtzeitfähigkeit bedeutet hier, dass
im Laufe des Verfahrens gewährleistet
sein muss, dass das Prüfungsergebnis,
oder definierte Zwischenergebnisse, innerhalb bestimmter Zeitanforderungen
garantiert vorliegen. Im vorliegenden Fall ist diese Zeitanforderung
klar mit der minimalen Durchlaufzeit der Münze durch das System eingegrenzt.
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Als praktisches Ergebnis würde somit
das Ergebnis der Münzprüfung quasi
gleichzeitig mit dem Durchlaufen der Münze durch einen Münzprüfer ermittelt
und unmittelbar zur Verfügung
stehen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn das vorliegende
Verfahren im Zusammenspiel mit anderen Testverfahren gleichzeitig
zur Anwendung kommen soll, und die anderen Testverfahren einen ununterbrochenen,
kontinuierlichen Münzlauf
zulassen oder erfordern.
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Wird das Verfahren dahingehend ausgebildet,
dass bei der Ermittlung der Oberwellen-Charakteristik aus dem Signalverlauf
eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt wird, wird ein gängiges Frequenzanalyseverfahren
verwendet, für
das eine breite Palette von Hardware-Komponenten und Software-Bausteinen
zur Verfügung
steht. Hierdurch wird die Fehlerbehebung und die stetige Verbesserung
bei einem verfahrensgemäß arbeitenden
System erleichtert, sowohl im Laufe des Produktlebenszyklus als
auch bei der Entwicklung des Systems. Ferner erlaubt die Verwendung
der Fast-Fourier-Transformation
eine technisch einfache Umsetzung des Verfahrens, wenn die Abtastung
nicht nur auf einem Weg erfolgt, beispielsweise nur optisch oder
nur magnetisch, sondern zusätzlich
auch noch auf einem weiteren Weg, etwa optisch und magnetisch-induktiv oder optisch
und kapazitiv, oder optisch mit einem weiteren Licht einer anderen
Farbe.
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Wird das Verfahren dahingehend vorteilhaft
weitergebildet, dass die Oberwellen-Charakteristik alternativ zur
FFT dadurch ermittelt wird, dass ein fest gespeicherter Referenz-Signalverlauf
und/oder ein gleitender Mittelwert von dem aktuellen Münzeinwurf-Signalverlauf, welcher
das Prägeprofil
der aktuell zu überprüfenden Münze repräsentiert,
subtrahiert wird, so wird für
die Ermittlung der Oberwellen-Charakteristik
eine Lösung
gewählt,
welche besonders leicht implementierbar ist und insbesondere ressourcenschonend
auf Basis üblicher, einfacher
8-Bit-, höchstens
16-Bit-Mikrocontroller erfolgt. Dies ist deswegen besonders vorteilhaft,
weil die letztgenannte Methode besonders laufzeiteffizient bei der
Ermittlung der Ergebnisse ist. Wichtig ist dies, wenn die Durchführung der
FFT eine zu aufwendige Hardware erfordern und/oder die Ermittlung
der Ergebnisse insgesamt zu langsam ist. Dabei dient der Referenz-Signalverlauf als
Korrekturkurve, durch den ein bekannter oder ausgemessener, konstanter
Fehler des Messsystems ausgeglichen werden kann.
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Die so ermittelte Oberwellen-Charakteristik
kann unmittelbar mit den vorgenannten Bewertungskriterien bzw. Metriken
bewertet werden, es kann jedoch vorteilhafterweise in einem einfach
zu implementierenden, statistischen Abzähl-Verfahren die so vorliegen de
Oberwellen-Charakteristik erneut dadurch umgeformt werden, dass
bei der bestehenden Oberwellen-Charakteristik
(nämlich
dem Ergebnis-Signalverlauf der Subtraktion des Referenz-Signalverlaufes
von dem aktuellen Münzeinwurf-Signalverlauf)
die Abstände
der Nulldurchgänge
voneinander bestimmt werden und ferner bestimmt wird, wie häufig jeder
dieser Abstände
auftritt. Hierdurch entsteht eine neue Oberwellen-Charakteristik, welche
eine Spektrallinienverteilung ähnlich
der vorgenannten Fast-Fourier-Transformation (wie vorstehend beschrieben)
darstellt. Diese kann in noch besserer Weise im Rahmen der Auswertung
unter Verwendung der vorgenannten Metriken bewertet werden.
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Dieses Verfahren bietet als solches
eine hohe Zuverlässigkeit
bei der Bestimmung von echten Münzen oder
echten münzähnlichen
Gegenständen
unter Falsifikaten, wenn die Abtastung auf optischem Wege erfolgt.
Die Zuverlässigkeit
des Systems kann noch gesteigert werden, indem weitere Abtastverfahren
hinzukommen, welche beispielsweise auf magnetisch-induktivem und/oder
kapazitivem Wege beruhen.
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Ein Münzprüfer kann vorteilhaft dahingehend
weitergebildet werden, dass durch die Abtastmittel das Münzprofil
beider Münzseiten
erfassbar ist; dies beispielsweise dadurch, dass ein doppeltes Messsystem/eine doppelte
Sensoranordnung vorgesehen ist, welche die Münze von beiden Seiten vermisst.
Außerdem
kann vorteilhafterweise durch die Abtastmittel auch das Profil des
Münzrandes
abtastbar sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Messsystem/eine
Sensoranordnung der Abtastmittel den Rand der Münze erfasst und somit Riffel
oder Randprägungen
erkennt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
mehrerer Figu ren erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer Abtastvorrichtung eines Münzprüfers,
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2 die
Abhängigkeit
der Abtastwerte in Abhängigkeit
von dem Abstand zwischen Abtastvorrichtung und Münze,
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3 den
Zusammenhang zwischen dem Prägeprofil
einer Münzprägung und
dem bei der Abtastung entstehenden Signalverlauf,
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4 unterschiedliche
Signalverläufe
und Oberwellen-Charakteristiken einer echten Münze, eines Falsifikates gleicher
Färbung
und Prägung
und eines fotografischen Falsifikates im Vergleich,
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5 verschiedene
Signalverläufe,
Referenz-Signalverläufe aus
einer gleitenden Mittelwertbildung sowie daraus resultierende Oberwellen-Charakteristiken
als Differenz der beiden vorgenannten Signalverläufe, sowie
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6 eine
Darstellung eines Signalverlaufes, wie er durch die Abtastung des
Prägeprofils
einer Münze
entsteht, sowie drei verschiedene Mittelwertbildungen davon.
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Wird das Verfahren zum Prüfen von
Münzen
oder münzähnlichen
Gegenständen
beispielsweise dadurch ausgelöst,
dass eine Münze
in einen Automaten eingegeben und damit einem dieses Verfahren durchführenden
Münzprüfer zugeleitet
wird, so wird zunächst
die Münze
in ihrer kontinuierlichen Bewegung durch eine Abtastvor richtung,
wie sie beispielhaft in 1 dargestellt
ist, erfasst.
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Alternativ zur kontinuierlichen Bewegung,
unter der im Rahmen dieser gesamten Anmeldung eine – gegebenenfalls
teilweise verlangsamte oder beschleunigte – Bewegung ohne Stillstand
der Münze
verstanden werden soll, ist es auch denkbar, die Münze in ihrem
Lauf durch die Abtastvorrichtung anzuhalten, wonach Lichtquelle
und Lichtsensor relativ zur feststehenden Münze bewegt werden. Vorteilhaft
ist jedoch die kontinuierliche Bewegung der Münze vorbei an der fest angeordneten
Sensorik.
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Die in 1 dargestellte
Abtastvorrichtung ist eine optische. Sie weist eine Lichtquelle
1 sowie einen Lichtsensor 2 auf, wobei das von der Lichtquelle 1
abgestrahlte Licht an der Münze
oder dem münzähnlichen Gegenstand
3 reflektiert und im Winkel auf den Sensor 2 zurückgeworfen wird. Für einen
solchen Aufbau kommt auch ein handelsüblicher Reflexkoppler in Betracht,
soweit er nach dieser vorstehend beschriebenen Form angeordnet ist.
Dabei ist eine monochrome Abtastung der Münze hinreichend, kann jedoch
durch Bestrahlung und Reflexionsmessung in weiteren Farben erweitert
werden. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin denkbar, neben dem
Idealfall der Abtastung auf der Durchmesserlinie der Münze, mehrere
Sensoren in unterschiedlicher Höhe
der Lauffläche
anzubringen: beispielsweise so neben einer möglichst zentralen Abtastung
auch extreme Bereiche, wie sehr nahe am Rand oder sogar auf der
Münzkante.
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In jedem Fall wird die Oberfläche der
eingeworfenen Münze
in ihrer Bewegung kontinuierlich punktförmig abgetastet und die jeweiligen
Messwerte für
die Wei terverarbeitung abgespeichert.
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Von entscheidender Bedeutung bei
diesem Abtastverfahren ist, dass nicht etwa das Prägebild der Münze abgetastet
wird, sondern auf optischem Wege die Oberflächenstruktur, insbesondere
das Prägeprofil der
Münze erfasst
wird. Dabei ist insbesondere die präzise Erfassung der Profiltiefe
des Münzprofils
an jedem einzelnen Abtastpunkt von Bedeutung.
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Anstelle der optischen Erfassung
sind in analoger Anwendung auch andere Abtastverfahren, wie induktive
oder kapazitive Verfahren, zur Erfassung des Münzprofils und Lieferung der
den Signalverlauf bildenden Rohdaten denkbar.
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2 zeigt
den Zusammenhang zwischen der Intensität des am Lichtsensor 2 in 1 empfangenen Lichtes in
Abhängigkeit
von dem Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche 3 in 1 (dort ist der vereinfachten
Darstellung halber eine Münze
ohne Profil gezeigt) und dem Sensor 2 in 1. Auf der Abszisse ist dabei der Abstand,
auf der Ordinate die Intensität
des empfangenen Lichts in Form der Stromstärke eines elektrischen Signals
abgetragen. Dabei ist zu erkennen, dass die Intensität des empfangenen
Lichtes in kurzen Entfernungen als hinreichend proportional zum
Abstand zum reflektierenden Gegenstand ist. Neben der Profiltiefe,
bzw. den Unterschieden in der Profiltiefe in verschiedenen Bereichen
des Münzprofils
gehen die Materialhelligkeit, die Signalverstärkungen und Dämpfungen
des Lichtes durch Brechung und Reflexion an der Oberfläche der
Münze in
das Signal ein. Der entstehende Signalverlauf ist das Ergebnis des
Zusammenwirkens all dieser Effekte, so dass ein bestimmter und typischer
Signalverlauf für
einen be stimmten Münztyp durch
diese Vielheit an Eigenschaften einer Münzoberfläche, insbesondere ihres Münzprofils,
entsteht und für die
Weiterverarbeitung als besonders vorteilhafte Grundlage dienen kann.
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Die Auflösung der erfassten Abtast-Messwerte
führt in
einem Band unterschiedlicher Höhe
zum Erfolg. Eine günstige
Umsetzung sieht bei einer angenommenen Wegstrecke von 2–3 cm und
einer realistischen Anzahl von Messpunkten von 256 eine Auflösung von
etwa 0,07 bis 0,12 mm pro Pixel für die Richtung entlang der
Münze vor.
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Für
die Auflösung
in Richtung der Senkrechten zur Münzoberfläche wird im Idealfall eine
maximale Strukturhöhe
der Münze
von 1 mm bei einer Auflösung
von 256 Schritten angenommen, was einer Auflösung von ca. 0,004 mm entspricht.
Da die Führung
der Münze
sowie die Position des Sensor bei einzelnen Geräten voneinander abweichen können, muss
hier ein Abstrich gemacht werden. Wenn man mit einem Versatz von wiederum
1 bis 1,5 mm rechnet, verbleibt eine Auflösung von 0,01 mm in der Strukturtiefenmessung.
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3 zeigt
auf der linken Seite eine Draufsicht einer Münze mit einer Prägung, wobei
links unten querschnittartig das Profil der Münzoberfläche entlang der in der Mitte
der Münze
verlaufenden Schnittlinie dargestellt ist. Zur weiteren Veranschaulichung
wird der Idealfall angenommen, dass die an der Abtasteinheit, wie
in 1 dargestellt, vorbeigeführte Münze mit
einer strukturierten Oberfläche,
beispielsweise einer Münzprägung, Messwerte
liefert, welche die Profiltiefe an jedem einzelnen Abtastpunkt wiedergeben.
In 3 ist rechts dargestellt,
wie eine Aneinanderreihung der Messwerte aus der Abtastung einen
Sig nalverlauf liefert, welcher im Idealfall der Oberflächenlinie
entlang der links dargestellten Schnittlinie bzw. Abtastlinie entspricht.
Wie vorstehend dargestellt, ist dieser Signalverlauf jedoch ein
Ergebnis eines Zusammenwirkens verschiedener Effekte, so dass der
Signalverlauf über
die reine Höheninformation
hinausgehende Eigenschaften der Münzoberfläche beinhaltet. Der rechts
dargestellte Signalverlauf ist dabei eine orts- bzw. zeitabhängige Darstellung der
Intensität
des empfangenen Signals.
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Wird nun der, gegebenenfalls zwischengespeicherte,
Signalverlauf weiter verarbeitet zu einer weiteren Funktion, welche
in vorliegender Patentanmeldung durchgängig als Charakteristik oder
als Oberwellen-Charakteristik
bezeichnet wird, so wird mit dieser Oberwellen-Charakteristik gezielt
der Oberwellenanteil des ursprünglichen
Signalverlaufes herausgearbeitet. Damit ist er einem automatischen
Auswertevorgang in erheblichem Maße einfacher zugänglich.
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Eine Gegenüberstellung aus Münzen oder
Falsifikaten und davon jeweils erfassten Signalverläufen der
jeweiligen Oberfläche
und ferner der aus den Signalverläufen jeweils ermittelten Charakteristik
zeigt 4 in den entsprechenden
Spalten a, b und c.
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In Zeile I der 4 ist in Spalte a eine echte, geprägte Münze abgebildet.
Spalte b derselben Zeile enthält
den Signalverlauf als Messkurve, wie sie wie unter 3 beschrieben, entsteht. In diesem Beispiel
beträgt
die Auflösung
entlang der Messlinie an der Münzoberfläche bzw.
entlang des Münzdurchmessers
128 Messpunkte. Die Auflösung
der Messtiefe, also in Richtung der Senkrechten zur Münzoberfläche, ist
auf einen Wertebereich von 256 begrenzt. Damit sind Werte der Messwertauflösung ausgewählt, die
in einem für
einen elektronischen Münzprüfer moderner
Bauart realistischen Bereich liegen.
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Spalte C der Zeile I in 4 zeigt nun eine Oberwellencharakteristik,
die aus dem Signalverlauf in Spalte b der Zeile I durch eine Fourier-Transformation (bzw.
Fast-Fourier-Transformation) ermittelt wurde. Durch Einrahmung hervorgehoben
ist ein Bewertungsbereich, in dem später die Unterschiede zwischen
der Oberwellen-Charakteristik einer echten Münze gegenüber denen von Falsifikaten
deutlich unterschiedlich sind. Die Oberwellen-Charakteristik, vorliegend
ein Amplitudenspektrum des Signalverlaufes, zeigt deutlich die Ausgeprägtheit der
Oberwellenanteile, besonders im eingerahmten Bewertungsbereich.
Aus dem Kurvenverlauf ist ersichtlich, dass sich die kantigere bzw.
zackigere Kurvenform des Münzprofils
der Originalmünze
auch im Frequenzspektrum niederschlägt.
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Zeile II der 4 zeigt in Spalte a eine gefälschte Münze aus
einer Bleilegierung, welche durch Bemalen farblich täuschend
echt nachgestaltet wurde. Auch hier ist in Spalte der Zeile II der
entsprechende Signalverlauf dargestellt.
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Anhand der Oberwellen-Charakteristik
in Spalte c zeigt sich deutlich, besonders im Bewertungsbereich,
dass die Oberwellenanteile erheblich geringer sind. Beim direkten
Vergleich des Originales und der Fälschung stellt man also anhand
der Oberwellen-Charakteristik,
vorliegend also anhand der Spektrallinien des Amplitudenspektrums
aus der Fourier-Transformation
fest, dass die hochfrequenten Oberwellen bei dem Original ausgeprägter präsent sind
als der Bereich der niederfrequenten. Dies gilt nicht nur für die Verteilung,
sondern vor allem auch in den Amplituden der Frequenz. Dies bestätigt den
direkten Vergleich der Signalverläufe des Münzoriginals in Zeile I mit
dem Falsifikat in Zeile II, wobei nämlich der Signalverlauf der
Originalmünze über den
gesamten Querschnitt eine gleichmäßige Verteilung von hochfrequenten Überlagerungen
zeigt, während
das Signal der Fälschung
lediglich an den Rändern
steilere Flanken und höherfrequente
Anteile zeigt. Es deutet also der Signalverlauf beim Original auf
eine feine ausgeprägte
Oberflächenstruktur
hin. Auch die Reflexionsfähigkeit
der echten metallischen Münze
wirkt verstärkend
auf die Amplitude der hochfrequenten Signalanteile.
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4 Zeile
III ist besonders deutlicher Weise zu entnehmen, wie gut dieses
vorliegende Verfahren trotz – in
diesem Ausführungsbeispiel – optischer
Erfassungsmethode eine ebene, rein optische Reproduktion einer Münze von
einem Original unterscheidet. Eine solche optische Reproduktion
kann beispielsweise dadurch entstehen, dass auf eine Metallscheibe
geeigneter Materialeigenschaften eine Farbfotografie aufgebracht
wird. Deutlich ist in Spalte b zu erkennen, dass schon im erfassten
Signalverlauf der Pegel im Vergleich mit dem Original recht gering
ist. Ferner weist die in Zeile III Spalte b der 4 dargestellte Signalverlaufs-Kurve einen
nur sehr schwachen Anteil an modulierten Oberwellen auf. Dies ist
auch in Spalte c derselben Zeile deutlich: im Amplitudenspektrum
ist die Grundwelle dominierend mit einem zweiten Anstieg im niederfrequenten
Bereich. Der hochfrequente Anteil, welcher die Spektrallinien des
Amplitudenspektrums bei der Originalmünze dominiert, fehlt nahezu
völlig.
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Der direkte Vergleich der Ergebnisse
aus Zeile I und Zeile III macht zudem deutlich, dass die Grundeigenschaften
der Münzoberfläche, wie
beispielsweise das Reflexionsvermögen, direkt aus dem Signalverlauf ersichtlich
sind, nämlich
aus der Amplitude des Signal direkt abzulesen sind. Wird anstelle
eines optischen Erfassungssystems beispielsweise ein magnetisch-induktives oder ein
kapazitives verwendet, so reicht es aus, in Einzelfällen ein
einfaches zusätzliches
optisches Kriterium zu verwenden, um eine anderenfalls als echt
erkannte Falschmünze
auszusondern. Praktisch kann es in einem solchen Fall also genügen, einer
Münze ein Messfenster
für typisches
Reflexionsvermögen
zuzuordnen, so dass ein weiteres Entscheidungskriterium zur Verfügung steht.
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Wie vorstehend beschrieben und ausführlich erläutert, ist
vor der tatsächlichen
Auswertung die Ermittlung der Oberwellen-Charakteristik aus dem
Signalverlauf als Ergebnis der Münzabtastung
vorgeschaltet. Insbesondere, wenn die Ermittlung der Oberwellen-Charakteristik auf
der Durchführung
einer Fourier-Transformation
beruht, welche naturgemäß von stetigen
und periodischen Signalen ausgeht, ist hier eine Anpassung, d.h.
eine Normierung, für
die mathematische Berechnung des Amplitudenspektrums (der Spektralverteilung) vorzunehmen.
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Im Sinne der gesamten vorliegenden
Patentanmeldung bezeichnet "Amplitudenspektrum" die Amplituden der
Frequenzanteile über
das Frequenzspektrum.
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Insbesondere muss hier die Abtastgeschwindigkeit
im Verhältnis
zur Bewegung der Münze
berücksichtigt
werden. Da die Abtastlänge
des Signals als Grundfrequenz in die Berechnung der Spektralverteilung eingeht, muss
hier bei den zu erwartenden unterschiedlichen Laufzeiten der Münze durch
die Abtastvorrichtung eine normierende Korrekturrechnung durchgeführt werden.
Solch eine Fourier-Reihe ist beispielsweise als
darstellbar.
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In dieser dargestellten Fourier-Transformation
wird der Realteil der Eingangswerte auf die Eingangsmessgrößen und
der Imaginärteil
auf 0 gesetzt. Wird die eindimensionale Abtastung (beispielsweise:
monochrom optisch) auf mindestens zwei Dimensionen ergänzt (beispielsweise
zwei Farben) so kann die zweite Farbe oder eine resultierende aus
einer mehrfarbigen Messung als Imaginärteil angegeben werden. Abhängig von
der Kombination der Signale können
prägnante,
auch farbabhängige
Merkmale entstehen, die beispielsweise auch zur eindeutigen Unterscheidung
von Bicolormünzen
herangezogen werden können.
Denkbar ist es auch, die zweite Messkurve von einem Sensor zu erhalten,
der entweder hinter oder neben dem ersten angebracht ist. Die damit
erzeugten Interferenzsignale können
ebenfalls eine zusätzliche,
verfeinerte Auswertbarkeit ergeben. Wird nun im nächsten Schritt
die Oberwellen-Charakteristik
ausgewertet, so erfolgt dies dadurch, dass die die Oberwelligkeit
des Signalverlaufes repräsentierende
Charakteristik in einem oder mehreren Teilbereichen oder über ihren
gesamten Funktionsverlauf zahlenmäßig bewertet wird. Dabei kann
eine oder eine Verknüpfung
verschiedener Bewertungsmethoden, sogenannter Metriken, angewendet
werden.
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Solche der Bewertung zugrunde liegende
Teilbereiche des Funktionsverlaufes der Oberwellen-Charakteristik
sind mit den Bewertungsfenstern in Spalte c der 4 angegeben. Die Unterschiedlichkeit
der Funktionsverläufe
in den Bewertungsfenstern zu beispielsweise im Speicher befindlichen
Referenzwerten oder – wertefolgen
kann anhand der folgenden Metriken und/oder einer Kombination derselben
ermittelt werden:
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- – Frequenz
der maximalen Amplitude
- – minimale
und maximale Amplitudenverhältnisse
in diesem Bereich
- – Stetigkeit
- – Fläche unter
dem Signalverlauf (Addition der Amplituden)
- – Verhältnis der
letztgenannten Fläche
zur Fläche
außerhalb
des als Bewertungsfenster angegebenen Teilbereiches.
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Besonders im praktischen Betrieb
scheint die Frequenz der maximalen Amplitude eine bevorzugte Methode,
um die Oberwellen-Charakteristik möglichst unabhängig von
makroskopischen Strukturen der Prägung bewerten zu können.
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Ausgehend von dieser ein- oder mehrdimensionalen
Bewertung der Oberwellen-Charakteristik wird durch einen Vergleich
mit vorab gespeichertem oder durch den Münzprüfer im laufenden Betrieb statistisch "erlernten" Referenzwerten oder
-wertefolgen ein Signal erzeugt werden, welches die Echtheit der
geprüften
Münze anzeigt – oder umgekehrt
deren mangelnde Echtheit, so dass eine falsche Münze zurückgewiesen werden kann.
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Neben der Durchführung einer Fourier-Transformation zur
Ermittlung der Oberwellen-Charakteristik aus dem Signalverlauf ist
auch, in einer alternativen Ausführungsform
des Verfahrens, ein auf ingeneurmäßiger Analyse der Messsignale
beruhendes Verfahren durch einfache signaltechnische und statistische
Auswertung möglich.
Auch hier wird über
den Bereich der Messung der Signalverlauf als stetig und als Periode
eines wiederkehrenden Signals betrachtet. Der besondere Vorzug des
nachfolgend geschilderten Verfahrens ist seine leichte Implementierbarkeit
auf Basis üblicher
8-Bit-, maximal 16-Bit-Mikocontrollern. Die Zwischenergebnisse dieses
Verfahrens sind in der 5 dargestellt.
In Spalte a sind eine echte und eine Falschmünze dargestellt, in Spalte
b durch Abtastung ermittelte Signalverläufe, in Spalte c eine durch
Mittelwertbildung des Signalverlaufes ermittelte Glättung des
jeweiligen Signalverlaufes aus Spalte b, sowie in Spalte d die jeweilige Differenz
aus der jeweiligen Subtraktion des gemittelten Signalverlaufes aus
Spalte c vom Original-Signalverlauf aus Spalte b.
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Durch diese einfach zu implementierende
Subtraktion des durch gleitende Mittelwertbildung geglätteten Signalverlaufes
vom Originalsignal wird im Ergebnis (d.h., als "Ergebnis-Signalverlauf") der Oberwellenanteil
herausgearbeitet. Dieser Signalverlauf der Oberwellenanteile kann
nun unmittelbar als Oberwellen-Charakteristik
interpretiert und vermittels der vorbeschriebenen Metriken direkt
bewertet, verglichen und somit bis hin zum Erzeugen des Echtheitssignals
ausgewertet werden.
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Eine Verbesserung dieses Verfahrens
sieht jedoch vor, diesen Oberwellen-Signalverlauf ("Ergebnis-Signalverlauf"), wie in 5, Spalte d dargestellt,
einer weiteren Bearbeitung zu unterziehen, bevor er nach den vorgenannten
Bewertungskriterien ausgewertet wird. Diese Weiterverarbeitung sieht
vor, beim ermittelten Oberwellen-Signalverlauf die Nulldurchgänge zu ermitteln
und die jeweilige Periodendauer zu berechnen, so dass zusätzlich Informationen über die
Frequenzverteilung gewonnen werden können. Dazu werden die Abstände von
Nulldurchgang zu Nulldurchgang registriert und jeder ermittelten
(Halb)-Periodenzeit ein Zähler
zugeordnet, der bei jedem Auftreten eines solchen Wertes inkrementiert
wird. Eine zusätzliche
Wichtung kann dadurch erreicht werden, dass anstelle der Inkrementierung
der Zähler
die Amplituden der entsprechenden Halbwelle gleicher (Halb)-Periodenzeit
aufaddiert werden. Das Ergebnis dieser Weiterverarbeitung liefert – ähnlich der
Fourier-Transformation – eine
Spektrallinienverteilung, welche als Oberwellen-Charakteristik interpretiert
und der vorgenannten Bewertung und Auswertung anhand der Metriken
unterzogen werden kann.
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Als Varianten des vorstehenden Verfahrens
können
verschiedene Methoden der gleitenden Mittelwertbildung zur Ermittlung
der geglätteten
Signalverläufe
in 5, Spalte c, angewendet
werden. Dies ist in 6 dargestellt.
Hier zeigt I den Originalsignalverlauf. II zeigt das Ergebnis einer
gleitenden Mittelwertbildung über 20
Werte, III zeigt das Ergebnis einer gleitenden, gewichteten Mittelung über 20 Werte
und IV zeigt das Ergebnis einer gleitenden, gewichteten, nachlaufenden
Mittelung über
20 Werte. Die letztgenannte Art der Mittelung kommt am ehesten der
rechnerischen Abbildung eines optischen Diffusors gleich. Signaltechnisch
wird aus dem Originalsignal die Grundwelle und niederfrequente Anteile
der Oberwellen des Messsignals herausgearbeitet.
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Bei der gleitenden Mittelwertbildung
wird eine definierte Anzahl K (bspw. 20) vorhergehender Werte in die
Mittelung einbezogen. Diese Mittelwertbildung wird über die
Folge der erfassten Abtastwerte (dem Signalverlauf) angewandt. Hierdurch
entsteht die Glättung.
Bei der gleitenden gewichteten Mittelwertbildung wird wie bei der
gleitenden Mittelwertbildung nur eine definierte Anzahl K vorhergehender
Werte einbezogen, allerdings nicht mit gleichem Gewicht, sondern
mit einer Gewichtung in Abhängigkeit
des Abstandes zum letzten Wert.
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Bei der gleitenden, gewichteten,
nachlaufenden Mittelung wird wie bei der gewichteten Mittelwertbildung
eine Gewichtung, allerdings über
K nachlaufende und K vorlaufende Werte vorgenommen. Der Mittelwert steht
damit erst K Werte später
zur Verfügung.
Bei diesen Arten der Mittelwertbildung handelt es sich um geläufige mathematische
Operationen.
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Von erheblicher Bedeutung ist, dass
insbesondere das letztgenannte Verfahren zur Bestimmung der Oberwellen-Charakteristik
eine entsprechende Implementierung auf heute üblichen Mikrocontrollern und
eine Durchführung
des Verfahrens nahezu in Echtzeit ermöglicht, wodurch die Bewertungsgrößen nach
dem Durchlauf der Münze
durch das Abtastsystem direkt zur Verfügung stehen. Dadurch kann dieses
Verfahren zum Prüfen
von Münzen
oder münzähnlichen
Gegenständen
in Münzprüfern angewendet
werden, die aufgrund ihrer bisherigen Messsysteme, oder im Zusammenspiel
mit denselben, einen kontinuierlichen Münzlauf zulassen.
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Die beschriebenen Verfahren der Münzunterscheidung
beruhen auf der Analyse von Prägungshöhenlinien
von Münzen,
dem Prägeprofil,
welche durch einen geeigne ten, beispielsweise optischen, Sensor
aufgenommen wurden. Dazu werden Methoden vorgestellt, die den Signalverlauf
auf Periode, Amplitude und Frequenzspektrum untersuchen. Als Ergebnis
stehen Größen bereit,
die in Anzahl und Wertebereich leicht durch einfache Messwertfenster,
bzw. Annahmebänder
zulässiger
Messwerte, zur Entscheidungsbildung "Münze passt" oder "Münze passt nicht" beitragen können.
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Insbesondere ist dieses wirksame,
leicht zu realisierende Verfahren als Ergänzung zu vorhandenen Messsystemen
geeignet, die die oben beschriebenen Eigenschaften einer Münze nicht
erkennen können.
Insbesondere kann auch in Verbindung mit anderen optischen Messsystemen
eine Verbesserung der Auswertung erreicht und auf andere aufwendige
Zusatzmaßnahmen
zur Strukturbewertung verzichtet werden.
