DE69605854T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Authentifizieren von Dokumenten - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Echtheit von Dokumenten. Automatische Geräte, welche Banknoten oder andere Wertdokumente wie Schecks annehmen, finden zunehmend Verbreitung. Es ist wichtig, daß solche Geräte die Echtheit der Dokumente feststellen können, also zwischen Originalen und kopierten Dokumenten unterscheiden können.
• In der englischen Patentanmeldung GB-A-2 192 275 ist ein System zur Bestimmung der Echtheit von Banknoten beschrieben, bei welchen deren Farben durch reflektiertes oder hindurchtretendes Licht festgestellt werden. Optische Faserbündel richten Licht von einer Lichtquelle auf die Banknote, und das reflektierte oder hindurchgetretene Licht fällt auf mehrere Farbfilter, welche das Licht, das sie hindurchtreten lassen, zu entsprechenden weiteren optischen Fasern leitet, die das Licht zu zugehörigen Photosensoren führen. Die Ausgangssignale der Photosensoren werden analysiert, um die Echtheit der Dokumente zu bestimmen, wobei Daten, welche die detektierten Signale oder Signalverhältnisse darstellen, mit entsprechenden Referenzdaten verglichen werden, die von einer Originalbanknote abgeleitet werden. Dieses bekannte System bedient sich einer Vergleichstechnik, hat aber den Nachteil, daß sehr viele Referenzdaten gespeichert werden müssen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Echtheit von Dokumenten zu schaffen, welche dies effizient durchführt und dennoch nur eine geringe Menge gespeicherter Referenzdaten benötigt.
• Die Erfindung sieht somit ein Verfahren zur Echtheitsbestimmung eines Dokumentes vor mit den Schritten: Zerlegung des von einem Bereich des Dokuments kommenden Lichts in ein Spektrum, Erzeugung einer Mehrzahl elektrischer Signale, welche die Lichtintensitätswerte einer entsprechenden Mehrzahl von Spektralbändern in diesem Spektrum darstellen, und Speicherung von Daten, welche diese elektrischen Signale darstellen; kennzeichnend sind die folgenden Schritte: Analysierung der gespeicherten Daten durch Berechnung von Diskriminanzfunktionswerten (discriminant function values) unter Verwendung der gespeicherten Daten, Bestimmung eines Abstandsmeßwertes, welcher den Abstand zwischen den berechneten Diskriminanzfunktionswerten und Bezugsdiskriminanzfunktionswerten darstellt, und Wertung des Dokuments als echt, wenn der Abstandsmeßwert kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
• Es hat sich gezeigt, daß die Anwendung einer Diskriminanzanalyse zur Bestimmung der Echtheit von Dokumenten eine gute Klassifizierung der Dokumente als echt oder nicht echt mit nur einer geringen Fehlklassifizierungsrate ergibt, wobei nur eine kleine Menge von Referenzdaten gespeichert wird.
• Es sei nun eine Ausführungsform der Erfindung als Beispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Schema eines erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung der Echtheit von Dokumenten;
• Fig. 2 eine Veranschaulichung der Klassifizierung von Dokumenten; und
• Fig. 3 ein Flußdiagramm, welches das von dem System nach Fig. 1 verwendete Verfahren zur Bestimmung der Echtheit eines Dokumentes benutzt.
• Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems 10 für die Echtheitsbestimmung von Dokumenten. Ein Dokument 12, dessen Echtheit festgestellt werden soll, wird durch einen Dokumenttransporteur 14 zu einer Abfühlstation 16 transportiert, wo das Dokument 12 für eine genügende Zeit in einem stationären Zustand gehalten wird, um es in der zu beschreibenden Weise abzufühlen. Alternativ könnte das Dokument auch von Hand in die Abfühlstation 16 gebracht werden. An der Abfühlstation 16 findet sich eine breitbandige Lichtquelle 18 (weißes Licht), welche einen schmalen kollimierten Lichtstrahl über einen Lichtweg 20 zur Beleuchtung eines kleinen kreisförmigen Bereiches 22 auf dem Dokument 12 aussendet. Licht vom Bereich 22 gelangt über einen Lichtweg 24 zu einem Spektroskop 26, welches das auffallende Licht in einen Spektrumausgangsstrahl 28 zerlegt, der beispielsweise einen Wellenlängenbereich von 400 bis 900 nm umfaßt. Das Spektroskop 26 kann ein handelsübliches Standard-Spektroskop sein.
• Der zerlegte Lichtstrahl 28 wird einer Photodiodenanordnung 30 zugeführt, deren Photodiodenanzahl vom Anwendungsfall abhängt. Beispielsweise werden 50 Photodioden verwendet, welche die Intensität des auffallenden Lichtes darstellende elektrische Signale in einer entsprechenden Anzahl von Ausgangsleitungen 32 erzeugen, die über jeweilige Verstärker 34 zu einem Multiplexer 36 führen. Diese Anzahl der Photodioden 30 stellt jedoch keine Begrenzung dar, und es können auch mehr oder weniger als 50 Photodioden verwendet werden. Auch können Signale, die von einer relativ großen Anzahl von beispielsweise 250 Sensoren stammen, unter Verwendung eines Computerprogramms auf eine kleinere Anzahl von beispielsweise 50 Punkten pro Spektrum komprimiert werden. Es hat sich gezeigt, daß man gute Klassifizierungsergebnisse mit beispielsweise nur 15 Spektralpunkten erreichen kann.
• Das Ausgangssignal des Multiplexers 36 wird einem Analog/Digital-Konverter 38 zugeführt, der an einem seriellen Ausgang 40 digitale Daten liefert, welche die Intensitäten des auf die jeweiligen Photodioden der Anordnung 30 fallenden Lichtes darstellen. Diese Daten werden in einem Speicher 42 gespeichert, der an einen Prozessor 44 angeschlossen ist, welcher die Daten unter Benutzung der statistischen Techniken der Diskriminanzanalyse in einer noch zu beschreibenden Weise verarbeitet und dabei die in einem Speicher 46 gespeicherten Referenzdaten benutzt und auf einer Leitung 48 ein Ausgangssignal liefert, welches das Dokument 12 als echt oder kopiert identifiziert.
• Wie soeben gesagt wurde, verarbeitet der Prozessor 44 die Daten nach der statistischen Technik der Diskriminanzanalyse. Es sei angenommen, daß die auf Echtheit zu prüfenden Dokumente alle vom gleichen Dokumententyp sind. Wenn beispielsweise die Dokumente Banknoten sind, sei angenommen, daß alle Banknoten von derselben Ausgabebank stammen und dieselbe Bezeichnung haben, beispielsweise können die Dokumente 12 Zehn-Pfund-Noten der Bank von England sein. Falls die Einrichtung 10 in einem Gerät verwendet wird, welches z. B. verschiedene Banknotentypen annimmt, dann kann ein anfänglicher Erkennungsschritt erforderlich sein, um den Dokumententyp zu erkennen und ein Signal für den Zugriff auf die entsprechenden, im Speicher 46 gespeicherten Daten zu erzeugen.
• Proben des speziellen Dokumenttyps, beispielsweise die Zehn- Pfund-Noten der Bank von England, werden in einem Vorschaltverfahren zur Berechnung der Diskriminanzfunktionen für die Verwendung im Referenzdatenspeicher 46 benutzt. Bei einer Ausführung sei angenommen, daß drei Klassen von Banknoten vorliegen, nämlich Originalbanknoten, farbkopierte Banknoten und (in anderer Weise als mittels Farbkopie) gefälschte Banknoten, wobei die gefälschten Banknoten mit raffinierteren Druckverfahren als Photokopieren hergestellt worden sind. Bei einem Beispiel wurden 200 echte Banknoten, 100 farbkopierte Banknöten und 15 gefälschte Banknoten geprüft, wenn auch diese Zahlen keine Beschränkung bedeuten, sondern auch andere Anzahlen von Proben verwendet werden können. Die farbkopierten und die gefälschten Banknoten sind Beispiele für Kopien. Alle Banknoten proben werden der Reihenfolge nach in eine Fühlstation ähnlich der Abfühlstation 16 in Fig. 1 eingegeben, und ähnlich der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Weise werden digitale Lichtintensitätswerte in gleicher Anzahl wie die Spektrumprobenpunkte erzeugt, und auf diese Weise erhält man Speicherdaten, welche mathematisch als Vektor entsprechend jeder Banknotenprobe angesehen werden können, und diese Vektoren haben 50 Komponenten, es sind also Vektoren in einem 50-dimensionalen Raum. Betrachtet man diese Vektoren als Punkte in einem solchen 50-dimensionalen Raum, dann sollte verständlich sein, daß die der Klasse von echten Banknoten entsprechenden Punkte zusammengehäuft sind, die der Klasse farbkopierter Banknoten entsprechenden Punkte ihrerseits zusammengehäuft sind und auch die der Klasse der gefälschten Noten entsprechenden Punkte einen Haufen bilden. Es ergeben sich somit drei Klassen gehäufter Punkte.
• Eine Erläuterung der statistischen Technik der Diskriminanzanalyse findet sich beispielsweise in dem Buch "Pattern Classification and Scene Analysis" von R. O. Duda und P. E. Hart, erschienen bei John Wiley & Sons, 1973, auf den Seiten 114 bis 121. Kurz gesagt zielt diese Technik auf die "Projizierung" der Punkte in einem vieldimensionalen (z. B. 50) Raum in einen geringerdimensionalen Raum, der um eine Dimension kleiner ist als die Anzahl von Klassen, d. h. bei drei Klassen in einen zweidimensionalen Raum, wobei ein hoher Häufungsgrad entsprechend der ursprünglichen Häufung erhalten bleibt. Zu diesem Zweck werden Funktionen berechnet, welche das Verhältnis der Streuung zwischen den Klassen zur Streuung innerhalb der Klasse maximieren. So wird beispielsweise die Projektion von einem 50-dimensionalen Raum in einen 2-dimensionalen Raum durch zwei Diskriminanzfunktionen bewirkt. Mathematisch entsprechen diese den Gleichungen:
• wobei xi(i = 1, ...,50) die digitalisierten spektralen Intensitätskomponenten sind und wi1(i = 1, ...,50) und wi2(i = 1, ...,50) die beiden Sätze von Diskriminanzfunktionskoeffizienten und schließlich y&sub1; und y&sub2; die projizierten Diskriminanzfunktionswerte im 2-dimensionalen Raum des 50-dimensionalen Vektors xi(i = 1, ...,50). Ein Verfahren zur Berechnung von Diskriminanzfunktionen findet sich beispielsweise in dem oben erwähnten Buch von Duda und Hart. Die Diskriminanzfunktionen wi1 und wi2(i = 1, ...,50) sind gespeichert.
• Es sei bemerkt, daß jede Banknotenprobe zu entsprechenden Diskriminanzfunktionswerten (y&sub1;,y&sub2;) im 2-dimensionalen Raum führt. Der nächste Schritt des Verfahrens besteht in der Berechnung der mittleren (zentroiden) Diskriminanzfunktionswerte für die echten Banknoten. In Fig. 2 findet sich eine Darstellung von Diskriminanzfunktionswerten (y&sub1;,y&sub2;) für die verschiedenen Probebanknoten. Die Diskriminanzfunktionswerte für die echten Banknotenproben sind als kleine volle Kreisflächen dargestellt; die Diskriminanzfunktionswerte für die farbphotokopierten Banknotenproben sind als Kreuze gezeichnet und die Diskriminanzfunktionswerte für die gefälschten Probebanknoten sind als kleine Kreisumrisse dargestellt. Man sieht, daß die Diskriminanzfunktionswerte in drei Haufen 60, 62, und 64 vorliegen, welche den echten Banknotenproben, den farbkopierten Banknotenproben bzw. den gefälschten Banknotenproben entsprechen. Bei Fig. 2 handelt es sich um eine vereinfachte Darstellung, welche aus Klarheitsgründen nicht die volle Anzahl von Diskriminanzfunktionswerten zeigt. Jedoch ist die Häufung der Diskriminanzfunktionswerte der drei Haufen 60, 62 und 64 deutlich zu sehen.
• Danach werden die mittleren (zentroiden) Werte (m&sub1;,m&sub2;) der Diskriminanzfunktionswerte für die echten Banknoten im Haufen 60 berechnet und gespeichert. Diese Werte werden in Fig. 2 durch den Punkt 66 dargestellt.
• Es sei bemerkt, daß nun Referenzdaten in Form der Diskriminanzfunktionskoeffzienten wi1(i = 1, ...,50) und wi2(1 = 1, ...,50) und der mittleren Diskriminanzfunktionswerte (m&sub1;,m&sub2;) für echte Banknoten berechnet und gespeichert sind. Es ist auch ein (noch zu erläuternder) Schwellenwert T einzugeben und in die Referenzdaten aufzunehmen. Diese Referenzdaten können nun in den Speicher 46 übertragen werden, der in dem Echtheitsbestimmungssystem 10 nach Fig. 1 enthalten ist, um die Echtheit einer unbekannten Banknote zu überprüfen. Beispielsweise können die Referenzdaten auf einer Diskette gespeichert werden, die zu dem Ort transportiert wird, wo das Echtheitserkennungssystem 10 (Fig. 1) installiert ist. Kopien einer solchen Diskette lassen sich verwenden zur Übertragung der Referenzdaten an irgendwelche Stellen, wo Echtheitserkennungssysteme wie das System 10 sich befinden.
• Es sei nun mit Bezug auf das Flußdiagramm 80 der Fig. 3 erläutert, wie ein Dokument 12 auf Echtheit geprüft wird. Wie Block 82 zeigt, wird zuerst Licht von einem kleinen Bereich 22 des zu prüfenden Dokuments 12 vom Spektroskop 26 (Fig. 1) zerlegt, und der zerlegte Strahl wird von den Photodioden 30 abgefühlt; auf diese Weise werden die 50 Intensitätswerte erzeugt, die digitalisiert und gespeichert werden.
• Als nächstes werden gemäß Block 86 die Diskriminanzfunktionswerte für die zu untersuchende Banknote 12 unter Verwendung der Diskriminanzfunktionswerte wi1(i = 1, ...,50) und wi2(i = 1, ...,50), die im Referenzdatenspeicher 46 gespeichert sind, berechnet, und dabei erhält man ein Wertepaar, das einem Punkt (y&sub1;,y&sub2;) in der Darstellung der Fig. 2 entspricht. Dann wird gemäß Block 88 der Abstand dieses Punktes von dem zentroiden Diskriminanzfunktionswertpunkt 66 berechnet.
• Schließlich erfolgt bei Block 90 ein Vergleich, ob der berechnete Abstand kleiner als der in den Referenzdaten enthaltene Schwellenwert T ist. Ist er kleiner, dann wird ein Signal auf der Ausgangsleitung 48 (Fig. 1) erzeugt, welches anzeigt, daß das Dokument 12 echt ist (Block 92). Ist er größer, dann zeigt das Signal auf der Ausgangsleitung 48 an, daß das Dokument 12 eine Kopie ist (Block 94). Mit Bezug auf Fig. 2 sei erwähnt, daß mit dem Abstandsvergleich festgestellt wird, ob der Punkt in der Darstellung, welcher dem zu untersuchenden Dokument 12 entspricht, innerhalb des Kreises 96 mit dem Mittelpunkt 66 und dem Radius T liegt oder nicht. Liegt der Punkt innerhalb des Kreises 96, dann wird das Dokument 12 als echt bestimmt. Wenn nicht, dann ist das untersuchte Dokument nicht echt (Kopie).
• Wenn sich das Dokument 12 als nicht echt erweist, kann das Signal auf der Leitung 48 dazu dienen, das Dokument zum (nicht dargestellten) Eingabeschlitz zurückzuführen oder es in ein (ebenfalls nicht dargestelltes) Zurückweisungsfach abzuleiten. Stellt sich das Dokument als echt heraus, dann kann eine Transaktion durchgeführt werden. Ist das Dokument beispielsweise eine Banknote, dann kann eine finanzielle Transaktion eingeleitet werden.
• Abwandlungen der beschriebenen Ausführung sind möglich. Beispielsweise kann die Anzahl der Klassen von Dokumenten sich von den bei der beschriebenen Ausführungsform vorgesehenen drei Klassen (echt, Farbphotokopie oder gefälschtes Dokument) unterscheiden. So können vier Klassen vorgesehen werden (neue echte Banknoten, gebrauchte echte Banknoten, farbphotokopierte Banknoten, anderweitig gefälschte Banknoten). In diesem Falle hat man drei anstatt zwei Diskriminanzfunktionen, und anstelle einer 2-dimensionalen Darstellung (Fig. 2) wird eine 3-dimensionale Darstellung erzeugt. Die neuen echten Banknoten und die gebrauchten echten Banknoten ergeben jeweils Häufungen von Diskriminanzfunktionswerten, welche sich überlappen, und der mittlere (zentroide) all dieser Diskriminanzfunktionswerte wird als Punkt entsprechend dem Punkt 66 (Fig. 2) genommen, von welchem aus der Abstand bei der Echtheitsprüfung eines unbekannten Dokumentes gemessen wird. Es versteht sich, daß der Kreis 96 (Fig. 2) durch eine Kugel ersetzt wird und daß die echten Dokumente Punkten innerhalb der Kugel entsprechen.
• Bei einer anderen Abwandlung kann es sich nur um zwei Klassen von Dokumenten handeln, nämlich echte Banknoten (neue und gebrauchte) und nachgemachte Banknoten (Farbkopien oder andere Fälschungen). Bei dieser Abwandlung arbeitet man nur mit einer Diskriminanzfunktion, und die Diskriminanzfunktionswerte treten in zwei Häufungen längs einer geraden Linie auf.
• Es sei bemerkt, daß bei der oben genannten Ausführung und den Abwandlungen die Distanzmessung für die Bestimmung des Abstandes zwischen den Diskriminanzfunktionswerten des zu untersuchenden Dokuments und den zentroiden Diskriminanzfunktionswerten die übliche Euklidsche Distanzmessung darstellt. Als Alternative könnte die Mahalanobis-Distanz benutzt werden, bei welcher die Entscheidungskurve oder -fläche, entsprechend dem Kreis 96 oder der Kugel, wie oben erwähnt, eine Ellipse oder ein Ellipsoid wäre und ein Dokument als echt bestimmt würde, wenn seine berechneten Diskriminanzfunktionswerte einem Punkt innerhalb der Ellipse oder des Ellipsoids entsprechen. Das Prinzip der Mahalanobis-Distanz ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Bilderkennung bekannt. Beispielsweise sei auf Seite 24 des oben genannten Buches von Duda und Hart verwiesen, wo das Konzept der Mahalanobis-Distanz besprochen wird.
• Bei noch einer anderen Abwandlung können anstelle eines einzigen kleinen Bereichs des zu untersuchenden Dokuments 12 (Fig. 1) zur Ableitung der Lichtintensitätswerte für das oben beschriebene Diskriminanzanalyseverfahren mehrere solche kleine Bereiche, beispielsweise drei solche Bereiche benutzt werden, die an verschiedenen Stellen des zu untersuchenden Dokuments liegen. So kann die Lichtquelle 12 gemäß Fig. 1 gesteuert werden, um Licht nacheinander auf drei verschiedene kleine Bereiche des Dokuments 12 zu richten. Werden zusätzliche Einrichtungen vorgesehen, dann können alternativ auch drei kleine Bereiche gleichzeitig abgefühlt werden. Die von jedem Bereich abgeleiteten Daten würden zur Lieferung eines Echtheitssignals dienen, und die drei Echtheitssignale würden benutzt, um z. B. mit Hilfe eines Majoritätsvotierverfahrens das Dokument als echt einzustufen, wenn mindestens zwei der Signale ein echtes Dokument anzeigen. Bei dieser Abwandlung fällt eine größere Datenmenge an, welche durch das Diskriminanzanalyseverfahren zu analysieren ist, jedoch erhält man verläßlichere Ergebnisse. Bei noch einer anderen Modifikation kann das Dokument 12 untersucht werden, während es sich bewegt. Dies erfordert eine geeignete Steuerung der Photodiodenanordnung 30, so daß sie Signale entsprechend einem oder mehreren gewünschten abzufühlenden Bereichen liefert. Bei einer anderen Modifikation könnte Licht mit optischen Fasern auf das Dokument gerichtet oder von ihm abgefühlt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Feststellung der Echtheit eines Dokuments (12) mit den Schritten:

- Zerlegen des von einem Bereich (22) des Dokuments (12) abgeleiteten Lichts in ein Spektrum;

- Erzeugung einer Mehrzahl elektrischer Signale, welche Lichtintensitätswerte in einer entsprechenden Mehrzahl von Spektralbändern in dem Spektrum darstellen;

- und Speicherung der die elektrischen Signale darstellenden Daten;

gekennzeichnet durch die weiteren Schritte:

- Analysierung der gespeicherten Daten durch Berechnung von Diskriminanzfunktionswerten unter Verwendung der gespeicherten Daten,

- Durchführung einer Distanzmessung, welche den Abstand zwischen den berechneten Diskriminanzfunktionswerten und Referenzdiskriminanzfunktionswerten darstellen,

- und Wertung des Dokumentes als echt, wenn die Abstandsmessung unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmessung eine Euklidsche Distanzmessung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmessung eine Mahalanobis-Distanzmessung ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsdiskriminanzfunktionswerte Zentroid-Diskriminanzfunktionswerten entsprechen, die von echten Dokumenten abgeleitet sind.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt der Verwendung einer Mehrzahl von Bereichen auf dem Dokument (12) zur Erzeugung von datendarstellenden Lichtintensitätswerten in der Mehrzahl spektraler Wellenlängen.

6. Vorrichtung zur Bestimmung der Echtheit eines Dokumentes (12) mit einer Lichtzerlegungseinrichtung (26) zur Zerlegung von Licht, das von einem Bereich des Dokuments (12) abgeleitet ist, in ein Spektrum, ferner mit einer Lichtfühleinrichtung (30) zur Erzeugung von Signalen, welche Lichtintensitätswerte in einer Mehrzahl spektraler Bänder des Spektrums darstellen, mit einer Speicheranordnung (42) zur Speicherung von die elektrischen Signale darstellenden Daten und einem Analysator (44) zur Analysierung der Daten, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator aufgrund einer Diskriminanzanalyse zur Berechnung von Diskriminanzfunktionswerten unter Verwendung der gespeicherten Daten eine Distanzmessung ermittelt zur Darstellung des Abstandes zwischen den berechneten Diskriminanzfunktionswerten und Referenzdiskriminanzfunktionswerten und ein die Echtheit des Dokuments (12) darstellendes Ausgangssignal liefert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Analog/Digital-Wandler (38) zur Umwandlung der die Lichtintensitätswerte darstellenden Signale in digitale Form für die Speicherung in der Speicheranordnung (42).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzerlegungseinrichtung ein Spektroskop (26) aufweist.