KR101020583B1 - 홀로그램 광학 검사 시스템 - Google Patents

Abstract

홀로그램 광학 검사 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사 시스템은 다수의 홀(hole)이 형성된 돔형 하우징 내부에 복수의 LED램프가 환형 또는 돔형으로 배열 설치되어 지폐 또는 보안인쇄물에 빛을 조사하는 조명계; 지폐 또는 보안인쇄물에 반사된 빛(홀로그램)을 수렴하는 CCD 카메라; CCD 카메라를 통해 수집된 입력영상을 기준영상과 비교하여 진위여부를 판별하기 위한 중앙처리장치(CPU); 기준영상을 저장, 관리하기 위한 데이터베이스; 및 중앙처리장치와 연동되어 영상 및 데이터를 출력하고, CCD 카메라와 조명계를 설정하기 위한 GUI(Grapic User Interface)를 포함한다.

홀로그램, CGH(Computer Generated Hologram), 위폐 판별, 광학, 검사, ccd 카메라

Description

홀로그램 광학 검사 시스템{Hologram optical inspection system}

본 발명은 위폐 판별을 위한 홀로그램 광학 검사 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, CCD 카메라와 조명계로 구성된 하드웨어와 CGH(Computer Generated Hologram) 방법에 근거한 주파수 변환을 이용하여 홀로그램 패턴을 생성하고, 매칭 알고리즘을 적용하여 위폐를 판별할 수 있는 홀로그램 광학 검사 시스템에 관한 것이다.

최근 현금자동지급기, 자판기, 그리고 상품권 등의 사용이 날로 확대됨에 따라, 지폐, 상품권에 대한 보다 정확하고 신속한 진위 검사의 필요성이 급격히 대두되고 있는 실정이다.

각종 화폐 위조 발생률은, 1998년 대비 70%이상 급격히 증가하고 있으며, 2000년 이후, 매년 20,000건 이상의 위조 범죄가 발생하고 있다.

이를 위해 지폐뿐만 아니라, 각종 명품, 상품권, 고가의 제품 등에는 이미 위조 방지를 위한 홀로그램이 삽입되어 있으나. 외국의 경우 홀로그램도 위조하는 범죄가 발생하고 있어, 단지 육안으로만 홀로그램을 확인하여 진위여부를 판별한다 는 것은 어느 정도 한계가 있다고 볼 수 있다.

향후 고액권이 나올 경우, 이러한 홀로그램의 위조 발생률은 더욱 급증할 것으로 예상되므로, 이러한 범죄를 미연에 방지하기 위해서는 보다 신속하고 정확한 식별 방법 또는 식별장치가 요구된다.

종래 홀로그램 연구는 광학계를 이용한 광학적 홀로그램이 대부분을 차지하였다. 이와 같은 광학적 홀로그램은 직접 광학계를 이용하여, 보다 빠르게 홀로그램을 생성할 수 있다는 장점이 있었으나, 이러한 홀로그램을 생성하기 위한 부수적인 광학장비가 필요하기 때문에, 소요되는 비용에 대한 부담이 크다는 문제점이 있다.

따라서, 기존의 광학 검사시스템에 카메라와 조명계를 최대한 활용하여, 부수적인 광학장비의 사용을 줄이고, 소프트웨어적으로는 다수의 홀로그램 패턴에 대해 검사할 수 있도록 하여 홀로그램의 양품과 불량을 용이하게 판별할 수 있도록 하기 위한 새로운 방안이 요구되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, CCD 카메라와 조명계로 구성된 하드웨어와 CGH(Computer Generated Hologram) 방법에 근거한 주파수 변환을 이용하여 홀로그램 패턴을 생성하고, 매칭 알고리즘을 적용하여 위폐를 판별할 수 있는 홀로그램 광학 검사 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사 시스템은 다수의 홀(hole)이 형성된 돔형 하우징 내부에 복수의 LED램프가 환형 또는 돔형으로 배열 설치되어 지폐 또는 보안인쇄물에 빛을 조사하는 조명계; 지폐 또는 보안인쇄물에 반사된 빛(홀로그램)을 수렴하는 CCD 카메라; CCD 카메라를 통해 수집된 입력영상을 기준영상과 비교하여 진위여부를 판별하기 위한 중앙처리장치(CPU); 기준영상을 저장, 관리하기 위한 데이터베이스; 및 중앙처리장치와 연동되어 영상 및 데이터를 출력하고, CCD 카메라와 조명계를 설정하기 위한 GUI(Grapic User Interface)를 포함한다.

여기서, 중앙처리장치는 CGH(Computer Generated Hologram) 방법에 근거한 주파수 변환을 이용하여 홀로그램 기준패턴영상을 생성하고, 생성된 기준패턴영상과 입력영상과의 매칭 정도를 상관분석법 및 PSNR을 이용하여 판별(검사)하는 알고리즘으로 이루어진 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 감시 시스템은, LED램프의 작동을 홀로그램의 특성에 따라 각각 또는 그룹별로 개별 제어할 수 있게 하는 조명 컨트롤러를 더 포함하는 것이 가능하다.

또한, LED램프는 각각 서로 다른 고유색상을 갖는 복수의 LED램프로 이루어지고, 각 색상의 LED램프가 개별적으로 점멸 제어되도록 구성하는 것이 좋을 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 홀로그램 광학 검사 시스템에 따르면, 기존의 자동 광학 검사시스템에 사용하는 카메라와 조명계만을 이용하여 다수의 홀로그램 패턴에 대해 검사가 가능하며, CGH를 이용한 홀로그램 패턴생성과 패턴매칭이 이루어지므로 검사시간을 단축시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 돔 타입의 조명계를 이용하여, 빛의 입사각과 홀로그램의 위치에 따라 변하는 다양한 패턴을 생성할 수 있다는 등의 추가적인 장점도 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있을 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사시스템은 크게 영상처리부와 GUI(Grapic User Interface, 160)로 구분된다.

여기서 영상처리부는 기준패턴을 생성하기 위한 CCD 카메라(110), 조명계(120) 및 렌즈(130)로 이루어진 하드웨어 부분과 CGH(Computer Generated Hologram)를 적용하여 기준패턴의 생성 및 패턴 매칭 알고리즘으로 이루어진 소프트웨어 부분으로 다시 나눌 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사 시스템은, 홀로그램(10)에 빛을 출사하여 반사된 특정 스펙트럼 및 영상을 CCD 카메라(110)로 수집하여 원본 홀로그램의 스펙트럼 및 영상과 비교함으로써, 지폐 또는 보안인쇄물의 진위여부를 판별하게 되는데, 이 때, 상기 각각의 구성요소들을 제어하기 위한 중앙처리장치(140)가 구비되는 것이 좋을 수 있다.

여기서, 홀로그램의 기준패턴을 생성하기 위한 알고리즘으로 CGH가 적용되는데, 자세한 내용은 후술하기로 한다.

또한, 입력영상을 기준영상과 비교하기 위해서는, 검사시스템이 작동하기 전에 이미 기준영상이 저장되어 있는 것이 바람직한데, 이를 위해 본 발명은 데이터베이스(150)가 구비되는 것이 좋을 수 있다.

이 때, 데이터베이스(150)는 검사가 진행되기 전, 기준영상을 저장하는 부분과 진행 시 모든 검사데이터의 총수량, 양/불량률 등을 저장하는 부분으로 구분될 수 있다.

검사를 시작하기 전에는 가령, 포트, 보오레이트, 조명계의 채널 등과 같은 CCD 카메라(110)와 조명계(120)의 설정값을 검사시스템에 맞도록 시스템을 구성하는 것이 바람직하다. 이를 위해 본 발명에서는 GUI(160)를 적용하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사시스템에서 GUI(160)는 메인부, 설정부로 이루어진다. 여기서, 메인부는 검사시스템이 실행되는 메인 뷰화면과 검사데이터를 출력해주는 창으로 구성되어 시스템의 동작, 에러확인 및 검사진행사 항 등의 용이하게 확인할 수 있도록 해준다.

그리고 설정부는 검사 시스템을 시작하기 전에 CCD 카메라(110)와 조명계(120)의 설정 및 하드웨어와의 시리얼 통신설정 및 제어를 위한 것이라 할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 홀로그램 광학 검사 시스템의 작동방식을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사 시스템은, 다수개의 LED 램프(122)가 설치된 CCD 카메라(110)와 조명계(120)를 이용함으로써, 홀로그램의 기준패턴을 생성할 수 있다.

이 때, 조명계(120)는 보는 각도에 따라 패턴이 다르게 형성되는 홀로그램의 특성을 고려하여, 도 2에 도시된 바와 같이 돔형(Dome Type)으로 형성되고, 아울러 조명계(120)의 외부에 위치하는 CCD 카메라(110)가 다양한 각도에서 영상 및 홀로그램의 수집이 용이할 수 있도록 전면에 걸쳐 일정 수의 홀(hole)이 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 조명계(120)에 설치된 LED 램프(122)의 점등 조절을 위한 조명 컨트롤러(미도시)가 구비되는 것이 좋을 수 있다.

상기와 같은 구성을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사 시스템은, 위폐 판별을 위한 대상(홀로그램)에 빛을 출사하고, 대상으로부터 반사된 특정 스펙트럼 및 영상을 갖는 빛을 CCD 카메라(110)로 수집하여 원본 홀로그램 의 스펙트럼 및 영상과 비교한다.

이 때, 입력영상을 획득하기 위해 본 발명에서는 IEEE 1394를 인터페이스 보드로 적용하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 아니함은 당연하다.

또한, 홀로그램은 입사되는 광원의 각도, 위치 및 파장에 따라 생성되는 영상과 홀로그램이 다르게 나타날 수 있기 때문에, 보다 정확한 진위 여부 판별을 위해서는 각종 홀로그램의 특성에 따라 광원의 각도, 위치 등을 적절하게 조절하는 것이 좋을 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 홀로그램 광학 검사 시스템을 통해 얻은 홀로그램 표준 기준영상을 나타낸 예시도이고, 도 4는 도 1에 도시된 홀로그램 광학 검사 시스템을 통해 얻은 홀로그램 기준 패턴생성 결과를 나타낸 예시도이다.

도 3은 위폐 판별을 위한 홀로그램의 광학 검사를 위해 CCD 카메라(110), 조명계(120)를 설정한 후, 생성된 기준패턴을 기준영상으로 하여 이진화한 입력영상과의 패턴매칭 정도를 알아보기 위한 것으로, 지폐의 태극, 괘, 지도의 3개의 표준 기준영상을 본 발명의 실시예에 적용하였다.

또한, 도 4는 기준패턴생성 검사알고리즘인 CGH방법에 의해 주파수변환을 적용하여 생성된 기준패턴 결과로, (a)는 표준기준영상, (b)는 입력영상, 그리고 (c)는 생성된 기준패턴영상을 나타낸다.

본 발명에서는 지폐의 위조ㆍ변조 여부를 검사하기 위해 기준패턴생성 알고리즘인 CGH(Computer Generated hologram) 기반의 주파수변환을 이용하는데, 이러한 CGH는 입력영상과 비교할 기준영상을 획득하기 위해서 표준영상(M*N의 영상)을 DFT(Discrete Fourier Transform)하는 과정이 요구된다.

상기 [수학식 1]은 M x N의 표준영상을 Discrete Fourier Transform(DFT)과정을 수행하기 위한 것으로, 여기서

는 공간 영역의 영상을 의미하고,

는 주파수 영역의 영상을 의미한다. 이 때, 획득한 표준영상에 대한 조명의 각도는 알고 있으므로, 이를 이용한 초기각도 및 입력각도의 계산이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사 시스템은 기준패턴생성 단계를 포함한다. 이를 위해서는, 우선 각각의 위상을 구해야 하며, 그 다음 서로 곱하여 표준영상 합성을 수행하는 것이 바람직하다. 여기에, 주파수영역의 영상을 공간영역의 영상으로 변환하는 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)를 수행함으로써 기준패턴이 생성되는 것이다.

상기 [수학식 2]는 기준패턴생성 단계에서 주파수 영역으로 변환된 메모리와 저장된 조명의 각도의 곱을 나타낸 것이다. 이 때,

와

는 각각 초기각도와 입력각도를 의미한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사시스템을 이용한 기준패턴매칭 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사시스템은 상기와 같은 과정을 거쳐 위폐 판별을 위한 조명의 입사각에 따른 홀로그램 기준패턴을 생성하고, 생성된 기준패턴영상과 입력영상과의 매칭 정도를 평가하기 위해 상관분석법과 PSNR을 이용한 비교를 실시하게 된다. 참고로, 이 때 M x N 입력패턴영상과 생성된 기준패턴영상은 전처리과정으로 정규화 시켜주는 것이 바람직하다.

이처럼, 정규화된 두 영상은 상관분석[수학식 4]을 이용하여 유사도 판별이 가능할 수 있다. 이 때, 객관적인 평가를 위해서 유사도가 판별되는 두 패턴영상을 PSNR을 이용하여 상관분석[수학식 5]을 실시하는 것이 좋을 수 있다.

참고로, [수학식 3]의

은 주파수 영역에서의 입력패턴 영상과 생성된 기준 패턴 영상의 상관계수 값을 의미한다. 여기서, M과 N 은 주파수 영역에서의 중심점으로부터 저주파 성분을 추출하기 위한 x축과 y축의 범위이다. 또한

와

는 각각 주파수 영역에서의 입력 패턴영상과 생성된 기준패턴 영상을 의미하며,

와

는 각각 입력 영상 패턴 영상의 평균값과 생성된 기준 패턴영상의 평균값을 의미한다.

[수학식 4]의 주파수 영역에서 입력 패턴 영상과 생성된 기준 패턴 영상의 정확도를 판별하기 위한 제곱근 평균 제곱 오차이다. 그리고

와

는 각각 주파수영역에서의 입력 패턴영상과 생성된 기준 패턴영상을 의미한다. 또한, [수학식 5]의

(Mean Squared Error)는 두 영상 차이의 평균 제곱합이며,

는 영상의 픽셀 값을 의미한다.

아래의 표 1은 본 발명의 실시예에 사용된 지폐의 태극, 괘, 지도를 상관분석에 의한 상관계수와 PSNR결과로 나타낸 것이다. 이 때, 매칭율은 상관계수가 0.6이상인 경우 일치하는 것으로 볼 수 있다. 이를 참고하여, 측정 결과(표 1)를 살펴보면 본 발명의 실시예에 사용된 지폐(태극, 괘, 지도)의 영상은 모두 일치함을 알 수 있다.

	45°	135°	270°
상관계수	0.71	0.67	0.86
PSNR(dB)	40.46	39.79	30.99

이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사시스템은 CGH를 이용하여 기준패턴을 생성하고, 매칭도에 의해 기준패턴영상을 획득하게 되는데, 바로 이 기준패턴영상이 입력영상의 검사 및 판별과정에 있어 기준이 되는 것이다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학 검사 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 2는 CCD 카메라와 조명계를 개략적으로 나타낸 예시도이다.

도 3은 도 1에 도시된 홀로그램 광학 검사 시스템을 통해 얻은 홀로그램 표준 기준영상을 나타낸 예시도이다.

도 4는 도 1에 도시된 홀로그램 광학 검사 시스템을 통해 얻은 홀로그램 기준 패턴생성 결과를 나타낸 예시도이다.

도 5는 도 1에 도시된 홀로그램 광학 검사 시스템을 나타낸 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 홀로그램 110 : CCD 카메라

120 : 조명계 122 : LED램프

130 : 렌즈 140 : 중앙처리장치

150 : 데이터베이스 160 : GUI

Claims (4)

1. 다수의 홀(hole)이 형성된 돔형 하우징 내부에 복수의 LED램프가 환형 또는 돔형으로 배열 설치되어 지폐 또는 보안인쇄물에 빛을 조사하는 조명계;

   상기 지폐 또는 보안인쇄물에 반사된 빛(홀로그램)을 수렴하는 CCD 카메라;

   상기 CCD 카메라를 통해 수집된 입력영상을 기준영상과 비교하여 진위여부를 판별하기 위한 중앙처리장치(CPU);

   상기 기준영상을 저장, 관리하기 위한 데이터베이스; 및

   상기 중앙처리장치와 연동되어 영상 및 데이터를 출력하고, CCD 카메라와 조명계를 설정하기 위한 GUI(Grapic User Interface)를 포함하는 홀로그램 광학 검사 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 중앙처리장치는 CGH(Computer Generated Hologram) 방법에 근거한 주파수 변환을 이용하여 조명의 입사각에 따른 홀로그램 기준패턴영상을 생성하고,

   상기 생성된 기준패턴영상과 입력영상과의 매칭 정도를 상관분석법 및 PSNR을 이용하여 판별(검사)하는 알고리즘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학 검사 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 LED램프의 작동을 홀로그램의 특성에 따라 각각 또는 그룹별로 개별 제어할 수 있게 하는 조명 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학 검사 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 LED램프는 각각 서로 다른 고유색상을 갖는 복수의 LED램프로 이루어지고, 각 색상의 LED램프가 개별적으로 점멸 제어되도록 구성된 것을 특징으로 하는 홀로그램 광학 검사 시스템.

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