eng
Выпуск #1/2021
С. Б. Одиноков, И. К. Цыганов, В. Е. Талалаев, В. В. Колючкин, Н. В. Пирютин
Дифракционный компаратор защитных голограмм на документах. Модернизация и опытная эксплуатация
Дифракционный компаратор защитных голограмм на документах. Модернизация и опытная эксплуатация
Просмотры: 1923
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.86.98
В статье рассматривается новый экспериментальный образец высокопроизводительного оптико-электронного прибора для аутентификации защитных голограмм на документах. В нем скорость получения результата увеличивается благодаря применению в конструкции компаратора современных сканирующих систем, высокоскоростных регистрирующих устройств, специально разработанных и изготовленных компонентов оптической системы. Использование корреляционных фильтров в алгоритме обработки информации, полученной с голограммы, значительно сокращает время и повышает надежность процесса проверки подлинности защитных голограмм.
В статье рассматривается новый экспериментальный образец высокопроизводительного оптико-электронного прибора для аутентификации защитных голограмм на документах. В нем скорость получения результата увеличивается благодаря применению в конструкции компаратора современных сканирующих систем, высокоскоростных регистрирующих устройств, специально разработанных и изготовленных компонентов оптической системы. Использование корреляционных фильтров в алгоритме обработки информации, полученной с голограммы, значительно сокращает время и повышает надежность процесса проверки подлинности защитных голограмм.
Теги: authenticity control automatic control diffraction security elements holographic security elements security holograms security holograms on passport documents автоматический контроль голограммные защитные элементы дифракционные защитные элементы защитные голограммы защитные голограммы на документах контроль подлинности
Дифракционный компаратор защитных голограмм на документах. Модернизация и опытная эксплуатация
С. Б. Одиноков, И. К. Цыганов, В. Е. Талалаев,
В. В. Колючкин, Н. В. Пирютин
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
В статье рассматривается новый экспериментальный образец высокопроизводительного оптико-электронного прибора для аутентификации защитных голограмм на документах. В нем скорость получения результата увеличивается благодаря применению в конструкции компаратора современных сканирующих систем, высокоскоростных регистрирующих устройств, специально разработанных и изготовленных компонентов оптической системы. Использование корреляционных фильтров в алгоритме обработки информации, полученной с голограммы, значительно сокращает время и повышает надежность процесса проверки подлинности защитных голограмм.
Ключевые слова: защитные голограммы, дифракционные защитные элементы, голограммные защитные элементы, контроль подлинности, автоматический контроль, защитные голограммы на документах
Статья получена: 22.12.2021
Принята к публикации: 28.01.2021
Введение
Радужные голограммы широко используются в качестве одного из элементов защиты для различных документов: паспортов, водительских прав, различных сертификатов и других продуктов защитной печати [1]. Актуальность данного направления, даже в связи с вхождением в нашу жизнь объемных голограмм на полимерных носителях, сложно переоценить. Защитные радужные голограммы применяются как элемент борьбы с контрафактной продукцией практически во всех сферах человеческой деятельности, что неминуемо приводит к появлению потребности их подделывать у определенного круга лиц. Соответственно задача контроля подлинности защитных радужных голограмм еще долго будет востребована.
Работа по этой и смежным тематикам ведется в МГТУ имени Н. Э. Баумана коллективом лаборатории «Оптико-голографические системы» под руководством профессора С. Б.
Одинокова уже более 10 лет. За это время были разработаны, изготовлены и поставлены заказчикам как системы экспертного контроля защитных голограмм, так и носимые либо настольные приборы оперативного контроля, одним из основных требований к которым является:
Существует как минимум два подхода к построению приборов оперативного контроля голограмм. В обоих подходах для принятия решения о подлинности голограммы проводится сравнение информации, полученной с исследуемой голограммы, с информацией с эталонной голограммы.
В первом подходе в качестве информации для сравнения используется цветное изображение с голограммы, подсвеченной источником некогерентного мультиспектрального «белого» света и зарегистрированное цифровой камерой. К таким устройствам можно отнести визуализатор голографических изображений фирмы Регула 2303, также видеоспектральный компаратор фирмы Foster & Freeman «VSC 8000» и прибор фирмы Projectina «DOCUBOX HD» (см. рис. 1 а-c).
Во втором подходе сравнивают дифракционные спектры, восстановленные когерентным излучением с контролируемой голограммы и с эталонной голограммы на одной или нескольких длинах волн. Метод анализа когерентных изображений защитных голограмм (далее по тексту ЗГ) заключается в корреляционном распознавании изображений пространственного распределения интенсивности лазерного излучения, дифрагированного в областях ЗГ. Если когерентно освещенный элемент голограммы содержит дифракционные решетки с различной частотой и ориентацией, то в дифракционной картине будут наблюдаться нулевой порядок, а также пары дифракционных порядков, симметрично расположенных на некотором расстоянии от него. Направление и расстояние между этими максимумами и нулевым порядком соответствуют ориентации и пространственной частоте решеток, присутствующих на освещенном элементе.
По нашему мнению, данный метод более точен и дает лучшие результаты в процессе идентификации в отличие от сравнения цветовых фотографий голограмм. На рис. 1d представлен первый вариант оптико-электронного сканера разработки лаборатории «Оптико-голографические системы» [2, 3], который работает на принципе сравнения пространственных спектров, восстановленных когерентным излучением с контролируемой голограммы и спектров, полученных ранее с эталонной голограммы. У этого прибора в отличие от предлагаемого присутствуют два существенных недостатка: 1 – механическое перемещение оптической головки, что приводит к значительным временным затратам при исследовании; 2 – в связи с особенностями конструкции количество и положение точек, которые могут быть проверены, ограничено и фиксировано.
В предлагаемом приборе также, как и в его предшественнике, используются математически синтезированные инвариантные корреляционные фильтры, которые содержат информацию об эталонном объекте, а также о его возможных искажениях, что позволяет в некоторой степени избавиться от влияния зашумленности анализируемой картины дифракционного распределения, а также от ошибок позиционирования зондирующего излучения [4, 5]
Функциональная схема дифракционного компаратора защитных голограмм
На рис. 2 приведена функциональная схема прибора. Из нее видно, что компаратор включает в себя два канала: канал контроля (поз. 1–11) и канал наведения (поз. 12–14). Канал наведения предназначен для определения положения исследуемой голограммы относительно прибора, а канал контроля выполняет собственно процедуру идентификации голограммы, заключающуюся в получении дифракционных спектров от намеченных точек контроля и сравнении полученных спектров с эталонными, полученными в процессе обучения прибора и хранящимися в его базе данных.
Канал контроля состоит из двухкоординатной сканирующей системы подсветки 1, содержащей лазерный диод 2, коллимирующий объектив 3, зеркальную систему сканирования 4, включающую в себя в том числе 2 гальванометрических сканатора 5 и дополнительную линзовую систему переноса зрачка 6, контролируемого объекта 7, фурье-преобразующей системы 8, визуализатора 9, репродукционного объектива 10 и многоплощадочного фотоприемного устройства (устройства регистрации) 11.
Канал наведения состоит из матрицы светодиодов 12 для подсветки контролируемого объекта 7, проекционного объектива 13 и многоплощадочного фотоприемного устройства (устройства регистрации) 14.
Экспериментальный образец дифракционного компаратора защитных голограмм
На основе функциональной схемы была разработана оптическая схема и 3D-модель конструкции устройства, которую можно видеть на рис. 3а. Конструкция прибора построена по мезонинному принципу и содержит 3 уровня. На нижнем уровне расположен бортовой интегрированный вычислитель, к которому подключаются внешний монитор, манипулятор «мышь» и клавиатура. Встраивание вычислителя в прибор вызвано необходимостью организации высокоскоростной шины данных для передачи больших массивов видеоинформации. На двух верхних этажах расположены элементы оптической системы компаратора и электронные компоненты. Сверху компаратора расположено оптическое окно для размещения на нем исследуемой голограммы или документа с голограммой. Для устранения внешних засветок предусмотрена крышка.
Для создания экспериментального образца дифракционного компаратора защитных голограмм в соответствии с разработанной КД были изготовлены и закуплены оптические, оптико-электронные, электронные, механические детали, узлы и блоки, входящие в его состав. Большинство оптических и механических компонентов изготовлены в России и Белоруссии. Оптико-электронные и электронные узлы также разработаны и изготовлены российскими фирмами-разработчиками, но с преимущественным использованием зарубежных комплектующих.
На рисунках 3b – 3d приведены фотографии внешнего вида прибора. Габаритные размеры сканера составили 330 × 330 × 650 мм, а масса – 20 кг, т. е. это настольный прибор. По фотографии на рисунке 3б можно получить представление о его габаритах на фоне ноутбука. В верхней части сканера под крышкой расположено входное оптическое окно, через которое и происходит сканирование документа (смотри рис. 3c, 3d). Технические параметры компаратора защитных голограмм приведены в табл. 1.
Рассмотрим теперь элементы подсистем прибора и принципы его действия более детально. Начнем с канала наведения рис. 4. Он состоит из многокомпонентного светодиодного осветителя 1, проекционного объектива 2 и матричного фотоприемника 3. Также в оптической системе стоят зеркала для удобства компоновки прибора и снижения его габаритных размеров.
Канал наведения функционирует следующим образом. Многокомпонентный светодиодный осветитель состоит из 32 светодиодов, расположенных на полуокружности с расчетным радиусом через равные угловые промежутки. Вертикальная ось осветителя (полуокружности) совпадает с вертикальной осью оптического окна с голограммой.
В процессе работы светодиоды включаются дискретно, подсвечивая с определенного направления исследуемую голограмму. Все решетки, перпендикулярные данному направлению, будут дифрагировать падающее на них излучение в сторону объектива матричного фотоприемного устройства. В результате этого видеокамера регистрирует изображение объектов с определенными ориентациями решеток (см. рис. 5). Предупреждая вполне закономерный вопрос: «почему не подсветить голограмму сразу всеми светодиодами?», можно ответить, что в таком случае значительно сложнее выделить полезную информацию на шумовом фоне.
Кадры исследуемого объекта, полученные при всех направлениях подсветки, подвергаются программной обработке: удаление шумов, повышение контраста и в дальнейшем сшиваются в единое изображение. По полученному изображению производится привязка голограммы к системе координат прибора. На рис. 6 приведен результат поиска опорных элементов в процессе привязки. Цветом определяется тип опорного элемента: надпись «РОССИЯ» (красная), надпись «RUSSIA» (зеленая), Орел (желтый); окружность указывает на положение опорного элемента в эталоне, а квадрат − на положение опорного элемента на изображении исследуемой голограммы.
Также на этом этапе происходит первичное сравнение изображения исследуемой голограммы с эталонной, и в случае полного несовпадения она признается фальсифицированной. В случае обнаружения опорных объектов, совпадающих с эталонными в результате привязки, из базы данных загружается информация об эталонных фурье-спектрах в предполагаемых точках контроля. В дальнейшем эта информация используется при корреляционном сравнении с изображениями фурье-спектра, полученными в канале контроля. Технические параметры канала наведения приведены в табл. 2.
Теперь обратимся к каналу контроля. Фотография с принципиальными узлами, входящими в состав этого канала, приведена на рис. 7. Он содержит двухкоординатную сканирующую систему подсветки 1, которая позволяет подсветить пучком малого диаметра исследуемую голограмму или документ с голограммой в пределах входного окна. Одним из ключевых компонентов сканера является фурье-преобразующий объектив 2, который формирует параллельные зондирующие пучки для подсветки исследуемого объекта по нормали и после отражения от объекта формирует дифракционный спектр на визуализаторе 3.
Дифракционное распределение с визуализатора при помощи проекционного объектива 4 и матричного приемника излучения 5 регистрируется и передается в компьютер для последующего сравнения с эталонной информацией.
Рассмотрим ход лучей в канале контроля. Для это сначала обратимся к двухкоординатной сканирующей системе, фотографии которой приведены на рис. 8. Излучение от полупроводникового лазера 1, пройдя через коллимирующий объектив 2, попадает сначала на зеркало 3 (закрепленное на гальванометрическом сканаторе, осуществляющем сканирование вдоль оси X). Далее изображение зеркала 3 при помощи зеркальной системы переноса зрачка 4 строится в плоскости зеркала 5 (в свою очередь закрепленного на гальванометрическом сканаторе, осуществляющем сканирование вдоль оси Y). После чего изображение зеркала 5 при помощи линзовой системы переноса зрачка 6 формирует на заданном расстоянии квазиточечный источник когерентного излучения, сканирующий пространство в конусе 12 × 12 градусов. Тем самым мы подсвечиваем объект в плоскости установки образца размером 70 × 70 мм или диаметром 50 мм.
Далее излучение, проходя через фурье-преобразующий объектив 2 (см. рис. 7), падает по нормали на интересующую малую область на объекте исследования. После чего в зависимости от параметров дифракционных решеток, попавших в пятно подсветки, дифрагирует в обратном направлении и, пройдя еще раз через фурье-преобразующий объектив 2, формирует в его фокальной плоскости, совпадающей с плоскостью визуализатора 3, дифракционный спектр. Фотографии прохождения излучения в канале контроля после двухкоординатной сканирующей системы приведены на рис. 9.
На визуализаторе формируется только половина картины дифракционного распределения, содержащая только один из дифракционных порядков: или +1‑й, или –1‑й. Положение излучения подсветки в плоскости визуализатора и положение отраженного нулевого порядка от голограммы совпадают и известны нам. Таким образом, расположение одного порядка дифракции полностью определяет параметры, период и ориентацию, подсвеченной дифракционной решетки и позволяет проводить процесс сравнения с эталоном. На рис. 10 а дан вид сверху на визуализатор с дифракционным спектром. На фотографии мы видим три хорошо различимых максимума, что говорит о том, что в пятно подсветки на голограмме попали три дифракционные решетки, периоды которых определяются расстоянием от центра картины, а угловые ориентации − положением на дуге соответствующего радиуса. Рис. 10 b содержит фотографию с матричного приемника излучения 5 (см. рис. 7), изображение которой передается в бортовой вычислитель для последующей обработки и сравнения с эталонной информацией. Технические параметры канала контроля приведены в табл. 3.
Программное обеспечение, кроме проведения оперативного контроля голограмм на документах, также позволяет анализировать параметры решеток, содержащихся в голограммах, создавать дифракционные «карты» голограмм. На рис. 11 приведены визуализации дифракционных откликов – спектров при одиночном зондировании (рис. 11 а), спектр фрагмента голограммы «Орел» (рис. 11 b), спектр фрагмента голограммы «РФ» (рис. 11 c) и спектр всей голограммы.
Заключение
В заключении выделим основные конструкторские и программные решения, реализованные в автоматическом дифракционном компараторе для оперативного контроля подлинности защитных голограмм на документах. В конструкции прибора использованы гальванометрические сканаторы. Их применение позволило значительно снизить время, необходимое для контроля защитной голограммы с размерами паспортной страницы.
Использование высокоскоростного устройства регистрации также привело к снижению времени контроля. Специально рассчитанные и изготовленные компоненты оптической системы повысили качество регистрируемых картин дифракционного распределения, что снизило ошибки при проведении контроля подлинности. Отсутствие подвижных элементов в компараторе, кроме сканирующих зеркал, повысило точность позиционирования зондирующего пучка на исследуемом образце, что, в свою очередь, повысило вероятность правильной идентификации защитной голограммы, а также механическую надежность прибора в целом. Применение корреляционных фильтров в алгоритме распознавания полученной с голограммы информации также повысило надежность процесса контроля подлинности.
Благодарности
Работа проведена в МГТУ им. Н. Э. Баумана при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по соглашению № 14.577.21.0223 (ID PRFMEFI57716X0223).
REFERENCES
Odinokov S. B. Metody i optiko-elektronnye pribory dlya avtomaticheskogo kontrolya podlinnosti zashchitnyh gologramm. – М: Technosphera. 2013. 176 p. ISBN 978-5-94836-348-6. [In Russ].
Одиноков С. Б. Методы и оптико-электронные приборы для автоматического контроля подлинности защитных голограмм. – М: Техносфера. 2013. 176 с. ISBN 978-5-94836-348-6.
Tsyganov I. K., Kolyuchkin V. V., Piryutin N. V., Odinokov S. B., Talalaev V. E., Zlokazov E. YU. Optiko-elektronnyj skaner dlya operativnogo kontrolya podlinnosti zashchitnyh gologramm na pasportnyh dokumentah Golografiya. Nauka i praktika: Sbornik trudov XI mezhdunarodnoj konferencii HOLOEXPO 2014. – M.: MGTU im. N. E. Baumana. 2014. [In Russ].
Цыганов И. К., Колючкин В. В., Пирютин Н. В., Одиноков С. Б., Талалаев В. Е., Злоказов Е. Ю. Оптико-электронный сканер для оперативного контроля подлинности защитных голограмм на паспортных документах Голография. Наука и практика: Сборник трудов XI международной конференции HOLOEXPO 2014. – М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014.
Tsyganov I. K., Kolyuchkin V. V., Piryutin N. V., Odinokov S. B., Talalaev V. E., Zlokazov E. YU. Scanner for Automatic Control of Security Holograms Authenticity on Passport Documents. Fotonika (Photonics Russia). 2016; 10 (1).
Evtikhiev N. N., Shaulskiy D. V., Zlokazov E. Yu., Starikov R. S. Variants of minimum correlation energy filters: comparative study. Optical Pattern Recognition. Proceedings SPIE Defense, Security and Sensing. 2012; 8398 (XXIII): 83980G. – Baltimore. Maryland. US.
Vijaya Kumar B. V. K., Fernandez J. A., Rodriguez A., Boddeti V. N. Recent advances in correlation filter theory and application. Optical Pattern Recognition. Proceedings SPIE Defense + Security. 2014; 9094 (XXV): 909404. – Baltimore. Maryland. US.
Авторы
С. Б. Одиноков, д. т. н., НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, odinokov@bmstu.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-2730-9545
И. К. Цыганов, НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-9538-5673
В. Е. Талалаев, НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4244-6898
В. В. Колючкин, к. т. н., НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-7294-7143
Н. В. Пирютин, НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-5493-8796
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в своей части работы.
С. Б. Одиноков, И. К. Цыганов, В. Е. Талалаев,
В. В. Колючкин, Н. В. Пирютин
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
В статье рассматривается новый экспериментальный образец высокопроизводительного оптико-электронного прибора для аутентификации защитных голограмм на документах. В нем скорость получения результата увеличивается благодаря применению в конструкции компаратора современных сканирующих систем, высокоскоростных регистрирующих устройств, специально разработанных и изготовленных компонентов оптической системы. Использование корреляционных фильтров в алгоритме обработки информации, полученной с голограммы, значительно сокращает время и повышает надежность процесса проверки подлинности защитных голограмм.
Ключевые слова: защитные голограммы, дифракционные защитные элементы, голограммные защитные элементы, контроль подлинности, автоматический контроль, защитные голограммы на документах
Статья получена: 22.12.2021
Принята к публикации: 28.01.2021
Введение
Радужные голограммы широко используются в качестве одного из элементов защиты для различных документов: паспортов, водительских прав, различных сертификатов и других продуктов защитной печати [1]. Актуальность данного направления, даже в связи с вхождением в нашу жизнь объемных голограмм на полимерных носителях, сложно переоценить. Защитные радужные голограммы применяются как элемент борьбы с контрафактной продукцией практически во всех сферах человеческой деятельности, что неминуемо приводит к появлению потребности их подделывать у определенного круга лиц. Соответственно задача контроля подлинности защитных радужных голограмм еще долго будет востребована.
Работа по этой и смежным тематикам ведется в МГТУ имени Н. Э. Баумана коллективом лаборатории «Оптико-голографические системы» под руководством профессора С. Б.
Одинокова уже более 10 лет. За это время были разработаны, изготовлены и поставлены заказчикам как системы экспертного контроля защитных голограмм, так и носимые либо настольные приборы оперативного контроля, одним из основных требований к которым является:
- малое время на сканирование образца и принятие решения о его подлинности / подделке;
- низкая квалификация персонала, который будет использовать оперативные сканеры.
Существует как минимум два подхода к построению приборов оперативного контроля голограмм. В обоих подходах для принятия решения о подлинности голограммы проводится сравнение информации, полученной с исследуемой голограммы, с информацией с эталонной голограммы.
В первом подходе в качестве информации для сравнения используется цветное изображение с голограммы, подсвеченной источником некогерентного мультиспектрального «белого» света и зарегистрированное цифровой камерой. К таким устройствам можно отнести визуализатор голографических изображений фирмы Регула 2303, также видеоспектральный компаратор фирмы Foster & Freeman «VSC 8000» и прибор фирмы Projectina «DOCUBOX HD» (см. рис. 1 а-c).
Во втором подходе сравнивают дифракционные спектры, восстановленные когерентным излучением с контролируемой голограммы и с эталонной голограммы на одной или нескольких длинах волн. Метод анализа когерентных изображений защитных голограмм (далее по тексту ЗГ) заключается в корреляционном распознавании изображений пространственного распределения интенсивности лазерного излучения, дифрагированного в областях ЗГ. Если когерентно освещенный элемент голограммы содержит дифракционные решетки с различной частотой и ориентацией, то в дифракционной картине будут наблюдаться нулевой порядок, а также пары дифракционных порядков, симметрично расположенных на некотором расстоянии от него. Направление и расстояние между этими максимумами и нулевым порядком соответствуют ориентации и пространственной частоте решеток, присутствующих на освещенном элементе.
По нашему мнению, данный метод более точен и дает лучшие результаты в процессе идентификации в отличие от сравнения цветовых фотографий голограмм. На рис. 1d представлен первый вариант оптико-электронного сканера разработки лаборатории «Оптико-голографические системы» [2, 3], который работает на принципе сравнения пространственных спектров, восстановленных когерентным излучением с контролируемой голограммы и спектров, полученных ранее с эталонной голограммы. У этого прибора в отличие от предлагаемого присутствуют два существенных недостатка: 1 – механическое перемещение оптической головки, что приводит к значительным временным затратам при исследовании; 2 – в связи с особенностями конструкции количество и положение точек, которые могут быть проверены, ограничено и фиксировано.
В предлагаемом приборе также, как и в его предшественнике, используются математически синтезированные инвариантные корреляционные фильтры, которые содержат информацию об эталонном объекте, а также о его возможных искажениях, что позволяет в некоторой степени избавиться от влияния зашумленности анализируемой картины дифракционного распределения, а также от ошибок позиционирования зондирующего излучения [4, 5]
Функциональная схема дифракционного компаратора защитных голограмм
На рис. 2 приведена функциональная схема прибора. Из нее видно, что компаратор включает в себя два канала: канал контроля (поз. 1–11) и канал наведения (поз. 12–14). Канал наведения предназначен для определения положения исследуемой голограммы относительно прибора, а канал контроля выполняет собственно процедуру идентификации голограммы, заключающуюся в получении дифракционных спектров от намеченных точек контроля и сравнении полученных спектров с эталонными, полученными в процессе обучения прибора и хранящимися в его базе данных.
Канал контроля состоит из двухкоординатной сканирующей системы подсветки 1, содержащей лазерный диод 2, коллимирующий объектив 3, зеркальную систему сканирования 4, включающую в себя в том числе 2 гальванометрических сканатора 5 и дополнительную линзовую систему переноса зрачка 6, контролируемого объекта 7, фурье-преобразующей системы 8, визуализатора 9, репродукционного объектива 10 и многоплощадочного фотоприемного устройства (устройства регистрации) 11.
Канал наведения состоит из матрицы светодиодов 12 для подсветки контролируемого объекта 7, проекционного объектива 13 и многоплощадочного фотоприемного устройства (устройства регистрации) 14.
Экспериментальный образец дифракционного компаратора защитных голограмм
На основе функциональной схемы была разработана оптическая схема и 3D-модель конструкции устройства, которую можно видеть на рис. 3а. Конструкция прибора построена по мезонинному принципу и содержит 3 уровня. На нижнем уровне расположен бортовой интегрированный вычислитель, к которому подключаются внешний монитор, манипулятор «мышь» и клавиатура. Встраивание вычислителя в прибор вызвано необходимостью организации высокоскоростной шины данных для передачи больших массивов видеоинформации. На двух верхних этажах расположены элементы оптической системы компаратора и электронные компоненты. Сверху компаратора расположено оптическое окно для размещения на нем исследуемой голограммы или документа с голограммой. Для устранения внешних засветок предусмотрена крышка.
Для создания экспериментального образца дифракционного компаратора защитных голограмм в соответствии с разработанной КД были изготовлены и закуплены оптические, оптико-электронные, электронные, механические детали, узлы и блоки, входящие в его состав. Большинство оптических и механических компонентов изготовлены в России и Белоруссии. Оптико-электронные и электронные узлы также разработаны и изготовлены российскими фирмами-разработчиками, но с преимущественным использованием зарубежных комплектующих.
На рисунках 3b – 3d приведены фотографии внешнего вида прибора. Габаритные размеры сканера составили 330 × 330 × 650 мм, а масса – 20 кг, т. е. это настольный прибор. По фотографии на рисунке 3б можно получить представление о его габаритах на фоне ноутбука. В верхней части сканера под крышкой расположено входное оптическое окно, через которое и происходит сканирование документа (смотри рис. 3c, 3d). Технические параметры компаратора защитных голограмм приведены в табл. 1.
Рассмотрим теперь элементы подсистем прибора и принципы его действия более детально. Начнем с канала наведения рис. 4. Он состоит из многокомпонентного светодиодного осветителя 1, проекционного объектива 2 и матричного фотоприемника 3. Также в оптической системе стоят зеркала для удобства компоновки прибора и снижения его габаритных размеров.
Канал наведения функционирует следующим образом. Многокомпонентный светодиодный осветитель состоит из 32 светодиодов, расположенных на полуокружности с расчетным радиусом через равные угловые промежутки. Вертикальная ось осветителя (полуокружности) совпадает с вертикальной осью оптического окна с голограммой.
В процессе работы светодиоды включаются дискретно, подсвечивая с определенного направления исследуемую голограмму. Все решетки, перпендикулярные данному направлению, будут дифрагировать падающее на них излучение в сторону объектива матричного фотоприемного устройства. В результате этого видеокамера регистрирует изображение объектов с определенными ориентациями решеток (см. рис. 5). Предупреждая вполне закономерный вопрос: «почему не подсветить голограмму сразу всеми светодиодами?», можно ответить, что в таком случае значительно сложнее выделить полезную информацию на шумовом фоне.
Кадры исследуемого объекта, полученные при всех направлениях подсветки, подвергаются программной обработке: удаление шумов, повышение контраста и в дальнейшем сшиваются в единое изображение. По полученному изображению производится привязка голограммы к системе координат прибора. На рис. 6 приведен результат поиска опорных элементов в процессе привязки. Цветом определяется тип опорного элемента: надпись «РОССИЯ» (красная), надпись «RUSSIA» (зеленая), Орел (желтый); окружность указывает на положение опорного элемента в эталоне, а квадрат − на положение опорного элемента на изображении исследуемой голограммы.
Также на этом этапе происходит первичное сравнение изображения исследуемой голограммы с эталонной, и в случае полного несовпадения она признается фальсифицированной. В случае обнаружения опорных объектов, совпадающих с эталонными в результате привязки, из базы данных загружается информация об эталонных фурье-спектрах в предполагаемых точках контроля. В дальнейшем эта информация используется при корреляционном сравнении с изображениями фурье-спектра, полученными в канале контроля. Технические параметры канала наведения приведены в табл. 2.
Теперь обратимся к каналу контроля. Фотография с принципиальными узлами, входящими в состав этого канала, приведена на рис. 7. Он содержит двухкоординатную сканирующую систему подсветки 1, которая позволяет подсветить пучком малого диаметра исследуемую голограмму или документ с голограммой в пределах входного окна. Одним из ключевых компонентов сканера является фурье-преобразующий объектив 2, который формирует параллельные зондирующие пучки для подсветки исследуемого объекта по нормали и после отражения от объекта формирует дифракционный спектр на визуализаторе 3.
Дифракционное распределение с визуализатора при помощи проекционного объектива 4 и матричного приемника излучения 5 регистрируется и передается в компьютер для последующего сравнения с эталонной информацией.
Рассмотрим ход лучей в канале контроля. Для это сначала обратимся к двухкоординатной сканирующей системе, фотографии которой приведены на рис. 8. Излучение от полупроводникового лазера 1, пройдя через коллимирующий объектив 2, попадает сначала на зеркало 3 (закрепленное на гальванометрическом сканаторе, осуществляющем сканирование вдоль оси X). Далее изображение зеркала 3 при помощи зеркальной системы переноса зрачка 4 строится в плоскости зеркала 5 (в свою очередь закрепленного на гальванометрическом сканаторе, осуществляющем сканирование вдоль оси Y). После чего изображение зеркала 5 при помощи линзовой системы переноса зрачка 6 формирует на заданном расстоянии квазиточечный источник когерентного излучения, сканирующий пространство в конусе 12 × 12 градусов. Тем самым мы подсвечиваем объект в плоскости установки образца размером 70 × 70 мм или диаметром 50 мм.
Далее излучение, проходя через фурье-преобразующий объектив 2 (см. рис. 7), падает по нормали на интересующую малую область на объекте исследования. После чего в зависимости от параметров дифракционных решеток, попавших в пятно подсветки, дифрагирует в обратном направлении и, пройдя еще раз через фурье-преобразующий объектив 2, формирует в его фокальной плоскости, совпадающей с плоскостью визуализатора 3, дифракционный спектр. Фотографии прохождения излучения в канале контроля после двухкоординатной сканирующей системы приведены на рис. 9.
На визуализаторе формируется только половина картины дифракционного распределения, содержащая только один из дифракционных порядков: или +1‑й, или –1‑й. Положение излучения подсветки в плоскости визуализатора и положение отраженного нулевого порядка от голограммы совпадают и известны нам. Таким образом, расположение одного порядка дифракции полностью определяет параметры, период и ориентацию, подсвеченной дифракционной решетки и позволяет проводить процесс сравнения с эталоном. На рис. 10 а дан вид сверху на визуализатор с дифракционным спектром. На фотографии мы видим три хорошо различимых максимума, что говорит о том, что в пятно подсветки на голограмме попали три дифракционные решетки, периоды которых определяются расстоянием от центра картины, а угловые ориентации − положением на дуге соответствующего радиуса. Рис. 10 b содержит фотографию с матричного приемника излучения 5 (см. рис. 7), изображение которой передается в бортовой вычислитель для последующей обработки и сравнения с эталонной информацией. Технические параметры канала контроля приведены в табл. 3.
Программное обеспечение, кроме проведения оперативного контроля голограмм на документах, также позволяет анализировать параметры решеток, содержащихся в голограммах, создавать дифракционные «карты» голограмм. На рис. 11 приведены визуализации дифракционных откликов – спектров при одиночном зондировании (рис. 11 а), спектр фрагмента голограммы «Орел» (рис. 11 b), спектр фрагмента голограммы «РФ» (рис. 11 c) и спектр всей голограммы.
Заключение
В заключении выделим основные конструкторские и программные решения, реализованные в автоматическом дифракционном компараторе для оперативного контроля подлинности защитных голограмм на документах. В конструкции прибора использованы гальванометрические сканаторы. Их применение позволило значительно снизить время, необходимое для контроля защитной голограммы с размерами паспортной страницы.
Использование высокоскоростного устройства регистрации также привело к снижению времени контроля. Специально рассчитанные и изготовленные компоненты оптической системы повысили качество регистрируемых картин дифракционного распределения, что снизило ошибки при проведении контроля подлинности. Отсутствие подвижных элементов в компараторе, кроме сканирующих зеркал, повысило точность позиционирования зондирующего пучка на исследуемом образце, что, в свою очередь, повысило вероятность правильной идентификации защитной голограммы, а также механическую надежность прибора в целом. Применение корреляционных фильтров в алгоритме распознавания полученной с голограммы информации также повысило надежность процесса контроля подлинности.
Благодарности
Работа проведена в МГТУ им. Н. Э. Баумана при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации по соглашению № 14.577.21.0223 (ID PRFMEFI57716X0223).
REFERENCES
Odinokov S. B. Metody i optiko-elektronnye pribory dlya avtomaticheskogo kontrolya podlinnosti zashchitnyh gologramm. – М: Technosphera. 2013. 176 p. ISBN 978-5-94836-348-6. [In Russ].
Одиноков С. Б. Методы и оптико-электронные приборы для автоматического контроля подлинности защитных голограмм. – М: Техносфера. 2013. 176 с. ISBN 978-5-94836-348-6.
Tsyganov I. K., Kolyuchkin V. V., Piryutin N. V., Odinokov S. B., Talalaev V. E., Zlokazov E. YU. Optiko-elektronnyj skaner dlya operativnogo kontrolya podlinnosti zashchitnyh gologramm na pasportnyh dokumentah Golografiya. Nauka i praktika: Sbornik trudov XI mezhdunarodnoj konferencii HOLOEXPO 2014. – M.: MGTU im. N. E. Baumana. 2014. [In Russ].
Цыганов И. К., Колючкин В. В., Пирютин Н. В., Одиноков С. Б., Талалаев В. Е., Злоказов Е. Ю. Оптико-электронный сканер для оперативного контроля подлинности защитных голограмм на паспортных документах Голография. Наука и практика: Сборник трудов XI международной конференции HOLOEXPO 2014. – М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014.
Tsyganov I. K., Kolyuchkin V. V., Piryutin N. V., Odinokov S. B., Talalaev V. E., Zlokazov E. YU. Scanner for Automatic Control of Security Holograms Authenticity on Passport Documents. Fotonika (Photonics Russia). 2016; 10 (1).
Evtikhiev N. N., Shaulskiy D. V., Zlokazov E. Yu., Starikov R. S. Variants of minimum correlation energy filters: comparative study. Optical Pattern Recognition. Proceedings SPIE Defense, Security and Sensing. 2012; 8398 (XXIII): 83980G. – Baltimore. Maryland. US.
Vijaya Kumar B. V. K., Fernandez J. A., Rodriguez A., Boddeti V. N. Recent advances in correlation filter theory and application. Optical Pattern Recognition. Proceedings SPIE Defense + Security. 2014; 9094 (XXV): 909404. – Baltimore. Maryland. US.
Авторы
С. Б. Одиноков, д. т. н., НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, odinokov@bmstu.ru, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-2730-9545
И. К. Цыганов, НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-9538-5673
В. Е. Талалаев, НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4244-6898
В. В. Колючкин, к. т. н., НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-7294-7143
Н. В. Пирютин, НИИ РЛ МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-5493-8796
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в своей части работы.
Отзывы читателей
