专利名称：多光谱纸币验钞机的设计方法
技术领域：
本发明应用于金融机具行业，如验钞机、点验钞机、ATM存取款机、纸币清分机等， 涉及图像处理、模式识别、数字信号处理等科学技术领域。
背景技术：
有纸币就有假币，纸币防伪关系到国家金融安全和社会稳定，具有重要意义。在中国，信用卡使用率较低，纸币流通量大，各种类型的伪钞层出不穷，制作水平越来越高，迫切需要开发高可靠的纸币鉴伪设备。传统的纸币鉴伪机能够检测纸币的部分防伪特征，如磁性材料、荧光反应等。但随着伪钞制造水平的提高，其可靠性受到越来越大的挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多光谱纸币验钞机的设计方法，本方法基于图像分析技术对纸币的多光谱图像进行分析，可实现较高可靠性的真伪鉴别，还可以同时实现纸币冠字号的识别，进而支持银行系统实现纸币流通的科学管理。本发明所采用的技术方案是多光谱纸币验钞机的设计方法，对纸币的处理依次包括以下步骤Si)图像采集纸币进入验钞机后，首先通过光电对管信号和磁头信号判断出纸币的朝向，并用CIS传感器获取纸币图像；S2)图像预处理对采集得到的CIS原始图像进行亮度补偿、纸币边缘检测和几何校正的预处理，得到标准化的纸币图像；S3)真伪鉴别与冠字号识别提取纸币图像特征，依据这些特征对纸币进行真伪鉴别，然后基于图像分析的方法实现纸币的冠字号识别；S4)结果输出真伪鉴别结果或冠字号识别结果通过RS-232、以太网或通用I/O信号发送给其它设备或部件。进一步地，步骤Sl中，通过验钞机的光电对管信号检测纸币的前后沿，通过磁头检测纸币上磁性材料分布的位置，根据这些信息判断纸币朝向。进一步地，步骤Sl中，在判断纸币朝向后，根据图像分析的需要，通过CIS接口电路自动切换CIS传感器光源的光谱。进一步地，步骤Sl中，使用CIS传感器采集图像时，将CIS传感器对面材料的颜色处理成深色，以增强采集到的图像中纸币与背景间的反差，有利于降低边缘检测的计算量。进一步地，步骤S2中，通过CIS接口电路中的可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA等) 实现纸币的边缘检测，减轻系统中央处理器(如数字信号处理器)的计算量。进一步地，步骤S3中，真伪鉴别的方法为根据磁性材料在纸币上的分布位置判定纸币朝向，再通过图像分析的方法对纸币的朝向进行识别，如果两种方法得到的方向判定不一致，即可判定该纸币为假币。
进一步地，步骤S3中，还通过视频输出接口将纸币的多光谱图像输出到验钞机集成的显示屏或其它外部显示设备上，通过人眼观察进行真伪鉴别。本发明的优点应用在纸币的多光谱图像分析设备中，提高纸币处理的速度，提高设备的鉴伪能力，鉴伪效果好，效率高。同时还能通过切换光谱、实现纸币定位为后续冠字号识别做好准备工作。本发明所应用的硬件平台结构简单，具有很好的实用性。
图1为本发明应用的多光谱验钞机系统结构图。图2为本发明多光谱验钞机的数据处理流程图。图3为第5套人民币100元四种朝向。图3㈧是正面的正方向，图3 (B)是正面的反方向，图3(C)是反面的正方向，图3(D)是反面的反方向。图4为本发明中CIS管安装的横切面图。图5是本发明所应用的多光谱印钞机电路的结构框图。图6是本发明所述应用的多光谱印钞机电路的直流供电方案。
具体实施例方式采用多光谱图像分析技术提高纸币鉴别能力是验钞机、点验钞机、ATM自动存取款机(以下统称验钞机)等需要进行纸币真伪鉴别金融机具的一种发展趋势。包括人民币在内的各国纸币，普遍采用特种油墨印刷技术，不同光谱下呈现不同的图案，因此基于图像分析技术对纸币的多光谱图像进行分析，可实现较高可靠性的真伪鉴别。采用图像分析技术，不仅可以实现纸币的真伪鉴别，还可以同时实现纸币冠字号的识别，进而支持银行系统实现纸币流通的科学管理。采用本发明技术的可应用在各种需要进行纸币真伪鉴别的金融机具中，系统结构见图1，其中可能内置一根或两根接触式图像传感器(以下简称CIS)，并装配了硬件电路板。电路板上的高性能处理器可接收并分析验钞机的磁信号、光电对管信号，通过CIS采集纸币的一面图像、或同时采集纸币正反两面的图像。基于高性能处理器，该验钞机可实现实时的图像采集、图像处理、币种识另IJ、纸币方向识另IJ、真伪识另IJ、冠字号识别等功能。如图5和图6所示，多光谱印钞机的电路包括电源电路、CIS接口电路和DSP(数字信号处理器)信号处理电路。电源电路与CIS接口电路和DSP信号处理电路均相连，CIS 接口电路接至DSP信号处理电路，CIS接口电路支持三通道CIS传感器。CIS接口电路包括依次相连的CIS接口连接器、模/数转换控制器和CPLD(复杂可编程逻辑器件)器件及图像缓存。模/数转换控制器可包括三路并连的芯片AD9822。CPLD模块可采用EMP1270芯片，其外接有两颗SRAM(静态随机访问存储器)芯片。DSP信号处理电路可采用型号为 TMS320DM6437的DSP处理器，其外接有两颗DDR SDRAM (双倍数据率同步动态随机存储器) 存储芯片和一颗FLASH(闪存)存储芯片。基于DSP处理器内部集成的UART(通用异步收发传输器)控制器，使用外部RS-232驱动器，实现RS-232对外串行接口。CIS传感器可采用三通道的线阵CCD(电荷耦合元件)传感器。电源电路接受12V直流电源输入，然后分成四路，分别接至DC-DC (直流-直流)
4稳压器 TPS62111、TPS62110、第一 TPS62112 和第二 TPS62112 ；TPS62111 输出的 3. 3V 直流电压分为两路，一路为整个系统提供3. 3V的直流供电，另一路通过TPS73018提供1. 8V的直流电压，接至DDR SDRAM存储器；TPS62110提供1. 2V的直流电压，接至DSP处理器；第一 TPS62112提供5V的直流电压，接至模/数转换控制器；第二 TPS62112分成两路，一路提供 5V的直流电压，为外部CIS传感器的光源供电，另一路通过TPS73033提供3. 3V的直流电源，为外部CIS传感器的内部逻辑电路供电。本发明涉及多光谱验钞机中各环节的多项技术方法。在应用中，这些方法可以同时使用，也可部分使用。本发明解决以下几个问题 1.根据磁性材料在纸币上的位置进行纸币朝向的快速判别。2.根据纸币朝向自动切换CIS光源的光谱，以便同时进行冠字号识别和真伪鉴别。3.结合传统磁性检测防伪技术和图像分析技术设计一种新的纸币真伪鉴别方法。4. 一种增强纸币图像与背景图像反差的方法。5.在CIS接口电路中实现纸币边缘检测，从而减少处理器的负荷，提高系统整体的处理速度的方法。6.为验钞机增加人工纸币鉴别功能。如图2所示，多光谱纸币真伪鉴别系统通常包括以下几个环节图像采集、图像预处理、真伪鉴别、冠字号识别、结果输出等，本专利涉及其中多项技术。1. 一种纸币朝向的判别方法。在纸币鉴伪机具中，都设置有光电对管和磁头，通过光电对管可检测到纸币的前边沿和后边沿；磁头则可检测纸币上是否含有磁性物质，如人民币中冠字号和金属防伪线都具有磁性。本系统首先通过光电对管信号检测纸币的前后沿，然后用磁头检测磁性材料，并依据磁性材料在纸币上的位置(在纸币的左边还是在右边、靠近前后沿还是靠近后边沿) 判断纸币的朝向。如图3所示，对于第五套100元人民币，通过磁头检测磁性材料的位置如果冠字号和金属线在左边，且纸币在验钞机中走纸时冠字号靠近前边沿，纸币为正面的正方向 (图3A)；如果冠字号和金属线在右边，且纸币在验钞机中走纸时冠字号靠近后边沿，纸币为正面的反方向(图3B)；如果冠字号和金属线在右边，且纸币在验钞机中走纸时冠字号靠近前边沿，纸币为反面的正方向(图3C)；如果冠字号和金属线在左边，且纸币在验钞机中走纸时冠字号靠近后边沿，则纸币为反面的反方向(图3D)。2.硬件控制板根据纸币朝向自动把CIS管的光源切换到某一种光谱上，以便同时进行冠字号识别和真伪鉴别。硬件电路版实时判断每张纸币的朝向，并根据朝向切换CIS管光源的光谱。当纸币鉴伪机具中有两根CIS管时，有冠字号的一面全部或部分使用可见光，如绿光、蓝光、白光等，确保冠字号在纸币图像中清晰可见。而纸币的另一面根据需要切换光源，如切换到红外或紫外光以便硬件采集对应光谱图像进行真伪鉴别；当验钞机中只有一根CIS管时，在采集冠字号所在区域的图像时，CIS光源的光谱切换到可见光，如绿光、蓝光、白光等，确保
5冠字号在纸币图像中清晰可见。而其它区域则根据需要切换光源，如切换到红外或紫外光以便硬件采集对应光谱图像进行真伪鉴别。3.结合传统磁性检测防伪技术和图像分析技术的一种新型纸币真伪鉴别方法。纸币通常使用特殊的磁性材料设计防伪特征，如人民币中冠字号和防伪金属线上有磁性。传统纸币鉴伪机具中，通过检测纸币特定部位是否具有磁性来实现真伪鉴别。一些伪钞通过各种方法在伪钞上人为添加磁性材料，从而躲避这种真伪检测。本系统中，将该传统方法与图像分析技术结合起来，首先采用上述方法“ 1 ”，根据磁性材料在纸币上的位置识别纸币的朝向，再通过图像分析的方法对纸币的朝向进行识别，如果两种方法得到的方向判定不一致，可判定该纸币为假币。这是因为在假币中，人为添加的磁性材料主要针对磁头的真伪检测，因为其分布的位置与真币常常不同，可能在该有磁性的地方没有磁性，而不该有磁性的地方反而有磁性，或者到处都有磁性。在这种情况下，依据磁性材料的位置判断方向往往会和图像分析得到的朝向不符。根据这个原理可以检出部分假币。4.通过加强纸币图像与背景图像的反差，提高纸币边缘检测速度和准确性的新方法。在采集得到的CIS图像中，纸币图像叠加在比较均勻的背景图像上。如图4所示，为了加强二者的反差，把CIS管对面处理成深色，如黑色、深灰色等。这样采集到的CIS图像中背景颜色很深(即背景像素的灰度值很小)，加强了纸币图像与背景的反差，有利于提高纸币边缘检测速度和准确性。5.在CIS接口电路中实现纸币边缘检测，从而减少处理器的负荷，提高系统整体的处理速度。在具有多光谱图像分析的验钞机中，在硬件电路板上设计了专门的CIS接口电路，常采用CPLD或FPGA(现场可编程门阵列)芯片实现CIS的接口控制，并将采集的图像数据传输到硬件处理板的处理器中。系统在做图像分析时，必须先确定纸币的边缘。本发明在CIS的接口电路中，具体是在CPLD或FPGA中实现纸币的边缘检测，从而减少接口电路与DSP之间的数据传送，并大大减少DSP分析纸币边缘所需要的计算量，提高验钞机系统整体的处理速度。特别在采用了上述方法“3”加强纸币图像与背景图像的反差后，可以根据像素值是否超过一定的门限实现纸币边缘的检测，纸币边缘检测的计算量大大减小，更易于在CPLD/FPGA中实现这一功能。6.增加验钞机的视频输出，便于人眼分析纸币的多光谱图像，实现人工真伪鉴别。DSP通过CIS可获取完整的纸币多光谱图像，一般情况下图像分析由DSP自动完成，不需要人工干预。但在一些特殊情况下，如果能让专业人员人眼观察纸币的红外图像、 紫外图像，或其它光谱图像，可以更准确地甄别高仿的疑似假币。本系统设计了视频输出接口，可输出纸币的多光谱图像。显示纸币图像可以使用普通的电视机、电脑显示器等，也可以将图像显示在验钞机集成的显示器(如液晶显示器) 上。下面以同时使用为例说明各方法的实施方式。当纸币进入验钞机时，进钞检测光电对管检测到纸币的前边沿，磁头则监测纸币上是否有磁性物质，根据磁性物质在纸币上的位置，做出纸币朝向的判别。下面以第五套人民币100元纸币为例说明朝向的判断过程。对于第五套人民币100元纸币，首先通过检测磁性，判断冠字号或金属线在纸币的左边还是右边；同时记录从纸币前边沿至冠字号出现之间的相隔时间，依据这个时间间隔和验钞机的走钞速度，可判断冠字号靠近纸币的前边沿还是后边沿。依据冠字号/金属线在纸币的左/右，以及冠字号在纸币的前边沿/后边沿，即可判断纸币的朝向。如图3所示如果验钞机需要同时进行真伪鉴别和冠字号识别，在检测到纸币的朝向后，验钞机根据纸币朝向，自动切换CIS光源的光谱，使得纸币图像中冠字号区域是可见光(白光、 绿光、蓝光等)图像，纸币的冠字号清晰可辨。而其它区域根据纸币真伪鉴别的需要切换 CIS光源的光谱，如红外光谱、紫外光谱等。硬件处理板获取完整的纸币图像后，通过图像分析的方法对纸币朝向进行二次判定，并将判定结果与前面根据磁性材料分布位置判定的朝向进行对比，如果二者不相符，则判定该纸币为假币。在这里，认为图像分析判定的图像朝向是准确无误的，如果与根据磁性材料位置判定的朝向不符，说明纸币的磁性分布混乱，具有假币的特征。在对纸币进行图像分析前，必须用图像分割的方法准确地给出纸币的轮廓。在图像中，纸币为前景，而其它区域为背景。背景与前景反差越大，分割越简单、越准确。而简单的分割算法计算量也更小，有利于验钞机实现纸币的高速实时处理。本发明中，将CIS管对面处理为深色/黑色，能够强烈吸收CIS发出的光，因而背景区域很暗，即象素值很小；相对来说，图像中纸币所在区域反射CIS发出的光，因而比较亮，即象素值比较大。背景与前景反差很大，就可以简单地设定一个门限值，当图像象素值小于该门限时，判定为背景，当大于该门限时，判定为前景，即纸币。如上所述，对纸币进行图像分析前必须用图像分割的方法准确地给出纸币的轮廓，图像分割算法通常在硬件板上的处理器完成，依据算法不同，或多或少给处理器增加了计算负担，进而影响验钞机处理纸币的速度。在验钞机的硬件电路板上，设计了专门的CIS接口电路，其中核心的部分是CPLD/ FPGA芯片，该芯片实现CIS的接口逻辑，并将CIS象素信息整理成图像，传送给硬件板上的处理器。本发明在CIS接口电路的CPLD/FPGA芯片中实现图像分割处理。这样做有两方面的好处首先，可以减少CPLD/FPGA与主处理器之间的数据传输，即只传输有效地图像数据，无效的背景数据不传输或少传输；另外，主处理器收到CIS图像时就已知纸币的边缘， 不需要做图像分割，或只需要对前面的分割结果进行精确化处理，计算量大为减少，有利于提高验钞机的纸币处理速度。特别在采用了本发明中的CIS图像前景/背景反差增强方法后，可以根据像素值是否超过一定的门限实现纸币边缘的检测，纸币边缘检测的计算量大大减小，更易于在CPLD/FPGA中实现这一功能。在多光谱验钞机中，一般情况下图像分析由主处理器自动完成，不需要人工干预。 但在一些特殊情况下，如果能让专业人员人眼观察纸币的红外图像、紫外图像，或其它光谱图像，可以更准确地甄别高仿的疑似假币。本发明为验钞机设计图像输出接口，可输出纸币的多光谱图像。显示纸币图像可以使用普通的电视机、电脑显示器等，也可以将图像显示在验钞机集成的显示器(如液晶显示器)上。输出纸币图像的接口可以有各种形式。例如纸币图像如果输出到外部电视机上，在采用S-video (亮色分离端子)或CVBS (复合视频广播信号)视频接口 ；如果采用电脑显示器，可以采用标准的VGA(视频图形阵列)接口 ；如果图像显示验钞机集成的液晶显示器上，则可采用液晶面板本身支持的各种标准或非标准接口。 图像显示时可以有各种方式，根据产品需要灵活设定。例如，可以实时显示每一张纸币的图像，当没有下一张纸币时，屏幕上静止地显示最后一张纸币的图像，如果检测到假币时紧急刹车时，屏幕上显示的是该假币的图像。另一种方式中，可只显示检测到的假币图像，其它纸币图像不显示，这种方式可以减轻主处理器的负荷。
权利要求
1.多光谱纸币验钞机的设计方法，其特征在于，对纸币的处理依次包括以下步骤51)图像采集纸币进入验钞机后，首先通过光电对管信号和磁头信号判断出纸币的朝向，并用CIS传感器获取纸币图像；52)图像预处理对采集得到的CIS原始图像进行亮度补偿、纸币边缘检测和几何校正的预处理，得到标准化的纸币图像；53)真伪鉴别与冠字号识别提取纸币图像特征，依据这些特征对纸币进行真伪鉴别， 然后基于图像分析的方法实现纸币的冠字号识别；54)结果输出真伪鉴别结果或冠字号识别结果通过RS-232、以太网或通用I/O信号发送给其它设备或部件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤Sl中，通过验钞机的光电对管信号检测纸币的前后沿，通过磁头检测纸币上磁性材料分布的位置，根据这些信息判断纸币朝向。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤Sl中，在判断纸币朝向后，根据图像分析的需要，通过CIS接口电路自动切换CIS传感器光源的光谱。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤Sl中，使用CIS传感器采集图像时， 将CIS传感器对面材料的颜色处理成深色，以增强采集到的图像中纸币与背景间的反差。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤S2中，通过CIS接口电路中的可编程逻辑器件实现纸币的边缘检测，减轻系统中央处理器的计算量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，真伪鉴别的方法为根据磁性材料在纸币上的分布位置判定纸币朝向，再通过图像分析的方法对纸币的朝向进行识别， 如果两种方法得到的方向判定不一致，即可判定该纸币为假币。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤S3中，通过视频输出接口将纸币的多光谱图像输出到验钞机集成的显示屏或其它外部显示设备上，通过人眼观察进行真伪鉴别。
全文摘要
本发明提供了一种多光谱纸币验钞机的设计方法，本方法依次包括以下步骤S1)纸币进入验钞机后，首先通过光电对管信号和磁头信号判断出纸币的朝向，并用CIS传感器获取纸币图像；S2)对采集得到的CIS原始图像进行亮度补偿、纸币边缘检测和几何校正的预处理，得到标准化的纸币图像；S3)提取纸币图像特征，依据这些特征对纸币进行真伪鉴别，然后基于图像分析的方法实现纸币的冠字号识别；S4)真伪鉴别结果或冠字号识别结果通过RS-232、以太网或通用I/O信号发送给其它设备或部件。本方法可实现较高可靠性的真伪鉴别，还可以同时实现纸币冠字号的识别，进而支持银行系统实现纸币流通的科学管理。
文档编号G07D7/20GK102169608SQ20111013981
公开日2011年8月31日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年5月27日
发明者尤新革, 张朋, 彭勤牧, 徐端全, 蒋天瑜, 郑飞 申请人:徐端全