基于成像高光谱技术的纸币真伪辨别研究

基于成像高光谱技术的纸币真伪辨别研究

0 引言

纸币是国家发行的用于交换的货币符号。它的出现极大的繁荣和发展了国民经济，便捷了人民工作和日常生活。随着近年来我国经济持续、快速的增长，进出口贸易的急剧增大，人民币取得了巨大的发展，国际化进程日益加快。但同时也对纸币在流通过程中的检测和鉴别提出了更高的要求。

目前常用的真、假纸币鉴定方法大体可以分为两类:主观鉴别类和专家鉴别类。其中，主观鉴别类是通过视觉、感官等主观方式对纸币真假进行鉴别，如针对纸币上的“水印”、正背面重合印刷、图纹接线、多色套印、颜色等信息，通过直接目视观察对其进行判断。又如纸币的厚度、挺度、粗糙度以及凹印油墨沉积处明显的手感等信息可以通过触摸来获取。此类方法简单易行、方便快捷，是最为常用的方法。但因其主要由消费者依靠主观感受或经验判断，缺乏科学性和准确性。专家鉴别类方法，需要借助一定的仪器来鉴别，如放大镜、紫外线灯、磁性检验设备，以及化学分析方法等。这类方法相比于主观鉴别法虽然准确性有所提升，但还未能达到高效、准确对纸币真伪进行鉴别的目的，因此，需要研究新的更科学、更准确的鉴别方法。

图像分析技术是近年来新兴的纸币防伪鉴定技术，该技术通过图像传感器采集纸币的光谱图像(包括红外、可见光、紫外等)，并利用数字图像处理技术进行分析和处理。纸币在图像方面具有更为丰富的信息，假币无法在各光谱图像下都保持与真币的一致性。而且图像图形技术，可以对单张图像或多光谱融合的图像进行缩放、旋转、对比度调整等处理，可以多方位多层次检测纸币数据；还可以对纸币防伪特征区域及其它感兴趣的区域进行测量和定量分析，给出检测信息和识别结果。因此，图像分析技术可以克服传统检测技术的问题，大大提高纸币防伪鉴定的准确性。本研究利用四川双利合谱科技有限公司自主研发的高光谱成像系统获取第五套百元大钞新旧两个版本与不同版本的假币的高光谱图像，分析不同版本真钞、假钞在400-1000nm范围内其光谱反射率的差异，从而提取真钞不同于假钞的特征波段，为制作验钞设备提供理论基础。

1、 材料与分析

1.1 试验材料

试验中的2015版百元新版、2005版百元旧钞均为真钞，从中国银行ATM机提取，另外两张百元假钞则由公安系统提供。

1.2 纸币高光谱图像采集

纸币高光谱图像数据采集采用四川双利合谱科技有限公司的 GaiaSorter高光谱分选仪系统。该系统主要由高光谱成像仪、CCD相机、卤素灯光源、暗箱、计算机组成，如图1。实验仪器参数设置如表1。

 图1 GaiaSorter 高光谱分选仪

表1   GaiaSorter 高光谱分选仪系统参数

在进行高光谱图像采集时，需要设置相机曝光时间，平台移动速度以及物镜之间的距离。这 3 个参数相互影响，图像调节的目的是使采集的图像大小合适，清晰，不变形失真。经过反复尝试，物镜高度设置为 26 cm，曝光时间设置为10ms，平台移动速度设置为 0.45 cm/s。图像采集软件采用四川双利合谱科技有限公司提供的高光谱成像系统采集软件SpecView完成。图像处理采用 ENVI5.3 软件进行处理。在进行图像处理之前，先要对采集的光谱图像进行图像校正，图像校正公式如下：

(1)

式中，R_ref是校正过的图像，DN_raw是原始图像，DN_white为白板校正图像，DN_dark 是黑板校正图像。

1.3 高光谱图像预处理

试验得到的光谱含有由仪器和试验条件等引起的噪声，对这些噪声的处理有助于减少噪声对光谱分析的影响，突出光谱的有效信息。Savitzky-Golay (SG)平滑算法可以有效消减光谱数据中的随机噪声，消噪效果受平滑点数的影响，本文中选择SG二次多项式5点平滑对光谱数据进行处理。

2、结果与分析

2.1 2005版真钞、2015版真钞与假钞正面光谱差异分析

百元纸币有正反两面，两面的信息均可作为判断纸币真伪的必要条件，图2为百元纸币正面毛主席衣领部分特征点的2005版真钞、2015版真钞以及假钞的光谱曲线图。从图中可知，无论是2005版的真钞还是2015版的真钞，其在530 nm处有一吸收谷，530nm后反射率均呈指数上升趋势，在580 nm附近出现拐点，之后反射率继续上升，在640 nm附近上升趋势逐渐减弱，其光谱反射率取向平稳。而两张百元假钞，其吸收谷在450-500 nm范围内，在500 nm后两张假币的光谱反射率均呈指数上升趋势，到580 nm附近，光谱反射率上升趋势减弱，但仍保持缓慢上升趋势。

运用动态滚动模式观察纸币正面高光谱图像各波段的灰度图可知，在近红外区域能较好地区分纸币的真伪。图3列举了正面真假钞百元大钞在近红外870 nm处灰度图，从图中可知，无论是2005版还是2015版的百元真钞，纸币左侧的毛主席头像水印、100数字等均清晰可见，而两张假钞的左侧无毛主席头像水印，且100数字显示模糊甚至没有，因此正面的这两个标志可以作为识别纸币真伪的必要条件。

图2 真假钞百元大钞正面光谱曲线图

图3 正面真假钞百元大钞在近红外870 nm处灰度图

2.2  2005版真钞、2015版真钞与假钞反面光谱差异分析

图2分析了百元大钞正面真伪钞的光谱差异，从光谱曲线来看，真钞与假钞在400-1000 nm范围内存在显著性差异。图4从百元大钞反面来分析真伪币的光谱曲线差异。以纸币左侧人民大会堂特征点为例(如图3左侧的红色五角星)，分析2005版真钞、2015版真钞、假钞的光谱曲线差异。从图3右图可知，假钞-1在400-590 nm范围内，其光谱反射率大小及变化趋势与真钞十分相似，且在550 nm处均有一个吸收谷，从550-590 nm范围内均呈指数上升趋势。在可见光范围内，假钞-1与真钞的反射率及其相近，因此用人眼几乎很难判断其真伪。假钞-2的造伪水平没有假钞-1高，除560-570 nm范围内，在其他可见光和近红外区域，能较好地辨其真伪。 在700 nm后，真钞与假钞的光谱反射率差异逐渐增大，因此，可利用近红外区域的波段辨别纸币的真伪。

图4真假钞百元大钞反面光谱曲线图

运用动态滚动模式观察反面高光谱图像各波段的灰度图可知，在近红外区域能较好地区分纸币的真伪。图5列举了正面真假钞百元大钞在近红外870 nm处灰度图，从图5可知，百元真钞反面除了拥有正面在近红外处毛主席头像水印、100数字清晰可见外，反面人民大会堂的左侧清晰可见，而人民大会的右侧的图像则在近红外区域全被吸收，没有显示出任何信息；假钞则在近红外区域要么模糊地显示出整个人民大会堂（如假钞-1），要么全部被吸收没有显示出来（如假钞-2），均没有任何信息显示出啦，因此反面的毛主席头像水印、100水印和人民大会堂均可作为识别纸币真伪的必要条件。

图5 反面真假钞百元大钞在近红外870 nm处灰度图

3、结论

本研究利用高光谱成像技术，从百元纸币的正反两面来比较真、伪纸币特征点的光谱信息差异，对纸币进行真伪鉴别，得到如下结论。

1）百元纸币正面无论是从可见光还是近红外区域均能较好地区分真伪纸币，这是因为无论真钞在530 nm处有一吸收谷，530nm后反射率均呈指数上升趋势，在580 nm附近出现拐点，之后反射率继续上升，在640 nm附近上升趋势逐渐减弱，其光谱反射率取向平稳，而伪钞没有以上真钞所具有的特征。在近红外区域，百元大钞的毛主席头像水印、100水印亦可作为辨别纸币真伪的必要条件。

2）百元大钞反面由于造假技术的提高，在可见光区域有时候很难辨别纸币的真假，因此需要借助红外技术，在近红外区域，百元真钞有毛主席头像水印、100水印、左侧人民大会堂清晰可见，而伪钞没有以上特征，因此可作为辨别纸币真伪的必要条件。

3）综上所述，利用光谱红外技术，从纸币的正反两面出发，更能有效地提高纸币辨别能力。