Беликова Н.Е.-фото
магистр ДонНТУ 2006
 факультет Компьютерные Информационные Технологии и Автоматика
 специальность Автоматизированные Системы Управления
 магистр   Нина Е. Беликова
 тема выпускной работы   Анализ и разработка методов компьютерной
  обработки информации в сортировщиках
  и валидаторах денежных билетов
 руководитель    проф. Жукова Т.П.

 

Анализ и разработка методов компьютерной обработки информации в сортировщиках и валидаторах денежных билетов

Автореферат

Введение

      Проверка подлинности банкнот и монет является одной из наиболее трудоемких банковских операций. Она выполняется как экспертами, так и обычными кассирами и предполагает не только достаточно высокий уровень подготовки специалиста, но и хорошую оснащенность его рабочего места.
      Несмотря на постоянно принимаемые всеми странами мира меры по защите денежных знаков и ценных бумаг, количество выявленных фальшивок, а в ряде случаев и их уровень остаются достаточно высокими. Тенденция роста числа поддельных банкнот подтверждается официальными данными вестника Currency News Международной Валютной Ассоциации [1]. Число выявленных подделок евро выросло от 167118 в 2002-м году до 594223 – в 2004-м. Приведенные факты подтверждают необходимость дальнейшего совершенствования как методов, так и оборудования, применяемого для определения подлинности денежных знаков и ценных бумаг.
      На данный момент одним из приоритетов для ведущих разработчиков стало создание комбинированных приборов, позволяющих проверить практически все распространенные сейчас виды защиты, включая инфракрасную и магнитную. Это приближает их по уровню проверки к экспертно-криминалистическим комплексам.
Основными направлениями таких разработок стали объединение разных датчиков в одном приборе, развитие модульной архитектуры построения прибора и подключение его к компьютеру.
      Следствием таких тенденций является необходимость создания специального программного обеспечения, реализующего методы обработки информации, полученной от датчиков прибора и разработки оптимальных алгоритмов, учитывающих возможность появления новых серий банкнот.

1. Характеристика области исследований

1.1 Виды защиты денежных знаков

      Методы, применяемые для определения подлинности любой защищенной продукции (денежных знаков; государственных и ценных бумаг; документов, удостоверяющих личность и пластиковых карт) неразрывно связаны с защитными технологиями, которые используются в ее производстве. В отношении денежных знаков на данный момент применяются следующие виды защиты [2],[3]
Технологический вид – объединяет методы, в основе которых лежит расчет конкретных свойств создаваемого объекта. К таким методам могут относиться:

  • расчетный состав бумаги
  • заданный состав и характеристики красящих веществ
  • поверхностная обработка бумажного полотна;
  • водяной знак
  • заданный состав в бумажной массе цветных и люминесцирующих волокон либо других включений, например конфетти
  • заданная комбинация защитных включений;
  • Защитная нить (лента) – введение синтетических или металлизированных нитей в бумажное полотно.
  • полиграфическая рельефная печать;
  • Kipp-эффект, характеризующий характер глубокой печати, распознаваемый при специальном освещении.
Графический вид – предопределяет совокупность методов, основанных на использовании в качестве защиты форм, размерных характеристик, приемов расположения и сочетания элементов графического изображения. К данным методам защиты могут относиться:
  • псевдоводяной знак;
  • гильоширные рамки;
  • микротекст
  • защитные сетки (например антисканерная сетка)
  • нерегулярный растр;
  • различные по форме и сочетанию шрифты;
  • специально вынесенные на микроуровне дефекты графических элементов;
  • несимметричное расположение графического изображения.
  • Совмещенные рисунки – печать лицевой и обратной стороны банкноты с обеспечением точного их совмещения или дополнения.
Физический вид – включает методы защиты, основанные на физических свойствах объектов и веществ. Методы данного вида разнообразны и могут определяться следующим:
  • меточными элементами с голограммами и метограммами;
  • комбинацией веществ люминесцирующих с различной цветовой гаммой;
  • свечением веществ в ИК-, УФ-лучах;
  • Использованием специальных красителей, таких как "овиай" – обеспечивают изменение цвета в зависимости от угла зрения;
  • Использование нити с защитным магнитным кодом – имплантирование в структуру бумаги металлизированной нити, содержащей включения магнитного материала, комбинация которых однозначно определяет номинал и вид валюты.

1.2 Степени защиты

Комбинирование различных видов защиты банкнот является очевидным способом повышения надежности защиты и обуславливает следующую классификацию степеней защиты любого вида валюты[1]:

  • Простейшая, видимая невооруженным глазом: водяные знаки, рельефная печать.
  • Более сложная, аппаратурно выявляемая: магнитная, УФ, ИК.
  • Специальная — известная только специалистам-разработчикам и изготовителям, являющаяся государственной тайной.

1.3 Технические средства аутентификации

Множественность степеней защиты валютных единиц и различные требования по «глубине» аутентификации обуславливают существование широкого спектра устройств пересчета и проверки подлинности банкнот. Устройства для проверки подлинности можно разделить на три группы [1]:
  • неавтоматизированные (ручные, просмотровые простые и комбинированные)
  • автоматизированные (полуавтоматические детекторы банкнот, датчики в счетчиках и сортировщиках денежных знаков, в банковских и торговых автоматах)
  • экспертные комплексы (сортировщики валют, учитывающие специальную степень защиты)

1.4 Ведущие разработчики и производители

На сегодняшний день оборудование для пересчета, сортировки и проверки подлинности банкнот представлено разработками таких фирм как: DeLaRuе (Англия)[4], SPEED (Япония)[5], PRO (Япония)[6], SCAN COIN (Швейцария)[7]. В области разработки приборов первой и третьей групп представлены также разработки фирм СНГ. Наибольших успехов в создании детекторов подлинности удалось добиться таким производителям, как «Вилдис» (Москва), «Регула» (Минск), «Система» (Москва),«Спектр»(Николаев)[8].

2. Анализ существующих методов

Перечисленные производители предлагают широкую номенклатуру счетно-денежной техники с возможностью проверки подлинности денежных билетов . Анализ предложений позволяет определить базовые методы проверки:
  • контроль геометрических размеров денежных билетов. При прохождении денежных билетов через механизм транспортировки оптическими датчиками определяются начало и конец каждого билета. Длина (ширина) банкноты пересчитывается по данным энкодера связанного с транспортирующим валом механизма.
  • контроль наличия и расположения ИК меток В зоне котроля располагаются отдельные ИК оптопары с открытым отражательным оптическим каналом (фотодатчики) либо линейка фотодатчиков. По величине отраженного от поверхности купюры сигнала принимается решение о наличии ИК меток. Привязка положения ИК меток осуществляется по сигналам энкодера транспортного механизма.
  • контроль качества бумаги с использованием УФ источника света и фотоприемника(ов) в видимой части спектра. Контролируемый денежный билет освещается УФ источником света (длина волны 365нм и/или 246нм). Специальная бумага, которая используется для производства банкнот при этом не дает свечения в видимой части спектра, которое может быть зафиксировано фотоприемниками. Свечение дают только специальные элементы нанесенные в определенных местах билетов.
  • проверки качества примененной бумаги и свойств метамерных красок трех-цветовым оптическим датчиком
  • контроль наличия и положения магнитных меток и контроль наличия металлизированной защитной магнитной полосы. В зоне анализа счетно-денежной машины устанавливается одна или несколько магнитных головок (индукционных или магниторезистивных). Головки устанавливаются таким образом, что при транспортировке денежного билета по тракту участки содержащие магнитные метки проходят через их зоны чувствительности. Анализируя полученный сигнал определяются зоны намагниченности купюр. Сравнение полученных данных с эталонными позволяет судить о подлинности банкнот.

3. Направление исследований в работе

3.1 Актуальность вопроса

      Проведенный анализ показывает отсутствие на рынке предложений СДМ с автоматическим контролем кода защитной магнитной полосы. И хотя этот метод защиты считается очень надежным (за 20 лет его применения в английских фунтах не выявлено ни одного случая подделки данной защиты) он применяется только в крайне дорогих устройствах группы экспертных комплексов.
      Данный вид защиты применяется в денежных билетах нового образца (после 2004г) гривны, а также во всех номиналах евро. Поэтому задача разработки и внедрения группы автоматизированных устройств с контролем кода защитной магнитной полосы для использования на уровне кассира является актуальной.

3.2 Практическая ценность работы

      Разработка методов обработки информации для решения этой задачи позволит:
- усовершенствовать аппарат проверки подлинности купюр на уровне рабочего места кассира;
- повысить достоверность результатов проверки подлинности купюр, в силу того, что изготовление подделок с точной имитацией защитного магнитного кода требует высокого уровня технической оснащенности фальшивомонетчиков и является маловероятным

3.3 Этапы исследования

3.3.1. Определение эталонов
      В открытых источниках отсутствует информация о кодах защитных магнитных полос различных видов валют. Поэтому одним из этапов решения задачи данной работы является определение эталонных кодов. Для исследования предлагается взять образцы валюты евро с номиналами 5, 10, 20, 50, 100, 200 и 500, а также образцы гривны выпуска после 2004 г.
      Данный этап исследований проводится с использованием средств визуализации магнитных полей [9],[10] Результаты определения магнитных кодовых комбинаций валюты евро приведены на рисунке 3.1.

рисунок-эталонные коды купюр евро(5,10,20,50,100,200,500)

                                  Рис.3.1 - Эталонные коды купюр евро

      Участки магнитного материала защитной полосы на рисунке обозначены утолщенной линией. Размеры элементов кода приведены в мм.

3.3.2. Аппаратное считывание данных магнитной полосы.Ввод оцифрованной информации в компьютер
       Считывание кода осуществляется путем последовательной регистрации остаточного намагничивания участков защитной магнитной полосы с имплантированным в них ферромагнитными мтериалами. Для регистрации намагниченных участков используется магниторезистивная головка [11],[12],[13] в комбинации с усилителем и АЦП. Пример сигнала при считывании кода магнитной полосы купюры 20 гривен приведен на рисунке 3.2.

оцифрованный код магнитной полосы купюры 20 грн.

  Рис. 3.2 - Оцифрованная последовательность магнитного кода защитной полосы купюры 20 грн.

3.3.3 Обработка данных
      Завершающим этапом (и основным в ходе исследований магистерской работы) является обработка данных, которые представляют собой дискретные нестационарные сигналы. Анализ данных должен включать в себя следующее:

рисунок-анимация. Работа валидатора купюр.
              Рис. 3.3 - Работа валидатора купюр (анимация повторяется 10 раз)

3.3.3.1 Определение частотных составляющих сигнала
      Частотный анализ дискретных представлений магнитных кодов необходим для определения частотных областей, в которых находятся помехи и полезный сигнал. Эта информация может оказаться полезной при выполнении следующего шага анализа, а именно очистки сигнала от помех – фильтрации. Для определения частотных составляющих исследуемых сигналов предлагается использовать
  • Дискретное преобразование Фурье (ДПФ)[14 c. 34]
    Для дискретного сигнала, который представляет собой выборку объема N имеет вид:

    , где s - дискретный сигнал-выборка из N отсчетов, С - коэффициенты разложения Фурье.
  • Быстрое преобразование Фурье (БПФ). Данный метод является ускоренным алгоритмом выполнения ДПФ. Его использование помогает ускорить процесс вычисления коэффициентов Фурье.
3.3.3.2 Фильтрация сигнала
      Задачей  фильтрации данных при анализе магнитного кода является очистка полезного сигнала от помехи. Для выполнения этой задачи необходимо построение оптимального фильтра. Характеристики фильтра будут зависеть от результатов частотного анализа полученных выборок. Существуют следующие методы решения данной задачи 
  • Рассчет цифрового фильтра. В общем виде выходная последовательсноть цифрового фильтра представляет собой свертку исходного сигнала с импульсной характеристикой фильтра (реакцией фильтра на входную последовательность в качестве единичного импульса). Задача рассчета фильтра состоит в выборе его типа (линейный-нелинейный, рекурсивный-нерекурсивный) и подборе его импульсной характеристики.
  • Вейвлет-фильтрация.Вейвлеты представляются весьма удобным и перспективным механизмом очистки и предварительной обработки данных[15],[16] Идея применения вейвлетов для многомасштабного анализа заключается в том, что разложение сигнала производится по базису, образованному сдвигами и разномасштабными копиями функции-прототипа. Такие базисные функции называются вейвлетами, если они определены на пространстве L2, колеблются вокруг оси абсцисс и быстро сходятся к нулю по мере увеличения абсолютного значения аргумента.
    Таким образом, свертка сигнала с одним из вейвлетов позволяет выделить характерные особенности сигнала в области локализации этого вейвлета.
    Вейвлет-преобразование, также как и преобразование Фурье, является разложением сигнала в базисе функций [15].
    Прямое непрерывное вейвлет-преобразование осуществляется по формуле:
    ,где a и b — параметры, определяющие соответственно масштаб и смещение функции ψ, называемой анализирующим вейвлетом, Cψ – нормировочный множитель. Интегрирование ведут по всей числовой оси.
    Алгоритм вейвлет-фильтрации включает в себя следующие шаги:

    1. Разложение сигнала по базису вейвлетов.
    2. Выбор порогового значения шума для каждого уровня разложения.
    3. Пороговая фильтрация коэффициентов детализации.
    4. Реконструкция сигнала.
3.3.3.3 Выявление характерных особенностей сигнала
В рассматриваемых сигналах магнитных кодов характерными особенностями, указывающими начало и конец намагниченных участков защитной полосы, являются положительные и отрицательные пики. Точная локализация этих особенностей имеет большое значение для последующего анализа данных. Для решения данной задачи возможно использование следующих методов:
  • Выявление особенностей при помощи вейвлет-анализа сигнала.Главной особенностью и достоинством вейвлет анализа сигналов является то, что при помощи вейвлет преобразования сигнал может быть представлен в 2-х измерениях: времени и частоте балгодаря масштабированию «материнского» вейвлета и его смещению по времени.
    Частотно-временное представление исследуемого сигнала при помощи вейвлет преобразования позволяет выявить его локальные особенности [18],[19],[20] К ним относят пики, точки разрыва, пороговые точки. Выбор анализирующего вейвлета, как правило, определяется тем, какую информацию необходимо извлечь из сигнала. Каждый вейвлет имеет характерные особенности во временном и в частотном пространстве, поэтому иногда с помощью разных вейвлетов можно полнее выявить и подчеркнуть те или иные свойства анализируемого сигнала.
    Классическим примером использования локализации пиков сигнала при помощи вейвлет преобразования является определение R-пиков при анализе ЭКГ [21]. Основным признаком локального пика при использовании вейвлет преобразования является амплитуда коэффициентов. Коэффициенты вейвлет преобразования гладкой функции малы и резко возрастают при появлении особенности, отмечая ее локализацию линиями локальных экстремумов [18],[19],. Характер особенности в точке определяется из асимптотического поведения коэффициентов вейвлет преобразования при стремлении масштаба к нулю (сжатии вейвлета). Изолированная особенность локальным образом влияет на коэффициенты вейвлет-преобразования.
  • Разработка собственного алгоритма локализации особенностей сигнала. Четкое определение признаков сигнала, которые сопутствуют появлению интересующих нас пиков, дает возможность создания более простого собственного алгоритма локализации особенностей сигнала.
3.3.3.4 Классификация
Признаком того, что исследуемая купюра не является подделкой будет совпадение исследуемого кода с эталонным. При отсутствии совпадения следует сделать вывод о том, что купюра является подделкой либо браком. Таким образом, на конечном этапе анализа сигнала магнитного кода решается задача его классификации.
  • Корреляционный анализ.
    Особой характеристикой совокупности двух сигналов является взаимокорреляционная функция (ВКФ), которая единым образом описывает как различие в форме сигналов, так и их взаимное расположение на оси времени. Для дискретных сигналов fi и gi(i=0,1...N). ВКФ рассчитывается как
    Для оценки схожести 2-х дискретных последовательностей следует рассчитать коэффициент корреляции:

    Величина коэффициента принадлежит диапазону [-1;1]. Близость коэффициента к значению 1 свидетельствует о схожести сигналов по форме. Использование корреляционного анализа возможно при оценке близости исследуемого магнитного кода к эталонному.

4. Предполагаемая научная новизна

      Проведенный анализ показал, что в настоящее время отсутствуют средства контроля подлинности банкнот уровня кассира, основанные на считывании и обработке кодов защитных магнитных полос.
      Целью исследований магистерской работы является создание эффективного аппарата обработки сигналов – результатов считывания магнитных кодов.
      В качестве результата проводимых научных исследований предполагается создание эффективного алгоритма обработки информации при проверке подлинности банкнот посредством анализа цифровых последовательностей кода защитной магнитной полосы и ,таким образом, создание новой области приложения таких методов анализа сигналов как преобразование Фурье,вейвлет-анализ и рассчет цифровых фильтров.

5. Заключение

      В результате анализа ряда информационных источников были определены используемые на данный момент виды защиты денежных билетов, проведена их классификация и оценка степени защиты, обеспечиваемой каждым из этих видов.Проведена оценка состояния разработок ведущих фирм по данному направлению. На основе этих данных для дальнейших исследований выбран метод защиты с помощью магнитной кодовой полосы.
Проведенный анализ показал, что в настоящее время отсутствуют средства контроля подлинности банкнот, основанные на считывании и обработке кодов защитных магнитных полос. Поэтому задача их создания является новой и актуальной.
Для достижения поставленной цели в дальнейшем планируется:
  • Продолжить анализ рассмотренных методов обработки информации. Этот этап включает анализ методов в приложении к обработке полученных при аппаратном считывании сигналов, выбор параметров обработки (вейвлет функций, характеристик фильтров) и разработку алгоритмов для компьютерной обработки сигналов.
  • Получить результаты компьютерной обработки сигналов.
  • Провести сравнительный анализ реализованных методов и выбрать наиболее эффективные
  • Разработать программное обеспечение для обработки кодовых последовательностей, в состав которого включить реализацию выбранных методов, а также средства для просмотра исходных кодовых последовательностей и результатов их обработки в числовом и графическом виде.
  • Результаты работы использовать при создании и модернизации компьютерно управляемых счетно-денежных машин и валидаторов банкнот.

Список источников
  1. http://bankir.ru/analytics/antilegal/ ,
    Методы и оборудование для определения подлинности денежных знаков и ценных бумаг
  2. http://www.bre.ru/security/payment/ ,
    Аппаратурные средства проверки подлинности документов на основе оптического метода неразрушающего контроля
  3. http://money.dmd.ru/
    автор:Шапошников Ю.И. , книга: Деньги.Информация.
  4. http://www.bankob.ru/catalog/counters/det/delarue/
    Счетчики банкнот фирмы De La Rue (Англия)
  5. http://www.bankob.ru/catalog/counters/det/pro/
    Счетчики банкнот фирмы PRO (Япония)
  6. http://www.bankob.ru/catalog/counters/det/scancoin/
    Счетчики банкнот фирмы Scan Coin (Швейцария)
  7. http://www.bankob.ru/catalog/counters/det/speed/
    Счетчики банкнот фирмы SPEED (Япония)
  8. http://www.spectr.nikolaev.ua/
    Сайт компании-производителя средств пересчета и детекции валют НПО "Спектр", г. Николаев, Украина 
  9. http://epos.kiev.ua/pubs/
    С.Коженевский, С.Левый, В. Вишневский, С. Прокопенко
    статья:Методы визуализации магнитных полей носителей информации
  10. http://www.lad.org.ua/index.html
    Лаборатория методов и средств риминалистических исследований радиотехнического факультета НТУУ КПИ.Сканер магнитной защиты документов "СЕЗАМ"
  11. автор: Ефимов Е.Г.,книга: Магнитные головки, М., Энергия, 1967,350 c.370
  12. журнал «CHIP News», №4 (24), май 2003
    статья «Использование магнитных датчиков фирмы NVE в детекторах фальшивых купюр».
  13. автор: Carl H. Smith
    статья: The color of money: using magnetic media detection to identify currency.
  14. автор:А.Б. Сергиенко
    книга: Цифровая обработка сигналов, Питер, 2002г., 606 с.
  15. автор: C.Valens
    статья: A really friendly guide to wavelets, 1999
  16. автор: Киселев А.
    статья: Приложения вейвлет-анализа, BaseGroup Labs
  17. http:// www.basegroup.ru/labs/
    статья: Основы теории вейвлет-преобразования
  18. Дремин И.М., Иванов О.В., Нечитайло В.А.,журнал «Успехи физических наук», том 171, №5, май 2001, статья «Вейвлеты и их использование»
  19. Астафьева Н.М., журнал «Успехи физических наук», том 166, №11, ноябрь 1996, статья «Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения»
  20. автор: Naoki Saito
    диссертация: Local feature extraction and it's applications using a library of bases.     ;186c.
    Yale University
  21. автор: Шитов А.Б.
    диссертация: Разработка численных методов и программ, связанных с применением вейвлет-анализа»
    Ивановский Государственный университет, специальность «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»
Примечание:
данный автореферат не является окончательной версией автореферата магистерской работы, т.к. завершение исследований по теме магистерского проекта планируется до 31.12.2006. За окночательной версией диссертации пожалуйста обращайтесь к автору.

 
навигация по сайту
 ДонНТУ
 факультет КИТА
 кафедра АСУ
 магистры
навигация по странице
 биография
 автореферат
 ссылки
 отчет о поиске
 библиотека
 задание
:: рус :: eng наверх e-mail: nina_belik@yahoo.com