多功能全自動文件檢驗儀的設計

邱 虹

(廈門大學 材料科學與工程系，福建 廈門 361005)

0 引 言

隨著經濟的發展，人們的法制觀念不斷增強，在經濟商務、財產保護等活動中使用合同、票據越來越多，人們為合同、票據中的文字內容、數字、書寫時間和標稱時間等是否被添加、篡改、偽造要求鑒定的這類案件也越來越多[2]。文件檢驗儀已成為各級司法部門不可缺少的鑒定儀器。

國外在文件檢驗方面開展的研究較早，上世紀60年代，就有瑞士PROJECTINA公司、英國Foster+Freeman公司等企業開展文件檢驗儀的研制[3]。經過數十年的不斷改進創新，國外產品具有性能穩定、分辨率高、功能強大、全自動操控等優點，但價格昂貴，通常單價在100萬人民幣左右。國內在這方面的研究開展得相對較晚，上世紀90年代，以公安部第一研究所、公安部第二研究所、北京安飛達技術開發有限責任公司為首的幾家企事業單位開展了文檢儀的研制。國內產品價格較低廉，一般在5～10萬左右，但在性能、分辨率、自動化程度等方面都不如進口產品。

本文致力于開發出一種低成本、自動化程度高、功能強大的文件檢驗系統。

1 文件檢驗儀的設計

文件檢驗儀的結構如圖1所示，分為單色光照明系統、樣品臺、接收系統、圖像顯示及處理系統。

圖1 文件檢驗儀總體結構圖

(1) 光源系統采用單光源的結構，拋棄傳統的濾光片系統，取而代之的是光柵單色器的分光結構[4]。單光源選用超高壓球形短弧氙燈，從0.2～2 mm都有較強的連續的能量分布。分光系統、輸出光路采用光柵單色器的結構，并對其進行了改進，采用純軟件的方法代替波長掃描機構，簡化并增強了單色器的結構。該光源系統具有覆蓋范圍廣、高強度、單色性好、自動掃描、連續輸出的特點。

(2) 由于光源系統采用了光柵單色器的分光方式，所以存在一個不足，就是輸出的單色光照明寬度太窄，無法照射整個檢材，造成無法對整個檢材進行成像。為此，我們在單色器的出射狹縫外設計了一個8面柱體，每一個柱面都是一面反射鏡，通過柱體的連續轉動，把單色器出射的單色光掃遍整個檢材。然后通過CCD攝像系統對檢材進行積分成像。

(3) 設計一套專用圖像處理系統，實時接收CCD攝像系統傳來的圖像信號，自動將該圖像與原圖像進行比對分析，自動判斷異常。

2 單色光照明系統的設計

單光源采用超高壓球形短弧氙燈，分光系統、輸出光路采用光柵單色儀器的結構，步進電機直接驅動光柵，用純軟件的方法代替波長掃描機構。在單色器的出射狹縫外設計了一個八面柱體，每一個柱面都是一面反射鏡，通過柱體的連續轉動，實現照射寬度小的光線照射大范圍的要求。光源、光柵單色儀均選用市面上成熟的產品。

2.1 數字化波長掃描機構

采用由單片機構成的控制電路，控制驅動電路，驅動步進電機，帶動光柵轉動，實現單色器出射波長直接數值顯示，用純軟件的形式取代傳統光柵單色器較為復雜的正弦傳動機構，有效降低硬件成本。總體結構流程由圖2所示。

圖2 數字化自動掃描機構流程圖

(1) 步進電機控制、驅動系統的硬件設計。本實驗選用型號42BYGHM202的步進電機(四相八拍式、步距角0.9°)[5]、Atmega16單片機、ULN2003驅動電路[6]及MAX232電平轉換芯片構成步進電機控制系統的硬件部分，如圖3所示。

圖3 步進電機控制系統的硬件圖

(2) 輸出波長與電機轉角及步進數關系。根據文件檢驗儀檢驗所需單色光的顏色選9種具有代表性的不同波長的光，進行光柵轉角的精確計算，得到步進電機步進數與波長輸出的對應關系。

根據波長與光柵轉動角度的關系式：

mλ=2dcosksinα

式中:m為光譜級次;λ為波長;d為光柵常數;k為入射光線與衍射光線夾角的1/2;α為光柵轉動的角度[7]。

在已知m、λ、d、k的條件下，通過計算得出光柵轉角α。表1列出輸出波長與光柵轉角及步進數間的數值關系，電機步距角為0.9°。根據表中波長與電機步進角的關系，當需要某一波段的光時，發送相應的步進數給電機，光柵就轉過相應的角度，輸出所要波段的光。把表中數據做成軟件查表的形式，這樣就省去了正弦掃描機構，用純軟件的方法完成光柵轉動的控制和相應波長的輸出。

表1 輸出波長與光柵轉角及步進數間的數值關系

2.2 八面反射鏡柱體

光柵單色器在出射狹縫上輸出的單色光在波段范圍、帶寬、光強度方面都滿足光學檢驗的要求，但是光線的照射寬度無法滿足文件檢驗的要求。一般檢材的寬度在100～200 mm，只有1 mm左右寬度的單色光要照射到整個檢材，必須把檢材放在遠離出射狹縫的位置，這時單色光的強度就非常弱了，無法進行光學檢驗。為了滿足光強度及光線照射寬度的要求，在出射狹縫和檢材之間設計了一個八面柱體，每一個柱面都是一面反射鏡，通過柱體的連續轉動，把狹縫出射的單色光掃遍整個檢材。八面反射鏡柱體如圖4所示。

圖4 八面反射鏡柱體

3 接收系統的設計

接收系統由濾光片轉盤、CCD攝像系統組成。檢材上的反射光或激發熒光經過濾光片，在CCD攝像系統進行成像，并通過接口傳輸給計算機。

3.1 濾光片轉盤

由于CCD 的感光范圍很寬(從紫外到紅外)，而需要記錄的只是比激發光弱很多的紅外線熒光，所以必須在鏡頭前加一只透過紅外線的紅外濾光片，以避免熒光信息被激發光湮沒[8]。

根據光學檢驗法的原理，CCD需要記錄的是近紅外的光線，故選擇如下8片濾光片組成轉盤濾光片系統，720、750、800、880、920、960、1 000，帶寬35 nm[9]。

3.2 單色光照明系統與接收系統的配合

在單色光照明系統中，步進電機驅動光柵轉過一定的角度，相應波段的單色光從出射狹縫出射，照到八面柱體的反射鏡上，裝在八面柱體上的步進電機以一定的轉速帶動八面柱體勻速地轉動，轉動的反射鏡就將單色光按一個方向不停地在檢材上掃過，CCD攝像系統在一定的曝光(積分)時間內[10]，將接受到的光線積分成一個完整的圖像。在實驗中，要將光柵的轉動速度、八面柱體的轉動速度及CCD攝像系統的曝光時間綜合起來考慮，以獲取最佳的圖像。

4 圖像顯示及處理系統的設計

該系統即一個圖像顯示、處理程序，包括接收CCD攝像系統的圖像信號，進行顯示；對圖像做噪聲去除[11]、銳化[12]和增強等預處理；用最小誤差法[13]分割圖像，并進行分析識別檢材。流程圖如圖5所示。

圖5 圖像顯示及處理系統流程圖

以下的實例介紹了圖像顯示、圖像預處理、圖像分割[14]并識別的過程。

圖6是在自然光下的檢材，在自然光下檢材都看不出有任何篡改或添加的跡象。

圖6 自然光下的檢材

圖7是分別用580 nm可見光照射，800 nm紅外波段接收，得到的圖像。可見，檢材存在用2種不同的筆書寫或書寫時間不同的現象。由此可證明該檢材中的文件存在添加的現象。

圖7 可見光激發下的檢材

圖8、9是圖6、7兩幅圖像分別用最小誤差法進行閾值[15]分割的結果。從圖中可以看到，最小誤差法較準確地分割出了文字和背景。

圖8 圖6最小誤差法閾值分割結果

圖9 圖7最小誤差法閾值分割結果

在圖8、9兩幅圖像中，文字、背景、文字和背景總和的像素點個數如表2所示。

表2 4幅圖像的像素點統計

從表2可以看出，當文字出現異常時，文字像素點個數有很大的變化，百分比也有較大變化。系統可以通過對比文字占總數百分比前后的變化，來判斷檢材是否出現異常。

5 結 語

本文設計了一種新型文件檢驗儀的具體方案，采用覆蓋紫外光、可見光、紅外光的高強度、連續掃描輸出的光源系統作為照射光源，采用自動變焦、對焦的光學鏡頭及高分辨率CCD攝像機作為接收部件，開發一套集儀器控制、圖像采集、文件管理、圖像存儲、增強、比對等功能為一體的軟件，構成一臺多功能全自動文件檢驗儀。

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