多功能全自動(dòng)文件檢驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

邱 虹

(廈門大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，福建 廈門 361005)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的法制觀念不斷增強(qiáng)，在經(jīng)濟(jì)商務(wù)、財(cái)產(chǎn)保護(hù)等活動(dòng)中使用合同、票據(jù)越來越多，人們?yōu)楹贤?、票?jù)中的文字內(nèi)容、數(shù)字、書寫時(shí)間和標(biāo)稱時(shí)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(yàn)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(yàn)方面開展的研究較早，上世紀(jì)60年代，就有瑞士PROJECTINA公司、英國Foster+Freeman公司等企業(yè)開展文件檢驗(yàn)儀的研制[3]。經(jīng)過數(shù)十年的不斷改進(jìn)創(chuàng)新，國外產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、分辨率高、功能強(qiáng)大、全自動(dòng)操控等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，通常單價(jià)在100萬人民幣左右。國內(nèi)在這方面的研究開展得相對較晚，上世紀(jì)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(dá)技術(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司為首的幾家企事業(yè)單位開展了文檢儀的研制。國內(nèi)產(chǎn)品價(jià)格較低廉，一般在5～10萬左右，但在性能、分辨率、自動(dòng)化程度等方面都不如進(jìn)口產(chǎn)品。

本文致力于開發(fā)出一種低成本、自動(dòng)化程度高、功能強(qiáng)大的文件檢驗(yàn)系統(tǒng)。

1 文件檢驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

文件檢驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為單色光照明系統(tǒng)、樣品臺(tái)、接收系統(tǒng)、圖像顯示及處理系統(tǒng)。

圖1 文件檢驗(yàn)儀總體結(jié)構(gòu)圖

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

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

(3) 設(shè)計(jì)一套專用圖像處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收CCD攝像系統(tǒng)傳來的圖像信號(hào)，自動(dòng)將該圖像與原圖像進(jìn)行比對分析，自動(dòng)判斷異常。

2 單色光照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單光源采用超高壓球形短弧氙燈，分光系統(tǒng)、輸出光路采用光柵單色儀器的結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)光柵，用純軟件的方法代替波長掃描機(jī)構(gòu)。在單色器的出射狹縫外設(shè)計(jì)了一個(gè)八面柱體，每一個(gè)柱面都是一面反射鏡，通過柱體的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)品。

2.1 數(shù)字化波長掃描機(jī)構(gòu)

采用由單片機(jī)構(gòu)成的控制電路，控制驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單色器出射波長直接數(shù)值顯示，用純軟件的形式取代傳統(tǒng)光柵單色器較為復(fù)雜的正弦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，有效降低硬件成本。總體結(jié)構(gòu)流程由圖2所示。

圖2 數(shù)字化自動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)流程圖

(1) 步進(jìn)電機(jī)控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)選用型號(hào)42BYGHM202的步進(jìn)電機(jī)(四相八拍式、步距角0.9°)[5]、Atmega16單片機(jī)、ULN2003驅(qū)動(dòng)電路[6]及MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分，如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件圖

(2) 輸出波長與電機(jī)轉(zhuǎn)角及步進(jìn)數(shù)關(guān)系。根據(jù)文件檢驗(yàn)儀檢驗(yàn)所需單色光的顏色選9種具有代表性的不同波長的光，進(jìn)行光柵轉(zhuǎn)角的精確計(jì)算，得到步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)數(shù)與波長輸出的對應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)波長與光柵轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系式：

mλ=2dcosksinα

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

在已知m、λ、d、k的條件下，通過計(jì)算得出光柵轉(zhuǎn)角α。表1列出輸出波長與光柵轉(zhuǎn)角及步進(jìn)數(shù)間的數(shù)值關(guān)系，電機(jī)步距角為0.9°。根據(jù)表中波長與電機(jī)步進(jìn)角的關(guān)系，當(dāng)需要某一波段的光時(shí)，發(fā)送相應(yīng)的步進(jìn)數(shù)給電機(jī)，光柵就轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，輸出所要波段的光。把表中數(shù)據(jù)做成軟件查表的形式，這樣就省去了正弦掃描機(jī)構(gòu)，用純軟件的方法完成光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的控制和相應(yīng)波長的輸出。

表1 輸出波長與光柵轉(zhuǎn)角及步進(jìn)數(shù)間的數(shù)值關(guān)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(qiáng)度方面都滿足光學(xué)檢驗(yàn)的要求，但是光線的照射寬度無法滿足文件檢驗(yàn)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(gè)檢材，必須把檢材放在遠(yuǎn)離出射狹縫的位置，這時(shí)單色光的強(qiáng)度就非常弱了，無法進(jìn)行光學(xué)檢驗(yàn)。為了滿足光強(qiáng)度及光線照射寬度的要求，在出射狹縫和檢材之間設(shè)計(jì)了一個(gè)八面柱體，每一個(gè)柱面都是一面反射鏡，通過柱體的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，把狹縫出射的單色光掃遍整個(gè)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

接收系統(tǒng)由濾光片轉(zhuǎn)盤、CCD攝像系統(tǒng)組成。檢材上的反射光或激發(fā)熒光經(jīng)過濾光片，在CCD攝像系統(tǒng)進(jìn)行成像，并通過接口傳輸給計(jì)算機(jī)。

3.1 濾光片轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)光湮沒[8]。

根據(jù)光學(xué)檢驗(yàn)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(zhuǎn)盤濾光片系統(tǒng)，720、750、800、880、920、960、1 000，帶寬35 nm[9]。

3.2 單色光照明系統(tǒng)與接收系統(tǒng)的配合

在單色光照明系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)過一定的角度，相應(yīng)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(jìn)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)八面柱體勻速地轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡就將單色光按一個(gè)方向不停地在檢材上掃過，CCD攝像系統(tǒng)在一定的曝光(積分)時(shí)間內(nèi)[10]，將接受到的光線積分成一個(gè)完整的圖像。在實(shí)驗(yàn)中，要將光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、八面柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度及CCD攝像系統(tǒng)的曝光時(shí)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)即一個(gè)圖像顯示、處理程序，包括接收CCD攝像系統(tǒng)的圖像信號(hào)，進(jìn)行顯示；對圖像做噪聲去除[11]、銳化[12]和增強(qiáng)等預(yù)處理；用最小誤差法[13]分割圖像，并進(jìn)行分析識(shí)別檢材。流程圖如圖5所示。

圖5 圖像顯示及處理系統(tǒng)流程圖

以下的實(shí)例介紹了圖像顯示、圖像預(yù)處理、圖像分割[14]并識(shí)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?？梢?，檢材存在用2種不同的筆書寫或書寫時(shí)間不同的現(xiàn)象。由此可證明該檢材中的文件存在添加的現(xiàn)象。

圖7 可見光激發(fā)下的檢材

圖8、9是圖6、7兩幅圖像分別用最小誤差法進(jìn)行閾值[15]分割的結(jié)果。從圖中可以看到，最小誤差法較準(zhǔn)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(jié)果

圖9 圖7最小誤差法閾值分割結(jié)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(diǎn)個(gè)數(shù)如表2所示。

表2 4幅圖像的像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出，當(dāng)文字出現(xiàn)異常時(shí)，文字像素點(diǎn)個(gè)數(shù)有很大的變化，百分比也有較大變化。系統(tǒng)可以通過對比文字占總數(shù)百分比前后的變化，來判斷檢材是否出現(xiàn)異常。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種新型文件檢驗(yàn)儀的具體方案，采用覆蓋紫外光、可見光、紅外光的高強(qiáng)度、連續(xù)掃描輸出的光源系統(tǒng)作為照射光源，采用自動(dòng)變焦、對焦的光學(xué)鏡頭及高分辨率CCD攝像機(jī)作為接收部件，開發(fā)一套集儀器控制、圖像采集、文件管理、圖像存儲(chǔ)、增強(qiáng)、比對等功能為一體的軟件，構(gòu)成一臺(tái)多功能全自動(dòng)文件檢驗(yàn)儀。

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