多功能全自动文件检验仪的设计

邱 虹

(厦门大学 材料科学与工程系，福建 厦门 361005)

0 引 言

随着经济的发展，人们的法制观念不断增强，在经济商务、财产保护等活动中使用合同、票据越来越多，人们为合同、票据中的文字内容、数字、书写时间和标称时间等是否被添加、篡改、伪造要求鉴定的这类案件也越来越多[2]。文件检验仪已成为各级司法部门不可缺少的鉴定仪器。

国外在文件检验方面开展的研究较早，上世纪60年代，就有瑞士PROJECTINA公司、英国Foster+Freeman公司等企业开展文件检验仪的研制[3]。经过数十年的不断改进创新，国外产品具有性能稳定、分辨率高、功能强大、全自动操控等优点，但价格昂贵，通常单价在100万人民币左右。国内在这方面的研究开展得相对较晚，上世纪90年代，以公安部第一研究所、公安部第二研究所、北京安飞达技术开发有限责任公司为首的几家企事业单位开展了文检仪的研制。国内产品价格较低廉，一般在5～10万左右，但在性能、分辨率、自动化程度等方面都不如进口产品。

本文致力于开发出一种低成本、自动化程度高、功能强大的文件检验系统。

1 文件检验仪的设计

文件检验仪的结构如图1所示，分为单色光照明系统、样品台、接收系统、图像显示及处理系统。

图1 文件检验仪总体结构图

(1) 光源系统采用单光源的结构，抛弃传统的滤光片系统，取而代之的是光栅单色器的分光结构[4]。单光源选用超高压球形短弧氙灯，从0.2～2 mm都有较强的连续的能量分布。分光系统、输出光路采用光栅单色器的结构，并对其进行了改进，采用纯软件的方法代替波长扫描机构，简化并增强了单色器的结构。该光源系统具有覆盖范围广、高强度、单色性好、自动扫描、连续输出的特点。

(2) 由于光源系统采用了光栅单色器的分光方式，所以存在一个不足，就是输出的单色光照明宽度太窄，无法照射整个检材，造成无法对整个检材进行成像。为此，我们在单色器的出射狭缝外设计了一个8面柱体，每一个柱面都是一面反射镜，通过柱体的连续转动，把单色器出射的单色光扫遍整个检材。然后通过CCD摄像系统对检材进行积分成像。

(3) 设计一套专用图像处理系统，实时接收CCD摄像系统传来的图像信号，自动将该图像与原图像进行比对分析，自动判断异常。

2 单色光照明系统的设计

单光源采用超高压球形短弧氙灯，分光系统、输出光路采用光栅单色仪器的结构，步进电机直接驱动光栅，用纯软件的方法代替波长扫描机构。在单色器的出射狭缝外设计了一个八面柱体，每一个柱面都是一面反射镜，通过柱体的连续转动，实现照射宽度小的光线照射大范围的要求。光源、光栅单色仪均选用市面上成熟的产品。

2.1 数字化波长扫描机构

采用由单片机构成的控制电路，控制驱动电路，驱动步进电机，带动光栅转动，实现单色器出射波长直接数值显示，用纯软件的形式取代传统光栅单色器较为复杂的正弦传动机构，有效降低硬件成本。总体结构流程由图2所示。

图2 数字化自动扫描机构流程图

(1) 步进电机控制、驱动系统的硬件设计。本实验选用型号42BYGHM202的步进电机(四相八拍式、步距角0.9°)[5]、Atmega16单片机、ULN2003驱动电路[6]及MAX232电平转换芯片构成步进电机控制系统的硬件部分，如图3所示。

图3 步进电机控制系统的硬件图

(2) 输出波长与电机转角及步进数关系。根据文件检验仪检验所需单色光的颜色选9种具有代表性的不同波长的光，进行光栅转角的精确计算，得到步进电机步进数与波长输出的对应关系。

根据波长与光栅转动角度的关系式：

mλ=2dcosksinα

式中:m为光谱级次;λ为波长;d为光栅常数;k为入射光线与衍射光线夹角的1/2;α为光栅转动的角度[7]。

在已知m、λ、d、k的条件下，通过计算得出光栅转角α。表1列出输出波长与光栅转角及步进数间的数值关系，电机步距角为0.9°。根据表中波长与电机步进角的关系，当需要某一波段的光时，发送相应的步进数给电机，光栅就转过相应的角度，输出所要波段的光。把表中数据做成软件查表的形式，这样就省去了正弦扫描机构，用纯软件的方法完成光栅转动的控制和相应波长的输出。

表1 输出波长与光栅转角及步进数间的数值关系

2.2 八面反射镜柱体

光栅单色器在出射狭缝上输出的单色光在波段范围、带宽、光强度方面都满足光学检验的要求，但是光线的照射宽度无法满足文件检验的要求。一般检材的宽度在100～200 mm，只有1 mm左右宽度的单色光要照射到整个检材，必须把检材放在远离出射狭缝的位置，这时单色光的强度就非常弱了，无法进行光学检验。为了满足光强度及光线照射宽度的要求，在出射狭缝和检材之间设计了一个八面柱体，每一个柱面都是一面反射镜，通过柱体的连续转动，把狭缝出射的单色光扫遍整个检材。八面反射镜柱体如图4所示。

图4 八面反射镜柱体

3 接收系统的设计

接收系统由滤光片转盘、CCD摄像系统组成。检材上的反射光或激发荧光经过滤光片，在CCD摄像系统进行成像，并通过接口传输给计算机。

3.1 滤光片转盘

由于CCD 的感光范围很宽(从紫外到红外)，而需要记录的只是比激发光弱很多的红外线荧光，所以必须在镜头前加一只透过红外线的红外滤光片，以避免荧光信息被激发光湮没[8]。

根据光学检验法的原理，CCD需要记录的是近红外的光线，故选择如下8片滤光片组成转盘滤光片系统，720、750、800、880、920、960、1 000，带宽35 nm[9]。

3.2 单色光照明系统与接收系统的配合

在单色光照明系统中，步进电机驱动光栅转过一定的角度，相应波段的单色光从出射狭缝出射，照到八面柱体的反射镜上，装在八面柱体上的步进电机以一定的转速带动八面柱体匀速地转动，转动的反射镜就将单色光按一个方向不停地在检材上扫过，CCD摄像系统在一定的曝光(积分)时间内[10]，将接受到的光线积分成一个完整的图像。在实验中，要将光栅的转动速度、八面柱体的转动速度及CCD摄像系统的曝光时间综合起来考虑，以获取最佳的图像。

4 图像显示及处理系统的设计

该系统即一个图像显示、处理程序，包括接收CCD摄像系统的图像信号，进行显示；对图像做噪声去除[11]、锐化[12]和增强等预处理；用最小误差法[13]分割图像，并进行分析识别检材。流程图如图5所示。

图5 图像显示及处理系统流程图

以下的实例介绍了图像显示、图像预处理、图像分割[14]并识别的过程。

图6是在自然光下的检材，在自然光下检材都看不出有任何篡改或添加的迹象。

图6 自然光下的检材

图7是分别用580 nm可见光照射，800 nm红外波段接收，得到的图像。可见，检材存在用2种不同的笔书写或书写时间不同的现象。由此可证明该检材中的文件存在添加的现象。

图7 可见光激发下的检材

图8、9是图6、7两幅图像分别用最小误差法进行阈值[15]分割的结果。从图中可以看到，最小误差法较准确地分割出了文字和背景。

图8 图6最小误差法阈值分割结果

图9 图7最小误差法阈值分割结果

在图8、9两幅图像中，文字、背景、文字和背景总和的像素点个数如表2所示。

表2 4幅图像的像素点统计

从表2可以看出，当文字出现异常时，文字像素点个数有很大的变化，百分比也有较大变化。系统可以通过对比文字占总数百分比前后的变化，来判断检材是否出现异常。

5 结 语

本文设计了一种新型文件检验仪的具体方案，采用覆盖紫外光、可见光、红外光的高强度、连续扫描输出的光源系统作为照射光源，采用自动变焦、对焦的光学镜头及高分辨率CCD摄像机作为接收部件，开发一套集仪器控制、图像采集、文件管理、图像存储、增强、比对等功能为一体的软件，构成一台多功能全自动文件检验仪。

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