基于紧凑型RGB颜色传感器纸币券别识别系统设计

吴 杰 倪林安 潘大钧

（1.温州市质量技术检测科学研究院，温州 325025；2.浙江然鹏电子有限公司，温州 325400；3.温州市特种设备检测科学研究院，温州 325007）

纸币可机读防伪特征包括光学防伪特征、磁性防伪特征等。2021年7月20日发布的强制性标准《人民币现金机具鉴别能力技术规范》（GB 40560—2021）中规定，人民币纸币可机读防伪图文特征分类包括可见光反射图文、可见光透射图文、红外反射图文、红外透射图文、荧光图文、磁性图文、印刷光变图文以及精细镂空图文等。早期防伪特征基本上通过特定光学特征分析鉴别技术对纸币进行纵横向分辨率25 dpi以下紫外、红外、荧光特征分析鉴别。图像传感技术不断迭代升级，熊琛设计的针对越南盾图像识别算法的卷积神经网络可实现对越南盾朝向、面额以及版别的识别[1]。目前，纸币光学鉴别技术已发展为可通过接触式图像传感器（Contact Image Sensor，CIS）采集纸币的多光谱图像[2]，同时可利用图像处理技术进行分析处理[3]。但是，CIS存在价格昂贵、占用空间大、对处理芯片要求较高以及后期算法技术难度大等问题，难以在普通机型上推广应用。本文通过在走钞通道设置紧凑型颜色传感器，在高速传动过程中提取纸币颜色特征，并将这些信息进行融合分析[4]，提高了纸币识别能力，且具有成本低廉、操作简单以及维护便利等优势，可在发展中国家大面积推广使用。

1 系统设计方案

当前，颜色识别传感器大致可分为两种：一种是RGB颜色传感器，获取三刺激值；另一种是色差传感器，获取被测物体与标准颜色的色差。

日本滨松光子学株式会社和奥地利艾迈斯是全球光子技术、光产业的领导者。滨松生产的集成在小而薄的封装中的RGB色彩传感器取得了超级性价比，不仅适合监控如手机等手持设备的RGB-LED型背光液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）亮度，也适合于通过颜色鉴别区分纸币面值。奥地利TAOS公司最新推出型号为TCS230的颜色传感器，可实现对纸币颜色的获取和识别[5]。

不同套、版、券别纸币颜色不一样，使得采用颜色来识别纸币券别成为可能。自然界所有光均可以用RGB叠加表达。纸币RGB获取时由于振动等导致颜色传感器与纸币相对发生位移，会引起获取RGB数据的变化，仅通过获取的RGB数据识别纸币券别会导致误识。

要提高识别率，需要采取措施避免获取的RGB数据失真，需要排除明度与饱和度的影响，使用色调区分纸币颜色。如图1所示，六角锥体模型（Hue，Saturation，Value，HSV）可以使用圆锥形状的模型描述，色调H描述每个颜色对应一个角度值，饱和度S描述距离中心轴线的距离，亮度V描述垂直轴长度。

图1 不同S、相同H和V下呈现的RGB变化

采用RGB色彩空间转换到HSV色彩空间的颜色算法，根据转换得到的亮度和色调值判别纸币颜色，再根据已经建立的纸币颜色数据库进行比较匹配，进而得到被测纸币的面值。

2 硬件系统

控制系统包括颜色采集系统、调制电路模块、信息传递模块、信息处理模块、显示模块以及控制模块。设置至少2个颜色传感器，能够避免一个颜色传感器损坏后不能够进行检测而出现收到假币的情况。此外，采用双路设计也能有效提高识别准确率。

2.1 颜色采集系统

采用日本滨松S10917-35GT的RGB色彩传感器，是一款紧凑型RGB色彩传感器。单封装中带有一个三通道光电二极管，感光面积仅为0.3 mm2，对红光（波长590～680 nm）、绿光（波长470～600 nm）和蓝光（波长390～530 nm）灵敏，光敏面上能够形成一个红外截止滤光片。通过测量构成物体颜色的三基色实现颜色检测，通过采集待识别纸币的RGB三基色将其参数化，然后将待识别纸币的参数化数据与纸币券别数据库的参数化数据进行判别分析，即可得到待检测纸币的面值。

2.2 硬件系统电路

以ARM（Advanced RISC Machines）芯片为核心控制芯片，可保障系统具有良好的稳定性和扩展性。硬件系统供电电路如图2所示。

图2 供电电路

3 流程与算法

系统搭建与控制流程按实际入钞、捻钞、采集以及出钞步骤进行。其中，RGB与HSV模型间的转换采用COLORREF HSVToRGB(float h,float s,float v)子程序执行。

4 平台测试

建立不同券别纸币颜色特征数据库，找到最佳的阈值点，可大幅提高识别的正确率。为了增强该算法的普适性，需要使用合理的样本数据。采用银行回笼完整券建立数据库，利用正常流通券的新旧程度来满足样本代表性和随机性的要求。左右颜色传感器通道采集的RGB曲线，如图3和图4所示。

图3 左通道采集的RGB曲线

图4 右通道采集的RGB曲线

采用融合多通道色彩空间算法提取的纸币特征值具有相对可靠的特征。实验中，选取每种面额的人民币纸币100张进行测试。实验结果表明，面额识别的正确率均为100%。可见，用融合多通道色彩空间算法具有很强的面额识别能力。不同面额纸币的色彩空间具有很强的区分性，且纸币的主色调特征稳定。

5 结语

本文论述了S10917-35GT的RGB色彩传感器在人民币鉴别仪纸识别系统中的应用。在搭建的快速硬件采集平台上，利用软件实现了多通道颜色数据获取、色彩空间转换、纸币颜色特征提取以及面值识别。设计的系统具有结构紧凑、成本低、识别率高的优点，在其他金融机具中具有较高的应用价值。设计装置通过颜色识别纸币，能很好地适应不同币种，可推广至外币机上使用。