本實(shí)用新型涉及一種納米顆粒熒光空間編碼防偽標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，屬于光學(xué)和計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別以及防偽技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

納米顆粒指粒子尺寸在1～100nm的材料。納米顆粒在能級(jí)結(jié)構(gòu)、能量傳遞和光譜性質(zhì)等方面具有特殊性，以其制備的熒光材料具有亮度高、穩(wěn)定性好、吸附能力強(qiáng)、不易擴(kuò)散、不易變形、高溫下不褪色等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于發(fā)光、顯示、生物標(biāo)記等領(lǐng)域。以稀土發(fā)光材料為例，其上轉(zhuǎn)換發(fā)光則是指通過多光子機(jī)制把長波輻射轉(zhuǎn)換成短波輻射的過程，在980nm的紅外光激發(fā)下，能夠發(fā)出不同顏色的可見光。由于其上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)，可將其應(yīng)用于防偽領(lǐng)域，目前已有的應(yīng)用僅限于使用上轉(zhuǎn)換材料制成無色油墨在印刷時(shí)使用，在紅外光源照射下顯現(xiàn)字跡或圖案，以進(jìn)行防偽識(shí)別。然而，這種防偽過程僅限于對(duì)上轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行加密，一旦識(shí)別所用上轉(zhuǎn)換材料種類，極易仿制，故而防偽程度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的是設(shè)計(jì)一種防偽標(biāo)識(shí)裝置，利用納米顆粒制備裝置制備納米顆粒，通過防偽圖案制備裝置制備納米顆粒隨機(jī)分布的圖案，通過加密裝置對(duì)納米顆粒熒光圖案強(qiáng)度和空間信息進(jìn)行編碼，從而設(shè)計(jì)出一種納米顆粒熒光空間編碼防偽標(biāo)識(shí)裝置。對(duì)被測(cè)物進(jìn)行識(shí)別時(shí)，通過圖像攝取裝置拍攝納米顆粒熒光圖案，并對(duì)其進(jìn)行解碼處理，通過與進(jìn)行加密編碼的圖案比對(duì)，達(dá)到辨別真?zhèn)蔚哪康?。舉例為：利用圖像在液體中制備尺寸在納米量級(jí)的熒光材料，然后把納米熒光材料的懸浮液“打印”在需防偽的物體基體上。由于納米顆粒分布的隨機(jī)性，每個(gè)基底上的熒光分布具有唯一性，提取其熒光強(qiáng)度及空間分布圖樣作為信息庫。在識(shí)別過程中，根據(jù)使用者拍出的熒光照片與信息庫做比對(duì)，即可辨別其真?zhèn)巍?/p>

本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本實(shí)用新型提供了一種納米顆粒熒光空間編碼防偽標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，其包括納米顆粒產(chǎn)生裝置、磁力攪拌器、圖案制備裝置、激光光源、圖像拍攝裝置和計(jì)算機(jī)，所述納米顆粒產(chǎn)生裝置與磁力攪拌器相連通，所述磁力攪拌器與圖案制備裝置相連通，所述激光光源圖案制備設(shè)備光路連接，所述圖像拍攝裝置與激光光源通訊連接，所述計(jì)算機(jī)與圖像拍攝裝置通訊連接或電連接。

作為優(yōu)選方案，所述圖案制備裝置包括印章或噴嘴。

作為優(yōu)選方案，所述納米顆粒產(chǎn)生裝置包括高功率激光器、溶膠凝膠制備納米顆粒裝置和機(jī)械粉碎機(jī)。

作為優(yōu)選方案，所述激光光源為白光光源、980nm連續(xù)激光光源、1064nm連續(xù)激光光源或脈沖激光源。

作為優(yōu)選方案，所述圖像拍攝裝置為相機(jī)或CCD。

本實(shí)用新型根據(jù)納米顆粒熒光強(qiáng)度信息隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使用多分類訓(xùn)練、相似性度量、canny邊緣檢測(cè)、霍夫變換直線檢測(cè)等圖像分類與處理方法，提出了一種高級(jí)防偽識(shí)別方法。由于納米顆粒完全隨機(jī)分布的特點(diǎn)，此方法制作的防偽圖樣無法仿制，防偽級(jí)別高；拍攝圖像后即可實(shí)時(shí)處理分析，方便快捷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下的有益效果：

1、利用本裝置制備的防偽圖案具有唯一性。納米顆粒分布具有隨機(jī)不可控性，所以不可能制作出相同的熒光分布圖樣，防偽程度高；

2、利用此裝置制備的防偽圖案具有長期穩(wěn)定性。納米顆粒吸附性好，因此制作出的防偽圖樣穩(wěn)定性高、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、高溫下不易褪色、不易變形，因此是一種穩(wěn)定性極高的防偽圖案；

3、此裝置為全自動(dòng)處理裝置，可實(shí)現(xiàn)建模與防偽的全自動(dòng)化。只需輸入所拍樣品照片，即可進(jìn)行實(shí)時(shí)分析得到防偽結(jié)果。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本實(shí)用新型的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為利用本實(shí)用新型進(jìn)行防偽效果檢測(cè)中創(chuàng)建訓(xùn)練模型流程圖；

圖3為利用本實(shí)用新型進(jìn)行防偽效果檢測(cè)中處理圖片流程圖；

圖4為利用本實(shí)用新型進(jìn)行防偽效果檢測(cè)中防偽標(biāo)識(shí)卡位輪廓裁剪前后范圍示意圖；

圖5為利用本實(shí)用新型進(jìn)行防偽效果檢測(cè)中信息提取流程圖；

圖6為利用本實(shí)用新型進(jìn)行防偽效果檢測(cè)中預(yù)測(cè)流程圖；

圖7為利用本實(shí)用新型進(jìn)行防偽效果檢測(cè)中夾角余弦相似性度量流程圖；

圖8為利用本實(shí)用新型進(jìn)行防偽效果檢測(cè)中防偽圖案與提取特征信息示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，但不以任何形式限制本實(shí)用新型。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

本實(shí)用新型提供的一種納米顆粒熒光空間編碼防偽標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括納米顆粒產(chǎn)生裝置11、磁力攪拌器12、圖案制備裝置21、激光光源31、圖像拍攝加密裝置2和計(jì)算機(jī)33，納米顆粒產(chǎn)生裝置11與磁力攪拌器12相連通，磁力攪拌器12與圖案制備裝置21相連通，在圖案制備裝置中，可添加需要印制防偽圖案的材料22，如紙、金屬板、玻璃板、陶瓷或塑料，激光光源31與圖案制備裝置21光路連接，圖像拍攝加密裝置2與激光光源31通訊連接，計(jì)算機(jī)33與圖像拍攝加密裝置2通訊連接或電連接。

下面對(duì)于上述每個(gè)裝置進(jìn)行詳細(xì)說明：

納米顆粒制備裝置。納米顆粒的制作過程可以為高功率激光燒蝕法、機(jī)械粉碎法、氣體蒸發(fā)法、等離子體合成法、溶膠凝膠法等；制備出的顆粒尺寸在納米量級(jí)，可以是具有明顯熒光效應(yīng)的光致發(fā)光熒光粉如摻雜稀土離子的納米級(jí)陶瓷粉體，如Ce³⁺：YAG，也可以是具有上轉(zhuǎn)換熒光效應(yīng)的納米粉末，如Yb/Er/Tm：NaYF₄，Tm:NaGdF₄，制作成懸浮在液體中隨機(jī)分布。

防偽圖案制備裝置?？赏ㄟ^噴繪、印制、滴取等方式將含有納米熒光顆粒的液體附著在需要進(jìn)行防偽識(shí)別的基底上，制作出多組防偽圖案，此基底可以是紙、皮革、塑料、金屬等材料。該防偽圖案的核心是利用納米顆粒可發(fā)生熒光效應(yīng)及可在基底上隨機(jī)分布的特點(diǎn)。由于每次在基底上制作圖案時(shí)，納米顆粒分布具有隨機(jī)不可控性，所以不可能制作出相同的熒光分布圖樣，并且制作出的特征圖樣穩(wěn)定性高、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、高溫下不易褪色、不易變形，因此是一種穩(wěn)定性極高的防偽圖案。

加密裝置，建立防偽模型。用光照射裝置制作的防偽圖案，對(duì)每一種圖案，從不同角度拍攝若干張圖片作為訓(xùn)練素材，處理這些圖片并提取其中的熒光強(qiáng)度及空間分布特征信息。對(duì)多組圖案均進(jìn)行處理，并使用圖像分類方法訓(xùn)練得到不同圖案的防偽模型。同時(shí)，計(jì)算每種圖案訓(xùn)練素材的坐標(biāo)特征向量，作為進(jìn)一步比對(duì)信息。

防偽鑒定裝置。將識(shí)別者拍的熒光照片(需預(yù)測(cè)真?zhèn)蔚膱D片)使用與加密裝置相同的方法處理并提取熒光強(qiáng)度及空間分布特征信息。使用加密裝置得到的防偽模型判定該圖片屬于加密裝置所建立模型中的哪一種圖案。在此基礎(chǔ)上，將需預(yù)測(cè)真?zhèn)蔚膱D片與防偽模型選出的圖案的特征向量進(jìn)行相似性度量，進(jìn)一步確認(rèn)需預(yù)測(cè)圖片是否確實(shí)屬于此分類。相似性度量可以采用夾角余弦、歐式距離、曼哈頓距離、切比雪夫距離等方式。

通過加密裝置建立防偽模型和防偽鑒定裝置進(jìn)行防偽鑒定是熒光分布圖樣的防偽識(shí)別過程，即為圖像的分類、識(shí)別過程。圖像的分類與識(shí)別是圖像分析領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，相似性度量、直方圖匹配等方法雖然能對(duì)圖片進(jìn)行相似度評(píng)估，但是有一定的個(gè)體局限性，如：直方圖反應(yīng)的是灰度的概率分布，但不能體現(xiàn)位置信息。SVM支持向量機(jī)是一個(gè)有效的分類方法，它對(duì)線性可分情況進(jìn)行分析，對(duì)于線性不可分的情況，通過使用非線性映射算法將低維輸入空間線性不可分的樣本轉(zhuǎn)化為高維特征空間使其線性可分，使高維特征空間采用線性算法對(duì)樣本的非線性特征進(jìn)行線性分析成為可能。通過非線性映射，SVM把樣本空間映射到一個(gè)高維乃至無窮維的特征空間，使在原來的樣本空間中非線性可分的問題轉(zhuǎn)化為在特征空間中的線性可分的問題，使在低維樣本空間無法線性處理的樣本集，在高維特征空間中卻可以通過一個(gè)線性超平面實(shí)現(xiàn)線性劃分進(jìn)而完成分類。

加密裝置與防偽鑒定裝置對(duì)圖片進(jìn)行分類、識(shí)別的過程如下：

1、圖片處理包括圖片的旋轉(zhuǎn)與裁剪。

為了方便的對(duì)圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，制作熒光防偽圖案時(shí)采用了固定形狀卡位的方法，在卡位形狀內(nèi)噴繪、印制或滴入含有納米熒光材料的液體，使熒光區(qū)域邊緣固定。

1.1對(duì)圖片進(jìn)行灰度處理并對(duì)其對(duì)比度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使圖片中有熒光點(diǎn)的部分與背景色的分界更為明顯。

1.2設(shè)置合適的閾值將圖片轉(zhuǎn)為二值圖片，以最大連通區(qū)域基本覆蓋原圖熒光點(diǎn)范圍為宜。

1.3使用canny邊緣檢測(cè)描繪出熒光范圍邊界，由于制作時(shí)的“卡位”與前面的二值處理，所以邊緣檢測(cè)結(jié)果接近真實(shí)邊緣。

1.4采用霍夫變換直線檢測(cè)找出3.1.3中邊緣里的直線，選出最長的一條，此直線與“卡位”形狀的直線邊重合。

1.5根據(jù)3.1.4中選擇出的直線斜率對(duì)原圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

1.6對(duì)旋轉(zhuǎn)后的圖片做二值處理，方法與3.1.2相同，根據(jù)二值圖像的邊緣對(duì)旋轉(zhuǎn)后的圖片進(jìn)行裁剪，使裁剪后熒光區(qū)域覆蓋整張圖片。

1.7根據(jù)一條直線的角度旋轉(zhuǎn)，得到的圖可能為原圖或旋轉(zhuǎn)180°的圖。再次根據(jù)3.1.3和3.1.4提取裁剪后的圖片中的直線，根據(jù)直線離上下邊緣的距離判定是否需要再次旋轉(zhuǎn)，如果需要?jiǎng)t旋轉(zhuǎn)180°。

2、提取防偽圖案上轉(zhuǎn)換熒光的強(qiáng)度及位置分布特征信息。

2.1對(duì)比度調(diào)節(jié)。此次調(diào)節(jié)目的在于使圖片的特征信息更為明顯。

2.2設(shè)置合適的閾值將圖片轉(zhuǎn)為二值圖片，此閾值比3.1.2閾值高，目的在于找到最亮的一些特征區(qū)域。

2.3根據(jù)二值圖像連通區(qū)域面積大小，取出面積前N大的特征區(qū)域。

2.4計(jì)算選取的特征區(qū)域的面積、質(zhì)心坐標(biāo)x和y。

2.5分別對(duì)每個(gè)特征區(qū)域的面積、x、y做歸一化。其中，面積是將最小面積到最大面積歸一化到0-1，x和y分別按照?qǐng)D片的長寬做歸一化。因?yàn)椴眉魰r(shí)按照整體區(qū)域邊界裁剪，所以按照邊界分別對(duì)x、y做歸一化可以消除每次拍攝時(shí)長寬比例不一樣造成的影響。將每張圖片所選取的N個(gè)區(qū)域的3*N個(gè)特征信息組成特征向量，此特征向量是進(jìn)行SVM訓(xùn)練或預(yù)測(cè)的依據(jù)。

本實(shí)用新型根據(jù)納米顆粒熒光強(qiáng)度信息隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使用多分類訓(xùn)練、相似性度量、canny邊緣檢測(cè)、霍夫變換直線檢測(cè)等圖像分類與處理方法，提出了一種高級(jí)防偽識(shí)別方法。由于納米顆粒完全隨機(jī)分布的特點(diǎn)，此方法制作的防偽圖樣無法仿制，防偽級(jí)別高；拍攝圖像后即可實(shí)時(shí)處理分析，方便快捷。

本實(shí)用新型目的是設(shè)計(jì)一種防偽標(biāo)識(shí)裝置，利用納米顆粒制備裝置制備納米顆粒，通過防偽圖案制備裝置制備納米顆粒隨機(jī)分布的圖案，通過加密裝置對(duì)納米顆粒熒光圖案強(qiáng)度和空間信息進(jìn)行編碼，從而設(shè)計(jì)出一種納米顆粒熒光空間編碼防偽標(biāo)識(shí)裝置。

本實(shí)施例提供的方法利用激光燒蝕法在液體中制備尺寸在納米量級(jí)的稀土材料，由于納米稀土顆粒的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)及隨機(jī)分布特性，每個(gè)基底上的熒光分布具有唯一性。提取其熒光強(qiáng)度及位置分布圖樣作為信息庫，將信息庫的圖片建立成為防偽模型，根據(jù)識(shí)別者拍出的熒光照片與信息庫做比對(duì)，達(dá)到防偽的目的。

步驟1：制備上轉(zhuǎn)換納米稀土顆粒。利用高功率脈沖激光燒蝕液體中的稀土材料，制備出尺寸在納米量級(jí)，在液體中隨機(jī)分布的上轉(zhuǎn)換材料。

步驟2：制作防偽圖案。將含有納米稀土材料的液體滴在紙上。制作出多組防偽圖案。

步驟3，建立防偽模型，如圖2所示。利用980nm激光照射步驟2中制作的防偽圖案，對(duì)每一種圖案，從不同角度拍攝若干張圖片作為訓(xùn)練素材，處理這些圖片并提取其中的上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度及位置分布特征信息。對(duì)多組圖案均進(jìn)行處理，并使用SVM訓(xùn)練得到不同圖案的防偽模型。同時(shí)，計(jì)算每種圖案訓(xùn)練素材的坐標(biāo)特征向量，作為進(jìn)一步比對(duì)信息。

防偽圖案處理及信息提取包括如下子步驟：

步驟3.1，圖片處理包括圖片的旋轉(zhuǎn)與裁剪，包括如下子步驟，如圖3所示。

注：為了方便對(duì)圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，制作熒光防偽圖案時(shí)采用了固定形狀卡位的方法，如圖4所示，在形狀內(nèi)滴入含有納米稀土材料的液體，使熒光區(qū)域邊緣固定。

圖4防偽標(biāo)識(shí)卡位輪廓(左)裁剪后范圍示意圖(右)

步驟3.1.1，對(duì)圖片進(jìn)行灰度處理并對(duì)其對(duì)比度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使圖片中有熒光點(diǎn)的部分與背景色的分界更為明顯。

步驟3.1.2，設(shè)置合適的閾值將圖片轉(zhuǎn)為二值圖片，以最大連通區(qū)域基本覆蓋原圖熒光點(diǎn)范圍為宜。

步驟3.1.3，使用canny邊緣檢測(cè)描繪出熒光范圍邊界，由于制作時(shí)的“卡位”與前面的二值處理，所以邊緣檢測(cè)結(jié)果接近真實(shí)邊緣。

步驟3.1.4，采用霍夫變換直線檢測(cè)找出3.1.3中邊緣里的直線，選出最長的一條，此直線與“卡位”形狀的直線邊重合。

步驟3.1.5，根據(jù)3.1.4中選擇出的直線斜率對(duì)原圖片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

步驟3.1.6，對(duì)旋轉(zhuǎn)后的圖片做二值處理，方法與3.1.2相同，根據(jù)二值圖像的邊緣對(duì)旋轉(zhuǎn)后的圖片進(jìn)行裁剪，使裁剪后熒光區(qū)域覆蓋整張圖片，如圖4。

步驟3.1.7，根據(jù)一條直線的角度旋轉(zhuǎn)，得到的圖可能為原圖或旋轉(zhuǎn)180°的圖。再次根據(jù)步驟3.1.3和3.1.4提取裁剪后的圖片中的直線，根據(jù)直線離上下邊緣的距離判定是否需要再次旋轉(zhuǎn)，如果需要?jiǎng)t旋轉(zhuǎn)180°。

步驟3.2，提取防偽圖案上轉(zhuǎn)換熒光的強(qiáng)度及位置分布特征信息包括如下子步驟，如圖4所示：

步驟3.2.1，對(duì)比度調(diào)節(jié)。此次調(diào)節(jié)目的在于使圖片的特征信息更為明顯。

步驟3.2.2，設(shè)置合適的閾值將圖片轉(zhuǎn)為二值圖片，此閾值比1.1.2閾值高，目的在于找到最亮的一些特征區(qū)域。

步驟3.2.3，根據(jù)二值圖像連通區(qū)域面積大小，取出面積前N大的特征區(qū)域。

步驟3.2.4，計(jì)算選取的特征區(qū)域的面積、質(zhì)心坐標(biāo)x和y。

步驟3.2.5，分別對(duì)每個(gè)特征區(qū)域的面積、x、y做歸一化。其中，面積是將最小面積到最大面積歸一化到0-1，x和y分別按照?qǐng)D片的長寬做歸一化。因?yàn)椴眉魰r(shí)按照整體區(qū)域邊界裁剪，所以按照邊界分別對(duì)x、y做歸一化可以消除每次拍攝時(shí)長寬比例不一樣造成的影響。將每張圖片所選取的N個(gè)區(qū)域的3*N個(gè)特征信息組成特征向量，此特征向量是進(jìn)行SVM訓(xùn)練或預(yù)測(cè)的依據(jù)。

步驟4：防偽鑒定，如圖6、圖7所示。將識(shí)別者拍的熒光照片(需預(yù)測(cè)真?zhèn)蔚膱D片)進(jìn)行圖案處理并提取熒光強(qiáng)度及位置分布特征信息，方法同步驟3.1與步驟3.2。使用SVM預(yù)測(cè)判定該圖片屬于步驟3所建立模型中的哪一種圖案。在此基礎(chǔ)上，將需預(yù)測(cè)真?zhèn)蔚膱D片與SVM分類器選出的圖案進(jìn)行坐標(biāo)特征向量比對(duì)，進(jìn)一步確認(rèn)需預(yù)測(cè)圖片是否確實(shí)屬于此分類。

根據(jù)本實(shí)施例提供的熒光圖片比對(duì)方法，由于上轉(zhuǎn)換材料在基底上分布完全隨機(jī)，每個(gè)熒光圖樣強(qiáng)度分部具有唯一性，所以利用此方式做出的防偽圖樣無法復(fù)制。另外本實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)建模與防偽的全自動(dòng)化，只需輸入所拍樣品照片，即可進(jìn)行實(shí)時(shí)分析得到防偽結(jié)果。并且不僅可以判定出所拍照片是否屬于防偽庫，還可以判定出屬于防偽庫中的哪一類。

圖8是實(shí)際操作的防偽圖案與提取特征信息示意圖。圖片自左向右以此為熒光強(qiáng)度經(jīng)灰度處理后的圖片，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、剪裁后的圖片，提取熒光面積較大的10個(gè)特征點(diǎn)的圖片。并在此基礎(chǔ)上，提取出面積、坐標(biāo)信息組成特征向量，從而進(jìn)行后續(xù)圖片對(duì)比工作。在此過程中，對(duì)33組圖片進(jìn)行了防偽模型建立及鑒別，選取35張照片進(jìn)行預(yù)測(cè)，其中33張準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此，準(zhǔn)確度達(dá)94.5％。

以上實(shí)施例僅用于說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式，而本實(shí)用新型的范圍不僅限于上述實(shí)施例所描述的范圍。

例如，實(shí)施例的圖片比對(duì)方法，可以在各平臺(tái)使用，如：JAVA，LABVIEW，C++等語言均可以使用此方法分辨。

在實(shí)施例的圖片對(duì)比方法中，比對(duì)的是上轉(zhuǎn)換熒光分布，但本實(shí)用新型中，適用于所有用于比對(duì)的圖片特征為強(qiáng)度的分布。

以上對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本實(shí)用新型并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。