CN100527173C - 分析堆叠的扁平物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分析堆叠的扁平物体的方法，该方法的步骤包括，提供由扁平物体堆叠而成的堆，该堆包含至少一个由扁平物体边缘限定的表面，照亮所述堆的表面，利用光学传感器获得堆的二维图像，输出表征分析结果的信号，其中提供的二维图像在y方向放大，x方向缩小，y方向被定义为扁平物体的堆的高度，x方向被定义为扁平物体的堆的宽度。

Description

分析堆叠的扁平物体的方法

本发明涉及一种分析堆叠的扁平物体的设备，并涉及一种分析堆叠的扁平物体的方法。本发明尤其适用于一种分析成捆钞票的设备和一种分析成捆钞票的方法，该方法的步骤包括，提供一捆钞票，该钞票捆至少包含一个由钞票边缘限定的表面；照亮所述钞票捆的表面；利用光学传感器提供钞票捆的二维图像；提供表征分析结果的输出信号。

通过国际申请WO 01/50426，已知一种确定包含片状塑胶底层以及底层的两个外表面附着非透明层的钞票特征的方法。该已知方法包括如下步骤：照射底层，非透明层用于引导底层内的射线，在底层的“端部”检测传播情况，之后，分析传播的一个或者多个特征，比如密度或者波长。因为光束必须限制在底层内传播，所以所述国际申请的方法仅适用于所谓的“塑胶钞票”。

通过美国专利第6,182,962号，已知一种从一堆钞票中分离出单张钞票的方法，其中堆的厚度依靠密度传感器来测定。所要求的密度为所测量的施加到钞票堆抵消反弹装置的压力。该已知方法旨在从一堆钞票中移除单张钞票，却并没有将钞票堆作为一个整体进行分析。

介绍中所提到的方法也从美国专利第5,534,690号中得知(相应于欧洲专利第0 805 992号)。其中，已知该清点堆叠钞票的方法，需要使用至少一个光学传感器，沿钞票捆的至少一个表面，同时生成至少两幅独立的列的图像，所述列在垂直于钞票表面的方向上延伸。在光学传感器已提供的信号基础上，比如，通过比较两幅图像，就得到堆中的钞票数目。这种方法的一个缺点就是，钞票捆必须在两个不同位置进行所谓的列成像。如果钞票捆包含折叠、撕裂或者严重褶皱的钞票，就会导致检测的结果出错。

通过美国专利第5,918,960号，已知一种方法，其中，利用具有两个不同波长的紫外光照射单张钞票，检测器被用于检测来自钞票的在第一波段内的具有第一波长的反射光，以及检测来自钞票的在第二波段内的具有第二波长的荧光，所述第二波段不同于第一波段，所述第二波段包括使置于所述紫外光下的伪钞发荧光的波长。该方法仅局限于单张钞票的真伪特性鉴别，这意味着如果大量的钞票有待鉴别，每张钞票必须单独地接受这样的真伪特性的鉴别。

钞票及其防伪特征随每个国家、地区、或者区域而变化，比如，从某些钞票的几个防伪特征到欧元的二十多种防伪特征。这些防伪特征使得用户、商业金融机构以及中央银行在不同的层次上判断钞票的真伪。通常地，在收到钞票时先做防伪鉴别。在中央银行，钞票的防伪鉴别是依靠所谓的钞票分拣机完成的，该装置采用所谓的“单张钞票”的分类方式。钞票通常是以100、500或者1000为单位成捆供应，采用上述办法就意味着，对所有的钞票不得不首先执行费时的“拆捆”操作。然后，拆捆的钞票，不管其面额或者实际适用性(fitness)如何，都要借助于所谓的分拣机依次通过一系列的检测器和传感器进行机械的校验。校验过程包括：依靠机器执行的大量防伪鉴别，还有用于判断钞票当前情况或者使用适用性的各种测量。

小面额钞票在全球流通钞票总量中占到大约40％。考虑到对这些钞票高昂的分拣成本和(经常)较差的适用性，上述的“单张钞票”的分拣过程不能提供理想的解决方案来处理小面额钞票。此外，如果待处理钞票的实际适用性很差，分拣机的效率将大大地降低。小面额钞票的质量通常比大面额钞票差。这意味着小面额钞票的处理成本与其所代表的面值相比高得不成比例。另外，小面额钞票罕有伪钞，使得高昂的分拣成本会超过安全风险。

本发明目的在于提供一种分析钞票的方法和一种分析钞票的设备，该方法可以高速地和高精度地执行钞票的处理。

本发明另一个目的在于提供一种分析钞票的方法和一种分析钞票的装置，使得可以以低成本方式来处理低面额钞票。

本介绍中所提到的本发明，其特征在于，提供的二维图像在y方向上放大，y方向被定义为一捆钞票的高度。

在一个特别的实施方式中，图像在x方向上缩小，x方向被定义为一捆钞票的宽度。

上述一个或者多个目的可通过使用这样一个方法来实现，其中，所谓的变形(anamorphous)图像由整捆钞票的一个侧面产生。

钞票被看作是矩形的扁平物体，具有上表面和下表面，周围有四个侧面或者边，其中包括两个长侧面或长边以及两个短侧面或短边。短侧面和长侧面都可以用于产生变形图像。术语“高度”被理解为一捆钞票的高度或者长度，它的大小取决于钞票捆或者堆中钞票的数目。当钞票数目增加时，“高度”或y方向上的长度按比例地增加，而宽度或x方向上的长度保持不变，宽度是钞票的短面或者长面的尺寸。因此，使用本发明，对一捆钞票进行分析不是在支撑表面的水平位置(上下面平行于支撑面)，就是在支撑表面的垂直位置(上下表面垂直于支撑面)。

优选地，提供一捆钞票的二维图像和获得输出信号的步骤，包括使用象素矩阵执行图像处理操作的步骤，特别地，该提供的象素矩阵y方向上的象素数目比x方向上的象素数目多。

为了在分析中得到高精度，y方向上的象素数目至少比x方向上的象素数目多3倍，优选是5倍，更优选y方向上的象素数目至少比x方向上象素数目多10倍。

执行图像处理操作的步骤包括：根据光密度给象素赋值；确定光密度的临界值；当象素的光密度值大于临界值时，赋予该象素优先级，同时利用所谓的邻域象素密度特性的二阶导数，确定在y方向上的一行象素的平均密度值，该行包括一个或者多个具有优先级的象素；确定平均值的范围，从而确定平均值的标准差；输出平均值高于临界值的数目的总和。本说明书将更加详细地说明这种分析方式。术语”二阶导数”被理解为确定的变化(象素和邻域象素的密度值的增加/减少)的平均值。术语“一阶导数”被理解为确定的最大值/最小值的平均值。

一种特别的分析方法是保持钞票捆机械性的完整。事实上，这就意味着这捆钞票不会遭受破坏性(destructive)的操作，从而使得当对这捆钞票进行这种分析之后，适合于例如再流通。

然而，在一个优选的具体的实施方式中，为了执行这种方式的分析，钞票捆会接受一种或者多种破坏性操作。另一方面，在某些实施方式中，该分析优选地包括将保持钞票捆机械性的完整和在其上进行破坏性操作相结合。

这种破坏性操作，举例来说，包括作用在钞票捆一个或者多个侧面上的机械性操作，使得获得一个或者多个规则(clean)的表面，这种规则的表面被应用在成捆钞票的分析中。比如依靠切割部件，在一捆钞票上就形成所谓的规则切割面，这个规则的切割面是一捆钞票的横断面。然后，在所述横断面的基础上，确定一捆钞票和其中包含的单张钞票的多个特征。这样切割以后，如果一捆钞票的尺寸保持在容许范围内，这些被切割钞票就适于重新投入流通。

在本说明书中，分析包括确定以下的一个或多个参数，即真伪、钞票数目、钞票捆的面值和适用性。

确定一捆钞票的真伪性包括：在一捆钞票的一个或者多个侧面上执行破坏性操作，使得获得一个或多个规则的切割面，然后用UV光照射这个切割面。因为钞票通常地含有棉纤维或者棉绒作为原材料，在UV光下会显示荧光，通常以此作为钞票真伪的特征。另一方面，在一个特别的实施方式中，可以在一捆钞票的切割面上画一条碘线，如果有褐色的褪色现象，则表明画碘线的钞票底层是硬粘合在一起的纸。因为棉质底层与碘相作用不会褪色，因此这样的结果就表明这张钞票是伪造的。多种化合物可被用来染色棉质的基础材料，比如，硝酸钙、氯化镁和氯化锌。

所述真伪确定也可以利用红外线照射一捆钞票的一个侧面来进行，被照射的侧面最好是通过破坏性操作而获得的切割面。

根据另一个实施方式，为了确定一捆钞票的来源和/或者真伪性，需要利用高分辨率的照相机获得一捆钞票的一个侧面的图像，然后利用适当的数据处理单元对获得的图像进行处理。然而，也可以通过测量在钞票上的E模块来确定真伪性。利用与x射线相作用出现荧光的所谓标签的出现，可确定钞票的真伪。

很多钞票的底层装有所谓的安全线。当对一捆钞票进行破坏性操作时，比如形成了切割面，从截面视图看，安全线正好处于钞票底层的中心位置，因此可以在截面视图而不是在俯视图中来检测。利用所谓的高分辨率或者CCD照相机观察切割面，配合识别算法，这样一条安全线的存在与否就得到校验。

如果一捆钞票已经经历了破坏性操作，比如形成了切割面，就可以通过高分辨率照相机获得一捆钞票一个侧面的图像，利用适当的数据处理单元对图像进行处理，使得确定一捆钞票中包含的钞票数目。通过使用微波射线加热钞票的安全线，然后分析相应的红外频谱，可以确定钞票的面额。

利用高分辨率照相机或者所谓的CCD照相机，可以记录钞票/空气的过渡(transition)，然后通过识别算法分析并量化这些过渡。所述识别算法把钞票的适用性与一捆钞票中单张钞票间的间隔和过渡的尺寸联系起来。在一个特别的实施方式中，确定一捆钞票的钞票数目，可以采用保持钞票捆机械性完整的方式，利用远红外(THz)光自不同的方向照射到成捆钞票，然后将短THz脉冲的反射记录为时间的函数，即可确定钞票的数目。

在一个特别的实施方式中，为了能够确定一捆钞票的面值，利用高分辨率的照相机获得成捆钞票的一个侧面的图像，然后利用适当的数据处理单元来处理图像，其中，这捆钞票已经经历了破坏性操作，尤其是形成了切割面。

利用这种高分辨率照相机，尤其是所谓的CCD照相机，截面上的光密度差被记录下来，然后依靠识别算法确定钞票是否存在正确的面额。

优选地，为了确定一捆钞票的适用性，测量一捆钞票的可压缩性。

所述适用性(fitness)，实际上取决于一张钞票上的折痕或者皱痕的数目，本申请已经证实，一个由脏旧和褶皱的钞票组成的堆，其高度比未流通和干净钞票组成的堆要高。因此，通过测量一捆钞票的可压缩性，来确定其适用性是有可能的。

不过，在一个特别的实施方式中，通过测量一捆钞票的声阻，来确定整捆钞票的平均适用性也是有可能的，在这种情况下，声波在不同的位置穿过这捆钞票。

在一个具体的实施方式中，根据声波在一张或者多张钞票内的传播，确定单张或者多张在一起的钞票的适用性是更优选的方式。通过测量具有不同强度值的在不同位置上穿透一捆钞票的发送波和反射波，可以找出最大声阻值处。所述最大值用于指示最大的空气混入量，因此其对应的钞票具有最多的皱折。在这种情况下，在一捆钞票内产生所谓的超声波，所述波的速率和衰减是由该捆钞票的机械特性所决定。因此，对一捆钞票进行非破坏性的检查，用于确定其适用性。

不过，也可以对一捆钞票进行破坏性操作，从而获得所谓的切割面，在这种情况下，依靠激光脉冲在这样的切割面上产生声音脉冲，该脉冲在钞票中的传播速率可以被精确地确定，传播速率的大小指示钞票真伪。需要注意的是，所述传播速率在新的、未流通的钞票中具有最大值。流通会促使钞票产生皱褶，造成纤维结构的松散。在这种情况下，传播速率将下降，超声波传播速率的测量值则用于衡量钞票的适用性。

此外，本发明还涉及一种分析一捆钞票的设备，该钞票捆至少包含一个由钞票边缘限定的表面，所述设备包含：用于照射所述表面的光源，至少一个用于产生二维图像的光学传感器，用于处理二维图像的图像处理单元，提供表征分析结果的输出信号，其特征在于，光学传感器提供的二维图像在y方向上放大，y方向被定义为一捆钞票的高度。

一种优选的方式是，二维图像在x方向上缩小，x方向被定义为一捆钞票的宽度。本设备既可以同分拣机、分解机共同工作，也可以独立工作。

在一种特别的实施方式中，光学传感器优选地包含多个单独的光学传感器，每个单独的光学传感器接收被照射的成捆钞票上的一段，其中，使用镜面结构，该镜面结构由多个子镜面构成，特别是半透明的镜面。

为了防止出错和不想要的弯曲，传感器最好可以独立地在x方向、y方向、z方向移动。除了上述之外，光学传感器可以是扫描照相机，该照相机在x方向上对一捆钞票执行扫描。

为了获得所谓的切割面，更优选的方式是，本装置包含切割部件，在垂直于z方向的平面上，切割部件从一捆钞票中移除掉一定量的材料，在照射步骤，该捆钞票的切割面被用作被照射或者被照亮的表面。切割面的质量与切割部件的锋利程度相关。切割面上的增大的微光(gleam)意味着切割部件质量的下降。因此，在一个具体的实施方式中，需要利用装置测量微光，该装置即微光指示器。

在变形图像的情况下，图像在x方向和y方向上的比例不同。当利用一捆钞票的短侧面来确定钞票的数目、真伪、适用性以及面额的时候，首要的任务是检查钞票底层的属性和单张钞票间的过渡。钞票的高度是次要的。短侧面的变形图像，能够在y方向上显示较大的比例的捆(因此，图像中的单张钞票的厚度获得更多的象素)，x方向上显示较小的比例。

用于观察一捆钞票的短侧面(或长侧面)的图像变形的原理将在以下介绍。

待检查的高度由100、500或1000张钞票组成的一捆钞票(钞票水平放置)被压在框架内，光学传感器扫描钞票捆的短侧面。照亮装置提供所述侧面的散射。后面的透镜结构把所述侧面投影到一行传感器上。

收集大量的有关钞票厚度和所述钞票间过渡的信息是可取的。经验数据说明，显示0.1mm(一张钞票的厚度)需要大约25个象素。500张钞票为一捆的短侧面，其高度大约为60mm，宽度大约为75mm。在垂直方向上，所述60mm必须包含大约12,500个象素(500×25)，在水平方向上，所述75mm必须压缩到大约1000个象素。考虑到象素的大小在7×7μm的数量级，这意味着从60mm到87.5mm的放大(放大系数为1.45)和从75mm到7mm的缩小(系数为0.09)。在这种情况下，图像的变形比例差不多是16。比方说，依靠两个圆柱状透镜，使得短侧面在水平方向上缩小，在垂直方向上放大，然后投影到传感器上。理想地是分割成许多传感器(比如大于12个)，其中每个传感器获取1000×1000个象素。

子镜面提供投影图像的一部分，其中投影图像显示在顺序排列的传感器上。术语“顺序排列”意味着，举例来说，短侧面上部的10mm被投影在左侧上面的传感器，第二个10mm被投影在右侧上面的传感器，第三个10mm被投影在中间的传感器等等。传感器可以独立地很精确地移动，根据传感器之间以及传感器和钞票捆的情况，也可以通过机械的方式调整传感器。传感器可以移动的方向是x、y以及z方向。此外，传感器可以旋转一个小角度，使得显示表面的曲率有轻微的偏移。

这样变形图像包含了一捆钞票的短侧面的图像，当然如果必要的话，也可以提供一捆钞票的长侧面图像。

当放大系数<2时，由于每张钞票尺寸不同而导致的景深问题是可以得到控制的。如果一捆钞票含有一些质量很差的钞票，就很难获得该侧面的清晰图像或焦距集中的图像，通过切割这捆钞票，产生规则的切割面。这样形成的小碎片可以被吹掉或者由钞票捆和照明部件之间的吸气装置吸走。所述切割以每次例如0.25mm的步长进行。如果切割的次数处在钞票切割允许的范围内，钞票就可以重新投入流通。显而易见，如果切割的次数超过所述切割允许的范围，钞票就不能再流通，也就是说，随后只能销毁这些钞票。切割表面的质量与切割部件(比如小刀)的锋利程度直接相关。切割面的微光增强，就意味着小刀质量下降。换句话说，微光指示器用来监测小刀的质量。

根据另一方法，获得一个在垂直方向上约有12,500个象素，在水平方向上约有1000个象素的图像，扫描一捆钞票，其短侧面的高度被放大到具有12,500个象素的线传感器。然后，需要在水平方向每隔约75μm的步长扫描这捆钞票一次。也可以把缩小的捆宽度投影到1000个象素的线传感器上，然后在垂直方向每隔一个小于5μm的步长扫描这捆钞票一次。考虑到步长大小和相关的精度，优选的是在水平方向进行扫描。

通过变形的高分辨率照相机或者扫描，把一捆钞票的短侧面或者长侧面转换为光栅，其中y方向上的象素数目比x方向上的多得多。单个象素具有与该点光密度相对应的信号值，通过对密度光栅的图像处理，确定钞票的数目如下。如图所示的光栅用于解释算法。

附图包括了两张钞票间的过渡带的一段区域，测量其垂直方向的长度为0.08mm，水平方向的长度为1.5mm，该区域含有20×20个象素，象素的密度为1-10。

该段区域是传感器得到的密度分布的一个实例。在本例中，临界值例如设为5。当然，也可设其它临界值。所有密度≥5的象素表现为灰色。因此，密度≥5的象素和邻域n×m个象素彼此相关。在所述n×m个邻域象素中，密度在x和y方向上增加，然后确定所述增加的梯度，即二阶导数。表现出最大梯度变化的象素是相互连接的。获得的水平线指示两张钞票的分隔，并通过合计水平线的数目进行钞票清点。垂直方向上，n的最大值是每张钞票厚度的象素数目(之前已指出，每张钞票值为25个象素)。m的值(水平的象素数目)与构成水平线的点数目有关。

在把一条线计数之前，需要对其进行进一步的分析，分析所述线延伸所需的带宽，考虑两条连续的相连象素之间的线的角边界等等。软件必须考虑到不完善的线的数目或者线间互连的数目等等。因此，钞票清点的可靠性有待商榷。今后的改进是，使软件系统具备自学能力。

另外一种确定一捆钞票中钞票数目的方法是，测量在一捆中单张钞票上的太赫(Terahertz)射线的反射和吸收。太赫射线的波长为mm级，在纸介质中近似透明地传播。

如果一捆钞票的侧面图像对比度不强，为了测量，弯曲钞票捆，或者对侧面染色都可以增强对比度。

Claims (23)

1.一种分析成捆钞票的方法，该方法包括以下步骤：

提供一捆钞票，该捆钞票至少包含一个由钞票边缘限定的表面，

照亮所述一捆钞票的表面，

利用光学传感器提供该捆钞票的二维图像，以及

提供表征分析结果的输出信号，

其特征在于：在所述照亮步骤之前，对所述一捆钞票的一个或者多个侧面或边缘进行机械操作，从而获得一个或多个用于分析该捆钞票的规则表面，提供的二维图像在y方向按比例放大，y方向被定义为所述一捆钞票的高度，所述机械操作是切割操作，如果一捆钞票的尺寸保持在容许范围内，则被切割钞票适于重新投入流通。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，二维图像在x方向上、相对于y方向缩小，x方向被定义为所述一捆钞票的宽度。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，提供该捆钞票的二维图像并获得输出信号的步骤包含使用象素矩阵执行图像处理操作的步骤。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，执行图像处理操作的步骤包含提供象素矩阵，该矩阵每单位长度上y方向的象素数目比x方向的象素数目多。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，每单位长度上y方向的象素数目至少比x方向的象素数目多3倍。

6.根据权利要求4的方法，其特征在于，每单位长度上y方向的象素数目至少比x方向的象素数目多5倍。

7.根据权利要求3的方法，其特征在于，执行图像处理操作的步骤包括：

根据光密度给象素赋值，

确定光密度的临界值，

当光密度值比临界值大时，赋予该象素优先级，同时确定所谓的邻域象素密度特性的二阶导数，

确定在y方向上一行象素的平均光密度值，其中行包括一个或者多个具有优先级的象素，

确定平均值的范围和标准差，

提供平均值高于临界值的数目总和的输出信号。

8.根据上述权利要求1或2的方法，其特征在于，该分析方法确定以下一个或多个参数，即真伪性、钞票张数、该捆钞票的面值和适用性。

9.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使用UV光照射在一捆钞票的一个侧面。

10.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，使用红外光照射在一捆钞票的一个侧面。

11.根据上述权利要求8的方法，其特征在于，为了确定成捆钞票的真伪性，通过利用高分辨率的照相机作为光学传感器获得所述一捆钞票一个侧面的图像，利用数据处理单元对该图像进行处理。

12.根据上述权利要求8的方法，其特征在于，为了确定成捆钞票的数目，通过利用高分辨率的照相机作为光学传感器获得该捆钞票一个侧面的图像，利用数据处理单元对图像进行处理。

13.根据上述权利要求8的方法，其特征在于，一捆钞票的钞票数目的所述确定通过利用远红外光以多个入射角度照射该捆钞票的一个侧面，执行反射光线的时间测量。

14.根据上述权利要求8的方法，其特征在于，为了确定该捆钞票的来源和/或者面值，通过利用高分辨率的照相机作为光学传感器获得该捆钞票一个侧面的图像，利用数据处理单元对该图像进行处理。

15.根据权利要求8的方法，其特征在于，一捆钞票的适用性通过测量该捆钞票的可压缩性来确定。

16.根据权利要求8的方法，其特征在于，一捆钞票的适用性通过测量该捆钞票的声阻来确定。

17.一种用来分析一捆钞票的设备，该钞票捆至少包含一个由钞票边缘限定的表面，所述设备包括：

用来照亮所述表面的光源，

至少一个用来提供二维图像的光学传感器，

用来处理二维图像的图像处理单元，提供表征分析结果的输出信号，

其特征在于，该设备还包括切割部件，切割部件在垂直于z方向的平面上，从一捆钞票中移除掉一定量的材料，切割表面被用作照亮步骤中的表面，如果一捆钞票的尺寸保持在容许范围内，则被切割钞票适于重新投入流通；

光学传感器提供在y方向按比例放大的二维图像，y方向被定义为该捆钞票的高度。

18.根据权利要求17的设备，其特征在于，所述光学传感器提供在x方向上、相对于y方向缩小的二维图像，x方向被定义为该捆钞票的宽度。

19.根据权利要求17或18的用来分析一捆钞票的设备，其特征在于，所述光学传感器包括多个单独的光学传感器，每个光学传感器接收被照亮的成捆钞票的一段，其中，每个光学传感器使用镜面结构。

20.根据权利要求19的用来分析一捆钞票的设备，其特征在于，所述镜面结构是由多个子镜面而构成。

21.根据上述权利要求19的用来分析一捆钞票的设备，其特征在于，所述光学传感器可以独立地在x、y和z方向移动。

22.根据权利要求17的用来分析一捆钞票的设备，其特征在于，所述光学传感器是在x方向上对该捆钞票进行扫描的扫描照相机。

23.根据权利要求20的用来分析一捆钞票的设备，其特征在于，所述镜面是半透明镜面。

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