基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法

专利名称：基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法
技术领域：
本发明涉及一种票证的加密及防伪方法，特别是一种基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法。
背景技术：
各种票据(例如支票、汇票、本票、钞票、股票、税务发票、海关报关单、储蓄存单等)与证件(例如身份证、工作证、军官证、毕业证、护照等)都是具有重要经济价值和用于确认个人或单位身份的重要依据，这些票证在我国和世界各国广泛地使用着。由于这类票证在经济和社会生活领域的重要作用，伪造票证进行各种诈骗的犯罪活动一直存在并且愈演愈烈，成为国家金融安全和社会稳定的一大隐患，因此票证防伪成为当前具有重大经济和社会效益的研究课题。
目前国内外票证防伪主要技术是(1)在票证上加印各种图案的水印，(2)在票证的特定区域加盖单位和个人印章，(3)加入人工生成的密码并将其写在票证上，以备核对，(4)在票证的印制技术上采取措施，例如加入金属丝，采用磁性油墨等，(5)利用光学原理进行防伪，例如利用紫外光照射特定暗记，利用激光防伪技术等。
上述防伪技术虽然能在一定程度上抑制伪造票证现象的发生，但并不能从根本上杜绝伪造票证的问题。这是因为，利用上述防伪技术生成的票据所有的防伪特征都是确定的。例如，在钞票、重要的有价证券和证件中广泛使用了水印防伪技术，同一种面值的钞票或同一种证件，这些水印不但图案完全相同，而且出现的位置也相同，不存在个体差异。在我国和有些国家的高面值钞票中开始加入彩色细纤维用来防止伪造。
到目前为止，无论是采用没有个体差异的水印技术及其他相关防伪技术，还是使用有个体差异的彩色细纤维防伪技术，他们的出发点都在于应用水印、彩色细纤维在制造上的难度来防止伪造。在科学技术高度发达的今天，伪造(克隆)出能以假乱真的各种票据和证件并不是非常困难的一件事。因此，仅靠增加制造技术的难度进行防伪已经愈来愈困难了。防止伪造票证的关键是发明并实现一种新的防伪方法和技术，他的核心在于所选用的防伪特征是随机分布的，同时又是无法复制的。为了确保票证的安全性，除了票证本身需要采用可靠的防伪技术之外，还必须对票证上的重要内容，例如票据的金额、印鉴、签字、日期等采取防止有效的防止涂改的措施，达到不但票证本身不可伪造，而且票证内容也不可涂改，只有这样，才能确保票证的安全使用和流通。

发明内容
本发明的目的在于提供一种利用票据制造过程中形成的随机性极大的原始特征作为加密和防伪的要素，形成由票证本身固有特征(包含在票证载体，即制作票证过程中用的纸张中的特征)和由票证内容(例如金额、印鉴、签字、日期、号码等)中提起的特征共同组成的票证指纹，通过验证票据的固有特征鉴别票证本身是否为伪造，通过验证票据的内容特征鉴别票据内容是否经过涂改，从而确保票证安全使用和流通的基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法。
实现本发明的技术解决方案是一种基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法，其特征在于它由票证加密和票证验证过程组成，票证加密过程为①操作员签发含有彩色标识纤维固有特征的票证，填写票证内容，形成票证内容特征；②将签发完的票证放入彩色图像采集设备扫描；③票证处理计算机提取票证固有特征和内容特征；④将固有特征和内容特征合成票证指纹并编码；⑤将票证指纹编码转换为二维条形码；⑥将二维条形码打印在预先确定的票证某一区域；票证验证过程为①将被验证的票证放入彩色图像采集设备进行扫描；②在票证图像中检测出二维条形码；③对二维条形码进行解码；④根据解码信息，验证票证图像中的固有特征；⑤根据解码信息，验证票证图像中的内容特征；⑥对伪造票证和涂改票证内容进行综合判别与分析，给出综合判别结果。
票据固有特征是用来防止票据本身被伪造的关键特征，因此，在票据载体制造过程中，也就是在票据用纸张的制造过程中，在纸浆中人为地掺进彩色标识纤维，这种彩色标识纤维可以用植物纤维、塑料纤维、金属丝等制作。这种彩色标识纤维的直径、长度、颜色等参数以及在一页票证用纸中彩色标识纤维所占的面积比例，在生产工艺中是完全可以控制和调节的，而在每一页票证用纸中彩色标识纤维的分布和每一根彩色标识纤维的排列方向则完全是随机的，不可重复的。
为了确保固有特征的提取和处理容易进行，使用的彩色标识纤维的直径范围为0.3-1毫米，彩色为红、蓝、绿、黄、黑色。在含有彩色标识纤维的票据载体制作出来之后，即可由专门的企业印制各种空白票证。当票证由使用单位签发出来以后，该票证就成既包含有固有特征，也包含有内容特征的可使用的票证了。
提取票证的固有特征就是将票证中含有的彩色标识纤维检测出来并提取出每根彩色标识纤维的位置和参数。为此，可以用任何一种分辨率在200DPI以上的彩色图像采集设备，例如彩色扫描仪，彩色摄像机采集票证图像并将其输入计算机作进一步处理。
为了提高票证加密的强度，通常不对票证的全部范围进行固有特征的提取，而是用鼠标在择票证上人工地开出一个矩形窗口作为固有特征采集区域。窗口一经选定，系统自动记录窗口的位置和区域的大小。为了确保机密的可靠性，通常所选择的窗口内应当包含五根以上非单一颜色的彩色标识纤维。系统根据选定的窗口，在票据图像中调出与窗口对应的部分票据图像，并对该部分图像进行票据固有特征的处理与分析。
图像处理与分析的主要内容是利用图像的边沿检测算法和边沿跟踪算法，在选定的区域内，将所有彩色标识纤维提取出来并计算每一根彩色标识纤维的参数。这些参数包括每一根彩色标识纤维的起始位置(坐标)、直径、方向(用彩色标识纤维的坐标点序列表示)、颜色等。这些参数就唯一地表示了票证载体(纸张)上彩色标识纤维特征的存在形式，是在票证载体制作完成后以及实际使用(签发)前存在的票证固有特征，这种特征是在制造票证载体过程中随机生成的。生成固有特征完全相同的两张票证载体几乎是不可能的，也正是本发明的这一特性，确保了具有这种特征的票证具有非常高的防伪性能。
票证内容特征的形成与提取。票证本身(签发使用前的空白票证)的不可伪造并不能完全确保票证在使用过程中的安全性，这是因为空白的票证或签发过的票证落到了有诈骗企图的人手中仍然是危险的。他们可以通过在空白票证上添加需要的内容或修改已签发票证上的合法内容达到诈骗的目的，比如，可以自行刻制票证上所需加盖的印章、模仿签发人的签字、设法获得合法开户人的帐号、涂改已签发票据的有关内容(例如金额)等来达到诈骗的目的。为了真正解决票证安全问题，还必须对票证的内容进行加密和防伪。
不同的票证包含不同的内容，这里以包含内容最多的银行签发的本票为例来说明票证内容特征的形成和提取方法。对于银行本票而言，票证内容包括两部分，第一部分内容是在票证制作过程中加入的防伪特征，第二部分内容是在票证签发过程中人工加入的信息。在银行本票中，第一部分的防伪特征包括水印、金属细丝、磁性油墨、紫外波段敏感图案等，这些防伪特征虽然也可以认为是前面所述的固有特征，但与彩色标识纤维特征有本质的区别。彩色标识纤维是在票证载体制造过程中，在纸浆中加入彩色纤维而形成的，这些彩色标识纤维在票证载体中出现的位置、方向、分布都是随机的，任何两张空白票证载体都不会有完全相同的彩色标识纤维特征。而空白票证上特意印制的防伪特征，例如水印、金属细丝、磁性油墨、紫外波段敏感图案等对任何两张同类票证都是相同的。第二部分内容包括在本票签发过程中人工加入的印鉴、汉字和阿拉伯数字金额、日期等，对这一部分内容中金额的涂改会该银行造成直接经济损失。
在票证载体中的第一部分内容，例如水印、金属细丝、磁性油墨、紫外波段敏感图案等，与本发明相比，安全性明显偏低，故只对其进行验证，而不用来生成本发明提出的票证指纹的特征。票证载体上的第二部分内容，例如银行本票签发过程中人工加入的印鉴、汉字和阿拉伯数字金额、日期等，是生成票证内容特征的主要依据，提取内容特征的主要原理与过程如下所述首先在输入的票证彩色图像中的确定区域搜索印鉴、汉字和阿拉伯数字金额、日期等内容信息，然后将提取的汉字和阿拉伯数字分别向水平和垂直方向投影，？着两个投影真实地表示了这些内容信息的存在形态，是鉴别是否被涂改的重要依据。接着提取印鉴图像的位置信息，对于矩形印鉴提取四个顶点的坐标，对于圆形印鉴提取圆的圆心和半径，这些参数可以完全描述印鉴图像在票证中的几何位置。这些票证重要内容信息出现在票证载体中的精确几何位置是防止伪造和涂改票证内容的关键特征，因为无论是涂改票证内容，还是伪造票证内容都无法做到使这些票证内容出现的位置和被仿造的票证完全一样。使用的彩色图像采集设备的最低精度为200DPI，最低定位精度为八分之一毫米，目前，600DPI的彩色扫描仪定位精度高达三十二分之一毫米，伪造者要想以这样高的定位精度使票证内容信息(例如金额或印鉴)与被仿造的票证完全一样是不可能的。
票证加密信息的编码。在完成了上述的票证固有特征和内容特征的提取之后，采用信息容量更大的二维条形码。一维条形码是用黑白相间的条纹来表示信息，当被表示的信息量较大时，这种表示方法需要较大的空间。二维条形码则是黑白相间的方块来表示信息，他不像普通条形码那样只在一个方向上进行编码，而是在两个方向上进行编码，因此，在相同的面积上，二维条形码能表示的信息量要远远大于普通条形码。本发明采用了国际上广为使用的PDF-417二维条形码编码方式。首先对提取的固有特征和内容特征所包含的各种参数和数据按规定的顺序和格式进行编码，然后将该编码表示为PDF-417二维条形码图形，并将该图形用激光打印机打印在票证载体的固定区域。为了增加系统的防伪性能，采用非标准的PDF-417二维条形码，一般的条形码阅读装置无法解读，只有根据本发明设计的系统才能正确解读。同标准的PDF-417编码方式一样，本发明在二维条形码中采用了Read-Solomon纠错编码技术，使得系统存在较强噪声干扰时，仍能正确地解读出二维条形码。
票证验证。1)采用分辨率在200DPI以上的彩色图像采集设备(通常为平板式彩色扫描仪)将被验确证的票证图像输入票据验证系统；2)票证验证系统对输入的票证彩色图像进行版面布局分析，利用有关票证版面格式的先验知识和图像分割技术，从输入的票证彩色图像中分割出打印了二维条形码的区域，并读取该二维条形码；3)根据非标准PDF-417二维条形码的编码规则，对读取的二维条形码进行解读，从而得出票证固有特征和内容特征的一系列参数和数据；4)根据解读出的彩色标识纤维采集区坐标，从票证图像中读取在加密过程中所使用的彩色标识纤维区域的图像；5)对彩色标识区的图像进行分析与处理，检测出该区域内所有的彩色标识纤维，确定每根彩色标识纤维的参数(起始坐标、方向、直径、颜色)，然后与二维条形码所给出的这些彩色标识纤维的参数想比较，看二者是否一致，从而确定票证载体本身的真伪；6)从输入的票证彩色图像包含的二维条形码码中解读出各项票证内容的有关参数和数据，按照解读出的位置坐标分别确定各项票证参数所在的图像区域，并从这些区域中利用图像处理技术求得响应的参数，将求得的参数与二维条形码中解读出的对应参数比较一致性，从而确定各项票证内容是否被涂改或伪造；7)比较各项参数的一致性，是一个定量分析的过程，因此，必须有定量判别标准。本发明所使用的各项参数均为位置坐标，故可用图像的象素来表表示误差。一个象素表示的实尺寸与使用的彩色图像采集设备的精度有关，例如分辨率为200DPI的图像采集设备，一个象素的实际尺寸为八分之一毫米。用来判别一致性定量标准通常取为2个象素。
本发明与现有的方法相比，其显著优点是利用票证载体(纸张)生产过程中加入的彩色标识纤维作为代表票证载体唯一性的固有特征，利用信息处理技术解决了票证载体的防伪；同时利用图像采集与处理技术从票证内容中提取内容特征并用于防止对票证内容的伪造与涂改，并将上述两项技术结合在一起，对票证载体本身(空白票证)和票证签发时加入的内容信息同时进行防伪处理，形成每个票证所独有的“票证指纹”，通过验证该“票证指纹”即可确定该票证是否为伪造或内容已被涂改，安全性好，操作简单，使用方便。不是利用票证的制造难度来提高票证的安全性和防伪性能，而是既利用票证制造过程中形成的固有特征，又利用票据签发过程中形成的内容特征。票证的固有特征是在票证载体(纸张)制造过程中形成的随机分布的彩色标识纤维，这种彩色标识纤维不但是随机分布的，任何两个票证载体上都不会出现完全精确相同的彩色标识纤维分布。因此，用这种票证固有特征作为票证载体的防伪特征，可靠地确保了票证载体(空白票证)本身的防为性能。对票证内容的加密处理，本质上是从签发后的票证中的内容信息中提取出精确的位置与形状描述参数，利用这些参数很容易鉴别出票证内容是否被修改或伪造，从而确保票证内容的安全性，不但保证了载体本身(空白票证)的不可复制，也确保了票证内容的不可修改，从根本上确保了票证在使用与流通中的安全性。
四

图1是本发明的票证加密过程流程示意图。
图2是本发明的加密码的二维条形码示意图。
图3是本发明的票证金额的水平投影图。
图4是本发明的票证验证过程流程示意图。
五具体实施例方式
现以银行汇票防伪为例来说明本发明实施的过程。
结合图1、图2、图3、图4，票证防伪系统硬件包括扫描仪、计算机、打印机三部分。彩色扫描仪用来输入票证图像，要求其分辨率不低于200DPI，也可用相同分辨率的彩色摄像机代替彩色扫描仪。计算机为普通的PC机，在票证加密过程中，用来进行图像处理与分析，完成从票证图像中提取票证固有特征和内容特征，形成票证指纹；在票证验证过程中，用来对二维条形码进行解读并对票证图像的固有特征和内容特征进行验证，从而确定票证是否被伪造或涂改，计算机可以是连网的。打印机为分辨率200DPI以上的激光打印机或银行专用的票证打印机，用来在票证加密过程中将票证指纹打印在票证载体上。
汇票加密过程。票证加密过程为①插入IC卡，输入口令密码；②操作员签发含有彩色标识纤维固有特征的票证，填写票证内容；③将签发完的票证放入彩色扫描仪进行扫描；④票证处理计算机提取票证固有特征和内容特征；⑤将固有特征和内容特征合成票证指纹并编码；
⑥将票证指纹编码转换为二维条形码；⑦将二维条形码打印在预先确定的票证某一区域。
汇票固有特征提取与编码。汇票的固有特征是指未签发的空白汇票上具有的特征，其中包括彩色标识纤维，水印，汇票的凭证号(角码)等，这些固有特征都可以通过常规的图像处理技术提取出来。将水印的特征进行编码，取票据中心点处为(0，0)，水印所出现区域为(138，300)→(460，600)，编码为0138 0300 0460 0600；汇票角码(凭证号)为00142614，编码为00142614；彩色标识纤维特征包括形状，长度，位置，颜色等。对彩色标识纤维特征的编码为横线编码为01，斜线为02，竖线为03，圆为04等；纤维长度根据其数值编码；纤维的位置也用起始点相对与票据中心的距离编码；颜色编码为红色01，绿色02等。
汇票内容特征提取与编码。汇票内容特征是指汇票签发过程中加入的信息，其中包括用户的印章，汇票的金额。通常不对票证的全部范围进行固有特征的提取，而是用鼠标在择票证上人工地开出一个矩形窗口作为固有特征采集区域。窗口一经选定，系统自动记录窗口的位置和区域的大小。为了确保机密的可靠性，通常所选择的窗口内应当包含五根以上非单一颜色的彩色标识纤维。系统根据选定的窗口，在票据图像中调出与窗口对应的部分票据图像，并对该部分图像进行票据固有特征的处理与分析。
利用图像处理技术从汇票的彩色图像中提取出印章及金额的图像。对金额求出两种特征一是其水平投影，二是金额关键笔画与金额区域原有的横线的交叉点坐标，这两种特征就完全确定了金额的位置和笔画，是验证是否被涂改的重要依据。结合图3，一种汇票金额的水平投影图像的投影和交叉点的编码为1.水平投影编码0000000053472.交叉点编码1100110001111印章的特征包括形状，大小和位置，形状编码为圆形为0，方形为1，椭圆形为2，三角形为3等。印章大小的编码方法为外接矩形的长和宽数值，例如长为0120，宽为0080，则编码为佳1200080；位置取为外接矩形的中心相对于汇票中心的坐标。
数据加密。在对汇票的固有特征和内容特征编码完成后，将它们合成统一的编码，为了进一步提高编码的安全性，本发明利用3-DES数据加密技术对该合成的编码进行加密处理，形成加密的汇票编码。根据加密特征的多少，采用100位的数字编码。对于本例所示的银行汇票图像，最终形成的密码是0239328924321479435254890254080250227254985249929279254934979143917943141494194329002320922422342432二维条形码表示。加密码的二维条形码用激光打印机将此二维条形码打印在银行汇票的背面。
汇票验证过程。票证验证过程为①插入IC卡，输入口令密码；②将被验证的票证放入彩色扫描仪进行扫描；③在票证图像中检测出二维条形码；④对二维条形码进行解码；⑤根据解码信息，验证票证图像中的固有特征；⑥根据解码信息，验证票证图像中的内容特征；⑦对伪造票证和涂改票证内容进行综合判别与分析，给出综合判别结果。
用彩色扫描仪将印有二维条形码的银行汇票的正反两面图像输入计算机，如果系统配的是双面扫描仪，则一次扫描即可完成，否则需要扫描两次；对打印在银行汇票背面的二维条形码进行解码；对本实施例而言，其结果为0239328924321479435254890254080250227254985249929279254934979143917943141494194329002320922422342432根据解码结果确定各种特征在图像中的位置和参数；对固有特征和内容特征进行核对，其中包水印，凭证号，彩色标识纤维，印章特征，金额特征等，根据核对的结果确定被验证的银行汇票是否被伪造或涂改。
权利要求
1.一种基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法，其特征在于它由票证加密和票证验证过程组成，票证加密过程为①操作员签发含有彩色标识纤维固有特征的票证，填写票证内容；②将签发完的票证放入彩色彩色图像采集设备进行扫描；③票证处理计算机提取票证固有特征和内容特征；④将固有特征和内容特征合成票证指纹并编码；⑤将票证指纹编码转换为二维条形码；⑥将二维条形码打印在预先确定的票证某一区域；票证验证过程为①将被验证的票证放入彩色彩色图像采集设备进行扫描；②在票证图像中检测出二维条形码；③对二维条形码进行解码；④根据解码信息，验证票证图像中的固有特征；⑤根据解码信息，验证票证图像中的内容特征；⑥对伪造票证和涂改票证内容进行综合判别与分析，给出综合判别结果。
2.根据权利要求1所述的基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法，其特征在于彩色标识纤维的直径为0.3-1毫米，彩色为红、蓝、绿、黄、黑色。
3.根据权利要求1或2所述的基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法，其特征在于用鼠标在票证上开出一个矩形窗口作为固有特征采集区域，系统自动记录窗口的位置和区域的大小，所选择的窗口内包含五根以上非单一颜色的彩色标识纤维，系统根据选定的窗口，在票据图像中调出与窗口对应的部分票据图像，并对该部分图像进行提取票据固有特征的处理与分析。
4.根据权利要求1或2所述的基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法，其特征在于首先在输入的票证彩色图像中的确定区域搜索印鉴、汉字和阿拉伯数字金额、日期等内容信息，然后将提取的汉字和阿拉伯数字分别向水平和垂直方向投影，接着提取印鉴图像的位置信息，对于矩形印鉴提取四个顶点的坐标，对于圆形印鉴提取圆的圆心和半径。
5.根据权利要求1或2所述的基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法，其特征在于对提取的固有特征和内容特征所包含的各种参数和数据按规定的顺序和格式进行编码，然后将该编码表示为非标准的PDF-417二维条形码图形，并将该图形用激光打印机打印在票证载体的固定区域。
6.根据权利要求1或2所述的基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法，其特征在于采用Read-Solomon纠错编码技术。
7.根据权利要求1所述的基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法，其特征在于验证过程为1)采用分辨率在200DPI以上的彩色图像采集设备将被验确证的票证图像输入票据验证系统；2)票证验证系统对输入的票证彩色图像进行版面布局分析，利用有关票证版面格式的先验知识和图像分割技术，从输入的票证彩色图像中分割出打印了二维条形码的区域，并读取该二维条形码；3)根据非标准PDF-417二维条形码的编码规则，对读取的二维条形码进行解读，从而得出票证固有特征和内容特征的一系列参数和数据；4)根据解读出的彩色标识纤维采集区坐标，从票证图像中读取在加密过程中所使用的彩色标识纤维区域的图像；5)对彩色标识区的图像进行分析与处理，检测出该区域内所有的彩色标识纤维，确定每根彩色标识纤维的参数(起始坐标、方向、直径、颜色)，然后与二维条形码所给出的这些彩色标识纤维的参数想比较，看二者是否一致，从而确定票证载体本身的真伪；6)从输入的票证彩色图像包含的二维条形码码中解读出各项票证内容的有关参数和数据，按照解读出的位置坐标分别确定各项票证参数所在的图像区域，并从这些区域中利用图像处理技术求得响应的参数，将求得的参数与二维条形码中解读出的对应参数比较一致性，从而确定各项票证内容是否被涂改或伪造；7)比较各项参数的一致性，对各项参数的位置坐标，用图像的象素来表示误差，一致性定量标准取为2个象素。
全文摘要
本发明涉及一种基于标识纤维随机分布的票证加密及验证方法。它由票证加密和票证验证过程组成,操作员签发含有彩色标识纤维的票证,填写票证内容,将票证放入彩色图像采集设备扫描,计算机提取票证固有特征和内容特征,并将其合成票证指纹并编码,再将票证指纹编码转换为二维条形码,并打印在票证某一区域,将被验证的票证进行扫描,在票证图像中检测出二维条形码并解码,根据解码信息,验证票证图像中的固有特征和内容特征,对伪造票证和涂改票证内容进行判别与分析,给出判别结果。本发明利用票证载体的彩色标识纤维作为固有特征,利用票证内容特征用于防止对票证内容的伪造与涂改,安全性好,操作简单,使用方便。
文档编号G06K9/20GK1385823SQ0211283
公开日2002年12月18日 申请日期2002年4月1日 优先权日2002年4月1日
发明者谭寅生, 张世皓, 杨静宇 申请人:谭寅生