基於不可克隆特徵的安全物品識別以及認證系統和方法

2023-07-04 20:41:11 2

專利名稱：基於不可克隆特徵的安全物品識別以及認證系統和方法
技術領域：
本發明涉及用於對產品進行認證的系統和方法，尤其是使用可視特徵用於檢驗的 系統和方法。
背景技術：
歷史上，物品(根據該術語將考慮現實世界中的所有物理對象)的保護基於使用 自然界中稀有或很難複製、拷貝或克隆的一些特徵的技術。認證被認為是對物品的附加特 定明顯、隱蔽特徵或取證特徵的驗證處理，其可以驗證物品為真的。這些保護技術的示例很 多並且包括特殊磁粉[1]、隱形墨水、晶體或具有紅外線(IR)或紫外線(UV)特性[2]的粉 末、光學可變材料、全息圖和物理紙張水印[3]等。物品真實性的驗證基於附加特徵存在的 肉眼檢查或特殊裝置(檢測器)，特殊裝置通常具有私有性質並且由於害怕披露所使用技 術和物理現象背後的私有技術秘密，假設不被用於公共領域。
在主要風險因素中，最重要的是關於偽造物品、替換原始物品、篡改、非法交易、生 產相似物品、非法特許或以上的任何混合的威脅。
物品的識別是指給每個物品指定特定索引，其可以用於它們的跟蹤和追查。所指 定索引被編碼並且以可見條形碼[4]或無形數字水印[5]或圓點的印戳稀疏集(通常為黃 色)[6]或特別設計的存儲裝置(諸如磁帶、電子智慧卡或RFID[7])的印刷形式存儲在物 品上。明顯地，即使數據被加密，以這種方式存儲的信息也可以由任何一方讀取和拷貝。
眾所周知這些方法在認證和識別應用中的安全缺陷。除了以上技術多數是私有的 並且通過安全印刷廠保密很多年以外，它們仍然被最廣泛地使用。然而，對於大規模使用， 這些技術中的一些還非常昂貴。相反地，由於數據很容易被複製而不需要解密，所以即使使 用以上識別協議中的最先進密碼技術也不會有太多幫助。
此外，新的存儲裝置(電子晶片、RFID)對於大規模應用仍然非常昂貴。有時，不 存在將這種裝置嵌入物品結構中的可能性或者它們的存在由於多種法律、商業、市場、生態 和技術原因而不能被接受。
而且，這些技術的另一安全缺陷在於它們的粘著性。上述保護機構被添加至物品 作為獨立對象或特徵，有時改變物品的性能、外觀、設計和價值。這引起在早先保護系統中 沒有認識到的非常嚴重的複雜情況。首先，附加特徵對實際物品和其專有特性和物理性質 沒有任何作用。其次，所有這些保護特徵都可以由現代手段相對容易地再生。
與此同時，多年以來公知的是，由於擁有很難克隆或拷貝的特定特徵，所有的物和 人都是唯一的。這些不可克隆特徵是用於物理對象表面的隨機微觀結構和用於人的生物測 量(指紋、虹膜等)。不可克隆特徵由自然界形成並且自然地結合到物品中。然而，考慮到 多種優點並且屬於非粘著的，不可克隆特徵僅在最近才變為深入理論研究的主題，這主要 得益於廉價的高解析度成像裝置設計上實現的進步。
為了通用起見，將物理不可克隆特徵(例如，在一些環境中為指紋)限定為由對 象、產品或文檔攜帶的唯一特徵。這種特徵的主要性能為(a)它們可以以簡單的方式被提取和估計，但是(b)它們很難表徵，並且(C)實際上不能被拷貝(克隆)。不可克隆特徵基於 由自然界創造的隨機性，實際上存在於以透明或反射模式在相干激發或非相干激發(光) 下觀測到的所有物理結構中。有時，該隨機性可以為手工的。不可克隆特徵的示例包括紙 張、金屬、塑料、纖維、斑紋、木材、有機材料、晶體和寶石、複雜分子結構等的微觀結構。從 而，不可克隆特徵的主要應用為用於識別和認證目的的防偽造。
雖然識別/認證問題的魯棒性-不變性方面得到了大量關注，尤其是計算機視覺 方面，但是安全性問題仍然是公開的、很少研究的問題。這方面可能對諸如內容、對象、個體 認證和識別、篡改證據、同步、取證檢定以及品牌和藝術品保護的安全性應用有很大影響。
基於不可克隆特徵的有效識別/認證技術的設計是非常具有挑戰性的問題，其應 當尋找所覆蓋的多種衝突需求之間的折衷辦法
對失真的魯棒性或可靠性，S卩，識別/認證函數在應用至相同數據的合理失真 下產生準確結果的能力，包括信號處理和去同步變換；
安全性，S卩，攻擊者無能力使用關於碼本、決策規則等的洩露信息再生物理不可 克隆特徵或欺騙識別/認證處理；這還包括類似於散列函數的單向性能或不可逆性性能 (即，給定索引和碼本構造，尋找原始數據在計算上非常昂貴)，以及無衝突性能，其是指給 定輸入和識別/認證函數，在計算上很難找到第二圖像，使得在允許失真的區域之外生成 相同結果的事實。
複雜性，S卩，在不考慮準確性損失的情況下，執行具有最低可實現計算複雜性的 識別/認證的能力；
存儲器存儲，即，需要存儲用於分類的碼本或特徵的存儲器；
普遍性，S卩，在缺乏關於輸入資源分布和包括幾何去同步的信道失真的統計數 據的情況下，最佳識別/認證構造的實踐方面。
以上要求非常接近於魯棒性感性單向散列函數[8，9]。然而，在本發明的範圍內， 將提出不同的更通用方法，其中，魯棒性感性散列可以被認為是特定情況。這種方法基於在 由密鑰限定的安全域中的安全低複雜性多假設測試。這種方法還在存儲器存儲要求方面有 效並且在關於資源分布的現有技術方面通用。
微觀結構和隨機性
在多種環境中，已經調查了通過分析關於真實物品的難以複製、不同種類/不同 族或「隨機」的微觀結構來識別和認證產品、文檔、對象和物品的可能性。微觀結構具有隨 機特性並且對於所有物品來說是唯一的。微觀結構的隨機圖案通常由材料(紙張、金屬、塑 料等)的物理特性和數據獲取方法來確定。獲取方法應當廣泛考慮並且包括光學、聲學、機 械、電磁和其他原理。然而，在本發明的範圍內，將集中於光學技術，這是由於廉價和高性能 相機的廣泛分布以及它們在大部分掃描器、手機、PDA和網絡攝像機中的存在，使得獲取廉 價並且可用於實際的任何人。用於獲取微觀結構的光學技術根據相干或非相干光、反射或 透射光、2D(平面)或3D(立體)成像以及光譜帶(可見光、頂或而)的使用被分為多個 組。事實上，可以使用能夠再生隨機性的任何裝置。
相干光獲取假設存在通常使用雷射器實現的同步光源。其允許形成所謂的微觀結 構的斑紋圖案。然而，雷射器的需求要求特殊裝置的設計，這嚴格限制了它們在便攜裝置中 的使用。這就是我們為什麼考慮通過在正常日光條件下觀測對象來實現非相干方式的原因。
當對象表面反射入射光並且成像裝置記錄反射光時，反射光成像通常用於簡單設 置中。透射光成像是指當入射光通過成像裝置被記錄在物品的背面上時的情況。就科學觀 點而言，在實際中可以使用兩種模式。然而，透射光成像僅可以與用於光學透明或半透明物 品一起使用或者使用諸如頂或X-射線的特定波長。
與2D情況相比，3D獲取通常更有教益。然而，其要求更複雜的設備，包括激勵和投 射物品的相干源。另外，3D成像需要用於存儲的更多存儲器和傳輸帶寬。對於可攜式通信 裝置，MMS消息轉發已經是通用支持標準。從而，能夠快速引入和分配所提出的技術，我們 將集中於2D成像。然而，應當指出，所提出的方法還可以成功地與現有3D成像技術一起使用。
最後，獲取微觀結構圖像的光譜還非常寬並且包括可見光、IR、UV、毫米波和X-射 線帶。大體上，現代CCD和CMOS陣列被調節成對於光學帶具有最好的敏感性。然而，一些 陣列同時還在頂帶中具有可接受的敏感性。從而，可以同時使用可見光和頂帶。
自然隨機性的示例非常多並且我們將考慮最典型和最有代表性的一個。J. Brosow 和E. Furugard描述了用於認證的目的的隨機缺陷在對象的基本材料中或上的使用[10]。 還描述了將關於對象的缺陷轉換為二進位碼的裝置。在[11]中披露了使用物品的可區別 物理或化學特性的類似可能性。作為可區別特性，該發明提出考慮物品表面的微觀外形。 描述了在不同照射角度下的多視角掃描。在用於多種材料(包括金屬、木材、有機材料、有 生命細胞、晶體和寶石等)的不同波長和不同記錄方法的反射或投射模式下觀測微觀外形 特性。目標應用涉及物品認證，其中，利用減法手段從圖像提取特徵向量或者從在不同觀察 條件下獲取的圖像提取特徵向量。應用冗餘度壓縮，以生成約900個特徵，其以在物品表 面上的條形碼的形式被不對稱地加密並被編碼用於再生。在認證階段，將從待認證的商品 表面提取的特徵與從印刷條形碼提取的特徵進行比較，以基於互相關分數推斷關於真實性 的決策。所披露的方法使用固有同步(intrinsic synchronization)，這是由於精確的商 品布置和圖形設計。可以使用被調節以確保在不同角度照射的典型掃描器執行認證。在 Thales [12]的發明和hgenia Technology [13-16]的系列專利中還披露了一種類似方法， 其中，相干輻射和顯微鏡被用於在可見光JR和UV帶中的微觀結構記錄。除了進行物品認 證的類似方法之外，以上發明還描述了物品的識別，主要是指紙張和紙板物品。類似於先前 的方法，使用包括圖像下採樣的多種技術從微觀結構圖像提取約500個特徵，以形成數字 籤名，其與整個圖像聯合存儲在資料庫中用於未來視覺研究。通過使用所提取籤名與存儲 在資料庫中的籤名的互相關，在整個資料庫中進行窮舉搜索來執行識別。類似於先前的發 明，在不利用關於安全性的任何約束的情況下提取特徵。由De La Rue[17]提出描述微觀結 構圖像的相干獲取的另一個發明。在[18]中提出了基於光學顯微鏡獲取的類似發明，其提 出了獲取將被保護的物品的小區域的圖像，諸如繪畫、雕刻、印花、寶石或特定文檔。在[19] 中描述了諸如色粉粒子的顆粒結構的附加特徵的取證分析。
Group[20-26]獲得專利的發明中還描述了用於物品認證和識別的技 術。兩個最新發明涉及三維結構，同時該申請的其他部分描述了平面(二維)結構。物品 表面的微觀結構被作為商品和資料庫之間的唯一連結，其可以用於多種安全性應用，包括 跟蹤和追查以及文檔管理系統。類似於先前描述的發明，關於真實性和識別的決策基於使用專用掃描裝置從微觀結構數據推斷的提取特徵獲取的互相關分數。附加模板和圖形設計 用於同步。在同一作者的論文[27]中，在關於微觀結構和遠非實際的噪聲的統計資料的高 斯假設下執行性能分析。對於大資料庫，標準化互相關也不是可行方法。
在Fuji Xerox公司和Alpvision的發明中實現了這些方法的進一步擴展，其中， 主要披露了物品識別。Fuji Xerox的發明[28]描述了基於註冊階段在安全伺服器上提取 和存儲的不可再生特徵進行文檔驗證的構造和手段。在驗證階段，使用標準化互相關作為 匹配分數的量度標準(measure)，將所提取特徵與存儲在伺服器上的特徵進行匹配。特徵信 息被認為是表示圖像形成材料對於反射或投射光的散射狀態的至少一種信息。Alpvision 的類似發明[29]藉助再次被認為是互相關分數的給定匹配度量的明確同步研究了在非幹 涉光中多種掃描解析度下的不同表面的微觀結構。匹配被應用至壓縮或下採樣的微觀結構 圖像，以加速匹配處理。另外，與先前發明相反，以窮舉搜索形式在整個資料庫中執行匹配， Alpvision的發明主張樹狀搜索，樹基於下採樣的圖像進行分組。在互相關之前的旋轉補償 的特定方法基於圖像光譜的角度不失真而存在。存儲器存儲要求對於所考慮掃描解析度來 說仍然非常高，並且甚至在用於大量條目的所考慮樹形搜索方法中，互相關數量特別大。直 接非保護壓縮形式的掃描圖像的存儲還增加了嚴重的安全擔憂。在David Sarnoff研究中 心[30]的申請中提出了基於層次多解析度數據分組的樹形搜索，並且在[31]中主張互相 關匹配。
謹記安全擔憂，基於物理單向函數的技術應當表現出對以上方法的合理替代方 式。物理單向函數為一種密碼系統的物理模擬並且試圖模仿加密散列函數。例如，P.S Ravikanth[32]描述了這樣一種用於在幹涉光中進行三維探測認證的單向函數。使用伽柏 變換將斑紋圖像解壓縮成多解析度表示，其中，提取魯棒性特徵以形成M00位散列。
如在實驗室條件下已知和非常推薦的，自然隨機性識別/認證在實際中不幸地沒 有變為通用技術。嚴格限制其使用的主要原因是需要使用用於獲取的特定裝置。在這些環 境下，不可克隆微觀結構的所有優點已經被減少到幾乎私有使用。這對於實驗室實驗是可 接受的，然而，當在不使用特定裝置、額外訓練和成本的情況下在任何時間快速地執行識別 和認證時，這不是普通人的解決方法。另外，對資料庫的安全存儲和用於識別和/認證的公 共提取特徵的披露的需要，增加了對這種系統的安全性方面的嚴重擔憂。發明內容
在本文檔中描述的發明是一種用於使用由自然或人類創建的唯一不可克隆微觀 結構特徵對產品、物品、對象和包裝進行安全和可靠識別與認證的方法和裝置。在本申請 中，隨機微觀結構的不可逆表示被計算並且以內存有效和安全形式存儲在資料庫中。為了 進一步認證的目的，派生出被附著至需要被認證的物品上的補充索引。在識別階段，獲取表 面微觀結構的圖像並且推斷關於物品識別索引的決策，以在安全域中應用魯棒性和快速決 策過程。在認證階段，使用附著至物品的補充索引做出關於物品真實性的決策，並且決策過 程將該索引與作為邊信息(side information)的物品表面微觀結構的圖像融合。
所提出的解決方案簡單，成本低，並且權衡以上魯棒性、安全性、複雜性、存儲器存 儲和普遍性要求。本發明的系統可以使用公共便攜裝置，諸如例如裝配有VGA解析度或更 高解析度相機的全世界大多數用戶擁有的手機中。當全球智能網絡由用戶本身建立並且每個物品均可以在世界範圍內被檢驗、跟蹤和追查時，檢驗裝置的這種廣泛分布產生了空前 情形。其結果可以被記錄在中央伺服器上，並且先前從客戶和製造者不了解受益的偽造者 的工作將會相當複雜。為了增加微觀結構的詳細情況，我們將使用簡單的微距鏡頭，其在很 多商店或網際網路中都可以得到。這些微距鏡頭可以被直接集成到手機或者簡單添加至物品 和包裝上。
因此，所提出發明的主要優點可以概括如下
安全性以開放或者甚至加密(需要在識別/認證之前先解密)形式存儲物品表 面圖像(指紋)、它們的壓縮版本或特徵是不安全的。資料庫的披露可能導致反向工程的嘗 試和假指紋的產生(生物指紋應用方面的這些嘗試在[33]中已知)。同時，擁有從表面微 觀結構圖像提取的區別特徵，攻擊者可以使用所謂的敏感性攻擊來推斷關於識別/認證過 程的決策區域的信息。本發明使用類似於原始物品表面圖像到二進位數或實數的映射的不 可逆單向加密，避免了這些可能性，其中，二進位數或實數表示安全密鑰限定域中的向量之 間的相對關係。
存儲器存儲所獲取採樣的直接存儲要求M' N1' N2' P位，其中，M是資料庫中 的條目數，N1,隊是以像素為單位的圖像的維度，以及P是每個像素的位數。基於小波的高 級壓縮算法的使用可以幫助將其數量減少約100-150倍。例如，假設對於具有一千萬個條 目的資料庫來說，壓縮為1 100，則具有解析度MOOdpi的0.5mm χ 0. 5mm圖像的掃描會 要求約100G字節。所應用的壓縮明顯有損耗，影響圖像質量並且可能嚴重降低驗證過程的 準確性。而且，100G字節的存儲和分布對於諸如手機、PDA等的多數便攜裝置都是非常不實 際的。而且，考慮對於一件物品來說條目數量增加到數百萬甚至上千萬，並且假設存在多種 不同物品或者提供相同驗證服務的不同製造者，這變為對靈活驗證協議的嚴格限制。由於 在所提出的驗證過程(包括識別、認證、跟蹤和追查)背後完全不同的基本原理，本發明不 存在以上缺陷。所提出的發明要求存儲參考距離或一種具有至多MxL位的魯棒性散列，其 中，L為二進位散列值的長度。例如，對於一千萬個條目的資料庫和25位散列來說，將要求 約31M字節，這可以通過多數當前可用的存儲卡和通信協議容易地處理。
複雜性使用互相關技術為了識別的目的在資料庫中搜索與給定採樣最佳匹配的 時間的特徵在於複雜性O(M)。還可以假設使用對複雜性為0(N' log(N'))的尺寸減小 或壓縮圖像(應用壓縮以解決存儲器存儲要求)的快速傅立葉變換(FFT)有效地計算互相 關，其中，N'為N的減小尺寸。在此，還應當考慮解壓縮時間，對於大M來說，解壓縮時間可 能是嚴格限制。可以使用均衡最新技術發展水平(state of the art)樹形搜索克服以上 問題，其要求約0(lOg(M))計算。然而，對於熟知的可選kd-樹[34]，這種良好的優點通常 僅在特徵空間中的採樣點密集(即，M >> 2n)時實現。例如，對於具有N = 1000x1000圖 像的一千萬個條目的資料庫，不擁有這種條件。通過從所獲取表面圖像創建特別構建的數 據庫(碼本)並且計算到基於本發明一部分中的密鑰選擇或生成的參考碼字的相對距離， 或者創建為了識別和認證目的可以有效地用作到資料庫條目的直接指針的短字串二進位 表示，為了識別的目的，本發明可以進一步增強搜索過程的效率。另外，採樣不被直接存儲 在資料庫中的事實提高了整個系統的安全等級。處理密鑰生成本身的方法可以根據已知過 程來執行。主要點在於所使用的變換，其不是公共的並且可以僅用於信任用戶/服務。
可靠性和驗證準確性通過壓縮、下採樣、應用以處理搜索的複雜性和存儲器存儲要求的特定特徵提取來減小所獲取採樣的尺寸的嘗試，不可避免地導致關於識別/認證準 確性的性能的下降。為了證明這種情況，假設關於二進位驗證誤差的平均概率的切爾諾夫 邊界(Chernoff bound) PeKe-m^ [35,36]用於識別過程的性能估計，其中，Ρ(ι、Ρι是用於 兩種假設的分布，並且D(Ptl，Pl)表示切爾諾夫距離。如果一個將多到一映射應用至數據(利 用量化、下採樣等的壓縮)生成新的分布氕，A，這減小了切爾諾夫DO^/^)2/)( ,艿)。 切爾諾夫距離的減小將顯著增加誤差的概率，從而降低識別準確性。等式僅在假設授權訪 問權利有效的安全域中作為本發明一部分的可逆變換的情況下是可能的。類似結果對於認 證是有效的並且可以擴展至信號相似性的其他度量。本發明描述了這樣一種變換，其保留 或不顯著減小距離或者可以在對用於授權訪問權利持有者的微觀結構圖像的分類的特定 約束下可逆。而且，可以使用在本發明中考慮的決策或位正確性提取測試，顯著改善可靠性 和驗證準確性。由於決策可靠性與將被投射的數據和所提出的變換的基本函數之間的關係 直接相關的事實，所以這是可能的。
普遍性多數已知解決方案對獲取條件的改變非常敏感並且要求特殊設計的同 步。同步主要基於特殊設計模板/符號的添加或已經存在的模板/符號(諸如，標誌、條形 碼等)(固有模板)的使用。這顯著地限制了可能改變物品外觀或者要求重新設計用於每 個新物品的算法的這些技術的應用。由於在做出決策之前不需要明確理想同步的識別/認 證規則背後的整體不同思想，本發明沒有這些缺點。而且，可以使用任何可用掃描器或便攜 裝置執行識別/認證。
本發明主要目的在於需要防止被偽造的任何商品、物理對象或材料。本發明可以 應用於(但不限於)以下應用防偽、品牌保護、藝術品對象、跟蹤、追查、質量和完整性控 制、市場研究、產品推廣和抽獎。目標產品和商品包括(但不限於)多種奢飾品(手錶、珠 寶、香菸、酒、衣服和鞋等)，藥用產品，消費品或家用產品，多種電子和機械裝置或其組件中 的一些，以及籤條、標籤、包裝、盒子、裝貨發票、以及與產品相關的用於認證或證明的多種 列印文檔。可以通過多種印刷技術(諸如，噴墨、固態墨、雷射_、凹版_、凸版_、平板_、絲 網_、凹版-柔版印刷或塗覆技術)再生認證信息。


附圖中示出
圖1 使用由自然或人類創造的唯一不可克隆微觀結構特徵所提出的物品認證/ 識別系統的註冊部分的實施例。由以VGA或更高解析度操作的相機在製造處理期間獲取的 物品的表面微觀結構X(m) (1)的圖像被用作到安全密鑰相依(K)單向映射Ψ O)的輸入， 其中，假設圖像的維度N = N1XN2, VGA或更高解析度與典型便攜裝置(手機、小型PC、智 能電話、PDA、掌上電腦等)或網絡相機的光學性能兼容。單向映射性能表示在沒有密鑰並 且假設輸出比指數或超級多項式複雜度更快的情況下，執行輸入的恢復的計算不可行性。 所獲得的映射輸出d(m)(其為二進位數(CljOn) e {0，1}，1彡j彡L)，整數(+(πι) e Ζ, 1 彡 j 彡 L)或實數(CliOii) e P，1 ≤ i ≤ L)的 L-維向量(d(m) = W1 (m)，d2(m)，· · ·， dL(m)]))可以被認為是隨機微觀結構的散列或不可逆表示，並且被存儲在資料庫(3)中。
圖2:使用由自然或人類創造的唯一不可克隆微觀結構圖像所提出的物品認證/ 識別系統的識別部分的實施例。由VGA或更高解析度的消費者/服務用戶便攜裝置(手機、小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電腦、可攜式驗證裝置等)的相機獲取從所披露區域提取 的物品的表面微觀結構y(4)的圖像被用作安全密鑰相依(K)的單向映射Ψ O)的輸入， 其中，VGA或更高解析度與在註冊階段(圖1)由製造商使用的光學性能兼容，該圖像被假 設為維度N的向量。所獲得的映射輸出d(其為二進位數(CljOii) e {0,11,1^ j ^L), 整數(djm) e Z，1彡j彡L)或實數(djm) e {0，1}，1彡j彡L)的L-維向量(d(m)= [Cl1(Hi), d2(m),..., dL(m)]))可以到達匹配階段(5)，在匹配階段(5)，關於建立在向量、分 布之間的距離的特定標準(最小距離、最小方差、最小偏差等)或者包括瞬間的物品函數以 及在任意指定域中的特徵函數，驗證d和資料庫C3)條目d(i)，l < i SM之間的緊密性 (closeness)，並且將最小化該標準的散列d^的索引&指定為物品標識符。可以將多個最 接近結果指定為輸出識別的列表。在M個資料庫條目均不滿足標準的情況下，不建立物品 的身份，其以適當形式通知給請求方。
圖3 基於參考距離，使用由自然或人類創造的唯一不可克隆微觀結構特徵所提 出的物品識別/認證系統的註冊部分的實施例。由以VGA或更高解析度操作的相機在製造 處理期間獲取的物品的表面微觀結構X(Hi)(I)的圖像作為到不變域距離計算框(6)的輸 入，其中，VGA或更高解析度與典型便攜裝置(手機、小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電腦等) 的光學性能兼容。在此階段，對於在與獲取處理的缺點或導致協議去同步的對抗者/攻擊 者惡意活動(就像旋轉、轉化、一般仿射變換等)相關的特定類型惡意或非惡意修改(傅立 葉-梅林變換域、隨機變換域、過完備域、投影變換域等)不變的特定域中，計算所獲取數 據x(m)⑴和一組L參考碼字Xlr(j)，1彡j彡L之間的距離向量cf (m)。通過由一組標量 量化器構成的密鑰相依向量量化器％(.)安全地量化所獲得的L-維向量cf(m)。量化輸出 被傳輸至位索引分配(9)，其中，生成參考距離資料庫(10)。該生成根據以下策略執行。通 過標量量化器％(.)量化被指定用於一些索引的特定距離《(Μ)，^·/<Ζ (11)。相應二進 制文件(bin)的索引指示查找距離表，其中，量化距離碼字《("0被指定給查找距離表。從 而，可以通過相應二進位文件的索引來觀測碼字分組。在給定碼本中對所有碼字執行，所得 到的用於制定參考系統的碼字組的索引表示一類散列表(HT)。最後，通過用於所有索引的 xr(j)，1彡j彡L的各自HT的級聯獲得參考距離的資料庫。
圖4 基於參考距離，使用由自然或人類創造的唯一不可克隆微觀結構特徵所提 出的物品識別/認證系統的識別部分的實施例。由VGA或更高解析度的消費者/服務用戶 便攜裝置(手機、小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電腦等)的相機獲取從物品提取的物品表面 微觀結構y(4)的圖像作為到不變域距離計算框(6)的輸入，其中，VGA或更高解析度與在注 冊階段(圖幻製造商使用的光學性能兼容。在此階段，對在與獲取條件的缺點或導致協議 去同步的對抗者/攻擊者惡意活動(就像旋轉、轉化、一般仿射變換等)相關的特定類型惡 意或非惡意修改不變的特定域中，計算所獲取數據y (4)和一組L參考碼字f (j), 1 ^ j ^ L 之間的距離向量cf。通過由一組標量量化器構成的密鑰相依向量量化器％(.)安全地量化 所獲得的L-維向量cf。量化輸出(散列索引)被傳輸至散列表中的搜索框(1 。在此階 段，在滿足操作複雜性的要求時，為了減少做出搜索空間基數的決策，系統通過從參考距離 的資料庫(10)僅選擇滿足具有cf的特定距離約束的那些條目來生成潛在候選者列表(根 據平方或加重平均距離、方差或任何其他措施)。這僅通過對應於量化索引cf的那些距離查 找表初步約束搜索空間基數來實現。通過僅從先前限制列表中選擇最可能的那些碼字(基於多數投票或交集原則)來執行候選者列表的最後生成。在最後階段，使用Cf和來自候選 者列表的距離做出關於物品的身份的最大似然(ML)決策(13)。在最終候選者列表中沒有 候選者滿足決策標準的情況下，否決物品的身份。修改後的ML還假設接受物品身份的多個 候選者。
圖5 基於參考碼字距離的參考列表識別的示例。由VGA或更高解析度的消費者 /服務用戶便攜裝置(手機、小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電腦等)的相機獲取物品的表面 微觀結構y (4)的圖像，其中，VGA或更高解析度與在註冊階段(圖3)製造商使用的光學性 能兼容。假設參考碼字列表僅包括兩個元素Xlr(I)和xl2)，即，L = 2，計算相應參考距離 dr =[<，<]。在假設微觀結構碼字的高斯統計並且N足夠大的情況下，希望所有χ都集中 於半徑與高斯分布及其長度的方差的平方根成比例的球體的表面上。然後，用於關於物品 身份的最大似然決策的最終候選者列表(圖4)被獲得為碼字組的交集，該交集包括滿足分 別由於對參考碼字Xlr(I)和的獲取信道統計導致的用公式表示的特定等距離約束的 候選者。在理想條件下，最終列表將僅包括單個候選者(標記為白色)，並且系統將模仿加 密散列。然而，在通常情況下，最終設定的基數大於1並且取決於由相機解析度、照明條件 等限定的獲取條件。
圖6 基於隨機化投影，使用由自然或人類創造的唯一不可克隆微觀結構特徵所 提出的物品識別/認證系統的註冊部分的實施例。由以VGA或更高解析度操作的相機在 製造處理期間獲取的物品的表面微觀結構x(m)(l)的圖像作為到投影框(15)的輸入，其 中，VGA或更高解析度與典型便攜裝置(手機、小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電腦等)的光 學性能兼容。在此階段，其被投射到一組隨機數和以安全方式生成(基於安全密鑰K)的一組L基本向量f j<L (14)。假設每個投影p.,IS Z均被用於生成一個單一元素一J一J^M)。然而，多個投影可以被生成用於同一 j，從而得到向量。進一步地，使用向量符 號用於該操作。隨機化投影的主要目的是三方面。首先，證明這種投影能夠提供其輸出到 一些種類的信號處理操作[8]的一定不變量。第二，(15)的密鑰相依通過隨機化特定轉換 域，增加了一定安全等級。第三，為了滿足計算複雜性約束，通過特定選擇L < N來實現維 數減少。最後，在資料庫(16)中收集投影輸出S(m)。
圖7 基於隨機化投影，使用由自然或人類創造的唯一不可克隆微觀結構特徵所 提出的物品包裝識別系統的識別部分的實施例。由VGA或更高解析度的消費者/服務用戶 便攜裝置(手機、小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電腦等)的相機獲取的物品的表面微觀結構 y(4)的圖像作為到投影框(1 的輸入，其中，VGA或更高解析度與在註冊階段(圖6)製造 商使用的光學性能兼容。在此階段，其被投射到一組隨機數和以安全方式生成(基於安全 密鑰K)的一組L基本向量(14)。在圖6的描述中證明這種投射的原因。投影 的輸出被傳輸至匹配( 階段，其中，關於特定標準(最小平方或加重平均距離、最小方差、 最小偏差等)驗證歹和資料庫(16)條目 (0,^丨《似之間的緊密度，並且滿足該標準的特 定資料庫條目對甸的索引W被指定為物品標識符。在M個資料庫條目中沒有條目滿足該標 準的情況下，否決物品的身份。
圖8 基於隨機化投影和基於二元假設檢驗的索引資料庫生成，使用由自然或人 類創造的唯一不可克隆微觀結構特徵所提出的物品識別系統的註冊部分的實施例。由以VGA或更高解析度操作的相機在製造處理期間獲取的物品的表面微觀結構x(m) (1)的圖 像作為到投影框(15)的輸入，其中，VGA或更高解析度與典型便攜裝置(手機、小型PC、 智慧型電話、PDA、掌上電腦等)的光學性能兼容。在此階段，其被投射到一組隨機數和以 安全方式生成(基於安全密鑰K)的一組L基本向量已，^·7、Ζ (14)。然後，投影輸出 =被傳輸至決策做出步驟(17)。在此，基於它們與密鑰相依閾值的比較做出二元決策(17)。在下一階段，所獲取的二元決策被結合到一起(級聯、結合等)， 以生成用作物品索引(18)的索引m的二進位L-維表示。最後，所獲得的二進位索引被安 排到索引資料庫(19)中。另外，可以證實每個二元決策(17)的可靠性並且僅考慮可靠決 策或位來生成索引m的理想L-維表示。二元決策的可靠性可以基於數據X(m)和基本向量之間的角度。角度越接近90度，所能觀測到的可靠決策越少，並且當角度偏離 90度時，對多種失真的可靠投影就越多。從而，投射數據的絕對值可以為決策可靠性的很好 量度標準。
圖9 基於隨機化投影和基於二元假設檢驗的索引資料庫生成，使用由自然或人 類創造的唯一不可克隆微觀結構特徵所提出的物品識別系統的識別部分的實施例。由VGA 或更高解析度的消費者/服務用戶便攜裝置(手機、小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電腦等) 的相機獲取的從商品和產品循環的開放環境提取的物品的表面微觀結構y(4)的圖像作為 到投影框(1 的輸入，其中，VGA或更高解析度與在註冊階段(圖8)製造商使用的光學性 能兼容。在此階段，其被投射到一組隨機數和以安全方式生成(基於安全密鑰K)的一組L 基本向量已^「丄「化然後，投影的輸出歹…^義㈨丨，^^^，…，^…講皮傳輸至決策 做出階段(17)。在此，基於它們與密鑰相依閾值的比較做出二元決策。在下一階段，根據在 註冊階段選擇的方法，將所獲取的二元決策結合到一起(級聯、結合等)，以生成用作索引忐 (18)的二進位L-維表示。最後，應用根據最小標準、方差、Levenstein距離、變形或動態編 程等的魯棒性匹配過程00)，以確定最小化所選匹配標準的特定索引資料庫(19)的索引 m。在找到這種匹配的情況下，m被指定為物品標識符，還假設多個最接近匹配結果。在M 個資料庫條目中沒有條目滿足該標準時，否決物品的身份。而且，每個二元決策(17)的可 靠性的使用使得可以選擇最可靠決策或位，以生成索引m的最終L-維表示。這種方法導致 顯著減小每個二元決策的誤差概率以及識別和認證的整體誤差平均概率。而且，由於二元 決策向量/索引的誤差數顯著減少，所以可能候選者列表變小，使得加速了匹配過程。
圖10 基於分布式編碼架構和安全投影，使用由自然或人類創造的唯一不可克隆 微觀結構特徵所提出的物品認證系統的註冊部分的實施例。由以VGA或更高解析度操作 的相機在製造處理期間獲取的物品的表面微觀結構x(m)(l)的圖像(即，假設為維度N的 向量)首先可以使用變換Φ (可以為隨機投影(14-1 或參考碼字變換(6-7))被變換為 x(m)，然後被傳輸至分布式編碼器(21)，其中，VGA或更高解析度與典型便攜裝置(手機、 小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電腦等)的光學性能兼容。編碼器可以使用變換域碼字的分 布和維度訪問基於隨機裝箱(binning)策略生成的碼本。這意味著，通過每個二進位文件 中的J序列粗略地將碼字隨機分布在S個二進位文件中。然後，給定輸入，編碼器查找 該碼本並且生成索引對A和B，其中，B保留用於二進位文件，對應於的碼字被存儲，以 及A表示在第B個二進位文件中的該碼字的索引。而且，使用利用密鑰K的一次填充來加密索引A。在下一階段，B和K A被傳輸至結合框(22)，其中，分別通過純索引和加密索 引B和K A的級聯或任何其他無損結合來獲得最終向量[B，K AJ0還可以加密索引B 並且從A計算散列而不加密。0 的輸出被用於在物品表面上的再生和根據在數據 庫中的存儲。
圖11 基於分布式編碼框架，使用由大自然或人類創造的唯一不可克隆微觀結構 特徵所提出的物品認證系統的認證部分的實施例。由VGA或更高解析度(其中，VGA或更 高解析度與在註冊階段(圖10)製造商使用的光學性能兼容)的消費者/服務用戶便攜裝 置(手機、小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電腦等)的相機獲取從商品和產品循環的開放環境 提取的物品的表面微觀結構y(4)的圖像可以使用圖10中描述的變換Φ被轉換為歹，並且 該圖像可以被給定作為到分布式解碼器04)的輸入。在此階段，使用歹和在物品表面上出 現的可用邊信息B結合的索引[B，K Α]生成索引A的估計2。所獲得的結果2被用於經 由其利用[K Α]的一次填充推斷對密鑰的估計。在決策框05)中將估計玄與原始密鑰 K進行比較。還可以將註冊階段的A的散列版本與來自估計^的推斷散列進行比較。在比 較結果滿足根據加重平均或標準化加重平均距離或任何其他距離度量做出約束的某一決 策的情況下，物品被指定為可信的。在相反的情況下，否決其認證。
圖12 物品索引魯棒性生成的示例。由以VGA或更高解析度操作的相機在製造處 理期間獲取的物品的圖像被轉移至一些變換域(傅立葉、傅立葉-梅林變換等可以為有效 候選者)，其中，VGA或更高解析度與典型便攜裝置(手機、小型PC、智慧型電話、PDA、掌上電 腦等)的光學性能兼容。對於圖像或者用於向量的框，使用隨機化部分重疊扇區執行所獲 得的變換表示的極性分析。每個第i扇區中的隨機化權重IeAreH (27)均被用於雙 重目的。首先，其起到用於物品的表面微觀結構的安全變換的作用並且其結果可以被存儲 在資料庫08)中作為一類散列。第二，從扇區的部分重疊對獲得的這些數據被用於形成加權和
權利要求
1.一種在計算機可讀介質上編碼的計算機實現方法，所述方法掃描物品用於快速且安 全識別和認證有價值物品，或者識別它們的有效性、有效期限或來源，所述方法包括以下步 驟(a)使用認證的成像裝置獲取物品表面的微觀結構圖像；(b)將所獲取的圖像變換到密鑰相依安全和不變域；(c)使用所變換的數據用於具有識別目的的物品註冊包括將步驟(b)中所得到的數 據存儲在與關於製造或註冊的物品的識別信息聯合的結構化索引的資料庫中；以及用於具 有認證目的的物品註冊包括基於密鑰將步驟(b)的數據編碼為安全認證物品索引，接下 來在所述資料庫中將其存儲或者在所述物品表面上進行再生，包裝或隨附認證文檔、證書 或卡；(d)通過以下方式來驗證正被檢測的物品使用認證或未認證成像裝置獲取微觀結構 的圖像，將所獲取的圖像變換到密鑰相依安全和不變域，以及通過在可能候選者列表中使 用搜索做出關於物品身份的決策並且判定單個或多個匹配來建立其身份，並且通過獲取在 步驟(c)中註冊的認證索引、從所述索引和變換的數據解碼所述認證數據並且使用用於注 冊的同一密鑰做出關於產品真實性的決策來建立其認證；(e)相應地，在請求和關於請求方的信息的資料庫中記錄所述請求和步驟(d)的結果 並且通知所述請求方關於請求執行的結果。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，由被信任方執行所述註冊(c)，並且在直接具有 公共共享資料庫的便攜裝置上或者在具有可能的公共資料庫的被信任伺服器上由所述被 信任方或未知用戶執行步驟(d)。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述獲取功能(a)使用具有需要的放大且具有 指定照明波長和角度的非相干光的高速工業相機或掃描器進行的獲取結果，同時所述獲取 (d)使用具有相同或更低解析度的固定裝置或便攜裝置的任何相機作為用於(d)的相機。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述不變變換功能(b)和(d)使用在所述物品表 面、透明物品覆蓋物或包裝上直接再生或集成到具有可添加光學放大結構的物品表面上的 明確添加的同步標記或符號，或者使用隱式特徵，諸如用於印刷(包括圓網印、線網印、橢 圓網印、凹版網印、隨機網印、幾何網印、連續色調網印或用戶可編程網印)的半色調圖案 的規則結構、集成晶片或具有限定位置、文本結構、圖形元素或它們的部分(包括線段、曲 線、多邊形)或它們的傅立葉幅度譜或諸如過完備或傅立葉-梅林係數的不變域係數的其 他數據載體。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述安全密鑰相依變換(b)和(d)包括所獲取 數據的密鑰相依隨機投影或基於密鑰的參考碼字變換，所述基於密鑰的參考碼字變換建立 在所獲取數據和密鑰限定參考碼字之間的距離。
6.根據權利要求1和5所述的方法，其中，以如下方式在所述幅度圖像頻譜上聯合地執 行所述不變域變換和密鑰相依投影通過從圖像頻譜的指定可能重疊區域計算密鑰相依函 數，計算所述指定區域之間的差，以及以如下方式將這些差存儲在資料庫中或做出關於它 們與它們接下來在所述資料庫中存儲的關係的二元決策當在用於可能幾何失真圖像的識 別或認證階段重複同一過程時，所述差或所述二元決策的結果將表示相對於直接或使用對 實際數據或二進位數據的互相關識別的所測量結果的循環移位。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，利用直接添加或集成到所述物品或其包裝或者 附著在所述成像裝置前面的放大結構執行所述獲取功能(a)和(d)，其中，所述放大結構可 以為微距鏡頭、光學變化材料或透視結構。
8.根據權利要求1和/或權利要求5所述的方法，其中，所述密鑰相依變換函數包括可 能具有維數減少的所有形式的變換，這些變換在保存內部物品距離時被最優化用於識別和 維數減少技術，並且在附加可逆變換之後實現被應用至具有指定統計信息的微觀結構的圖 像可能可逆性，導致稀疏數據表示並且保存向量和分布距離，其中，利用通過滿足正射投影 特性的密鑰限定的種子，由隨機發生器生成所述變換的基本向量。
9.根據權利要求1和/或權利要求5所述的方法，其中，所述計算到所述密鑰限定碼 字的距離的函數使用由與微觀結構圖像的分布類似的分布所生成的人工碼字或者從真實 微觀結構獲得的採樣圖像，並且所述距離被限定為任何二進位向量或實向量之間的向量距1 O
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述創建用於識別的結構化索引的函數(C)包 括隨機化密鑰相依量化和將具有相同量化索引的碼字分組成二進位文件列表，得到用於識 別的散列表，並且所述用於認證的認證索引生成函數(c)使用隨機裝箱，其中，所述微觀結 構圖像對應於所述二進位文件中具有相應最接近圖像的二進位文件，並且所述最接近圖像 具有所述序列索引。
11.根據權利要求1和/或10所述的方法，其中，所述認證索引生成函數(c)和用於從 所述認證索引解碼的認證數據的權利要求1的解碼函數(d)基於使用結構化模塊或具有裝 箱、校驗子和低密度奇偶校驗的點陣編碼或Turbo碼對邊信息進行分布式資源編碼或資源 編碼來實現。
12.根據權利要求1所述的方法，其中，所述微觀結構表面由所述保護層或機構覆蓋並 且能夠通過可能僅在去除之後的一些時間期間或限定次數去除該保護層來讀取或獲取，這 是由於在曝光或者與空氣反應或暴露於空氣中的情況下，敏感材料的性能每次均不同地改 變，以防止物品重新使用。
13.根據權利要求1所述的方法，其中，所述做出用於識別的決策的函數(d)在多個候 選者中使用最大似然率解碼，以選擇保持關於應用至隨機投射和參考列表解碼的一個或多 個候選者的有序決策，而用於二元決策的可能排序基於生成與投射數據值成比例的正確性 值的決策正確性函數來實現。
14.根據權利要求1所述的方法，其中，可能的表面包括(但不限於)標準或特殊高質 量紙張、纖維板、漫畫、褶皺表面、塑料、玻璃、金屬、陶瓷或具有可區分特徵的任何其他物理 支撐物。
15.根據權利要求1所述的方法，其中，在識別相同物品或從同一非信任請求方獲取多 個請求的多種嘗試的情況下採用可能的預防措施。
16.根據權利要求1至12中任一項所述的方法，其中，當使用附加同步相機首先建立同 步時，本發明用於對包括具有可能三維形狀的藝術品的任何物理對象的保護，其中，所述附 加同步相機檢測關於所述對象的對象形狀或典型特徵，然後通過捲軸機、雷射器或任何指 示器投射密鑰限定區域或者使用一些特殊附加標識符，包括可能來自對象的內部或背面的 隱形墨水、晶體或磁性材料，所述不可克隆特徵或距離的隨後獲取和提取用於對象認證或識別。
17.根據權利要求1至12中任一項所述的方法，其中，本發明用於使用能夠用於安全訪 問控制和交易的挑戰-應答協議，通過自然隨機性提取一個會話密鑰，當挑戰者發送挑戰 的索引並且從而獲得對於由包括但不限於空間坐標、角度等的索引所指定的條件的自然隨 機性，並且所述挑戰者通過所獲取的隨機性提取一個會話密鑰並且在所有未來驗證中不再 使用所述挑戰索引。
18.—種系統，包括集成到任何便攜裝置和/或註冊裝置和/或識別系統中的獲取裝 置，所述系統具有用於執行根據權利要求1至12中任一項所述的方法的電子部件。
全文摘要
本發明是使用物品微觀結構圖像的物理不可克隆特徵防止多種物品被偽造的方法和裝置。該保護基於所提出的與便攜裝置結合的識別和認證協議。在兩種情況下，對數據應用特定變換，該數據在維數減少的安全密鑰相依域中提供唯一表示，還同時解決性能-安全性-複雜性和存儲器存儲要求折衷。用於識別的註冊資料庫可以存儲在公共域中，而沒有被偽造者使用的任何風險。另外，由於其小尺寸，所以可以容易地運輸多種便攜裝置。特別地，選擇所提出的變換，從而根據關於原始數據域中的識別的識別準確性保證最佳可能的性能。認證協議基於所提出的與分布式資源編碼聯合的變換。最後，本發明中披露了所描述的對藝術品的保護和安全密鑰交換和提取的技術的擴展。
文檔編號H04L9/32GK102037676SQ200980118500
公開日2011年4月27日 申請日期2009年3月20日 優先權日2008年3月20日
發明者斯維亞託斯拉夫·沃洛希諾夫斯基, 蒂埃裡·蓬, 阿列克西·科瓦爾 申請人:日內瓦大學