基于可见光谱的邮票真伪鉴别方法与流程

1.本发明涉及邮票真伪鉴定技术领域，具体地说是一种基于可见光谱的邮票真伪鉴别方法。


背景技术：

2.随着科技的发展，邮票仿造技术也逐步增强。一些不法分子为谋取利益印制了大量的假邮票，有些假邮票单凭肉眼往往难以区分，严重侵害了消费者权益。
3.造假者通常是采用基于人眼视觉特性的色度匹配技术(光谱分布不同的色刺激在“特定观察条件”下具有相同色外观的现象，也称为同色异谱)进行复制，而且这种颜色复制技术对于油墨没有特殊要求，只要复制品与原稿的色差在允许范围内即可。
4.现在的真伪鉴别主要靠专家的经验进行，专家数量少，不可能满足集邮要求，因此急需一种可以替代专家鉴别的新技术的出现。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是提供一种基于可见光谱的邮票真伪鉴别方法，该方法可通过便携式终端，随时随地鉴别真伪，彻底解决邮票造假问题。
6.本发明是这样实现的：一种基于可见光谱的邮票真伪鉴别方法，包括如下步骤：
7.a、在检样邮票和标样邮票上分别选取至少三个检测点，检样邮票和标样邮票上所选取的检测点数量相同，且位置一一对应；检样邮票和标样邮票上对应检测点的位置精度小于0.1mm，且检测点选取时要避免无色区、上光涂层区、荧光条码区、被污染区和破坏区；
8.b、对检样邮票和标样邮票上的检测点执行如下操作：
9.b
‑
1、采集检样邮票和标样邮票上检测点在可见光照射下的反射率光谱曲线数据，经过光谱数据预处理，计算光谱距离α；
10.b
‑
2、计算检样邮票和标样邮票上检测点的反射率光谱曲线的一阶导数，当出现一阶导数为零时，采用紧邻零值的非零一阶导数(可以是前者，也可以是后者)替换零值一阶导数值；计算检样邮票和标样邮票相邻一阶导数的差值δk，并形成λ
‑‑
δk曲线；选取λ
‑‑
δk曲线中波峰、波谷、拐点在内的波段作为局部特征参数选取波段；在所选取的波段内，比较检样邮票和标样邮票对应的一阶导数，并用两者中绝对值较小者与绝对值较大者进行绝对值相比，计算检样邮票和标样邮票各对应一阶导数绝对值的比值，在上述波段范围内求对应一阶导数绝对值比值的平均值β；
11.c、将根据步骤b计算出来的各检测点的α和β分别与光谱距离预设阈值和光谱角度预设阈值进行比较，进而来鉴别检样邮票的真伪。
12.步骤b
‑
1中，经过光谱数据预处理，计算光谱距离α，具体如下：
13.①
.计算相同检测点的检样邮票与标样邮票在相同波长采集点下所对应的反射率整体偏差δr
λj
14.δr
λj
＝r
λji
‑
rλ
j0
15.λj：代表可见光第j个波长采集点所对应的波长。
16.r
λj0
：代表标样邮票在第j个波长采集点波长为λj下所采集的光谱反射率(j＝1，2，
……
，n)，n代表在可见光波长400nm
‑
700nm中等间距采集波长的个数(n≥31且n属于整数)，下同。
17.r
λji
：代表检样邮票在第j个波长采集点波长为λj下所采集的光谱反射率(j＝1，2，
……
，n)。
18.②
.计算步骤
①
反射率整体偏差δr
λj
的平均值
[0019][0020]
③
.计算步骤
①
反射率整体偏差δr
λj
与步骤
②
平均值的差值δr
λjk
[0021][0022]
δr
λjk
：代表检样邮票在第j个波长采集点波长为λj下所采集的光谱反射率预处理后的偏差，(j＝1，2，
……
，n)。
[0023]
④
.计算步骤
③
δr
λjk
的方差α
‑‑“
光谱距离”，将α作为检样邮票和标样邮票的两条反射率光谱曲线之间整体参量的匹配度分析依据。
[0024][0025][0026]
n：代表在可见光波长400nm
‑
700nm中所采集波长的个数，(n≥31且n属于整数)。
[0027]
步骤b
‑
2具体步骤如下：
[0028]
①
计算检样邮票和标样邮票的反射率光谱曲线的一阶导数，即计算第j个波长采集点与第j 1个波长采集点之间的线段斜率。
[0029][0030][0031]
k
λj0
：代表标样邮票在第j个波长采集点的一阶导数(j＝1、2、3、
……
、n
‑
1)。
[0032]
r
λj0
：代表标样邮票在第j个波长采集点波长为λj下所采集的光谱反射率(j＝1，2，
……
，n
‑
1)。
[0033]
r
λ(j 1)0
：代表标样邮票在第j 1个波长采集点波长为λ(j 1)下所采集的光谱反射率(j＝1，2，
……
，n
‑
1)。
[0034]
k
λji
：代表检样邮票在第j个波长采集点的一阶导数(j＝1、2、3、
……
、n
‑
1)。
[0035]
r
λji
：代表检样邮票在第j个波长采集点波长为λj下所采集的光谱反射率(j＝1，2，
……
，n
‑
1)。
[0036]
r
λ(j 1)i
：代表检样邮票在第j 1个波长采集点波长为λ(j 1)下所采集的光谱反射率(j＝1，2，
……
，n
‑
1)。
[0037]
n：代表在可见光波长400nm
‑
700nm中等间距采集的波长个数(n≥31且n属于整数)。
[0038]
②
当出现一阶导数为零时，采用紧邻零值的非零一阶导数替换零值一阶导数值；替换后光谱的一阶导数仅有正值和负值，没有零值。
[0039]
③
计算检样邮票和标样邮票在相同波长采集点处的反射率一阶导数差值δk＝k
λji
‑
k
λj0
并形成λ
‑‑
δk曲线，如图2所示。观察分析曲线，避开曲线起始段和结束段，筛选曲线中δk波峰、波谷、拐点相对明显的区间作为局部特征参数选取波段，所选波段区间大小不少于整个波段的三分之一即可。在上述选定特定波长区间内，比较同波段下检样邮票光谱反射率与标样邮票光谱反射率的一阶导数大小，并用两者中一阶导数绝对值较小者与一阶导数绝对值较大者进行绝对值相比，依次计算选定波段范围内的比值l
1i
或l
2i
；
[0040][0041][0042]
l
1i
：代表在选定特定波长区间内，当检样邮票光谱反射率一阶导数绝对值小于标样邮票光谱反射率一阶导数绝对值时所求两者的绝对值比值。
[0043]
l
2i
：代表在选定特定波长区间内，当检样邮票光谱反射率一阶导数绝对值大于标样邮票光谱反射率一阶导数绝对值时所求两者的绝对值比值。
[0044]
④
最后计算所选波长区间内的绝对值比值的平均值β
‑‑“
光谱角度”，将β作为检样邮票和标样邮票两条光谱之间特征参量的匹配度分析依据。
[0045][0046]
m：代表在步骤
③
所选特定可见光波段中等间距采集的波长个数(m属于整数，m＜n)。
[0047]
步骤c中与α对应的光谱距离预设阈值包括第一光谱距离预设阈值和第二光谱距离预设阈值，且第一光谱距离预设阈值小于第二光谱距离预设阈值；与β对应的光谱角度预设阈值包括第一光谱角度预设阈值和第二光谱角度预设阈值，且第一光谱角度预设阈值小于第二光谱角度预设阈值；
[0048]
将各检测点的α和β分别与光谱距离预设阈值和光谱角度预设阈值进行比较，具体如下：
[0049]
c
‑
1、若各检测点的α均小于第一光谱距离预设阈值，且各检测点的β均大于第二光谱角度预设阈值，此时鉴别该检样邮票为真；
[0050]
c
‑
2、若各检测点中，至少存在一个α大于第二光谱距离预设阈值，或至少存在一个β小于第一光谱角度预设阈值，此时鉴别该检样邮票为假；
[0051]
c
‑
3、若各检测点中，至少存在一个α处于第一光谱距离预设阈值和第二光谱距离预设阈值之间，或至少存在一个β处于第一光谱角度预设阈值和第二光谱角度预设阈值之间，且对于其他α均不大于第二光谱距离预设阈值，对于其他β均不小于第一光谱角度预设阈值，此时鉴别该检样邮票为不确定。
[0052]
本发明所提供的基于可见光谱的邮票真伪鉴别方法，基于邮票印刷油墨、纸张、背胶等复合特征，利用邮票真品(本发明中称为标样)光谱作为比对对象，对鉴别(本发明中称
为检样)邮票进行光谱测试，通过二者的光谱信息匹配来鉴别邮票真伪。
[0053]
光谱检测是一种高效、无损的检测技术，物质组成上的细微差异均可通过光谱信息表现出来。因此，本发明将光谱分析技术和邮票印刷品技术相结合，探寻适用于邮票真伪鉴定的光谱分析方法，实现了邮票真伪鉴定。
[0054]
本发明主要面向于集邮服务，也可延伸到司法鉴定。
[0055]
本发明的技术特点：
[0056]
(1)光谱鉴别是高效、无损鉴别技术；
[0057]
(2)单点数据处理，多点组合分析评判；
[0058]
(3)保证真伪鉴别科学，客观，可靠，权威；
[0059]
(4)光谱分析技术简单、避免人为因素，易于实现ai鉴别。
[0060]
通过本发明中方法可解决邮票交易市场亟需解决的邮票鉴别难题，也可为遏制邮票造假、驱逐劣币、保证良币正常交易、净化市场、规范交易、提高邮票流通提供有力的保障，也是维护和提升集邮市场的重要技术规范，是引导集邮市场、经营管理重要措施。
附图说明
[0061]
图1是本发明中检样邮票和标样邮票的反射率光谱曲线图。
[0062]
图2是本发明中检样邮票和标样邮票的反射率一阶导数差值曲线图。
具体实施方式
[0063]
本发明主要涉及到如下内容，包括：
[0064]
(1)光谱范围优化选择；
[0065]
(2)光谱数据采集；
[0066]
(3)光谱数据处理；
[0067]
(4)光谱真伪特征的提取和判定。
[0068]
具体要主张的发明包括：
[0069]
(1)本发明基于反射率光谱数据，用一定的算法进行真伪鉴别，是邮票真伪鉴别研究的新技术，它突破了现有仅仅依据光谱曲线形状的“波峰、波谷、斜率、拐点，以及曲线随波长从低到高的发展变化趋势”作为鉴别依据的定性方法。
[0070]
(2)本发明选择的是可见光谱，区别于其他行业的选用红外光谱进行的物质分析方法，可见光谱更具有简单、高效、可靠、成本低等特点。
[0071]
(3)本发明光谱测试采集多点，选点位置和数量有专业性。每枚邮票选择5个检测点，其中2个为备用点。5个检测点要分布到邮票全域，既保证覆盖性，也保证数据质量。如采样点避免颜色突变轮廓点，白色点，优先选择颜色渐变区域的点，以展现多颜色特征，便于分析比较。2个备用点，即可为优化处理数据提供条件，又可作为冗余数据为后续争议时增加备用数据。
[0072]
(4)本发明采用“整体态势与局部特征相结合”的综合分析处理方法：
[0073]
①
先从整体进行差异性分析
[0074]
计算检样邮票与标样邮票光谱反射率之差的平均值，反射率之差与平均值求差值后，再求方差，确定检样邮票光谱与标样邮票光谱反射率整体差异性。
[0075]
②
找出差异明显的区间，分析关键特征
[0076]
根据上述整体差异性，进一步找出差异最明显的变化区间。对此区间的反射率特性进行微分，通过数据变换，排除干扰噪声，突出关键特征，求出新的关键特征判定参数。
[0077]
这种“整体态势与局部特征相结合”的综合分析是本发明真伪鉴别的独有技术，不同于一般的不区分冗余数据的处理方法。
[0078]
(5)本发明选用3个检测点组合判定法。对3点分别进行上述综合分析，判定条件是：
[0079]
判定结果判断依据真三个点的判定结果必须全部为真假三个点的判定结果只要其中一点判为假不确定三个点的判定结果只要有一点判为不确定，其余点没有判为假
[0080]
下面详细介绍本发明中对邮票真伪进行鉴别的方法。
[0081]
一、检测点的要求
[0082]
(1)在邮票上的主要特征要素区进行选点，标样邮票和检样邮票上所选的检测点要一一对应，两者的位置精度＜0.1mm。
[0083]
(2)每个检样邮票和标样邮票应至少选取3个检测点，选点时应避免无色区、上光涂层、荧光条码区和被污染区。
[0084]
二、数据分析处理思路
[0085]
本发明对检样邮票和标样邮票的反射率光谱曲线数据进行定量分析，具体是从光谱距离以及光谱角度两方面出发来进行分析。
[0086]
‑‑
光谱距离分析：检样邮票和标样邮票光谱曲线之间的偏差比较；
[0087]
‑‑
光谱角度分析：检样邮票和标样邮票光谱曲线之间的角度比较。
[0088]
1.整体匹配度参数α
‑‑“
光谱距离”[0089]
①
.计算相同检测点的检样邮票与标样邮票在相同波长采集点下所对应的反射率整体偏差δr
λj
[0090]
δr
λj
＝r
λji
‑
r
λj0
[0091]
λj：代表可见光第j个波长采集点所对应的波长。
[0092]
r
λj0
：代表标样邮票在第j个波长采集点波长为λj下所采集的光谱反射率(j＝1，2，
……
，n)。n：代表在可见光波长400nm
‑
700nm中等间距采集波长的个数(n≥31且n属于整数)。
[0093]
r
λji
：代表检样邮票在第j个波长采集点波长为λj下所采集的光谱反射率(j＝1，2，
……
，n)。
[0094]
②
.计算步骤
①
反射率整体偏差δr
λj
的平均值
[0095][0096]
③
.计算步骤
①
反射率整体偏差δr
λj
与步骤
②
平均值的差值δr
λjk
[0097][0098]
δr
λjk
：代表检样邮票在第j个波长采集点波长为λj下所采集的光谱反射率进行预处理后的偏差，(j＝1，2，
……
，n)。
[0099]
④
.计算步骤
③
中δr
λjk
的方差α
‑‑“
光谱距离”，将α作为检样邮票和标样邮票两条光谱之间整体参量的匹配度分析依据。
[0100][0101]
n：代表在可见光波长400nm
‑
700nm中所采集波长的个数，(n≥31且n属于整数)。
[0102]
如图1所示，图1中(a)是检样邮票与标样邮票在第一个检测点的反射率光谱图，(b)是检样邮票与标样邮票在第二个检测点的反射率光谱图，(c)对应的是(a)中某一检样邮票与标样邮票的反射率光谱距离比较，(d)对应的是(b)中某一检样邮票与标样邮票的反射率光谱距离比较。图中的光谱距离值越接近于零，说明检样邮票和标样邮票之间差异项越小，匹配度越高。对光谱距离设定相应阈值，即可进行真伪分类判定。
[0103]
2.局部特征参量匹配参数β一“光谱角度”[0104]
上面“光谱距离”是从整体上对检样邮票和标样邮票反射率光谱在空间距离上的近似程度比较，为了更全面、更科学的进行邮票的比对，同时也对光谱曲线的角度性进行分析，即通过对光谱数据进行变换，求其光谱的角度特征，具体如下：
[0105]
①
计算检样邮票和标样邮票的反射率光谱曲线的一阶导数，即计算第j个波长采集点与第j 1个波长采集点之间的线段斜率。
[0106][0107][0108]
k
λj0
代表标样邮票在第j个波长采集点的一阶导数(j＝1、2、3、
……
、n
‑
1)。
[0109]
k
λji
代表检样邮票在第j个波长采集点的一阶导数(j＝1、2、3、
……
、n
‑
1)。
[0110]
n：代表在可见光波长400nm
‑
700nm中等间距采集的波长个数(n≥31且n属于整数)。
[0111]
②
当出现一阶导数为零时，采用紧邻零值的非零一阶导数替换零值一阶导数值；替换后光谱的一阶导数仅有正值和负值，没有零值。
[0112]
③
计算检样邮票和标样邮票对应波段反射率的一阶导数差值δk＝k
λj
i
‑
k
λj0
并形成λ
‑‑
δk曲线，如图2所示。观察分析曲线，避开曲线起始段和结束段，筛选曲线中δk波峰、波谷、拐点相对明显的区间作为局部特征参数选取波段，区间大小不少于整个波段的三分之一即可。在上述选定特定波长区间内，比较同波段下检样邮票光谱反射率与标样邮票光谱反射率的一阶导数大小，并用两者中一阶导数绝对值较小者与一阶导数绝对值较大者进行绝对值相比，依次计算选定波段范围内的比值l
1i
或l
2i
；
[0113][0114][0115]
l
1i
：代表在选定特定波长区间内，当检样邮票光谱反射率一阶导数绝对值小于标样邮票光谱反射率一阶导数绝对值时所求的比值。
[0116]
l
2i
：代表在选定特定波长区间内，当检样邮票光谱反射率一阶导数绝对值大于标样邮票光谱反射率一阶导数绝对值时所求的比值。
[0117]
④
最后计算所选波段区间的绝对值比值的平均值β
‑‑“
光谱角度”，将β作为检样邮票和标样邮票两条光谱之间特征参量的匹配度分析依据。
[0118][0119]
m：代表在步骤
③
所选特定可见光波段中等间距采集的波长个数(m属于整数)。
[0120]
光谱角度值β越接近于1，说明检样邮票和标样邮票之间差异项越小，匹配度越高，设定相应阈值，即可进行真伪分类判定。
[0121]
本发明将检样邮票光谱与标样邮票光谱进行比对，利用光谱分析方法，分别计算整体匹配度参数“光谱距离α”和局部特征参量匹配参数“光谱角度β”，利用一定的样本，统计出α和β对应的阈值，作为判定标准，这样使得邮票真伪鉴别定量化。
[0122]
基于光谱距离和光谱角度及多点的参数匹配，本发明的判断规则是：
[0123]
(1)3个检测点中，将所计算的α和β与相应阈值进行比对，全部判为真，该邮票判为真。
[0124]
光谱距离α对应有两个阈值，分别为第一光谱距离阈值和第二光谱距离阈值，且第一光谱距离阈值小于第二光谱距离阈值。本实施例中第一光谱距离阈值为2.9，第二光谱距离阈值为4.1。
[0125]
光谱角度β同样对应有两个阈值，分别为第一光谱角度阈值和第二光谱角度阈值，且第一光谱角度阈值小于第二光谱角度阈值。本实施例中第一光谱角度阈值为0.65，第二光谱角度阈值为0.71。
[0126]
在3个检测点中，每一个光谱距离α均小于第一光谱距离阈值(例如α＜2.9)，且每一个光谱角度β均大于第二光谱角度阈值(例如β＞0.71)时，判定该检样邮票为真。
[0127]
(2)3个检测点中，将所计算的α和β与相应阈值进行比对，只要有一项判为假，该邮票判为假。
[0128]
在3个检测点中，若至少存在一个光谱距离α大于第二光谱距离阈值(例如α＞4.1)，或至少存在一个光谱角度β小于第一光谱角度阈值(例如β＜0.65)时，判定该检样邮票为假。
[0129]
(3)3个检测点中，将所计算的α和β与相应阈值进行比对，只要有一项判为不确定，其余项没有判为假，该邮票判为不确定。
[0130]
在3个检测点中，若至少存在一个光谱距离α处于第一光谱距离阈值与第二光谱距离阈值(例如2.9≤α≤4.1)之间，或至少存在一个光谱角度β处于第一光谱角度阈值与第二光谱角度阈值(例如0.65≤β≤0.71)之间，而且，对于其他的光谱距离α均不大于第二光谱距离阈值(例如α≤4.1)，对于其他的光谱角度β均不小于第一光谱角度阈值(例如β≥0.65)，此时判定该检样邮票为不确定。
[0131]
本发明面向于所有邮票真伪鉴别，其鉴别原理是不同物质有不同的光谱，真假邮票所采用的印刷油墨、纸张、背胶材料必有不同，其光谱分析成为区分真假的依据。
[0132]
光谱检测是一种常见的高效、无损的检测技术，本发明利用光谱实现邮票真伪鉴别，是专家鉴别的重要补充手段，以后将会逐渐以技术手段代替专家鉴别，也是排除人为因素，增加鉴别的效率、准确性和一致性的科学手段，这也是实现ai的技术手段，是真伪鉴别
的发展趋势。