基于緊湊型RGB顏色傳感器紙幣券別識別系統設計

吳 杰 倪林安 潘大鈞

（1.溫州市質量技術檢測科學研究院，溫州 325025；2.浙江然鵬電子有限公司，溫州 325400；3.溫州市特種設備檢測科學研究院，溫州 325007）

紙幣可機讀防偽特征包括光學防偽特征、磁性防偽特征等。2021年7月20日發布的強制性標準《人民幣現金機具鑒別能力技術規范》（GB 40560—2021）中規定，人民幣紙幣可機讀防偽圖文特征分類包括可見光反射圖文、可見光透射圖文、紅外反射圖文、紅外透射圖文、熒光圖文、磁性圖文、印刷光變圖文以及精細鏤空圖文等。早期防偽特征基本上通過特定光學特征分析鑒別技術對紙幣進行縱橫向分辨率25 dpi以下紫外、紅外、熒光特征分析鑒別。圖像傳感技術不斷迭代升級，熊琛設計的針對越南盾圖像識別算法的卷積神經網絡可實現對越南盾朝向、面額以及版別的識別[1]。目前，紙幣光學鑒別技術已發展為可通過接觸式圖像傳感器（Contact Image Sensor，CIS）采集紙幣的多光譜圖像[2]，同時可利用圖像處理技術進行分析處理[3]。但是，CIS存在價格昂貴、占用空間大、對處理芯片要求較高以及后期算法技術難度大等問題，難以在普通機型上推廣應用。本文通過在走鈔通道設置緊湊型顏色傳感器，在高速傳動過程中提取紙幣顏色特征，并將這些信息進行融合分析[4]，提高了紙幣識別能力，且具有成本低廉、操作簡單以及維護便利等優勢，可在發展中國家大面積推廣使用。

1 系統設計方案

當前，顏色識別傳感器大致可分為兩種：一種是RGB顏色傳感器，獲取三刺激值；另一種是色差傳感器，獲取被測物體與標準顏色的色差。

日本濱松光子學株式會社和奧地利艾邁斯是全球光子技術、光產業的領導者。濱松生產的集成在小而薄的封裝中的RGB色彩傳感器取得了超級性價比，不僅適合監控如手機等手持設備的RGB-LED型背光液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）亮度，也適合于通過顏色鑒別區分紙幣面值。奧地利TAOS公司最新推出型號為TCS230的顏色傳感器，可實現對紙幣顏色的獲取和識別[5]。

不同套、版、券別紙幣顏色不一樣，使得采用顏色來識別紙幣券別成為可能。自然界所有光均可以用RGB疊加表達。紙幣RGB獲取時由于振動等導致顏色傳感器與紙幣相對發生位移，會引起獲取RGB數據的變化，僅通過獲取的RGB數據識別紙幣券別會導致誤識。

要提高識別率，需要采取措施避免獲取的RGB數據失真，需要排除明度與飽和度的影響，使用色調區分紙幣顏色。如圖1所示，六角錐體模型（Hue，Saturation，Value，HSV）可以使用圓錐形狀的模型描述，色調H描述每個顏色對應一個角度值，飽和度S描述距離中心軸線的距離，亮度V描述垂直軸長度。

圖1 不同S、相同H和V下呈現的RGB變化

采用RGB色彩空間轉換到HSV色彩空間的顏色算法，根據轉換得到的亮度和色調值判別紙幣顏色，再根據已經建立的紙幣顏色數據庫進行比較匹配，進而得到被測紙幣的面值。

2 硬件系統

控制系統包括顏色采集系統、調制電路模塊、信息傳遞模塊、信息處理模塊、顯示模塊以及控制模塊。設置至少2個顏色傳感器，能夠避免一個顏色傳感器損壞后不能夠進行檢測而出現收到假幣的情況。此外，采用雙路設計也能有效提高識別準確率。

2.1 顏色采集系統

采用日本濱松S10917-35GT的RGB色彩傳感器，是一款緊湊型RGB色彩傳感器。單封裝中帶有一個三通道光電二極管，感光面積僅為0.3 mm2，對紅光（波長590～680 nm）、綠光（波長470～600 nm）和藍光（波長390～530 nm）靈敏，光敏面上能夠形成一個紅外截止濾光片。通過測量構成物體顏色的三基色實現顏色檢測，通過采集待識別紙幣的RGB三基色將其參數化，然后將待識別紙幣的參數化數據與紙幣券別數據庫的參數化數據進行判別分析，即可得到待檢測紙幣的面值。

2.2 硬件系統電路

以ARM（Advanced RISC Machines）芯片為核心控制芯片，可保障系統具有良好的穩定性和擴展性。硬件系統供電電路如圖2所示。

圖2 供電電路

3 流程與算法

系統搭建與控制流程按實際入鈔、捻鈔、采集以及出鈔步驟進行。其中，RGB與HSV模型間的轉換采用COLORREF HSVToRGB(float h,float s,float v)子程序執行。

4 平臺測試

建立不同券別紙幣顏色特征數據庫，找到最佳的閾值點，可大幅提高識別的正確率。為了增強該算法的普適性，需要使用合理的樣本數據。采用銀行回籠完整券建立數據庫，利用正常流通券的新舊程度來滿足樣本代表性和隨機性的要求。左右顏色傳感器通道采集的RGB曲線，如圖3和圖4所示。

圖3 左通道采集的RGB曲線

圖4 右通道采集的RGB曲線

采用融合多通道色彩空間算法提取的紙幣特征值具有相對可靠的特征。實驗中，選取每種面額的人民幣紙幣100張進行測試。實驗結果表明，面額識別的正確率均為100%。可見，用融合多通道色彩空間算法具有很強的面額識別能力。不同面額紙幣的色彩空間具有很強的區分性，且紙幣的主色調特征穩定。

5 結語

本文論述了S10917-35GT的RGB色彩傳感器在人民幣鑒別儀紙識別系統中的應用。在搭建的快速硬件采集平臺上，利用軟件實現了多通道顏色數據獲取、色彩空間轉換、紙幣顏色特征提取以及面值識別。設計的系統具有結構緊湊、成本低、識別率高的優點，在其他金融機具中具有較高的應用價值。設計裝置通過顏色識別紙幣，能很好地適應不同幣種，可推廣至外幣機上使用。