WO2008078009A1

WO2008078009A1 - Procede de caracterisation d'elements aleatoires de la reproduction de graphismes leur conferant les proprietes d'un sceau

Info

Publication number: WO2008078009A1
Application number: PCT/FR2006/002868
Authority: WO
Inventors: Jacques Rivaillier
Original assignee: Alphacode
Current assignee: Alphacode
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2009-06-26

Abstract

Procédé appliqué à des graphismes, des dessins ou à des images comportant peu de nuances mettant en uvre les éléments aléatoires des reproductions sur support physique dus aux défauts macroscopiques des supports comme le papier et aux fluctuations des dispositifs de reproduction automatiques ou manuelle comme impression, dessin, peinture, gravure, perforation et embossage... Il donne lieu à des suites de valeurs caractéristiques de la structure macroscopique de chaque reproduction assurant une fonction de scellement propre à chacune d'elle. Ces suites peuvent être réduites par différents procédés dont filtrage, moyennage et lissage afin de se soustraire au = bruit = de saisie et obtenir une signature condensée et stable. Cette dernière peut donner lieu à une figure simple permettant la reconnaissance et la détermination visuelle de l'authenticité de graphismes par comparaison à l' il des figures représentant leur signature.

Description

Procédé de caractérisation d'éléments aléatoires de la reproduction de graphismes leur conférant les propriétés d'un sceau

Introduction Les caractères regroupés en alphabets permettent de représenter par écrit les sons ou phonèmes d'une langue. Il existe plusieurs alphabets tels latin et cyrillique par exemple. Il existe également de nombreuses versions graphiques de ces alphabets appelées polices ou fontes. Ces polices bien que de dessin différent reprennent les formes de base de chaque caractère de façon à ce qu'ils demeurent identifiables. Exemple a, b, c ... ou a, B, c ... pour l'alphabet latin.

Toutefois, si les règles de construction de chaque caractère de toutes les polices sont parfaitement définies et constantes, l'aspect macroscopique des reproductions sur support physique, comme l'impression sur papier, sont entachés d'aléas qui, même à l'identique, différent d'une reproduction à l'autre. Ces observations s'appliquent également à tout dessin au trait plus ou moins épais comportant ou non des zones de remplissage plus ou moins homogènes et notamment à l'écriture manuscrite, quelle que soit la couleur de l'encre ou celle du support (fond).

Procédés connus. II existe des procédés permettant au plan macroscopique de détecter de faibles variations entre 2 images multinuances généralement à l'aide d'éléments ajoutés à cet effet. Ils permettent également de calculer des signatures.

D'autres utilisent l'aspect chaotique de structures comme le bois, le papier, mais ils ne traitent pas des effets sur les « écritures » des défauts des moyens de reproduction : machines, consommables et contexte de fabrication. Ils mettent en œuvre des programmes complexes de traitement global d'images.

Si on se limite aux graphismes principalement composés de traits et de zones peu nuancées comme les caractères des alphabets classiques (latins, cyrilliques ...), codes barres, codes matriciels, idéogrammes, écritures manuscrites, dessins, peintures et figures simples, le problème peut être simplifié tout en conservant, in fine, une grande puissance de caractérisation et de différenciation.

Principe de la nouveauté.

L'objet de la présente invention consiste à qualifier et quantifier les caractéristiques macroscopiques de la reproduction physique de chaque graphisme, par exemple caractère ou groupe de caractères, écriture manuscrite, dessins au trait, peintures et images définies par peu de nuances.

En effet, quel que soit le procédé d'impression, d'écriture et de gravure, la reproduction est tributaire d'aléas physiques qui introduisent des variations non reproductibles de façon contrôlée. Ces aléas sont causés par les défauts des nombreux paramètres des procédés de reprographie comme la composition, la granulométrie et la porosité des supports, les réactions avec les encres, les fluctuations des dispositifs d'impression, comme le scintillement au niveau des buses en technologie jet d'encre, ou la dispersion et l'accroche du toner en technologie laser ou le stylo pour l'écriture manuscrite etc.. Ces variations font que chaque caractère écrit et à fortiori chaque groupe de caractères ou graphisme possède des caractéristiques macroscopiques uniques qui lui sont « naturellement » associées à la manière d'un sceau. Il s'agit en fait d'une signature macroscopique du caractère, du groupe de caractères ou plus généralement du graphisme. La figure 1 montre la reproduction originale du mot « Essai » en caractères DoteM taille 14 (chaque carré noir étant un dot) et la figure 2 illustre les variations macroscopiques aléatoires que l'on peut observer avec la saisie numérisée de 4 reproductions successives du même mot. Chaque dot étant construit par plusieurs pixels (petits carrés de différentes nuances de gris) . On peut observer que les dots logiquement identiques se composent de pixels de nuances de gris différentes dues aux aléas physiques de l'impression en général. Ces variations servent à caractériser les différentes impressions de façon unique à la manière d'un sceau. La figure 3 représente en partie haute une signature manuscrite et son agrandissement numérisé et en partie basse une photocopie de la même signature et son agrandissement. On peut observer à l'œil les différences graphiques. Il en est de même, après traitements, des suites de valeurs qui les caractérisent. La difficulté réside dans la caractérisation des variations macroscopiques aléatoires de façon qu'elles soient précises pour différencier plusieurs reproductions à « l'identique », mais suffisamment stables pour ne pas dépendre des variations de saisies optiques qui apparaissent lors de la vérification de la signature, notamment les variations d'éclairage, de taille, de rotation. De plus cette caractérisation ne doit exiger qu'une puissance de calcul réduite comparée à celle qu'utilise le traitement d'une image classique de plusieurs millions de nuances.

Il est alors possible d'authentifier un caractère, par exemple, si le sceau qui lui est ainsi associé est mémorisé pour comparaison ultérieure à d'autres reproductions.

L'application évidente est la sécurisation automatique ou manuelle des informations écrites, gravées voire perforées .

Ce procédé complète avantageusement celui de la signature informatique dont l'information supportée exclut que deux documents soient identiques mais ne permet pas de savoir si l'un d'eux est authentique. Par contre, si l'on connaît la signature macroscopique de l'original, il est possible de déterminer le vrai qui est alors authentifié. Plus généralement, ces considérations s'appliquent à toute information graphique reproduite

(même à l'identique) sur un support physique quel qu'il soit et quelle que soit la technologie d'impression, de gravure, de perforation ou d'embossage...

Remarques : o Le pouvoir de discrimination dépend du nombre et de l'importance des aléas de reproduction. Il est paradoxale de constater que si la qualité de reproduction s'approche de la perfection, il devient quasi impossible de l'authentifier. o Par contre, il est souvent possible de déterminer la technologie d'impression utilisée par analyse détaillée des valeurs aboutissant au sceau macroscopique. Le laser, par exemple, laisse de fines particules aux abords des traits alors que le jet d'encre est plus sensible à la porosité du support- Définitions.

Graphismes : Aspect des signes graphiques et par extension dessins formés de traits ou de formes géométriques éventuellement pleines et d'images comportant peu de nuances. L'écriture manuscrite en fait partie.

Dot : élément unitaire d'information graphique. Il est équivalent au bit informatique. Pixels : point élémentaire d'impression ou d'image numérisée. Plusieurs pixels sont généralement nécessaires pour représenter un dot, avec généralement un minimum de 4x4 pixels par dot.

Remarque :

Les éléments graphiques aléatoires sont dits macroscopiques quand ils sont obtenus par analyse de pixel à pixel. Les dots sont définis par au moins 4 x4 pixels. Caractères : graphisme représentant un symbole. Un alphabet regroupe un nombre défini de caractères ordonnés. Une police regroupe tous les caractères d'un même type d'un alphabet donné ; exemple : arial pour l'alphabet latin. Caractéristiques macroscopiques : propriétés comparatives entre les pixels composant totalement ou partiellement les dots d'un graphisme numérisé. Elles portent principalement sur les bords des dots et sur les remplissages entre traits. Elles correspondent ainsi à la description de contours et à la mesure de l'homogénéité des pixels des traits et remplissage. Les pixels issus de la saisie numérisée sont généralement définis par une valeur allant de 0 à 255 soit 256 nuances de gris. Dans le cas de la couleur le nombre de nuances peut être plus élevé.

Reproduction : image obtenue en partant d'un original (réel ou informatique) au moyen d'un procédé de reproduction automatique ou manuel : photocopie, gravure, impression, peinture, photographie, perforation ou déformation du support.

Aléas (physiques) : caractéristiques aléatoires des reproductions, non prévisibles et non contrôlables par les moyens de reproduction. Ils confèrent un caractère unique à la reproduction. Le cœur du procédé :

Caractérisation des « aléas physiques » macroscopiques.

Comme indiqué précédemment, le procédé met en œuvre une analyse des dots au niveau du pixel. La définition de la saisie au niveau du dot doit être suffisante en nombre de pixels par dot et en nuances de gris ou de couleur pour analyser les fluctuations des bords et la densité interne des traits ainsi que le remplissage des figures géométriques.

Ce procédé appelé « Bordotem » est basé sur une analyse de « l'image » telle que reproduite et non pas sur l'analyse intrinsèque du ou des supports matériels. Les 2 procédés peuvent toutefois s'ajouter. La définition de l'analyse de l'image peut être du même ordre de grandeur que celle nécessaire habituellement à la reconnaissance des caractères, de façon à utiliser les mêmes données de saisie. On admet généralement un minimum de 4 à 5 pixels par coté de dot soit 16 à 25 pixels par. dot complet, définissant chacun 256 niveaux de gris (éventuellement plus pour la couleur).

Dans le cadre de l'établissement d'un sceau d'authentification il est important de considérer plusieurs niveaux de caractérisation du graphisme considéré.

1. Au préalable à tout traitement il est nécessaire : o d'extraire « l'image » à authentifier du reste du support (A fig.6 Planche 3). Pour cela, on optimise (par exemple à partir d'un histogramme général) le seuil d'extraction, c'est-à-dire le niveau de gris ou de couleur au-dessus duquel l'information sera conservée pour : o construire le polygone à 4 cotés circonscrit à «l'image» à authentifier avec comme critère de minimiser la longueur du périmètre (B fig.6). Dans de nombreux cas on obtient un parallélogramme ou un rectangle, mais aussi un trapèze. 2. Analyse des caractéristiques de la structure générale de « l'image » : Traitement global sur le polygone.

Il convient de déterminer une origine sur le périmètre extérieur du polygone ainsi que ses caractéristiques ou mesures géométriques (C fig.6) comme : o la longueur des cotés et o la valeur des angles ... 3. Partitions du polygone à partir desquelles diverses, opérations seront effectuées comme illustré par organigramme (figure 6).

Les partitions sont réalisées de 2 façons : o par construction d'un contour ou couronne (D fig. 6) dont l'épaisseur recommandée est le quart du plus petit côté du polygone, (figure 4). o Partition orthogonale (F fig. 6) dont la plus petite partie se composera d'au moins 4 dots. Il est toutefois recommandé de réaliser des parties égales, figure5. 4. Traitements sur les éléments de partition.

Les traitements peuvent prendre en considération l'information au niveau du dot ou élément d'information graphique unitaire correspondant au bit en informatique ; mais il est recommandé d'analyser plus directement les pixels qui représentent le niveau macroscopique référence. Plusieurs types de traitements sur les pixels sont utiles. La totalité ou une partie seulement de ces traitements peuvent être appliqués sur chaque élément des partitions ou sur les plus caractéristiques suivant le pouvoir de résolution souhaité au vue de la qualité des reproductions et de leur nombre. 4 -1- Processus de quantification des gradients du contour.

Le long du contour du polynôme déterminé précédemment et de préférence à partir de l'origine choisie, rechercher pour chaque ordonnée « y » : o l'abscisse « x » du pixel le plus proche correspondant à l'un des seuils de gris ou de nuances (0 à 255) fixé, o la nuance en couleur ou en valeur de gris du pixel d'abscisse « x » , o l'écart des abscisses « x » correspondant aux ordonnées « y-1 » et « y » en fonction de seuils de nuances de gris.

Le résultat de ces traitements fournit des suites de valeurs correspondant notamment aux variations d'ordonnées décrivant le contour des dots.

4 -2- Analyse du crénelage du contour ou de la couronne.

La caractérisation du crénelage est effectuée à partir de l'origine pour construire la chaîne de vecteurs selon le modèle à 8 directions (de désignation 1 pour la direction « nord » puis 2, 3... en tournant dans le sens horaire) illustré figure 7, reliant successivement en boucle tous les pixels du contour externe.

Dans cette suite de vecteurs, la composante direction peut être numérisée de différentes manières dont celle qui consiste : o à définir un sens positif pour le sens trigonométrique et négatif pour le sens horaire, o à quantifier l'écart entre 2 vecteurs successifs par le nombre de directions les séparant. Exemple passer de la direction 2 à la direction 5 se note +2, et de la direction 1 à la direction 6 se note -3. Pour chaque pixel on peut calculer un vecteur formé de 2 composantes, la composante direction calculée ci-avant et la composante amplitude qui correspond au gradient des niveaux de gris ou nuances de couleur, c'est-à-dire la différence entre les valeur de gris du pixel de base et du pixel pointé par le vecteur. Compression/synthèse :

Le nombre des valeurs numériques de cette suite de vecteurs peut être réduit par une opération de compression-synthèse consistant à additionner algébriquement.

4 -3- Analyse des propriétés statistiques par élément et comparatif entre éléments : o Histogramme des nuances de gris ou de couleur par élément de partition et sur la totalité de « l'image ». o Calcul des écarts types entre les valeurs obtenues pour les différents éléments des partitions, c'est-à-dire :

• Sur les pixels de la couronne,

• Sur la zone interne de la couronne (figure 4),

" Sur chaque élément de la partition orthogonale (figure 5)

• Sur la totalité du polygone.

Compression -synthèse et optimisation des caractéristiques macroscopiques aboutissant à une signature.

Les traitements précédents aboutissent à un nombre important de valeurs qu'il convient de réduire et d'optimiser pour obtenir des signatures concises et cependant discriminantes.

Chaque type d'analyse précédente donne lieu à des méthodes de compression-synthèse et d'optimisation adaptées : o Pour la quantification des gradients, ceux -ci sont sommés algébriquement dont un exemple est donné Planche 3 figure 8 et 9. o Pour le crénelage du contour, le résultat des traitements fournit des suites de vecteurs décrivant les dots successifs. Il est possible de synthétiser cet ensemble par un seul vecteur dont les composantes correspondent à une moyenne de celles des autres vecteurs filtrés ou pas. o Pour les traitements statistiques, les différents histogrammes de gris ou de nuances de couleur peuvent être intégrés au sein d'un seul histogramme dont les composantes sont les moyennes des mêmes composantes des autres histogrammes et de ne conserver que celles présentant un écart significatif.

Pour les autres caractéristiques (hors histogrammes), chaque élément de partition ne comportera qu'une seule valeur, moyenne des autres.

Dans Ie calcul des moyennes, il est souvent nécessaire de filtrer et de lisser les écarts entre les valeurs successives tels :

• filtrage de la suite des valeurs caractéristiques de façon à réduire le nombre de valeurs et d'une certaine façon, le bruit parasite.

• lissage des écarts des membres de la suite de valeurs dont certaines très différentes sont assimilables également à du bruit.

Le lissage consiste principalement à ne retenir que les variations des écarts supérieurs à une valeur fixée. Remarque :

Afin d'obtenir une signature courte et pertinente d'une part, et stable vis à vis des opérations d'authentification sur d'autres numériseurs (scanner...) d'autre part, il est important de compléter la signature proprement dite avec les principaux paramètres de traitement, comme : " la définition des numériseurs utilisés pour Fauthentification,

• les paramètres des partitions du polynôme,

Éventuellement l'origine du contour ou les critères de localisation. Reproduction graphique de la signature « macroscopique ».

La signature est représentée par des suites de valeurs. Il est possible de comparer 2 suites de valeurs par programmation et de calculer une distance et inversement de garantir une authentification si la distance de comparaison est donnée.

Il est toutefois plus difficile de faire cette opération « manuellement », ce qui est nécessaire dans certains cas.

Pour faciliter cette comparaison à l'œil, il est utile de représenter cette signature de façon visuelle et ergonomique. Elle doit être à la fois simple et discriminante. Le présent procédé propose une méthode, adaptée aux traitements d'authentification, pour élaborer une figure caractéristique.

Les Figures 8 et 9 illustrent des signatures de 2 reproductions très voisines. La figure 10 visualise facilement la différence entre les deux.

Le nombre de variables dépend de l'algorithme d'obtention de la signature choisi et peut être quelconque mais en nombre suffisamment réduit pour une exploitation aisée. La reproduction visuelle de la signature numérique peut se faire de différentes façons comme sous forme de « camemberts », de traits d'épaisseur ou de longueur proportionnelle aux valeurs représentées, de colonnes ou autres figures géométriques...

Le but de ces signatures visuelles est de reconnaître et de comparer facilement à l'œil, plusieurs signatures de graphismes.

La méthode préconisée consiste à

• Regrouper les variables en fonction de leur échelle de représentation. En effet certaines présentent des écarts relativement faibles qui se contentent d'une échelle linéaire et d'autres exigent une représentation logarithmique.

• Utiliser une base de référence linéaire horizontale (figures 8, 9, 10) où sont juxtaposées les graphiques à différentes échelles.

" Représenter les valeurs par des segments verticaux proportionnels suivant les échelles au -dessus la droite référence pour les valeurs positives et en-dessous pour les négatives.

Par exemple , les résultats ci-après dont l'illustration est donnée : PLANCHE 3, fig. 8.

1. Nombre de valeurs nulles : 94 2. Nombre de valeurs positives : 30

3. Somme des valeurs positives : 189

4. Nombre de valeurs négatives : 38

5. Somme des valeurs négatives : - 43

6. Coefficient positif : 6,3 7. Coefficient négatif : - 1 , 131

Les caractéristiques 1 à 5 incluse d'une part, et 6 et 7 d'autre part, sont représentées à des échelles différentes. Pour les valeurs élevées (graphismes importants) il est recommandé d'utiliser des échelles logarithmiques.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de détection et de caractérisation d'éléments aléatoires involontaires (aléas) inhérents à la réalisation de graphismes, dessins et images, et consécutifs aux imperfections des dispositifs et consommables de reproduction, caractérisé en ce qu'il fait correspondre une ou plusieurs suites de nombres définissant les propriétés locales, statistiques et vectorielles de ces aléas.

2. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que ces aléas portent sur les caractéristiques de niveau macroscopiques de chaque reproduction.

3. Procédé suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ces aléas sont constitués d'éléments discrets définis par des nuances de gris ou de couleurs.

4. Procédé suivant les revendications précédentes caractérisé en ce que les graphismes, dessins et images sont partitionnés en zones de formes et de nombre variables.

5. Procédé suivant les revendications précédentes caractérisé en ce que les traitements, calculs et mesures caractérisent les variations de pixel à pixel des niveaux de gris ou de couleur au sein de chaque reproduction de la façon recommandée suivante : o Extraction de l'image utile par seuillage discriminant ; o Élaboration d'un polygone d'au moins à 4 côtés dont le périmètre est minimalisé, définition d'une origine ; o Partitions du polynôme en couronne et/ou de façon orthogonale ; o Analyse, orientation, tri, assemblage et comptage en fonction de leur localisation des éléments discrets ou pixels suivant les couleurs ou les nuances de gris ; o analyse statistique dont l'histogramme des différentes zones de partition de façon individuelle ou combinée, quantification des variations des résultats de zone à zone ; o détermination des positions relatives des pixels suivant les nuances de gris ou de couleurs et les seuils de sélection choisis ; rapports entre ces valeurs par zone .

Ces traitements aboutissent à une ou plusieurs suites de valeurs caractéristiques de la constitution ou structure macroscopique propre à chaque graphisme, dessin ou image, même reproduit à l'identique. Ces suites de valeurs sont de longueur variable.

6. Procédé suivant les revendications précédentes caractérisé en ce que les valeurs représentant les aléas servent à élaborer une signature graphique visuelle unique, caractéristique de la reproduction et faisant office de sceau. Cette signature est élaborée suivant les échelles de représentation, après avoir converti et ordonné les valeurs suivant leur amplitude, qui sont représentées le long d'une ligne référence horizontale par des segments verticaux orientés vers le haut pour les valeurs positives et vers le bas pour les négatives. Les échelles sont déterminées en fonction de la taille du document recevant la signature. Elles sont mémorisées avec la signature pour comparaison.

7. Procédé suivant les revendications précédentes caractérisé en ce qu'il s'applique avantageusement sur les images de caractères ALPHACODE-DOTEM® dont les structures géométriques régulières et orientées, facilitent la discrimination des reproductions.

8. Procédé suivant les revendications précédentes caractérisé en ce que la signature proprement dite intègre des paramètres d'élaboration des calculs de la dite signature.