[发明专利]基于不可克隆特征的安全物品识别以及认证系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于对产品进行认证的系统和方法，尤其是使用可视特征用于检验的系统和方法。

背景技术

历史上，物品(根据该术语将考虑现实世界中的所有物理对象)的保护基于使用自然界中稀有或很难复制、拷贝或克隆的一些特征的技术。认证被认为是对物品的附加特定明显、隐蔽特征或取证特征的验证处理，其可以验证物品为真的。这些保护技术的示例很多并且包括特殊磁粉[1]、隐形墨水、晶体或具有红外线(IR)或紫外线(UV)特性[2]的粉末、光学可变材料、全息图和物理纸张水印[3]等。物品真实性的验证基于附加特征存在的肉眼检查或特殊装置(检测器)，特殊装置通常具有私有性质并且由于害怕披露所使用技术和物理现象背后的私有技术秘密，假设不被用于公共领域。

在主要风险因素中，最重要的是关于伪造物品、替换原始物品、篡改、非法交易、生产相似物品、非法特许或以上的任何混合的威胁。

物品的识别是指给每个物品指定特定索引，其可以用于它们的跟踪和追查。所指定索引被编码并且以可见条形码[4]或无形数字水印[5]或圆点的印戳稀疏集(通常为黄色)[6]或特别设计的存储装置(诸如磁带、电子智能卡或RFID[7])的印刷形式存储在物品上。明显地，即使数据被加密，以这种方式存储的信息也可以由任何一方读取和拷贝。

众所周知这些方法在认证和识别应用中的安全缺陷。除了以上技术多数是私有的并且通过安全印刷厂保密很多年以外，它们仍然被最广泛地使用。然而，对于大规模使用，这些技术中的一些还非常昂贵。相反地，由于数据很容易被复制而不需要解密，所以即使使用以上识别协议中的最先进密码技术也不会有太多帮助。

此外，新的存储装置(电子芯片、RFID)对于大规模应用仍然非常昂贵。有时，不存在将这种装置嵌入物品结构中的可能性或者它们的存在由于多种法律、商业、市场、生态和技术原因而不能被接受。

而且，这些技术的另一安全缺陷在于它们的粘着性。上述保护机构被添加至物品作为独立对象或特征，有时改变物品的性能、外观、设计和价值。这引起在早先保护系统中没有认识到的非常严重的复杂情况。首先，附加特征对实际物品和其专有特性和物理性质没有任何作用。其次，所有这些保护特征都可以由现代手段相对容易地再生。

与此同时，多年以来公知的是，由于拥有很难克隆或拷贝的特定特征，所有的物和人都是唯一的。这些不可克隆特征是用于物理对象表面的随机微观结构和用于人的生物测量(指纹、虹膜等)。不可克隆特征由自然界形成并且自然地结合到物品中。然而，考虑到多种优点并且属于非粘着的，不可克隆特征仅在最近才变为深入理论研究的主题，这主要得益于廉价的高分辨率成像装置设计上实现的进步。

为了通用起见，将物理不可克隆特征(例如，在一些环境中为指纹)限定为由对象、产品或文档携带的唯一特征。这种特征的主要性能为：(a)它们可以以简单的方式被提取和估计，但是(b)它们很难表征，并且(c)实际上不能被拷贝(克隆)。不可克隆特征基于由自然界创造的随机性，实际上存在于以透明或反射模式在相干激发或非相干激发(光)下观测到的所有物理结构中。有时，该随机性可以为手工的。不可克隆特征的示例包括纸张、金属、塑料、纤维、斑纹、木材、有机材料、晶体和宝石、复杂分子结构等的微观结构。从而，不可克隆特征的主要应用为用于识别和认证目的的防伪造。

虽然识别/认证问题的鲁棒性-不变性方面得到了大量关注，尤其是计算机视觉方面，但是安全性问题仍然是公开的、很少研究的问题。这方面可能对诸如内容、对象、个体认证和识别、篡改证据、同步、取证检定以及品牌和艺术品保护的安全性应用有很大影响。

基于不可克隆特征的有效识别/认证技术的设计是非常具有挑战性的问题，其应当寻找所覆盖的多种冲突需求之间的折衷办法：

●对失真的鲁棒性或可靠性，即，识别/认证函数在应用至相同数据的合理失真下产生准确结果的能力，包括信号处理和去同步变换；

●安全性，即，攻击者无能力使用关于码本、决策规则等的泄露信息再生物理不可克隆特征或欺骗识别/认证处理；这还包括类似于散列函数的单向性能或不可逆性性能(即，给定索引和码本构造，寻找原始数据在计算上非常昂贵)，以及无冲突性能，其是指给定输入和识别/认证函数，在计算上很难找到第二图像，使得在允许失真的区域之外生成相同结果的事实。

●复杂性，即，在不考虑准确性损失的情况下，执行具有最低可实现计算复杂性的识别/认证的能力；

●存储器存储，即，需要存储用于分类的码本或特征的存储器；