CC BY
8УДК 004.932.2:519.254
Т.Б. Чистякова1, И.А. Садыков2, К. Колерт3
Введение
Проблема фальсификации лекарственных средств известна человечеству уже как минимум две тысячи лет. Однако лишь в конце ХХ столетия фальсификация медикаментов превратилась в глобальную проблему. По информации Всемирной организации здравоохранения фальсифицированные лекарства были найдены не менее чем в 28 странах. Применение подобных препаратов может стать причиной серьезных негативных последствий для здоровья человека, так как фальсифицированная продукция не проходит предусмотренный для легальной продукции контроль при ее производстве и реализации.
Рост преступлений, связанных с подделкой, обусловлен значительным прогрессом в копировальной и лазерной технике, органической химии и т.п. Появилось большое количество относительно недорогой копировальной техники, позволяющей с высокой точностью скопировать защитные элементы и создающей реальную угрозу фальсификации.
Постановка задачи исследования
Целью исследования является разработка математических методов и программного комплекса для защиты фармацевтических упаковок от фальсификации, использующих недетерминированные принципы защиты упаковок на физическом уровне, алгоритмы кодирования и идентификации упаковок, позволяющие определить подлинность упаковки программным способом.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
• выполнен обзор существующих методов и средств защиты продукции от фальсификации, на основе
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОЛИМЕРНЫХ УПАКОВОК ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ ОТ ФАЛЬСИФИКАЦИИ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26
Проанализированы существующие методы защиты продукции от фальсификации. Предложены программно-аппаратный комплекс средств защиты полимерных упаковок от подделки, методы физического кодирования упаковки, а также методы математической обработки результатов сканирования кодированной упаковки. Разработаны алгоритмы кодирования и идентификации фотоизображения поверхности упаковки, архитектура компьютерной системы и программный комплекс для реализации предложенных методов.
Ключевые слова: фальсификация, защита от подделки, распознавание изображений, программно-аппаратный комплекс, кодирование, идентификация.
которого были сформированы требования к разрабатываемой системе;
• разработаны методы обработки упаковки (сканирование) при помощи устройств сканирования под ультрафиолетовым (УФ) или инфракрасным (И К) излучением;
• предложены методы распознавания изображения для получения набора геометрических примитивов, которые выполняют роль элементов защиты фармацевтической упаковки;
• предложены методы кодирования полученного со сканера изображения для вычисления электронной цифровой подписи (ЭЦП), уникально идентифицирующей каждую упаковку фармацевтической продукции;
• разработаны алгоритмы идентификации, позволяющие уникально идентифицировать каждую упаковку, а также установить её подлинность;
• разработан программный комплекс для автоматизации процессов кодирования и идентификации подлинности упаковок фармацевтических препаратов;
• проведено тестирование и внедрение системы в режиме удалённого доступа пунктов реализации, производственных предприятий и управляющего сервера.
Анализ методов защиты
продукции от подделки
Обзор существующих методов и средств защиты продукции от подделки выявил следующие основные требования, предъявляемые к ним:
• сложность и высокая стоимость копирования элементов защиты, то есть при разработке систем за-
1 Чистякова Тамара Балабековна, д-р техн. наук, профессор, проректор по учебной работе, зав. кафедрой систем автоматизированного проектирования и управления, е-шаИ: edu@technolog.edu.ru, sapr@ws01.sapr.pu.ru.
2 Садыков Илья Андреевич, магистр техники и технологии, аспирант каферы систем автоматизированного проектирования и управления, е-шаИ: smecsia@list.ru.
3 Колерт Кристиан, канд. техн. наук, почетный профессор СПбГТИ(ТУ), член Научного общества им. Лейбница, директор по технологиям компании «Клекнер Пентапласт Европа», Германия, Хайлигенрот, 56401 Монтабаур, Индустриштрассе, д. 3-5, е-ш^1: C.Kohlert@kpfilms.com
Дата поступления - 14 июня 2011 года
щиты выбираются такие технологии, чтобы фальсификация обходилась в несколько раз дороже оригинала;
• использование нескольких уровней защиты и различных технологий (аппаратных, программных, технологических);
• сохранение механической целостности защитных элементов и элементов упаковки в процессе перехода товара от производителя к потребителю и доступность проверки целостности на любом этапе;
• режимная и правовая защита, доступность контроля производства самих защитных элементов.
Обычные методы защиты продукции, такие как радиочастотная идентификация, голограммы и т.д., применимы только для конечной продукции и не защищены от подделки на 100%. Для полноценной защиты продукции необходимо внедрение методов, использующих алгоритмы, основанные на элементе случайности [1, 2]. Только неупорядоченные по какому-либо определённому закону защитные элементы могут гарантировать, что они не будут воспроизведены полностью. Подобные существующие методы защиты, использующие магнитные частицы и металлические на-ночастицы, решают эту проблему, однако являются крайне дорогостоящими.
Нами предложен более дешёвый по сравнению с вышеописанными методами двухуровневый метод защиты упаковок, согласно которому в структуре упаковочного материала (полимерной плёнки, из которой изготавливается упаковка) случайным образом распределяются частицы люминесцирующего вещества (пигменты), невидимого невооружённым глазом. Для того чтобы активировать данные частицы, необходимо осветить упаковку УФ или ИК излучением с определённой длиной волны с помощью специального устройства.
Данный метод предполагает наличие защиты двух уровней:
• защиту на уровне определения подлинности состава люминесцирующего вещества посредством фотометрического анализа кривой поглощения активированных пигментов;
• защиту на уровне геометрического анализа взаиморасположения люминесцирующих пигментов относительно друг друга.
Выбор люминофоров для кодирования полимерных материалов
Для выбора люминофоров были проанализированы наиболее приемлемые для кодирования полимерных материалов люминофоры, возбуждаемые ультрафиолетовым (УФ люминофоры) и инфракрасным излучением (антистоксовые (АС) люминофоры). УФ люминофоры представляют собой порошковые материалы, состоящие из активированных сульфидов цинка и кадмия. Их использование даёт следующие преимущества при кодировании полимерных материалов: возможность выбора цвета люминесценции, сравнительно простая и доступная технология применения люминофоров, возможность неограниченного возобновления их светоизлучающей функции. Недостатком данного типа люминофоров, ограничивающим их применение в широком диапазоне полимерных материалов, является пониженная помехоустойчивость при получении снимка упаковки по сравнению с антистоксовыми люминофорами.
АС люминофоры - это порошковые материалы, представляющие собой активированные соединения редкоземельных элементов. Они способны преобразовывать И К излучения из областей длин волн (0,9-1,07)-10-6 м и (1,4-1,б)'10_6 м в видимый свет различ-
ных цветов, а также ИК излучения из области длин волн (1,4-1,б)" 10-6 м в ИК излучения с длинами волн (0,8-1,02)'10_6 м.
В таблице представлено сравнение люминофоров, возбуждаемых УФ излучением, и АС люминофоров.
Таблица. Сравнительная характеристика люминофоров
Характеристика УФ люминофоры АС люминофоры
Безопасность для пищевых продуктов Большинство УФ люминофоров безопасны при небольших количествах тяжелых металлов При небольших концентрациях АС люминофоры не оказывают никакого влияния на упакованные изделия и не мигрируют на поверхность пленки [1]
Качество защиты Невысокое, так как под УФ излучением начинает также светиться пыль, которая может легко попасть на упаковку и исказить результаты идентификации Высокое, так как при правильном подборе концентрации люминофора в рецептуре и облучении в ИК спектре требуемой интенсивности гарантируется возникновение ярко выраженных светящихся центров люминофоров, и исключается свечение других добавок и подложки
Стоимость Средняя (менее 800 руб./кг) Высокая (более 800 руб./кг)
Концентрация люминофора в рецептуре для обеспечения требуемого распределения светящихся центров на поверхности упаковки Необходимая концентрация УФ люминофора 1 % и более (оказывает влияние на физико-механические характеристики полимерных пленок) Требуемая концентрация АС люминофора в диапазоне 0,0001-0,01% не оказывает существенного влияния на физико-механические характеристики полимерных пленок
Приборы для кодирования и идентификации Обычная УФ лампа с необходимой длиной волны излучения Специальные лазерные ИК светодиоды, использующие излучение высокой интенсивности (лазеры 3 класса и выше), являющиеся приборами повышенной опасности
Использование АС люминофоров предоставляет возможность выбора цвета свечения. Их чистота и стабильность в широком диапазоне температур и очень длительном периоде эксплуатации люминесцентных излучателей, малая потребляемая мощность и компактность последних позволяет сделать вывод, что применение АС люминофоров предпочтительнее для широкого спектра полимерных материалов.
Общая функциональная структура комплекса
Программно-аппаратный комплекс защиты фармацевтической продукции от фальсификации состоит из нескольких подсистем [3]. Общая функциональная схема комплекса представлена на рисунке 1. Подсистема верификации устанавливается в пунктах приёма или реализации промаркированной продукции (аптеках) и позволяет подтвердить её подлинность. В подсистеме верификации с промаркированной упаковки осуществляется считывание изображения, содержащего код, его преобразование и расчёт числового значения ЭЦП. Подсистема верификации состоит из устройства считывания (специального УФ сканера), подключённого к ЭВМ с установленным программным обеспечением. Клиентское приложение связано через каналы глобальной сети Интернет с серверной частью системы.
Серверная часть связана с банком данных ЭЦП, где хранятся коды для различных типов упаковок и различного рода продукции. Передача данных осуществляется по шифрованным каналам с повышенной безопасностью. Получив ЭЦП, серверная часть иден-
тифицирует её и определяет подлинность упаковки. Совпадение этой контрольной информации с информацией, хранящейся в базе данных ЭЦП, гарантирует подлинность упаковки [1].
Производители продукции могут устанавливать собственные требования к защищённости продукции. От этих требований зависит целесообразность использования того или иного метода обработки результатов сканирования упаковки (метода кодирования). В разрабатываемой системе применяется три различных метода построения ЭЦП упаковки [4, 5]:
• метод, основанный на углах треугольников, построенных на основе общего множества точек;
• метод, основанный на радиусах описанных вокруг каждого набора из трёх точек окружностей;
• метод, основанный на площадях треугольников, построенных по методу конечных элементов.
Рисунок 1. Общая функциональная структура комплекса
Программный уровень защиты упаковки
На программном уровне защита упаковки предусматривает две стадии: стадию кодирования и стадию идентификации упаковки. Во время кодирования пятна люминофора представляются как точки на поверхности. На основе этих точек строятся геометрические фигуры, элементы которых принимаются за ЭЦП. ЭЦП каждой упаковки с прочими данными о продукции сохраняются в базу данных цифровых подписей [6].
Кодирование упаковки или полимерного материала состоит из следующих этапов, представленных также на рисунке 2:
• получение снимка упаковки под УФ или ИК излучением (сканирование);
• обработка полученного снимка и преобразование его из полноцветного изображения в бинарный (монохромный) вид;
• распознавание светящихся центров на изображении и их преобразование в геометрические точки;
• вычисление ЭЦП на основе взаимного расположения геометрических точек с использованием различных алгоритмов анализа точек;
• сохранение подлинной ЭЦП в базу данных цифровых подписей.
Рисунок 2. Стадия кодирования изображения
При проверке подлинности полимерной упаковки происходит повторное кодирование (определение элементов в геометрических фигурах) и последующий поиск вычисленной ЭЦП в базе данных для определения типа продукции и установления подлинности упаковки. Идентификация упаковки происходит в два этапа и представляет собой перебор всех возможных сочетаний точек из общего набора по количеству используемых при сохранении (размер хэша). На стадии идентификации пользователь задаёт:
• максимально допустимое абсолютное отклонение 5 в единицах измерения, используемых при вычислении ЭЦП (для метода кодирования треугольниками это значение отклонения углов в градусах, для метода с использованием описанных окружностей - значение радиусов окружностей в микронах, для метода кодирования с использованием конечных элементов - абсолютное значение отклонения площади формируемой фигуры в микронах в квадрате);
• число наиболее ярких точек, выбираемых на упаковке, п;
• число точек к, случайным образом выбираемых из п, которое используется для вычисления ЭЦП, от значения которого зависит сложность вычисляемой ЭЦП (количество используемых геометрических элементов). К примеру, для метода кодирования треугольниками при к = 4 число треугольников также равно 4, при к = 5, число треугольников уже 10, а для 6 точек - 20.
Подготовка (преобразование) и анализ снимка упаковки
Обработка изображения заключается в выполнении преобразования матрицы пикселей, в результате которого формируется набор ее числовых характеристик и новое, обработанное изображение. Преобразование касается значений координат (индексов) матрицы пикселей и выполняется над матрицей в целом для упрощения выделения на снимке областей свечения пятен люминесцирующего вещества. Преобразование завершается получением бинарного (монохромного) представления изображения.
Преобразование фотоснимка упаковки состоит из следующих этапов:
• повышение яркости изображения с использованием шкалы яркости;
• повышение контраста методом линейной растяжки гистограммы;
• преобразование исходного полноцветного изображения в изображение с оттенками серого;
• преобразование изображения с оттенками серого в бинарный (монохромный вид).
Пример этапов обработки снимка упаковки представлены на рисунке 3.
Рисунок 3. Последовательность обработки снимка упаковки
Метод линейной растяжки гистограммы заключается в том, что уровням исходного изображения, лежащим в интервале /мин;/макс], присваиваются новые значения с тем, чтобы охватить весь возможный интервал изменения яркости. При этом контраст существенно увеличивается. Преобразование уровней яркости осуществляется по формуле:
gi = а + Ь / (1)
где/ - старое значение яркости ¿-го пиксела; g¡ -новое значение яркости ¿-го пиксела; а, Ь - коэффициенты.
Стадия кодирования
Кодирование отсканированного изображения зависит от таких параметров как объект кодирования (полимерная плёнка, пластиковая карта и т.д.), элемент кодирования (треугольник, окружность, прямоугольник и т.п.), диаметр нанесённой частицы (микрон) и точность кодирования. Учитывая все перечисленные выше параметры, можно выбрать подходящий метод кодирования. Объекты, элементы, методы и их параметры изображены на рисунке 2.
Рисунок 4. Формализованное описание процесса кодирования
Формализованное описание (ФО) процесса кодирования фармацевтических упаковок, показанное на рисунке 4, состоящее из программного обеспечения (ПО) рабочей станции и ПО сервера, представлено в виде совокупности векторов:
ФО = {X, Y, Z,}, i = 1...и, (2)
где i - номер кодируемой упаковки; n - число кодируемых упаковок; X, - вектор входных параметров кодирования; Y, - вектор результата процесса кодирования; Z, - вектор электронных подписей.
X = { K, P, G,}, K, = { I, £}, P, = {p,l,m}, Gt = f, v,t,d}, Yi = { rj,sum}, Z, = { YbGi) (3) где K, - вектор характеристик изображения; I - изображение кодирования (.jpg или .bmp); £ - точность кодирования, пиксели; Pi - вектор критериев кодирования; p - количество точек, используемые при сохранении; l - максимальное количество наиболее ярких точек, которые распознаются на изображении; m -метод кодирования упаковки; Gi - вектор характеристик кодируемой упаковки; f - производитель фармацевтической упаковки; t - тип упаковки; v - уникальный код упаковки; d - дата кодирования упаковки; r, -параметры объекта кодирования (значения радиусов, j = 1...k, k - количество окружностей); sum - диапазон контрольной суммы.
На этапе кодирования сначала производится распознание изображения (выделение n наиболее яр-
ких центров из набора и представление их в виде точек на плоскости упаковочного материала). При кодировании из этого распознанного набора точек случайным образом выбирается некоторое количество, которое будем называть размером хэша (к). Это количество и метод кодирования могут быть установлены производителем продукции и зависят от объёмов производства, требований к защищённости продукции, а также от разрешающей способности сканирующего устройства.
Предметная область (фармацевтическая продукция) подразумевает значительный объём производства (несколько миллионов упаковок одного типа продукции в год). Поэтому для реализации задачи об идентификации подлинности упаковки требуется хранение больших объёмов данных, а также возможность быстрого поиска по этим данным. Данная проблема решается методом разделения общего набора данных на меньшие наборы, каждый из которых содержит лишь часть общей идентификационной информации. Эти меньшие наборы называются хранилищами подписей и представляют собой динамически формируемые таблицы в реляционной базе данных. Таблицы с сохранёнными ЭЦП формируются динамически. Их структура зависит от следующих параметров: тип продукции, метод кодирования, количество используемых геометрических элементов, диапазон контрольной суммы. Контрольная сумма ЭЦП - это число, которое вычисляется для каждого набора геометрических элементов и зависит от используемого метода кодирования. Для метода кодирования треугольниками это число вычисляется по формуле:
ч
^ = £( - О, (4)
'1
где аср и амин - среднее и минимальное значения углов в треугольнике.
Диапазон контрольной суммы - это диапазон значений, в который попадает контрольная сумма, верхняя и нижняя границы которого кратны шагу диапазона. Шаг диапазона зависит от требований к защищённости продукции и задаётся отдельно для каждого метода кодирования. Таким образом, на показатель защищённости продукции влияют следующие факторы: выбранный метод кодирования, точность распознания изображения (разрешающая способность сканирующего устройства), количество используемых при кодировании активированных точек, а также диапазон контрольной суммы ЭЦП.
Стадия идентификации
Для проверки подлинности полимерной упаковки происходит повторное кодирование (определение элементов в геометрических фигурах) и последующий поиск вычисленной ЭЦП в базе данных для определения типа продукции и установления подлинности упаковки [3].
Первый этап идентификации заключается в поиске совпадений ЭЦП, построенных на основе к точек, и называется проверкой полного совпадения. Максимальное число проверок наличия построенной ЭЦП в базе данных, согласно комбинаторике, вычисляется по формуле:
С к = п! , (5)
" к!(п - к)!
где п - общее число распознанных на упаковке точек; к - используемое для кодирования число точек упаковки.
Если найдено хотя бы одно совпадение построенных подписей и информации из базы данных, упаковка признаётся подлинной.
На втором этапе проверяются ЭЦП, построенные на основе к-1 точек. Этот этап называется поиском частичного совпадения. Максимальное число проверок при выполнении данного поиска вычисляется по формуле:
С-1 = 7- "!-, (6)
" (к -1 ).'(п - к - 1)!
Если при выполнении поиска частичного совпадения найдено совпадение хотя бы одной подписи в базе данных, упаковка признаётся подлинной, но пользователь получает предупреждение о возможной деформации упаковки. В этом случае существует определённая вероятность того, что упаковка подлинна (эта вероятность зависит от параметров кодирования, конкретной упаковки данного типа продукции, типа плёнки, используемого при производстве упаковки, а также используемого метода кодирования).
Упаковка признаётся фальсифицированной в том случае, если не найдено ни одного совпадения цифровой подписи на всех этапах идентификации.
Тестирование и внедрение программного комплекса
Программный комплекс кодирования и идентификации полимерных упаковок прошёл успешное тестирование и был внедрён в эксплуатацию, обеспечивая среднее время идентификации одной упаковки не более 30 секунд при наличии количества подлинных ЭЦП до 1 миллиона в базе данных [7]. Испытания проводились на продукции, упакованной в поливинил-хлоридную плёнку Эп-73, произведённую по ГОСТ 25250-88 на заводе «ООО Клёкнер Пентапласт Рус» (Санкт-Петербург). Размеры плёнки: ширина 1-1,25 м, толщина (0,14-0,35)"10-3 м.
Заключение
В результате проделанной работы был разработан программно-аппаратный комплекс, включающий устройство сканирования (фотографирования) упаковки, программное обеспечение для обработки полученного изображения и вычисления цифровой подписи на основе математических алгоритмов и методов аналитической геометрии, базу данных электронных подписей для каждой полимерной упаковки, а также программное обеспечение, позволяющее произвести поиск и непосредственную идентификацию полученной электронной подписи на основе алгоритмов комбинаторики. Использование программного комплекса позволяет за приемлемое для потребителя время провести идентификацию фармацевтических упаковок. Разработанные методы и программный комплекс являются гибкими и настраиваемыми инструментами для защиты полимерных упаковок от фальсификации.
Литература
1. Kohlert C., Kohlert M., Chistyakova T., Ivanov A, Sadykov I. Counterfeit-proofing based on the principle of randomness // Kunststoffe international. 2010. № 7. P. 32-35.
2. Kohlert C, Schmidt B, Egenolf W., Chistjakova T.. Verpackungsfolie für Produktauthentifizierung, Authentifizierungsverfahren und -system: pat. DE 10 2008 032 781 A1. / Patent WO 2010/003585 A1. Packaging film for product authentication, authentication method and system
3. Чистякова Т.Б., Садыков И.А., Колерт К. Структура системы кодирования и идентификации полимерных изделий // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22. Сб тр. XXII Междунар. науч. конф г. Псков 26-30 мая 2009г. Псков: ПГПИ,
2009. Т. 9. С. 202-203.
4. Садыков И.А., Чистякова Т.Б. Методы и алгоритмы математической обработки экспериментальных исследований для распознавания полимерных изделий // Неделя науки - 2011. Сб. тезисов.. науч.-техн. конф. молодых ученых СПбГТИ(ТУ).Санкт-Петербург 30 мар-та-1 апреля 2011 г. СПб: СПбГТИ(ТУ), 2011. С. 116.
5. Чистякова Т.Б., Садыков И.А., Колерт К. Алгоритмы кодирования и идентификации для защиты полимерных изделий от фальсификации // Математические методы в технике и технологиях ММТТ-23. Сб тр. XXIII Междунар. науч. конф г. Смоленск 23-26 июня 2010г. Смоленск: Смолен. фил. МЭИ(ТУ), 2010. Т. 12. С. 34-36.
6. Садыков И.А., Албуткина О.С., Масликов А.И. Программное обеспечение системы кодирования и идентификации фармацевтических упаковок // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-23. Сб тр. XXIII Междунар. науч. конф г. Смоленск 2326 июня 2010г. Смоленск: Смолен. фил. МЭИ(ТУ),
2010. Т. 12. С. 33-34.
7. Чистякова Т.Б., Колерт К., Садыков И.А., Албуткина О.С., Масликов А.И. Программный комплекс для обеспечения защиты полимерных изделий от подделки: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2010614239; опубл. 30.06.2010 Рос. Федерация. Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем: офиц. бюл. Фе-дер. службы по интеллект. собственности, пат. и товар. знакам. Вып. 3. С. 448.
