CN101971191B - 用于在运动中获取指纹的装置 - Google Patents

Abstract

用于获取使用者手指的纹路图象的图象获取装置，该装置包括：支座，该支座为在获取平面中运动的手指提供通路；投影设备，该投影设备用于投影光测试图案；彩色传感器，该传感器具有足以感测运动手指的图象的获取速度；处理单元，该处理单元设计成以每种投影颜色从彩色图象信号中提取单色图象、基于至少一个单色图象重构手指的纹理并且基于至少一个单色图象重构形状。

Description

用于在运动中获取指纹的装置

技术领域

本发明涉及用于获取由手指或手掌的皮肤中的皱纹(通常为指纹或掌纹)所形成的图案的图象获取装置。

背景技术

指纹识别包括获取识别候选人的至少一个指纹的图象，以及处理该图象以确保其与数字化的指纹图象相比较，或者与这样的指纹代表(指纹代表称为模板)相比较：这样的指纹已进行处理以显示其特征，并和每个指纹所有者的识别信息一起储存在数据库中。

使用指纹的识别技术广泛应用在警方调查的范围中，且它们变得越来越广泛用于边界控制或仅仅用于身份检查，例如用在进入通道管制的场所上，这些场所例如机场、企业等。

这些技术的应用领域的增加，具体导致获取指纹图象的装置以及与其相关联的图象处理系统的改进；且还降低执行这些技术所需的计算机装置成本。

在这些新的应用中，人们无需培训且无需求助有资质的操作者就能使用获取装置。此外，在诸如边界控制的某些场合中，否决是非常不利的且需要由专门人员进行检验，因此增加控制持续时间。为避免错误使用，需要尤其考虑获取装置的人机工程学。为改进识别可靠性，还设想基于多个指纹执行识别。

处理方法的改进与计算机装置计算能力的提高相结合，能减少处理所需的时间，处理所需时间与获取所需时间相比是微不足道的，尤其是当识别需要获取多个指纹(若干不同手指)的图象时。

通常借助包括支座、获取部件和处理单元的装置执行获取，支座限定基本在一个平面中延伸的获取区域，获取部件固定于支座从而具有形成获取区域的感应面，处理单元连接于获取部件以处理来自获取部件的信号。使用者将手指压靠于感应面(根据适合条件，同时或按序压靠若干手指)。那种操作模式尤其缓慢，且手指必须保持静止，否则无法获取指纹。此外，在某些情形中且对于某些人，手指皮肤尤其干燥且不等待几十秒的话，则无法确保执行足以保证良好性能的、有质量的获取。最后，手指和传感器之间的接触会弄脏传感器，因此使图象质量退化且需要定期清理，尤其是使使用者感到不卫生。

在人机工程学的情况下，接触系统无法确保获取手掌的可接受的图象。为了获取整个手掌的图象，需要使手掌与获取表面完全接触，这通常是不可能的且需要将手努力展平靠于装置。

发明内容

本发明的一个目的是，提出比现有装置更快、同时最大程度简化使用的获取装置。

为此，本发明提供一种图象获取装置，用于获取使用者的手的至少一部分的纹路图象，该装置包括支座、光学获取部件以及处理单元，支座限定基本在一个平面中延伸的获取区域，光学获取部件固定于支座以具有覆盖获取区域的视野，处理单元连接于获取部件以处理来自获取部件的图象信号。该装置的特征在于：

支座设置成提供空闲空间区域，空闲空间区域包含获取区域，并且当手的所述部分平行于平面运动时，为手的所述部分形成通路；

装置包括至少一个投影部件，投影部件用于将至少两种颜色的光测试图案投影到获取区域中；

光学获取部件具有在获取区域的各侧上延伸的景深，并拥有具有一定获取速度的彩色传感器，获取速度足以捕获以预定最大运动速度运动的手的所述部分的至少一个彩色图象；以及

处理单元设置成以每种投影颜色从彩色图象中提取单色图象，以从至少一个单色图象中重构手的所述部分的纹理，并且从至少一个单色图象中重构形状。

这种装置无需与运动中的手的一部分(即手的一个或多个手指或手掌)接触，就能执行光学获取。光学获取部件的特征确保获取在获取平面附近运动的手的此部分的清晰图象(景深可以容许一定程度的手的此部分相对于所述平面的定位公差)。从彩色图象中提取单色图象能具有同时拍取(手的此部分的运动将致使难于自动处理按序拍取的多个图象)的、但却拥有不同的特征的至少两个图象。借助由处理单元执行的处理，这些至少两个图象能获取所有识别所需的信息(例如，这些信息与手的此部分的脊中的定位偏差、脊的外形形状、气孔位置、脊开始位置以及三维形状有关)。带有手指的情况中，这些信息可以延长到中节指骨。这种处理还能获得预定的分辨率，因此简化随后的比较指纹图象的操作。因此，有利的是，它能以已知分辨率计算指纹的展开图象，因此产生可比拟传统获取系统的图象，但使用较大面积。

较佳的是，光学获取部件的视野具有一定宽度，该宽度足以使获取区域覆盖使用者的一个手的多个手指。

因此，能获取同时示出多个使用者手指的图象，从而进一步简化获取并使处理更可靠(或更稳固)。因此，处理模式可设置成：在一系列已获取的图象中提取手指，在2维(2D)或3维(3D)中对它们进行单独分段，按序选择每个手指的最佳代表图象，或实际上为每个手指固结一组代表图象。当获取手掌图象时，处理器模块可设置成确保固结图象，从而获取已获取手掌区域的2D代表图象并从代表图象中重构已获取手掌区域的整个形状。

有利的是，投影部件固定于支座，从而朝手指的末端投影测试图象。

然后，投影很少或根本不会遇到由手指投射到相邻手指上的阴影，这些阴影通过减少可用于识别目的的信息量而有损坏图象的危险。

有利的是，从手的此部分的纹理图象和形状中产生新的展开图象，这种新的图象代表在所有位置处具有相同分辨率的指纹图象。

这对于手指尤其有利。这种展开图象与利用“滚动”获取系统(一种系统，其中，手指在获取表面上滚动以产生指纹的完整图象)获取的图象相同。

在一特殊实施例中，测试图象包括三种颜色，以三种颜色中的一种颜色的均匀照明以及以其它两种颜色的重复光图案，且有利的是，均匀照明是绿色的且重复光图案是红色和蓝色的。

绿色照明以特别有效的方式显露手指的纹理。过长波长(红色和红外)的光线散射到手指内非常大的范围并减少反差。由于摄像机对较短波长较不敏感，则较短波长(蓝色)产生获取问题。相比之下，普通的彩色摄像机拥有比其它颜色的像素更多的绿色像素，因此，绿色较佳地用于显露指纹的高频信息。重复图象的周期远大于指纹中的线条的周期，从而避免在指纹的图象中产生伪像。

较佳的是，重复光图案是方波或正弦波曲线，这些曲线有利地垂直于运动方向延伸，并具有与获取系统的照准轴线的非零夹角。

这种实施例尤其稳固。

根据第一特殊特征，支座包括用于导向使用者手指的运动的导向部件，该导向部件较佳地包括半透明屏幕，该屏幕在获取区域的与光学获取部件相对的一侧上延伸并包括至少一个手指定位参考标记，且该装置还可包括用于指示手指的额定运动速度的元件。

当使用者以合适速度移动手指时，在给定光学获取部件的获取能力的情况下，导向部件可帮助使用者将手指保持在获取区域中。

根据第二特殊特征，装置包括近红外照明部件和红外光学获取部件，红外光学获取部件连接于处理单元以将红外图象信号传递到处理单元，且处理单元设置成从红外图象信号中提取显示手指的静脉网络的红外图象。

在此使用的术语“近红外线”表述处于700纳米(nm)到1000纳米的范围中。这可以探测伪造手指，罪犯使用伪造手指以复制其它人的指纹，但其中，静脉网络与具有伪造手指的人的静脉网络不符合。此外，静脉网络可用于加强使用指纹进行识别的结果。

附图说明

在阅读本发明的特定、非限制性实施例的以下说明之后，其它特征和优点会显现出来。

参照附图，附图中：

图1是根据本发明的装置的示意立体图；

图2是图1的剖面II上的示意剖视图；以及

图3是图1的剖面III上的示意剖视图。

具体实施方式

参照附图，根据本发明的图象获取装置包括支座1，该支座包括操纵台2，操纵台在顶上安装有屏幕3，该屏幕沿平行于操纵台2的透明顶面4延伸。顶面4和屏幕3相对于水平面、以大约45°的角度倾斜，从而屏幕3朝面向操纵台2的使用者倾斜。顶面4和屏幕3隔开几厘米(即，五厘米用于获取指纹，而八厘米用于获取掌纹)的距离，从而限定在它们之间的空闲空间区域5，在本示例中，该空闲空间区域的正面和两侧打开，从而为使用者的手提供通路。

操纵台2包括两个光学获取部件，称为主光学获取部件(在此为彩色摄像机6)和辅助光学获取部件(在此为红外摄像机7)，两个光学获取部件都安装在操纵台2中，从而具有覆盖获取区域8的视野，该获取区域完全包含在空闲空间区域5内。在此，更确切地说，获取区域8位于空闲空间区域5的中心并且具有平行于顶面4的平面。摄像机6和7的视野具有足以确保使获取区域8覆盖使用者同个手上若干手指(在此为食指、中指、无名指和小指)的宽度。调整摄像机6和7，以使视野具有在获取区域8的两侧上延伸的深度。每个摄像机6和7具有传感器，该传感器具有足够快的获取速度，以获取以一定最大预定运动速度通过获取区域的手的图象。借助示例，所使用的传感器是具有130万像素以及每秒60到100图象范围中的速度的传感器。

摄像机6和7连接于处理单元9，以分别将构成彩色图象的信号和构成红外图象的信号传递到处理单元。在此，处理单元9如同计算机，执行图象处理程序。

支座1还包括投影部件10，该投影部件用于以三种颜色投影光测试图案。投影部件10在手指通过的通路下方固定于支座，并朝获取区域8定向，在此，获取区域覆盖手指正面，而在手指正面，指纹信息最具差别力。图案包括以三种颜色中的一种颜色(在此为绿色)的均匀光照，以及以其它两种颜色的重复光图案，在此光图案为沿垂直于手运动方向延伸的、红色和蓝色的方波或正弦波曲线。在此，光测试图案限定成在手指上具有以750每英寸点数(dpi)、70到80像素的平均周期。

支座1还包括投影部件14，该投影部件用于以近红外线投影光束，且在此所描述的示例中，以类似于投影部件10的方式设置。

屏幕3具有中心部分3.1和外围部分3.2，中心部分是半透明的且在获取区域8中高度扩散，而外围部分是透明的。中心部分3.1有利地可首先在其顶面设有反差板(具有抗反射处理的中性密度玻璃)，其次在其底面设有具有抗反射处理的蓝色滤光片。在屏幕3上画有平行于所希望的手运动方向的线11，以告知使用者如何放置手。此外，屏幕3设有指示元件12，该指示元件用于指示所希望的运动速度。在此，指示元件12是移动光带，其包括设在平行于线11的线中的发光二极管(LED)，并且程序设计成以所希望的速度按序点亮LED。

以下描述装置的操作。

寻求识别(或鉴证)的使用者，在使手保持在参考线11之间的同时，通过空闲空间区域5的一侧将手放入空闲空间区域5，且在匹配由指示元件12给出的指示速度的同时，使手运动到另一侧(在图1中M代表运动方向，还接受沿相反方向的运动)。

传感器13(在此为红外屏蔽件)对于手进入获取区域8进行探测，并启动投影部件10和摄像机6和7。第二传感器可设置在支座的另一侧上，从而确保沿任一方向同样良好地探测将通过的手。由于投影部件10的定位，朝手指的端部投影测试图案，从而避免使手指彼此产生阴影。

屏幕3和光投影部件设置成屏幕3截取所有投影光线，并防止使用者直接看到投影光线。使用者仅仅看到由屏幕3所散射的光线，屏幕3具有所选定的吸收特性，从而产生清楚可见且不眩目的图象。当需要时，可在中心区域和外围区域之间附加小的不透明框架。

然后，摄像机6、7将图象信号传递到处理单元9。

由处理单元9执行的程序适合于以三个投影颜色(绿、红和蓝)中的每个颜色，从由摄像机6传递的彩色图象信号中提取单色图象，从而基于至少一个单色图象(在此，确切地说基于绿色图象)为每个手指重构纹理，并且从至少一个其他单色图象(即，在此为红色图象和蓝色图象)中为每个手指重构形状。以此方式重构每个手指或手掌，且能够以一定的分辨率从其中提取图象，该分辨率适合于随后执行与储存在用于识别的数据库中的指纹的比照。这些合适的图象通过全面定标一个或多个所获取的图象或通过使获取的图象固结而获得，和/或它们来自于将它们放回到基于源自所获取的图象或固结图象的三维信息的皮肤纹理的平面中。已知其他展平方法，例如由Y.Chen等人在BiometricConsortium Conference(生物统计协会会议)、于2006年8月21日、第1-6页中的文章“3D touchless fingerprint compatibility with legacy rolled images(与传统滚动图案兼容的3D无触指纹)”中所描述的方法。此种比较以传统方式执行，且在此并未详细描述。可以使用两种重新设置分辨率方法中的一种方法，或者同时使用两种方法。

由摄像机传递的红外图象信号用于形成静脉网络图象。这种图象用于确认未使用伪造手指(将不会有包括静脉网络的图象)，且一但使用者已基于指纹进行识别，则该图象还用于确认记录在数据库中的所有者手指的静脉网络与使用者手指的那些静脉网络实际相同，因此通过附加辅助识别加强识别可靠性(不会明显减缓识别)。

如果还有必要获取拇指的图象，可邀请使用者以刚为其他手指执行的相同方式，将拇指放到获取区域中。处理是相同的。

当然，本发明并不限于所描述的实施例，而是覆盖落入由权利要求书所限定的本发明范围内的任何变型。

具体地说，本发明的装置构造，具体地说支座形状，可与所描述的不同。空闲空间区域可以仅对正面敞开，使用者为获取目的可前伸然后抽出手。除了屏幕3以外，装置可包括导向装置，例如发声装置。

为形成测试图案而投影的光束的数量和波长可不同于所描述的光束。因此，除了在实施例中描述的三种颜色光束以外，可使用两条不同颜色的光束。重复图案中的一个图案可用作另一个重复图案的定位参考，这些重复图案具有相同或不同的频率。当仅仅一个重复图案用于测试图案时，测试图案有利地包括特殊元素(更宽的线、相或频率的突变)以确保使处理单元识别图象中的每条线，从而便于重构形状。使用两种颜色图案可确保在图象中发现特殊性能(给定获取量时，使用非常低的频率，从而不会混淆两个周期；利用两个图象之间的相差……)。单个颜色的光束可设置成部分地包括均匀区域(能获得纹理)，部分地包括包含重复图案的区域。一个或多个其他光束可以以互补方式具有相同类型的区域，因此确保在整个照明表面重构重复图案和均匀光照。投影系统可具有一个或两个投影通道，这两个通道将投影装置的绿色均匀光照装置与红色和蓝色的重复图案隔开。

一个或多个辅助光源可附加于投影系统，从而照亮手指的侧面和指尖。

速度指示元件是可选的。

可以通过按压控制按钮启动摄像机和投影部件。

红外摄像机及其照明系统是可选的。在所有的情形中，由于在系统中红外信息不占有优势，因而主获取系统保持在用于保存主获取系统的最佳图象质量的轴线上。

可附加用于增加图象区域(在手指的侧面)的第二摄像机，以改进为手指的侧面重构的指纹质量，并接近警方获取系统所需的图象质量，警方获取系统通过在获取表面上转动手指而操作。

投影部件可连续操作或使用与摄像机的传感器同步的闪光。当改进对于快速运动手指的图象获取时，使用闪光是有利的，且能确保增加图象系统的景深，且因此增加获取量。

有利的是，图象处理单元设置成执行一些步骤：将手指分段，从一个图象到另一图象跟踪手指，为每个手指选择最佳图象或图象部分，可选地将每个手指的选定图象或图象部分固结在两个或三个尺寸中，预处理以适合与数据库进行比较，以及改进图象。

因此，系统可执行以下任务：

等待触动摄像机(通常通过红外存在探测)，或在连续循环中获取图象；

对每个图象，在图象中对手指分段(以2维或3维)；

为每个手指从图象到图象跟踪分段形状，并为每个手指选择最佳图象(以2维或3维)；

如果已停止通过手指，则停止图象获取；

一但已停止通过手指，如果已为特定手指探测若干图象，则使图象固结在2维或3维中；

利用重新标定为每个手指准备最终图象；以及

为识别目的，利用以此方式准备的图象。

当仅为性能需要时，需要计算三维信息(手指形状)。因此，当相对少地利用处理器资源时，可实时执行分段处理和手指跟踪处理。

实际上，可调整系统，从而能够获取运动非常快(超过每秒一米)的手的图象，从而无需告知使用者通过手的最佳速度。

在一变型中，系统可使用用于提供一种颜色均匀照明的装置，以及用于以一种或多种其他颜色投影测试图案的部件。

Claims (14)

1.一种图象获取装置，用于在使用者的手的至少一部分运动时获取手的所述部分的纹路图象，所述装置包括支座、光学获取部件以及处理单元，所述支座限定在一个平面中延伸的获取区域，所述光学获取部件固定于所述支座以具有覆盖所述获取区域的视野，所述处理单元连接于所述获取部件以处理来自所述获取部件的图象信号，其特征在于： 

所述支座设置成提供空闲空间区域，所述空闲空间区域包含所述获取区域，并且当所述手的所述部分平行于所述平面运动时，为所述手的所述部分形成通路； 

所述装置包括至少一个投影部件，所述投影部件用于将至少两种颜色的光测试图案投影到所述获取区域中； 

所述光学获取部件具有在所述获取区域的各侧上延伸的景深，并拥有具有一定获取速度的彩色传感器，所述获取速度足以捕获以预定最大运动速度运动的所述手的所述部分的至少一个彩色图象；以及 

所述处理单元设置成以每种投影颜色从所述彩色图象信号中提取单色图象，以从至少一个所述单色图象中重构所述手的所述部分的纹理，并且从至少一个所述单色图象中重构形状，用来重构所述手的所述部分的纹理的至少一个所述单色图像具有光测试模式的两种颜色中的一种颜色，用来重构所述形状的至少一个所述单色图象具有光测试模式的所述两种颜色中的另一种颜色。 

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理单元设置成执行以下步骤：将手指分段，从一个图象到另一图象跟踪手指，为每个手指选择最佳图象或图象部分。 

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述投影部件固定于所述支座，从而朝手指的末端投影所述测试图案。 

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测试图案包括以所述颜色中的一个颜色的均匀光照以及以一个或多个其他颜色的重复光图案。 

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置使用以一种颜色的均匀光照装置以及用于以一种或多种其他颜色投影测试图案的投影部件。 

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述均匀光照是绿色的，所述重复光图案是红色和蓝色的。 

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述重复光图案是方波或正弦波曲线。 

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述方波或正弦波曲线垂直于所述运动方向延伸，并具有与所述获取系统的照准轴线的非零夹角。 

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支座包括为所述使用者的手指的运动进行导向的部件。 

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述导向部件包括半透明屏幕，所述屏幕在所述获取区域的远离所述光学获取部件的一侧上延伸并且包括至少一个手指定位标记。 

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述导向部件设有用于指示预定运动速度的元件。 

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括近红外光照部件以及红外光学获取部件，所述红外光学获取部件连接于所述处理单元以将红外图象信号传递到所述处理单元，且所述处理单元设置成从所述红外图象信号中提取显露手指的静脉网络的红外图象。 

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述获取区域的所述平面相对于水平面倾斜。 

14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理单元设置成从所述手的所述部分的所述纹理和所述形状中产生展开的图案，所述展开的图案代表在所有位置处具有相同分辨率的指纹图象。