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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen und Verfahren zur optischen
Abbildung von Merkmalen der Oberfläche einer Hand, wie zum Beispiel
Fingerabdrücke
und Handabdrücke.
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Fingerabdrücke und
Handabdrücke
werden üblicherweise
genommen, indem Tinte auf die Oberfläche der Haut aufgetragen wird
und anschließend die
Tinte auf ein Papiermedium zur Registrierung übertragen wird. Das Auftragen
der Tinte auf die Haut und die nachfolgende Übertragung auf Papier erfordert
einen qualifizierten Experten, um Bilder hoher Qualität anzufertigen.
Es wurden optische Systeme zum Abtasten von Abbildungen von Fingerabdrücken und
Handabdrücken
entwickelt, um Probleme zu vermeiden, die mit auf Tinte basierenden
Verfahren verbunden sind. In üblichen
optischen Systemen wird eine abzutastende Hand gegen eine transparente Walze
gehalten und ein optischer Detektor tastet das vom Übergang
zwischen der Hand und der Walze reflektierte Licht ab, um für Fingerabdruck-
und Handabdruckbilder repräsentative
Signale zu erzeugen. Diese Signale werden digitalisiert, im digitalen
Computerspeicher gespeichert und für die Übertragung oder den Druck verarbeitet.
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Beispiele
von Anordnungen des Standes der Technik sind in US-Patent-Nr. 4,032,889
und US-Patent-Nr. 5,528,355 offenbart.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Einrichtung zum optischen Abbilden von Merkmalen einer
Hand bereitgestellt, mit:
einer Lichtquelle zum Beleuchten
eines Abbildungsbereichs;
einer konvexen Kontaktfläche, die
freiliegt, um in Kontakt mit einer Hand zu treten, und um Bereiche der
Hand in festem Kontakt mit der Kontaktfläche durch den Abbildungsbereich
zu führen;
und
einem Detektor, der zum Erfassen von Licht aus dem Abbildungsbereich
angeordnet ist, und um daraus ein für Oberflächenmerkmale einer die Kontaktfläche im Abbildungsbereich
kontaktierenden Hand repräsentatives
Signal zu erzeugen, gekennzeichnet durch:
eine Dämpfungseinrichtung,
die mit der Kontaktfläche
gekoppelt ist, um die Geschwindigkeit zu steuern, mit der die Kontaktfläche Bereiche
der Hand durch den Abbildungsbereich führt.
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Außerdem wird
gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren zur optischen Abbildung von Merkmalen der
Oberfläche
einer Hand bereitgestellt, wobei:
die Hand in Kontakt mit einer
konvexen Kontaktfläche angeordnet
wird;
die Hand in festem Kontakt mit der konvexen Kontaktfläche durch
einen Abbildungsbereich geführt wird;
der
Abbildungsbereich mit Licht beleuchtet wird; und Licht von dem Abbildungsbereich
erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass:
die Bewegung der
Kontaktfläche
zur Steuerung der Geschwindigkeit, mit der die Hand sich durch den
Abbildungsbereich bewegt, gedämpft
wird; und
ein für
Oberflächenmerkmale
der durch den Abbildungsbereich geführten kontaktierenden Hand
repräsentatives
Signal aus dem erfassten Licht erzeugt wird.
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Ausführungsbeispiele
können
eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
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Die
Kontaktfläche
kann von der Lichtquelle erzeugtes Licht reflektieren. Die Kontaktfläche kann im
Abbildungsbereich von konvexer Form sein. Die Kontaktfläche kann
im Abbildungsbereich einen konstanten Krümmungsradius aufweisen. Die
Kontaktfläche
kann der Oberfläche
eines drehbaren Zylinders entsprechen. Die Kontaktfläche kann
konfiguriert sein, um Bereiche einer sich durch den Abbildungsbereich
bewegenden kontaktierenden Hand zu glätten. Die Kontaktfläche kann
verschiedene Bereiche einer Hand kontaktieren, während die Hand durch den Abbildungsbereich
geführt
wird.
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Eine
Dämpfungseinrichtung
kann mit der Kontaktfläche
gekoppelt sein, um die Geschwindigkeit, mit der die Kontaktfläche Bereiche
der Hand durch den Abbildungsbereich führt, anzupassen. Ein Überwachungsgerät (z.B.
ein Positionscodierer) kann bereitgestellt sein, um die Position
der Kontaktfläche
im Verhältnis
zum Abbildungsbereich zu verfolgen. Die Kontaktfläche kann
angepasst sein, um Bereiche der Hand in einer Abtastrichtung durch
den Abbildungsbereich zu führen.
Der Abbildungsbereich kann im Wesentlichen in einer Bildebene enthalten sein,
die die Kontaktfläche
entlang einer Bildlinie schneidet, die im Wesentlichen orthogonal
zur Abtastrichtung ist.
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Der
Detektor bzw. die Erfassungseinrichtung kann so konfiguriert sein,
dass sie hauptsächlich
von der Kontaktfläche
reflektiertes Licht unter einem Betrachtungswinkel relativ zu einer
Normalen der Kontaktfläche
im Abbildungsbereich aufnimmt, der größer als der Grenzwinkel für einen Übergang
zwischen der Kontaktfläche
und Luft ist. Die Erfassungseinrichtung kann so konfiguriert sein,
dass sie hauptsächlich
von der Kontaktfläche
reflektiertes Licht in einem Betrachtungswinkel relativ zu einer
Normalen der Kontaktfläche
im Abbildungsbereich erfasst, der größer als der Grenzwinkel für einen Übergang
zwischen der Kontaktfläche
und Wasser ist. Der Betrachtungswinkel kann kleiner als der Grenzwinkel
für einen Übergang
zwischen der Kontaktfläche
und der abgebildeten Hand sein.
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Das
die Kontaktfläche
im Abbildungsbereich beleuchtende Licht kann im Wesentlichen senkrecht zur
Kontaktfläche
im Abbildungsbereich verlaufen. Die Lichtquelle und die Erfassungseinrichtung
können
stationär
sein. Es kann eine Steuereinrichtung bereitgestellt sein, um zu
bestimmen, wann eine Abbildungssitzung begonnen hat. Die Steuereinrichtung kann
konfiguriert sein, um zu bestimmen, wann eine Abbildungssitzung
beendet ist.
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Bereiche
der Hand können
durch Drehen der konvexen Führungsfläche durch
den Abbildungsbereich geführt
werden. Ein beleuchteter Abbildungsbereich kann sich in eine Richtung
ausdehnen, die im Wesentlichen orthogonal zu der Richtung ist, in
die Bereiche der Hand geführt
werden. Es kann ein zweidimensionales Bild von Oberflächenmerkmalen
der durch den Abbildungsbereich geführten, kontaktierenden Hand
erzeugt werden. Die beim Schreiben aufliegenden Handkanten [writer's palm] können gegen
die konvexe Kontaktfläche
angeordnet werden, um einen Abdruck der Handkanten zu erhalten.
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Die
Erfindung kann verwendet werden, um einen vollständigen Abdruck einer Hand zu
erhalten, der die Handfläche
und die Seiten der Hand umfasst. Die Erfindung kann mit einer Einrichtung
ausgeführt werden,
die eine kompakte Grundfläche
aufweist. Da die Kontaktfläche
die Hand durch den Abbildungsbereich führt, kann die Erfindung im
Gegensatz zum optischen Abtasten einer feststehenden Hand auch einen
Abdruck einer Hand beliebiger Länge
nehmen. Das bedeutet, die Länge
des Abdrucks ist nicht durch die Grundfläche der Abbildungseinrichtung
begrenzt. Da die Kontaktfläche
von konvexer Form ist, kann die Erfindung darüber hinaus Oberflächenmerkmale
genau abbilden, die der Innenseite der Handfläche entsprechen. Die Erfindung
kann auch die vier Finger einer Hand entweder getrennt oder als
Teil eines Bildes der gesamten Hand abbilden.
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Andere
Merkmale und Vorteile werden von der nachfolgenden Beschreibung,
die die Zeichnungen und die Ansprüche umfasst, ersichtlich werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht einer Einrichtung zur
optischen Abbildung von Merkmalen der Oberfläche einer Hand.
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2A zeigt
eine schematische Vorderansicht bestimmter Komponenten der Abbildungseinrichtung
von 1.
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2B zeigt
eine schematische Seitenansicht einer Hand, die durch einen Abbildungsbereich auf
einer Kontaktfläche
der Abbildungseinrichtung von 1 geführt wird.
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3 zeigt
eine schematische Seitenansicht von Strahlengängen durch die optischen Komponenten
der Abbildungseinrichtung von 1.
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4 zeigt
eine Blockdarstellung eines Systems, um eine Abbildung von Oberflächenmerkmalen einer
Hand aus einem oder mehreren durch die Einrichtung von 1 erzeugten
Signalen zu erhalten.
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5 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur optischen Abbildung von
Oberflächenmerkmalen
auf der Oberfläche
einer Hand.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
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Es
wird auf 1 Bezug genommen. Eine Einrichtung 10 zur
optischen Abbildung von Merkmalen der Oberfläche einer Hand 12 umfasst
eine in einem Gehäuse 16 gelagerte
Kontaktfläche 14.
Die Kontaktfläche 14 ist
hinter einer abnehmbaren Abdeckung 18 gelagert, die einen
Schlitz 20 aufweist, der einen Abbildungsbereich 22 begrenzt.
Die Abdeckung 18 bildet mit der Kontaktfläche 14 eine
im Wesentlichen flüssigkeitsdichte
Abdichtung, um das Eindringen von Feuchtigkeit, Verunreinigungen
der Hand und Reinigungsflüssigkeit
in das Gehäuse 16 zu
verhindern. Die Kontaktfläche 14 ist
für das
Abstützen
und das Durchführen
der Hand 12 durch den Abbildungsbereich 22 konstruiert.
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Im
Betrieb wird die Hand 12 auf der Kontaktfläche 14 angeordnet.
Eine Steuereinrichtung kann automatisch bestimmen, wann die Hand 12 auf
der Kontaktfläche 14 angeordnet
ist und wann folglich eine Abbildungssitzung zu beginnen ist. Alternativ kann
ein ABTASTEN-Schalter 24 aktiviert werden, um eine Abbildungssitzung
zu beginnen. Die Kontaktfläche 14 bewegt
sich in Bezug auf den Abbildungsbereich 22 und führt dabei
die die Kontaktfläche
kontaktierenden Bereiche der Hand 12 durch den Abbildungsbereich.
Nachdem die Hand 12 durch den Abbildungsbereich 22 geführt wurde,
kann ein Bild der Oberflächenmerkmale
der Hand 12 auf einem Videobildschirm angezeigt werden.
Die Steuereinrichtung kann automatisch bestimmen, dass die Abbildungssitzung
beendet ist oder ein SPEICHERN-Schalter 26 kann aktiviert
werden, um die dem dargestellten Bild entsprechenden Daten zu speichern
oder zu übertragen.
Die Bilddaten können in
nichtflüchtigem
Speicher gespeichert oder zu einem zentralen Computersystem übertragen
werden. Die Abbildungseinrichtung 10 kann verwendet werden,
um die Fingerabdrücke,
Handabdrücke
oder Fußabdrücke einer
Person zu erhalten und zu überprüfen. Die
Abbildungseinrichtung 10 kann außerdem verwendet werden, um
den Zugriff einer Person auf Einrichtungen oder Computer zu kontrollieren.
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Wie
in 2A und 2B gezeigt,
entspricht die Kontaktfläche 14 der
Oberfläche
eines drehbaren Zylinders 30, der auf einer zentralen Welle 32 befestigt
ist, die auf Lagern gelagert ist. Der Zylinder 30 ist für Licht
durchlässig,
das von einer Lichtquelle 34 erzeugt wird. In einem Ausführungsbeispiel wird
der Zylinder 30 aus durchsichtigem Acryl mit einer zu optischer
Klarheit polierten Oberfläche
gebildet. Wie nachstehend erklärt,
wird die Bildqualität verbessert,
wenn die abzubildenden Handbereiche einen vollständigen und direkten Kontakt
mit der Kontaktfläche
herstellen. Die Kontaktfläche 14 ist
deshalb so groß,
dass die meisten Handgrößen mit
der konvexen Form der Kontaktfläche übereinstimmen können. In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat
der Zylinder 30 einen Durchmesser von etwa drei Zoll und
ist etwa sechs Zoll lang. Ein Heizband 33 (in 1 durch
gestrichelte Linien dargestellt) ist hinter dem Zylinder 30 angeordnet,
um die Kondensation auf der Kontaktfläche 14 zu reduzieren
und die Qualität
des Kontaktes zwischen der Hand 12 und der Kontaktfläche 14 zu
erhöhen.
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Eine
dünne Beschichtung
aus einem durchsichtigen Polymer (z.B. Silikon, Polyurethan und
Epoxydharz) kann verwendet werden, um die Qualität des Handkontakts mit der
Kontaktfläche 14 zu
erhöhen.
Die Kontaktfläche 14 kann
mit einem Polymer beschichtet sein, das einen Shore-A-Härteprüfwert von
etwa 60–80
aufweist. Das Polymer kann durch Tropf- oder Sprühverfahren auf die Kontaktfläche 14 aufgebracht
werden. Alternativ kann ein Folienpolymer an die Kontaktfläche 14 geklebt
werden. Im Allgemeinen sollte das Polymer im Wesentlichen beständig gegen
eine Korrosion durch Fingerfett und Reiniger sein.
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Die
Lichtquelle 34 ist an die zentrale Welle 32 angrenzend
positioniert. Die Lichtquelle 34 beleuchtet den Abbildungsbereich 22 mit
Licht. Die Lichtquelle 34 umfasst bevorzugt eine Lichtleiste,
die aus Rotlicht emittierenden Dioden (LED) besteht und mit einem
dünnen
Foliendiffusor beschichtet ist. Das Licht vom Abbildungsbereich 22 wird
von einem Erfassungssystem 36 erfasst, das ein Prisma 38,
die telezentrischen Abbildungslinsen 40, 42 und
eine optische Erfassungseinrichtung 44 (z.B. ein CCD-Array) umfasst.
Das Erfassungssystem 36 ist entlang einer optischen Achse 46 angeordnet.
Das Erfassungssystem 36 ist so ausgelegt, dass es das Licht
empfängt, das
entlang einer Bildlinie 47 im Abbildungsbereich 22 liegt.
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Das
Prisma 38 ist 25° außerhalb
der durch die Welle 32 definierten, zentralen Achse befestigt, um
für die
Welle 32 und ihren zugehörigen Befestigungen den erforderlichen
Platz zu haben. Das Prisma 38 weist eine erste Oberfläche 48 auf,
die parallel zur kreisförmigen
Stirnfläche 50 des
Zylinders 30 angeordnet ist und weist weiter eine zweite
Oberfläche 52 auf,
die rechtwinklig zur optischen Achse 46 angeordnet ist;
der Schnittwinkel 53 zwischen der Oberfläche 50 und
der Oberfläche 52 beträgt vorzugsweise 23.3°. Die Prismenoberfläche 48 ist
dicht an der Zylinderoberfläche 50 angeordnet,
um die Ablenkung der optischen Achse zu reduzieren. Die Prismenoberfläche 48 kann
von der Zylinderfläche 50 in
einem Abstand von etwa 2 mm oder weniger angeordnet sein. Das Prisma 38 ist
vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Zylinder 30 (z.B.
Acryl) gebildet.
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Die
Abbildungslinsen 40, 42 weisen einen telezentrischen
Aufbau auf, so dass der von der Bildlinie 47 empfangene
Hauptlichtstrahl die Kontaktfläche 14 im
gleichen Winkel (α)
schneidet, wie in 3 gezeigt. Die Linse 40 ist
groß genug,
den gesamten Abbildungsbereich 22 abzubilden. Die Vergrößerung durch
die Linsen 40, 42 ist so ausgewählt, daß der gesamte
Abbildungsbereich 22 auf die Erfassungsoberfläche der
Erfassungseinrichtung 44 fokussiert wird. Gemäß der Schiempflug-Bedingung ist die
Erfassungsoberfläche
der optischen Erfassungseinrichtung 44 in Bezug auf die
optische Achse 46 geneigt, um die gesamte Bildlinie 47 auf
der Erfassungsoberfläche
richtig zu fokussieren.
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Die
optische Erfassungseinrichtung 44 umfasst ein lineares
CCD-Array von 5000 Elementen (Pixeln), die im Abstand von etwa 7
Mikrometern (μm)
angeordnet sind. In den meisten Anwendungen zur Handabtastung wird
der interessierende Abbildungsbereich eine Breite von etwa 5 Zoll
aufweisen. Folglich kann eine Bildauflösung von etwa 600dpi (Punkte
je Zoll) durch Abtasten von nur 3000 der 5000 Pixel der Erfassungseinrichtung 44 erreicht werden.
Das lineare CCD-Array weist vorzugsweise eine Abtastrate von bis
zu 10 Megapixeln je Sekunde auf.
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Licht,
das mit einem in Bezug auf eine Normale 48 der Kontaktfläche gemessenen
Winkel (θi), der größer als der Grenzwinkel (θcr) ist, auf die Kontaktfläche einfällt, wird
intern in Richtung des Erfassungssystems 36 reflektiert
werden. Der Grenzwinkel ist als der kleinste Einfallswinkel definiert,
für den das
auf die Kontaktfläche
treffende Licht im Zylinder 30 vollständig intern reflektiert wird.
Der Wert des Grenzwinkels an einem Übergang zwischen zwei Materialien
ist durch das snelliussche Brechungsgesetz gegeben, wie im US-Patent
Nr. 5,416,573 dargelegt. Die Blende des Erfassungssystems 36 bestimmt,
welche der intern reflektierten Lichtstrahlen die Erfassungseinrichtung 44 erreichen.
Insbesondere bestimmt der Winkel (θview)
zwischen der optischen Achse 46 und der Normalen 48 (hier
als „Betrachtungswinkel" bezeichnet), welche
der reflektierten Lichtstrahlen die Erfassungseinrichtung 44 erreichen.
Das Erfassungssystem 36 ist so ausgerichtet, dass der Winkel
(θview) für
den Übergang
zwischen der Kontaktfläche 14 und
der Luft größer als
der Grenzwinkel ist. Wenn zum Beispiel der Zylinder 30 aus
Acryl gebildet wird, würde
der Winkel (θview) größer als
etwa 42° gewählt werden.
Das Erfassungssystem 36 ist so ausgerichtet, dass der Winkel
(θview) größer als
der Grenzwinkel für
den Übergang
zwischen der Kontaktfläche 14 und
Wasser ist, jedoch kleiner als der Grenzwinkel für den Überganz zwischen der Kontaktfläche 14 und
der Hand 12 (z.B. weniger als etwa 75° für einen Acryl/Hand-Übergang unter
der Annahme eines effektiven Brechungsindexes der Hand von etwa
1.44). Als ein Ergebnis der Auswahl eines Betrachtungswinkels, der
größer als der
Grenzwinkel für
einen Kontaktfläche/Wasser-Übergang
ist, ist die durch die Abbildungseinrichtung 10 erzeugte
Bildqualität
im Wesentlichen von der Feuchtigkeit und dem Schweiß auf der
Hand 12 unbeeinflusst. Ein vergrößerter Betrachtungswinkel ermöglicht außerdem einen
kleineren Durchmesser für
den Zylinder 30, als wenn das System einen Betrachtungswinkel
von nur 45° aufwiese.
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Wie
vorstehend erwähnt,
werden Oberflächenmerkmale
der Hand 12 durch das Führen
der Hand 12 über
den Zylinder 30 durch den Abbildungsbereich 22 abgebildet.
Die Oberflächenmerkmale
der Hand 12 werden als Ergebnis der Tatsache abgebildet,
dass die erfasste Lichtintensität
für Positionen entlang
der Linie 47 abnimmt, an der Oberflächenmerkmale in direktem Kontakt
mit der Kontaktfläche 14 stehen.
Das bedeutet, dass das Licht da behindert wird, wo die Hand die
Kontaktfläche 14 direkt
kontaktiert, so dass ein dunkles Bild der Kontaktflächen erfasst
wird. Das Erfassungssystem 36 bildet folglich einen linearen
Bereich über
die Breite der Hand 12 ab. Die optische Erfassungseinrichtung 44 zeichnet den
abgebildeten linearen Bereich mit einer Geschwindigkeit auf, die
groß genug
ist, um die gesamte Hand bei ihrer Bewegung durch den Abbildungsbereich 22 zu
erfassen. Ein digitaler Positionscodierer 60 verfolgt die
Position der Kontaktfläche 14 im Verhältnis zum
Abbildungsbereich 22, z.B. durch eine Erfassung der Drehbewegung
einer auf der Welle 32 befestigten Code-Rades mit einem
optischen Inkremental-Drehwertgeber (erhältlich von z.B. Hewlett-Packard
Company von Palo Alto, Kalifornien). Die Signale vom Codierer 60 werden
von einer Steuereinrichtung empfangen. Die Position des Kontaktes 14 wird
für jedes
erfasste Zeilenbild aufgezeichnet. Wie nachstehend erklärt, wird
das endgültige
Bild der Hand 12 aus den aufgezeichneten Zeilenbildern
abgeleitet und aus regelmäßig beabstandeten
Zeilenbildern der Hand 12 zusammengesetzt.
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Ein
Dämpfungsmotor 62 ist
durch einen Riemen 64 mit der Welle 32 gekoppelt,
um die Geschwindigkeit einzustellen, mit der die Kontaktfläche Bereiche
der kontaktierenden Hand durch den Abbildungsbereich 22 führt. Der
Dämpfungsmotor 62 fügt der Welle 32 ein
Schleppmoment hinzu, das proportional der Geschwindigkeit ist, mit
der der Zylinder 30 gedreht wird. Dieses Merkmal wird durch
ein Belasten des Dämpfungsmotor 62 mit
einer ohmschen Last ausgeführt.
Wenn die Drehgeschwindigkeit eine vorher festgelegte Grenze erreicht,
wird die ohmsche Last des Motors 62 auf einer festen Spannung
gehalten. Das führt
zu einer signifikanten Erhöhung
des an die Welle 32 angelegten Schleppmomentes. Die maximale
Geschwindigkeit, mit der sich eine Hand frei durch den Abbildungsbereich 22 bewegen
kann, kann etwa 5 Zoll je Sekunde betragen. Unter der Annahme, dass
die Erfassungseinrichtung 44 Pixeldaten mit einer Geschwindigkeit
von 10 Megapixeln je Sekunde ausgeben kann, können ungefähr 3000 Bildzeilen durch die
Erfassungseinrichtung 44 je Sekunde abgetastet werden.
Durch eine Begrenzung der Handbewegung durch den Abbildungsbereich 22 auf
5 Zoll je Sekunde oder weniger kann eine Bildauflösung von
mindestens 500 dpi erreicht werden. Die Dämpfungseinrichtung 62 reduziert
deshalb die Wahrscheinlichkeit, dass die Hand 12 zu schnell durch
den Abbildungsbereich 22 bewegt werden wird. Die Steuereinrichtung überwacht
die Geschwindigkeit, mit der sich der Zylinder 30 dreht
und löst
einen Alarm aus, wenn sich eine abzutastende Hand zu schnell durch
den Abbildungsbereich bewegt hat. Zwischen den Abbildungssitzungen
wird der Dämpfungsmotor 62 angetrieben,
um den Zylinder 30 langsam zu drehen, so dass die Heizvorrichtung 33 den Zylinder 30 gleichmäßig auf
eine Temperatur nahe der Körpertemperatur
(z.B. etwa 98°F;
etwa 35°C) aufheizt.
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Wie
in 4 gezeigt, wird eine Abbildungssitzung von einer
Steuereinrichtung 70 choreographiert, die die Zeitsteuerungs-
und die Steuersignale zur Lichtquelle 34, zur Erfassungseinrichtung 44,
zu einem Videoprozessor 72 und zu einem Bildspeicher 74 überträgt. Die
Erfassungseinrichtung 44 erzeugt analoge Signale, die für Zeilenbilder
von den Oberflächenmerkmalen
einer in Kontakt mit der Kontaktfläche 14 im Abbildungsbereich 22 stehenden
Hand repräsentativ
sind. Der Videoprozessor 72 umfasst eine korrelierte Doppelabtastschaltung
(CDS), um die Reset-Impulse für
jedes Pixel der Erfassungseinrichtung 44 zu entfernen.
Der durch die Ersatz-Pixel der Erfassungseinrichtung 44 gemessene
Intensitätspegel
wird festgehalten, um eine Grundlinie für das Ausgabesignal bereitzustellen.
Das Ausgangssignal der Erfassungseinrichtung wird dann mit dem Pegel
und der Quellimpedanz gepuffert, der/die für die digitale Konvertierung
durch einen Flash-Analog-Digital(A/D)-Wandler 73 (vorzugsweise
wird ein 10-Bit-Wandler verwendet, um einen guten Signal-Rausch-Abstand
zu erhalten) erforderlich ist. Der Bildspeicher 74 speichert
die vom Videoprozessor 72 empfangenen digitalen Signale.
Ein Bildprozessor 76 liest und verarbeitet die im Bildspeicher 74 gespeicherten
Bildzeilen. Wie nachstehend erklärt,
korrigiert der Bildprozessor 76 die Belichtungspegel im abgetasteten
Bild und bildet zur Eliminierung von Verzerrungen das abgetastete
Bild geometrisch neu ab. Das endgültige Bild weist einen gleichmäßigen Hintergrundpegel
und einen regelmäßigen Abstand der
Zeilen über
das Bild hinweg auf. Der Bildprozessor erfasst außerdem,
wann die Hand 12 den Zylinder 30 im Abbildungsbereich 22 kontaktiert
und bestimmt, wann sich die Hand 12 vollständig aus
dem Abbildungsbereich 22 heraus bewegt hat. Das endgültige Bild
wird erstellt, wenn die Bildzeilensignale von der Erfassungseinrichtung 44 erzeugt
werden. Auf diese Art und Weise muss nur das endgültige Bild im
Speicher gespeichert werden. Das führt zu einer signifikanten
Verminderung der Speicheranforderungen.
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Der
Bildprozessor 76 gleicht ungleichmäßige Belichtungspegel in den
abgetasteten Zeilenbildern durch eine Aufzeichnung der Signale aus,
die erzeugt werden, wenn sich die Hand 12 nicht in Kontakt
mit der Kontaktfläche 14 befindet.
Der Bildprozessor 76 verwendet diese Daten zur Neuskalierung
jedes Pixelwertes in den abgetasteten Bildzeilen, um sie an eine
gleichmäßige Hintergrundsintensität anzugleichen.
Zum Beispiel kann für
jedes Pixel (i) in der Abtastzeile ein endgültiger Pixelwert (V(i)final) durch das Skalieren der Intensität jedes
Pixels (V(i)pixel) mit einem Faktor erhalten
werden, der durch das Verhältnis
aus einer gewünschten
Hintergrundintensität (Vbackground) und der Intensität, die gemessen
wurde, als die Hand 12 nicht in Kontakt mit der Fläche 14 (V(i)reference) war, gegeben ist. Das bedeutet V(i)final = (V(i)pixel × Vbackground)/V(i)reference
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Bei
sorgfältigem
Aufbau unterliegen die Bildzeilen alle den gleichen ungleichmäßigen Bedingungen
(z.B. Variation der Beleuchtung, Übertragung und Empfindlichkeit über den
Abbildungsbereich 22 hinweg). In diesem Fall wird nur eine
Zeile mit Referenzdaten benötigt.
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Der
Prozessor 76 verwendet die V(i)reference-Daten
außerdem
als Schwellwerte zur Bestimmung, wann eine Hand den Zylinder 30
im Abbildungsbereich 22 kontaktiert hat. Der Prozessor 76 schließt durch
diagnostische Tests falsche Ergebnisse aus, indem ein kurzzeitiger
Kontakt und ein Kontakt über
einen relativ schmalen Bereich des Abbildungsbereiches 22 ignoriert
werden. In dem Ausführungsbeispiel,
in dem der Dämpfungsmotor 62 den Zylinder 30 kontinuierlich
dreht, um eine gleichmäßige Zylindertemperatur
aufrechtzuerhalten, kann der Prozessor 76 außerdem durch
die Abtastung, wann der Zylinder 30 aufgehört hat sich
zu drehen, bestimmen, wann eine Hand den Abbildungsbereich 22 kontaktiert
hat.
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Es
ist oft wünschenswert,
ein endgültiges Bild
bereitzustellen, das aus Bildzeilen zusammengesetzt ist, die in
einem festen Abstand angeordnet sind. Durch die Zuordnung der durch
den Positionscodierer 60 verfolgten Position zu jeder abgeta steten Zeile
erzeugt der Bildprozessor 76 gleichmäßig beabstandete endgültige Zeilenbilder.
Die endgültigen Ausgabebildzeilen
sind von den benachbarten abgetasteten Bildzeilen interpoliert.
Die abgetasteten Bildzeilen, die sich außerhalb eines vorgeschriebenen Abstandes
von einer gewünschten
endgültigen
Zeilenposition befinden (z.B. etwa 0.01 Zoll für eine gewünschte Auflösung von 500 Zeilen je Zoll),
werden verworfen. Da die abgetasteten Zeilen sehr dicht angeordnet
sind, wenn sich die Hand langsam bewegt, werden die Zeilen, die
dichter als etwa 0.001 Zoll angeordnet sind, verworfen. Je langsamer
eine Hand durch den Abbildungsbereich 22 bewegt wird, je
größer ist
die Anzahl der verworfenen Bildzeilen. Vorzugsweise wird die Interpolation
verzögerungsfrei ausgeführt (z.B.
werden Ausgabezeilen erzeugt, wenn die gewünschte Bildzeilenposition durchlaufen wurde),
wodurch der Bedarf zur Speicherung unnötiger Bildzeilen vermieden
wird.
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Der
Bildprozessor 76 kalibriert jede Bildzeile, so dass jedes
Pixel auf der Abtastzeile richtig positioniert ist. Dabei werden
die mit dem geneigten Erfassungssystem 36 verbundenen,
nichtlinearen Verzerrungen ausgeglichen. Zu diesem Zweck misst der Prozessor 76 die
Pixelpositionen in einem Gitter von gleichmäßig beabstandeten angeordneten
Zeilen (z.B. 2 mm), das dem Abbildungsbereich 22 überlagert
ist. Die Pixelpositionen, die den Koordinatenpositionen des Gitters
entsprechen, werden zur gewünschten
Abtastauflösung
der Zeile (üblicherweise 500
dpi) interpoliert. Siehe zum Beispiel William K. Pratt, Digital
Image Processing, zweite Auflage (1991). Da viele der abgetasteten
Bildpixel zwischen die Gitterpositionen fallen, werden die Positionen
der meisten abgetasteten Bildpixel durch eine Spline-Interpolation
bestimmt.
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Es
wird auf 5 Bezug genommen. Die Steuereinrichtung 70 choreographiert
den optischen Abdruck einer Hand in einem Verfahren zur optischen Abbildung
von Merkmalen der Oberfläche einer
Hand wie folgt. Die Steuereinrichtung 70 bestimmt, ob der ABTASTEN-Schalter 24 (1)
aktiviert wurde (Schritt 100). Nachdem der ABTASTEN-Schalter
aktiviert wurde, überwacht
die Steuereinrichtung 70 die Impulse vom Codierer 60,
um die Drehbewegungsposition des Zylinders 30 zu bestimmen,
und analysiert die von der Erfassungseinrichtung 44 erfaßten Zeilenbilder
(Schritt 102). Die Steuereinrichtung 70 bestimmt
entweder durch das Vergleichen der abgetasteten Zeilenbilder mit
einer gemessenen Hintergrundintensität oder durch das Erfassen,
wann sich der Zylinder 30 nicht dreht, ob die Hand 12 den
Abbildungsbereich 22 kontaktiert hat (Schritt 104).
Wenn die Steuereinrichtung 70 keinen Kontakt zwischen der
Hand 12 und dem Abbildungsbereich 22 erfasst, setzt
die Steuereinrichtung 70 fort, die Codiererimpulse zu überwachen
und die abgetasteten Zeilenbilder zu analysieren (Schritt 102).
Wenn die Steuereinrichtung 70 einen Handkontakt erfasst,
beginnt die Steuereinrichtung 70 die abgetasteten Zeilenbilder im
Bildspeicher 74 zu speichern (Schritt 106). Für jede endgültige Zeilenposition
bestimmt die Steuereinrichtung 70, ob die momentan abgetastete
Zeilenposition die endgültige
Zeilenposition überschritten hat
(Schritt 108). Wenn die endgültige Zeilenposition überschritten
wurde, erzeugt der Bildprozessor 76 ein neu abgebildetes
endgültiges
Zeilenbild, das im Speicher gespeichert wird (Schritt 110).
Andernfalls setzt der Bildspeicher 74 fort, die abgetasteten
Zeilenbilder zu speichern (Schritt 106). Die Steuereinrichtung 70 bestimmt
entweder durch das Vergleichen der abgetasteten Zeilenbilder mit
einer gemessenen Hintergrundintensität oder durch das Erfassen,
wann der Zylinder 30 angefangen hat sich mit der durch
den Dämpfungsmotor 62 gesetzten
Geschwindigkeit zu drehen, ob die Abbildungssitzung beendet ist
(Schritt 112). Wenn die Abbildungssitzung nicht beendet
ist, setzt der Bildspeicher 74 fort, abgetastete Zeilenbilder
zu speichern (Schritt 106). Andernfalls wird das endgültige vollständige Bild
angezeigt (Schritt 114). Wenn der SPEICHERN-Schalter 26 aktiviert
wurde (Schritt 116), wird das endgültige Bild gespeichert oder übertragen
(Schritt 118).
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Wenn
der SPEICHERN-Schalter 26 nicht aktiviert wurde (Schritt 116)
und der ABTASTEN-Schalter 24 aktiviert wird (Schritt 120),
wird die Abbildungssitzung wiederholt (Schritt 106).
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Die
Abbildungseinrichtung 10 kann das Bild einer ganzen Hand
oder nur von Teilen der Hand erfassen. Um ein Bild von Oberflächenmerkmalen
der gesamten Hand zu digitalisieren, kann ein Anwender einfach die
Handfläche
gegen die Kontaktfläche 14 drücken und
langsam die gesamte Hand über
den Zylinder 30 durch den Abbildungsbereich 22 rollen. Wenn
nur das Handflächenbild
gewünscht
wird, sollte der untere Teil der Hand erfasst werden. Die erfasste
Kontaktbreite der Zeilen kann verwendet werden, um die untere Kante
der Handfläche
zu reflektieren, da dieser Bereich üblicherweise breiter als der Bereich
des Handgelenks ist. Für
herkömmliche
Fingerabdruckkarten wird das Vier-Fingerschlagsbild benötigt, um
herkömmliche
Tintenbasierte gerollte Bilder zu bestätigen. Die Abbildungseinrichtung 10 kann
für diese
Anwendung verwendet werden, indem sichergestellt wird, dass die
Finger in Kontakt bleiben, wenn die Hände über die Trommel bewegt werden.
Die Bilder der Finger können
von ihren konvexen Umrissen und den sie trennenden Lücken erfasst werden.
Sobald die Positionen der Spitzen und die allgemeinen Richtungen
der Finger bestimmt sind, kann der Bildprozessor 76 die
Bilder drehen, um sie an die entsprechenden Fingerpositionen herkömmlicher
Fingerabdruckkarten anzupassen. Die Abbildungseinrichtung 10 kann
auch verwendet werden, um Bilder der Kanten einer Hand zu erfassen,
die auch als „writer's palm" (beim Schreiben
aufliegende Handkanten) bezeichnet werden.
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Andere
Ausführungsbeispiele
liegen im Schutzbereich der Ansprüche.
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Zum
Beispiel kann der Zylinder 30 aus einem mit einer durchsichtigen
Flüssigkeit
gefüllten
Rohr oder einem Gusswerkstoff gebildet sein, der einen ausreichenden
optischen Brechungsindex (z.B. etwa 1.48) aufweist. Der Zylinder 30 kann
statt auf einer Welle 32 auf Laufrollen gelagert sein.
Ohne die Welle 32 muss die optische Achse nicht gedreht
werden, um der zentralen Achse des Zylinders 30 auszuweichen,
wie im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Der Positionscodierer 60 kann
so konstruiert sein, dass er, anstatt sich mit der Welle zu drehen,
die Bewegung der Oberfläche
des Zylinders 30 aufzeichnet. Der Dämpfungsmotor 62 kann
durch eine mechanische Dämpfungseinrichtung
ersetzt werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein hörbarer Alarm
ausgelöst,
wenn der Zylinder 30 zu schnell bewegt wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel
löst der
Positionscodierer 60 die Erfassung einer neuen Bildzeile als
Antwort auf eine festgesetzte inkrementelle Bewegung des Zylinders 30 aus.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Lichtquelle 24 konfiguriert, um das Bild 22 mit
Lichtimpulsen zu beleuchten oder es wird eine Blende verwendet,
um gleichmäßige Bildimpulse
an der Erfassungseinrichtung 44 zu erzeugen. Dies vermindert
Variationen in der Ladungsintegrationszeit für jedes Zeilenbild. In dieser
Ausführung werden
die Zeilenbilder durch den Bildprozessor 76 nicht neu abgebildet.
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In
den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden Bilder
von Oberflächenmerkmalen
einer Hand als ein Ergebnis der Verhinderung der inneren Totalreflextion
an den Positionen erhalten, an denen die Erhöhungen und andere Oberflächenmerkmale
die Kontaktfläche
kontaktieren. Das auf die Kontaktbereiche einfallende Licht wird
durch den Walzen/Finger-Übergang
gebrochen und teilweise absorbiert und teilweise beim Kontakt mit
der Hand zerstreut. Nur ein kleiner Bruchteil des einfallenden Lichtes
wird mit einem Reflexionswinkel, der im Wesentlichen gleich dem
Einfallswinkel ist, auf die Erfassungseinrichtung zurückreflektiert.
Deshalb tragen die Erhöhungen
und die anderen kontaktierenden Handmerkmale eine dunkle Komponente zum
endgültigen
Handbild bei. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Bild
von entgegengesetzter Polarität
erzeugt – d.h.
indem die Erhöhungen und
die anderen kontaktierenden Handmerkmale zu den hellen Merkmalen
des endgültigen
Handbildes beitragen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle
konfiguriert, den Abbildungsbereich in einem Einfallswinkel von
etwa 0° zu
beleuchten. Da dieser Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel
des Walzen/Luft-Übergangs
ist, wird ein beträchtlicher Teil
des einfallenden Lichtes durch den Walzen/Luft-Übergang gebrochen und diffus
von der Hand weg reflektiert. In diesem Ausführungsbeispiel wird das reflektierte
Licht in einem Winkel betrachtet, der größer als der Grenzwinkel für den Walzen/Luft-Übergang
ist, so dass sehr wenig des reflektierten Lichts erfasst wird. Statt
dessen entspricht das erfasste Licht hauptsächlich dem von der Hand zerstreuten
Licht. In den von diesem Ausführungsbeispiel
erzeugten Bildern sind die Erhöhungen
und die anderen kontaktierenden Handmerkmale im Verhältnis heller
als die Vertiefungen und die andere nicht kontaktierende Bereiche
der Hand.