用于手纹和指纹的无接触识别的系统

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本发明涉及用于身份鉴别的对手纹和指纹进行无接触光学成像 的方法和装置，而且还涉及一种识别算法。\n手指的网状突起图样早就以物品上或纸上的手指印迹形式应用 在犯罪学中，或者被文盲用作签字，现在其意义在于用作进入保险 柜、保险库、计算机和其它保险目标的资格检验码。\n然而，在这方面寄存永久的彩色或黑体印迹是不可行的，原因是 必须实现直接而迅速的计算机分析，并且前提是经常使用相同的应用 仪器。因此，首先研究了一些方法，它们利用受阻的全反射或受阻的 部分反射、并通过光学成像很快地把玻璃面上的印迹图像在折射界面 上显现出来。\n手纹图样同样也适合用于身份鉴别。在此也可以在玻璃面上实施 印迹方法，然而这不是通行的，仅仅因为该设备必须相当庞大而且耗 费巨大。所以，分析算法为此还没有得到进一步改进。\n如果大量人员不受监视、并且匿名地使用按照皮肤纹理印迹方法 而工作的访问控制系统，那么所产生的缺点在于：\n1.在测量面或印压平面上将产生分析算法所不能允许的污染。 污染虽然能够较简单地通过擦洗、必要时使用维护装置来进行排除。 但是缺点在于，参与人员必须要协作和谨慎，而这并不是一直能够做 得到的，或者由操作者进行相应的系统维护和保养，这造成人员的耗 费和费用的增加。\n2.传感器的接触面是测量光路的一部分，而该测量光路必须一 直是任意可接触的，这样，重要的系统部件可能在人为破坏中被损 坏。\n3.通过应用仪器的印压面造成了同很多人的间接接触，这从卫 生学的观点来看是应当避免的。尤其对于医院里的区域以及医药和生 物防护区域更应如此。\n4.通过应用仪器的印压面可能传播化学或放射性污染。\n5.出于心理学原因，皮肤接触方法比其它方法更难以被人接受， 比如因为联想到“罪犯档案”，害怕传染或对皮肤接触的反感，后者比 如是出于伦理学的限制。\n6.大多数已知光学印迹法都是以反射干扰的形式而使皮肤外表 面在玻璃面上成像的。其缺点在于，同样包含有特征信息的深层皮肤 不均匀性和血液流动图样由此是不能得到的。从而该方法的识别精度 受到限制。\n7.许多已知的皮肤图样识别方法的目的是为了查明真正的皮肤 表面(轮廓)。其缺点在于，皮肤轮廓可以通过塑性印迹方法来简单 地进行复制，从而存在欺诈的可能性。\n8.在所有的皮肤接触方法中，传统的指纹或手纹印迹在仪器的 表面上会留下几乎不可见的印迹。其缺点在于：该印迹借助痕迹保护 装置能够再现并被滥用，在高安全性要求的情况下，它必须比如通过 擦除方法被清除。\n9.自然也需提及一种使用摄像机在不接触对象的情况下对皮肤 纹理进行成像的常规简单方法。因为在常规照明下皮肤总有一些透 光，而且光线还会在一定体积内散射，此外，皮肤网状突起的最上层 同时还会有或多或少的闪亮反射，所以摄像机和人眼在正常情况下看 到的是不确切的皮肤上下层图像的重叠。\n原则上可以借助校准的斜照明来提高皮肤网状纹及皮肤皱纹的 对比度，以便突出上层皮肤图像。其缺点在于，该方法不是统一地作 用于整个视场的，而是依赖于纹理图样相对于照明的方向(阴影效 应)以及依赖于物体表面的纹波度(光泽效应)。全侧面的斜照明或 漫射照明虽然对纹波度进行了光学补偿，但是会使纹间表面的对比度 变坏，原因是漫反射部分增大了。\n在采取斜照明和斜照相方向的情况下(根据反射定律)，尤其在 大入射角度或照相角度的情况下，可以获得较强的光泽效应和对比效 应。其缺点在于：在物体倾斜放置的情况下需要譬如按辛普发拉格条 件进行补偿，这造成了仪器耗费，并且皮肤的纹波度大受影响(图像 失真)。\n在US 4 936 680中公开过如下方法来改善手指印迹的细节显示， 即在单个偏振滤光器的下面配置一个其连接轴平行于偏振滤光器的 偏振向量的灯对，并且还设置了另外一个灯对，其连接轴垂直于偏振 向量。通过电机和传动皮带来使偏振滤光器连同灯一起旋转，而通过 一个灯对来对放置在偏振滤光器上方的单个手指进行照明。当偏振滤 光器旋转时，摄像机每3度旋转角拍摄一幅图像，并且把图像存放到 存储单元中。旋转结束后，一个灯对关断而另一个灯对接通，其中接 着另外旋转90度角，从而第二个灯对的开始位置与前一个用过的灯 对的开始位置相一致。当到达该开始位置后，在该偏振滤光器旋转期 间再次每隔3度由摄像机拍摄一幅图像，并把它存放到第二存储单元 中。当该另外的第二次旋转结束后，就可以使用第一存储单元中的数 据和第二存储单元中的数据，尤其通过形成差值来获得手指印迹的详 细图像。但是必须指出的是，偏振滤光器借助电机进行必要的旋转使 该装置易受干扰，并由此增加了制造中的耗费。由于摄像机对指纹印 迹拍摄了许多单独图像，所以总测量时间非常长，其中，不能保证第 二测量过程中的条件与第一测量过程的条件确切地相符，因为在全部 2，25个旋转期间手指一般都不是保持静止不动的。\n根据本发明，已知方法的上述缺点可通过一种借助手纹和/或指 纹进行人员鉴别的方法而得到减少或消除，其中，借助设置在照明光 路中的第一偏振滤光器、设置在成像光路中的第二偏振滤光器和一个 摄像机，可在放弃了装置的机械运动的前提下实现手纹和/或指纹的 光学无接触测量。\n在此，使用偏振光可以使工作方式得到改善。借此，一方面可以 (a)通过闪亮结构的优选成像来大大增加网状突起的对比度。另一 方面还可以(b)通过过滤闪亮结构而使网状突起变为不可见，从而 使下层皮肤的图样变为可见。尤其是在照明光路和成像光路中通过使 用偏振光而能够明确地选择上层皮肤图样和下层皮肤图样。可以单独 地突出显示闪亮的上层皮肤，或单独地显示漫反射的下层皮肤，或比 如快速轮流地综合显示这两种皮肤图样。下层皮肤图样主要是通过皮 肤的深层结构、尤其是通过皮肤中相邻的且有血液流过的层来获得。 在线偏振光的情况下，上层皮肤图样使用在照明光路和成像光路中被 平行调整的偏振装置来成像，而下层皮肤图样则使用垂直调整的偏振 装置成像。\n在圆偏振光的情况下，上层皮肤图样使用在照明光路和成像光路 中被不对称地调整的偏振旋转装置来成像，而下层皮肤图样则使用被 对称地调整的偏振旋转装置来成像，其中，旋转方向(右旋或左旋) 在这里被定义为从光线传播方向上看过去的E向量的旋转方向。\n下文将详细描述其优点：\n1.由于传感器系统不被接触，所以防止了被用户弄脏，否则这 种污染会带来多余的频繁维护和检查。\n2.该系统能够完全放置在比如由防弹玻璃制成的防护隔板后 面，由此防止了人为的破坏。\n3.该装置能够如此来实施，使得为了确保卫生而避免了与其他 人的非直接接触。\n4.该装置能够如此来实施，使得不传播化学或放射性污染。\n5.诸如联想到“罪犯档案”、害怕传染或害怕皮肤接触等心理学 上的因素不存在了，因为该装置是无接触地运行的。\n6.与大量光学接触方法相反，在本发明中，可实现对具有附加 信息内容的下层皮肤构造进行访问。\n7.防欺诈的可靠性得到提高，因为下层皮肤构造-就象水印一 样-不能简单地复制和伪造，尤其是在综合所述两种不同的对比方式 后滥用更不会轻易成功。\n8.在该仪器上不产生指纹印迹或皮肤纹理印迹，而这些印迹原 来是可以被用来通过譬如橡皮来制作皮肤复制品的。\n9.与利用摄像机进行常规成像相反，在本发明中，上层皮肤图 像和下层皮肤图像能够独立或分开地进行分析。\n本发明的方法允许在视场内进行统一作用，并且与表面的纹理方 向和纹波度无关。不必倾斜放置物体来利用布喇格掠射角定律，从而 也不必进行综合校正。\n下文借助实施例并结合附图对本发明的细节进行描述。\n附图示出了：\n图1为用于无接触指纹识别的第一装置的侧视图，\n图2和3为图1装置的俯视图及前视图中的照明光路，\n图4至6为用于上层皮肤和下层皮肤纹理识别的传感器系统的\n实施例，\n图7为手的位置模板。\n附图1至3以实施例的形式描述了一种用于指纹成像的、并作为 台式机来实施的装置。它被固定地调整为用于上层皮肤成像。手指1 置于支架2上方，使得它位于物平面3、也即聚焦范围内，并且它能 够通过杂光滤光器4、基板5(比如丙烯酸脂有机玻璃)、偏转棱镜6 和偏振滤光器7用摄像机10拍摄下来，而该摄像机包括物镜8以及 像平面9中的图像接收器(比如CCD芯片)，并且还可以包括一些这 里没有示出的、用于图像处理的元件。部件4、5、6和7出于结构上 的原因相互进行光学联接，其中支撑板5与罩箱11固定地联接。盖 板12必须承受并传递某种施加在支架2上的力，也同样在边缘与罩 箱11相联接(且绝不与支撑板5相联)。罩箱11具有用作光线出口 的孔洞13。罩箱11和摄像机10通过底板14固定地相联接。\n附图2和3示出了照明光路。光源15安装在棱镜6旁边的两个 三光源组中(在附图1的剖面中看不见)，而这些光源譬如是由带有 会聚透镜的发光二极管构成的，并且其方向射束被调整指向目标1。 在此，中间联接了带有正向特性的漫射透镜16与偏振滤光器17。为 了使光从罩箱11中射出，在盖板12中设置了两个缝隙18，以及在 基板5中也设置了相应的缝隙。也可以用2个连续的偏振膜覆盖在3 个光源上，来替代单个的偏振滤光器17。\n为了调节传感器使上层皮肤图样单独成像，必须在使用线偏振光 的情况下，调整所有的偏振滤光器17和偏振滤光器7在成像光路中 为相同的方向。当共同的偏振方向(E向量)平行于附图1和2的图 平面、并垂直于附图3的图平面时，上层皮肤的选取才能获得最好的 效果。最后提及的平面是反射面，在此反射面中，在倾斜照明和遵守 反射定律(比如布儒斯特角)的情况下，皮肤显示出了偏振效果。在 接近垂直照明的情况下，共同的偏振方向是任意的。如果使用圆偏振 光，滤光器17和7在旋转位置方面不必调整。\n在附图4至6中描述了用于上层皮肤和下层皮肤纹理识别的传感 器系统的实施例。该装置可以优选地作为墙式安装单元来进行构造。 该系统放置在一边具有防弹玻璃窗20的壳体25中。按照本发明，带 有传感器系统的该壳体也可以安装在现有较大的防弹玻璃隔板的前 面。\n偏振滤光器和杂光滤光器在附图4中是作为摄像机滤光器7和4 而设置在物镜8前面的。摄像机10对准物平面3，而该平面位于玻 璃板20前约4cm的外室中。照明是由4个灯15组成的，图上只绘出 了其中2个，这些灯是作为诸如小型卤素聚光灯的定向辐射器来构造 的，并且对准物平面3。它们的前面均设有漫射透镜16和偏振滤光 器17，而根据灯的类型该漫射透镜16可能也并不是必需的。\n如果使用线偏振光，则要调整偏振滤光器，使得图平面中所示的 灯对的偏振方向垂直于图面。如果摄像机滤光器7同样也被调整为与 图面垂直，那么使用该装置就可获得上层皮肤图像(象前述附图1的\n实施例一样)。\n为了显示下层皮肤图像，摄像机滤光器7可以借助一种设有两个 定位点的电气驱动装置来转动90度。而耐用设备(Robuster)是不 采取机械运动的装置。为此，有必要在固定的滤光器7旁设置同样结 构的附加灯对，该灯对连同被调整的滤光器一起相对于图4所示的灯 对沿光轴旋转了90度。这两个灯对为了摄取上下层皮肤图像而快速 轮流地开关。\n在使用圆偏振光的情况下，也可以进行同样的处理，但这时没有 必要进行滤光器调整，并且相应于前文的解释，必须注意滤光器7、 17和可旋转装置17的偏振旋转。\n用户的任务是把他的手内面从前面放入聚焦区3，而不用接触玻 璃片。其中，在附图7中所描绘的位于玻璃板上的模板27被用作定 位辅助。在该模板上，比如以简单或符合风格的形式描绘了带有张开 手指的手轮廓。应当总是在手指张开的情况下来拍摄手纹图样，因为 皮肤的折叠会产生较小的图像失真。\n此外，应当通过图像来提醒用户也把手指张开，因为根据经验， 使用说明书中的相应提示不一定总会被遵守。\n光路可以通过镜子或棱镜来折射，以获得更紧凑的装置(图中未 描绘)。\n附图5是前述实施例的一种变型，其中物平面3离玻璃板有一些 距离。该距离可以总共有几米远。该实施方案应用在访问和检查不在 同一地点进行的情况，而且传感器系统一起位于防护区域内(防弹玻 璃后面)，并就此进行直视通信。在此，照明元件15、16、17位于 摄像机10的近处，并且壳体25的体积由此变小。在这种情况下，定 位辅助由框架22构成，该框架内具有简化或符合风格的带有分开手 指的手轮廓，并且安装在隔板固着装置上，或者在较远距离的情况下 安装在任意的支柱上或其它地方。用户的任务是把他的手放进框架 中，并与图样重合。选择框架内部的尺寸，使得能够避免容易地接触。\n附图6中描绘了另一种变型，其中定位板23倾斜地固定在隔板 上。从而使手位舒适，并且通过光路在镜子24上折射使结构紧凑。 光线倾斜穿过防弹玻璃板20会引起一定的图像失真，这种失真不严 重并且可以进行补充校正。另一种这里没有示出的变型规定：带有摄 像机和照明装置的壳体比如安装在够不着的高度，比如在天花板上， 并把视窗对准下方，而且使用框架22或23那样的框架来用作定位辅 助，但该框架是水平安装的，而且是手的内面向上放入其中。这种框 架可以全部或部分地用塑料来成，其中也可以根据需要把天线集成进 去。\n最后所提及的装置的另一种定位辅助是从上方投影到摄像机物 平面的空气摄像。在本发明中这种空气摄像是一种双像，这种双像由 两个相邻设置的投影机如此来产生，即：两部分像只在摄像机的物平 面中准确地重合，并在手的位置正确的情况下，在该摄像机上重合地 呈现。\n在手的辅助定位中，也可以考虑对标志、手的轮廓线或手产生全 息照相的空气摄影。其中，全息图板优选地放置在防弹玻璃板的内前 部。在全息图中可以使用一个小孔来用作摄像机视孔。\n在最后提及的实施装置中(其中空气摄像用作定位辅助)，装置 的任一部分的无意接触都能够被杜绝。\n为了防止影响测量的、而且用一些干扰源排除措施或用防护来遮 蔽等措施都不能克服的环境光，可以设置以下的装置来使其对干扰光 不敏感：1.第一实施例中的盖板12和手指支架2应当设计为深色， 最好为黑色，并且表面应当清理，使得只反射少量的外界光线。\n2.应当采用窄带光，比如在照明侧借助窄带滤光器或者使用彩 色发光二极管或激光器，且相应地在成像侧使用具有窄带通路的滤光 器。\n3.使用闪光、脉冲发光二极管(LED)或脉冲激光二极管之类的 脉冲式照明与摄像机的合适短曝光时间相结合。\n最后需指出的是，在盖板12、手指支架2、模板21以及框架22、 23中为无接触的(电磁式)证件读取器(接近读取器)提供天线， 使得能够与该证件读取方法相结合。\n                 用于手纹识别的软件算法\n为了判定同一性，两个手纹图样的比较在理想情况下即为整个图 样在形式上的相关性。当一致时，相关系数-假定有较好的再现质量 -实际为100％。\n假如需要被识别的人员的图像必须用这种方法与大量存储的全 部图像进行比较，那么图像处理的费用、尤其是计算时间就会太多。 存储和比较特征参数是比较有利的，所述这些特征参数包括有为进行 判定所必需的特征。因此，图像数据的压缩和编码也是必需的。它们 应当能够以简单的方式与期望条件、尤其是判定精度相匹配。此处所 选用的图像处理策略在框图中进行了描述，并在下文中进行解释。在 此，文中带有下划线的部分指的是框图中的不同块。\n除了偶而通过滤波(此处未示出)对很高和较低的空间频率进行 抑制之外，第一个处理步骤即为 上层皮肤和下层皮肤图像的 分段。这 是一种再分为子单元(如小框)的过程，该再分过程如此来进行，使 得图像段的数量相对于输出图像的像素数量在数据压缩意义上有尽 可能大的缩减，但段图像的细节分辨率对当前的任务来说还是不够 的。\n在下面的 纹理分析中，根据不同强度s和方向r的纹理元素对段 内容进行研究，其中大约2至3个值用于s，至多约8个值用于r。 多个同类的向量(相同强度的平行纹理元素)在一个段中相加。每个 段都可以通过一定数量的不同向量类型来描述。若总是只考虑一个向 量类型，即r与s的组合，则为不同的向量类型生成了向量图。比如 为了避免小的数值，可以把不同向量类型的图像通过相加而合并在一 起，这在算法优化的范围内是有利的。\n进一步的数据压缩通过向量图的 投影来进行，也就是说，不同方 向的像素值相加。这对应于一种按照层析X射线摄影法的断面摄影， 其中，该情况下的目标为带有约小于5的整数像素值的数字化视场， 并且零值出现得相对较多。\n众所周知，借助CT算法，使用数量足够多的投影便可以成功地 实现目标的层的重构，因为全体投影包含了整个目标信息。\n这里没有实施图像重构(反投影)。但是可以利用投影功能的信 息来标识手纹图像。投影的数量取决于图像标识的期望精确度。该方 法的优点在于，通过简单的规程，即选择投影的数量，能够调整成必 要和足够的精确度。与已知的计算机层析X射线摄影法相比，这里只 需要少量的投影。\n从投影功能首先可容易地得出各向量类型的 总频度。总频度或总 频度比已适合于纹理图样的粗略标识。\n紧接着的步骤是确定 主投影方向。为此我们考虑具有最大纹理强 度s(不考虑方向r)的所有向量图所组成的总图和该总图的投影。 在此，相对于手的纵轴大约为正负45度的方向上的投影对是优选 对，原因是，其中三个最突出的主纹理，即拇指纹、小指纹和中指纹 作为具有最大幅度的最大值出现在两个投影-取决于涉及右手或左 手-之一中。譬如小指指纹的可较好地鉴别的最大值可被用来定义关 于目标的刻度零点。在其它投影中，假如一个非常清楚的最大值是可 识别的，则它同样可被用来规定刻度零点。否则就随意规定零点，比 如在图像边缘的左边。\n主投影方向由程序借助突出的最大值在正负45度的范围内进行 搜索。于是，它也被用作其它方向的参考方向。这样也便形成了测量 万法的某个旋转常量。\n为了进行进一步的数据压缩，为投影功能引入 谐波分析，其中， 为了描述谐波成分选择了最短的形状、幅度以及有时还有相位。主方 向中的所有投影可以由幅度值和相位值来标识。在其它投影中，相位 数据仅在某些情况下与目标有关联，而且通常不直接适合于用作标 识。\n还应当讲述一种可能性，即如何能够利用与目标无关的相位信息 来鉴别图样：可以由存放在标识码中的振幅和相位来重构投影功能， 并且可以借助相关性来实施曲线形状的比较。该可能性在框图中没有 示出。    \n上层皮肤图像与下层皮肤图像的数字标识码包含有向量类型的 总频度比、投影的谐波分量的幅度记录以及对应于主投影幅度的相 位。生成多少投影及幅度/相位记录必须根据经验来确定。手纹图样 的这类标识对手来说在变换后是不变的。\n该特征可以以一种级别顺序而编排在数字标识码之中，该级别顺 序从总表示开始，在高分辨率图样、也即在用于高空间频率的谐波分 量的幅度和相位处结束。特征比较过程在总频度时开始，并在不一致 时中断。在没有得到否定信号的情况下，在级别顺序中越有进展，则 手纹图像一致性的质量越好。\n下层皮肤图像并非象上层皮肤图像一样进行较强地构造(而用其 它方法)，而它们的分析方式却是一样的，其中，主投影的刻度零点 由所属的上层皮肤图像来负责。线强度s的数量在下层皮肤中可能很 少。\n如果标识码已计算出来，那么它在人员首次登记时被录入数据 库。如果需要实施手纹图样 比较，那么接着把需检验的标识码的特征 与存储在数据库中的级别顺序的标识码进行比较，这样，象下面框图 中所描绘的一样，便可以得出肯定或否定的判定。\n手指印迹识别算法可求出细微特征(Minuzien)(即为网状突起 图样的特征)的数量或排列，与该算法相反，本文推荐的手纹识别中 可获得“标准”纹理元素的(正弦曲线的)分布图样。在此，该信息内 容在三个所述的单个变化不大的主纹理中存在较少，而在一些细支线 网中较多。\n