СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ПАПИЛЛЯРНЫХ УЗОРОВ
SYSTEM FOR RECORDING PAPILLARY PATTERNS

Область техники
Изобретение относится к области биометрии, в частности к системам автоматизированной регистрации папиллярных узоров.
Уровень техники
Принципиальная схема типичной системы регистрации папиллярных узоров представлена на фиг.1. Источник света 1 излучает в направлении элемента 2, задающего положение поверхности 3 считывания регистрируемого объекта, такого, например, как папиллярные линии пальца или ладони руки. На поверхности считывания, за счет различия в отражении от участков, соответствующих впадинам и выступам папиллярного узора, световой поток от источника света становится носителем изображения этого папиллярного узора. Оптическая система, как правило, включающая коллектив 4, систему зеркал 5, объектив 6, защитное стекло 7 и микролинзы 8 над приемником изображения, принимает этот поток и формирует изображение папиллярного узора на светочувствительной поверхности 9 многоэлементного приемника изображения. Приемник изображения преобразует изображение из оптического в электронное цифровое в виде массива значений интенсивности, пропорциональных потоку излучения, попавшему на соответствующий светочувствительный элемент, и передает его в электронную память 10. Устройство обработки 11 приводит масштаб этого электронного изображения к стандартному, формируя тем самым выходное изображение системы.
Элемент, задающий положение регистрируемого объекта, как правило выполняется в виде оптически прозрачной равнобедренной прямоугольной призмы. Однако существуют варианты построения схемы регистрации папиллярных узоров, в которых роль элемента, задающего положение поверхности считывания, выполняют призмы сложной формы, цилиндрические элементы, плоскопараллельные пластины. В более редких вариантах роль элемента, задающего положение поверхности считывания, выполняет корпусной элемент системы.
Количество зеркал в оптической системе может быть различным и определяет форму и габаритные размеры системы.
Приемник излучения, как правило, выполнен в виде линейки или матрицы на основе транзисторов металл-оксид-полупроводник или приборов с зарядовой связью.
Общим недостатком указанных систем, вследствие крайне жестких требований к качеству изображения, является необходимость применения приемников изображения с относительно большими размерами светочувствительных элементов, что приводит к значительным общим размерам рабочей поверхности приемников и, как следствие, крайне высокой стоимости систем, построенных с их применением.
Причина значительной цены приемников большой площади состоит в высокой стоимости кремниевых пластин, из которых их изготавливают, и низком проценте использования площади таких пластин.
Так, на фиг.2а показано расположение на кремниевой пластине 12 диаметром 150 мм кристаллов 13 типичного приемника изображения для системы регистрации папиллярного узора ладоней с разрешением 1000 точек на дюйм. Такой приемник имеет размер светочувствительных элементов 6,8 мкм и содержит 7216 элементов по горизонтали и 5412 по вертикали. Из фигуры можно видеть, что на пластине помещается только 4 таких кристалла. Кроме того, в этом случае полезная площадь пластины, используемая для изготовления кристаллов, составляет всего около 50% ее общей площади. Если же при изготовлении будет допущено всего четыре критических дефекта 14 производства, но расположенные, например, как показано на фиг.2а, тогда с данной пластины не будет получено ни одного годного кристалла.
Если же построить приемник с таким же количеством светочувствительных элементов, но размером 1,4 мкм, тогда расположение кристаллов на пластине 15 диаметром 150 мм может быть, например, таким, как показано на фиг.2б. В этом случае на пластине помещается 137 кристаллов 16, которые занимают уже 80% площади пластины. При этом, если при изготовлении будет допущено четыре критических дефекта 17 производства, расположенных так же, как показано на фиг.2а, тогда с данной пластины будет получено 133 годных кристалла. Таким образом, из-за дефектов потери составят всего 3% от общего количества кристаллов на пластине.
Однако, несмотря на очевидные преимущества, применение в системах регистрации папиллярных узоров приемников с малыми размерами светочувствительных элементов сдерживается недостаточным, для соответствия действующим стандартам в области биометрии, качеством формируемого изображения, в частности шумом и растеканием заряда между элементами. Основным таким стандартом для систем регистрации папиллярных узоров в настоящее время является FBI EBTS Appendix F.
Существуют немногочисленные варианты построения систем регистрации папиллярных узоров, реализующих требуемое разрешение и размер области считывания при применении относительно дешевых приемников изображения.
Так, в патенте США 5859420 от 12.01.1999 по МПК G01B 11/124 показана система, в которой разрешение системы регистрации папиллярных узоров увеличено путем разделения системы на несколько каналов, каждый из которых формирует отдельную часть изображения регистрируемого объекта, после чего части изображения объединяются в выходное изображение.
В патенте США 6928195 от 09.08.2005 по МПК G06K 9/32 показана система, позволяющая повысить разрешение системы регистрации папиллярных узоров, без увеличения количества светочувствительных элементов приемника изображения, путем применения в системе качающегося зеркала для формирования нескольких пространственно разнесенных промежуточных изображений и формирования выходного изображения, в котором чередуются элементы промежуточных изображений.
Данная система является наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения. Главным ее недостатком является наличие дополнительных элементов и процедур, которые хотя и позволяют применить относительно недорогой приемник, однако при этом сами вносят дополнительный вклад в дороговизну системы и снижают ее надежность. Как следствие, не достигается существенного снижения общей стоимости системы, но при этом снижается надежность, увеличиваются габариты, повышается энергопотребление и снижается быстродействие системы.
Задача изобретения
Задачей настоящего изобретения является реализация системы регистрации папиллярных узоров, обладающей низкой стоимостью, высокой надежностью и при этом обеспечивающей высокое качество изображения, малые габаритные размеры, высокое быстродействие и пониженное энергопотребление.
Сущность изобретения
Указанная задача решается за счет того, что система регистрации папиллярных узоров содержит источник света, формирующий рабочее излучение, элемент, задающий положение поверхности считывания папиллярного узора, оптическую систему, считывающую изображение этой поверхности под углом i к ее нормали, многоэлементный приемник изображения, электронную память для хранения изображений и устройство обработки, причем в электронной памяти выходное изображение поверхности считывания папиллярного узора связано электрически не менее чем с двумя промежуточными изображениями меньшего, чем выходное, разрешения через комбинирование, в устройстве обработки, значений интенсивности между элементами промежуточных изображений, пересекающими в разных промежуточных изображениях одну и ту же область изображения поверхности считывания папиллярного узора, а каждое из промежуточных изображений связано электрически со светочувствительными элементами приемника изображения, которые связаны оптически с источником излучения и поверхностью считывания папиллярного узора через сформированное оптической системой изображение поверхности считывания папиллярного узора, спектральный состав которого неодинаков в различных промежуточных изображениях, причем положение элементов оптического изображения на приемной поверхности приемника изображения неодинаково для этих различных спектральных составов излучения.
Приемник изображения, предпочтительно, является монохроматическим.
Промежуточные изображения, предпочтительно, связаны со светочувствительными элементами приемника изображений через нормирование гистограмм в устройстве обработки с целью компенсации взаимного несоответствия гистограмм промежуточных изображений вследствие отличий в световом потоке от источника света, коэффициенте отражения от регистрируемого объекта, пропускании оптической системы и чувствительности приемника изображения для различных спектральных составов излучения.
Между поверхностью считывания и приемником изображения система, предпочтительно, содержит преломляющую поверхность, несимметричную по отношению к оптическому лучу, соединяющему центры предмета и изображения. В другом варианте часть оптической системы, формирующая действительное изображение поверхности считывания, может обладать хроматизмом увеличения, достаточным для осуществления необходимого взаимного смещения промежуточных изображений разного спектрального состава.
Спектральный состав рабочего излучения, предпочтительно, лежит в диапазоне от 380 до 1200 нм.
Угол считывания i, предпочтительно, превышает угол полного внутреннего отражения для материала, из которого изготовлен элемент, задающий положение поверхности считывания.
Устройство обработки, приемник изображения и источник света, предпочтительно, связаны электрически для обеспечения синхронизации периода считывания промежуточных изображений с периодом излучения требуемого спектрального состава.
Результат изобретения
Техническим результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, заключается в снижении стоимости, повышении надежности, обеспечении высокого качества изображения, малых габаритных размеров, высокого быстродействия и пониженного энергопотребления системы регистрации папиллярных узоров.
Осуществление изобретения
Пример осуществления изобретения может быть показан на основе схемы, приведенной на фиг.3. Источник света, представляющий собой световую панель 1, способную излучать в двух спектральных диапазонах благодаря использованию двух типов светодиодов с доминантными длинами волн излучения 470 и 525 нм, попеременно и синхронно с импульсами вспышки от камеры, содержащей приемник изображения, излучает в одном из этих дипазонов в направлении равнобедренной прямоугольной призмы 2 из оптически прозрачного материала. Пройдя входную катетную грань призмы 21, свет попадает под углом полного внутреннего отражения на гипотенузную грань 3, задающую собой поверхность считывания папиллярного узора. На этой поверхности располагают регистрируемый объект, такой, например, как папиллярные линии пальца или ладони руки. В местах, соответствующих выступам папиллярного узора, световой поток от источника света частично поглощается регистрируемым объектом, в остальных зонах он полностью отражается гипотенузной гранью призмы. Таким образом световой поток становится носителем изображения регистрируемого папиллярного узора. Далее свет проходит через выходную катетную грань 22 призмы, плоскопараллельную пластину 30, коллектив 4, отражается на зеркале 5 и попадает в объектив 6. Объектив формирует изображение регистрируемого объекта на светочувствительной поверхности 9 монохроматической камеры, построенной на матрице транзисторов металл-оксид-полупроводник. Причем на один светочувствительный элемент приходится 1,5 элемента требуемого разрешения на регистрируемом объекте, а изображения для двух излучаемых спектральных диапазонов взаимно смещены на приемной поверхности на величину, соответствующую 0,5 от размера элемента требуемого разрешения. Данное смещение достигается за счет дисперсии на плоскопараллельной пластине 30, заклоненной по отношению к оптической оси. Лучи различных длин волн преломляются на поверхности 31 под разными углами и, как следствие, достигают поверхности 32 в разных точках. После преломления на поверхности 32 лучи разных длин волн взаимно параллельны и взаимно смещены. Элементы оптической системы и приемник изображения жестко закреплены на едином корпусе. Камера формирует цифровое изображение регистрируемого объекта в виде массива значений интенсивности, связанных со световым потоком, попавшим на соответствующий светочувствительный элемент, и передает его через интерфейс USB в память 10 компьютера с процессором 11. Таким образом происходит передача двух промежуточных изображений, причем первое промежуточное изображение считывается камерой во время излучения света с доминантной длиной волны 470 нм, а второе - во время излучения света с доминантной длиной волны 525 нм. Далее значения интенсивностей элементов второго изображения нормируются компьютерной программой для обеспечения взаимного соответствия гистограмм первого и второго изображений. Отступление от такого соответствия вызвано различием в световом потоке от источника света, коэффициенте отражения от регистрируемого объекта, пропускании оптической системы и чувствительности приемника изображения для различных спектральных составов излучения. Из полученных двух промежуточных изображений формируется одно выходное изображение. Для этого компьютерная программа комбинирует значения интенсивностей элементов, пересекающих одну и ту же область на изображении регистрируемого объекта. Принцип такого комбинирования для участка изображения показан на фиг.4. Пусть для получения выходного изображения зоны А на регистрируемом объекте были сформированы два взаимно смещенных по вертикали изображения с доминантными длинами волн 470 и 525 нм, соответствующих зонам В и С на регистрируемом объекте, которые совпадают в горизонтальном направлении с зоной А. Метками A1, B1, C1, A2, В2, С2 и т.д. обозначены элементы регистрируемого объекта, соответствующие элементам разрешения соответствующего изображения. Легко видеть, что значение интенсивности элемента B1 соответствует сумме значения интенсивности элемента A1 и 0,5 значения интенсивности элемента A2. Кроме того, значение интенсивности элемента C1 соответствует сумме 0,5 значения интенсивности элемента A1 и значения интенсивности элемента A2. Т.е. получаем систему двух уравнений с двумя неизвестными:
А1+0,5·А2=В1
0,5·А1+А2=С1.
Решая эту систему, получаем значения интенсивностей A1 и A2 выходного изображения:
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>A</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>B</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mn>1</mn></mrow><mrow><mn>0,75</mn></mrow></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>A</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>C</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0,5</mn><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mn>1</mn></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow>
.
Далее, А3=В2-0,5·А2.
Подобным образом могут быть вычислены значения интенсивностей для всех элементов выходного изображения.
Заявителем были изготовлены образцы сканеров папиллярного узора, реализующие настоящее изобретение. Экспериментальные данные подтвердили, что при осуществлении комбинирования взаимно смещенных изображений разного спектрального состава возможно построение системы регистрации папиллярных узоров, соответствующей стандарту FBI EBTS Appendix F, с применением приемника изображений с меньшим, чем количество элементов выходного изображения, количеством светочувствительных элементов.
Применение светочувствительной площадки малого размера привело к относительно низкой стоимости приемника изображения и меньшему энергопотреблению. Формирование выходного изображения увеличенного разрешения и нормирование гистограмм промежуточных изображений позволило обеспечить высокое качество изображения. Также из-за малых размеров светочувствительной поверхности фокусное расстояние объектива значительно, по сравнению с ближайшим аналогом, сократилось, что привело к уменьшению габаритов системы и стоимости объектива. В системе отсутствуют подвижные элементы, что приводит к повышению, по сравнению с ближайшим аналогом, быстродействия и надежности системы.
Краткое описание чертежей
Уровень техники и сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена типичная схема построения системы регистрации папиллярных узоров.
На фиг.2 показано расположение кристаллов приемника изображения с количеством светочувствительных элементов 7216 по горизонтали и 5412 по вертикали на пластине диаметром 150 мм при различных размерах светочувствительных элементов. На фиг.2а показаны кристаллы с размером элементов 6,8 мкм, на на фиг.2б изображены кристаллы с размером элементов 1,4 мкм.
На фиг.3 изображена схема осуществления системы регистрации папиллярных узоров, построенная на мультидиапазонном источнике света и использующая комбинирование взаимно смещенных промежуточных изображений разного спектрального состава для получения выходного изображения большего разрешения.
На фиг.4 изображена схема комбинирования взаимно смещенных промежуточных изображений разного спектрального состава для получения выходного изображения большего разрешения.