УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЛИЦА ЧЕЛОВЕКА

Полезная модель относится к средствам цифровой регистрации изображений и преимущественно может быть использована для получения такой биометрической характеристики человека, как изображение его лица в системах, использующих распознавание личности, или в системах оформления различных видов документов, содержащих биометрическую информацию об их владельцах.
При регистрации изображения лица в качестве биометрической характеристики человека для целей распознавания личности или оформления различных видов документов, содержащих биометрическую информацию об их владельцах, одними из наиболее важных требований являются обеспечение равномерного и бестеневого освещения лица человека, а также осуществления такого наведения фотокамеры на лицо человека, при котором ее оптическая ось направлена на середину воображаемого отрезка, соединяющего центры глаз субъекта. Указанные требования к освещению и наведению фотокамеры при получении такой биометрической характеристики человека, как изображение его лица, определены международным стандартом ISO\IEC 19794-5 (Information technology - Biometric data interchange formats. Part 5: Face image data. Amendment 1: Conditions for taking photographs for face image data). Поскольку на практике необходимо осуществлять регистрацию изображения лица людей разного роста, возникает необходимость наведения фотокамеры на лицо субъекта съемки по высоте.
Так, например, из указанного стандарта известен набор для регистрации изображения лица субъекта в условиях фотостудии (Information technology - Biometric data interchange formats. Part 5: Face image data. Amendment 1: Conditions for taking photographs for face image data, fig. B.4), который содержит фотокамеру, которая установлена на штативе, выполненном с возможностью ручной регулировки высоты установки фотокамеры, фронтальный источник света в виде лампы с параболическим отражателем, ось диаграммы направленности которого расположена по отношению к оптической оси фотокамеры в вертикальной плоскости под углом 35° и в горизонтальной плоскости под углом не более 45°, боковую отражающую панель, установленную вертикально сбоку от субъекта со стороны, противоположной расположению источника света, и фронтальную отражающую панель, установленную спереди ниже лица субъекта.
Из указанного стандарта также известен набор для регистрации изображения лица субъекта в условиях фотостудии (Information technology - Biometric data interchange formats. Part 5: Face image data. Amendment 1: Conditions for taking photographs for face image data, fig. B.5), который содержит фотокамеру, которая установлена на штативе, выполненном с возможностью ручной регулировки высоты установки фотокамеры, два фронтальных источника света в виде ламп с параболическими отражателями, оси диаграммы направленности которых расположены по отношению к оптической оси фотокамеры в вертикальной плоскости под углом 35° и в горизонтальной плоскости под углом не более 45°, и фронтальную отражающую панель, установленную спереди ниже лица субъекта.
Недостатками указанных известных наборов являются существенное количество крупногабаритных элементов, размещаемых вокруг субъекта съемки и обеспечивающих равномерное и бестеневое освещение его лица, что требует значительной площади рабочего помещения и позволяет применять их только в условиях фотостудии.
Кроме того, из указанного стандарта известна фотокабина для регистрации изображения лица субъекта (Information technology - Biometric data interchange formats. Part 5: Face image data. Amendment 1: Conditions for taking photographs for face image data, fig. B.7), которая содержит окрашенные в белый цвет стены и потолок, выполняющие функцию отражателей для обеспечения равномерного освещения лица субъекта, фотокамеру, неподвижно установленную на одной из стен, установленный на потолке кабины источник света общего освещения кабины, два фронтальных источника света в виде ламп с отражателями, оси диаграммы направленности которых расположены по отношению к оптической оси фотокамеры в вертикальной плоскости под углом 35° и в горизонтальной плоскости под углом не более 45°, фронтальный источник света для подсветки снизу, установленный спереди ниже лица субъекта, и источник света для подсветки фона, установленный снизу за спиной субъекта съемки, а также вращающийся стул для субъекта съемки, выполненный с возможностью его ручной регулировки по высоте.
Недостатками указанной известной фотокабины являются ее существенные габариты, обусловленные необходимостью обеспечения равномерного и бестеневого освещения лица субъекта съемки, что требует значительной площади рабочего помещения.
Поскольку наведение фотокамеры на лицо субъекта съемки при использовании всех перечисленных выше аналогов осуществляется вручную за счет изменения высоты расположения фотокамеры или лица субъекта съемки, недостатками указанных известных технических решений являются низкая точность наведения и отсутствие автоматизации.
Известно устройство для считывания изображения лица, которое использовано в системе для осуществления известного способа распознавания личности (RU 2093890, 1997) с целью предотвращения несанкционированного доступа на объекты. Указанное известное устройство содержит осветитель и, по меньшей мере, один оптический считыватель, например, цифровую фотокамеру, установленные на юстировочном столике, а также привод. Привод содержит вертикально расположенную несущую колонну, на верхнем конце которой установлен котировочный столик, а на нижнем конце закреплена каретка, имеющая возможность перемещения вдоль направляющей колонны. Направляющая колонна установлена на корпусе электродвигателя и снабжена высокоточным винтом, имеющим прямоугольный профиль резьбы и установленным с возможностью вращения внутри направляющей колонны в подшипнике, установленном на верхнем конце направляющей колонны, а также надетой на высокоточный винт высокоточной гайкой со шпильками, пропущенными через продольные прорези в направляющей колонне. Концы шпилек закреплены в нижнем конце несущей колонны. Высокоточный винт связан с валом электродвигателя через редуктор. Кроме того, известное устройство содержит компьютер, который подключен к выходу оптического считывателя и выполняет функцию анализатора изображения и блока обработки данных, и блок управления высотой, подключенный к компьютеру.
Посетитель, желающий получить допуск к объекту, вводит в компьютер с помощью клавиатуры персональный код, на основании которого компьютер выбирает из своей базы данных лиц, допущенных к объекту, такие биометрические характеристики данного посетителя, как значение его роста, а также параметры, характеризующие изображение его лица, например, расстояние между центрами глаз и высота носа. По сигналу с компьютера, соответствующему выбранному из базы данных значению роста данного посетителя, блок управления высотой обеспечивает с помощью привода перемещение юстировочного столика с оптическим считывателем и осветителем на высоту, соответствующую высоте расположения лица посетителя. Оптический считыватель формирует цифровое изображение лица посетителя, а компьютер определяет такие параметры изображения лица, как расстояние между центрами глаз и высота носа, по результатам сравнения которых со значениями, хранящимися в базе данных, принимается решение о допуске посетителя.
В указанном известном устройстве наведение оптического считывателя на лицо человека осуществляется автоматически.
Вместе с тем, во-первых, используемая конструкция привода перемещения юстировочного столика по высоте привела к значительным массе и габаритам устройства.
Во-вторых, высокоточная винтовая передача, используемая в конструкции известного устройства, а также существенные значения массы несущей колонны и элементов, которые на ней установлены, обусловливают необходимость применения электродвигателя большой мощности, что приводит к существенному энергопотреблению.
В-третьих, использование конструкции привода, осуществляющего линейное перемещение по высоте юстировочного столика с оптическим считывателем и осветителем, приводит к тому, что в процессе его работы соединительные кабели оптического считывателя и осветителя подвергаются периодическому изгибу до формы, обладающей достаточно малым радиусом кривизны, что отрицательно сказывается на надежности устройства и снижает срок его службы.
В-четвертых, применяемый в указанном известном устройстве командный принцип наведения, когда в системе наведения отсутствует отрицательная обратная связь и в качестве задающего воздействия используется информация о росте посетителя, с одной стороны, не обеспечивает достаточной точности наведения оптического считывателя на лицо посетителя, которая в этом случае зависит как от позы, в которой находится субъект съемки, а также от его обуви, если съемка субъекта осуществляется в положении стоя. С другой стороны, этот принцип наведения требует наличия в базе данных информации о росте лиц, допущенных к объекту, что существенно сужает область возможного применения указанного известного устройства, поскольку не позволяет использовать его для регистрации изображения лица с целью оформления документов, удостоверяющих личность.
И, наконец, в-пятых, использование одиночного осветителя не обеспечивает равномерного и бестеневого освещения лица субъекта съемки.
Наиболее близким к предмету настоящей полезной модели является известное устройство для регистрации изображения лица человека (RU 91642 U1, 2010). Устройство, являющееся ближайшим аналогом, содержит основание, цифровую камеру и осветитель, установленные на общем несущем элементе, электродвигатель, соединенный с электродвигателем редуктор, компьютер, подключенный к выходу цифровой камеры, и блок управления электродвигателем, подключенный входом и выходом соответственно к компьютеру и электродвигателю, причем несущий элемент соединен с выходным валом редуктора и установлен с возможностью поворота относительно горизонтальной оси, а цифровая камера установлена на несущем элементе с расположением ее оптической оси в плоскости, перпендикулярной горизонтальной оси поворота несущего элемента.
Используемая в ближайшем аналоге конструкция привода совместно с особенностями установки цифровой камеры на несущем элементе обеспечивают возможность наведения цифровой камеры на лицо субъекта съемки путем разворота несущего элемента с цифровой камерой и осветителем в вертикальной плоскости относительно горизонтальной оси. Такая конструкция привода обеспечивает некоторое снижение энергопотребления, массы и габаритов по сравнению с рассмотренным выше аналогом.
Поскольку для регистрации изображения лица как детей, так и взрослых людей высокого роста, устройству для регистрации изображения лица, установленному от субъекта съемки на расстоянии 1 м, для наведения цифровой камеры необходим ее разворот в пределах не более ±25°, соединительные кабели цифровой камеры и осветителя устройства для регистрации изображения лица человека, являющегося ближайшим аналогом, в меньшей степени подвергаются изгибу, в результате чего повышается надежность устройства.
Применяемый в устройстве, являющемся ближайшим аналогом, принцип наведения по сигналу ошибки с использованием отрицательной обратной связи, во-первых, обеспечивает более высокую точность наведения цифровой камеры на лицо субъекта съемки, а, во-вторых, позволяет использовать его для регистрации изображения лица с целью оформления документов, удостоверяющих личность, поскольку не требует информации о росте этого субъекта.
Использование в устройстве, являющемся ближайшим аналогом, четырех модулей осветителя, которые установлены на несущем элементе симметрично относительно цифровой камеры сверху, снизу, слева и справа по отношению к ней, в некоторой степени способствует равномерному и бестеневому освещению лица субъекта съемки.
Вместе с тем, в известном устройстве, являющемся ближайшим аналогом, размещение на общем несущем элементе, установленном с возможностью поворота относительно горизонтальной оси, как цифровой камеры, так и осветителя, обладающего для обеспечения бестеневого освещения лица субъекта съемки существенными массой и габаритами, приводит к увеличению общих массы и момента инерции несущего элемента с установленными на нем узлами. В результате этого оказываются значительными масса и габариты элементов подвеса несущего элемента, а также энергопотребление электродвигателя. При этом значительные масса и габариты несущего элемента с установленными на нем узлами существенным образом ограничивают ресурс работы элементов подвеса.
Кроме того, выполнение осветителя в виде четырех отдельных модулей с точечными источниками света не обеспечивает достаточной равномерности освещения лица субъекта съемки и отсутствие на нем теней.
Задачами настоящей полезной модели являются повышение равномерности освещения лица субъекта съемки, снижение массы и габаритов подвижных элементов устройства, снижение энергопотребления и повышение ресурса работы.
Поставленные задачи решены, согласно настоящей полезной модели, тем, что устройство для регистрации изображения лица человека, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, основание, осветитель, несущий элемент с установленной на нем цифровой камерой, размещенный на горизонтально расположенной оси, установленной с возможностью вращения, электродвигатель, соединенный своим валом с осью, компьютер, подключенный к выходу цифровой камеры, и блок управления электродвигателем, подключенный входом и выходом соответственно к компьютеру и электродвигателю, отличается от ближайшего аналога тем, что осветитель установлен на основании, рассеиватель осветителя выполнен в форме кольца, наружный диаметр которого превышает максимально возможное значение размера головы взрослого человека при виде спереди, а ось установлена на осветителе внутри кольца его рассеивателя.
При этом цифровая камера выполнена в виде фотокамеры или в виде видеокамеры.
При наилучшем осуществлении полезной модели оптическая ось цифровой камеры расположена в вертикальной плоскости симметрии рассеивателя осветителя, а ось установлена параллельно плоскости рассеивателя осветителя и расположена в горизонтальной плоскости его симметрии.
Неподвижная установка осветителя на основании, а не на несущем элементе позволяет снизить общие массу и момент инерции несущего элемента с установленными на нем узлами. В результате этого уменьшаются масса и габариты элементов подвеса несущего элемента, а также энергопотребление электродвигателя. При этом уменьшение массы и габаритов несущего элемента с установленными на нем узлами обеспечивает увеличение ресурса работы элементов подвеса.
Выполнение рассеивателя осветителя в форме кольца, наружный диаметр которого превышает максимально возможное значение размера головы взрослого человека при виде спереди, обеспечивает более равномерное освещение периферийных участков лица человека, а также отсутствие теней около глазных впадин, около ушей, около носа и под подбородком.
Выполнение рассеивателя осветителя в форме кольца, наружный диаметр которого превышает максимально возможное значение размера головы взрослого человека при виде спереди, а также установка оси на осветителе внутри кольца рассеивателя, в частности, при наилучшем осуществлении полезной модели расположение оптической оси цифровой камеры в вертикальной плоскости симметрии рассеивателя осветителя, установка оси параллельно плоскости рассеивателя осветителя и расположение ее в горизонтальной плоскости симметрии рассеивателя, приводят к тому, что осветитель не испускает оптическое излучение из области вокруг объектива цифровой камеры, ограниченной внутренней окружностью рассеивателя. В результате этого центральная часть лица человека, которая содержит поверхности, расположенные при регистрации его изображения перпендикулярно оптической оси цифровой камеры, например, поверхности щек, лба и кончика носа, освещается только сбоку оптическим излучением, рассеянным рассеивателем осветителя. Поэтому исключается нормальное падение оптического излучения на поверхности лица, расположенные при регистрации его изображения перпендикулярно оптической оси цифровой камеры, и, следовательно, попадание в объектив цифровой камеры зеркально отраженного оптического излучения. В объектив цифровой камеры попадает оптическое излучение, диффузно отраженное поверхностью лица человека. В результате этого на зарегистрированном изображении лица распределение освещенности оказывается более равномерным и не возникают блики, в иных условиях обусловленные нормальным падением оптического излучения на поверхности лица, расположенные при регистрации его изображения перпендикулярно оптической оси цифровой камеры. Это же обстоятельство предотвращает возникновение бликов на зарегистрированном изображении лица в случае, когда субъект съемки пользуется очками.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированных выше задач настоящей полезной модели благодаря наличию у устройства для регистрации изображения лица человека перечисленных выше отличительных признаков.
На чертеже показана структурная схема устройства для регистрации изображения лица человека, на которой приведен вид спереди осветителя, где 1 - основание, 2 - корпус осветителя, 3 - рассеиватель, 4 - кожух камеры, 5 - объектив, 6 - кожух подвеса, 7 - электродвигатель, 8 - ось, 9 - компьютер и 10 - блок управления электродвигателем.
Устройство для регистрации изображения лица человека содержит основание 1, которое выполнено, например, в виде стойки с возможностью установки на горизонтальной поверхности, например, на столе. На стойке основания 1 установлен осветитель, который содержит корпус 2 осветителя, который выполнен из листового металла или светонепроницаемого листового полимерного материала в форме кольца, образованного двумя концентрическими цилиндрическими поверхностями. В кольцеобразном окне корпуса 2 осветителя установлен светопроницаемый рассеиватель 3, выполненный в форме кольца, например, из листового полимерного материала. Наружный диаметр рассеивателя 3 превышает максимально возможное значение размера головы взрослого человека при виде спереди и составляет, например, 1,1-2,0 этого значения, а внутренний диаметр составляет 0,2-0,7 от наружного диаметра. Поскольку, по имеющимся у авторов настоящей полезной модели сведениям, максимально возможное значение размера головы взрослого человека при виде спереди составляет 32 см, наружный и внутренний диаметры рассеивателя 3 составляют, например, соответственно 46 см и 23 см.
Внутри корпуса 2 осветителя размещены светодиоды (на чертеже не показаны), которые выполнены с возможностью испускания оптического излучения видимого диапазона длин волн и установлены напротив рассеивателя 3 равномерно по окружности и радиусу рассеивателя 3. Корпус 2 осветителя снабжен двумя кожухами 6 подвеса, которые выполнены из листового металла или светонепроницаемого листового полимерного материала и размещены, как показано на чертеже. В правом (по расположению на чертеже) кожухе 6 подвеса установлен источник электропитания (на чертеже не показан), который может быть выполнен в виде вторичного источника электропитания или аккумуляторной батареи и подключен к светодиодам (на чертеже не показаны). В левом (по расположению на чертеже) кожухе 6 подвеса, который для наглядности показан на чертеже со снятой передней панелью, установлен электродвигатель 7. В подшипниках, закрепленных в кожухах 6 подвеса, установлена горизонтально с возможностью вращения ось 8, которая соединена с валом электродвигателя 7. При этом обеспечена возможность вращения оси 8, по меньшей мере, на угол ±25°. Ось 8 параллельна плоскости рассеивателя 3 и расположена в горизонтальной плоскости его симметрии.
На оси 8 установлен в качестве несущего элемента кожух 4 камеры, который выполнен из листового металла или светонепроницаемого листового полимерного материала. Внутри кожуха 4 камеры установлена цифровая камера (на чертеже не показана), выполненная в виде фотокамеры или в виде видеокамеры. Цифровая камера обращена своим объективом 5 в ту же сторону, что и рассеиватель 3. При наилучшем осуществлении полезной модели оптическая ось цифровой камеры расположена в вертикальной плоскости симметрии рассеивателя 3 осветителя.
Устройство также содержит компьютер 9, например, на основе персонального компьютера, например, аналогичного компьютеру ближайшего аналога. Компьютер 9 подключен к выходу цифровой камеры и снабжен специализированным программным обеспечением, которое обеспечивает анализ и обработку цифрового изображения, в частности, по меньшей мере, возможность выявления центров глаз на цифровом изображении лица и определение их координат. Кроме того, устройство снабжено блоком 10 управления электродвигателем, который подключен входом и выходом соответственно к компьютеру 9 и электродвигателю 7. Блок 10 управления электродвигателем может быть выполнен либо, подобно ближайшему аналогу, на основе преобразователя цифрового кода во временной интервал, либо на основе преобразователя цифрового кода в количество импульсов в случае использования шагового электродвигателя.
Устройство для регистрации изображения лица человека работает следующим образом.
Устройство устанавливают основанием 1 на горизонтальную поверхность, например на стол. Субъекта съемки располагают напротив объектива 5 цифровой камеры на расстоянии 1,0-1,2 м. Затем от источника электропитания подают напряжение питания на светодиоды (не показаны) осветителя, а также включают цифровую камеру и компьютер 9.
Светодиоды осветителя испускают оптическое излучение видимого диапазона длин волн, которое рассеивается рассеивателем 3 в направлении лица субъекта съемки. Оптическое излучение, диффузно отраженное лицом субъекта съемки, попадает в объектив 5 цифровой камеры, в результате чего цифровая камера формирует цифровое изображение лица субъекта съемки, которое поступает в компьютер 9.
Компьютер 9 в соответствии с известными алгоритмами (подобно ближайшему аналогу) выполняет выявление центров глаз в цифровом изображении лица и определяет их координаты. Далее с использованием известных формул аналитической геометрии компьютер 9 вычисляет расстояние между центрами глаз, а затем расстояние между положением проекции оптической оси цифровой камеры на плоскость изображения и отрезком, соединяющим центры глаз изображения лица. Поскольку последнее из этих расстояний является пропорциональным углу рассогласования между оптической осью объектива 5 цифровой камеры и направлением на воображаемый отрезок, соединяющий центры глаз субъекта съемки, цифровой код, соответствующий этому расстоянию поступает из компьютера 9 в блок 10 управления электродвигателем.
Блок 10 управления электродвигателем преобразует указанный цифровой код в аналоговый электрический сигнал управления, который поступает на электродвигатель 7. Электродвигатель 7 поворачивает в подшипниках, закрепленных в кожухах 6 подвеса, горизонтальную ось 8 с установленной на нем в кожухе 4 камеры цифровой камерой до наведения объектива 5 цифровой камеры на лицо субъекта съемки, при котором оптическая ось объектива 5 цифровой камеры направлена на воображаемый отрезок, соединяющий центры глаз субъекта. После окончания рассмотренного наведения объектива 5 цифровой камеры на лицо субъекта съемки цифровое изображение его лица с выхода цифровой камеры поступает в компьютер 9, где регистрируется для дальнейшей обработки с целью распознавания личности или оформления различных видов документов, содержащих биометрическую информацию об их владельцах.
Таким образом, полезная модель обеспечивает повышение равномерности освещения лица субъекта съемки, снижение массы и габаритов подвижных элементов устройства, снижение энергопотребления и повышение ресурса работы.