АНАМОРФОТНАЯ СИСТЕМА СЧИТЫВАНИЯ ПАПИЛЛЯРНЫХ РИСУНКОВ КРАЙНИХ ФАЛАНГ ПАЛЬЦЕВ И СПОСОБ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ANAMORPHOTIC SYSTEM FOR READING PAPILLARY PATTERNS OF OUTERMOST PHALANGES AND METHOD OF USING SAID SYSTEM

Область техники
Предлагаемые устройство и способ относятся к считыванию и передаче изображений папиллярных узоров крайних фаланг пальцев, применяемым в автоматизированных биометрических информационных системах идентификации личности.
Уровень техники
Аналогами к предлагаемому устройству можно считать:
1. Устройство считывания отпечатка пальца для идентификации, патент США №5222152 по МКИ G06K 09/00, оп. 22.6.1993 г., включающий источник света, оптическую систему, содержащую, в том числе, оптический элемент для прикладывания пальца, и рекодер изображения отпечатка пальца.
2. Устройство для регистрации папиллярного узора, патент РФ №2185096 по МКИ А61В 5/117, оп. 20.7.2002 г., включающий источник света, оптическую систему, содержащую, в том числе, оптический элемент для прикладывания пальца, и систему фотоприемных элементов, соединенную с блоком обработки изображения.
Недостатками аналогов являются: недостаточно высокое качество исходных данных по всей площади контакта папиллярных рисунков крайних фаланг пальцев с рабочей поверхностью оптического элемента, поступающих в систему идентификации личности, недостаточно равномерная контрастность различных изображений папиллярных узоров вследствие различных характеристик предъявляемых папиллярных узоров и особенностей освещения оптического элемента, к которой прикладывается папиллярный рисунок крайних фаланг пальцев.
Наиболее близким по технической сущности прототипом для предлагаемых устройства и способа является «Анаморфотная система считывания папиллярных рисунков и способ ее использования», патент РФ №2298222 по МКИ G06K 09/00, оп. 27.04.2007 г., включающий источник света, оптическую систему, содержащую, в том числе, оптический элемент для прикладывания пальца, и многоэлементный фотоприемник в виде ПЗС-матрицы.
Недостатками прототипов являются недостаточно высокое качество исходных данных по всей площади контакта папиллярных рисунков крайних фаланг пальцев с рабочей поверхностью оптического элемента, поступающих в систему идентификации личности, недостаточно равномерная контрастность и освещенность различных изображений папиллярных узоров вследствие различных характеристик предъявляемых папиллярных узоров и особенностей освещения оптического элемента, к которой прикладывается папиллярный рисунок крайних фаланг пальцев.
Сущность изобретения
Геометрические размеры оптической системы сканера уменьшают, «сжимая» передаваемое на многоэлементный фотоприемник изображение папиллярного узора, подвергнув его анаморфированию и дезанаморфированию для получения требуемого неискаженного изображения. При этом для повышения качества передаваемых в систему идентификации личности изображений необходимо обеспечить в системе достаточно высокую контрастность и равномерность освещения рабочей поверхности, к которой прикладываются папиллярные рисунки крайних фаланг пальцев.
Задачей изобретения является повышение качества исходных данных, поступающих в систему идентификации личности, повышение контрастности и равномерности освещенности различных изображений папиллярных узоров, снижение стоимости системы, снижение полихроматических искажений.
Технические результаты изобретения:
1) повышение качества исходных данных, поступающих в систему идентификации личности;
2) повышение контрастности различных изображений папиллярных узоров;
3) повышение равномерности освещенности различных изображений папиллярных узоров;
4) снижение стоимости системы;
5) снижение полихроматических искажений.
Технические результаты достигаются тем, что анаморфотная система считывания папиллярных рисунков крайних фаланг пальцев содержит источник излучения, оптическую систему, включающую, в том числе, оптический элемент для прикладывания поверхности с папиллярным узором, и многоэлементный фотоприемник, размещенные в корпусе, одна из поверхностей оптического элемента выполнена отражающей, сферической, выпуклой наружу, корректирующей перспективные или трапециевидные искажения поверхности с папиллярным узором, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента, оптический элемент изготовлен из вещества с показателем преломления в диапазоне от 1,2 до 1,8 с двугранным углом в диапазоне от 60° до 87° между рабочей поверхностью оптического элемента и плоскостью, проходящей через, по крайней мере, часть контура отражающей поверхности оптического элемента, между рабочей и преломляющей гранями в диапазоне от 81° до 109°, многоэлементный фотоприемник соединен с контроллером и наклонен к оптической оси, образуя оптический двугранный угол между многоэлементным фотоприемником и преломляющей гранью оптического элемента в диапазоне углов от 1° до 29°, источник излучения выполнен в виде, позволяющем получить освещенность рабочей грани, близкую к равномерной, программно-аппаратно-управляемым, оптическая система включает дополнительный, по крайней мере, один программно-аппаратно-управляемый источник излучения, причем направление излучений, отраженных от прикладываемой крайней фаланги пальца с папиллярным рисунком, от дополнительного источника излучения или от источника излучения в оптический элемент, позволяет получить проекции при прохождении через оптическую систему с устраненными искажениями на многоэлементный фотоприемник мест непосредственного соприкосновения папиллярных линий с рабочей гранью оптического элемента, вызывая большую интенсивность электрического сигнала на соответствующих элементах многоэлементного фотоприемника по сравнению с местами, свободными от непосредственного соприкосновения, а оптическая система включает объектив с апертурной диафрагмой. При этом анаморфотирование производится только по одному направлению, а коэффициент анаморфотирования лежит в диапазоне от 1,3 до 1,7, источник излучения расположен со стороны грани, противолежащей рабочей грани оптического элемента, излучает в диапазоне длин волн от 0,8 мкм до 0,9 мкм, дополнительные источники излучения расположены таким образом, что обеспечивают подсветку четырех угловых областей рабочей грани оптического элемента, излучают в диапазоне длин волн от 0,8 мкм до 0,9 мкм и монохроматизированы с источником излучения.
Под термином «рабочая грань» оптического элемента следует понимать грань, к которой прикладывается поверхность с папиллярным рисунком крайней фаланги пальцев.
Под термином «преломляющая грань» отражательной призмы следует понимать грань на которую направлен объектив оптической системы.
Монохроматизация источников излучения приводит к снижению полихроматических искажений и позволяет использовать однолинзовый объектив вместо многолинзового при обеспечении одинакового качества изображения, что влияет на общую стоимость устройства.
Анаморфотная система считывания папиллярных рисунков может быть выполнена с расположением дополнительных источников излучения со стороны грани, противолежащей рабочей грани оптического элемента. Такое выполнение системы позволяет повысить качество исходных данных, поступающих в систему идентификации личности за счет повышения равномерности освещения рабочей грани.
Анаморфотная система считывания папиллярных рисунков может быть выполнена с расположением дополнительных источников излучения со стороны граней, прилежащих к рабочей грани оптического элемента. Такое выполнение системы позволяет повысить качество исходных данных, поступающих в систему идентификации личности за счет повышения равномерности освещения рабочей грани.
Анаморфотная система считывания папиллярных рисунков может быть выполнена с монохроматизацией дополнительных источников излучения с источником излучения подбором по характеристикам излучения по длинам волн. Такое выполнение системы позволяет повысить качество исходных данных, поступающих в систему идентификации личности за счет снижения полихроматических искажений.
Анаморфотная система считывания папиллярных рисунков может быть выполнена с многоэлементным фотоприемником, содержащим микролинзы для каждого элемента. Такое выполнение системы позволяет повысить качество исходных данных, поступающих в систему идентификации личности за счет фокусировки частей изображения на рабочие части фотоэлементов многоэлементного фотоприемника.
Анаморфотная система считывания папиллярных рисунков может содержать оптическую ось, изменяющую свое направление, например, зеркалами или призмами. Такое выполнение системы позволяет повысить ее компактность за счет уменьшения расстояния между оптическим элементом и многоэлементным фотоприемником.
Анаморфотная система считывания папиллярных рисунков может содержать иммерсионный объектив. Такое выполнение системы позволяет повысить ее компактность за счет уменьшения расстояния между отражательной призмой и многоэлементным фотоприемником.
Объектив может содержать, по крайней мере, одну, например, асферическую линзу. Такое выполнение объектива позволяет получить требуемое неискаженное изображения папиллярного рисунка крайней фаланги пальца.
Объектив может содержать вынесенную апертурную диафрагму. Такое выполнение объектива позволяет повысить качество изображения папиллярного рисунка крайней фаланги пальца.
Многоэлементный фотоприемник анаморфотной системы считывания папиллярных рисунков может быть выполнен в виде ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой связью) или КМОП-структуры (кремний-метал-окисел-полупроводник).
Способ использования анаморфотной системы заключается в том, что используют режимы ожидания контакта поверхности папиллярного рисунка крайней фаланги пальца с рабочей поверхностью оптического элемента и анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента, настройки рациональной освещенности рабочей поверхности оптического элемента, настройки рациональной контрастности оптической системы, дополнительного анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента, и передачи оцифрованного изображения папиллярного рисунка крайней фаланги пальца в память компьютера или на носитель информации в случае удовлетворения критерия соответствия приложенной к рабочей поверхности оптического элемента поверхности с папиллярным рисунком крайней фаланги пальца папиллярным узорам с особенностями, присущими прикладываемым поверхностям, при котором источник излучения и дополнительные источники излучения активизируют периодически с периодами, близкими к таким, которые необходимы для последовательного проведения этапов излучения источником и дополнительными источниками до накопления максимально возможного изменения электрических параметров при изменении условий освещенности элемента от полного отсутствия до максимальной освещенности, воздействующей на элемент длительностью, гарантирующей окончание переходных процессов, по крайней мере, на одном элементе многоэлементного фотоприемника, настройки рациональной освещенности рабочей поверхности оптического элемента, настройки рациональной контрастности, дополнительного анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхностью оптического элемента, и передачи оцифрованного изображения папиллярного рисунка крайней фаланги пальца в память компьютера или на носитель информации. Во время этапа ожидания контакта поверхности папиллярного рисунка крайней фаланги пальца с рабочей поверхностью оптического элемента и анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента, учитывают генерируемые излучением в оптической системе изменения электрических параметров линейно, с учетом дискретности, расположенных элементов многоэлементного фотоприемника, при этом активизируют источник излучения и дополнительные источники излучения начальной длительностью, составляющей часть полной длительности, необходимой для получения максимально возможного изменения электрического параметра при изменении условий освещенности элемента от полного отсутствия до максимальной освещенности, воздействующей на элемент длительностью, гарантирующей окончание переходных процессов, по крайней мере, на одном из элементов многоэлементного фотоприемника, и суммируют пропорционально увеличенные или уменьшенные, например, по степенному закону, разность значений изменений электрических параметров в соседних линейно расположенных элементах многоэлементного фотоприемника, активизируют источник излучения и дополнительные источники излучения укороченной длительностью, составляющей часть начальной длительности, и суммируют пропорционально увеличенные или уменьшенные, например, по степенному закону, разность значений изменений электрических параметров в соседних линейно расположенных элементах многоэлементного фотоприемника и сравнивают полученные значения со значением критерия пропорционально увеличенного или уменьшенного, например, по степенному закону, разности значений изменений электрических параметров в соседних линейно расположенных элементах многоэлементного фотоприемника, определенного эмпирически для поверхностей с папиллярным рисунком крайних фаланг пальцев, и в случае удовлетворения условия сравнения приступают к этапам настройки рациональной освещенности рабочей поверхности оптического элемента и настройки рациональной контрастности анаморфотной системы для дополнительного анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента, а в случае неудовлетворения продолжают использовать режим ожидания контакта поверхности папиллярного рисунка крайней фаланги пальца с рабочей поверхностью оптического элемента и анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента. Во время этапа настройки рациональной освещенности рабочей поверхности оптического элемента активизируют источник излучения и дополнительные источники излучения частичной длительностью, составляющей часть полной длительности, необходимой для получения максимально возможного изменения электрического параметра при изменении условий освещенности элемента от полного отсутствия до максимальной освещенности, воздействующей на элемент длительностью, гарантирующей окончание переходных процессов на элементах многоэлементного фотоприемника, которую дискретно увеличивают до достижения полной длительности, а во время активизации или нахождения в активном состоянии источника излучения и дополнительных источников излучения суммируют значения изменений электрических параметров линейно расположенных элементов многоэлементного фотоприемника с величиной этих параметров более 80% от максимально возможного изменения электрического параметра при изменении условий освещенности элемента от полного отсутствия до максимальной освещенности, воздействующей на элемент длительностью, гарантирующей окончание переходных процессов, и сохраняют значения сумм и соответствующих значений частичной длительности как на источнике излучения, так и на дополнительных источниках излучения, по достижении полной длительности выбирают величину частичной длительности, при которой обеспечивается рациональная освещенность рабочей поверхности оптического элемента. Во время этапа настройки рациональной контрастности оптической системы активизируют источник излучения и дополнительные источники излучения частичной длительностью, составляющей часть полной длительности, необходимой для получения максимально возможного изменения электрического параметра при изменении условий освещенности элемента от полного отсутствия до максимальной освещенности, воздействующей на элемент длительностью, гарантирующей окончание переходных процессов, по крайней мере, на одном из элементов многоэлементного фотоприемника, которую дискретно увеличивают до достижения полной длительности, а во время активизации или нахождения в активном состоянии источника излучения и дополнительных источников излучения суммируют значения изменений электрических параметров линейно расположенных элементов многоэлементного фотоприемника с величиной этих параметров более 80% от максимально возможного изменения электрического параметра при изменении условий освещенности элемента от полного отсутствия до максимальной освещенности, воздействующей на элемент длительностью, гарантирующей окончание переходных процессов, и сохраняют значения суммы и соответствующего значения частичной длительности, по достижении полной длительности выбирают величину частичной длительности, при которой обеспечивается рациональная контрастность оптической системы; во время этапа дополнительного анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента, активизируют источник излучения длительностью, обеспечивающей рациональную контрастность оптической системы в диапазоне от 0,8 мкм до 0,9 мкм, активизируют режим передачи оцифрованного изображения папиллярного рисунка крайней фаланги пальца в память компьютера или на носитель информации, в процессе которого учитывают изменения электрических параметров каждого элемента многоэлементного фотоприемника, генерируемых излучением в оптической системе.
Один из возможных вариантов применения многоэлементного фотоприемника для решения задач предлагаемого изобретения состоит в использовании полупроводниковых датчиков, на элементы которых в процессе работы подается запирающее напряжение, а при освещении их увеличивается ток в цепи элемента, вызванный снижением сопротивления за счет образования носителей заряда. Измерения изменений электрических параметров позволяют автоматизировать процесс распознавания папиллярных узоров.
В способе использования анаморфотной системы может осуществляться пропорциональное увеличение или уменьшение разности значений изменений электрических параметров в соседних линейно расположенных элементах многоэлементного фотоприемника по квадратичному закону.
В способе использования анаморфотной системы может осуществляться управление многоэлементным фотоприемником компьютером.
В способе использования анаморфотной системы может осуществляться управление многоэлементным фотоприемником микропроцессором.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Возможность практической реализации изобретения поясняется чертежами и примерами действий, составляющих элементы способа распознавания папиллярного узора.
На фиг.1 представлена схема анаморфотной системы.
На фиг.2 представлена пространственная схема анаморфотной системы с преломляющейся зеркалами оптической осью и расположением многоэлементного фотоприемника в плоскости монтажной платы.
На фиг.3 представлена пространственная диаграмма изменения освещенности в зависимости от расстояния от источника излучения до рабочей поверхности при размещении последнего вблизи центра грани, противолежащей рабочей грани оптического элемента (размером 18×24 мм).
На фиг.4 представлена пространственная диаграмма изменения (по сравнению с фиг.3) при совместной работе источника излучения и одного из дополнительных источников излучения.
На фиг.5 представлены варианты учета генерируемых излучений в оптической системе электрических параметров линейно, с учетом дискретности, расположенных элементов многоэлементного фотоприемника: 5а, 5б - осевые; 5в, 5г - параллельно осям; 5д - наклонное; 5е - по диагонали, 5ж - сплайновое; 5з - по фрагменту окружности.
На фиг.6 представлена диаграмма активизации дополнительного источника излучения в режиме ожидания контакта поверхности папиллярного узора с рабочей поверхностью оптического элемента и анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента.
На фиг.7 представлены диаграммы активизации источников излучения в режиме настройки рациональной освещенности и рациональной контрастности оптической системы.
Диаграммы на фиг.6, 7 представлены без детализации переходных процессов при включении и выключении источника излучения с условными изображениями промежутков, во время которых происходит учет генерируемых излучением в оптической системе изменений электрических параметров элементов многоэлементного фотоприемника.
Анаморфотная система считывания папиллярных узоров содержит источник излучения 1, оптическую систему, включающую объектив 2 с апертурной диафрагмой 3 и оптический элемент 4 для прикладывания поверхности с папиллярным рисунком крайней фаланги пальца 5, и многоэлементный фотоприемник 6. Оптический элемент 4 с двугранными углами 7 и 8 между рабочей 9 поверхностью оптического элемента и плоскостью, проходящей через, по крайней мере, часть контура отражающей поверхности 10 оптического элемента 4, между рабочей 9 и преломляющей 11 поверхностями соответственно, многоэлементный фотоприемник 6 соединен с контроллером 12 и наклонен к оптической оси 13, образуя оптический двугранный угол 14 между многоэлементным фотоприемником 6 и преломляющей гранью 11 оптического элемента 4. Анаморфотная система считывания папиллярных узоров содержит также дополнительные источники излучения 15. Оптическая система может содержать преломляющие оптическую ось 13 зеркала 16.
Изготовление оптического элемента может быть осуществлено известными способами из используемых в оптике материалов, например из стекла и напылением на отражающую поверхность оптического элемента отражающего слоя, например, из металла.
Изготовление остальных элементов системы может быть осуществлено известными способами.
Способ использования анаморфотной системы заключается в следующем.
Используют режим ожидания контакта поверхности папиллярного узора 5 с рабочей поверхностью 9 оптического элемента 4 и анализа поверхности, приложенной к рабочей 9 поверхности оптического элемента 4, при этом активизируют дополнительный источник излучения 14 периодически программно-аппаратно с периодом длительности Т (см. фиг.6), близким к такому, который необходим для последовательного проведения этапов излучения дополнительным источником 15 до накопления максимального значения зарядов, по крайней мере, на одном элементе многоэлементного фотоприемника, настройки рациональной контрастности, дополнительного анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента, и передачи оцифрованного изображения папиллярного узора в память компьютера или на носитель информации.
Во время активизации дополнительного источника излучения 14 учитывают генерируемые излучением в оптической системе электрические параметры линейно (линии обозначены позицией 17 на фиг.5), с учетом дискретности, расположенных элементов многоэлементного фотоприемника 6, при этом активизируют дополнительный источник излучения 15 начальной длительностью Т2, составляющей часть полной длительности Т1, необходимой для получения максимально возможного изменения электрических параметров при изменении условий освещенности элемента от полного отсутствия до максимальной освещенности, воздействующей на элемент длительностью, гарантирующей окончание переходных процессов, по крайней мере, на одном из элементов многоэлементного фотоприемника 6, и суммируют пропорционально увеличенные или уменьшенные, например, по степенному закону, разность значений изменений электрических параметров в соседних линейно 17 расположенных элементах многоэлементного фотоприемника, активизируют дополнительный источник излучения 15 укороченной длительностью Т3, составляющей часть начальной длительности Т2, и суммируют пропорционально увеличенные или уменьшенные, например, по степенному закону, разность значений изменений электрических параметров в соседних линейно 17 расположенных элементах многоэлементного фотоприемника 6 и сравнивают полученные значения со значением критерия пропорционально увеличенного или уменьшенного, например, по степенному закону, разности значений изменений электрических параметров в соседних линейно 17 расположенных элементах многоэлементного фотоприемника.
При контакте поверхности папиллярного узора с рабочей поверхностью оптического элемента используют режимы настройки рациональной контрастности и рациональной освещенности оптической системы. При этом активизируют дополнительный источник излучения 15 или источник излучения 1 частичной длительностью Т4, составляющей часть полной длительности Т1, которую дискретно увеличивают до достижения полной длительности Т1 (см. фиг.7). Для дополнительного источника излучения 15 или источника излучения 1 длительности периодов их активизации для обеспечения рациональной контрастности могут быть различными.
Во время этапа дополнительного анализа поверхности, приложенной к рабочей поверхности оптического элемента, активизируют источник излучения 1 длительностью рациональной контрастности и рациональной освещенности оптической системы, активизируют режим передачи оцифрованного изображения папиллярного узора в память компьютера или на носитель информации, в процессе которого учитывают изменения электрических параметров каждого элемента многоэлементного фотоприемника, генерируемые излучением в оптической системе.
В способе использования анаморфотной системы может осуществляться пропорциональное увеличение или уменьшение разности значений изменений электрических параметров в соседних линейно расположенных элементах многоэлементного фотоприемника 6 по квадратичному закону.
В способе использования анаморфотной системы может осуществляться управление многоэлементным фотоприемником 6 компьютером.
В способе использования анаморфотной системы может осуществляться управление многоэлементным фотоприемником 6 микропроцессором.
Таким образом, применение данных системы и способа ее использования позволяет повысить качество исходных данных, поступающих в систему идентификации личности, контрастность различных изображений папиллярных рисунков крайних фаланг пальцев и достоверность распознавания папиллярных рисунков крайних фаланг пальцев снизить полихроматические искажения и стоимость системы.