СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПАПИЛЛЯРНОГО УЗОРА ПАЛЬЦА
METHOD OF RECORDING FINGER PAPILLARY PATTERN

Изобретение относится к области оптического формирования изображений, в частности для получения изображений папиллярных узоров пальцев, и может быть использовано как в гражданских, так и в полицейских системах биометрической идентификации личности.
Известны аналоги изобретения, например, способ идентификации субъекта с помощью пластиковой карты, описанный в патенте РФ №2195020. Способ реализуется с помощью устройства, включающего в себя модуль считывания изображения с осветителем и датчиком, внешний материальный носитель дактилоскопической информации в виде пластиковой карты и блок обработки информации, связанный с датчиком в модуле считывания изображения. Датчик выполнен чувствительным для света, проходящего как через живой палец, так и через пластиковую карту, по крайней мере на одной из сторон которой имеется видимое изображение хотя бы одного отпечатка пальца пользователя, а модуль считывания изображения дополнительно включает в себя держатель пластиковой карты, плотно прижимающий видимое изображение отпечатка пальца пользователя к поверхности датчика для ввода изображения этого отпечатка с пластиковой карты, причем конструкция осветителя обеспечивает равномерное освещение датчика светом, проходящим через живой палец или пластиковую карту.
Данное техническое решение может быть применено в гражданских системах идентификации личностей, однако его использование в полицейских системах затруднительно, поскольку устройство для реализации способа позволяет получать изображение папиллярного узора подушечки пальца и не позволяет получать изображение боковых поверхностей пальца, примыкающих к подушечке, что приводит к существенной потере информации о папиллярном узоре и снижает надежность идентификации личности. Отметим, что освещение зоны контакта пальца с воспринимающей отпечатки пальца поверхностью в аналоге осуществляется через мягкие ткани пальца.
Известен способ отображения участков кожи, например, пальца, которые освещают через прозрачное основание при контакте исследуемого рельефа с поверхностью последнего, описанный в патенте ЕР 0785750 В1, МПК А61В 5/117, G06K 9/00, опубл. 1999 г. Для улучшения оптической связи между рельефом и поверхностью основания в устройстве используют прозрачные нагревательные элементы, что обеспечивает более надежное отображение отпечатка. Данный способ выбран в качестве прототипа, как наиболее близкий к заявляемому. Прототипу присущ тот же недостаток, что и аналогу, а именно недостаточно полное изображение папиллярного узора пальца. Отметим, что освещение зоны контакта пальца с воспринимающей поверхностью прозрачного основания в прототипе осуществляется через прозрачное основание.
Известно также устройство для фоторегистрации папиллярных узоров, описанное в а.с. СССР №261737, МПК А61В 5/117, опубл. 1970 г. Устройство содержит осветитель, объектив, поворотное зеркало, малый экран, поворотное матовое стекло, выносной экран, фотоаппарат и рабочую призму, гипотенузная грань которой имеет вогнутую, например цилиндрическую форму. Вогнутость гипотенузной грани позволяет осуществлять более полный охват поверхности пальца, т.е. подушечку и примыкающие к ней боковые поверхности пальца, что приводит к получению более полной картины папиллярного узора пальца. Отметим, что данное устройство реализует способ - прототип (освещение зоны контакта пальца с воспринимающей поверхностью через прозрачное основание (в данном устройстве через призму)). Недостатком этого устройства является то, что в нем трудно получить равномерное освещение зоны контакта пальца с призмой вследствие криволинейности воспринимающей поверхности. Кроме того, при отображении криволинейной воспринимающей поверхности на плоскую матрицу светочувствительных элементов затруднительно получить изображение, резкое по всему полю одновременно. В результате этого периферийные области изображения (боковые поверхности пальца) имеют низкое качество, что приводит к потере информации о папиллярном узоре. Увеличение резкости за счет уменьшения относительного отверстия проекционной системы, располагаемой между призмой 2 и приемником 5 отраженного излучения (не показана), ухудшает разрешающую способность и требует большей мощности источников света. Таким образом, анализ известных способов и устройств регистрации папиллярных узоров показывает, что их применение позволяет получать либо качественное изображение папиллярного узора подушечки пальца без получения изображений узоров боковых поверхностей пальца, примыкающих к подушечке, либо более полное изображение папиллярного узора пальца при низком качестве изображения периферийных областей узора (боковых поверхностей пальца). Все это приводит к потере информации о папиллярном узоре пальца, что затрудняет идентификацию личности, в особенности, в полицейских системах.
Задачей изобретения является получение более полной картины папиллярного узора пальца при ее высоком качестве.
Достигается это тем, что в известном способе регистрации папиллярного узора пальца, заключающемся в размещении пальца в канавке, выполненной на воспринимающей поверхности оптически прозрачного основания, освещении анализируемой поверхности пальца потоком излучения от источника через прозрачное основание и регистрации приемником отраженного излучения:
- одновременно с освещением пальца через прозрачное основание основным источником, анализируемую поверхность пальца освещают потоком излучения от дополнительного источника через ткани пальца;
- длины волн излучения основного и дополнительного источников выбирают отличными друг от друга;
- регистрацию отраженного излучения осуществляют приемником, чувствительным к излучению обоих источников.
Кроме того, источник, освещающий палец через прозрачное основание, выбирают излучающим в видимом диапазоне излучения, а дополнительный - в инфракрасном диапазоне излучения.
Суть заявляемого способа поясняется на фиг.1, на которой схематично изображено устройство для его реализации. Устройство содержит последовательно расположенные и оптически связанные между собой основной источник излучения 1, оптически прозрачное основание 2 (например, призму, как показано на фиг.1), приемник 5 отраженного излучения, электрически связанный кабелем 6 с блоком обработки 7, например, ПЭВМ. На воспринимающей отпечатки пальцев грани 8 призмы 2 выполнена канавка 3, например, цилиндрической формы для размещения в ней пальца 4. Устройство содержит также дополнительный источник 9 излучения, освещающий анализируемую поверхность пальца 4 (зону контакта поверхности пальца с канавкой 3) через ткани пальца 4. Источники 1 и 9 имеют различные длины волн излучения, например источник 1 излучает в видимом диапазоне излучения, а источник 9 - в инфракрасном диапазоне. Приемник излучения 5 подбирают таким, что он чувствителен к излучению обоих источников излучения.
Работа устройства для регистрации папиллярного узора пальца происходит следующим образом. К канавке 3, выполненной на воспринимающей поверхности призмы 2 прикладывается палец 4. Источники излучения 1 и 9 включаются, например, перед размещением пальца 4 в канавке 3. Лучи света от основного источника 1 (показаны стрелками) проходят через прозрачное основание 2 и достигают границ поверхности канавки 3 и освещают зону ее контакта с пальцем. Излучение частично поглощается кожей, а частично рассеивается ею. В тех местах канавки 3, где к ней прилегают бугорки (гребни) папиллярных линий пальца, часть рассеянных лучей возвращается в прозрачное основание 2 под углами, большими предельного угла полного внутреннего отражения на границе «стекло-воздух» и попадает на приемник 5. В тех же местах поверхности канавки 3, где находятся впадины папиллярных линий, рассеянный свет, возвращенный в прозрачное основание 2 распространяется в нем под углами, заведомо меньшими предельного угла полного внутреннего отражения на границе «стекло-воздух», и не попадает на приемник 5. Таким образом, в плоскости приемника 5 излучения формируется светотеневая картина линий папиллярного узора пальца, которая преобразуется приемником в электрические сигналы, годные для дальнейшей обработки в блоке 7. Следует отметить, что источник 1 неравномерно освещает поверхность канавки 3 вследствие ее криволинейности (см. вид А), в связи с чем боковые поверхности пальца, примыкающие к подушечке, имеют значительно меньшую освещенность и резкость изображения, чем поверхность подушечки. Дополнительный источник 9 излучения компенсирует этот недостаток за счет дополнительной подсветки зоны контакта пальца с канавкой. Применение дополнительного источника с длиной волны, отличной от длины волны основного источника позволяет также добиться большей глубины резкости.
Изображение, формируемое от основного источника, имеет по краям не только пониженную яркость, но и недостаточную резкость за счет ограниченной глубины резкости проекционной системы. При надлежащем выборе длины волны дополнительного источника более резким за счет хроматической аберрации получается формируемое им изображение периферийной зоны. При этом центральная часть имеет не только пониженную резкость, но и пониженную освещенность за счет того, что излучение, проходящее через осевую часть пальца сильнее поглощается за счет прохождения большего пути в рассеивающей среде. Поэтому изображения, формируемые от различных источников освещения, взаимодействуют только в переходной зоне, где каждое из них имеет удовлетворительную резкость, и изображения суммируют величины их яркостей. В результате рисунок папиллярного узора (подушечка + боковые поверхности) получается выровненным по яркости, контрастности и резкости на всей поверхности.
Рассмотрим последовательность выполняемых действий в заявляемом способе на основе описанного устройства.
Палец 4 человека размещают в канавке 3, выполненной на воспринимающей поверхности оптически прозрачного основания 2 так, чтобы обеспечить соприкосновение пальца с поверхностью канавки. После этого одновременно освещают анализируемую поверхность пальца двумя источниками излучения - основным источником излучения через прозрачное основание 2 (источник 1) и дополнительным источником (источник 9) через ткани пальца 4. В тех местах канавки 3, где к ней прилегают бугорки папиллярных линий, излучение частично поглощается кожей, а часть рассеянных лучей выходит из прозрачного основания 2 под углами, превышающими предельный угол полного внутреннего отражения для границы «стекло-воздух». В тех же местах поверхности канавки 3, где находятся впадины папиллярных линий, излучение от источника 1, рассеянное кожей, войдя обратно в призму через воспринимающую поверхность распространяются в стекле под углами, меньшими чем предельный угол полного внутреннего отражения для границы «стекло-воздух». При этом в плоскости приемника 5 формируется светотеневая картина папиллярного узора пальца, которая преобразуется приемником в электрические сигналы, поступающие по кабелю 6 в блок обработки 7. Наличие источника 9 дополнительного освещения позволяет увеличить освещенность боковых поверхностей пальца, примыкающих к его подушечке, и улучшить резкость изображения боковых участков. Длины волн излучения источников выбирают отличными друг от друга, а регистрацию отраженного излучения осуществляют приемником 5, чувствительным к излучению обоих источников. После получения изображения папиллярного узора пальца последний убирают из канавки 3 и выключают источники 1 и 9. Последовательность действий способа завершена.
Заявителем разработан опытный образец устройства, основанного на заявляемом способе. В качестве основного источника, освещающего палец через прозрачное основание, выбран источник красного излучения, а дополнительный источник выбран излучающим в инфракрасном диапазоне волн. Качество получаемых при этом изображений папиллярных узоров пальца иллюстрируется на фиг.2, где на фиг.2а изображен узор только при работе источника 1, фиг.2б - только при работе источника 9, на фиг.2в - при совместной работе источников 1 и 9. Применение схемы устройства с двумя источниками излучения, один из которых освещает палец через прозрачное основание, а другой через ткани пальца дает синергетический эффект, а именно, существенное улучшение качества изображения при увеличении площади регистрируемого папиллярного узора, что не удается достичь посредством использования аналогов и прототипа.
По мнению заявителя, предлагаемое техническое решение, обладающее новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, может быть защищено патентом на изобретение.