УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ЛИЦА ЧЕЛОВЕКА

Техническое решение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов.
Современные устройства для измерения геометрии объектов базируются на возможностях современных оптико-электронных приборов, компьютеров, алгоритмов и новейшей элементной базе.
Данное техническое решение позволяет измерять параметры геометрии лица человека для систем контроля и управления доступом по биометрическим параметрам.
Целью данного устройства является бесконтактное измерение геометрических параметров поверхности лица человека для повышения точности выделения биометрических параметров лица человека и расширения возможности аутентификации в системах контроля и управления доступом.
Техническое решение реализуется путем использования источника структурированной подсветки с высокой разрешающей способностью, источников ввода информации в виде HD-вебкамер и блока обработки.
3D-сканирование лица с использованием структурированной подсветки является наиболее оптимальным для задач распознавания человека, поскольку оно обладает следующими преимуществами: независимость от освещенности, повышенная точность модели, высокая информативность выходных данных, возможность автоматизации.
Известны несколько способов и устройств для контроля линейных размеров трехмерных объектов с использованием структурированной подсветки.
Первый способ заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных периодических полос. В результате в одном кадре регистрируется целиком вся попадающая в поле зрения камеры часть поверхности, и судят о контролируемых размерах по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат. Устройство, реализующее этот способ, содержит источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, выполненный в виде слайда с изображением радужных полос, объектив, проецирующий изображение возникающей на поверхности контролируемого объекта искаженной рельефом поверхности картины радужных полос, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, и цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины высот рельефа (см., описание изобретения к патенту РСТ WO 00/70303, PCT/US 99/70303, кл. G01B 11/24, 23.11.2000 г.). Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная неоднозначным отражением подсвечивающего пучка от поверхности цветного объекта.
Второй способ заключается в том, что на объект проецируется система полос, создаваемая либо путем подсветки когерентным излучением, содержащим спекл-структуру либо в виде системы концентрических полос, либо в виде хаотично расположенных зон, форма которых единообразна. Искаженная рельефом поверхности структурированная подсветка регистрируется при изменении длины волны излучения, по меньшей мере два раза. Полученная таким образом псевдоголограмма содержит систему интерференционных полос, расстояние между которыми в разных точках соответствует высоте рельефа. Соответствующая обработка на ЭВМ совокупности данных о величине вышеуказанных расстояний позволяет судить о рельефе поверхности контролируемого объекта (см., М.Франсон. Оптика спеклов. - М.: Мир, 1980, с.141-143). Недостатком этого способа является низкая достоверность получаемых данных о контролируемой поверхности на участках поверхности, отражение которых резко отличается от диффузного. Кроме того, поверхности с перепадом координат не удается идентифицировать, так как зоны структурированной подсветки характеризуются высокой степенью схожести.
Третий способ заключается в проецировании на объект шаблона с линейчатой (сетчатой) структурой, по фотографии лица с нанесенным шаблоном получают 3D модель лица (см., описание изобретения к патенту РСТ WO 99/58930, PCT/US 99/106777, кл. G01B 11/24, 1999 г.). Недостатками этого способа является высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при проецировании шаблона на лицо человека возникает изображение с линейчатой структурой и искажения картины, вызванные глубокими впадинами, высокими выпуклостями, невозможно идентифицировать из-за разрывов в изображении линий. Кроме того, при определенных значениях впадин и выпуклостей на поверхности, по искажениям полос, величина которых превышает расстояние между полосами, невозможно идентифицировать высоту рельефа и две другие координаты. Ограниченные функциональные возможности обусловлены необходимостью строго ориентировать контролируемый объект на определенном расстоянии от источника излучения.
Известен так же способ 3D сканирования, отличающегося от предыдущего, тем, что используются апериодичные шаблоны разных спектральных диапазонов, количество регистрирующих фотокамер соответствует количеству спектральных диапазонов. Этот способ устраняет недостаток связанный с ошибками восстановления поверхности с высокой кривизной. Недостатком такого подхода является техническая сложность реализации, и как следствие высокая стоимость изделия.
Общий недостаток способов, использующих проецирование сложного шаблона на объект сканирования, является необходимость использования оптической системы. Поэтому предъявляются жесткие требования к расстоянию от проецирующего источника до объекта, значение этого расстояния значительно влияет на точность сканирования (расфокусировка шаблона на объекте). Разрешающая способность сканера напрямую зависит от качества шаблона, что в свою очередь требует использования сложной оптической системы, которая увеличивает стоимость системы.
Известен способ и устройство. Способ заключается в том, что последовательно сканируют отдельные контуры поверхности светящейся полосой, реализующей структурированную подсветку и судят о контролируемых размерах по степени искажения изображения полосы и местоположению полосы в декартовой системе координат. Устройство, реализующее способ, содержит лазер, сканер, объектив, фоторегистратор, и блок обработки информации (см., описание изобретения к патенту РСТ WO 98/27514 от 25.06.98 заявка РСТ/IB 97/01649 от 15.12.96) является ближайшим аналогом заявляемой полезной модели. Недостатком известного устройства является низкая точность и длительное время сканирования, ограничение на подвижность объекта во время сканирования.
Учитывая недостатки различных способов и устройств распознавания человека по геометрии лица предлагается использовать устройство бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека.
Заявляемая полезная модель «Устройство бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека» направлена на устранение указанных недостатков и решение задачи, касающейся упрощения конструкции при повышении надежности, точности, достоверности измерения геометрических параметров поверхности лица человека.
Технический результат от поставленной задачи достигается за счет того, что устройство бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека оснащено лазерным источником структурированной подсветки, проецирующим на объект под углом линию, перемещающуюся по поверхности лица человека, а так же двумя источниками ввода информации в виде HD-вебкамер.
Отличительными признаками заявляемого устройства бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека от близкого по технической сущности устройства является использование лазерного источника в качестве источника структурированной подсветки, который проецирует на объект под углом линию, а так же два источника ввода информации в виде двух HD-вебкамер, разнесенных в пространстве. Использование лазерного источника структурированной подсветки и двух источников ввода информации позволяет сократить время сканирования и увеличить точность измерения геометрических параметров поверхности лица человека. Следует отметить, что точность устройства измерения становится менее зависимой от подвижности объекта во время сканирования и положения относительно устройства. Использование двух источников ввода изображений (HD-вебкамер) позволяет получать координаты проекции линии, проецируемой источником структурированной подсветки при произвольном ее перемещении по поверхности лица человека.
На фиг.1 показана схема устройства бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека.
1
2
1
2
1
1
2
2
Устройство бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека содержит: C1, C2 - HD-вебкамеры, L - лазерный источник структурированной подсветки в виде линии, d - фокусное расстояние камер, r - расстояние от начала координат до камер, Р - произвольная точка на объекте принадлежащая плоскости структурированной подсветки, p и р - изображения точки Р на камерах C и С, имеющие координаты (x', у') и (x', у'), h - расстояние от начала системы координат xyz до лазерного источника структурированной подсветки.
Устройство работает следующим образом.
Лазерный источник структурированной подсветки проецирует на объект перемещающую линию, одновременно происходит запись изображения с двух HD-вебкамер, в результате записи получаются две видеопоследовательности, по которым определяются координаты точек, принадлежащие поверхности лица человека.
Заявленное устройство может найти широкое применение в системах контроля и управления доступом на основе биометрических технологий.