CN100457031C - 人的无接触生物统计识别时天然皮肤的鉴别方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在人的生物统计识别中的天然皮肤(5)的鉴别方法，一个用于产生散射光(7)的光源以可见光范围或邻近范围的光线照明皮肤表面(4)的对应于一个手指或手心的一个入射部位(1)，在一个检测部位(9)，在入射部位(1)经所述皮肤表面(4)入射皮肤(5)的、在皮肤中散射并从皮肤表面(4)重新出射的光线作为散射光(7)通过一个检测器(20)进行检测，同时用指纹传感器进行特征指纹的光学探测，由检测器(20)探测出的信号被输入比较器并与所存储的数据进行比较，其特征为，利用多个具有有限的光谱范围的并用于产生散射光(7)的光源(10，11)来照亮这个入射部位(1)。

Description

人的无接触生物统计识别时天然皮肤的鉴别方法和装置
技术领域
本发明涉及人的无接触生物统计识别时天然皮肤的鉴别方法以及实施该方法的装置。
背景技术
在进入一些封闭系统例如进入某些房间或数据网络所规定的封闭系统时，一般都要进行特许检查，即加强了鉴别特许进入者的生物统计检查，因为每个人的个人生物统计特性与用口令或密钥比较起来不存在丢失或传播的危险。在实践中，行之有效的办法是利用手心或手指的纹样作为生物统计的、对每个人来说都是不同和不变的特征。其中，这类纹样用光学方法进行不接触地检测是众所周知的。在检测时，纹样作为皮肤表面的局部解剖学组成的纹样进行分析，这种纹样即通过凸起的纹路构成的凸纹。在进行检测时，存在这样的问题：在识别纹样时，检测生物统计数据用的测量仪表原则上可能由于用伪造的样品而受骗上当，这种伪造的样品是与三维的原样一致的纹样的复制品，例如可能是二维复制品、三维复制品或天然手指的涂层。
WO 01/34 027 A1公开了一种不是用作生物统计识别而是用作诊断皮肤病的方法和装置。这种方法在检查皮肤损害时用一个照明环照射皮肤、以便对散射光产生的皮肤损害图像进行拍摄、数字化和分析。
EP 0 359 554 A2描述了一种个人识别方法，这种方法是以光学方式对与一块玻璃板发生接触的指纹进行检测，亦即不是无接触的工作方式，而且该玻璃板由于必须强制接近而可被操动和损坏。为了防止伪造，除了指纹外，同时还要分析由于散射是否在入射部位和光线入射测量仪器的部位之间存在偏差。
US 5 593 843描述了一种装置，用该装置直接接触皮肤用第一发射体入射光线，入射的光线通过第二发射体进行探测，第二发射体通过一个不透光的壁与第一发射体隔开。
US 5 419 321提出了一种不侵入的、但有接触的传感器来光学定量测量测定天然组织中的一种物质。
发明内容
本发明的目的是提出一种方法，用该方法可改进防止伪造企图的、用指纹鉴别来控制特许进入的生物统计方法的安全性。此外，本发明的目的是提出一种装置来实施该方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种在人的生物统计识别中的天然皮肤的鉴别方法，其中，一个用于产生散射光的光源以可见光范围或邻近范围的光线照明皮肤表面的对应于一个手指或手心的一个入射部位，并且在一个检测部位，在入射部位经所述皮肤表面入射皮肤的、在皮肤中散射并从皮肤表面重新出射的光线作为散射光通过一个检测器进行检测，同时用指纹传感器进行特征指纹的光学探测，由检测器探测出的信号被输入比较器并与所存储的数据进行比较，其特征为，利用多个具有有限的光谱范围的并用于产生散射光的光源来照射这个入射部位。
上述方法具有这样的优点：通过散射光的测量检验了天然皮肤的光学特性，从而可避免上述的各种欺骗行为。为此，皮肤在光线入射部位被表面上扩散反射的光线部分照射。光线的剩余部分则进入皮肤的组织并经过多次散射分布在这个容积中，其中该散射光线的一小部分重新从皮肤表面出射，并可照亮皮肤。天然皮肤是由复合有机结构组成的并含有许多光学作用的物质，所以天然皮肤的光学特性尤指散射(米-瑞雷散射)和可用散射光确定的吸收特性不易或只有用很高的费用才能仿造。
散射光在多个三维空间不同的检测部位进行检测，这些检测部位离入射部位具有不同的距离是特别有利的。由于散射光的强度随入射部位不断增加的距离按一定的函数即这里所谓的“散射函数”下降，而这个散射函数除了与入射距离有关外，还与入射光的波长有关，所以不论被照射的样品在其散射函数方面是否与天然皮肤一致，这种方法都存在严格检验的可能性，而且根据目前的知识水平，这个散射函数不可能人工精确模拟，何况接近这个散射函数所用的材料还附加地设置了指纹的进一步模拟所需的表面轮廓。另一个大的优点是，在很大程度上防止了欺骗意图，因为指纹探测和天然皮肤的散射特性的这两个测试实际上是在相同的位置和几乎在相同的时间进行的，所以在两个测试之间不存在测量试样被移动或交换的可能性。
通过使用一个有限光谱范围的光线来照射入射部位还可提高本发明方法的安全性，因为这个光谱范围与皮肤内存在的物质的有关散射和吸收的光学特性是协调的，亦即用这样的一个光谱范围的光线来照射入射部位，在该光谱范围内。一种天然存在于皮肤内的天然物质的吸收和散射可采用特征值。
其中，如果用600纳米和800纳米左右的光谱范围的光线来照射入射部位是有利的，因为在这些波长之间既可探测到白红素的较大的吸收跃变，又可探测到黑红素即皮肤色素的吸收衰减。此外，在这两个波长时，血的波动的氧饱和对测量没有影响。在入射部位照亮皮肤的另一个有限波长大约为1250纳米，在这个波长时，组织的含水量大体上决定测试结果。
如果光的强度在时间上进行调节，则用交变光，这时该方法对环境干扰光不敏感，这种环境干扰光通过简单的常规措施例如屏蔽往往不可能完全消除。
检测部位的散射光同样可通过一个光导体输入检测器。
此外，本发明提供一种用于实施本发明方法的装置，其特征为，该装置具有：多个有不同波长的光源，用来照射同一个入射部位的皮肤表面；一个检测器，用于检测在检测部位发射的散射光；指纹传感器和摄像机，用于进行皮肤的特征指纹的光学探测；起比较器作用的数据处理单元，尤其是微处理器。
此外，该光源在皮肤上产生一个与圆近似的或完全一致的照明图形。这个方案用于提高整个组织不均匀性求平均值的测试安全性并通过大量相同单个散射光线分布的叠加产生足够强的测试信号。
相当于圆环的照明图形以简便的、因而有利的方式这样产生，使该光源对应一个照明环。在相当于圆环的照明图形时，如果检测部位对应圆环的中心，则在离入射部位的一个预定的距离即在半径R内的散射光线的较高强度业已证明是有利的，因为这样就可利用照明的对称性来获得在距离相当于半径R时一个强的测试信号。
为了探测散射函数，最好在该照明环内布置多个光源，这些光源发射不同的波长。其中一个波长的光源数目最好在该波长时与皮肤的散射和吸收能力(散射函数)相互有关。这样，一种以其散射函数而导致在给定距离内光强严重减弱的波长的光线就以整个照明环平均的较高入射强度在入射部位入射，从而获得一个与别的波长的测量信号比较在光强上足够的测量信号。
另一种可能性是，环形照明图形的直径与由该光源发射的波长和由此与皮肤的相关的散射和吸收能力(散射函数)进行协调，即为了获得散射光线的一个可良好测量的强度，不是改变入射光线的强度，而是改变从检测部位到入射部位的距离。
这可按特别简便的、因而是优选的方式通过设置至少两个同心布置的、发射不同波长光线的照明环来实现。
在本发明的范围内，采用发光二极管作为光源，它们显示为一个由多角形近似的圆环，产生一个由分离的光点近似的圆环形照明图。其中，近似圆的限制是这样克服的：该照明环通过一个用光学材料制成的全反射管件构成。光线可入射到它的一侧并通过该管件多次在该管件的壁之间反射、很均匀地分布在整个圆周上，并由此形成一个具有相应照明图形的均匀发光的圆环。在此，该管件出射侧上的表面可打毛。
此外，可用激光作光源。还可用一个透镜使光源成象在皮肤上。为了减少测量仪器对散焦的敏感性或为了在一定的景深范围内获得无错误的测量值，该透镜的中心孔需对应该检测器，亦即选择同轴的测试装置。
该装置的紧凑的结构是这样达到的：在光源和用于使照明图形成像在皮肤上的透镜之间的光路中布置一个反射镜。该反射镜使该光路这样偏转，使该透镜接近于该管件布置或布置在该管件的内部。
照明图的产生也可用常规的投影装置，这种装置由光源、聚光器、投影原样和物镜组成，用该照明图形照射入射部位。此外，激光标准投影机例如激光二极管投影机也很合适。
如果用一个光导体来把散射光输入检测器同样是有利的，特别是该导体做成柔性的，并因此而可引到任意位置的、甚至位于光路以外的检测器时。
对一些具有高度安全性使用场合的要水高的技术解决方案来说，必须用相对多的单个波长进行测量，这时技术费用很高，必须用相应多的光源和照明环来实现。在这种情况下，本发明在光路中在检测器的前面设置一个分光仪，例如一个结构简单因而价格低廉的晶格分光仪，这种分光仪可进行散射光强的与波长有关的测量。这时，该检测器最好由一个光电二极管阵列(PDA)或一个电荷耦合器件(CCD)组成。此外，设置了一个亮度传感器来监控光源的亮度，例如一个监控测量用二极管，用它也可进行恒定调节。
入射部位对应被测人的一个手指或手心，并同时用一个指纹传感器光学无接触地探测特征指纹，乃是有利的，因为这样可把有关检测欺骗意图的特许进入权的检测手段集成在一个装置内。特别是有这样的优点：有关生命鉴别和生物统计的识别这两个无接触进行的测量是在测试范围的很窄空间耦合的情况下几乎是同时进行的。
如果设置一个分光仪来把由光源产生的和被测试的散射光线集中到指纹传感器的物方光路中，则可获得一致的三维空间测试范围。
如果检测器由指纹传感器的摄像机组成，也是可以的而且是有利的，该摄像机用来摄取从检测部位反射的散射光线。如果除了摄下测量光点图外，还一起摄下皮肤上的照明图形并在图中进行测量，则用摄像机作为指纹传感器也是有利的。在这种情况中，在入射部位的表面上产生的与体散射叠加的散射作为基准数值，而且不必一定需要光源的稳定或控制。
此外，如果在散射光传感器的照明光路中和在摄像机之前分别在交叉部位设置一个极化滤波器，则在使用指纹传感器的摄像机时是有利的，因为这样可避免在探测指纹时的光泽效应。作为指纹传感器最好用DE 198 18 229 A1提出的传感器，因为反正在摄像机前设置了一个极化滤光器，并可进行光点图的光度测量。
如果该透镜对应一个中心的圆形光阑并在光轴上按不同距离布置许多光源，则可获得一个简单的和节省空间的照明装置。此时利用皮肤上的照明图形的一些不清晰的区域是无妨碍的，这样就以简单的方式通过这种结构产生许多环形图。在这种情况下，只需注意测量用摄像机或检测器对面的光阑足够大即可。
附图说明
下面结合附图所示的一些实施侧来详细说明本发明；附图表示：
图1皮肤照射过程的示意图；
图2在三种不同波长时散射光的强度与检测部位离入射部位的距离r的关系曲线图；
图3离入射部位的距离2R的两个散射函数叠加的相当于图2的关系曲线图；
图4在中心布置检测部位的圆环的示意图；
图5具有布置在不同照射环中的不同波长的光源的本发明装置结构示意图；
图6用全反射管件的另一个实施例的相当于图5的视图；
图7具有一个光导体和一个集成部件的、用比较器探测和分析散射函数的、相当于图5的又一个实施例的视图；
图8为了结构紧凑而在照明光路中使用一个反射镜的相当于图5的视图；
图9在用一个光阑的情况下，产生多个环形图的一种简单结构；
图10光源和检测器与一个手指指纹探测装置共同作用的另一个布置方案。
具体实施方式
图1表示在入射部位1入射一个一定强度和波长的光束2时产生的散射光线7的简化图。光束2的一部分在皮肤5的表面4上扩散反射，从而产生光束6。光束2的另一部分通过表面4进入皮肤5的组织内并通过多次散射分布在该处。在皮肤5内散射的光线的一小部分从皮肤表面4作为可见的散射光7重新出射。散射光线7的强度按散射函数S表征的方式与出射部位离入射部位1的距离以及与入射光的波长有关。这种导致散射函数S的有规律的关系是由于皮肤5的光学材料特性引起的，在图2中表示三种不同波长时的这种关系的示意图。为了获得足够大的信噪比和为了求出整个组织不均匀性的平均值，相当于一个圆环的照射图形8的光线入射到皮肤5上，所以入射部位1具有这个圆环的形状检测部位9对应这个圆环的中心，如图4所示。这个呈环形状的照射图导致整个散射函数的叠加，当这些散射函数象图3所示那样围绕一根通过其一半距离的轴旋转时，这些散射函数便产生这样的结果，即在中心提供相对大的光强。
图5表示可用来实施天然皮肤5的鉴别方法所用的装置，在所示实施例中，该装置在两个同心布置的圆的圆周上具有均匀布置的不同波长的光源10、11。其中，内圆对应光源10，这些光源产生的光线的散射函数S比较明显地下降，例如相当于短波可见光或红外光。
根据在图中未示出的另一个实施例，不同波长的光源10、11也可布置在一个唯一的圆上。在这种情况中，光源10、11的数目比例适应散射函数S，即例如用比长波多的可见光的短波光源10、11。
从光源10、11发出的、用箭头12表示的成束先线作用到一个透镜13上，该透镜使光源10、11在皮肤5上成像为照射环的图形3。在检测部位9发出的散射光7用一个小的测量用摄像机14进行测量，该摄像机位于透镜13的一个中心孔中。摄像机14由物镜25以及一个在测量光点图位置的检测器20组成。
图6实施例与图5实施例的区别在于照射方面的设计。在这个实施例中，光源10、11作为照射环15、16对准两个插在一起的管件的入射面上，在该入射面内，光线由于全反射而被传导另一侧即出射面上。管件例如用光学材料例如丙烯酸脂玻璃制成。出射面被轻微打毛，以便产生两个接近均匀照射的环形光源，它们在测试精度方面比由间隙隔开的环形段好。图7表示可把检测器20不设置在测量光点图的位置，而是设置在一个外壳17中的一个光导体19的端上，而该外壳是则位于管件的内部。这个外壳17同时还装有为完善该装置所需的其他部件，例如比较器、电源等。
该外壳不必一定布置在管件的内部。图8表示一个柔性光导体19的应用，该光导体可引到不同的、原则上任意位置的检测器20。图8还表示在光源10、11和透镜13之间的光路中的一个反射镜21的应用，以便由此达到该装置的紧凑的结构。在光路中的检测器20的前面布置了一个未画出的分光仪，以便在无需特殊选择宽带光源10、11的情况下，即可进行散射光强的与波长有关的测图。同样未画出用来把由光源10、11产生的光线引入的指纹传感器24的物方光路中的分光器，因此可在同一位置进行生命鉴别和人员识别的测量，亦即原则上也可用同一个检测器20即指纹传感器24的摄像机22，这种传感器可从DE 198 18 229 A1中得知，故在此不赘述。图9表示前述指纹传感器24的示意图，用该传感器可进行光学无接触的特别是指纹的探测。指纹通过光源10、11照射光并用摄像机22摄取。在这种情况下，分别在照明光路中和探测光路中设置一个极化滤光器23。这样就可测量表皮纹路或皮下纹路，视极化滤光器23。这样就可测定表皮纹路或皮下纹路，视极化滤光器23的取向而定，其中的细节仍可参考DE 198 18229 A1。在散射光测量时，只测量随变化的极化散射的光线，为此，极化滤光器23的极化方向调节选择不同的方向。然后，摄像机22的信号也进行有关天然皮肤5的散射性能的分析。
如果考虑皮肤上照射图8的一些不清晰是无妨碍的一事实，则可获得图9所示的、相当简单和节省空间的照明装置。
光源10通过具有一个中心圆形光阑27散焦投影到皮肤上。其中，该光阑大于测量用摄像机14。由于透镜13的有效的环形瞳孔，光源10的散焦的图像也呈环形。具有另一种波长的第二光源11位于第一光源10的前面或后面的光轴上，所以产生第二个同心的照射环，在该轴上可布置许多光源10、11，这些光源产生相应数目的环形图。光源10、11的位置由所选用的环的半径来决定。
虽然不清晰度和环宽随环半径R的增加而增加，但这在很大程度上是容许的，并可在设计装置时一起考虑到几何尺寸中。至于涉及光源10、11的距离，如果正的和负的散焦相互组合，则在设计上是有优点的。

Claims (38)

1.在人的生物统计识别中的天然皮肤(5)的鉴别方法，其中，一个用于产生散射光(7)的光源以可见光范围或邻近范围的光线照明皮肤表面(4)的对应于一个手指或手心的一个入射部位(1)，并且在一个检测部位(9)，在入射部位(1)经所述皮肤表面(4)入射皮肤(5)的、在皮肤中散射的并从所述皮肤表面(4)重新出射的光线作为散射光(7)通过一个检测器(20)进行检测，同时用一个指纹传感器进行光学的特征指纹探测，由所述检测器(20)探测出的信号被输入一个比较器并与所存储的数据进行比较，其特征为，利用多个具有不同波长的有限光谱范围的并用于产生散射光(7)的光源(10，11)来照射这个入射部位(1)。
2.按权利要求1所述的方法，其特征为，用一个光谱范围的光线来照射所述入射部位，在该光谱范围内，一种天然存在于皮肤内的天然物质对于该光谱范围内的光线的吸收和散射具有特征值。
3.按权利要求2所述的方法，其特征为，用600纳米和800纳米左右的光谱范围的光线来照射所述入射部位(1)。
4.按权利要求2所述的方法，其特征为，用1250纳米左右的光谱范围的光线来照射所述入射部位(1)。
5.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征为，所述散射光(7)在多个三维空间不同的检测部位上进行检测。
6.按权利要求5所述的方法，其特征为，所述检测部位(9)到所述入射部位(1)具有不同的距离。
7.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征为，光的强度随时间进行调节。
8.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征为，所述散射光(7)通过一个光导体(19)被输入所述检测器(20)中。
9.按权利要求6所述的方法，其特征为，检查被照射的样品的散射函数关于该样品的散射光(7)的强度同距入射部位的距离并且同所述光源(10，11)的入射光的波长的关系，是否与天然皮肤一致。
10.按权利要求7所述的方法，其特征为，检查被照射的样品的散射函数关于该样品的散射光(7)的强度同距入射部位的距离并且同所述光源(10，11)的入射光的波长的关系，是否与天然皮肤一致。
11.按权利要求8所述的方法，其特征为，检查被照射的样品的散射函数关于该样品的散射光(7)的强度同距入射部位的距离并且同所述光源(10，11)的入射光的波长的关系，是否与天然皮肤一致。
12.用于实施按权利要求1至11中任一项所述方法的装置，其特征为，该装置具有：多个有不同波长的光源(10、11)，用来照射同一个入射部位(1)的皮肤表面；一个检测器(20)，用于检测在检测部位(9)发射的散射光(7)；一个指纹传感器(24)和摄像机(22)，用于进行皮肤(5)的特征指纹的光学探测；一个起比较器作用的数据处理单元。
13.按权利要求12所述的装置，其特征为，这些光源(10、11)在皮肤(5)上产生一个与圆环近似的或完全一致的照明图形(8)，
14.按权利要求13所述的装置，其特征为，这些光源(10、11)对应于一个照明环(15，16)。
15.按权利要求13或14所述的装置，其特征为，所述检测部位(9)对应于所述圆环的中心。
16.按权利要求14所述的装置，其特征为，多个光源(10、11)布置在所述照明环(15、16)中，这些光源发射出不同波长的光线。
17.按权利要求13所述的装置，其特征为，所述照明图形(8)的直径与由所述光源(10、11)发射的波长以及所述皮肤(5)的与此相关的散射和吸收能力相互协调。
18.按权利要求14所述的装置，其特征为，至少设有两个相互同心布置的照明环(15、16)，它们发射不同波长的光线。
19.按权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征为，用发光二极管作为所述光源(10、11)。
20.按权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征为，用激光作为所述光源(10、11)。
21.按权利要求14所述的装置，其特征为，所述照明环(15、16)由一个用光学材料制成的全反射管件构成。
22.按权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征为，用一个透镜(13)使所述光源(10、11)成像在所述皮肤(5)上。
23.按权利要求22所述的装置，其特征为，所述透镜(13)的中心孔对应所述检测器(20)。
24.按权利要求21所述的装置，其特征为，用一个透镜(13)使所述光源(10、11)成像在所述皮肤(5)上。
25.按权利要求24所述的装置，其特征为，在所述光源(10、11)和用于使所述照明图形(8)成像在所述皮肤(5)上的所述透镜(13)之间的光路中设有一个反射镜(21)，该反射镜使所述光路这样偏转，使所述透镜(13)接近于该管件布置或布置在该管件的内部。
26.按权利要求13所述的装置，其特征为，所述照明图形(8)用一个投影机产生在所述入射部位(1)上。
27.按权利要求13所述的装置，其特征为，所述照明图形(8)用一个激光标准发生器来产生。
28.按权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征为，一个光导体(19)被用于将所述散射光(7)输入所述检测器(20)中。
29.按权利要求28所述的装置，其特征为，所述光导体(19)设计成柔性的并可引到布置在任意位置上的检测器(20)。
30.按权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征为，在光路中，在所述检测器(20)的前面布置有一个分光仪。
31.按权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征为，所述检测器(20)由光电二极管阵列组成。
32.按权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征为，所述检测器(20)由电荷耦合器件组成。
33.按权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征为，设有一个监控传感器来监控所述光源(10、11)的亮度。
34.按权利要求12所述的装置，其特征为，设有一个分光仪，用来把由所述光源(10、11)产生的光线和被测试的散射光集中到所述指纹传感器(24)的物方光路中。
35.按权利要求13所述的装置，其特征为，所述检测器(20)由所述指纹传感器(24)的摄像机(22)构成。
36.按权利要求35所述的装置，其特征为，所述摄像机(22)既用来摄取照明图形(8)，又用来摄取从检测部位(9)发射的散射光(7)。
37.按权利要求12至14中任一项所述的装置，其特征为，在照明光路和检测光路中分别布置一个极化滤光器(23)。
38.按权利要求22所述的装置，其特征为，所述透镜(13)对应一个中心的圆形光阑(27)，多个光源(10、11)按照不同的距离布置在光轴上。
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