DE19818229A1 - System zur berührungslosen Hand- und Fingerlinien-Erkennung - Google Patents
System zur berührungslosen Hand- und Fingerlinien-ErkennungInfo
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Abstract
Das Verfahren zur Abbildung von Hand- und/oder Fingerlinien mit einer Kamera arbeitet ohne Hautkontakt mit der Aufnahmevorrichtung. Durch Verwendung linear oder zirkular polarisierten Lichts im Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang wird eine getrennte Darstellung des Ober- und Unterhautmusters ermöglicht. Dadurch erhält man einerseits eine kontrastreiche Aufnahme des Hautreliefs, andererseits kann die Information der tiefer liegenden, bereits durchbluteten Hautschichten gewonnen werden. Ein Algorithmus durchsucht die Hautmuster der Handfläche nach Linienelementen verschiedener Stärke und Richtung (Vektoren). Die berechnete numerische Kennung enthält Gesamthäufigkeiten von Vektoren sowie Amplituden und Phasen harmonischer Komponenten von Projektionen der Vektorbilder beider Muster. Das Verfahren ermöglicht Personenkontrolle aus der Distanz, vollständigen Schutz der Meßeinrichtung und verbesserte Sicherheit vor Betrug.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Abbildung von
Hand- und Fingerlinien ohne Hautkontakt für die Personenidentifizierung sowie einen Er
kennungsalgorithmus.
Die Papillarleistenmuster der Finger, die seit langem in Form des Fingerabdrucks auf Ge
genständen oder auf Papier in der Kriminologie benutzt oder von Analphabeten als Unter
schrift verwendet wurden, haben in letzter Zeit Bedeutung erlangt als Berechtigungs-Kon
trollcode für den Zugang zu Wertschränken, Tresorräumen, Computern und anderen gesi
cherten Objekten.
Das Hinterlegen eines permanenten Farb- oder Fettabdrucks wäre hierbei jedoch unprakti
kabel, da eine unmittelbare schnelle Computerauswertung erfolgen muß sowie die häufige
Benutzung jeweils des gleichen Applikators vorausgesetzt wird. Es wurden daher zunächst
Verfahren entwickelt, die das Bild des Abdrucks auf einer Glasfläche durch optische Abbil
dung unter Ausnutzung von Verhinderter Totalreflexion oder von Verhinderter Teilreflexion
an brechender Grenzfläche kurzzeitig sichtbar machen.
Handlinienmuster sind ebenfalls zur Identifikation von Personen geeignet. Das Verfahren
des Abdrucks auf eine Glasfläche ist hier ebenfalls durchführbar, hat sich jedoch nicht
durchgesetzt, schon weil die Apparaturen wesentlich größer und aufwendiger sein müßten.
Daher sind auch die Auswertealgorithmen hierfür noch nicht weit entwickelt worden.
Wenn eine u. U. große Anzahl von Personen unbeobachtet und anonym ein Zugangskon
trollsystem benutzt, das nach einem Hautlinienabdruck-Verfahren arbeitet, wirkt es sich
nachteilig aus, daß
- 1. Verschmutzung auf der Meß- bzw. Andruckfläche entsteht, die vom Auswertealgorith mus nicht mehr toleriert wird. Die Verschmutzung könnte zwar relativ einfach durch Abwischen, notfalls mit Pflegemitteln, beseitigt werden. Nachteilig ist aber dann, daß Kooperation und Sorgfalt bei den beteiligten Personen vorliegen muß, was nicht immer vorausgesetzt werden kann, oder der Betreiber eine entsprechende Pflege oder Wartung des Systems durchführt, was personalaufwendig sowie kostenintensiv.
- 2. die Kontaktfläche des Sensors ein Teil des Meßstrahlengangs ist, der immer frei zugäng lich sein muß, so daß bei Vandalismus oder Sabotage wesentliche Systemkomponenten beschädigt werden können.
- 3. über die Andruckfläche des Applikators indirekt ein Kontakt mit vielen Personen zustan dekommt, der vom hygienischen Standpunkt aus vermieden werden sollte. Das gilt insbe sondere für Bereiche in Krankenhäusern sowie für medizinische und biologische Sicher heitsbereiche.
- 4. über die Andruckfläche des Applikators chemische oder radioaktive Kontamination übertragen werden kann.
- 5. Hautkontaktverfahren aus psychologischen Gründen weniger akzeptiert werden als an dere Verfahren, z. B. wegen der Assoziation einer "Verbrecherdatei", Angst vor Anstec kung oder Abneigung gegen Hautkontakt, letztere z. B. auch ethnisch bedingt.
- 6. Die Mehrzahl bekannter optischer Abdruckverfahren bildet die äußerste Oberfläche der Haut als Störung der Reflexion an einer Glasfläche ab. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß tiefer liegende Hautinhomogenitäten und Durchblutungsmuster, die ebenfalls indivi duelle Information enthalten, so nicht zugänglich sind. Dadurch ist die Erkennungs schärfe dieser Verfahren eingeschränkt.
- 7. Viele bekannte Hautmustererkennungsverfahren zielen darauf ab, die echte Hautoberflä che (das Relief) zu ermitteln. Nachteilig ist hierbei, daß Reliefs durch plastische Ab druckverfahren leicht reproduziert werden können und dadurch Möglichkeiten des Be trugs bestehen.
- 8. Bei allen Hautkontaktverfahren verbleibt auf der Oberfläche der Apparatur ein kaum sichtbarer Abdruck, der klassische Finger- oder Handlinienabdruck. Nachteilig ist hier bei, daß dieser Abdruck mit Mitteln der Spurensicherung sichtbar gemacht und miß bräuchlich benutzt werden kann, und daß er bei hohen Sicherheitsansprüchen z. B. durch Wegwischen beseitigt werden müßte.
- 9. Zu nennen ist natürlich auch die herkömmliche einfache Methode, Hautlinien mit einer Kamera ohne Objektkontakt abzubilden. Da die Haut bei herkömmlicher Beleuchtung immer etwas durchscheinend ist und das Licht in einem gewissen Volumen diffus streut und da gleichzeitig die oberste Schicht der Papillarleisten mehr oder weniger glänzend re flektiert, sieht die Kamera, so wie das menschliche Auge, normalerweise eine nicht defi nierte Überlagerung von Ober- und Unterhautbild.
Es ist im Prinzip möglich, mittels gerichteter Schrägbeleuchtung den Kontrast der Papil
larlinien und Hautfurchen zu erhöhen, um das Oberhautbild hervorzuheben. Nachteilig
wirkt sich hierbei aus, daß die Methode nicht im ganzen Gesichtsfeld einheitlich wirkt,
sondern von der Richtung des Linienmusters relativ zur Beleuchtung abhängt
(Schatteneffekte) sowie von der Welligkeit der Objektoberfläche (Glanzeffekte). Eine
Schrägbeleuchtung von allen Seiten oder eine diffuse Beleuchtung gleicht zwar die Wel
ligkeit optisch aus, verschlechtert aber den Kontrast der Stege, da der Anteil der diffusen
Reflexion ansteigt.
Eine relativ starke Glanz- und Kontrastwirkung erzielt man bei schräger Beleuchtung
und schräger Aufnahmerichtung (entsprechend dem Reflexionsgesetz), besonders bei
großen Einfalls- bzw. Aufnahmewinkeln. Nachteilig wirkt sie hierbei aus, daß bei schräg
gestelltem Objekt eine Entzerrung, z. B. nach Scheimpflug, notwendig ist, die apparativ
aufwendig ist, und der Umstand, daß die Welligkeit der Haut stark stört
(Bildverzerrungen).
Die beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren werden erfindungsgemäß dadurch gemin
dert oder beseitigt, daß das Verfahren berührungslos arbeitet.
Die Arbeitsweise kann hierbei durch Verwendung polarisierten Lichts verbessert werden.
Einerseits wird hierdurch (a) durch bevorzugte Abbildung der glänzenden Strukturen der
Kontrast der Papillarleisten wesentlich vergrößert. Die Papillarleisten können andererseits
aber auch (b) durch Ausfilterung der glänzenden Strukturen unsichtbar gemacht werden, so
daß das Muster der Unterhaut sichtbar wird. Insbesondere wird durch Verwendung polari
sierten Lichts im Beleuchtungs- und im Abbildungsstrahlengang eine definierte Selektion
von Oberhaut- und Unterhautmuster möglich. Es ist eine hervorgehobene Darstellung der
glänzenden Oberhaut allein, eine hervorgehobene Darstellung der diffus reflektierenden
Unterhaut allein oder eine Darstellung beider Hautmuster in Kombination, z. B. kurz nach
einander, möglich. Das Unterhautmuster ist überwiegend durch die tieferliegenden Struktu
ren, insbesondere die der angrenzenden, bereits durchbluteten Schichten der Haut gegeben.
Im Falle linear polarisierten Lichts kommt das Oberhautmuster bei im Beleuchtungs- und
Abbildungsstrahlengang parallel eingestellten und das Unterhautmuster bei senkrecht einge
stellten Polarisationseinrichtungen zur Abbildung.
Im Fall zirkular polarisierten Lichts kommt das Oberhautmuster bei in Beleuchtungs- und
Abbildungsstrahlengang ungleichsinnig eingestellter Polarisationsdrehung und das Unter
hautmuster bei gleichsinnig eingestellter Polarisationsdrehung zur Abbildung, wobei die
Richtung der Drehung (Rechts- oder Linksdrehend) hier als Drehrichtung des E-Vektors in
Fortpflanzungsrichtung des Lichts blickend definiert ist.
Im einzelnen stellen sich die Vorteile wie folgt dar:
- 1. Das Sensorsystem ist, da es nicht berührt wird, vor Verschmutzung durch die Benutzer geschützt, was eine häufige Pflege und Kontrolle überflüssig macht.
- 2. Das System kann vollständig hinter einer Schutzwand z. B. aus Panzerglas untergebracht werden, so daß es vor Vandalismus oder Sabotage geschützt ist.
- 3. Die Vorrichtungen können so ausgeführt werden, daß zur Sicherstellung der Hygiene indirekte Kontakte mit anderen Personen ausgeschlossen sind.
- 4. Die Vorrichtungen können so ausgeführt werden, daß keine chemischen oder radioakti ven Kontaminationen übertragen werden.
- 5. Psychologische Gründe wie die Assoziation an eine "Verbrecherdatei", die Angst vor Ansteckung oder die Angst vor Hautkontakt entfallen, da die Vorrichtung berührungslos arbeitet.
- 6. Im Gegensatz zu einer Anzahl von optischen Kontaktverfahren werden bei der vorliegen den Erfindung Unterhautstrukturen mit zusätzlichem Informationsgehalt zugänglich ge macht.
- 7. Die Sicherheit vor Betrug wird verbessert, da Unterhautstrukturen - so wie bei einem Wasserzeichen - nicht so leicht kopiert oder gefälscht werden können und weil insbeson dere die Kombination der beiden unterschiedlichen Kontrastarten mißbräuchlich nicht so leicht gelingen dürfte.
- 8. Es entsteht kein Finger- oder Hautlinienabdruck auf der Apparatur, der mißbräuchlich z. B. zur Herstellung eines Hautduplikats, etwa aus Gummi, verwendet werden könnte.
- 9. Im Gegensatz zur herkömmlichen Abbildung mit einer Kamera können bei der vorlie genden Erfindung Ober- und Unterhautbild separiert und getrennt ausgewertet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt im Gesichtsfeld einheitliche Wirkung und Un
abhängigkeit von der Richtung der Linien und der Welligkeit der Oberfläche. Eine
Schrägstellung des Objekts zur Nutzung der Glanzwinkelbedingung und die damit ver
bundene Entzerrung ist nicht notwendig.
Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen beschrieben.
Von den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 die Seitenansicht einer ersten Vorrichtung zur berührungslosen Fingerli
nien-Erkennung,
Fig. 2 und 3 den Beleuchtungsstrahlengang der Vorrichtung von Fig. l in Drauf- bzw.
Vorderansicht,
Fig. 4 bis 6 Ausführungsbeispiele eines Sensorsystems zur Erkennung von Hautlinien
der Ober- und Unterhaut und
Fig. 7 eine Positionsschablone für eine Hand.
In den Fig. 1 bis 3 ist als Beispiel eine Vorrichtung für die Fingerlinienabbildung be
schrieben, die als Tischmodell ausgeführt ist. Sie ist für die Oberhautabbildung fest einge
stellt. Der Finger 1 wird auf die Stütze 2 aufgelegt, so daß er sich in der Gegenstandsebene 3
bzw. deren Schärfebereich befindet und über ein Störlichtfilter 4, die Trägerplatte 5 (z. B.
Acrylglas), das Umlenkprisma 6 und das Polarisationsfilter 7 mit der Kamera 10 aufge
nommen werden kann, die das Objektiv 8 und einen Bildempfänger (z. B. ein CCD-Chip) in
der Bildebene 9 enthält und weiterhin hier nicht dargestellte Komponenten für die Bildver
arbeitung enthalten kann. Die Teile 4, 5, 6 und 7 sind aus konstruktiven Gründen miteinan
der optisch verkittet, wobei die Halteplatte 5 mit dem Gehäusetopf 11 fest verbunden ist.
Die Abdeckplatte 12, die gewisse Kräfte aufnehmen und ableiten muß, die an der Stütze 2
angreifen, ist ebenfalls am Rand mit dem Gehäusetopf 11 verbunden (und nicht etwa mit der
Halteplatte 5). Der Gehäusetopf 11 weist eine Bohrung 13 für den Lichtaustritt auf. Gehäu
setopf 11 und Kamera 10 sind über die Grundplatte 14 fest verbunden.
Fig. 2 und 3 zeigen den Beleuchtungsstrahlengang. Die Lichtquellen 15, die in zwei Dreier
gruppen seitlich von Prisma 6 angebracht sind (in der Schnittebene von Fig. 1 nicht sicht
bar), sind z. B. als Leuchtdioden mit Fokussierlinsen ausgebildet und mit ihrer Richtkeule
auf das Objekt 1 ausgerichtet. Dabei sind jeweils Streuscheiben 16 mit Vorwärtscharakteri
stik und Polarisationsfilter 17 zwischengeschaltet. Für den Austritt des Lichts aus dem Ge
häusetopf 11 sind zwei Schlitze 18 in der Abdeckplatte 12 sowie entsprechende Schlitze in
der Trägerplatte 5 vorgesehen. Anstelle von einzelnen Polarisationsfiltern 17 können auch 2
durchgehende Polarisationsfolien verwendet werden, die jeweils 3 Lichtquellen abdecken.
Zur Justierung des Sensors für die separate Abbildung des Oberhautmusters müssen im Fall
der Verwendung von linear polarisiertem Licht alle Polfilter 17 und das Polfilter 7 im Ab
bildungsstrahlengang in die gleiche Richtung eingestellt werden. Man erzielt die beste Wir
kung für die Selektion der Oberhaut, wenn die gemeinsame Polarisationsrichtung (E-Vek
tor) parallel zur Zeichenebene der Fig. 1 und 2, bzw. senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 3
liegt. Die zuletzt genannte Ebene ist die Reflexionsebene, in der die Haut bei schräger Be
leuchtung und Einhalten der Reflexionsbedingung (etwa Brewster-Winkel) polarisierende
Wirkung zeigt. Bei annähernd senkrechter Beleuchtung ist die gemeinsame Polarisations
richtung beliebig. Im Fall der Verwendung von zirkular polarisiertem Licht müssen die Fil
ter 17 und 7 bezüglich der Drehposition nicht justiert werden.
In Fig. 4 bis 6 sind Ausführungsbeispiele für ein Sensorsystem zur Erkennung von Hautli
nien der Ober- und Unterhaut beschrieben. Diese Vorrichtungen können vorteilhafterweise
als Wandeinbaueinheit ausgebildet sein. Das System ist in einem Gehäuse 25 untergebracht,
das auf einer Seite ein Panzerglasfenster 20 aufweist. Erfindungsgemäß kann das Gehäuse
mit dem Sensorsystem auch vor eine vorhandene, größere Panzerglaswand montiert werden.
Polarisations- und Störlichtfilter sind in Fig. 4 als Kamerafilter 7 und 4 vor dem Objektiv 8
angeordnet. Die Kamera 10 ist auf die Objektebene 3 gerichtet, die sich im Außenraum etwa
4 cm vor der Glasplatte 20 befindet. Die Beleuchtung besteht aus 4 Lampen 15, von denen 2
gezeichnet sind, die als Richtstrahler, z. B. kleine Halogenscheinwerfer ausgebildet, und die
auf die Objektebene 3 ausgerichtet sind. Vorgeschaltet sind jeweils eine Streuscheibe 16, die
je nach Lampentyp eventuell auch entbehrlich ist und ein Polarisationsfilter 17.
Die Einstellung der Polarisationsfilter erfolgt im Falle der Verwendung linear polarisiertem
Lichts so, daß das in der Zeichenebene dargestellte Lampenpaar senkrecht zur Zeichenebene
polarisiert ist. Wenn das Kamerafilter 7 ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene eingestellt ist,
wird mit dieser Anordnung das Oberhautbild gewonnen (wie im vorhergehenden Beispiel
Fig. 1).
Zur Darstellung des Unterhautbildes kann das Kamerafilter 7 mit einem elektrischen An
trieb, der zwei Rastpunkte vorsieht, um 90 Grad gedreht werden. Robuster ist jedoch eine
Anordnung, die auf mechanische Bewegungen verzichtet. Dazu ist bei feststehendem Filter
7 ein zusätzliches Lampenpaar gleicher Ausführung notwendig, das einschließlich der ju
stierten Filter, gegenüber dem in Fig. 4 dargestellten in der optischen Achse um 90 Grad
verdreht ist. Die beiden Lampenpaare werden zur Aufnahme von Ober- und Unterhautbild
kurz nacheinander ein- und ausgeschaltet.
Bei Verwendung von zirkular polarisiertem Licht kann genauso verfahren werden, jedoch
ist hier eine Filterjustierung nicht notwendig und die Polarisationsdrehung von Filter 7, 17
und gedrehter Anordnung 17 muß entsprechend der vorhergehenden Erläuterung beachtet
werden.
Der Benutzer hat die Aufgabe, seine Hand mit der Innenfläche nach vorn in den Schärfebe
reich 3 hineinzuführen, ohne die Scheibe zu berühren. Als Positionierhilfe dient dabei eine
in Fig. 7 dargestellte Schablone 27, die sich auf der Glasscheibe befindet. Auf der Schablone
sind, z. B. in vereinfachter oder stilisierter Form, die Umrisse einer Hand mit gespreizten
Fingern dargestellt. Das Handlinienmuster sollte immer bei gespreizten Fingern aufgenom
men werden, weil dann weniger Bildverzerrungen durch den Faltenwurf der Haut auftreten.
Der Benutzer soll durch das Bild dazu animiert werden, ebenfalls die Finger zu spreizen, da
erfahrungsgemäß entsprechende Hinweise in einer Gebrauchsanweisung nicht immer befolgt
werden.
Der Strahlengang kann durch einen Spiegel oder ein Prisma geknickt werden, um eine kom
paktere Einheit zu erhalten (nicht dargestellt).
Fig. 5 ist eine Variante des vorhergehenden Ausführungsbeispiels, wobei sich die Objek
tebene 3 in einigem Abstand von der Wand befindet. Die Entfernung kann auch etliche Me
ter betragen. Diese Ausführung ist für den Fall interessant, daß Zugang und Kontrolle nicht
am gleichen Ort stattfinden, das Sensorsystem sich mit im geschützten Bereich befindet
(hinter der Panzerglasscheibe) und eine Sichtverbindung dazu besteht. Die Beleuchtungs
elemente 15, 16, 17 befinden sich hierbei nahe bei der Kamera 10 und das Volumen des Ge
häuses 25 wird dadurch relativ klein. In diesem Fall ist die Positionierungshilfe als Rahmen
22 ausgebildet, der innen die vereinfachten oder stilisierten Umrisse einer Hand mit ge
spreizten Fingern aufweist, der an einer Wandhalterung, oder bei größerem Abstand auf
einer frei stehenden Säule oder an anderer Stelle montiert ist. Der Benutzer hat die Aufgabe,
seine Hand in den Rahmen hineinzuführen und mit dem Muster zur Deckung zu bringen.
Die Abmessungen des Rahmeninneren sind so gewählt, daß eine Berührung ohne Schwie
rigkeit vermieden werden kann.
In Fig. 6 ist eine weitere Variante dargestellt, bei der die Positionierplatte 23 in Schrägstel
lung an der Wand befestigt ist. Hierdurch wird eine bequemere Handhaltung ermöglicht
sowie ein kompakter Aufbau durch den an dem Spiegel 24 geknickten Strahlengang. Der
schräge Strahlendurchtritt durch die Panzerglasplatte 20 verursacht eine gewisse Bildverzer
rung, die nicht gravierend ist und nachträglich korrigiert werden kann. Eine weitere, hier
nicht dargestellte Variante sieht vor, daß das Gehäuse mit Kamera und Beleuchtung in z. B.
nicht erreichbarer Höhe, etwa an der Decke, montiert und mit dem Sichtfenster nach unten
gerichtet ist und daß als Positionierhilfe ein Rahmen in der Art des Rahmens 22 oder 23
verwendet wird, der jedoch waagerecht montiert ist und in den die Hand mit der Innenfläche
nach oben hineingeführt wird. Ein derartiger Rahmen kann ganz oder teilweise aus
Kunststoff bestehen, wobei in diesem bedarfsweise auch eine Antenne integriert sein kann.
Eine weitere Positionierhilfe für die zuletzt genannte Anordnung ist ein von oben in die
Objektebene der Kamera projiziertes Luftbild. Erfindungsgemäß ist dieses Luftbild ein
Doppelbild, das von 2 Projektoren, die nebeneinander angeordnet sind, so erzeugt wird, daß
beide Teilbilder nur in der Objektebene der Kamera genau zur Deckung kommen und bei
richtiger Position der Hand auf dieser deckungsgleich erscheinen.
Als Hilfe beim Positionieren der Hand kommen auch holographisch hergestellte Luftbilder
z. B. von Marken, Handkonturlinien oder Händen in Frage. Die Hologrammplatte wird dabei
vorzugsweise innen vor der Panzerglasscheibe angebracht. Für den Kameradurchblick kann
ein kleines Loch im Hologramm dienen.
Bei den zuletzt genannten Ausführungsanordnungen, bei denen Luftbilder als Positionier
hilfe verwendet werden, kann auch ein versehentliches Berühren von irgendwelchen Teilen
der Anlage ausgeschlossen werden.
Um zu verhindern, daß Umgebungslicht, insbesondere Tageslicht, die Messung stört und
einfache Maßnahmen wie Beseitigung der Störquellen, Abdecken mit einer Abschirmung
etc. nicht ausreichen, kann die Vorrichtung wie folgt gegen Störlicht unempfindlicher ge
macht werden:
- 1. Die Abdeckplatte 12 und die Fingerstütze 2 im ersten Ausführungsbeispiel sollten dunkel, am besten schwarz, ausgebildet sein, und die Oberfläche sollte aufgerauht sein, damit wenig Fremdlicht reflektiert wird.
- 2. Es sollte schmalbandiges Licht, z. B. mit Hilfe von schmalbandigen Filtern oder durch Einsatz von farbigen Leuchtdioden oder Lasern auf der Beleuchtungsseite und entspre chende Filter mit schmalbandigem Durchgang auf der Abbildungsseite verwendet wer den.
- 3. Impulsartige Beleuchtung wie Blitzlicht, gepulste Leuchtdioden (LEDs) oder gepulste Laserdioden sind zu kombinieren mit einer angepaßten kurzen Shutterzeit der Aufnah mekamera.
Schließlich sei noch erwähnt, daß in der Abdeckplatte 12, der Fingerstütze 2, der Schablone
21 sowie den Rahmen 22 und 23 der Platz für die Antenne eines berührungslosen
(elektromagnetischen) Ausweislesers (proximity reader) zur Verfügung steht, so daß eine
Kombination mit dieser Ausweislesemethode möglich ist.
Der Vergleich zweier Handlinienmuster mit dem Ziel, über die Identität zu entscheiden, ist
im Idealfall formal eine Korrelation der vollständigen Muster. Der Korrelationskoeffizient
ist bei Übereinstimmung - eine gute Reproduktionsqualität sei vorausgesetzt - dann prak
tisch 100%.
Wenn das Bild der zu identifizierenden Person auf diese Weise mit einer großen Anzahl von
gespeicherten Komplettbildern verglichen werden muß, wäre jedoch der Bildverarbeitungs
aufwand, insbesondere die Rechenzeit, zu groß. Günstiger ist die Speicherung und der Ver
gleich von charakteristischen Kenndaten, die die für eine Entscheidung notwendigen Merk
male enthalten. Notwendig ist also eine Bilddaten-Kompression und Kodierung. Sie sollte
den gewünschten Bedingungen, insbesondere der Entscheidungsschärfe, in einfacher Weise
angepaßt werden können. Die hier gewählte Strategie der Bildverarbeitung ist in dem Dia
gramm dargestellt und wird im folgenden erläutert. Dabei wird im Text durch Unterstrei
chung auf die verschiedenen Blöcke des Diagramms Bezug genommen.
Abgesehen von einer eventuellen Unterdrückung sehr hoher und relativ niedriger Raumfre
quenzen durch eine Filterung (hier nicht dargestellt) ist der erste Bearbeitungsschritt eine
Segmentierung des Oberhaut- und Unterhautbildes. Dies ist eine Unterteilung in Unterein
heiten, z. B. in Kästchen, die so erfolgt, daß die Zahl der Bildsegmente gegenüber der Pixel
anzahl des Ausgangsbildes im Sinne der Datenkompression möglichst stark reduziert wird,
die Detailauflösung im Segmentbild für die hier vorliegende Aufgabe jedoch noch ausreicht.
Bei der folgenden Linienanalyse werden die Segmentinhalte nach Linienelementen ver
schiedener Stärke s und Richtung r, mit etwa 2 bis 3 Werten für s und bis zu maximal etwa
8 Werten für r, untersucht. Mehrere gleichartige Vektoren (parallele Linienelemente glei
cher Stärke) in einem Segment werden addiert. Jedes Segment kann also durch eine Anzahl
verschiedener Vektorarten beschrieben werden. Betrachtet man jeweils nur eine Vektorart,
d. h. eine Kombination von r und s, so resultieren Vektorbilder für die verschiedenen Vek
torarten. Es kann im Rahmen der Optimierung des Algorithmus von Vorteil sein, Bilder
verschiedener Vektorarten additiv zusammen zu fassen, z. B. um zu kleine Zahlenwerte zu
vermeiden.
Die weitere Datenkompression erfolgt durch Projektion der Vektorbilder, d. h. Addition der
Pixelwerte in verschiedenen Richtungen. Dies entspricht der Aufnahme einer Schnittebene
nach dem Verfahren der Computertomographie, wobei das Objekt in diesem Fall ein bereits
digitalisiertes Bildfeld mit ganzzahligen Pixelwerten kleiner als etwa 5 ist und der Wert Null
relativ häufig vorkommt.
Mit einer hinreichend großen Anzahl von Projektionen gelingt es bekanntlich, mittels des
CT-Algorithmus die Schicht eines Objekts zu rekonstruieren, da die Gesamtheit der Projek
tionen die vollständige Objektinformation enthält.
Die Bildrekonstruktion (Back Projection) wird hier nicht durchgeführt. Es wird jedoch die
Information der Projektionsfunktionen benutzt, um das Handlinienbild zu kennzeichnen.
Die Anzahl der Projektionen richtet sich nach der gewünschten Genauigkeit der Bildkenn
zeichnung. Es ist ein Vorteil des Verfahrens, daß die notwendige und hinreichende Genau
igkeit durch eine einfache Vorschrift, nämlich die Wahl der Anzahl der Projektionen, einge
stellt werden kann. Im Vergleich zur bekannten Computertomographie werden hierbei nur
wenige Projektionen benötigt.
Aus den Projektionsfunktionen ergeben sich zunächst auf einfache Weise die Gesamthäu
figkeiten für jede Vektorart. Die Gesamthäufigkeiten oder deren Verhältnisse eignen sich
bereits für eine grobe Kennzeichnung des Linienmusters.
Der nächste Schritt ist die Ermittlung der Hauptprojektionsrichtung. Hierzu betrachten wir
das Summenbild aus allen Vektorbildern mit der größten Linienstärke s, ohne Berücksichti
gung der Richtung r, und die Projektionen dieses Summenbildes. Das Projektionspaar mit
Richtungen bei ungefähr plus oder minus 45 Grad zur Längsachse der Hand ist hierbei ein
bevorzugtes Paar, da die drei am stärksten ausgeprägten Hauptlinien, die Daumenfurche, die
Fünffingerfurche und die Dreifingerfurche, in einer der beiden Projektionen - das ist davon
abhängig, ob es sich um die rechte oder die linke Hand handelt - als Maxima mit großer
Amplitude auftreten. Das gut identifizierbare Maximum z. B. der Fünffingerfurche kann zur
Definition eines objektbezogenen Skalennullpunkts verwendet werden. Bei den anderen
Projektionen kann, wenn ein sehr deutliches Maximum erkennbar ist, dieses ebenfalls zur
Festlegung des Skalennullpunktes dienen. Anderenfalls wird der Nullpunkt willkürlich, z. B.
am linken Bildrand, festgelegt.
Die Hauptprojektionsrichtung wird anhand der Ausprägung der Maxima im Bereich um plus
oder minus 45 Grad vom Programm gesucht. Sie dient dann auch als Referenzrichtung für
die anderen Richtungen. Auf diese Weise wird auch eine gewisse Rotationsinvarianz des
Meßverfahrens hergestellt.
Zur weiteren Datenkompression werden die Projektionsfunktionen einer Harmonischen
Analyse unterzogen, wobei für die Darstellung der Harmonischen Komponenten die kürze
ste Form, die Amplitude und gegebenenfalls die Phase gewählt wird. Die Kennzeichnung
aller Projektionen in der Hauptrichtung kann durch Amplituden und Phasenwerte erfolgen.
Bei den anderen Projektionen haben Phasenangaben nur in manchen Fällen einen Objektbe
zug und sind im allgemeinen für die Kennzeichnung nicht direkt geeignet.
Es soll noch eine Möglichkeit erwähnt werden, wie man die nicht objektbezogene Phasenin
formation für die Musteridentifizierung verwerten kann: Man kann die Projektionsfunktio
nen aus in der Kennung abgelegten Amplituden und Phasen rekonstruieren und einen Ver
gleich der Kurvenformen mittels Korrelation durchführen. Diese Möglichkeit ist im Dia
gramm nicht dargestellt.
Die Numerische Kennung aus Ober- und Unterhautbild enthält Verhältnisse von Gesamt
häufigkeiten von Vektorarten, Sätze von Amplituden der Harmonischen Komponenten der
Projektionen sowie Phasen zu den Amplituden der Hauptprojektionen. Wieviele Projektio
nen bzw. Amplituden-/Phasensätze erstellt werden, muß empirisch ermittelt werden. Diese
Art der Kennzeichnung von Handlinienmustern ist bezüglich der Hand translationsinvariant.
Die Merkmale können in der Numerischen Kennung in einer Art Rangordnung aufgestellt
werden, die mit Globalaussagen beginnt und bei hochaufgelösten Mustern, d. h. bei Ampli
tuden und Phasen der Harmonischen Komponenten für die hohen Raumfrequenzen endet.
Der Vorgang des Merkmalvergleichs beginnt bei den Gesamthäufigkeiten und wird bei
Nichtübereinstimmung abgebrochen. Die Qualität der Übereinstimmung von Handlinienbil
dern ist um so größer, je weiter man in der Rangordnung kommt, ohne eine Negativmeldung
zu erhalten.
Die Analyse des Unterhautbildes, das nicht so stark (jedoch in anderer Weise) strukturiert ist
wie das Oberhautbild, erfolgt in der gleichen Art, wobei die Skalennullpunkte für die
Hauptprojektionen von den zugehörigen Oberhautbildern übernommen werden. Die Anzahl
der Strichstärken s kann bei der Unterhaut geringer sein.
Ist eine Kennung berechnet worden, wird sie bei der erstmaligen Registrierung einer Person
in die Datenbank aufgenommen. Soll ein Vergleich von Handlinienmustern durchgeführt
werden, werden die Merkmale der zu prüfenden Kennung min den in der Datenbank gespei
cherten Kennungen der Rangordnung folgend verglichen, so daß, wie in dem Diagramm
unten dargestellt ist, eine positive oder negative Entscheidung getroffen werden kann.
Im Gegensatz zu den Algorithmen der Fingerabdruckerkennung, die die Anzahl oder An
ordnung von Minutien - das sind Besonderheiten im Papillarleistenmuster - ermittelt, wer
den bei der hier vorgeschlagenen Handlinienerkennung (sinusförmige) Verteilungsmuster
von "normalen" Linienelementen erfaßt. Der Informationsgehalt liegt dabei weniger in den
drei genannten Hauptlinien, die individuell nicht sehr stark variieren, sondern mehr im Netz
der etwas dünneren Nebenlinien.
Claims (36)
1. Verfahren zur Personenidentifizierung anhand von deren Hand- und/oder Fingerlinien,
dadurch gekennzeichnet, daß diese optisch berührungslos erfaßt werden, und mittels
digitaler Bildverarbeitung eine numerische Kennung errechnet wird, die den Vergleich
mit gleichartigen abgelegten Daten erlaubt.
2. Verfahren zur Personenidentifizierung anhand von deren Hand- und/oder Fingerlinien
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ober- und/oder Unterhautmuster der
selben erfaßt und ausgewertet werden.
3. Verfahren zur Personenidentifizierung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur selektiven Darstellung der Muster der oberen und/oder unteren Haut
schicht polarisiertes Licht des sichtbaren oder nahen Infrarotbereichs im Beleuchtungs- und
Abbildungsstrahlengang verwendet wird.
4. Verfahren zur Personenidentifizierung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß sowohl mit linear als auch zirkular polarisiertem Licht zur selektiven Dar
stellung von Unter- und Oberhaut gearbeitet wird.
5. Verfahren zur Personenidentifizierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Selektion des Oberhautmusters bei in Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang un
gleichsinnig eingestellter Polarisationsdrehung und die des Unterhautmusters bei gleich
sinnig eingestellter Polarisationsdrehung erfolgt, wobei die Richtung der Drehung
(Rechts- oder Linksdrehend) hier als Drehrichtung des E-Vektors in Fortpflanzungsrich
tung des Lichts blickend definiert ist.
6. Verfahren zur Personenidentifizierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Selektion des Oberhautmusters bei im Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang
parallel eingestellten und die des Unterhautmusters bei senkrecht eingestellten Polarisati
onsrichtungen erfolgt.
7. Verfahren zur Personenidentifizierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
beide Muster koordinatengleich mit einer Kamera kurz hintereinander aufgenommen
werden.
8. Verfahren zu Personenidentifizierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
jedes Muster mit jeweils einer Kamera aufgenommen wird.
9. Verfahren zur Personenidentifizierung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß der hierzu geeignete Informationsgehalt beider, koordi
natengleich zur Verfügung stehender Hautmuster kombiniert wird.
10. Verfahren zur Personenidentifizierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Hand- und/oder Fingerlinien aus größe
rer Distanz erfolgt.
11. Verfahren zur Personenidentifizierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung von Fingerlinien mittels eines Erkennung
salgorithmus die relative Lage der Minutien ermittelt und in Richtung einer Identifizie
rung ausgewertet wird. (z. B. Henry Code).
12. Verfahren zur Personenidentifizierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung der Fingerlinie des Oberhautmusters mit
tels eines Erkennungsalgorithmus die Häufigkeit orthogonaler Merkmale ermittelt und in
Richtung einer Identifizierung ausgewertet wird.
13. Verfahren zur Personenidentifizierung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung von Handlinien das Ausgangsbild in Seg
mente eingeteilt wird und in den Segmenten Linienabschnitte verschiedener Stärke und
Richtung ermittelt werden.
14. Verfahren zur Personenidentifizierung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß im Segmentbild die Linienabschnitte (Vektoren) nach Art einer computertomogra
phischen Schnittbildaufnahme als Pixelwerte in verschiedenen Richtungen zu Häufig
keitsverteilungen aufsummiert werden (Projektionen).
15. Verfahren zur Personenidentifizierung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Projektionen durch die Amplituden und gegebenenfalls auch die Phasen der
Komponenten ihrer Harmonischen Approximation (z. B. nach Hartley) gekennzeichnet
und die Amplituden mit oder ohne Phasenangabe zur numerischen Musterkennzeichnung
herangezogen werden.
16. Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 15, gekennzeichnet durch eine Kamera (10) mit Bildempfänger (9), deren Objektiv
(8) auf die Gegenstandsebene (3) scharfgestellt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildempfänger (9)
ein CCD-Chip ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Licht
quelle (15) zur Beleuchtung des Gegenstandes (1) vorgesehen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (15) ein
Diodenlaser ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (15) eine
Lampe mit glühenden Metallflächen unter schrägem Beobachtungswinkel ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer
Lichtquelle (15) ein Polarisationsfilter (17) zugeordnet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei
Lichtquellen (15) ein unterschiedlich (linear oder zirkular) ausgebildetes Polarisations
filter (17) zugeordnet ist.
23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet,
daß im Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang um 90° gekreuzte lineare Polarisati
onsfilter (17 bzw. 7) angeordnet sind.
24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-22, dadurch gekennzeichnet,
daß im Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang zirkular polarisierende Filter (17; 7)
vorgesehen sind, die entsprechend ihrer Eigenschaft geeignet sind, Ober- oder Unterhaut
bild darzustellen.
25. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Lichtquellen (15) in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung
der ihnen zugeordneten Polarisationsfilter (17) ein- und ausgeschaltet werden können.
26. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei gleich polarisierten Lichtquellen (15) zwei Polarisationsfilter mit
senkrecht aufeinander stehenden Richtungen im Abbildungsstrahlengang vorgesehen
sind, die einzeln wahlweise in diesen verbracht werden können.
27. Vorrichtung nach Anspruch 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (10),
die Beleuchtungseinrichtung (15, 16, 17) sowie gegebenenfalls weitere optische Zusatzein
richtungen, wie z. B. Umlenkprisma, Entfernungsmesser, Hologrammbeleuchtung in ei
nem mechanisch geschlossenen Gehäuse (11, 12) untergebracht und optisch nur über eine
Glasscheibe (20), z. B. aus Panzerglas zugänglich ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifizierungsvor
richtung als Wandeinbaueinheit ausgebildet ist.
29. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß Hand und/oder Finger mittels einer Schablone (21), eines Rahmens
(22; 23) im Gesichtsfeld und im Schärfebereich der Kamera (10) positioniert werden kön
nen.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kontur der
Schablone (21) des Rahmens (22; 23) die angedeutet Form des Umrisses einer Hand mit
gespreizten Fingern nach Art der Positionierungsschablone (27) aufweist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 29 und/oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen
(22; 23) in Form eines holographisch erzeugten Luftbildes gegeben ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (22; 23)
teilweise oder ganz aus Metall besteht und hochfrequenzmäßig so ausgeführt und ange
paßt ist, daß er die Antennenfunktion eines berührungslos arbeitenden Ausweislesers
(proximity reader) besitzt.
33. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeich
net, daß dem Rahmen (22; 23) ein auf eine feste Distanz eingestellter optischer Entfer
nungsmesser zugeordnet ist, mit dem die Bildaufnahme gesteuert werden kann.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungsmesser
optisch nach dem Prinzip der Triangulation arbeitet.
35. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Einschalten der Vorrichtung in den Bereitschaftszustand und/oder
das Auslösen des Meßvorgangs durch die Herstellung einer kapazitiven Verbindung mit
dem Boden, auf dem sich der Benutzer befindet, über dessen Körper erfolgt bzw. durch
kapazitive Verstimmung des als HF-Antenne arbeitenden Positionierungsrahmens oder
einer im Rahmen integrierten Antenne erfolgt, wenn die Hand im Positionierrahmen in
die richtige Stellung kommt ist.
36. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß in der Fingerstütze (2) oder der Abdeckplatte (12) die Antenne eines
berührungslos arbeitenden Ausweislesers integriert ist.
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