Устройство для регистрации папиллярного узора

Изобретение относится к области формирования оптического изображения с использованием вычислительной техники и может быть использовано в системах биометрической идентификации личности. Устройство содержит последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник света, призму и фотоприемник, соединенный с блоком обработки. Призма выполнена в виде сильно вытянутого тела, длина которого равна ширине анализируемой части тела, а вблизи призмы установлен датчик линейных перемещений анализируемой части тела относительно воспринимающей грани призмы, электрически связанный с блоком обработки. Использование устройства позволяет получать гарантированно высокое качество изображения при существенном упрощении, удешевлении и уменьшении веса конструкции устройства для регистрации папиллярного узора. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Заявляемое устройство относится к области оптического формирования изображений, в частности к устройствам для получения дактилоскопических карт, используемых как в гражданских, так и в полицейских системах биометрической идентификации личности.

Известны аналоги предлагаемого изобретения, например, устройство для фоторегистрации папиллярных узоров, описанное в а.с. СССР №261737, МПК A61B 5/117, опубликовано 13.01.1970 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. Недостатком аналога является то, что он позволяет получить папиллярные узоры отдельно взятых пальцев руки и не позволяет получить папиллярные узоры ладони.

Известно также устройство для регистрации папиллярного узора, описанное в патенте РФ №2190352, МПК A61B 5/117, опубл. 2002 г., содержащее воспринимающую поверхность, оптически связанные между собой проекционную систему, источник света, отклоняющую систему и систему фотоприемных элементов, выполненные с возможностью синхронного перемещения и размещенные под воспринимающей поверхностью, и блок обработки изображений, соединенный с системой фотоприемных элементов. При этом отклоняющая система погружена в иммерсионную жидкость, заполняющую кювету, лицевой стороной которой является воспринимающая поверхность, а проекционная система, источник света и система фотоприемных элементов размещены под отклоняющей системой и механически связаны с ней. Недостатком аналога является наличие иммерсионной жидкости и движущихся внутри нее узлов, что требует герметичности устройства и существенно затрудняет его изготовление.

В качестве прототипа выбрано устройство для сканирования рисунка кожных линий для реализации способа, описанного в патенте РФ №2168206, МПК G06K9/00, A61B 5/117, опубликовано 27.05.2001 г., содержащее установленное на неподвижной опоре выпуклое оптически прозрачное для сканирующего излучения основание, предназначенное для размещения на нем анализируемой части тела со сканируемым рисунком кожных линий, и неподвижно установленные с соответствующих сторон области контакта основания с анализируемой частью тела источник и приемник излучения, при этом выпуклое основание выполнено в виде цилиндра с возможностью вращения вокруг оси, фиксированной относительно неподвижной опоры, для поворота на угол, обеспечивающий полное перемещение помещенной на него анализируемой части тела относительно потока сканирующего излучения.

Прототип позволяет получить изображение папиллярных узоров ладони, однако ему присущ следующий недостаток. Выпуклое основание представляет собой цилиндр, изготовленный с высокой точностью из высококачественного оптического материала. Так как сканирующее излучение вводится и выводится через торцы цилиндра, то требования к наличию полного внутреннего отражения от боковой поверхности цилиндра при отсутствии контакта с кожей приводят к тому, что диаметр цилиндра должен быть около 2/3 его длины для типичных параметров оптических материалов. Для полной прокатки ладони необходим цилиндр длиной не менее 120 миллиметров и соответственно диаметром 80 миллиметров. Оптические детали такого размера и качества имеют высокую стоимость. Кроме того, ввод и вывод излучения в цилиндр через поверхность торцов происходит под значительными углами к нормали к этой поверхности, что приводит к сильным аберрациям, для компенсации которых приходится применять дорогостоящие сферические и асферические оптические элементы, которые сложны в изготовлении и имеют высокую стоимость. Кроме того, выпуклое основание имеет значительную массу (около 2 кг) и соответственно высокий момент инерции, что в сочетании с низким трением приводит к высокой вероятности проскальзывания сканируемой ладони относительно поверхности выпуклого основания. Проскальзывания могут быть двух типов. Линейные, выражающиеся в запаздывании или опережении движения сканируемой ладони относительно вращающегося основания, которые приводят к смазыванию изображения. Угловые, выражающиеся в повороте ладони в ее плоскости при сканировании за счет непроизвольной и неравномерной реакции мышц руки, которые приводят к искривлению изображения. Проскальзывания искажают изображение, ухудшают его качество и, в конечном итоге, затрудняют аутентификацию личности.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является получение с помощью устройства гарантированно высокого качества изображений папиллярных узоров и снижению сложности и стоимости изготовления устройства.

Достигается это тем, что в устройстве для регистрации папиллярного узора, содержащем последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник света, призму с входной, воспринимающей и выходной гранями и систему фотоприемных элементов, электрически связанную с блоком обработки, дополнительно:

- воспринимающую грань призмы выполняют в виде прямоугольника с отношением длинной стороны к короткой в пределах от 100:1 до 5:1, длина которой по меньшей мере равна ширине анализируемой части тела (далее по тексту - ладони);

- вблизи воспринимающей грани призмы устанавливают датчик линейных перемещений анализируемой части тела относительно этой грани, электрически связанный с блоком обработки сигнала.

Кроме того, входная и выходная грани призмы примыкают к длинным сторонам воспринимающей грани.

Кроме того, входная грань призмы примыкает к длинной стороне воспринимающей грани, а выходная грань расположена напротив воспринимающей грани.

Кроме того, выходная грань призмы примыкает к длинной стороне воспринимающей грани, а входная грань расположена напротив воспринимающей грани.

Кроме того, входная и выходная грани призмы примыкают к коротким сторонам воспринимающей грани.

Кроме того, входная грань призмы примыкает к короткой стороне воспринимающей грани, а выходная грань расположена напротив воспринимающей грани.

Кроме того, выходная грань призмы примыкает к короткой стороне воспринимающей грани, а входная грань расположена напротив воспринимающей грани.

Кроме того, датчик линейных перемещений выполнен в виде цилиндрического вала, имеющего возможность вращения вокруг своей оси и размещенного вблизи воспринимающей грани призмы параллельно ее продольной оси, причем вал кинематически связан с датчиком вращения, а линия касания поверхности вала с поверхностью анализируемой части тела расположена вблизи плоскости воспринимающей грани призмы.

Кроме того, датчик линейных перемещений выполнен в виде двух цилиндрических валов, выполненных с возможностью синхронного вращения вокруг своих осей под воздействием приложенного хотя бы к одному из них усилия и размещенных по разные стороны от воспринимающей грани призмы параллельно ее продольной оси, причем валы кинематически связаны друг с другом и с датчиком вращения, а линии касания их поверхностей с поверхностью анализируемой части тела расположены вблизи плоскости воспринимающей грани призмы.

Кроме того, датчик линейных перемещений выполнен в виде бесконтактного электрооптического устройства.

Кроме того, вал датчика линейных перемещений приводится во вращение усилием перемещения анализируемой части тела.

Кроме того, вал датчика линейных перемещений приводится в движение электромотором.

Кроме того, датчик линейных перемещений снабжен устройством, допускающим движение только в заданном направлении.

Кроме того, цилиндрическая поверхность вала датчика линейных перемещений выполнена из материала с высоким коэффициентом трения.

Суть изобретения поясняется на фиг.1, на которой схематично изображено заявляемое устройство, представленное в перспективе. Это основной вид устройства. Устройство содержит линейный источник света 1, неподвижную опору (не показана), на которой установлено оптически прозрачное основание 2, выполненное в виде протяженной призмы, представляющей собой вариант призмы с полным внутренним отражением. Воспринимающая грань призмы выполнена в виде вытянутого прямоугольника. Поперечное сечение протяженной призмы выполнено в виде трапеции. На виде А показана входная грань А, воспринимающая грань В и выходная грань С призмы 2. К грани В призмы 2 прикладывается ладонь 6. Со стороны грани С призмы 2 расположена проекционная оптическая система 3 (в простейшем случае - положительная линза), которая создает на системе фотоприемных элементов 4 изображение осевой зоны 5 воспринимающей грани В призмы 2. Система фотоприемных элементов 4 связана электрически, например, кабелем 9 с блоком обработки 10. В качестве блока обработки 10, как правило, используется ЭВМ с соответствующим программным обеспечением. Длина призмы 2 выбирается равной по меньшей мере ширине среднестатистической ладони взрослого человека. Вблизи призмы 2 устанавливается датчик 7 линейных перемещений ладони 6. Как показано на виде А, датчик 7, выполненный в виде цилиндрического вала с возможностью вращения вокруг своей оси, параллельной продольной оси призмы 2, установлен вблизи выходной грани С. При этом линия касания поверхности вала 7 с поверхностью ладони расположена вблизи плоскости воспринимающей грани В призмы 2. Вал 7 кинематически связан, например, шкивом с датчиком вращения (на фиг.1 не показан). Под термином «вблизи» авторы понимают расстояние, соизмеримое с характерными размерами поперечного сечения призмы. Датчик линейных перемещений ладони может быть выполнен в виде бесконтактного электрооптического устройства 11, связанного кабелем 9 с блоком обработки 10 и установленного напротив грани В призмы 2 (под воспринимающей гранью, как показано на виде А).

Кроме этого, датчик линейных перемещений может быть выполнен в виде двух цилиндрических валов, размещенных симметрично по разные стороны воспринимающей грани В призмы 2 (второй вал, размещенный со стороны входной грани А симметрично валу 7 на виде А не показан) и параллельно продольной оси призмы и кинематически связанных друг с другом и с датчиком вращения, например, с помощью зубчатой или ременной передачи и шкивом, расположенным на вале датчика вращения (угла поворота). При этом цилиндры выполнены с возможностью синхронного вращения вокруг своих осей под воздействием приложенного хотя бы к одному из них усилия, а линии касания поверхностей обоих валов с поверхностью ладони расположены вблизи плоскости воспринимающей грани В призмы 2 (например, ниже на 2-6 мм). Электронная часть датчика линейных перемещений может быть смонтирована как внутри полости цилиндрического вала, так и в датчике вращения (вал датчика линейных перемещений будет представлять в этом случае обычную «болванку», кинематически связанную с датчиком вращения). Величина перемещения ладони с помощью датчика вращения определяется с помощью простой зависимости вида Δx=k·ΔφΔx, где Δx - величина перемещения ладони, мм; Δφ - угол поворота оси датчика вращения в угловых градусах; k - некоторый коэффициент, характерный для выбранного типа датчика. С выхода датчика линейных перемещений получают электрический сигнал, передаваемый по кабелю 9 в блок обработки 10. Эта информация используется для «сшивания» фрагментов изображений ладони в единое полное изображение. Датчики перемещений (угловых, линейных и т.д.) широко известны из уровня техники (см., например, термин «перемещения датчик» в источнике: Новый политехнический словарь. Гл.редактор А.Ю. Ишлинский. М., Научное изд-во «Большая Российская энциклопедия», 2000, стр.369).

Вал датчика 7 линейных перемещений может приводиться во вращательное движение усилием перемещения ладони. В другом варианте исполнения устройства вал датчика линейных перемещений может приводится во вращательное движение посредством электромотора (не показан). Датчик 7 линейных перемещений может быть снабжен устройством, например храповиком (не показан), допускающим его вращательное движение только в заданном направлении, например по часовой стрелке. Цилиндрическая поверхность вала датчика линейных перемещений может быть выполнена из материала с высоким коэффициентом трения, например из резины с микровыступами, что позволяет обеспечить надежное слежение за скоростью движения ладони.

Работает устройство следующим образом. Свет от линейного источника 1 входит в призму 2 через входную грань А, претерпевает полное внутреннее отражение на воспринимающей грани В и выходит из призмы 2 через выходную грань С. Вышедший из грани С свет проходит через проекционную оптическую систему 3, которая создает на системе фотоприемных элементов 4 изображение осевой зоны 5 (ссылкой 5 обозначена узкая полоска света от источника 1 на воспринимающей грани призмы 2) грани В. При прижатии ладони 6 к воспринимающей грани В в местах контакта гребней папиллярных линий с гранью призмы происходит частичное поглощение излучения кожей. В местах же впадин между папиллярными линиями полное внутреннее отражение сохраняется, что приводит к пространственной модуляции потока излучения от источника 1 и образует на системе фотоприемных элементов 4 светотеневую картину, представляющую собой изображение папиллярных линий узкой полоски ладони 6, представляющей собой форму прямоугольника с характерными размерами Δx и y, где Δx - размер прямоугольника в поперечном направлении призмы (в направлении перемещения ладони), соизмеримый с шириной полоски света 5 (ширина полоски света <<1 мм), y - длина длинной стороны призмы 2. При полном перемещении ладони 6 относительно воспринимающей поверхности призмы 2 и полоски света 5 посредством системы фотоприемных элементов 4 получают набор фрагментов (или строк) изображений папиллярных узоров ладони (их количество может измеряться несколькими десятками тысяч), из которых в блоке обработки 10 необходимо получить единое (полное) изображение папиллярных узоров ладони. Для этого с датчика линейных перемещений (7 или 11, см. вид А), определяющего величину перемещения и направление ладони 6 относительно воспринимающей поверхности призмы 2 и полоски света 5, получают информацию (в виде электрических сигналов) по значениям ΔXi (i=1, 2, … N, где N - число фрагментов изображений, ΔXi=Xi-Xi+1, где Xi, Xi+1 - абсциссы начала и конца i-того фрагмента изображения) и в блоке обработки 10 производят «сшивание» (составление) полного изображения папиллярного узора ладони из множества фрагментов изображений. Для этого существуют специальные подпрограммы, разработанные для ЭВМ. Одна из таких подпрограмм входит отдельным блоком в автоматизированную дактилоскопическую идентификационную систему (АДИС) Сонда 8 (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006611656, г.Москва, Роспатент, 2006 г.), которая используется правоохранительными органами. В качестве датчика перемещения может быть выбран цилиндр или два цилиндра, кинематически связанные между собой и датчиком вращения, бесконтактный электрооптический датчик, которые описаны выше. Вращение датчика перемещения, выполненного в виде цилиндрического вала (либо двух валов), может задаваться усилием перемещаемой относительно воспринимающей грани призмы 2 ладони 6 или электромотором. В этом случае скорость перемещения ладони 6 задается вращающимся валом. Направление перемещения ладони 6 может быть задано устройством, допускающим вращательное движение вала только в заданном направлении.

В устройстве может быть применена и другая схема освещения, не меняющая сути предлагаемого изобретения (фиг.1). Например, свет может входить в призму через грань D, освещая сквозь воспринимающую грань В ладонь 6. Рассеянный поверхностью ладони 6 свет частично возвращается в призму. При этом свет, рассеянный в точках контакта гребней папиллярных линий, распространяется в призме 2 под углами к нормали к воспринимающей грани В, превышающими предельный угол полного внутреннего отражения. Рассеянный свет покидает призму 2 через грань С, попадая в проекционную систему. При этом также происходит модуляция попадающего на фотоприемник света, и образуется изображение узкой полоски папиллярных линий.

В любом из этих вариантов схемы освещения ход лучей в призме 2 может быть изменен на обратный. При этом меняется назначение входной и выходной граней призмы 2 и сохраняется назначение воспринимающей грани.

Этот же принцип реализуется и при ином варианте исполнения призмы 2. Этот вариант, показанный на фиг 2, характеризуется тем, что грани А и С призмы 2 примыкают не к длинным, а к коротким ребрам грани В призмы (вид Б). Этот вариант исполнения, увеличивая объем и массу призмы 2, позволяет разместить валики датчика линейных перемещений 7 вплотную к длинным сторонам воспринимающей грани В призмы 2. Один из вариантов хода лучей и расположения оптических элементов показан на виде Б. Свет входит через грань А, претерпевает полное внутреннее отражение на грани В и выходит через грань С. В точках контакта папиллярных линий с воспринимающей гранью призмы свет частично поглощается. Также возможны варианты с обратным ходом лучей, при которых входной гранью для света является грань D, а выходной - грань С или А.

Отметим преимущества предлагаемого устройства.

На фиг.1 прерывистой линией 8 изображено сечение цилиндра, который необходим для реализации способа, описанного в патенте РФ №2168206. Можно видеть, что объем детали (призмы), содержащей воспринимающую грань, уменьшается по сравнению с цилиндром прототипа примерно в 10-100 раз. В принципе, сечение призмы может быть еще более уменьшено и определяется, в основном, из соображений механической прочности.

Заявителем изготовлен макетный образец предлагаемого устройства, с помощью которого получены высококачественные изображения папиллярного узора ладони («смазы» и пустоты на изображении отсутствуют). При этом в устройстве используются более простые и малогабаритные узлы и детали, в результате чего существенно упрощается конструкция устройства, снижается его стоимость, уменьшаются вес и габариты.

Учитывая наличие новизны, отличительных признаков, неочевидность из уровня техники и промышленную применимость, заявитель считает, что предлагаемое устройство может быть защищено патентом на изобретение.

1. Устройство для регистрации папиллярного узора, содержащее последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник света, призму с входной, воспринимающей и выходной гранями и систему фотоприемных элементов, электрически связанную с блоком обработки, отличающееся тем, что воспринимающая грань призмы выполнена в виде прямоугольника с отношением длинной стороны к короткой в пределах от 100:1 до 5:1, а вблизи призмы установлен датчик линейных перемещений анализируемой части тела относительно этой грани, электрически связанный с блоком обработки сигнала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входная и выходная грани призмы примыкают к длинным сторонам воспринимающей грани.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входная грань призмы примыкает к длинной стороне воспринимающей грани, а выходная грань расположена напротив воспринимающей грани.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходная грань призмы примыкает к длинной стороне воспринимающей грани, а входная грань расположена напротив воспринимающей грани.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входная и выходная грани призмы примыкают к коротким сторонам воспринимающей грани.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входная грань призмы примыкает к короткой стороне воспринимающей грани, а выходная грань расположена напротив воспринимающей грани.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходная грань призмы примыкает к короткой стороне воспринимающей грани, а входная грань расположена напротив воспринимающей грани.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик линейных перемещений выполнен в виде бесконтактного электрооптического устройства.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик линейных перемещений выполнен в виде цилиндрического вала, имеющего возможность вращения вокруг своей оси и размещенного вблизи воспринимающей грани призмы параллельно ее продольной оси, причем вал кинематически связан с датчиком вращения, а линия касания поверхности вала с поверхностью анализируемой части тела расположена вблизи плоскости воспринимающей грани призмы.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик линейных перемещений выполнен в виде двух цилиндрических валов, выполненных с возможностью синхронного вращения вокруг своих осей под воздействием приложенного хотя бы к одному из них усилия и размещенных по разные стороны от воспринимающей грани призмы параллельно ее продольной оси, причем валы кинематически связаны друг с другом и с датчиком вращения, а линии касания поверхностей обоих валов с поверхностью анализируемой части тела расположены вблизи плоскости воспринимающей грани призмы.

11. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что вал датчика линейных перемещений приводится во вращение усилием перемещения анализируемой части тела.

12. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что вал датчика линейных перемещений приводится во вращение электромотором.

13. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что датчик линейных перемещений снабжен устройством, допускающим его вращение только в заданном направлении.

14. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что цилиндрическая поверхность вала датчика линейных перемещений выполнена из материала с высоким коэффициентом трения.