Способ регистрации узора папиллярных линий и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области биометрической аутентификации личностей. Устройство содержит последовательно установленные и оптически связанные между собой источник излучения, оптически прозрачное основание, смоченное оптически прозрачной жидкостью и предназначенное для размещения на воспринимающей поверхности основания части тела с папиллярными линиями, и приемник излучения, электрически связанный с блоком обработки изображений. Угол падения излучения от источника излучения на воспринимающую поверхность выбирается в пределах от угла полного внутреннего отражения на межфазной границе воспринимающая поверхность - жидкость до угла полного внутреннего отражения на межфазной границе воспринимающая поверхность - кожа. На воспринимающей поверхности основания выполнено углубление, заполненное оптически прозрачной жидкостью. Причем линейные размеры углубления соответствуют линейным размерам части тела. Применение данного устройства позволяет получить качественные высококонтрастные изображения отпечатков ладоней или пальцев как для сухой, так и для мокрой кожи. 4 ил.
Настоящее изобретение относится к области биометрической аутентификации личности, а именно к способам и устройствам регистрации узора папиллярных линий, и может применяться для получения изображений папиллярных линий пальцев, ладоней и других частей тела в полицейских системах, а также в системах, ограничивающих доступ в какие-либо объекты (банк, компьютер, помещения и т.д.)
Известен способ отображения участков кожи, которые освещают через прозрачное основание при контакте исследуемого рельефа с поверхностью основания, описанный в ЕР 0785750 В1, МПК A61B 5/117, G06K 9/00, 30.07.1997 г. Для улучшения оптической связи между рельефом кожи и поверхностью основания в устройстве используют прозрачные нагревательные элементы, что обеспечивает более надежное отображение отпечатка.
Недостатком способа является то, что вследствие возможного слабого прижатия участка кожи могут быть получены слабоконтрастные или нечеткие изображения, а в случае сухой кожи способ и устройство не обеспечивают получения четкого и контрастного изображения. Факт слабой контрастности изображения отпечатка сухой кожи известен.
Известно устройство для регистрации папиллярного узора, описанное в патенте РФ №2190352, МПК A64B 5/117, опубл. в 2002 г., содержащее воспринимающую отпечатки пальцев или ладоней поверхность, оптически связанные между собой проекционную оптическую систему, источник света, отклоняющую оптическую систему и систему фотоприемных элементов, синхронно перемещаемые и размещенные под воспринимающей поверхностью, и блок обработки изображений, электрически связанный с фотоприемными элементами, при этом отклоняющая оптическая система погружена в иммерсионную жидкость, заполняющую кювету, лицевой стороной которой является воспринимающая поверхность, а проекционная оптическая система, источник света и фотоприемные элементы размещены под отклоняющей оптической системой и механически связаны с ней.
Недостаток данного устройства заключается в невозможности получения четких и ясных изображений для сухой кожи. Кроме того, это устройство не обеспечивает получение ясных изображений отпечатков пальцев или ладоней, если на воспринимающую поверхность попали капельки воды.
Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ сканирования рисунка кожных линий, при котором анализируемую часть тела помещают на выпуклое основание, прозрачное для сканирующего излучения, сканируют анализируемую часть тела от источника излучения через основание и регистрируют приемником отраженное излучение (патент US 5528355, МПК G06K 9/00, опубл. 18.07.1996 г.). Устройство для реализации способа содержит неподвижную опору, выпуклое основание, прозрачное для сканирующего излучения и предназначенное для размещения на нем анализируемой части тела, источник и приемник излучения. Данный способ и устройство выбраны в качестве прототипов.
На устройстве прототипа получают более качественные отпечатки благодаря использованию выпуклого основания. Однако, как и в других аналогичных устройствах, проблема сухой кожи с присущей ей слабой контрастностью изображения отпечатка остается. Кроме того, если на выпуклое основание случайно попадут капельки воды, то в отраженном излучении изображение папиллярных линий может сильно затемниться и потерять информативность. Это может затруднить аутентификацию личности.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является создание такого способа и соответствующего ему устройства, которые позволяют получить качественные высококонтрастные изображения отпечатков пальцев или ладоней как для сухой, так и для мокрой кожи.
Достигается это тем, что в способе регистрации узора папиллярных линий, заключающемся в помещении части тела с папиллярными линиями на воспринимающую поверхность основания, оптически прозрачного для излучения, освещении части тела потоком излучения от источника излучения через основание и регистрации приемником отраженного излучения, перед помещением части тела с папиллярными линиями на воспринимающую поверхность основания, воспринимающую поверхность смачивают оптически прозрачной жидкостью (например, дистиллированной водой).
Способ реализуется в устройстве для регистрации узора папиллярных линий. Устройство для регистрации узора папиллярных линий содержит последовательно установленные и оптически связанные между собой источник излучения, оптически прозрачное основание, предназначенное для размещения на воспринимающей поверхности основания части тела с папиллярными линиями, и приемник излучения, электрически связанный с блоком обработки изображений. Дополнительно на воспринимающей поверхности размещается оптически прозрачная жидкость в количестве, достаточном для смачивания области контакта части тела с воспринимающей поверхностью, а угол падения излучения на воспринимающую поверхность выбирается в пределах от угла полного внутреннего отражения на межфазной границе воспринимающая поверхность - жидкость до угла полного внутреннего отражения на межфазной границе воспринимающая поверхность - кожа. Здесь межфазную границу образует материал воспринимающей поверхности и жидкость или кожа.
Кроме того, на воспринимающей поверхности основания выполнено углубление, заполненное оптически прозрачной жидкостью, причем линейные размеры углубления соответствуют линейным размерам части тела.
Кроме того, на воспринимающей поверхности основания установлена открытая кювета, заполненная оптически прозрачной жидкостью, причем линейные размеры кюветы соответствуют линейным размерам части тела.
Кроме того, в устройстве дополнительно установлен генератор холодного пара, получаемого из оптически прозрачной жидкости, причем выход пара осуществляется в направлении к воспринимающей поверхности основания в области контакта части тела с воспринимающей поверхностью.
Кроме того, на воспринимающей поверхности основания располагается пористый или волокнистый гидрофильный оптически прозрачный материал, заполненный оптически прозрачной жидкостью, причем оптическая плотность материала равна или близка к оптической плотности жидкости.
Суть изобретения поясняется иллюстрациями на фиг.1 -4, где схематически приведены варианты устройства, осуществляющего заявляемый способ. Отметим, что для простоты и наглядности на всех приведенных схемах в качестве оптически прозрачного основания приведена призма, хотя это может быть и криволинейная поверхность (выпуклое основание) либо плоская пластина. Сути изобретения это не меняет. В качестве участка тела, для которого регистрируется узор папиллярных линий, на всех фигурах изображен палец, хотя это может быть, например, ладонь или стопа ноги.
Рассмотрим устройство на фиг.1. Устройство для регистрации узора папиллярных линий содержит последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник излучения 1, оптически прозрачное основание 2 (призму) с воспринимающей поверхностью 3 (одна из граней призмы) и приемник отраженного излучения 4, электрически соединенный кабелем 5 с блоком обработки изображений 6. На воспринимающей поверхности 3 основания 2 выполнено углубление 7, линейные размеры которого соответствуют линейным размерам части тела, например пальца 9, прикладываемого к воспринимающей поверхности 3. Углубление 7 заполнено оптически прозрачной жидкостью 8 в количестве, достаточном для смачивания области контакта части тела 9 с воспринимающей поверхностью 3 основания 2. В качестве оптически прозрачной жидкости 8 может быть выбрана дистиллированная вода. Излучение показано пунктирными стрелками.
Работает представленное на фиг.1 устройство следующим образом. Излучение от источника 1 входит в прозрачное основание 2 и достигает воспринимающей поверхности 3. При этом направление распространения излучения от источника 1 к воспринимающей поверхности 3 (излучение показано пунктирными стрелками) выбирается в пределах от угла полного внутреннего отражения на межфазной границе воспринимающая поверхность - жидкость до угла полного внутреннего отражения на межфазной границе воспринимающая поверхность - кожа. Поясним эффекты на межфазных границах. Если выбрать оптическое стекло типа БК-4, то угол больше 40,89° соответствует углу полного внутреннего отражения на межфазной границе стекло-воздух, угол больше 63.5° соответствует углу полного внутреннего отражения на межфазной границе стекло-вода, угол больше 68.1°-68.7° соответствует углу полного внутреннего отражения на межфазной границе стекло-кожа и зависит от жирности и влажности поверхности пальца. Следовательно угол, на который должно отклоняться излучение от нормали к воспринимающей поверхности, лежит в пределах 63.5°-68.1°. На самом деле из-за возможных примесей в жидкости этот диапазон примерно в два раза сокращается. Поэтому устройство требует тонкой настройки, даже если следить за чистотой жидкости. Там, где папиллярные линии касаются воспринимающей поверхности 3, излучение от источника 1 уходит в кожу и поглощается, а там, где имеются впадины между папиллярными линиями, заполненные жидкостью или воздухом, излучение от воспринимающей поверхности отражается. В результате в плоскости приемника 4 излучения формируется ясное и четкое светотеневое изображение узора папиллярных линий, которое преобразуется приемником 4 в электрические сигналы, передающиеся по кабелю 5 в блок обработки изображений 6. Получение контрастного изображения папиллярных линий достигается за счет хорошего оптического контакта мокрых папиллярных линий, подымающихся над поверхностью кожи пальца 9, с воспринимающей поверхностью 3 основания 2. Действительно на папиллярных линиях воздух при давящем контакте пальца 9 с воспринимающей поверхностью выдавливается водой, которая в свою очередь тоже вытесняется из-под папиллярных линий и замещается поверхностными слоями кожи, например жиром с потом, но поверхностные слои кожи уже жестко связаны с телом пальца и дальнейшего изменения межфазной границы не происходит. Даже для сухой кожи оптический контакт пальца с воспринимающей поверхностью улучшается за счет жидкости, которая выдавливает воздух с поверхности папиллярных линий и размягчает жиропотовую прослойку.
В другом варианте (фиг.2) устройство содержит последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник излучения 1, оптически прозрачное основание 2 (призму) с воспринимающей поверхностью 3 и приемник отраженного излучения 4, электрически соединенный кабелем 5 с блоком обработки 6 изображений. На воспринимающей поверхности 3 установлена открытая кювета 10, например, бортики на призме, заполненная оптически прозрачной жидкостью 11. Линейные размеры кюветы 10 соответствуют линейным размерам анализируемой части тела, а количество жидкости 11 достаточно для смачивания области контакта части тела с воспринимающей поверхностью 3 основания 2.
Работает представленное на фиг.2 устройство следующим образом. Излучение от источника 1 входит в основание 2 и достигает воспринимающей поверхности 3. При этом направление распространения излучения от источника 1 к воспринимающей поверхности 3 (показано стрелками) выбирается таким же, как и в устройстве на фиг.1. Здесь воспроизводятся те же известные оптические эффекты для межфазных границ. Преимущество воспринимающей поверхности здесь в том, что угол падения излучения проще настроить, поскольку воспринимающая поверхность плоская. В результате в плоскости приемника 4 формируется светотеневое изображение рисунка кожных линий пальца 9, которое преобразуется приемником в электрические сигналы, передающиеся по кабелю 5 в блок обработки 6 изображений. Получение ясного и четкого изображения узора папиллярных линий в данном устройстве достигается благодаря хорошему оптическому контакту мокрых папиллярных линий воспринимающей поверхностью 3.
В третьем варианте (фиг.3) устройство содержит последовательно установленные и оптически связанные между собой источник излучения 1 (излучение показано пунктирными стрелками), оптически прозрачное основание 2 (призму) с воспринимающей поверхностью 3 (грань призмы) и приемник 4 отраженного излучения, электрически соединенный кабелем 5 с блоком обработки 6 изображений. Дополнительно устройство содержит генератор 13 холодного пара, получаемого из оптически прозрачной жидкости. Генератор 13 формирует струю пара 12 в направлении к воспринимающей поверхности основания в области контакта части тела с воспринимающей поверхностью, например в касательном направлении над воспринимающей поверхностью 3 основания 2 или под небольшим углом к воспринимающей поверхности. В качестве генератора холодного пара может быть использован ультразвуковой генератор, позволяющий производить мелкодисперсный пар, температура которого равна температуре жидкости, из которой производят пар.
Работает представленное на фиг.3 устройство следующим образом. Излучение от источника 1 входит в основание 2 и достигает воспринимающей поверхности 3. При этом направление распространения излучения от источника 1 к воспринимающей поверхности 3 (показано стрелками) выбирается таким же, как и в устройстве на фиг.1. Здесь воспроизводятся те же оптические эффекты для межфазных границ. Перед прикладыванием анализируемой части тела, например пальца 9, к воспринимающей поверхности 3 задействуют генератор 13 холодного пара, который подает холодный пар 12 в направлении к воспринимающей поверхности основания в области контакта пальца 9 с воспринимающей поверхностью 3. В результате пар конденсируется на воспринимающей поверхности 3 (поверхность 3 запотевает, т.е. увлажняется). После увлажнения к поверхности 3 прикладывается палец 9, который, пройдя через паровую завесу также увлажняется. В результате в плоскости приемника 4 формируется светотеневое изображение узора папиллярных линий пальца 9, которое преобразуется приемником 4 в электрические сигналы, передающиеся по кабелю 5 в блок обработки 6 изображений. Получение ясного и четкого изображения узора папиллярных линий здесь достигается благодаря увлажнению оптически прозрачной жидкостью области контакта пальца 9 с воспринимающей поверхностью 3, что обеспечивает хороший оптический контакт мокрых папиллярных линий с воспринимающей поверхностью 3. Преимущество данного варианта устройства в том, что непрерывно конденсирующийся пар очищает жидкость от возможных кожных примесей.
В четвертом варианте (фиг.4) устройство содержит последовательно установленные и оптически связанные между собой источник излучения 1, оптически прозрачное основание 2 (призму) с воспринимающей поверхностью 3 (грань призмы) и приемник 4 отраженного излучения, электрически соединенный кабелем 5 с блоком обработки 6 изображений. На воспринимающей поверхности 3 основания 2 установлен гидрофильный, пористый или волокнистый, оптически прозрачный материал 14, заполненный оптически прозрачной жидкостью. Оптическая плотность материала равна или достаточно близка к оптической плотности жидкости. Материал 14 выполнен в виде пластины толщиной от долей миллиметра до миллиметра. Материал 14 может быть мягким или упругим и может быть выполнен с применением нанотехнологий (волокнистое полугибкое стекло, оптически прозрачные силиконовые резины с капиллярами, пористый полиэтилен...). Поскольку материал 14 смачивается, на его поверхности образуется пленка жидкости, в том числе и в области контакта пальца 9 с материалом 14. Или жидкость на материал 14 может периодически наливаться. Или жидкость на материал 14, если материал мягок, может поступать по капиллярам из емкости с оптически прозрачной жидкостью (не показано) как топливо на фитиль в керосиновой лампе освещения.
Работает представленное на фиг.4 устройство следующим образом. Излучение от источника 1 входит в основание 2 и достигает поверхности призмы 3. За счет того, что оптически прозрачная жидкость пропитывает весь материал 14, в том числе располагается между основанием 2 и материалом 14, излучение проходит внутрь оптически прозрачного материала 14. Поскольку оптические плотности материала 14 и оптически прозрачной жидкости выбраны равными или достаточно близкими, излучение проходит через объем материала 14 и достигает поверхности материала 14, контактирующей с пальцем 9. Направление распространения излучения от источника 1 к поверхности материала 14 (показано стрелками) выбирается таким же, как и в устройстве на фиг.1. Поэтому здесь воспроизводятся те же оптические эффекты для межфазных границ, что и в устройстве на фиг.1. В результате в плоскости приемника 4 формируется светотеневое изображение узора папиллярных линий пальца 9, которое преобразуется приемником 4 в электрические сигналы, передающиеся по кабелю 5 в блок обработки 6 изображений. Получение ясного изображения в данном устройстве достигается благодаря хорошему оптическому контакту пальца с мокрой (влажной) поверхностью материала 14. В случае применения упругого материала 14 положительным эффектом является большая площадь охвата поверхности пальца за счет упругой деформации материала 14. Для удаления воздуха палец о материал 14 можно потереть.
Заявляемый способ регистрации узора папиллярных линий реализуется в устройстве следующим образом.
Освещают излучением от источника 1 воспринимающую поверхность основания через основание (призму). Смачивают оптически прозрачной жидкостью воспринимающую поверхность, например, в области контакта с папиллярными линиями анализируемой части тела. После смачивания (разливания) помещают часть тела с папиллярными линиями (палец 9) на мокрую (увлажненную) воспринимающую поверхность 3 оптически прозрачного основания 2 (либо на материал 14 на фиг.4). Там, где папиллярные линии касаются воспринимающей поверхности 3, излучение от источника 1 уходит в кожу и поглощается, а там, где имеются впадины между папиллярными линиями, заполненные жидкостью или воздухом, излучение от воспринимающей поверхности отражается и выходит из основания 2. В результате в плоскости приемника 4 излучения формируется светотеневое изображение узора папиллярных линий, которое регистрируется приемником 4 и по кабелю 5 передается в блок обработки изображений 6. Последовательность действий способа завершена.
Отметим преимущества изобретения. В отличие от аналогов, способ и устройство обеспечивают получение контрастного и ясного изображения как для сухих, так и для мокрых пальцев (после мытья рук при дактилоскопировании в милиции). Не надо наносить химическое вещество на палец, обеспечивающее другую оптическую плотность поверхности папиллярных линий. Эти эффекты недостижимы в прототипе и существенно повышают качество изображений отпечатков пальцев и ладоней.
Заявителем проведены исследования и создан опытный образец устройства с мокрой поверхностью, на котором подтвердились описанные межфазные эффекты.
Учитывая новизну, наличие существенных отличительных признаков и промышленную применимость, заявитель считает, что техническое решение может быть защищено патентом на изобретение.
Устройство для регистрации папиллярных линий, содержащее последовательно установленные и оптически связанные между собой источник излучения, оптически прозрачное основание, смоченное оптически прозрачной жидкостью и предназначенное для размещения на воспринимающей поверхности основания части тела с папиллярными линиями, и приемник излучения, электрически связанный с блоком обработки изображений, при этом угол падения излучения от источника излучения на воспринимающую поверхность выбирается в пределах от угла полного внутреннего отражения на межфазной границе: воспринимающая поверхность - жидкость до угла полного внутреннего отражения на межфазной границе воспринимающая поверхность - кожа, отличающееся тем, что на воспринимающей поверхности основания выполнено углубление, заполненное оптически прозрачной жидкостью, причем линейные размеры углубления соответствуют линейным размерам части тела.
