专利名称：具有usb接口的扫描成像活体掌纹采集仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种活体掌纹采集仪，尤其涉及一种具有USB接口的扫描成像活体掌纹采集仪，可广泛应用于计算机掌纹识别领域。
背景技术：
目前常用的指纹成像技术一般采用CCD面阵元件或CMOS面阵元件。CCD面阵元件的成像质量好，但与CMOS面阵元件相比，集成度较低，耗电量较大。CMOS面阵元件则比CCD面阵元件集成度高，耗电低，但成像质量稍差。由于指纹采集设备的采集窗口面积比较小，在标准分辨率的要求下，对面阵元件的总像素数要求不高，因此这两者都广泛用于计算机指纹识别领域。但是对于掌纹采集设备，由于要求的采集窗口面积相对比较大，按照国标所要求的分辨率为每英寸500dpi，若采用CCD/CMOS面阵元件，则对CCD/CMOS面阵元件的总像素数的要求非常高，满足这一要求的元器件极为稀少又极为昂贵。一般用于数码相机中的CCD面阵元件，其标称像素数虽然较高，但这是全部彩色像素数的总和，其单色像素数仍不够高(指纹或掌纹的采集需要用单色像素)，且长宽比也与掌纹采集窗口长宽比不同，不适合应用；另一方面，一旦国际标准推行每英寸1000dpi的分辨率要求(美国FBI已在使用)，则在相对较长的时期内将没有能满足要求的CCD面阵元件使用，这也意味着一旦新国标启用，将无法继续沿用原有的技术方案开发新产品，使后续产品出现断档。国外由于经济支持能力较强，可以采用与指纹采集相仿的技术方案，即采用极昂贵的高像素数的CCD面阵元件，可以实现对掌纹的采集，其缺点是价格过于高昂，普通用户难以接受。
传统的扫描成像技术现在已经十分成熟，广泛应用在通用的扫描仪中，其基本原理如图1所示，一幅图像可以认为是由若干条平行线所组成，其中的一条线9通过光学镜头10，成像在CCD线阵元件11上，当光学镜头10和CCD线阵元件11按照图中所示的扫描方向运动时，即可逐行获得所有的线，然后通过一些通用的数字电路进行处理，即可获得整幅图像。但是众所周知的是直接利用扫描仪的成像系统并不能获取掌纹图像，即使简单地加上成像系统也会遇到高分辨率要求下扫描速度慢、成像质量较差、畸变大等一系列具体问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的是提供一种采用CCD线阵扫描技术的具有USB接口的活体掌纹采集仪。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种具有USB接口的扫描成像活体掌纹采集仪，其结构主要包括光学成像部分、光学元件座、扫描采集车、数据处理电路、扫描运动组件、USB接口电路、光源、USB接口键盘、电源和底板；所述光学成像部分安装在所述光学元件座的上面，所述光学元件座安装在所述底板上；所述扫描运动组件倾斜的固定在所述底板上，其倾斜的角度可使扫描轨迹与光学成像面相平行；所述扫描采集车与所述扫描运动组件相结合；所述数据处理电路与所述USB接口电路安装固定在所述扫描运动组件的底座上，所述光源和所述USB接口键盘安装在所述光学元件座上，所述电源安装在所述底板上；所述数据处理电路与所述扫描采集车、扫描运动组件、USB接口电路和光源分别相联接；所述电源与数据处理电路、扫描运动组件、光源和USB接口键盘分别相联接。
所述扫描采集车的结构主要包括车体、平面反光镜、光学镜头和CCD线阵组件。
所述扫描运动组件的结构主要包括步进电机、齿轮组、齿型皮带、滑杆、底座、固定轮轴和步进电机座；步进电机和齿轮组由步进电机座固定，齿型皮带的一端由步进电机座固定，齿型皮带的另一端由固定轮轴固定。
所述扫描采集车的车体与扫描运动组件的齿型皮带和滑杆相结合。
所述扫描运动组件按照公式S＝k*R*sin(180-α-β)/sinα+m计算得出的每英寸扫描步数进行扫描；公式中的S为扫描时每英寸运行步数；R为分辨率，即dpi数；α为光学成像部分顶角角度，取值范围为30度~90度之间；β为光学成像面与掌纹采集面的夹角，由玻璃折射率及光波长确定；k为校正系数，其值根据畸变校正情况在0.99~1.01之间选择；m为修正因子，其值根据畸变校正情况在-R/50~+R/50之间选择。
由于本实用新型采用了以上技术方案，故具有以下优点1)本实用新型不仅在成像质量、分辨率上完全达到国外的技术水平，而且在采集窗口面积上不小于国外的产品，完全满足了对掌纹采集的要求，填补了国内现有技术的空白，解决公安系统急需的专用产品；2)安装方便，仅通过USB电缆与计算机联接即可完成硬件安装；
3)软、硬件环境适应性强，由于采用了受到广泛支持的USB标准，不需额外配件，标准配置的台式计算机和笔记本式计算机都可与之联接、工作；4)由于能够使用低价普通的CCD线阵元件，而不需使用极其昂贵的超高像素的CCD面阵元件，从而大大降低了系统成本，不会出现后续产品关键器件断档的问题，在分辨率上也很容易升级以满足下一代国际标准的要求；5)与使用CCD面阵方案相比较，采用CCD线阵扫描方案能够使用口径较小的镜头，其设计、制造都比较容易，镜头本身的成像畸变易于矫正，在排除光学成像部分的镜像干扰问题上，也比较有利，在整体成本上有较大幅度的降低，易于推广应用。
图1为现有扫描仪的扫描成像原理示意图；图2为本实用新型的结构原理框图；图3为本实用新型实施例的结构原理框图；图4为本实用新型实施例的安装结构俯视示意图；图5为本实用新型实施例的安装结构右视示意图；图6为本实用新型的扫描采集车结构形式一的示意图；图7为本实用新型的扫描采集车结构形式二的示意图；图8为本实用新型的扫描采集车结构形式三的示意图；图9为本实用新型的扫描采集车结构形式四的示意图；图10为本实用新型的扫描运动组件的结构示意图；图11为本实用新型光源的电路结构示意图；图12为本实用新型的每英寸扫描步数计算公式示意图。
以下结合附图，通过对实施例的描述，进一步说明本实用新型。
具体实施方式
本实用新型采用了与传统CCD/CMOS面阵技术完全不同的技术路线，即采用了CCD线阵扫描原理，通过光源的照射，由光学成像元件产生掌纹的影像，通过镜头将影像投射在CCD线阵元件上，采用与通用扫描仪相似的机械结构进行扫描，利用线阵扫描成像原理获取满足使用要求的掌纹图像。
如图2、图3所示，本实用新型的结构主要包括光学成像部分1、扫描采集车21、数据处理电路22、扫描运动组件23、USB接口电路3、光源4、USB接口键盘5和电源6。其中扫描采集车21、数据处理电路22和扫描运动组件23构成扫描采集部分2。数据处理电路22与扫描采集车21、扫描运动组件23、USB接口电路3和光源4分别联接；电源6与数据处理电路22、扫描运动组件23、光源4和USB接口键盘5分别联接。
光学成像部分1主要负责将人体手掌掌纹形成光学影像，通过空间光路送入扫描采集部分2。
扫描采集部分2主要负责将掌纹的光学影像转换为电信号并进行采集、处理、输出，输出的信号送到USB接口电路3。
USB接口电路3用于将信号变换成符合USB标准的数据流后传送给计算机，然后由计算机接收后进行必要的处理。
光源4根据需要设计成非均匀光源，作为掌纹的照明光源。
USB接口键盘5作为人机交互接口，主要用于人机交互指令的发出，可以使用市售通用部件。
电源6负责将220V/AC电源转换为多路不同电压的直流电源供掌纹仪各部分使用，可使用市售通用部件。
扫描采集车21、数据处理电路22和扫描运动组件23构成了扫描采集部分2，扫描采集车21主要负责将掌纹的光学影像转换为电信号并进行采集，采集到的电信号由数据处理电路22进行处理并输出，扫描运动组件23负责带动扫描采集车21进行线性运动以实现逐行扫描。其中数据处理电路8可使用目前通用扫描仪中的数据处理电路板，但其驱动程序需要根据实际要求进行修改。
如图4、图5所示，光学成像部分1安装在光学元件座7的上面，光学元件座7安装在底板8上，扫描运动组件23倾斜的固定在底板8上，其倾斜的角度可以使扫描轨迹与光学成像面相平行，以便实现平行扫描，扫描采集车21与扫描运动组件23中的齿型皮带233、滑杆234相结合，使扫描采集车21可在齿型皮带233的带动下在滑杆234上滑动，以便实现扫描动作，数据处理电路22、USB接口电路3安装固定在扫描运动组件23的底座235上，光源4和USB接口键盘5安装在光学元件座7上，电源6安装在底板8上。
如图6所示，扫描采集车21的结构一形式主要包括车体211、平面反光镜212、光学镜头213和CCD线阵组件214。平面反光镜212将掌纹影像反射入光学镜头213，通过光学镜头213成像于CCD线阵组件214上，由CCD线阵组件214输出电信号，车体211承载以上各元件并与扫描运动组件23中的齿型皮带233、滑杆234相结合，由其带动运行以实现扫描采集，这部分结构可由现有的通用扫描仪相关部分改造而成，但其平面反光镜212的安装角度、光学镜头213的参数、CCD线阵组件214的型号等需要根据实际结构而确定。
如图7、图8、图9所示，扫描采集车21还可以有结构二、结构三、结构四等形式，与结构一相比，其中结构二形式增加了平面反光镜215，可减小扫描采集车21的尺寸；结构三形式增加了平面反光镜216、平面反光镜217，可减小整机的尺寸；结构四形式既增加了平面反光镜215又增加了平面反光镜216、平面反光镜217，因此既可减小扫描采集车21的尺寸，又可减小整机的尺寸。
如图10所示，扫描运动组件23的结构主要包括步进电机231、齿轮组232、齿型皮带233、滑杆234、底座235，固定轮轴236和步进电机座237。步进电机座237用于安装固定步进电机231和齿轮组232；齿型皮带233的一端由步进电机座237固定，齿型皮带233的另一端由固定轮轴236固定；底座235用于安装上述各部件。步进电机231按数据处理电路22发出的指令运转，通过齿轮组232减速后，带动齿型皮带233转动，由于扫描采集车21是固定在齿型皮带233上的，因此当齿型皮带233转动时，即可带动扫描采集车21在滑杆234上做线性运动，其运动轨迹与光学成像面相平行，在运动过程中逐行采集图像信号。这部分可由现有的通用扫描仪相关部分改造而成，但步进电机231的功率及转速、齿轮组232的减速比、齿型皮带233的长度等需要根据实际结构而确定。
如图11所示，光源4由开关电路41、调整电路42、限流电阻43及LED发光管44组成，其中限流电阻43及LED发光管44有若干只。每只限流电阻43和若干只LED发光管44组成一组，整个光源4具有若干组。其工作过程为开关电路41在数据处理电路22的控制下决定是否将电源送入调整电路42让光源4发光，调整电路42决定光源4的整体发光强度，每一组LED发光管44的数量及其限流电阻43的阻值决定该组的发光强度，根据需要将若干组之间设定为不同的发光强度，并对LED发光管44的物理排列进行适当的调整，便可形成符合需要的非均匀光源。开关电路41、调整电路42均采用公知的通用电路，限流电阻43及LED发光管44均采用通用元器件。
采用本实用新型进行掌纹扫描的过程如下光学成像部分1在光源4的配合下，通过光源4发出的非均匀光在光学成像部分1中形成均匀的光照，使掌纹纹线形成光学影像，投射在扫描采集车21中的平面反光镜212上，经光学镜头213，在CCD线阵组件214上形成掌纹纹线的影像，在数据处理电路22的指令下被转换成单扫描线电子数据。扫描运动组件23中的步进电机231按照数据处理电路22发出的指令运转，带动齿轮组232和齿型皮带233，再带动扫描采集车21运动，逐行采集到整幅图像数据，在数据处理电路22中进行处理。整幅图像数据经数据处理电路22处理后，送USB接口电路3将整幅图像数据信号变换成符合USB标准的数据流，传送给计算机。
在本实用新型中具体技术问题的解决方法为1)由于不同的玻璃材料具有不同的折射率，使得其光学成像面与掌纹采集面存在一个夹角，造成图像出现梯形畸变，在调整安装结构的倾斜角度使扫描轨迹与光学成像面相平行的情况下，采用平行扫描方法，解决图像梯形畸变问题。
2)采用由下列公式算出的每英寸扫描步数进行扫描，解决图像矩形畸变问题。
S＝k*R*sin(180-α-β)/sinα+m公式中的S为扫描时每英寸运行步数；R为分辨率，即dpi数；α为光学成像部分顶角角度，取值范围为30度~90度之间；β为光学成像面与掌纹采集面的夹角，由玻璃折射率及光波长确定；k为校正系数，其值根据畸变校正情况在0.99~1.01之间选择；m为修正因子，其值根据畸变校正情况在-R/50~+R/50之间选择。
(α角与β角可参见图12，其中1为光学成像部分)3)采用优化相关部件技术参数以大幅度提高采集速度。通常可以对步进电机的速度、CCD线阵组件的灵敏度、光学镜头的参数、光源的强度等进行恰当的设计与优化，以实现对高扫描速度的要求。
4)采用非均匀光源在光学成像部分中形成均匀光照。由于在光学成像元件内存在复杂的光折、反射，因此在使用均匀光源照明时，复杂的光折、反射反而使影像呈现出非均匀现象，严重影响掌纹影像质量。可以通过计算机模拟或实验的方法，利用非均匀的光源，结合光学成像元件内的光折、反射，综合形成均匀的光照，以大幅度提高掌纹影像质量。
5)同样由于光学成像元件内复杂的光折反射，会产生光学成像镜像干扰问题。这可通过实验，逐步修正光学成像元件的参数来解决。
权利要求1.一种具有USB接口的扫描成像活体掌纹采集仪，其特征在于其结构主要包括光学成像部分、光学元件座、扫描采集车、数据处理电路、扫描运动组件、USB接口电路、光源、USB接口键盘、电源和底板；所述光学成像部分安装在所述光学元件座的上面，所述光学元件座安装在所述底板上；所述扫描运动组件倾斜的固定在所述底板上，其倾斜的角度可使扫描轨迹与光学成像面相平行；所述扫描采集车与所述扫描运动组件相结合；所述数据处理电路与所述USB接口电路安装固定在所述扫描运动组件的底座上，所述光源和所述USB接口键盘安装在所述光学元件座上，所述电源安装在所述底板上；所述数据处理电路与所述扫描采集车、扫描运动组件、USB接口电路和光源分别相联接；所述电源与数据处理电路、扫描运动组件、光源和USB接口键盘分别相联接。
2.根据权利要求1所述的具有USB接口的扫描成像活体掌纹采集仪，其特征在于所述扫描采集车的结构主要包括车体、平面反光镜、光学镜头和CCD线阵组件。
3.根据权利要求1所述的具有USB接口的扫描成像活体掌纹采集仪，其特征在于所述扫描运动组件的结构主要包括步进电机、齿轮组、齿型皮带、滑杆、底座、固定轮轴和步进电机座；步进电机和齿轮组由步进电机座固定，齿型皮带的一端由步进电机座固定，齿型皮带的另一端由固定轮轴固定。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的具有USB接口的扫描成像活体掌纹采集仪，其特征在于所述扫描采集车的车体与所述扫描运动组件的齿型皮带和滑杆相结合。
专利摘要本实用新型公开了一种具有USB接口的扫描成像活体掌纹采集仪，其结构由光学成像部分、光学元件座、扫描采集部分、USB接口电路、光源、USB接口键盘、电源和底板组成；本实用新型采用CCD线阵扫描原理，通过非均匀光源在光学成像部分中形成均匀的光照，由光学成像元件产生掌纹的影像，由CCD线阵组件获取掌纹影像后，采用与通用扫描仪相似的机械结构进行扫描，利用线扫描成像原理获取满足使用要求的掌纹图像。本实用新型采用CCD线阵扫描方案，能够使用低价普通的CCD线阵元件和口径较小的镜头，其设计、制造都比较容易，在扫描机械结构的配合下，能有效的解决光学成像的畸变矫正问题，在整体成本上有较大幅度的降低，易于推广应用。
文档编号G02B27/20GK2684278SQ200320101990
公开日2005年3月9日 申请日期2003年10月27日 优先权日2003年10月27日
发明者张宏, 孙苏平, 刘晓春, 朱国平, 唐世明 申请人:北京海鑫科金信息技术有限公司