拍摄皮肤印痕图象的方法和装置的制作方法

专利名称：拍摄皮肤印痕图象的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学的皮肤花纹图象计算机处理方法，以产生滚压的皮肤花纹图象，特别是指纹图象。
多年来，为了获取“滚压的”指纹最普遍采用的技术是将油墨涂到个人的手指尖上，并将上了油墨的指尖滚压在申请人卡片的适当位置上。虽然，这些涂油墨的方法通常会提供出满意的图象，但它们也有它的缺点。这种涂油墨的方法是不干净的。也许更应该说这种系统的一个更大缺点是所印出的图象不易适用于作计算机化的存储与处理技术，从而限制了各保安部门之间的合作与指纹资料的传送。
用光学法，或光学加机械的方法产生指纹图象的各种系统也正在应用之中。几种这样的指纹成象系统公开在Fishbine等人的美国专利No.4，933，976;Ruell的德国专利No.3，423，886A1;Bercker的美国专利No.3，482，498;McMahon的美国专利No.3，975，711;Schiller的美国专利No.4，544，267和No.4，322，163;以及Marcus的美国专利No.4，553，837之中。
由于手指上指纹的复绕弯曲特性，要从光学上获得指纹的图象是困难的，特别是对显示滚压指纹的图象来说更为困难。Fishbine等人公开了一种以由许多邻近而重叠的二维切片的指纹图象的断层数据特性排列起来所确定的组合图象为基础的方法。
其他参考文件涉及了指纹接收光学系统的复杂机械运动。Ruell的专利公开了一种指纹系统，其中照相机摄取了滚压通过接触感光板的手指的图象。在感光板边缘处的接触传感器提供出代表接触感光板上手指覆盖部分的信息。结果是使许多邻近的但不重叠的成片状的二维切片一起形成指纹图象。
Schiller的专利公开了一种装置，在这种装置中手指压在一屏板上以提供由准直探寻光束所扫描的指纹目标。光束线性地移过该屏板，从而使探寻光束和被扫描的目标平面之间保持一个恒定的角度。Marcus的美国专利No.4，553，837公开了一种包括有一支撑手指的圆筒状-扇形屏板的手指处理装置。光学扫描设备以这样一种使光束在指纹目标上的入射角保持恒定的方式扫描屏板的四周。Becker的美国专利No.3，483，498公开了一种产生滚压指纹图象的光学装置的几个实施例。在其

图1A所示的实施例中利用了一组棱镜和光源，而只是产生了球状和侧面隆起线的类似物。其图2和图3所示的实施例应用了一种用一滚动着的手指操纵来移动并定位光源的机械系统。
虽然，在Ruell专利，Marcus专利和Becker专利所公开的指纹系统，也许能够在光学上提供滚压的指纹图象，但是这些系统远不是完全合乎要求的。这些系统在机械方面是相当复杂的。其结果是，由于聚焦错误或各部分切片拼接的误差而可能使合成的图象出现间断、杂乱的人为纹路和其他不规则性。Fishbine等人的专利克服了这些问题，但是要求增加计算机能力方面的费用。
显然，对光学指纹系统进行改进仍然是需要的。一种用有限的计算机条件而能在光学上产生实时的滚压指纹图象的系统是合乎这一需要的。当然，这种系统必须是精确可靠的。
本发明是一种改进的产生滚压的皮肤花纹图象，特别是指纹图象的方法。利用某些图象记录介质的图象强度叠加性质，在受控条件下形成滚压的皮肤花纹图象。按照本发明方法所产生的图象比起普通的油墨方法将有更好更可靠的图象质量。本法所形成的系统比起有竞争力的光学或光学加机械的装置更简单，费用低且更加可靠。一般地说，任何皮肤印痕图象，诸如脚、手、手指、嘴唇等印痕图象都能按本发明被记录下来。一种特别可取的记录指纹图象系统被设计出来。
图1是一个代表系统的框图，根据本发明它可以用来产生滚压指纹图象。
图2A-2C表示在指纹拍摄操作期间，当手指滚压过图1所示棱镜时，与棱镜接触的手指的几个部分。
图3A-3C分别说明图2A-2C的手指和棱镜各个接触部分的指纹光学图象。
图4A-4C说明当对图3A-3C的光学图象作记录时，留在图象记录介质上的滚压指纹图象。
图5是图4C图象被图1中所示数字转换器做数字转换之后的图解表示。
图6表示手指滚压过棱镜的顺序说明。
在以下最佳实施例的详细描述中，构成本文一部分的附图可做为参考，并且在这里利用具体的实施例来说明本发明是可以实施的。应该明白，其他的实施例也可以实现，并在没有违背本发明范围的情况下还可以对结构作出改变。
虽然，本发明的系统可以记录任何皮肤表面的花纹，例如脚、嘴手指表面上突起和凹下的花纹其光学图象(即指纹)就由图象传递表面32传送出去。其他提供指纹图象的设备和光学装置也可以采用。
一个要被取得指纹的人要将他们的手指36的第一个边缘部分放在棱镜的承受面34上，然后将其手指滚压到对面或第二边缘。在按照图6顺序说明的例子中，手指36按照顺时针方向从左边缘L滚压向右，通过中心部分C到右边缘R。(本例中手指的图象以分立的形式表示出来。这只是为了说明清楚的目的而已。实际上，来自光学装置的光是连续不断地投射在图象记录介质上的)。图2A-2C分别说明手指36与承受表面34接触的部分L，C和R。因为要被取指纹的手指36的表面是弯曲的，则手指和承受表面34之间的接触区域，因此也就是手指和表面接触部分的指纹图象将相对于棱镜20沿手指转动方向移动。当手指36如图2A-2C所示以顺时针方式滚过棱镜20时，手指L，C和R部分的指纹图象就从左到右移过图象传送表面32。当手指36的L，C和R部分接触手指承受表面34时，由图象传送表面32所传送的光学图象OIL，OIC和OIR分别说明在图3A-3C中。
图象记录器22相对于棱镜20安装，而且以使得其视场包围着整个图象传送表面32这样一种方式构成。图象记录器22将指纹图象，例如OIL，OIC和OIR，通过其物镜连续成象在它的图象记录介质上。形成了由与表面接触部分的手指所反射的光的累积量所代表的图象，如图4A-4C所示。(再次说明，所记录的图象被表示成是以不连续的步骤产生的。但实际上，当手指滚动时，记录图象是由左向右产生的。)数字转换器24与图象记录器22相连接，并使所产生的图象数字化。
唇、手或手指处的，但是它对指纹图象特别适用。因此，最佳实施例集中在指纹上，但其原理、技术和细节适用任何皮肤印纹。
图1中从总体上表示了，按照本发明可以在光学上产生滚压指纹图象的指纹系统10。指纹系统10是一种基本单元包括信息处理机12和相关的随机存取存储器(RAM)14以及只读存储器(ROM)16的微处理机系统。图象记录器22，数字转换器24，视频监示器26，报警器30，打印机28和终端18与信息处理机12对接。当手指滚压过棱镜20时，与承受表面34接触的手指部分其指纹图象由图象记录器22成像并由数字转换器24数字化。表示指纹图象的一系列数据被输入到信息处理机12中，为了控制指纹图象的记录，图象记录器应包括有透镜，快门机构和记录介质(没有分别示出)。终端18应包括一键盘(未单独示出)，它被操作者用来与指纹系统10进行联系。由系统10所产生的滚压指纹图象可以显示在视频监示器26上，或者由打印机28打印在一标准指纹卡片上。当指纹没有被正确拍摄时，报警器30就被激发，为操作者提供指示，指示拍摄程序必须重复。与此类似的系统公开在Fishbine等人的美国专利No.4，933，976中，该专利适宜于在此作为参考。
诸如手指棱镜20来一类的光学装置是人们已知的，例如在McMahon的美国专利No.3，975，711和White的美国专利No.3，200，701公开的那种。这种类型的手指棱镜也公开在美国专利No.4，792，226和No.4，811，414中，它们都是与本发明有相同使用目的的。这些装置利用了全内反射的光学原理。当将手指定位在手指承受表面34上时(在最佳实施例中该表面是一个平面，但也可用一曲面，以减缓手指滚压的必要性)，
在系统10的最佳实施例中，图象记录器22是由一个标准的50mm照相机镜头44和一市场上可买到的带电子快门的高潜伏时间的CCD列阵装置40(例如ThomsonComposantsMilitairesetSpatiauxofFrance的元件号为TH7866的面阵列CCD传感器)构成的，这里的CCD阵列装置适于在合适的时间周期内[典型的是1-3秒]完整地成象。在最佳实施例中，棱镜20有一涂黑的侧面(以呈现黑色背景)，而光源42被定位以便使手指与承受面34的接触部分好象是投向图象记录器的光源。该记录图象看上去象是滚动指纹图的照相底片。数字转换器24与CCD阵列装置结合起来，以便当信息处理机12发出指令时，CCD阵列装置中所储存的图象就被转换成代表滚压指纹图象的数字数据流送到处理机12，并储存在随机存取贮存器(RAM)中。可以采用单色光源42和滤光片38来降低杂散光子对滚压指纹象的影响。
在系统10的第二个实施例中，图象记录器22是一个摄像机，通过其物镜不断地使指纹图象，例如OIL、OIC、OIR成象，并形成代表指纹图象的视频信号的帧面。可以使用市场上可买到的采用一般网格和扫描速度的视频摄影机。在本实施例中，数字转换器24为帧捕获器(framegrabber)。帧捕获器给硬件提供了一种常规的“视频键入”方法。在这里所描述的最佳实施例中，数字转换器24在硬件中提供了一个完成RAM14中贮存的像素值选择转换的回路。从摄像机22所提供出的每个像素与RAM14中所贮存的相应值一一对应。在摄像机22开始拍摄图象之前，RAM14中所有像素值都被予置到表示最黑的共同强度值上。当从摄像机22提取出各个像素值并由数字转换器使之数字化时，将该数字化的值直接与贮存在RAM14中的像素值作比较。如果数字化值更亮，则将该值替换RAM14中的相应值。否则对该值不予考虑。在使用商业上可得到的摄像机和视频监示器的场合，本实施例具有一个使设备操作者可以观察到实时指纹滚动的附加优点。
其他图象记录介质40，例如摄影胶片，和其他成象系统，例如电子照相也可以采用。作为例子，如果记录介质40是一种光敏光发射磷光体，则该介质曝光就形成了滚动的指纹的长余辉图象。这种长余辉就为相应的指纹图象扫描提供了附加时间。由单一的光探测器，或一系列光探测器所实施的扫描，因而有了附加的时间能以任何合适的光学分辨率使相应的图象数字化。
在这里所描述的最佳实施例中，数字转换器24由信息处理器12所控制，以便将CCD阵列中所贮存的图象读出到处理器12中。数字转换器24产生二维的数字象素值PVn，m的阵列，它代表着相应于分割象素区PLn，m的滚动指纹图象强度。在一个实施例中，数字转换器24产生的图象阵列是由N＝480行乘M＝640列的象素值构成的。作为例子，诸如图5具有20×28个像素值PVn，m的图象阵列，用作这里的说明。
为了完整地表示滚动的指纹图象，像素值PVn，m必须有足够的动态范围。在一个实施例中，帧面数字转换器24包括一个8位的模数转换器，它将视频信号转换成表征滚动指纹图象强度的8位像素值PVn，m。在该实施例中代表一个十进制零(即“00000000”)的8位像素值PVn，m是一个最小的像素值PVMIN并表征-最低的强度或PLn，m最黑的像素区。代表一个十进制二百五十五(即“11111111”)的像素值是一最大的像素值PVMAX，并代表最高的强度，或PLn，m的最白像素区。十进制一百二十八(即“10000000”)所代表的像素值PVn，m表示PLn，m具有最低和最高强度之间的中点强度像素区(即灰色)。
为了举例，在本说明书的附图中像素值PVn，m不是表示成白的就是表示成黑的。当手指36不放在棱镜20上时，表征背景图象所形成的像素值PVn，m都将处在PVMAX或PVMIN的某一范围中。当手指36放在棱镜20上时，指纹的隆起线就与棱镜接触，则像素值PVn，m就处在PVMAX和PVMIN之间的其他范围中。在本说明书中作为例子所采用的系统10的实施例中，诸如OIL所表征的手指36和棱镜20接触部分，其光学图象的较亮部分(即隆起线)，将用接近PVMAX量的像素PVn，m所表示。在该实施例中，诸如OIL表征部分的背景和手指36的凹部表现为图象较暗部分，并且由接近PVMIN的数量的像素值PVn，m所表示。
信息处理机12可确定承受表面34上物体的有无。在一实施例中，处理机12指令数字处理器24将图象记录介质中的图象数字化。像素值没有重大的变化则表示没有物体存在。在其他实施例中，当一物体和承受面进行接触时，图象记录器中的光二极管或承受面34上的压敏开关就会通知处理机12。如果指纹“摄取”起动之后的一定时间内，承受面上不存在物体，则处理机就把承受面上有无物体的信息置到“暂停”上并调定报警器30，而且当手指移开时就终止指纹拍摄过程。这个“暂停”信息也可用来对照像机快门状态进行重调，并从而防止了在图象记录开始与开始实际摄像之间万一有一段长的时间间隔时记录介质被过曝光。
当想要拍摄一滚动的指纹图象时，操作者就操纵一脚踏板(没有示出)或终端18上的一个键使系统10置于一种摄取状态中。在进入拍摄状态之后将手指36左边部分L置于棱镜20的手指承受面34上，手指的光学图象OIL就从棱镜传送出去并由图象记录器22所记录。然后，当手指从左向右滚动时，则图象记录器就连续的记录下由整个图象传送表面32发出的光。在完成手指滚动之后，将手指移开手指承受表面。手指移开，就结果了指纹拍摄过程并将滚压指纹图储存到RAM14中。数字化阵列(示于图5)包含着代表取自手指36滚压指纹的像素值PVn，m。在显示于视频监示器26上或通过打印机28打印到一申请卡之前，象素值PVn，m也可能按照上面提到的美国专利No.4，811，414所描述的方法作了处理。
虽然，这里参照最佳实施例对本发明进行了说明，但是对本领域的技术人员说来可以做出形式和细节上的变化而没有背离本发明的精神和范畴。
权利要求
1.一种身份证明图象记录装置，包括棱镜装置，用以连续地承受人体各部分与其形成的接触，对所说部分进行照明的及传送所说各部分的图象；连续地接收的所说图象并将所说图象作时间上的累积，以形成完整皮肤花纹图象的定位的图象记录装置；将所说完整的皮肤花纹图象转换成电信号的转换装置；和与所说图象记录装置连接，以接收所说电信号的图象处理装置。
2.按照权利要求1的装置，其中所说的图象记录装置还包括被定位的CCD列阵，以连续地接收所述图象。
3.按照权利要求2的装置，其中所说的转换装置包括为了在列阵已将所说图象作时间累积并形成一完整皮肤花纹图象之后，用来读CCD列阵的装置。
4.按照权利要求2的装置，其中所说的转换装置包括当列阵正在针对所说图象做时间累积过程中用来读取CCD列阵上数据，并将一完整的皮肤花纹图储存在存储器中的装置。
5.按照权利要求1的装置，所说的图象处理装置将电信号转换成像素。
6.按照权利要求1的装置，其中所说的棱镜装置还包括有一边涂黑的棱镜，而且还有一个定位的光源，使得与所说棱镜接触的所说部分像是图象记录装置的光源。
7.按照权利要求1的装置，其中所说的图象记录装置是一个电子照像记录系统。
8.一种用于记录滚压指纹图象的装置，包括棱镜装置，它包括有一棱镜，该棱镜有一用于承受连续滚动的手指的受照明接触面，和一为传送所说手指连续图象的传送表面;图象记录装置，用于连续地接收所说的连续图象，并用于将所说图象在时间上积累起来，以形成完整图象;用于将所说完整图象转换成电信号的转换装置;以及图象处理装置，与所说的图象记录装置和所说的转换装置连接起来，以便对所说图象的集积进行控制，并接受所说的电信号。
9.按照权利要求8的装置，其中所说的图象记录装置还包括一个高潜伏时间的CCD阵列，用来连续地接收并储存所说的图象。
10.按照权利要求8的装置，其中所说的棱镜装置还包括一个为照亮所说手指的单色光源，以及位于所说棱镜的所说传送表面和所说图象记录装置之间的单色滤光片。
11.按照权利要求8的装置，其中所说棱镜装置还包括一个有一涂黑表面的棱镜，而且还有一定位的光源以使得与所说棱镜接触的所说部分可以看成为图象记录装置的光源。
12.按照权利要求8的装置，其中所说的图象记录装置是一电子照像记录系统。
13.一种产生滚压指纹图的数据特征码的方法，包括。装设一具有手指承受表面和一照明光源的光学装置;将手指触放在该光学装置的手指承受表面上并将和该表面接触的手指的滚动指纹图传送出去;当手指接触手指承受表面时连续地记录滚动指纹图，并由此形成一完整的皮肤花纹图像;将完整的皮肤花纹图像转换成电信号;并由该数字信号产生一完整滚压指纹图的数字数码特征阵列。
14.按照权利要求13的方法，其中产生阵列的步骤包括手指滚动时产生实时的阵列。
15.按照权利要求14的方法，其中转换完整皮肤花纹图像的步骤还包括确定一数字数据阈值以断定手指和承受表面有无接触。
16.按照权利要求13的方法，还包括以下的步骤确定手指承受表面上物体的存在;以及图像记录开始之后，在检测时或物体不存在时，结束图象记录。
17.按照权利要求16的方法，如果从图象记录开始的一预定时间内，没有检测到物体，则还包括触发报警器的步骤。
18.为操作一可编程处理器以产生滚动的指纹数据特征码的方法，包括装备一个有手指承受表面的光学装置;确定在手指承受表面上物体的存在;检测越过光学装置的承受表面滚动着的手指图象，并将和表面接触的手指的滚动指纹图从光学装置传送出去;当手指滚动经过光学装置的手指承受面时连续地对所传送图象进行记录;在图象记录开始之后检测到物体消失时终止图象记录;以及产生滚压指纹图象的数字数据特征码的阵列。
19.按照权利要求18的方法，还包括如果从图象记录开始的一个可编程的时间之内没有检测到物体，则激发出警报的步骤。
20.按照权利要求18的方法，还包括在图象记录开始之后，在检测时或物体消失时结束图象记录步骤。
21.一种用来记录一滚压的指纹图象的装置，包括棱镜装置，它包括一棱镜，该棱镜有一个为了承受与之接触的连续滚动的手指的受照明接触表面，和一个为使所说手指的连续图象传送出去的传送面;图象记录装置，用以连续地接收图象，并在时间上将图象积累起来，以形成一完整的图象;将所说完整图像转换成电信号的转换装置;以及与所说图像记录装置和所说转换装置连接以执行如下步骤的图像处理装置，上述步骤是在准备接收一新的图像时重新调节所说图像记录装置;为开始记录新的图像由所说的图像记录装置开始图像记录;由所说的图像记录装置结束图像记录;以及通过所说的转换装置，在所说的图像记录终了时开始进行转换。
22.一种记录滚压指纹图像的装置，包括棱镜装置，它包含一棱镜，该棱镜有受照明的为承受连续滚压手指接触的接触表面和一个用以传送所说手指的连续图像的传送面;图像记录装置，用以连续地接收所说连续图像并将所说图象作时间上的积累以形成一完整的图象;将所说完整图像转换成电信号的信号转换装置;以及图像处理装置，连接到所说图像记录装置和所说信号转换装置以便执行如下步骤在为接受新的图像作准备时重新调节所说的图像记录装置;利用所说图像记录装置起动图像记录，以开始录制新的图像;在开始所说图像记录时通过所说转换装置起动信号转换;和响应全部信号后通过所说图像记录装置结束图像记录。
23.一种身份证明图像记录装置，包括棱镜装置，为了连续地承受人体许多部分的接触，为了照明所说部分并为了传播所说部分的许多图像;图像记录装置，包括一CCD阵列以连续地接受所说图像;信号转换装置，与所说的图像记录装置连接，并包括在时间上连续接收所说图象的储存器，以便将所说图象在时间上累积于储存器中以形成一完整的皮肤花纹图象，并用于将所说完整皮肤花纹图象转换成电信号;以及图像处理装置，与所说图像记录装置连接以接收所说电信号。
24.按照权利要求23的装置，其中所说的棱镜装置还包含一个其一侧壁涂黑的棱镜，而且还装有一光源，以使得与所说棱镜接触的所说部分形成为图像记录装置的光源。
25.按照权利要求23的装置，其中所说棱镜装置还包含一用于照亮所说手指的单色光源，而且在所说棱镜的传送表面和所说图像记录装置之间还装设有单色滤光片。
全文摘要
一个用于产生实时的滚压皮纹数据特征码的系统。身体部分，例如手指，接触一光学装置的承受表面。在接触期间，使该承受表面成像并记录在一图像记录介质上。然后利用所形成的记录以产生代表皮纹图像的数字资料。这对于取得滚动指纹图，将其录制在一平的接收表面上是特别有用的。
文档编号G06K9/00GK1070501SQ9110977
公开日1993年3月31日 申请日期1991年9月12日 优先权日1991年9月12日
发明者B·H·菲什拜恩, G·M·菲什拜恩, T·D·克莱恩, D·E·杰曼, M·兰赛姆 申请人:数字生物统计学有限公司