Способ получения изображения отпечатка папиллярного узора

Изобретение относится к биометрии, а именно к способам распознавания изображений отпечатков пальцев в различных областях информационных технологий. Способ заключается в получении изображения отпечатка на оптической поверхности считывающего устройства, определении начала приложения пальца и момента окончания получения изображения папиллярного узора. Особенностью способа является то, что получение изображения папиллярного узора осуществляется путем прикладывания пальца к оптической поверхности считывающего устройства и следующего затем покадрового исправления оптических искажений полученных отпечатков папиллярного узора. Определение начала приложения пальца заключается в определении фона, оценке динамики изменения площади изображения отпечатка пальца и оценке нового кадра на наличие изображения отпечатка пальца. После этого определяется момент окончания получения изображения папиллярного узора, который фиксируется как факт совершившегося захвата изображения. Затем из полученного изображения папиллярного узора вычитается фон и производится нормировка изображения по фону. Устройство обеспечивает повышение качества исходного изображения отпечатка пальца и скорости захвата полученного изображения. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области биометрии, а именно к способам распознавания изображений, и может быть использовано на предварительном этапе регистрации пользователей и при распознавании изображений отпечатков пальцев в различных областях информационных технологий, таких как системы идентификации личности человека, информационная безопасность, системы регламентированного управления доступом, а также в области судебной медицины и криминалистики.

Идентификация личности с помощью биометрических технологий является в настоящее время одним из перспективных, бурно развивающихся направлений, среди которых методы и средства, использующие отпечатки пальцев, занимают одно из ведущих мест.

Регистрация пользователя, то есть сбор биометрических данных, состоит из следующих процедур:

- фиксация биометрической выборки от пользователя системы;

- извлечение биометрических данных (образа) из этой выборки;

- сохранение текущих (актуальных) биометрических данных.

В результате регистрации получаются исходные биометрические данные (исходный образ), представляющие конкретного индивидуума.

Качество исходного изображения (четкость, контрастность), полученного на предварительном этапе регистрации пользователя, а также время, в течение которого осуществлена процедура захвата изображения отпечатка пальца, оказывают существенное влияние на последующие этапы регистрации.

Одним из широко известных и используемых способов получения изображения папиллярного узора является накатывание предварительно окрашенной поверхности кожи на лист бумаги (см. патент РФ №2051415, МПК 6 G06К 9/20, оп. 1995.12.27). Чаще всего этим способом изготовляют дактилоскопические десятипальцевые карты, используемые правоохранительными органами. Стандартная дактокарта содержит отпечатки пальцев, прокатанных на бумаге от ногтя до ногтя, отпечатки ладоней, а также контрольные оттиски, образованные одновременным приложением к карте четырех пальцев одной руки, - указательного, среднего, безымянного и мизинца.

Трудоемкая процедура изготовления дактокарт с применением красителя имеет следующие недостатки. Во-первых, отпечатки удовлетворительного качества получаются не всегда. Во-вторых, очень часто отпечатки в верхней части содержат зоны смаза, вызванные деформированием сферической части пальца при разворачивании ее на плоскость. Смаз наблюдается и в других частях отпечатка, что обусловлено сложной формой пальца.

Известны также способы и реализующие их устройства для получения отпечатков пальцев без использования красителя, в которых изображение отпечатка папиллярного узора пальца формируется на поверхности призмы конической формы (патент США №4933976, МПК 5 G06K 9/00, оп. 12.01.1990; международный патент РСТ WO 9204689, МПК 5 А61В 5/117, G06K 9/00, оп. 19.03.1992, аналог патент США №5230025). Но даже при использовании набора призм различной кривизны не удается добиться полного прилегания пальца к поверхности призмы, так как поверхность пальца имеет мало общего с конической поверхностью. Все упомянутые способы основаны на прокатывании пальца, вошедшего в контакт с приемной поверхностью оптического устройства. Некоторые из них рассмотрим в качестве аналогов предлагаемого изобретения.

Известна система формирования прокатных изображений отпечатков пальцев (см. международный патент РСТ WO 9204689, МПК 5 А61В 5/117, G06K 9/00, оп. 19.03.1992), в которой движение по поверхности прокатки отслеживается по динамическим характеристикам изображения в нескольких соседних строках текущего изображения. На каждом кадре фиксируется положение левой и правой кромок текущего изображения. Суммарное изображение формируется из промежуточных изображений, причем замещение изображения в итоговом изображении производится не повсюду, а в диапазоне от левой до правой кромки. В известной системе кроме процедуры замещения предусмотрена процедура усреднения итогового и промежуточного изображений.

Недостатком известной системы является низкая точность отслеживания кромок текущего изображения, которая обусловлена тем, что анализируется не все изображение, а лишь небольшое количество его строк. В систему заложено также серьезное ограничение, вызванное тем, что анализ движения изображения и формирование итогового изображения производятся в реальном времени, что приводит к ограничению на частоту опроса текущего изображения, поскольку процессору необходимо некоторое время на завершение указанных вычислений. Это ограничивает возможности системы в уменьшении смаза изображения отпечатка пальца. Существенным недостатком системы является большое время прокатки (1-3) с, в течение которого происходит суммирование динамически изменяющихся изображений.

К недостаткам известной системы следует также отнести нечеткость изображения отпечатка, которая обусловлена невозможностью обеспечения абсолютного сцепления между пальцем и поверхностью прокатки.

Попытка повышения качества изображения отпечатка сделана в способе формирования изображения папиллярного узора (см. патент РФ №2051415, МПК 6 G06К 9/20, оп. 1995.12.27). Указанный способ является наиболее близким к заявляемому способу получения и захвата изображения отпечатка папиллярного узора. Известный способ заключается в прокатке изображений отпечатков пальцев, разбиении изображения отпечатка пальца на элементы в кадрах, определении момента окончания прокатки и формировании конечного изображения при усреднении изображений промежуточных элементов. Отличительной особенностью известного способа является то, что после разбиения текущего изображения определяют наличие в элементах кадров областей изображения. Затем по полученным результатам строят матрицу заполненности кадра и определяют линию оптимального прилегания пальца к прокатке. После момента окончания прокатки определяют направление и скорость прокатки, регистрируя усредненное значение скорости прокатки. При определении наличия областей изображения каждому элементу по интенсивности его окраски присваивают условное значение, а условные значения соседних элементов суммируют и сравнивают с пороговой величиной.

Использование описанного способа формирования изображения папиллярного узора позволило авторам решить поставленную задачу, которая заключалась в повышении устойчивости к загрязнению экрана и к проявлению смаза на изображении, а также в обеспечении повышенной четкости и контрастности изображения по сравнению с существующими на дату приоритета (1993 год) способами. Это является несомненным достоинством способа.

Однако к недостаткам описанного выше технического решения следует отнести свойственное всем методам, основанным на прокатывании и последующей «склейке» отдельных элементов (в данном случае - полос изображения), значительное время формирования изображения, которое составляет не менее (1÷3) с. Кроме того, качество исходного изображения из-за перемещения (прокатывания) пальца во время съема отпечатка также не соответствует современным представлениям о высоком качестве изображения. В соответствии с современными требованиями скорость считывания должна быть 15÷30 отпечатков/с, а разрешающая способность оптической системы - (400÷500) dpi и выше.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества исходного изображения отпечатка пальца и скорости захвата полученного изображения за счет принципиального изменения в процессе контакта пальца с приемной поверхностью оптического устройства и последующей математической обработки исходного изображения по специальному алгоритму.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ получения и захвата изображения отпечатка папиллярного узора, который, как и наиболее близкий к нему способ, выбранный в качестве прототипа, заключается в получении изображения отпечатка на оптической поверхности считывающего устройства, определении начала приложения пальца и момента окончания получения изображения папиллярного узора.

Особенностью предлагаемого способа, отличающей его от известного способа, является то, что получение изображения папиллярного узора осуществляется путем прикладывания пальца к оптической поверхности считывающего устройства и следующего затем покадрового исправления оптических искажений полученных отпечатков папиллярного узора. Определение начала приложения пальца заключается в определении фона, оценке динамики изменения площади изображения отпечатка пальца и оценке нового кадра на наличие изображения отпечатка пальца. После этого определяется момент окончания получения изображения папиллярного узора, который фиксируется как факт совершившегося захвата изображения. Затем из полученного изображения папиллярного узора вычитается фон и производится нормировка изображения по фону.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Основными задачами предлагаемого изобретения являются следующие:

- повышение качества исходного изображения папиллярного узора;

- повышение скорости захвата полученного изображения.

Способ, выбранный в качестве ближайшего аналога (см. патент РФ №2051415, МПК 6 G06К 9/20, оп. 1995.12.27), основан на получении отпечатка папиллярного узора методом прокатывания. В соответствии с этим методом сначала производится разбиение каждого текущего кадра на отдельные элементы. Элементы разбиения последовательно анализируются с тем, чтобы узнать, какие из элементов текущего кадра содержат изображение. Формирование изображения осуществляется с помощью процедуры склейки отдельных промежуточных полос изображения, причем из каждого кадра берется одна полоса. Склеивание отдельных «кусков» изображения является необходимым при методе прокатывания для того, чтобы получить как можно большую поверхность с изображением. Следствием этого является сравнительно невысокая скорость формирования изображения. При этом в способе, выбранном в качестве прототипа, время, необходимое для формирования изображения, составляет (1÷3) с. Качество полученного изображения, свойственное методам, основанным на прокатывании пальца, также весьма низкое (подробно см. в разделе «Уровень техники»).

В отличие от указанного технического решения, в заявляемом способе получение изображения отпечатка папиллярного узора осуществляется путем прикладывания, а не прокатывания пальца, при этом предлагаемый способ обладает существенными преимуществами, а именно:

- высоким быстродействием (скорость захвата составляет 0,1-0,2 с);

- высоким качеством конечного изображения.

Эти отличительные особенности заявляемого способа обеспечены за счет введения в формулу новых существенных признаков, относящихся как к получению изображения отпечатка папиллярного узора, так и к следующей за этим процедуре захвата изображения отпечатка.

Что касается преимуществ самого метода приложения пальца по сравнению с прокаткой пальца, можно отметить следующие характерные особенности предлагаемого способа:

- палец остается неподвижным в процессе снятия отпечатка;

- отпадает необходимость в сложной, требующей значительных временных затрат процедуре «склейки кусков» изображения.

Следствием этих особенностей является существенное увеличение скорости захвата, время которого составляет порядка 0,1÷0,2 с (при числе захватываемых кадров 15÷30 в с), а также повышение качества изображения, четкость и контрастность которого оказывают существенное влияние на проведение последующих этапов, - регистрации, кодирования и распознавания изображений отпечатков.

Создавая предлагаемое изобретение, авторы стремились создать способ не только высокоэффективный (по быстродействию и качественным характеристикам), но и доступный по материальным затратам. Этим объясняется то, что при реализации способа авторы предпочли применить не дорогостоящие оптические считыватели с цилиндрической и сферической оптикой, исправляющей искажения изображения отпечатка папиллярного узора, а покадровое исправление изображений методом математического моделирования.

Процедура захвата изображения отпечатка папиллярного узора осуществляется в следующей последовательности, приведенной в формуле заявляемого изобретения, а именно:

- определение фона;

- оценка динамики изменения площади изображения отпечатка пальца;

- оценка нового кадра на наличие изображения отпечатка пальца;

- определение момента окончания получения изображения папиллярного узора, который фиксируется как факт совершившегося захвата изображения;

- вычитание фона из полученного изображения папиллярного узора;

- нормировка изображения папиллярного узора по фону.

Перечисленные существенные признаки, начиная с определения фона, относятся непосредственно к процедуре захвата изображения и показывают последовательность действий, необходимых для высокоскоростного захвата отпечатка папиллярного узора с качеством изображения, соответствующим требованиям современного технического уровня.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.

Предлагаемый способ получения изображения отпечатка папиллярного узора иллюстрируется чертежами, на которых представлено:

на фиг.1 - изображение отпечатка папиллярного узора, полученное со считывателя;

на фиг.2 - параболическая математическая модель искажений:

а) схема координат исправленного изображения;

б) схема координат исходного изображения.

Предлагаемый способ получения и захвата изображения отпечатка папиллярного узора осуществляется следующим образом.

К рабочей грани оптического дактилоскопического считывателя прикладывается палец, отпечаток которого необходимо зарегистрировать. С помощью оптической системы считывателя изображение отпечатка папиллярного узора формируется в плоскости чувствительной площадки матричного фотоприемника.

В качестве считывателя может быть использован любой из перечисленных ниже приборов:

- модели BS1620, BS2024 (Россия), технические решения запатентованы заявителем предлагаемого изобретения (см. патент РФ на полезную модель №46914, МПК 7 А61В 5/053, А61В 5/117, опубл. 10.08.2005);

- модель Fingkey Hamster, фирма Nitgen (Корея, Сеул).

Получаемое со считывателя изображение имеет два вида основных искажений - дисторсию (искривление изображения), близкую к цилиндрической, и анаморфозу (сжатие/растяжение изображения) в виде вытянутости вдоль оси абсцисс.

Покадровое исправление оптических искажений полученных отпечатков папиллярного узора осуществляется следующим образом.

Для устранения дисторсии вводится параболическая модель искажений (см. фиг.2), удовлетворяющих в первом приближении следующей зависимости:

где - линия максимального искажения;

D - линейный коэффициент дисторсии;

w'=X₂-X₁ - ширина исходного поля.

Переход от координат исправленного изображения к координатам исходного выполняется по следующим формулам:

или для целочисленных координат:

где - поправка к высоте.

Преобразование изображений идет путем перебора всех точек на конечном изображении и вычисления необходимого значения в каждой из них по исходному изображению. Для более плавного цветового перехода выполняется простая линейная интерполяция по двум точкам исходного изображения:

где c₁=1-с₂, с₂=mod(Y) - весовые коэффициенты интерполяции.

После исправления дисторсии устраняется анаморфоза, которая является в данном случае обычным растяжением вдоль оси абсцисс. Поэтому для ее устранения достаточно знать коэффициент необходимого сжатия изображения а<1. Переход от координат сжатого изображения к координатам вытянутого выполняется по следующим формулам:

Для более плавного цветового перехода можно выполнить линейную аппроксимацию по n ближайшим точкам вытянутого изображения, по следующей зависимости:

где - число элементов аппроксимации;

- весовые коэффициенты аппроксимации.

После исправления дисторсии и анаморфозы осуществляют автоматическое определение факта приложения пальца к считывателю.

Для этого первый кадр запоминается как фон. Затем оценивается динамика изменения площади изображения отпечатка пальца путем оценки яркостного изменения по отношению к фону, по следующей формуле:

где f_max - максимально возможная яркость изображения, например 255.

После этого проводится оценка нового кадра на наличие изображения отпечатка пальца, которая заключается в следующем.

- Если коэффициент изменения яркости k не превышает порога касания пальца k_t, который равен приблизительно 0,05, то делаем вывод, что палец пока не приложен, при этом если до этого было определено касание пальца, то мы сбрасываем его, считая, что палец еще не был приложен. При этом если этот порог меньше порога шума фона k_bg=0.002, то запоминаем данное изображение как новый фон.

- Если же k≥k_t, то палец приложен. Если это произошло впервые, то просто запоминаем значение k как коэффициент приложенного пальца k_f и ждем дальнейших изменений. Если же у нас уже есть коэффициент касания, то оцениваем изменение как разницу Δk=k-k_f.

- Если Δk≥0, т.е. отпечаток увеличивался и меньше порога чувствительности к изменениям изображения Δk<Δk_f, который может быть равен Δk_f=0.01, то считаем текущее изображение захваченным изображением отпечатка пальца.

- Если же Δk<0, т.е. отпечаток уменьшился, или Δk≥Δk_f, то считается, что отпечаток находится еще в стадии динамичного изменения, поэтому запоминаем текущее значение k как коэффициент приложенного пальца k_f и ждем дальнейших изменений.

После захвата изображения отпечатка пальца из полученного изображения папиллярного узора вычитается фон и производится нормировка по фону:

где g_max - максимальная яркость итогового изображения, например 255.

Таким образом, с помощью заявляемого способа за счет принципиального изменения в процессе контакта пальца с приемной поверхностью оптического считывателя и последующей математической обработки исходного изображения появилась возможность существенного повышения качества изображения отпечатка пальца и скорости захвата полученного изображения.

Способ получения изображения отпечатка папиллярного узора, заключающийся в получении изображения отпечатка пальца на оптической поверхности считывающего устройства и определении момента получения конечного изображения папиллярного узора, отличающийся тем, что изображения папиллярного узора получают путем прикладывания пальца к оптической поверхности считывающего устройства, выявления наличия изображения приложенного к оптической поверхности пальца и фиксации факта получения конечного изображения папиллярного узора, оценивая фон - изображение на первом кадре, определяют динамику изменения площади изображения отпечатка пальца при покадровом считывании по изменению яркости относительно фона по следующей формуле:

,

где f_max - максимально возможная яркость изображения, одновременно с покадровым считыванием осуществляют покадровое исправление оптических искажений изображения до получения кадра с окончательным изображением отпечатка пальца, из полученного окончательного изображения папиллярного узора с исправленными оптическими искажениями вычитают фон и производят нормировку по фону согласно формуле

где g_max - максимальная яркость итогового изображения,

и регистрируют изображение.