Способ и система для биометрической идентификации личности по изображению кисти руки
Владельцы патента RU 2464634:
Институт прикладной физики РАН (RU)
Яхно Владимир Григорьевич (RU)
Изобретение относится к области распознавания объектов, а именно к идентификации личности по характерным параметрам кисти руки человека, и может использоваться в системах автоматического допуска и контроля к какому-либо объекту с ограниченным доступом. Техническим результатом является повышение скорости, надежности и удобства процедуры идентификации личности, в том числе в автоматическом режиме. Способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки включает выделение контура кисти руки и отдельных ее частей, сравнение полученных признаков со значениями, хранящимися в базе данных, и определение индивидуальных геометрических признаков кисти руки путем определения расстояний между отдельными участками ладони, причем определение индивидуальных геометрических признаков кисти руки производят по бинарному изображению контура кисти и запястья руки; при наличии разрывов в изображении дополняют изображение теневыми пятнами; в качестве индивидуальных геометрических признаков кисти руки используют экстремальные значения расстояний от центра ладони до концов пальцев и углублений между ними; в качестве дополнительного параметра определяют поверхностные признаки кисти руки; в качестве поверхностных признаков рассматривают гистограмму освещенности вдоль средней линии пальца. 2 н.п. ф-лы, 14 ил.
Изобретение относится к области распознавания объектов, а именно к идентификации личности по характерным параметрам кисти руки человека, и может использоваться в системах автоматического допуска и контроля к какому-либо объекту с ограниченным доступом.
Известно, что кисть руки человека содержит достаточное число индивидуальных признаков, позволяющих надежно идентифицировать человека по отпечаткам ладони или пальцев его руки.
Однако сравнение отпечатков ладони, так же как и отпечатков пальцев по индивидуальному рисунку, присущему только конкретному пользователю, требует достаточно сложных технических средств, обеспечивающих обработку произвольного рисунка кожных линий и получение результата сравнения.
Поэтому по-прежнему актуальной остается проблема создания быстрой и надежной системы идентификации, позволяющей выбрать набор признаков, оптимально разделяющих различных людей, и определить значения этих признаков.
Известен способ идентификации личности по геометрии ладони, заключающийся в размещении заданным образом ладони на подложке, прозрачной для оптического зондирующего излучения (патент US 5335288).
Способ основан на регистрации не менее двух поперечных линейных сечений ладони в области разведенных пальцев при освещении кисти структурированным оптическим излучением.
В данном способе изображения поперечных сечений ладони в области разведенных пальцев используют для получения информации о высоте пальцев относительно уровня подложки, которая наряду с силуэтным изображением участка ладони составляет трехмерный оптический образ руки.
Для реализации данного способа требуется достаточно сложное устройство.
Кроме того, недостатком данного способа является то, что кисть руки идентифицируемого лица должна довольно долго оставаться неподвижной, поскольку поочередный прием двух яркостных сигналов требует определенного времени, необходимого для получения изображения. Для практического использования данной системы, например, на пропускных пунктах, особенно в автоматическом режиме скорость и надежность идентификации личности не достаточны.
Известен способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, который (RU 2215323) позволяет использовать более быстрый алгоритм обработки изображения и отказаться от сложной аппаратуры.
Способ основан на регистрации одномерных изображений, несущих информацию о толщине (ширине) пальцев в виде распределения освещенностей вдоль одной координаты, совпадающей с линией регистрируемого сечения.
Для этого ладонь также размещают на подложке, прозрачной для оптического зондирующего излучения, освещают ее и регистрируют не менее двух поперечных линейных сечений ладони в области разведенных пальцев.
Полученные изображения используют для формирования оптического образа руки в виде полученной на линейном многоэлементном фоторегистраторе совокупности одномерных изображений, представленных в виде набора освещенностей отдельных элементов фоторегистратора.
Однако измерение отдельных биометрических элементов кисти не дает необходимой и достаточной для идентификации личности точности.
Существенным недостатком указанного способа является также то, что положение кисти рук и пальцев на опоре необходимо жестко фиксировать.
За прототип предлагаемого способа выбран способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, который не требует жесткой фиксации кисти (патент РФ №2304806).
Данный способ, так же как и аналоги, использует в качестве признаков, достаточных для идентификации личности, геометрические признаки контуров отдельных частей кисти руки.
Результат получают путем сравнения параметров, полученных путем построения индивидуальной геометрии пальцев руки, и сравнения полученных параметров с хранящейся информацией созданной ранее базы данных.
Для создания геометрического портрета вписывают в полученное изображение ряд окружностей от концов пальцев,
- проводят спрямленные линии через центры указанных вписанных окружностей,
- перпендикулярно этим линиям проводят отрезки, длины которых равны радиусам соответствующих окружностей,
- проводят через концы указанных отрезков сравниваемые линии и совмещают концы указанных линий для соответствующих пальцев,
- определяют величины рассогласования сравниваемых линий, по меньшей мере, некоторых соответствующих пальцев.
Основным недостатком данного способа является необходимость регистрации эталонного изображения в заданном масштабе и заданном ракурсе силуэта кисти руки.
Поэтому изменения положения кисти или отдельных пальцев кисти руки, приводящие к изменению масштаба полученного изображения, снижают достоверность результатов.
Точность способа также резко снижается, когда из-за наличия колец и перстней на руке или по другим причинам на одном или нескольких пальцах возникают разрывы контура кисти.
Для реализации способа используют систему, которая включает соединенные между собой видеокамеру, осветительное устройство, плоскость фиксации кисти руки, корпус и вычислительную аппаратуру, содержащую соединенные между собой:
- блок выделения признаков,
- блок сравнения,
- блок принятия решения.
Недостатками данной системы являются неудобства, создаваемые лицам, проходящим пункт контроля, при выполнении ими требований отсутствия колец на пальцах и лишних движений руки.
Задача, которую решает предлагаемая группа изобретений, заключается в создании способа и системы идентификации личности по биометрическим признакам кисти руки, позволяющих повысить скорость, надежность и удобство процедуры идентификации личности, в том числе в автоматическом режиме.
Поставленная задача решается тем, что в способе биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, включающем выделение контура кисти руки и отдельных ее частей, сравнение полученных признаков со значениями, хранящимися в базе данных, и определение индивидуальных геометрических признаков кисти руки, путем определения расстояний между отдельными участками ладони, предусмотрены следующие отличия:
- в качестве индивидуальных геометрических признаков кисти руки используют экстремальные значения расстояний от центра ладони до концов пальцев и углублений между ними,
- при наличии разрывов в изображении дополняют изображение теневыми пятнами,
- в качестве дополнительного параметра определяют поверхностные признаки кисти руки,
- в качестве поверхностных признаков рассматривают гистограмму освещенности вдоль средней линии пальца.
Поставленная задача также решается тем, что система для биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, включающая соединенные между собой видеокамеру, осветительное устройство, подложку для кисти руки, корпус и вычислительную аппаратуру, содержащую соединенные между собой: блок выделения признаков, блок сравнения и блок принятия решения, дополнительно содержит
- блок адаптивной предобработки изображения,
- блок выделения поверхностных признаков.
Способ осуществляют в два этапа.
1 этап (режим обучения) включает:
- адаптивную предварительную обработку и бинаризацию изображения,
- выделение контура кисти руки, включающее исправление ошибок оконтуривания путем присоединения пятен I и II типа к контуру кисти руки,
- определение предварительных геометрических признаков кисти руки,
- определение уточняющих геометрических признаков кисти руки,
- определение поверхностных признаков кисти руки,
- сохранение найденных значений признаков в базе данных в виде шаблона,
- повторение всех перечисленных выше операций для каждой из обучаемых персон.
Блок-схема реализации первого этапа представлена на рис.1.
2 этап (режим распознавания) включает:
- адаптивную предварительную обработку и бинаризацию изображения,
- выделение контура кисти руки, включающее исправление ошибок оконтуривания путем присоединения пятен I и II типа к контуру кисти руки,
- определение предварительных геометрических признаков кисти руки,
- определение уточняющих геометрических признаков кисти руки,
- определение поверхностных признаков кисти руки,
- сравнение набора определенных значений параметров с каждым из шаблонов, хранящихся в базе данных,
- принятие идентификационного решения.
Блок схема реализации второго этапа представлена на рис.2.
Сущность предложенного способа заключается в том, что в режиме адаптивной обработки по входному цветному изображению кисти руки вычисляют два полутоновых изображения, по которым формируют предварительное изображение маски руки.
Затем полученное изображение бинаризуют с помощью найденного адаптивного порога и получают бинарное изображение предварительной маски руки (рис.3).
Далее осуществляют выравнивание освещенности в области предварительной маски руки путем эквилизации нижнего и верхнего уровней освещенности.
Полученное изображение передают на вычисление признаков поверхности руки и на вычисление гистограммы яркости и адаптивного порога.
Бинаризуют полутоновое изображение с помощью адаптивного порога и полученную таким путем окончательную бинарную маску кисти руки передают на вычисление геометрических признаков кисти руки.
Такой способ позволяет достичь слабой зависимости формы окончательной бинарной маски руки от условий освещения, которое может быть естественным или искусственным, неравномерным и нестабильным, в том числе из-за перемещения подложки относительно источника света.
Выделение геометрических признаков руки осуществляют следующим образом.
Осуществляют грубую предобработку контура, для чего:
- выделяют пятно наибольшей площади и считают его рукой,
- выделяют также другие пятна достаточно большой площади,
- осуществляют оконтуривание этих пятен (рис.4 и рис.8),
- осуществляют предобработку контура, удаляющую нерегулярности в низкоинформативной части контура в области запястья (рис.5),
- полученные точки контура упорядочивают начиная с правого нижнего угла запястья в направлении против часовой стрелки.
Выделяют предварительные признаки руки путем анализа максимальных и минимальных значений вертикальной координаты всех точек контура, определяя таким образом координаты кончиков пальцев и впадин между пальцами.
Если количество пальцев равно 5, то на стадии выделения первоначальных признаков руки уточнение положений концов пальцев и углублений между пальцами осуществляют путем построения графика расстояний от точки U - центра основания ладони - до каждой из точек контура (рис.6).
На стадии уточнения контура руки в каждом углублении между пальцами выделяется по две точки - одна точка определяется по максимальному расстоянию от кончика пальца слева от углубления, другая - по максимуму расстояния от кончика пальца справа от углубления (рис.7).
Если количество пальцев меньше 5 и кроме основного пятна руки имеются другие, то осуществляют процедуру присоединения пятен к контуру руки (причиной разрыва контура пальца может быть кольцо или пластырь на пальце).
При этом пятна подразделяют на пятна I типа, являющиеся промежуточной частью пальца кисти руки (рис.9), и пятна II типа, которые представляют собой фрагмент пальца, включающий кончик пальца (рис.10).
Если число пальцев оказалось не равным 5 даже после процедуры присоединения пятен, то такой контур руки отбрасывается и далее не анализируется. Если число пальцев оказалось равным 5, то осуществляют сглаживание контура руки таким образом, что для каждой точки контура строят изменения угла контура, находят точки локального минимума и точки локального максимума на графике угла и уничтожают точки контура между ними.
Дополнительно проверяют правильность расположения руки: отсутствие «слипшихся пальцев», наличие признаков ладони.
Далее выделяют признаки контура руки, определяют тип и положение руки и выделяют геометрические признаки пальцев и ладони, всего 47 индивидуальных признаков кисти руки (рис.11).
Далее определяют поверхностные признаки кисти руки по гистограмме освещенности вдоль центральной линии пальца (рис.12) и идентификационное решение принимают по совокупности геометрических признаков кисти руки поверхностных признаков.
Способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки реализуют с помощью системы идентификации личности по биометрическим признакам кисти руки.
Блок-схема предлагаемой системы представлена на рис.13, где
1 - блок адаптивной предобработки изображения,
2 - блок выделения контура кисти руки,
3 - блок выделения геометрических признаков кисти руки,
4 - блок выделения поверхностных признаков,
5 - блок сравнения с шаблонами и принятия решения.
Способ и система для биометрической идентификации личности по кисти руки являются новыми, т.к. в доступных источниках информации сведений, порочащих новизну группы изобретений, нами не выявлено.
Так как предлагаемое решение обеспечивает наличие свойств, не совпадающих со свойствами известных решений, то оно обладает «изобретательским уровнем».
Заявляемые признаки являются существенными, т.к. они обеспечивают достижение нового технического результата.
Научно-технический уровень группы изобретений обусловлен тем, что предлагаемые способ и система основываются на многолетнем опыте группы разработчиков и многочисленных промежуточных исследованиях.
Разработка сущности способа потребовала для решения поставленной задачи проведения научных теоретических и экспериментальных исследований, в результате которых был разработан метод выравнивания освещенности, обеспечивающий стабильное выделение контура кисти руки, выделение набора геометрических признаков, инвариантных к повороту кисти руки, к повороту отдельных пальцев кисти руки и к изменению масштаба изображения.
Стабильное выделение контура кисти руки достигается также за счет исправления ошибок оконтуривания кисти руки путем сшивания контура кисти руки с пятнами I и II рода.
Заявляемые признаки являются существенными, т.к. они обеспечивают достижение нового технического результата, а именно обеспечивают возможность сделать процедуру идентификации личности не зависящей от условий освещения, масштаба и положения кисти и отдельных пальцев руки, от наличия посторонних предметов на пальцах и запястье.
1. Способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, включающий выделение контура кисти руки и отдельных ее частей и сравнения полученных признаков со значениями, хранящимися в базе данных, и определение индивидуальных геометрических признаков кисти руки путем определения расстояний между отдельными участками ладони,
отличающийся тем, что определение индивидуальных геометрических признаков кисти руки производят по бинарному изображению контура кисти и запястья руки; при наличии разрывов в изображении дополняют изображение теневыми пятнами; в качестве индивидуальных геометрических признаков кисти руки используют экстремальные значения расстояний от центра ладони до концов пальцев и углублений между ними; в качестве дополнительного параметра определяют поверхностные признаки кисти руки; в качестве поверхностных признаков рассматривают гистограмму освещенности вдоль средней линии пальца.
2. Система для биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, включающая соединенные между собой видеокамеру, осветительное устройство, подложку для кисти руки, корпус и вычислительную аппаратуру, содержащую соединенные между собой: блок обучения, блок выделения признаков, блок сравнения и блок принятия решения,
отличающаяся тем, что вычислительная аппаратура дополнительно содержит блок адаптивной предобработки изображения и блок выделения поверхностных признаков кисти руки.
