專利名稱：用于執行生物測定測量的系統和方法
CN 102982312 A書明說1/11 頁用于執行生物測定測量的系統和方法
本專利申請是國際申請日為2007年8月30日、國家申請號為200780031781，9、發明名稱為“用于魯棒指紋獲取的系統和方法”的專利申請的分案申請。
相關申請的交叉引用
本申請要求于2006年8月30日 提交的標題為“SYSTEM ANDMETHOD FOR ROBUST FINGERPRINT ACQUISITION”編號為60/841，344的美國臨時申請的優先權，其公開一并在此作為參考。
本申請是Robert K. Rowe (“多譜應用”)于2005年4月25日提交的標題為 “MULTI SPECTRAL IMAGING BIOMETRICS, ” 的編號為 11/115，100 的美國申請的部分接續案，該美國申請11/115，100是非臨時申請，并要求以下每個申請的優先權=Robert K. Rowe 和 Stephen P. Corcoran 于 2004 年6 月 I 日提交的標題為 “ MULTI SPECTRAL FINGERREC0GNITI0N” 的編號為 60/576，364 的美國臨時申請；Robert K. Rowe 于 2004 年 8 月 11 日提交的標題為 “MULTISPECTRAL IMAGINGBI0METRIC” 的編號為 60/600, 867 的美國臨時申請；Robert K. Rowe于2004年9月17日提交的標題為“FINGERPRINT SP00F DETECT I ONUS ING MULT I SPECTRAL IMAGING，”的編號為 60/610，802 的美國臨時申請；Robert K. Rowe 于 2005 年 12 月 18 日提交的標題為 “SYSTEM ANDMETH0RDS FOR MULT I SPECTRAL FINGERPRINT SENSING”的編號為60/654，354的美國臨時申請；以及Robert K. Rowe等于 2005 年 3 月 4 日提交的標題為“MULTISPECTRAL IMAGING OF THE FINGER FORBIOMETRICS, ” 的編號為60/659,024的美國臨時申請，這些公開一并在此作為參考。
本申請涉及以下待審的、共同轉讓的美國專利申請Robert K. Rowe于2004 年 12 月 9 日提交的標題為 “METHODS AND SYSTEMS FOREST IMATI ON OF PERSONAL CHARACTERISTICS FROMBIOMETRIC MEASUREMENTS” 的編號為 11/009,372 的美國專利申請， Robert K. Rowe 等于 2005 年 4 月 25 日提交的標題為“MULTISPECTRALBIOMETRIC IMAGING，” 編號為11/115，101的美國專利申請，以及RobertK. Rowe于2005年4月25日提交的標題為“MULTISPECTRALLIVENESS DETERMINATION”編號為 11/115,075 的美國專利申請，這些公開一并在此作為參考。技術領域
本申請總體涉及生物測定學(biometric)。更具體地,本申請涉及生物測定識別 (biometric identification)。
背景技術：
“生物測定”通常指的是對活體特性的靜態分析。生物測定學的一個類別包括“生物測定識別”，其通常在兩種模式之一下工作，以提供對人物的自動識別或驗證目的人物身份。生物測定傳感技術測量人的物理特征和行為特性并將這些特征與類似的、預先記錄的測量做比較，以確定是否存在匹配。通常用于生物測定識別的物理特征包括臉、虹膜、掌形 (hand geometry)、靜脈結構(vein structure)和指紋圖案,指紋圖案是所有生物測定識別4特征中最普遍的一種。對所采集的指紋進行分析的方法包括光學的、電容的、射頻的、熱學的、超聲波的、以及若干其它較少見的技術。
多數指紋采集方法依賴于在手指表面或距離手指表面很近地測量皮膚特征。具體地，光學指紋讀取器典型地依賴于在傳感壓板與放在該傳感壓板上的手指之間折射率 (index of refraction)是否有差異。當分界面處的光的角度大于臨界角并且充滿空氣的指紋凹陷出現在壓板的具體位置時，由于空氣-壓板折射率(index)差異使得在壓板中發生全內反射(TIR)。相反,如果具有合適折射率的皮膚與平板光學接觸(opticalcontact), 則在該位置的TIR是“被抑止(frustrated)”，允許光穿過壓板-皮膚分界面。在手指觸摸壓板的區域上TIR的差異的圖(map)構成了傳統光學指紋讀取的基礎。存在很多用于以明場(bright-field)和暗場(dark-field)光學布置(optical arrangement)對這種光學分界面的變化進行檢測的光學設備(optical arrangement)ο通常,使用單個準單色 (quasimonochromatic)光束執行這種基于TIR的測量。
也存在非TIR光學指紋傳感器。一些非TIR接觸傳感器依靠準單色光的某一排列來照射指尖的前面、側面和背面，使得光通過皮膚而漫射(diffuse)。由于通過手指并橫跨皮膚-壓板分界面的光傳輸對于凸起和凹陷的差異，使得形成了指紋圖像。分界面處光學傳輸的差異是由Fresnel反射特性的變化而引起的,所述Fresnel反射特性的變化是由凹陷處中間空氣隙(air gap)的存在與否所導致的。一些非TIR傳感器是非接觸傳感器，其使用偏振光來對手指的表面特征成像。在一些情況下，成像系統可包括線性偏振器，可以在平行方向和垂直方向使照明光偏振以提供兩幅圖像，然后以某種方式組合這兩幅圖像以增強手指的表面特征。
盡管基于TIR現象的光學指紋讀取器是最普遍使用的指紋傳感器類型之一，然而它們易受由于非理想條件而產生的成像質量問題的影響。如果皮膚過度干燥，將會危及與平板的折射率(index)匹配，導致很差的圖像對比度。類似地，如果手指很濕，凹陷處將可能充滿水，導致遍及(all across)指紋區域產生光耦合并極大地減弱了圖像對比度。如果手指在壓板上的壓力太小或太大、皮膚或傳感器臟、皮膚老化和/或磨損、或呈現過于精細的特征(如，可能是特定的種族或非常小的孩子的情況)，也會發生類似的效應。這些效應降低了圖像質量并由此降低了指紋傳感器的整體性能。在一項最近的研究中，發現這些效應導致有16%的指紋圖像是次最優圖像質量。在一些情況下，商用光學指紋讀取器結合了諸如硅樹脂之類的柔軟材料的薄膜，以幫助減輕一些這些效應并恢復性能。作為柔軟材料，膜易受到損壞、磨損和污染，在其需要維護前限制了傳感器的使用。
生物測定傳感器，特別是指紋生物測定傳感器，通常易于被不同形式的欺騙樣本所挫敗。在指紋讀取器的情況下，本領域已知多種方法將授權用戶的指紋圖案呈現給讀取器，該指紋圖案嵌在某種無生命的材料(如紙張、凝膠、環氧樹脂(epoxy)和乳膠等)中。因此，即使可以認為指紋讀取器可靠地確定是否存在匹配的指紋圖案，然而對于整個系統安全來說確保從真實的、有生命的手指上獲取匹配的圖案也是非常重要的，而這對于很多現有傳感器來說是很難確定的。
相應地，在本領域中普遍需要改進方法和系統的來進行生物測定傳感。發明內容
本發明的實施例提供了一種生物測定測量設備，該生物測定測量設備包括一個或更多個光源、折射元件以及單個成像陣列，對所述單個成像陣列進行布置以便在單個固定的檢測器上觀察TIR和多譜圖像。在不同的配置中，系統的其它元件可以是固定的或可移動的。例如，在本發明的范圍內存在眾多的配置，其中光學組件之一或更多個進行移動以捕獲TIR和多譜圖像。
在第一組實施例中，提供了多譜與TIR相結合的生物測定成像系統。壓板具有多個面。這些面之一包括適于個人放置目的皮膚部位(purportedskin site)的表面。照明源和光學設備用于利用沿著多條不同照明路徑來自照明源的光來照射目的皮膚部位。第一照明路徑以小于臨界角的角度與該表面相遇，所述臨界角是由表面所限定的分界面的臨界角。第二照明路徑以大于臨界角的角度與該表面相遇。成像系統用于接收來自表面的光。 在將目的皮膚部位放在表面上時，沿著第一照明路徑從照明源傳播的光在目的皮膚部位上散射后，被成像系統直接接收。當表面上目的皮膚部位的存在抑止了 TIR時，成像系統接收沿著第二照明路徑從照明源傳播的光。
在這些實施例的一些中，沿著第二照明路徑從照明源傳播的、經歷全反射的光，遇到包括光吸收器在內的、壓板的面。
第二組實施例具有類似的結構，包括具有多個面的壓板，這些面之一包括適于個人放置目的皮膚部位的表面。照明源和光學設備也用于利用沿著多條不同照明路徑來自照明源的光照射目的皮膚部位，其中的第一照明路徑以小于臨界角的角度與該表面相遇，第二照明路徑以大于臨界角的角度與該表面相遇。在這些實施例中，成像系統用于接收沿著多條不同光學檢測路徑來自該表面的光。沿著第一檢測路徑來接收從目的皮膚部位散射后的、沿著第一照明路徑從照明源傳播的光。在從表面TIR后，成像系統接收沿著第二照明路徑從照明源散射的光。
在這些實施例的一些中，沿著第一和第二檢測路徑傳播的光通過壓板的不同面離開壓板。
在兩組實施例中，針對照明源和成像系統可以提供多種特性。例如，照明源可包括多個照明源，其中第一照明源用于沿著第一照明路徑提供光，第二照明源用于沿著第二照明路徑提供光。第一和第二照明源各可以是實質上單色的，或在不同的實施例中兩者之一或兩者都可以包括寬帶照明源。成像系統可包括彩色成像器。備選地，成像系統可包括全色成像器。
在不同的實施例中，光學設備還可包括一個或更多個偏振器。例如，這樣的偏振器可以利用成像系統來提供平行偏振成像、利用成像系統來提供交叉偏振成像、或利用成像系統來提供隨機偏振成像。
本發明的實施例提供了一種執行生物測定測量的方法，該方法包括從第一照明源朝著具有折射率的壓板的表面引導光；利用成像系統生成皮膚部位的圖像，成像系統相對于第一照明源和壓板并且根據折射率來被布置以接收僅在皮膚部位與在第一照明源的照明下的表面的接觸點處散射的第一光；從不同于第一照明源的第二照明源朝著表面引導光以對皮膚部位照明；利用成像系統接收響應于利用第二照明源對皮膚部位照明而從皮膚部位散射的第二光；并且至少根據接收到的第二光來確定皮膚部位的活性狀態。
本發明的實施例提供了一種用于執行生物測定測量的系統，該系統包括壓板，具有折射率；第一照明源，被布置成朝著壓板的表面引導光；第二照明源，不同于第一照明源并且被布置成朝著表面引導光；以及成像系統，成像系統相對于第一照明源和壓板并且根據折射率來被布置，以當第一照明源朝著表面引導光時接收僅在皮膚部位與表面的接觸點處散射的第一光，其中成像系統被配置成從第一光生成皮膚部位的圖像；并且成像系統被配置成當第二照明源朝著表面引導光時至少根據由成像系統接收到的第二光來確定皮膚部位的活性狀態。
通過參考說明書的剩余部分和附圖，可實現對本發明的特性和優點的進一步理解，其中，在多幅附圖中使用相似的參考標記來表示類似的組件。
本專利或申請文件包括至少一幅以彩色實現的附圖。在請求并支付必要費用后， 專利局(Office )將提供帶有彩色附圖的、本專利或專利申請公開的副本。
圖I示出了根據本發明的第一實施例的、多譜與TIR相結合的生物測定成像系統；
圖2示出了如圖I所示實施例的TIR照明源的照明路徑；
圖3示出了如圖I所示實施例的多譜照明源的照明路徑；
圖4示出了根據本發明的第二實施例的多譜與TIR相結合的生物測定成像系統；
圖5示出了如圖4所示的實施例的TIR照明源的照明路徑；
圖6示出了如圖4所示的實施例的TIR照明源的照明路徑；
圖7描述了使用圖4所示的實施例采集的圖像；
圖8示出了對在圖4所示的實施例中使用的棱鏡的光學功能加以說明的射線路徑 (彩色);
圖9示出了對在圖4所示的實施例中使用的棱鏡的光學功能加以說明的射線路徑 (彩色);
圖IOA示出了對在圖4所示的實施例中進行光傳播以實現TIR照明加以說明的射線路徑(彩色);
圖IOB示出了對在圖4所示的實施例中進行光傳播以實現直接照明加以說明的射線路徑(彩色)；以及
圖11A-11C示出在具體實施例中使用的棱鏡的等距視圖(isometricview)、正視圖和側視圖。
圖12示出根據本發明的一個實施例的照明和成像程序。
圖13示出根據本發明的一個實施例的另一照明和成像程序。
圖14示出根據本發明的一個實施例的另一照明和成像程序。
圖15示出根據本發明的一個實施例的另一照明和成像程序。
具體實施方式
I.綜述
本發明的實施例提供了可以對生物測定測量進行采集和處理的方法和系統。這些生物測定測量可以對人的識別性以及對所取得的生物測定樣本的真實性提供強有力保證，這些生物測定測量可并入很多不同類型的設備中，如蜂窩電話、個人數字助理、膝上計算機以及其它便攜式電子設備，以及用于物理或邏輯接入的單機設備中。本發明的實施例可用于針對民事識別和刑事識別的指紋圖像獲取。本發明方法和系統的共同特性是應用多譜與 TIR相結合的照明源以及單個成像系統。
本發明的傳感器提供信息豐富的數據組，這相對常規的傳感器得到了更高的安全性和可用性。所述更高的安全性得自于將來自多個圖像的信息相結合，所述多個圖像描述所測量的材料的獨特光學特性。這些特性提供了足夠的信息，使得能夠將有生命的人類皮膚與可能用于試圖欺騙傳感器的不同人造材料及方法區分開。此外，所述更高的安全性得自于本發明的方面，本發明的該方面提供了一種在多種環境和生理效應下執行測量的機制。魯棒且可靠的采樣意味著不必須放寬系統的安全標準以補償差的圖像質量。
通過減小在精確接觸和定位上對個體的約束，以及通過減小對個體的皮膚具有特定質量的要求，實現了增強的傳感器可用性。而且，從在特定光學條件下采集的圖像中提取表面下生物測定信息的能力提供了一種即使在表面特征丟失或損壞的那些情況下也執行生物測定確定的機制。在這種方式下，將本發明實施例中所使用的多譜測量與TIR測量聯合一起使用，對非理想的皮膚質量(如通常與年老、從事繁重的體力勞動和皮膚暴露在化學物下的人(如染發師和護士)有關的干燥、過濕、缺少彈性和/或磨損特征)具有有利的魯棒性。
不同的光學條件可包括偏振條件的差異、照明角度的差異、成像角度的差異以及照明波長的差異。TIR數據是受在樣本與壓板之間的分界面上TIR現象的存在和分布顯著影響的圖像結果，而與是明場還是暗場成像條件無關。這些圖像在此被稱為“TIR圖像”。在一些光學條件下，得到的圖像實質上不受壓板上是否存在TIR效應的影響。這些圖像在此被稱為“多譜圖像”。
此處所描述的應用于多譜和TIR測量中的皮膚部位包括手指、指甲和甲床(nail bed)、手掌、手背、手腕和前臂、臉、眼睛、耳朵的所有表面和所有結合處，以及身體的其它所有外表面。盡管在提供特定實施例的示例中以下討論有時提到“手指”，然而應該理解，這些實施例僅作為示例，其它實施例可使用其它身體部分的皮膚部位。
在一些實施例中，傳感器提供多個離散波長的光，所述多個離散波長的光穿透皮膚的表面并在皮膚中和/或下面的組織中散射。如此處所使用的，“離散波長”的含義是指 被看作是倉儲單元(binned unit)的波長組或波長帶,對于每一個倉儲單元,只從作為整體的該倉儲單元中提取信息，而不是從該倉儲單元的單獨波長子集中提取信息。在一些情況下，倉儲單元可以是間斷的的，這樣在提供多個離散波長時，不提供在任何波長對或波長帶之間的某一波長，但是這不是必需的。在一些例子下，波長在紫外線-可見光-近紅外波長范圍內。
被皮膚和/或下面的組織散射的一部分光離開皮膚，并用于形成皮膚表面或其下的組織結構的圖像。在一些實施例中，這種圖像可包括指紋圖像，此處廣義使用的術語“指紋”表示對具有皮膚紋(dermatoglyphic)特征的任何皮膚部位的任何表示。
基于TIR的指紋識別(fingerprinting)依靠很多假定和/或條件皮膚與傳感器良好地光接觸；使皮膚適當濕潤，使得折射率足夠大以至于在接觸點產生差異；在手指上呈現表面特征；在傳感器的表面沒有濕氣或其它污染物。當滿足這些假定和條件時TIR給出高質量、高對比度的圖像，然而在一些條件下可能不提供高質量的圖像。將TIR成像與多譜成像相結合提供了在多種環境、生理以及樣品條件下采集指紋圖像的機制。
本發明的實施例允許采集多譜和TIR數據，可將這些數據相結合以產生更高質量的傳統指紋。多譜圖像包括與TIR所提供的一些信息互補的信息。這包括活性(Iiveness) 和欺騙檢測能力、基于圖案的或彩色紋理的(chromatic textural)信息、以及確定人口統計(demographic)信息的能力。本發明的實施例使用單成像陣列，使得進一步減小了整個系統的成本、尺寸和重量。單成像系統的使用還避免了可能對于多個成像系統間對準的改變而靈敏，這些改變來自于制造的變化和在現場部署后發生的變化。
以下提供了對多譜與TIR相結合的系統的示例的詳細描述，在本發明的實施例中將相應地使用該多譜與TIR相結合的系統，然而由于其它技術可用在備選實施例中，所以這樣的描述不旨在限制。
2.第一實施例
圖1示出了本發明的第一實施例。手指101放在具有多個面的壓板103上。壓板 103的一個面被光學黑化(optically blacken facet)117。存在兩個照明系統(1)TIR照明系統，包括光源109和可選的鏡頭107 ;以及(2)多譜照明系統，包括光源113和可選的鏡頭115。鏡頭107和115各是以單獨的透鏡的形式示出的，這僅是出于說 明的目的；更普遍地，鏡頭107和115可包括對以下元件的布置透鏡、反射鏡以及用于根據要求來引導來自源109和113的光的其它光學元件。類似地，作為單獨的LED對光源109和113的說明也使示意性的；還可以使用多種其它照明源。這包括實質上單色的器件(如，LED、激光二極管等)的陣列，或寬帶源(如，白熾源等)。提供了一種單個成像系統，該單個成像系統包括數字成像器和鏡頭111。
操作程序可以包括使多譜和TIR照明源發光，以及在成像系統中采集來自不同成像位置的源的圖像。如7并排示出了多譜和TIR指紋的圖像。備選地，操作程序可以包括使多譜照明源發光，采集圖像，熄滅多譜光，使TIR照明源發光，采集另一圖像，以及處理圖像。兩個操作程序中附加的步驟可包括在兩個照明源都未發光時成像。在執行修正以補償環境光照效應方面，暗圖像可以是有用的，其中將多譜圖像和TIR圖像中的每幅圖像處理為減去暗圖像。
圖2示出了圖1所示的實施例的TIR成像模式。來自源109的光沿路徑201通過鏡頭107和面103a。在沒有手指也沒有與其它合適材料的接觸時，光在面103d處經歷TIR 反射。反射光沿路徑203遇到光學黑表面(optically black surface) 117,并被吸收。相應地，成像器沒有記錄圖像。照明路徑201 (在受面103a影響的情況下)相對于面103d的角度必須是大于臨界角的角度，以便提供TIR成像。
成像系統111沿著照明路徑205通過面103b觀察面103d。在沒有手指的情況下， 圖像是黑的。然而當手指放在與面103d接觸的時候，接觸點破壞了 TIR并允許成像系統 111看到散射光。該配置得到了以暗場布置采集的真實TIR圖像。
當壓板的表面目標與照明路徑之間的入射角大于臨界角時，發生全內反射。如本領域已知的，光的折射通常發生在具有不同折射率的兩種材料的分界面處。折射角將對于不同的照明角度而不同，并且遵循為Snell定律
Ii1Sin Θ 1 =n2sin Θ
其中Ii1可以是空氣中的折射率，112可以是壓板中的折射率，角度θ2是在相應介質中從法線到分界面測量的。因為空氣的折射率(η&)小于玻璃的折射率(nglass)，所以分界面的臨界角Θ c由以下公式給出
c =sin 2^1-)Hglass
例如，在nai,約等于I的情況下，對應典型的玻璃的折射率，nglass約等于1. 5，臨界角約為41.8度。在這種情況下，照明路徑205的入射角必須大于41. 8度。此外，為了在將手指放在壓板上時發生TIR抑止(frustration)，入射角必須小于由壓板與手指皮膚之間的分界面所限定的臨界角。對于折射率為1. 4的皮膚來說，第二臨界角約為70. O度。相應地，在此示例中，照明路徑的入射角必須大于41. 8度而小于70. O度。
圖3示出了圖1所示的實施例的多譜成像模式。來自源113的光沿著路徑301通過鏡頭115和面103c。成像系統111沿著路徑303通過面103b觀察面103d。光照路徑 301 (在受面103c影響的情況下)相對于面103d的角度必須是小于臨界角的角度。如上討論，在空氣和典型玻璃的情況下，入射角必須小于41. 8度。因為入射角小于臨界角，所以當手指放在壓板103上面或上方時，來自照明源113的照明光穿過壓板103d的頂面并照射手指的所有部分。
照射手指的光中有一部分光將從皮膚表面反射，而另一部分光將進入皮膚并經歷諸如散射和吸收之類的光學效應。通常，進入手指皮膚的光中有一部分光將散射回皮膚外并透回壓板103中。散射回到壓板103中的光沿著路徑303并將被成像系統111成像。
關于圖1-3所示的實施例，有許多應該注意到的特征。例如，在不同的實施例中， 成像器可以是全色的(panchromatic)或彩色的(color)。如前提到的，照明可以是單色的或寬帶的。在使用寬帶照明的實施例中，成像系統111可包括具有彩色濾波陣列的、例如彩色成像器形式的成像器。成像系統111可包括數字成像系統，所述數字成像系統具有數字陣列以及適于將自對象反射的光聚焦到陣列上的檢測鏡頭。例如，檢測鏡頭可包括透鏡、 反射鏡、小孔(pinhole)、這些元件的組合，或可以使用本領域技術人員已知的其它光學元件。陣列可包括硅成像陣列，如CXD或CMOS陣列、InGaAs陣列、或本領域已知的其它檢測器陣列。在一些例子中，成像系統111還可包括光學濾波器。光學濾波器可以是短波長通過濾波器(short-wavelength pass filter),其實質上阻止波長比照明波長范圍長的光。發明人發現這樣的配置在存在明亮的寬帶環境光照時提供有利的性能，這是因為波長大于約 580nm的光實質上可以穿過手指。在明亮的陽光下，這種長波長光可以使檢測器陣列飽和， 阻礙圖像的獲取。因此，使用濾波器阻礙這種長波長光而讓所有需要的照明波長通過可以是有利的。
在照明期間，成像器111可以順次得到多幅圖像。例如，當多譜照明源包括不同波長、偏振條件和/或角度的多個 源時，第一源可以發光，其間照相機獲取并存儲圖像。然后熄滅第一源并且且使第二源發光，其間獲取并存儲第二圖像。然后該序列針對所有的源繼續進行，并且還可以包括在沒有源發光時采集的“暗”圖像。此外，在照明期間任何或所有圖像條件都可以重復任意次數。可采用不同的方式來組合得到的圖像，以進行后續處理。例如，可以在每個照明狀態與暗圖像之間產生差圖像(difference image)。這兩種不同類型的圖像之間的差異使得將照明效果從背景照明中分離出來。根據本發明的另一方面，然后差圖像可用于進一步的處理。
在一些例子中，濾波器可以是彩色濾波器陣列，其還可被并作數字陣列的一部分。 彩色濾波器陣列可包括采用公知的Bayer圖案的紅-綠-藍濾波器陣列。在一些例子中， 濾波器元件可以用于傳輸與標準的紅-綠-藍波長不同的波長，可包括附加波長，和/或可以被布置成與Bayer圖案不同的圖案。在包括這種彩色濾波器陣列的例子中，照明源可以是白光或寬帶源。備選地，照明源109、113可包括多個窄帶源(如LED)，所述窄帶源的中心頻率在包含于彩色濾波器陣列中的濾波器元件的通帶中。在一些實施例中，提供波長范圍在約400-1000nm中的照明光。在其它實施例中，使用在可見光譜范圍內(即，在大約 400-700nm的范圍內)的波長。在一些情況下，使用多個實質上離散的波長，如在實施例中， 三種照明波長分別對應在大約600、540和450nm的紅、綠和藍顏色。此外，在其它實施例中， 成像器111可以同時或相繼地并排記錄圖像。
還可以針對多譜和TIR成像中的每一種提供多個照明源。在一些例子中，所述多個源中的每個源可以名義上相同，用于提供給實質上統一的照明和/或所需強度的照明。 在其它例子中，所述多個源可以是選定的不同波長的窄帶源，使得當這些源一起發光時這些源包括可以和彩色成像器一起使用的寬帶照明源。在一些實施例中，偏振器(polarizer) 可以包含于照明和/或檢測子系統中，以提供平行偏振(parallel-polarization)成像、交叉偏振成像或隨機偏振成像。
3.第二實施例
圖4示出了本發明的第二實施例。在該實施例中，手指401放在具有多個面的壓板403上。同樣存在兩種照明系統，包括光源409和鏡頭407的TIR照明系統，以及包括光源413和鏡頭415的多譜照明系統。同樣，光源409和413的簡單性和鏡頭407和415的簡單性僅是說明性的，比所示更復雜的光學設備以及對不同照明源的使用應在本發明的范圍內。存在包括數字成像器和鏡頭的單個成像系統，由參考數字411全體表示。在該實施例中，操作程序包括同時使多譜照明源和TIR照明源發光。布置面403b和403c以及成像系統411，使得多譜圖像和TIR圖像位于數字圖像的不同部分上。與圖I的實施例相似，在一些例子中可以采集沒有光照的暗圖像。這允許通過從多譜圖像和TIR圖像中的每幅圖像中減去暗圖像來修正環境光照效應。
圖5示出了圖4所示的實施例的TIR成像模式。來自源409的光沿著照明路徑 501通過鏡頭407和面403a。照明路徑以大于臨界角的角度入射到面403e上。在沒有手指或與其它合適的材料的接觸時，光在面403e處經歷TIR反射。反射光沿著路徑503在面 403d經歷TIR反射，通過面403c，并且在沿著路徑505之后被成像系統411采集。在光分別遇到面403e和403d時，路徑501和503的角度必須大于臨界角以確保在這些表面上的 TIR反射。成像系統111通過面403c沿著照明路徑503觀察面403e。在沒有手指401時， 圖像是明亮的。然而，當手指放在與面103d接觸時，接觸點破壞TIR并吸收否則應該經歷 TIR反射的光，如成像系統411所見使這些點相對暗。
圖6示出了圖4所示的實施例的多譜成像模式。來自源413的光沿著路徑601通過鏡頭415和面403c。光照路徑601 (在受面403c影響的情況下)相對于面403e相對的角度必須是小于臨界角的角度。成像系統411沿著照明路徑603通過面403c觀察面403e。 在沒有手指的情況下，圖像是暗的。然而當手指放在與面403e接觸時，來自源413的光中的一些光在路徑603的方向上被皮膚表面反射并為成像器411所見。此外,一些光被皮膚的表面部分擴散地反射(diffusely reflect)并且也由成像器411來測量。
圖4-6所示的壓板403具有面403b和403c。如圖5_6示出并討論的，在表面403e 處反射和散射之后，在成像器成像之前，光通過這些面中的每一個。這些面403b和403c是非平行的平面。
圖7描述了當手指觸摸面403e并且TIR光源409和多譜光源413都發光時由成像系統411采集的圖像700的示例。圖像700示出了手指的TIR圖像705和同一手指的多譜圖像703。可以對這些圖像進行不同的處理，例如，評估多譜圖像703以確保手指不是欺騙樣本或被修改過。可以將多譜圖像703和TIR圖像705相結合，以提供指紋的單個合成表示，其與指紋圖案的單色表示相對應。
與圖1-3的實施例類似，存在圖4-6的實施例的很多變體，這些變體也在本發明的范圍之內。例如，成像器可以是全色的或彩色的，照明可以是實質上單色的或寬帶的。在使用寬帶照明的實施例中，有時成像器可以包括彩色濾波器陣列以提供彩色成像器。照明源 409和413可以各包括多個照明源，所述多個照明源名義上相同并且可以用于提供實質上統一的照明和/或所需強度的照明。在特定例子中，所述多個源包括不同波長的窄帶源，這些窄帶源在一起發光時提供寬帶照明源以供彩色成像器使用。
照明源還可以是可移動的。照明源可移動以從不同的角度照射表面目標。在位置之間可關閉照明源，或在位置之間移動期間保持照明源開啟。此外，成像器可以在照明源移動時記錄圖像，成像器可以在照明源從特定的位置照射表面目標或開啟照明源之前一直等待。
可以實現圖1-6所示的光學組件的特定特性以滿足不同的形狀因子 (form-factor)約束。例如,在作為系統的一部分在變速桿(gear_shifthandle)頂部中實現皮膚部位或表面目標以驗證車輛駕駛者身份的實施例中，照明源和成像設備可能不適于構建在變速桿把手中。在這樣的實施例中，可以實現光中繼(optical relay)系統。例如， 可以使用中繼鏡頭，所述中繼鏡頭包括與在光學孔徑儀(bore scope)中使用的透鏡相類似的、單獨的透鏡，或備選地使用例如在正射投影儀(orthoscope)中使用的光纖。在其它例子中，可以通過使用反射鏡來將照明源和/或成像子系統的光學路徑折疊，以減少總的尺寸。 對本領域技術人員來說，實現光中繼系統和/或折疊光學系統的其它技術是顯然的。這樣， 傳感器的組件可以位于遠離采樣表面處，或被配置為適于其它形狀因子的限制。
還可以在多譜照明和/或檢測系統中插入偏振器，以在不同實施例中提供平行偏振成像、交叉偏振成像、或隨機偏振成像的。偏振器可以是線性的、圓形的、橢圓的、或其某種組合。在這樣的實施例中，照明源可以是寬帶的或窄帶的。如果是窄帶的，源可以都是同樣的波長或是實質上不同的波長。偏振器還可在一些或所有的照明源上提供“交叉偏振”布置或“平行偏振”布置。在多個照明源系統中，一個或更多個照明子系統可省略偏振器，產生隨機偏振的照明光。
在照明源之一提供交叉偏振布置的情況下，可以將偏振器設置或定向為提供與成像系統處的偏振相正交地偏振的照明光。由于其它光會被阻止，這種正交性有用于確保檢測到的光經歷多個散射事件(如在皮膚部位)。在照明子系統被定向在小于臨界角的角度的情況下，交叉偏振器的這種特性尤為明顯。在這種情況下，如果沒有交叉正交器，則可以從皮膚的表面反射、淺散射事件和深散射事件檢測光。當使用交叉偏振器時，顯著地削弱了表面和淺散射現象。相反，可以有利地使用平行偏振器來增強表面特征和淺散射效應。有利地，還可以具體與至少一個其它偏振狀態聯合使用隨機偏振。
在線性偏振器的情況下，通過對照明偏振器定向使得照明偏振器的軸與檢測偏振器的軸分開約90°，可以提供交叉偏振布置。在偏振器是圓形偏振器的備選實施例中，通過使圓形偏振器反指向(即右側和左側)，可以實現交叉偏振布置的正交性。此外，在線性偏振器的情況下，通過對照明偏振器定向使得照明偏振器的軸大約與檢測偏振器的軸平行， 可以提供平行偏振布置。在偏振器是圓形偏振器的備選實施例中，通過使用同指向(same sense)的圓形偏振器，可以實現平行偏振。由于偏振器的效應，使得甚至在僅使用單個照明波長的情況下，也可以通過改變系統的偏振狀態來實現多種不同的光學條件。當然，多譜條件還可以包括使用不同的照明波長、不同的照明角度和不同的成像角度、以及不同的光學條件的組合。
另外的效用來自于觀察到交叉偏振布置極大地減小了先前用戶留在壓板上的潛在印記(latent print)的可見性(visibility),從而提供了改進的圖像質量并且減小了通過“重新激活”潛在印記來進行欺騙的可能性。該布置的效用還延伸到傳統光學指紋讀取器。具體地，暗場光學指紋系統非常適于附加采用這種布置的偏振元件。
更普遍地，根據諸如如潛在印記之類的效應的獨特光學特性，可以識別出這些效應并將它們從得到的多譜數據中分割出來。例如，關于不同偏振條件的潛在印記的光學質量與活的人體組織不同。類似地，作為波長和照明角度的函數，潛在印記的譜特性也與活的人體體組織有很大的不同。因此，如本領域已知的，對多譜數據譜性質的分析可以提供通過諸如譜分離(spectral unmixing)之類的技術將真實的組織與根據潛在印記生成的人工產物分離開的手段。譜分析還可以用于執行圖像分割，從圖像背景中限定和隔離出包含組織數據在內的圖像區域。以相似的方式，在本發明的多譜數據組中可用的信息全體非常適于將真實的人的皮膚與使用人造樣本或使用其他手段來欺騙傳感器的各種嘗試區分開來。 對于人的皮膚來說，在多種波長、偏振條件和照明角度下，皮膚的復合光學特性是不同的， 并且可以用于區分皮膚與可能用于試圖欺騙傳感器的許多不同種類的材料。
利用這樣的機制可產生本發明不同實施例的非固定變體，如，具有可移動的成像器或旋轉的光學元件，使得可以利用成像系統得到多譜或TIR圖像。雖然這樣的配置具有允許使用更小成像器的優點，然而由于圖像的串行獲取和更高的系統復雜度，這些配置還傾向于具有更長的采集時間。
圖8-11示出了圖1-6的實施例的光學系統的一些附加分析。光學系統可使用作為具有多個面的棱鏡而提供的壓板。這為單個成像透鏡和和成像器提供了雙圖像，所述雙圖像位于成像器上的單獨位置處。在示出了壓板的側視圖和等距視圖(isometric view)的圖8和圖9中，綠格子表不手指將放直的位直。該位直可以稱為表面目標。每幅圖815、915 右側所示的三條射線路徑表示多譜成像路徑，每幅圖810、910的左側所示的三條射線路徑表示傳統TIR成像路徑。僅以示例的方式，以粘合的三合體消色差透鏡(cemented triplet achromat)的形式來提供所示系統中的成像透鏡。也可使用其它透鏡系統對手指成像。圖 8示出了具有兩個非平行成像面840和845的壓板；圖9也示出具有兩個非平行成像面940 和945的壓板。CN 102982312 A書明說11/11 頁
例如，在特定的變體中，保持使用單個成像器，但是針對傳統的TIR和直接路徑提供單獨的成像透鏡系統。圖IOA表示針對TIR情況光傳播的路徑。與棱鏡壓板接觸的手指將阻止TIR光，并在相應的接觸位置處導致成像器上的較小光強度。圖IOB表示針對多譜照明的一種可能的方案。其它方案可使用TIR光源作為直接照明器，以及使用另一源作為偏振的直接照明器。直接照明光將從手指散射開，一些散射光將落在成像透鏡上并在成像器上形成手指的圖像。
圖11A-11C示出了針對特定實施例的棱鏡1100的近似尺寸，尺寸以毫米為單位示出。可以選擇底部的角度以使得光的路徑在成像透鏡處相交。還可選擇這些角度以使來自多譜源和TIR源的光路徑并排輸入在成像器上。可設計這些角度使得光學路徑長度更接近傳統TIR和直接成像路徑。圖IlC示出非平行成像面1162和1164。在不同的實施例(包括使用兩個 成像透鏡設備的實施例)中可使用不同的棱鏡形狀。
以上所述的本發明的不同實施例可遵循與圖12-15所示的不同程序。這些程序僅僅是示例性的。圖12示出一個示例性照明和成像程序。使第一照明源發光1202，將光引導至可以在其上放置生物測定特征的壓板表面1204，在成像器的第一位置采集圖像1206，以及然后使第一照明源變暗1208。然后使第二照明源發光1210，將光引導至可以在其上放置生物測定特征的壓板表面1212，在成像器的第二位置采集圖像1214，以及然后使第二照明源變暗1216。處理圖像1218和存儲圖像1220。在其它順序中，可根據應用需要來除去處理1218和/或存儲1220步驟。
在圖13描述的程序中，步驟1302-1316與圖12中的步驟1202-1216相同。然而， 在該程序中，在處理1320和存儲步驟1322之前包括在兩個成像位置采集暗圖像的附加步驟 1318。
圖14所示的程序使第一照明源1402發光，將光引導至壓板表面1404，使第二照明源1406發光，將光引導至壓板表面1408，以及同時在成像器上的第一和第二圖像位置采集圖像1410。在該程序中，兩個照明源同時在不同的位置照射成像器，而在圖12和13所示的程序中，成像器僅當其它源變暗時在每個位置采集圖像。
作為最后的示例性程序，圖15示出的程序使第一照明源發光1502，將光引導至壓板表面1504，使第二照明源發光1506，將光引導至壓板表面1508，以及同時在成像器上的第一和第二圖像位置采集圖像1510。在成像器采集兩種圖像后，使兩個源變暗1512，在第一和第二圖像位置采集暗圖像1514。
由此，通過描述幾個實施例，本領域技術人員應該認識到，可以在不背離本發明的精神的前提下使用不同的修改、備選結構和等價物。相應地，不應將以上描述視為對本發明范圍的限制，本發明的范圍由后續權利要求限定。1權利要求
1.一種執行生物測定測量的方法，所述方法包括 從第一照明源朝著具有折射率的壓板的表面引導光； 利用成像系統生成皮膚部位的圖像，所述成像系統相對于所述第一照明源和所述壓板并且根據所述折射率來被布置以接收僅在所述皮膚部位與在所述第一照明源的照明下的所述表面的接觸點處散射的第一光； 從不同于所述第一照明源的第二照明源朝著所述表面引導光以對所述皮膚部位照明； 利用所述成像系統接收響應于利用所述第二照明源對所述皮膚部位照明而從所述皮膚部位散射的第二光；并且 至少根據接收到的所述第二光來確定所述皮膚部位的活性狀態。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，所述第二照明源包括多個第二照明源。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述第一照明源包括多個第一照明源。
4.根據權利要求I所述的方法，其中，從所述第二照明源引導光以對所述皮膚部位照明包括在多個不同波長下對所述皮膚部位照明。
5.根據權利要求I所述的方法，其中，從所述第二照明源引導光以對所述皮膚部位照明包括在多個不同偏振條件下對所述皮膚部位照明。
6.根據權利要求I所述的方法，其中，從所述第一照明源引導光、利用所述成像系統生成所述圖像、從所述第二照明源引導光以及接收從所述皮膚部位散射的第二光的步驟是依次執行的。
7.根據權利要求I所述的方法，其中，從所述第一照明源引導光、利用所述成像系統生成所述圖像、從所述第二照明源引導光以及接收從所述皮膚部位散射的第二光的步驟是依次并且以所述順序執行的。
8.根據權利要求I所述的方法，其中，所述壓板包括具有多個面的棱鏡，所述壓板的所述表面對應于所述多個面中的第一個。
9.根據權利要求8所述的方法，其中 從所述第一照明源朝著所述壓板的所述表面引導光包括引導光通過所述多個面中的第二個；并且 從所述第二照明源朝著所述表面引導光包括弓I導光通過所述多個面中的第三個。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，所述多個面中的所述第一個、第二個和第三個包括所述棱鏡的不同面。
11.根據權利要求9所述的方法，其中，所述多個面中的至少一個包括光吸收器。
12.根據權利要求I所述的方法，其中，所述成像系統包括彩色成像器。
13.根據權利要求I所述的方法，其中，所述成像系統包括全色成像器。
14.一種用于執行生物測定測量的系統，所述系統包括 壓板，具有折射率； 第一照明源，被布置成朝著所述壓板的表面引導光； 第二照明源，不同于所述第一照明源并且被布置成朝著所述表面引導光；以及 成像系統，所述成像系統相對于所述第一照明源和所述壓板并且根據所述折射率來被布置，以當所述第一照明源朝著所述表面引導光時接收僅在皮膚部位與所述表面的接觸點處散射的第一光， 其中 所述成像系統被配置成從所述第一光生成所述皮膚部位的圖像；并且所述成像系統被配置成當所述第二照明源朝著所述表面引導光時至少根據由所述成像系統接收到的第二光來確定所述皮膚部位的活性狀態。
15.根據權利要求14所述的系統，其中，所述第二照明源包括多個第二照明源。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述第一照明源包括多個第一照明源。
17.根據權利要求14所述的系統，其中，所述第二照明源在多個不同波長下對所述皮膚部位照明。
18.根據權利要求14所述的系統，其中，所述第二照明源在多個不同光學條件下對所述皮膚部位照明。
19.根據權利要求14所述的系統，其中，所述壓板包括具有多個面的棱鏡，所述壓板的所述表面對應于所述多個面中的第一個。
20.根據權利要求19所述的系統，其中 所述第一照明源被布置成引導光通過所述多個面中的第二個； 所述第二照明源被布置成引導光通過所述多個面中的第三個。
21.根據權利要求20所述的系統，其中，所述第一個、第二個和第三個面包括所述棱鏡的不同面。
22.根據權利要求20所述的系統，其中，所述多個面中的至少一個包括光吸收器。
23.根據權利要求14所述的系統，其中，所述成像系統包括彩色成像器。
24.根據權利要求14所述的系統，其中，所述成像系統包括全色成像器。
全文摘要
公開了一種用于執行生物測定測量的系統和方法。其中，該系統包括壓板，具有折射率；第一照明源，被布置成朝著壓板的表面引導光；第二照明源，不同于第一照明源并且被布置成朝著表面引導光；以及成像系統，成像系統相對于第一照明源和壓板并且根據折射率來被布置，以當第一照明源朝著表面引導光時接收僅在皮膚部位與表面的接觸點處散射的第一光，其中成像系統被配置成從第一光生成皮膚部位的圖像；并且成像系統被配置成當第二照明源朝著表面引導光時至少根據由成像系統接收到的第二光來確定皮膚部位的活性狀態。
文檔編號G06K9/00GK102982312SQ20121039035
公開日2013年3月20日 申請日期2007年8月30日 優先權日2006年8月30日
發明者羅伯特·K·羅, 瑞安·馬丁 申請人:光譜辨識公司