用于执行生物测定测量的系统和方法

专利名称：用于执行生物测定测量的系统和方法
CN 102982312 A书明说1/11 页用于执行生物测定测量的系统和方法
本专利申请是国际申请日为2007年8月30日、国家申请号为200780031781，9、发明名称为“用于鲁棒指纹获取的系统和方法”的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年8月30日 提交的标题为“SYSTEM ANDMETHOD FOR ROBUST FINGERPRINT ACQUISITION”编号为60/841，344的美国临时申请的优先权，其公开一并在此作为参考。
本申请是Robert K. Rowe (“多谱应用”)于2005年4月25日提交的标题为 “MULTI SPECTRAL IMAGING BIOMETRICS, ” 的编号为 11/115，100 的美国申请的部分接续案，该美国申请11/115，100是非临时申请，并要求以下每个申请的优先权=Robert K. Rowe 和 Stephen P. Corcoran 于 2004 年6 月 I 日提交的标题为 “ MULTI SPECTRAL FINGERREC0GNITI0N” 的编号为 60/576，364 的美国临时申请；Robert K. Rowe 于 2004 年 8 月 11 日提交的标题为 “MULTISPECTRAL IMAGINGBI0METRIC” 的编号为 60/600, 867 的美国临时申请；Robert K. Rowe于2004年9月17日提交的标题为“FINGERPRINT SP00F DETECT I ONUS ING MULT I SPECTRAL IMAGING，”的编号为 60/610，802 的美国临时申请；Robert K. Rowe 于 2005 年 12 月 18 日提交的标题为 “SYSTEM ANDMETH0RDS FOR MULT I SPECTRAL FINGERPRINT SENSING”的编号为60/654，354的美国临时申请；以及Robert K. Rowe等于 2005 年 3 月 4 日提交的标题为“MULTISPECTRAL IMAGING OF THE FINGER FORBIOMETRICS, ” 的编号为60/659,024的美国临时申请，这些公开一并在此作为参考。
本申请涉及以下待审的、共同转让的美国专利申请Robert K. Rowe于2004 年 12 月 9 日提交的标题为 “METHODS AND SYSTEMS FOREST IMATI ON OF PERSONAL CHARACTERISTICS FROMBIOMETRIC MEASUREMENTS” 的编号为 11/009,372 的美国专利申请， Robert K. Rowe 等于 2005 年 4 月 25 日提交的标题为“MULTISPECTRALBIOMETRIC IMAGING，” 编号为11/115，101的美国专利申请，以及RobertK. Rowe于2005年4月25日提交的标题为“MULTISPECTRALLIVENESS DETERMINATION”编号为 11/115,075 的美国专利申请，这些公开一并在此作为参考。技术领域
本申请总体涉及生物测定学(biometric)。更具体地,本申请涉及生物测定识别 (biometric identification)。
背景技术：
“生物测定”通常指的是对活体特性的静态分析。生物测定学的一个类别包括“生物测定识别”，其通常在两种模式之一下工作，以提供对人物的自动识别或验证目的人物身份。生物测定传感技术测量人的物理特征和行为特性并将这些特征与类似的、预先记录的测量做比较，以确定是否存在匹配。通常用于生物测定识别的物理特征包括脸、虹膜、掌形 (hand geometry)、静脉结构(vein structure)和指纹图案,指纹图案是所有生物测定识别4特征中最普遍的一种。对所采集的指纹进行分析的方法包括光学的、电容的、射频的、热学的、超声波的、以及若干其它较少见的技术。
多数指纹采集方法依赖于在手指表面或距离手指表面很近地测量皮肤特征。具体地，光学指纹读取器典型地依赖于在传感压板与放在该传感压板上的手指之间折射率 (index of refraction)是否有差异。当分界面处的光的角度大于临界角并且充满空气的指纹凹陷出现在压板的具体位置时，由于空气-压板折射率(index)差异使得在压板中发生全内反射(TIR)。相反,如果具有合适折射率的皮肤与平板光学接触(opticalcontact), 则在该位置的TIR是“被抑止(frustrated)”，允许光穿过压板-皮肤分界面。在手指触摸压板的区域上TIR的差异的图(map)构成了传统光学指纹读取的基础。存在很多用于以明场(bright-field)和暗场(dark-field)光学布置(optical arrangement)对这种光学分界面的变化进行检测的光学设备(optical arrangement)ο通常,使用单个准单色 (quasimonochromatic)光束执行这种基于TIR的测量。
也存在非TIR光学指纹传感器。一些非TIR接触传感器依靠准单色光的某一排列来照射指尖的前面、侧面和背面，使得光通过皮肤而漫射(diffuse)。由于通过手指并横跨皮肤-压板分界面的光传输对于凸起和凹陷的差异，使得形成了指纹图像。分界面处光学传输的差异是由Fresnel反射特性的变化而引起的,所述Fresnel反射特性的变化是由凹陷处中间空气隙(air gap)的存在与否所导致的。一些非TIR传感器是非接触传感器，其使用偏振光来对手指的表面特征成像。在一些情况下，成像系统可包括线性偏振器，可以在平行方向和垂直方向使照明光偏振以提供两幅图像，然后以某种方式组合这两幅图像以增强手指的表面特征。
尽管基于TIR现象的光学指纹读取器是最普遍使用的指纹传感器类型之一，然而它们易受由于非理想条件而产生的成像质量问题的影响。如果皮肤过度干燥，将会危及与平板的折射率(index)匹配，导致很差的图像对比度。类似地，如果手指很湿，凹陷处将可能充满水，导致遍及(all across)指纹区域产生光耦合并极大地减弱了图像对比度。如果手指在压板上的压力太小或太大、皮肤或传感器脏、皮肤老化和/或磨损、或呈现过于精细的特征(如，可能是特定的种族或非常小的孩子的情况)，也会发生类似的效应。这些效应降低了图像质量并由此降低了指纹传感器的整体性能。在一项最近的研究中，发现这些效应导致有16%的指纹图像是次最优图像质量。在一些情况下，商用光学指纹读取器结合了诸如硅树脂之类的柔软材料的薄膜，以帮助减轻一些这些效应并恢复性能。作为柔软材料，膜易受到损坏、磨损和污染，在其需要维护前限制了传感器的使用。
生物测定传感器，特别是指纹生物测定传感器，通常易于被不同形式的欺骗样本所挫败。在指纹读取器的情况下，本领域已知多种方法将授权用户的指纹图案呈现给读取器，该指纹图案嵌在某种无生命的材料(如纸张、凝胶、环氧树脂(epoxy)和乳胶等)中。因此，即使可以认为指纹读取器可靠地确定是否存在匹配的指纹图案，然而对于整个系统安全来说确保从真实的、有生命的手指上获取匹配的图案也是非常重要的，而这对于很多现有传感器来说是很难确定的。
相应地，在本领域中普遍需要改进方法和系统的来进行生物测定传感。发明内容
本发明的实施例提供了一种生物测定测量设备，该生物测定测量设备包括一个或更多个光源、折射元件以及单个成像阵列，对所述单个成像阵列进行布置以便在单个固定的检测器上观察TIR和多谱图像。在不同的配置中，系统的其它元件可以是固定的或可移动的。例如，在本发明的范围内存在众多的配置，其中光学组件之一或更多个进行移动以捕获TIR和多谱图像。
在第一组实施例中，提供了多谱与TIR相结合的生物测定成像系统。压板具有多个面。这些面之一包括适于个人放置目的皮肤部位(purportedskin site)的表面。照明源和光学设备用于利用沿着多条不同照明路径来自照明源的光来照射目的皮肤部位。第一照明路径以小于临界角的角度与该表面相遇，所述临界角是由表面所限定的分界面的临界角。第二照明路径以大于临界角的角度与该表面相遇。成像系统用于接收来自表面的光。 在将目的皮肤部位放在表面上时，沿着第一照明路径从照明源传播的光在目的皮肤部位上散射后，被成像系统直接接收。当表面上目的皮肤部位的存在抑止了 TIR时，成像系统接收沿着第二照明路径从照明源传播的光。
在这些实施例的一些中，沿着第二照明路径从照明源传播的、经历全反射的光，遇到包括光吸收器在内的、压板的面。
第二组实施例具有类似的结构，包括具有多个面的压板，这些面之一包括适于个人放置目的皮肤部位的表面。照明源和光学设备也用于利用沿着多条不同照明路径来自照明源的光照射目的皮肤部位，其中的第一照明路径以小于临界角的角度与该表面相遇，第二照明路径以大于临界角的角度与该表面相遇。在这些实施例中，成像系统用于接收沿着多条不同光学检测路径来自该表面的光。沿着第一检测路径来接收从目的皮肤部位散射后的、沿着第一照明路径从照明源传播的光。在从表面TIR后，成像系统接收沿着第二照明路径从照明源散射的光。
在这些实施例的一些中，沿着第一和第二检测路径传播的光通过压板的不同面离开压板。
在两组实施例中，针对照明源和成像系统可以提供多种特性。例如，照明源可包括多个照明源，其中第一照明源用于沿着第一照明路径提供光，第二照明源用于沿着第二照明路径提供光。第一和第二照明源各可以是实质上单色的，或在不同的实施例中两者之一或两者都可以包括宽带照明源。成像系统可包括彩色成像器。备选地，成像系统可包括全色成像器。
在不同的实施例中，光学设备还可包括一个或更多个偏振器。例如，这样的偏振器可以利用成像系统来提供平行偏振成像、利用成像系统来提供交叉偏振成像、或利用成像系统来提供随机偏振成像。
本发明的实施例提供了一种执行生物测定测量的方法，该方法包括从第一照明源朝着具有折射率的压板的表面引导光；利用成像系统生成皮肤部位的图像，成像系统相对于第一照明源和压板并且根据折射率来被布置以接收仅在皮肤部位与在第一照明源的照明下的表面的接触点处散射的第一光；从不同于第一照明源的第二照明源朝着表面引导光以对皮肤部位照明；利用成像系统接收响应于利用第二照明源对皮肤部位照明而从皮肤部位散射的第二光；并且至少根据接收到的第二光来确定皮肤部位的活性状态。
本发明的实施例提供了一种用于执行生物测定测量的系统，该系统包括压板，具有折射率；第一照明源，被布置成朝着压板的表面引导光；第二照明源，不同于第一照明源并且被布置成朝着表面引导光；以及成像系统，成像系统相对于第一照明源和压板并且根据折射率来被布置，以当第一照明源朝着表面引导光时接收仅在皮肤部位与表面的接触点处散射的第一光，其中成像系统被配置成从第一光生成皮肤部位的图像；并且成像系统被配置成当第二照明源朝着表面引导光时至少根据由成像系统接收到的第二光来确定皮肤部位的活性状态。


通过参考说明书的剩余部分和附图，可实现对本发明的特性和优点的进一步理解，其中，在多幅附图中使用相似的参考标记来表示类似的组件。
本专利或申请文件包括至少一幅以彩色实现的附图。在请求并支付必要费用后， 专利局(Office )将提供带有彩色附图的、本专利或专利申请公开的副本。
图I示出了根据本发明的第一实施例的、多谱与TIR相结合的生物测定成像系统；
图2示出了如图I所示实施例的TIR照明源的照明路径；
图3示出了如图I所示实施例的多谱照明源的照明路径；
图4示出了根据本发明的第二实施例的多谱与TIR相结合的生物测定成像系统；
图5示出了如图4所示的实施例的TIR照明源的照明路径；
图6示出了如图4所示的实施例的TIR照明源的照明路径；
图7描述了使用图4所示的实施例采集的图像；
图8示出了对在图4所示的实施例中使用的棱镜的光学功能加以说明的射线路径 (彩色);
图9示出了对在图4所示的实施例中使用的棱镜的光学功能加以说明的射线路径 (彩色);
图IOA示出了对在图4所示的实施例中进行光传播以实现TIR照明加以说明的射线路径(彩色);
图IOB示出了对在图4所示的实施例中进行光传播以实现直接照明加以说明的射线路径(彩色)；以及
图11A-11C示出在具体实施例中使用的棱镜的等距视图(isometricview)、正视图和侧视图。
图12示出根据本发明的一个实施例的照明和成像程序。
图13示出根据本发明的一个实施例的另一照明和成像程序。
图14示出根据本发明的一个实施例的另一照明和成像程序。
图15示出根据本发明的一个实施例的另一照明和成像程序。
具体实施方式
I.综述
本发明的实施例提供了可以对生物测定测量进行采集和处理的方法和系统。这些生物测定测量可以对人的识别性以及对所取得的生物测定样本的真实性提供强有力保证，这些生物测定测量可并入很多不同类型的设备中，如蜂窝电话、个人数字助理、膝上计算机以及其它便携式电子设备，以及用于物理或逻辑接入的单机设备中。本发明的实施例可用于针对民事识别和刑事识别的指纹图像获取。本发明方法和系统的共同特性是应用多谱与 TIR相结合的照明源以及单个成像系统。
本发明的传感器提供信息丰富的数据组，这相对常规的传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将来自多个图像的信息相结合，所述多个图像描述所测量的材料的独特光学特性。这些特性提供了足够的信息，使得能够将有生命的人类皮肤与可能用于试图欺骗传感器的不同人造材料及方法区分开。此外，所述更高的安全性得自于本发明的方面，本发明的该方面提供了一种在多种环境和生理效应下执行测量的机制。鲁棒且可靠的采样意味着不必须放宽系统的安全标准以补偿差的图像质量。
通过减小在精确接触和定位上对个体的约束，以及通过减小对个体的皮肤具有特定质量的要求，实现了增强的传感器可用性。而且，从在特定光学条件下采集的图像中提取表面下生物测定信息的能力提供了一种即使在表面特征丢失或损坏的那些情况下也执行生物测定确定的机制。在这种方式下，将本发明实施例中所使用的多谱测量与TIR测量联合一起使用，对非理想的皮肤质量(如通常与年老、从事繁重的体力劳动和皮肤暴露在化学物下的人(如染发师和护士)有关的干燥、过湿、缺少弹性和/或磨损特征)具有有利的鲁棒性。
不同的光学条件可包括偏振条件的差异、照明角度的差异、成像角度的差异以及照明波长的差异。TIR数据是受在样本与压板之间的分界面上TIR现象的存在和分布显著影响的图像结果，而与是明场还是暗场成像条件无关。这些图像在此被称为“TIR图像”。在一些光学条件下，得到的图像实质上不受压板上是否存在TIR效应的影响。这些图像在此被称为“多谱图像”。
此处所描述的应用于多谱和TIR测量中的皮肤部位包括手指、指甲和甲床(nail bed)、手掌、手背、手腕和前臂、脸、眼睛、耳朵的所有表面和所有结合处，以及身体的其它所有外表面。尽管在提供特定实施例的示例中以下讨论有时提到“手指”，然而应该理解，这些实施例仅作为示例，其它实施例可使用其它身体部分的皮肤部位。
在一些实施例中，传感器提供多个离散波长的光，所述多个离散波长的光穿透皮肤的表面并在皮肤中和/或下面的组织中散射。如此处所使用的，“离散波长”的含义是指 被看作是仓储单元(binned unit)的波长组或波长带,对于每一个仓储单元,只从作为整体的该仓储单元中提取信息，而不是从该仓储单元的单独波长子集中提取信息。在一些情况下，仓储单元可以是间断的的，这样在提供多个离散波长时，不提供在任何波长对或波长带之间的某一波长，但是这不是必需的。在一些例子下，波长在紫外线-可见光-近红外波长范围内。
被皮肤和/或下面的组织散射的一部分光离开皮肤，并用于形成皮肤表面或其下的组织结构的图像。在一些实施例中，这种图像可包括指纹图像，此处广义使用的术语“指纹”表示对具有皮肤纹(dermatoglyphic)特征的任何皮肤部位的任何表示。
基于TIR的指纹识别(fingerprinting)依靠很多假定和/或条件皮肤与传感器良好地光接触；使皮肤适当湿润，使得折射率足够大以至于在接触点产生差异；在手指上呈现表面特征；在传感器的表面没有湿气或其它污染物。当满足这些假定和条件时TIR给出高质量、高对比度的图像，然而在一些条件下可能不提供高质量的图像。将TIR成像与多谱成像相结合提供了在多种环境、生理以及样品条件下采集指纹图像的机制。
本发明的实施例允许采集多谱和TIR数据，可将这些数据相结合以产生更高质量的传统指纹。多谱图像包括与TIR所提供的一些信息互补的信息。这包括活性(Iiveness) 和欺骗检测能力、基于图案的或彩色纹理的(chromatic textural)信息、以及确定人口统计(demographic)信息的能力。本发明的实施例使用单成像阵列，使得进一步减小了整个系统的成本、尺寸和重量。单成像系统的使用还避免了可能对于多个成像系统间对准的改变而灵敏，这些改变来自于制造的变化和在现场部署后发生的变化。
以下提供了对多谱与TIR相结合的系统的示例的详细描述，在本发明的实施例中将相应地使用该多谱与TIR相结合的系统，然而由于其它技术可用在备选实施例中，所以这样的描述不旨在限制。
2.第一实施例
图1示出了本发明的第一实施例。手指101放在具有多个面的压板103上。压板 103的一个面被光学黑化(optically blacken facet)117。存在两个照明系统(1)TIR照明系统，包括光源109和可选的镜头107 ;以及(2)多谱照明系统，包括光源113和可选的镜头115。镜头107和115各是以单独的透镜的形式示出的，这仅是出于说 明的目的；更普遍地，镜头107和115可包括对以下元件的布置透镜、反射镜以及用于根据要求来引导来自源109和113的光的其它光学元件。类似地，作为单独的LED对光源109和113的说明也使示意性的；还可以使用多种其它照明源。这包括实质上单色的器件(如，LED、激光二极管等)的阵列，或宽带源(如，白炽源等)。提供了一种单个成像系统，该单个成像系统包括数字成像器和镜头111。
操作程序可以包括使多谱和TIR照明源发光，以及在成像系统中采集来自不同成像位置的源的图像。如7并排示出了多谱和TIR指纹的图像。备选地，操作程序可以包括使多谱照明源发光，采集图像，熄灭多谱光，使TIR照明源发光，采集另一图像，以及处理图像。两个操作程序中附加的步骤可包括在两个照明源都未发光时成像。在执行修正以补偿环境光照效应方面，暗图像可以是有用的，其中将多谱图像和TIR图像中的每幅图像处理为减去暗图像。
图2示出了图1所示的实施例的TIR成像模式。来自源109的光沿路径201通过镜头107和面103a。在没有手指也没有与其它合适材料的接触时，光在面103d处经历TIR 反射。反射光沿路径203遇到光学黑表面(optically black surface) 117,并被吸收。相应地，成像器没有记录图像。照明路径201 (在受面103a影响的情况下)相对于面103d的角度必须是大于临界角的角度，以便提供TIR成像。
成像系统111沿着照明路径205通过面103b观察面103d。在没有手指的情况下， 图像是黑的。然而当手指放在与面103d接触的时候，接触点破坏了 TIR并允许成像系统 111看到散射光。该配置得到了以暗场布置采集的真实TIR图像。
当压板的表面目标与照明路径之间的入射角大于临界角时，发生全内反射。如本领域已知的，光的折射通常发生在具有不同折射率的两种材料的分界面处。折射角将对于不同的照明角度而不同，并且遵循为Snell定律
Ii1Sin Θ 1 =n2sin Θ
其中Ii1可以是空气中的折射率，112可以是压板中的折射率，角度θ2是在相应介质中从法线到分界面测量的。因为空气的折射率(η&)小于玻璃的折射率(nglass)，所以分界面的临界角Θ c由以下公式给出
c =sin 2^1-)Hglass
例如，在nai,约等于I的情况下，对应典型的玻璃的折射率，nglass约等于1. 5，临界角约为41.8度。在这种情况下，照明路径205的入射角必须大于41. 8度。此外，为了在将手指放在压板上时发生TIR抑止(frustration)，入射角必须小于由压板与手指皮肤之间的分界面所限定的临界角。对于折射率为1. 4的皮肤来说，第二临界角约为70. O度。相应地，在此示例中，照明路径的入射角必须大于41. 8度而小于70. O度。
图3示出了图1所示的实施例的多谱成像模式。来自源113的光沿着路径301通过镜头115和面103c。成像系统111沿着路径303通过面103b观察面103d。光照路径 301 (在受面103c影响的情况下)相对于面103d的角度必须是小于临界角的角度。如上讨论，在空气和典型玻璃的情况下，入射角必须小于41. 8度。因为入射角小于临界角，所以当手指放在压板103上面或上方时，来自照明源113的照明光穿过压板103d的顶面并照射手指的所有部分。
照射手指的光中有一部分光将从皮肤表面反射，而另一部分光将进入皮肤并经历诸如散射和吸收之类的光学效应。通常，进入手指皮肤的光中有一部分光将散射回皮肤外并透回压板103中。散射回到压板103中的光沿着路径303并将被成像系统111成像。
关于图1-3所示的实施例，有许多应该注意到的特征。例如，在不同的实施例中， 成像器可以是全色的(panchromatic)或彩色的(color)。如前提到的，照明可以是单色的或宽带的。在使用宽带照明的实施例中，成像系统111可包括具有彩色滤波阵列的、例如彩色成像器形式的成像器。成像系统111可包括数字成像系统，所述数字成像系统具有数字阵列以及适于将自对象反射的光聚焦到阵列上的检测镜头。例如，检测镜头可包括透镜、 反射镜、小孔(pinhole)、这些元件的组合，或可以使用本领域技术人员已知的其它光学元件。阵列可包括硅成像阵列，如CXD或CMOS阵列、InGaAs阵列、或本领域已知的其它检测器阵列。在一些例子中，成像系统111还可包括光学滤波器。光学滤波器可以是短波长通过滤波器(short-wavelength pass filter),其实质上阻止波长比照明波长范围长的光。发明人发现这样的配置在存在明亮的宽带环境光照时提供有利的性能，这是因为波长大于约 580nm的光实质上可以穿过手指。在明亮的阳光下，这种长波长光可以使检测器阵列饱和， 阻碍图像的获取。因此，使用滤波器阻碍这种长波长光而让所有需要的照明波长通过可以是有利的。
在照明期间，成像器111可以顺次得到多幅图像。例如，当多谱照明源包括不同波长、偏振条件和/或角度的多个 源时，第一源可以发光，其间照相机获取并存储图像。然后熄灭第一源并且且使第二源发光，其间获取并存储第二图像。然后该序列针对所有的源继续进行，并且还可以包括在没有源发光时采集的“暗”图像。此外，在照明期间任何或所有图像条件都可以重复任意次数。可采用不同的方式来组合得到的图像，以进行后续处理。例如，可以在每个照明状态与暗图像之间产生差图像(difference image)。这两种不同类型的图像之间的差异使得将照明效果从背景照明中分离出来。根据本发明的另一方面，然后差图像可用于进一步的处理。
在一些例子中，滤波器可以是彩色滤波器阵列，其还可被并作数字阵列的一部分。 彩色滤波器阵列可包括采用公知的Bayer图案的红-绿-蓝滤波器阵列。在一些例子中， 滤波器元件可以用于传输与标准的红-绿-蓝波长不同的波长，可包括附加波长，和/或可以被布置成与Bayer图案不同的图案。在包括这种彩色滤波器阵列的例子中，照明源可以是白光或宽带源。备选地，照明源109、113可包括多个窄带源(如LED)，所述窄带源的中心频率在包含于彩色滤波器阵列中的滤波器元件的通带中。在一些实施例中，提供波长范围在约400-1000nm中的照明光。在其它实施例中，使用在可见光谱范围内(即，在大约 400-700nm的范围内)的波长。在一些情况下，使用多个实质上离散的波长，如在实施例中， 三种照明波长分别对应在大约600、540和450nm的红、绿和蓝颜色。此外，在其它实施例中， 成像器111可以同时或相继地并排记录图像。
还可以针对多谱和TIR成像中的每一种提供多个照明源。在一些例子中，所述多个源中的每个源可以名义上相同，用于提供给实质上统一的照明和/或所需强度的照明。 在其它例子中，所述多个源可以是选定的不同波长的窄带源，使得当这些源一起发光时这些源包括可以和彩色成像器一起使用的宽带照明源。在一些实施例中，偏振器(polarizer) 可以包含于照明和/或检测子系统中，以提供平行偏振(parallel-polarization)成像、交叉偏振成像或随机偏振成像。
3.第二实施例
图4示出了本发明的第二实施例。在该实施例中，手指401放在具有多个面的压板403上。同样存在两种照明系统，包括光源409和镜头407的TIR照明系统，以及包括光源413和镜头415的多谱照明系统。同样，光源409和413的简单性和镜头407和415的简单性仅是说明性的，比所示更复杂的光学设备以及对不同照明源的使用应在本发明的范围内。存在包括数字成像器和镜头的单个成像系统，由参考数字411全体表示。在该实施例中，操作程序包括同时使多谱照明源和TIR照明源发光。布置面403b和403c以及成像系统411，使得多谱图像和TIR图像位于数字图像的不同部分上。与图I的实施例相似，在一些例子中可以采集没有光照的暗图像。这允许通过从多谱图像和TIR图像中的每幅图像中减去暗图像来修正环境光照效应。
图5示出了图4所示的实施例的TIR成像模式。来自源409的光沿着照明路径 501通过镜头407和面403a。照明路径以大于临界角的角度入射到面403e上。在没有手指或与其它合适的材料的接触时，光在面403e处经历TIR反射。反射光沿着路径503在面 403d经历TIR反射，通过面403c，并且在沿着路径505之后被成像系统411采集。在光分别遇到面403e和403d时，路径501和503的角度必须大于临界角以确保在这些表面上的 TIR反射。成像系统111通过面403c沿着照明路径503观察面403e。在没有手指401时， 图像是明亮的。然而，当手指放在与面103d接触时，接触点破坏TIR并吸收否则应该经历 TIR反射的光，如成像系统411所见使这些点相对暗。
图6示出了图4所示的实施例的多谱成像模式。来自源413的光沿着路径601通过镜头415和面403c。光照路径601 (在受面403c影响的情况下)相对于面403e相对的角度必须是小于临界角的角度。成像系统411沿着照明路径603通过面403c观察面403e。 在没有手指的情况下，图像是暗的。然而当手指放在与面403e接触时，来自源413的光中的一些光在路径603的方向上被皮肤表面反射并为成像器411所见。此外,一些光被皮肤的表面部分扩散地反射(diffusely reflect)并且也由成像器411来测量。
图4-6所示的压板403具有面403b和403c。如图5_6示出并讨论的，在表面403e 处反射和散射之后，在成像器成像之前，光通过这些面中的每一个。这些面403b和403c是非平行的平面。
图7描述了当手指触摸面403e并且TIR光源409和多谱光源413都发光时由成像系统411采集的图像700的示例。图像700示出了手指的TIR图像705和同一手指的多谱图像703。可以对这些图像进行不同的处理，例如，评估多谱图像703以确保手指不是欺骗样本或被修改过。可以将多谱图像703和TIR图像705相结合，以提供指纹的单个合成表示，其与指纹图案的单色表示相对应。
与图1-3的实施例类似，存在图4-6的实施例的很多变体，这些变体也在本发明的范围之内。例如，成像器可以是全色的或彩色的，照明可以是实质上单色的或宽带的。在使用宽带照明的实施例中，有时成像器可以包括彩色滤波器阵列以提供彩色成像器。照明源 409和413可以各包括多个照明源，所述多个照明源名义上相同并且可以用于提供实质上统一的照明和/或所需强度的照明。在特定例子中，所述多个源包括不同波长的窄带源，这些窄带源在一起发光时提供宽带照明源以供彩色成像器使用。
照明源还可以是可移动的。照明源可移动以从不同的角度照射表面目标。在位置之间可关闭照明源，或在位置之间移动期间保持照明源开启。此外，成像器可以在照明源移动时记录图像，成像器可以在照明源从特定的位置照射表面目标或开启照明源之前一直等待。
可以实现图1-6所示的光学组件的特定特性以满足不同的形状因子 (form-factor)约束。例如,在作为系统的一部分在变速杆(gear_shifthandle)顶部中实现皮肤部位或表面目标以验证车辆驾驶者身份的实施例中，照明源和成像设备可能不适于构建在变速杆把手中。在这样的实施例中，可以实现光中继(optical relay)系统。例如， 可以使用中继镜头，所述中继镜头包括与在光学孔径仪(bore scope)中使用的透镜相类似的、单独的透镜，或备选地使用例如在正射投影仪(orthoscope)中使用的光纤。在其它例子中，可以通过使用反射镜来将照明源和/或成像子系统的光学路径折叠，以减少总的尺寸。 对本领域技术人员来说，实现光中继系统和/或折叠光学系统的其它技术是显然的。这样， 传感器的组件可以位于远离采样表面处，或被配置为适于其它形状因子的限制。
还可以在多谱照明和/或检测系统中插入偏振器，以在不同实施例中提供平行偏振成像、交叉偏振成像、或随机偏振成像的。偏振器可以是线性的、圆形的、椭圆的、或其某种组合。在这样的实施例中，照明源可以是宽带的或窄带的。如果是窄带的，源可以都是同样的波长或是实质上不同的波长。偏振器还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。在多个照明源系统中，一个或更多个照明子系统可省略偏振器，产生随机偏振的照明光。
在照明源之一提供交叉偏振布置的情况下，可以将偏振器设置或定向为提供与成像系统处的偏振相正交地偏振的照明光。由于其它光会被阻止，这种正交性有用于确保检测到的光经历多个散射事件(如在皮肤部位)。在照明子系统被定向在小于临界角的角度的情况下，交叉偏振器的这种特性尤为明显。在这种情况下，如果没有交叉正交器，则可以从皮肤的表面反射、浅散射事件和深散射事件检测光。当使用交叉偏振器时，显著地削弱了表面和浅散射现象。相反，可以有利地使用平行偏振器来增强表面特征和浅散射效应。有利地，还可以具体与至少一个其它偏振状态联合使用随机偏振。
在线性偏振器的情况下，通过对照明偏振器定向使得照明偏振器的轴与检测偏振器的轴分开约90°，可以提供交叉偏振布置。在偏振器是圆形偏振器的备选实施例中，通过使圆形偏振器反指向(即右侧和左侧)，可以实现交叉偏振布置的正交性。此外，在线性偏振器的情况下，通过对照明偏振器定向使得照明偏振器的轴大约与检测偏振器的轴平行， 可以提供平行偏振布置。在偏振器是圆形偏振器的备选实施例中，通过使用同指向(same sense)的圆形偏振器，可以实现平行偏振。由于偏振器的效应，使得甚至在仅使用单个照明波长的情况下，也可以通过改变系统的偏振状态来实现多种不同的光学条件。当然，多谱条件还可以包括使用不同的照明波长、不同的照明角度和不同的成像角度、以及不同的光学条件的组合。
另外的效用来自于观察到交叉偏振布置极大地减小了先前用户留在压板上的潜在印记(latent print)的可见性(visibility),从而提供了改进的图像质量并且减小了通过“重新激活”潜在印记来进行欺骗的可能性。该布置的效用还延伸到传统光学指纹读取器。具体地，暗场光学指纹系统非常适于附加采用这种布置的偏振元件。
更普遍地，根据诸如如潜在印记之类的效应的独特光学特性，可以识别出这些效应并将它们从得到的多谱数据中分割出来。例如，关于不同偏振条件的潜在印记的光学质量与活的人体组织不同。类似地，作为波长和照明角度的函数，潜在印记的谱特性也与活的人体体组织有很大的不同。因此，如本领域已知的，对多谱数据谱性质的分析可以提供通过诸如谱分离(spectral unmixing)之类的技术将真实的组织与根据潜在印记生成的人工产物分离开的手段。谱分析还可以用于执行图像分割，从图像背景中限定和隔离出包含组织数据在内的图像区域。以相似的方式，在本发明的多谱数据组中可用的信息全体非常适于将真实的人的皮肤与使用人造样本或使用其他手段来欺骗传感器的各种尝试区分开来。 对于人的皮肤来说，在多种波长、偏振条件和照明角度下，皮肤的复合光学特性是不同的， 并且可以用于区分皮肤与可能用于试图欺骗传感器的许多不同种类的材料。
利用这样的机制可产生本发明不同实施例的非固定变体，如，具有可移动的成像器或旋转的光学元件，使得可以利用成像系统得到多谱或TIR图像。虽然这样的配置具有允许使用更小成像器的优点，然而由于图像的串行获取和更高的系统复杂度，这些配置还倾向于具有更长的采集时间。
图8-11示出了图1-6的实施例的光学系统的一些附加分析。光学系统可使用作为具有多个面的棱镜而提供的压板。这为单个成像透镜和和成像器提供了双图像，所述双图像位于成像器上的单独位置处。在示出了压板的侧视图和等距视图(isometric view)的图8和图9中，绿格子表不手指将放直的位直。该位直可以称为表面目标。每幅图815、915 右侧所示的三条射线路径表示多谱成像路径，每幅图810、910的左侧所示的三条射线路径表示传统TIR成像路径。仅以示例的方式，以粘合的三合体消色差透镜(cemented triplet achromat)的形式来提供所示系统中的成像透镜。也可使用其它透镜系统对手指成像。图 8示出了具有两个非平行成像面840和845的压板；图9也示出具有两个非平行成像面940 和945的压板。CN 102982312 A书明说11/11 页
例如，在特定的变体中，保持使用单个成像器，但是针对传统的TIR和直接路径提供单独的成像透镜系统。图IOA表示针对TIR情况光传播的路径。与棱镜压板接触的手指将阻止TIR光，并在相应的接触位置处导致成像器上的较小光强度。图IOB表示针对多谱照明的一种可能的方案。其它方案可使用TIR光源作为直接照明器，以及使用另一源作为偏振的直接照明器。直接照明光将从手指散射开，一些散射光将落在成像透镜上并在成像器上形成手指的图像。
图11A-11C示出了针对特定实施例的棱镜1100的近似尺寸，尺寸以毫米为单位示出。可以选择底部的角度以使得光的路径在成像透镜处相交。还可选择这些角度以使来自多谱源和TIR源的光路径并排输入在成像器上。可设计这些角度使得光学路径长度更接近传统TIR和直接成像路径。图IlC示出非平行成像面1162和1164。在不同的实施例(包括使用两个 成像透镜设备的实施例)中可使用不同的棱镜形状。
以上所述的本发明的不同实施例可遵循与图12-15所示的不同程序。这些程序仅仅是示例性的。图12示出一个示例性照明和成像程序。使第一照明源发光1202，将光引导至可以在其上放置生物测定特征的压板表面1204，在成像器的第一位置采集图像1206，以及然后使第一照明源变暗1208。然后使第二照明源发光1210，将光引导至可以在其上放置生物测定特征的压板表面1212，在成像器的第二位置采集图像1214，以及然后使第二照明源变暗1216。处理图像1218和存储图像1220。在其它顺序中，可根据应用需要来除去处理1218和/或存储1220步骤。
在图13描述的程序中，步骤1302-1316与图12中的步骤1202-1216相同。然而， 在该程序中，在处理1320和存储步骤1322之前包括在两个成像位置采集暗图像的附加步骤 1318。
图14所示的程序使第一照明源1402发光，将光引导至压板表面1404，使第二照明源1406发光，将光引导至压板表面1408，以及同时在成像器上的第一和第二图像位置采集图像1410。在该程序中，两个照明源同时在不同的位置照射成像器，而在图12和13所示的程序中，成像器仅当其它源变暗时在每个位置采集图像。
作为最后的示例性程序，图15示出的程序使第一照明源发光1502，将光引导至压板表面1504，使第二照明源发光1506，将光引导至压板表面1508，以及同时在成像器上的第一和第二图像位置采集图像1510。在成像器采集两种图像后，使两个源变暗1512，在第一和第二图像位置采集暗图像1514。
由此，通过描述几个实施例，本领域技术人员应该认识到，可以在不背离本发明的精神的前提下使用不同的修改、备选结构和等价物。相应地，不应将以上描述视为对本发明范围的限制，本发明的范围由后续权利要求限定。1权利要求
1.一种执行生物测定测量的方法，所述方法包括 从第一照明源朝着具有折射率的压板的表面引导光； 利用成像系统生成皮肤部位的图像，所述成像系统相对于所述第一照明源和所述压板并且根据所述折射率来被布置以接收仅在所述皮肤部位与在所述第一照明源的照明下的所述表面的接触点处散射的第一光； 从不同于所述第一照明源的第二照明源朝着所述表面引导光以对所述皮肤部位照明； 利用所述成像系统接收响应于利用所述第二照明源对所述皮肤部位照明而从所述皮肤部位散射的第二光；并且 至少根据接收到的所述第二光来确定所述皮肤部位的活性状态。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述第二照明源包括多个第二照明源。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一照明源包括多个第一照明源。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，从所述第二照明源引导光以对所述皮肤部位照明包括在多个不同波长下对所述皮肤部位照明。
5.根据权利要求I所述的方法，其中，从所述第二照明源引导光以对所述皮肤部位照明包括在多个不同偏振条件下对所述皮肤部位照明。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，从所述第一照明源引导光、利用所述成像系统生成所述图像、从所述第二照明源引导光以及接收从所述皮肤部位散射的第二光的步骤是依次执行的。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，从所述第一照明源引导光、利用所述成像系统生成所述图像、从所述第二照明源引导光以及接收从所述皮肤部位散射的第二光的步骤是依次并且以所述顺序执行的。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，所述压板包括具有多个面的棱镜，所述压板的所述表面对应于所述多个面中的第一个。
9.根据权利要求8所述的方法，其中 从所述第一照明源朝着所述压板的所述表面引导光包括引导光通过所述多个面中的第二个；并且 从所述第二照明源朝着所述表面引导光包括弓I导光通过所述多个面中的第三个。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个面中的所述第一个、第二个和第三个包括所述棱镜的不同面。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个面中的至少一个包括光吸收器。
12.根据权利要求I所述的方法，其中，所述成像系统包括彩色成像器。
13.根据权利要求I所述的方法，其中，所述成像系统包括全色成像器。
14.一种用于执行生物测定测量的系统，所述系统包括 压板，具有折射率； 第一照明源，被布置成朝着所述压板的表面引导光； 第二照明源，不同于所述第一照明源并且被布置成朝着所述表面引导光；以及 成像系统，所述成像系统相对于所述第一照明源和所述压板并且根据所述折射率来被布置，以当所述第一照明源朝着所述表面引导光时接收仅在皮肤部位与所述表面的接触点处散射的第一光， 其中 所述成像系统被配置成从所述第一光生成所述皮肤部位的图像；并且所述成像系统被配置成当所述第二照明源朝着所述表面引导光时至少根据由所述成像系统接收到的第二光来确定所述皮肤部位的活性状态。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第二照明源包括多个第二照明源。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一照明源包括多个第一照明源。
17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第二照明源在多个不同波长下对所述皮肤部位照明。
18.根据权利要求14所述的系统，其中，所述第二照明源在多个不同光学条件下对所述皮肤部位照明。
19.根据权利要求14所述的系统，其中，所述压板包括具有多个面的棱镜，所述压板的所述表面对应于所述多个面中的第一个。
20.根据权利要求19所述的系统，其中 所述第一照明源被布置成引导光通过所述多个面中的第二个； 所述第二照明源被布置成引导光通过所述多个面中的第三个。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述第一个、第二个和第三个面包括所述棱镜的不同面。
22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述多个面中的至少一个包括光吸收器。
23.根据权利要求14所述的系统，其中，所述成像系统包括彩色成像器。
24.根据权利要求14所述的系统，其中，所述成像系统包括全色成像器。
全文摘要
公开了一种用于执行生物测定测量的系统和方法。其中，该系统包括压板，具有折射率；第一照明源，被布置成朝着压板的表面引导光；第二照明源，不同于第一照明源并且被布置成朝着表面引导光；以及成像系统，成像系统相对于第一照明源和压板并且根据折射率来被布置，以当第一照明源朝着表面引导光时接收仅在皮肤部位与表面的接触点处散射的第一光，其中成像系统被配置成从第一光生成皮肤部位的图像；并且成像系统被配置成当第二照明源朝着表面引导光时至少根据由成像系统接收到的第二光来确定皮肤部位的活性状态。
文档编号G06K9/00GK102982312SQ20121039035
公开日2013年3月20日 申请日期2007年8月30日 优先权日2006年8月30日
发明者罗伯特·K·罗, 瑞安·马丁 申请人:光谱辨识公司