基於結構光的嵌入式3d指紋採集方法及系統的製作方法

2023-09-17 10:13:45

專利名稱：基於結構光的嵌入式3d指紋採集方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種3D指紋採集方法及系統，尤其涉及一種基於結構光的嵌入式3D 指紋採集方法及系統。
背景技術：
在傳統指紋的採集系統中，採集技術較早出現在活體指紋採集設備是光電式的， 現在仍為大多數自動指紋識別系統所使用。後來出現的電容和電感式的採集設備，在某些條件下可提高指紋採集的質量，但在耐磨性和穩定性等方面還存在一些問題。對幹、溼、髒的指頭或磨損嚴重的指紋均能可靠、正確地進行採集和儘量減少採集時的變形是指紋採集技術需要解決的主要問題。目前主流的高精度指紋採集儀器是基於PC機，便攜性差。現有技術通常存在以下一些缺陷安全性差，原有的二維指紋存在較大的安全隱患，比如目前市場上普遍存在的一種指紋膜，這種指紋膜可以欺騙過普通的指紋機，這就極大的威脅到了人們的安全。識別率低，二維指紋圖像所包含的信息量已經限制了其識別率的提高。對複雜環境的適應性差，手指的乾濕狀態，外界環境等，對採集二維圖像有著直接的影響，這些影響在三維採集設備中相對小很多，因此設備的魯棒性很好。體積大，很多高精度指紋採集儀器是基於PC機，其體積大、成本高、便攜性較差，採用嵌入式平臺開發這套系統，很好的解決了 PC機帶來的問題。

發明內容
本發明解決的技術問題是構建一種基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法及系統，克服現有技術指紋採集精度不高、易於複製、不便於移動的技術問題。本發明的技術方案是提供一種基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法，包括如下步驟採集指紋圖像根據結構光法的原理採集指紋圖像，包括正弦條紋圖像、黑色圖像、白色圖像、格雷碼條紋圖像；圖像編碼根據採集的黑色圖像和白色圖像得到每個像素點的平均灰度值，以所述平均灰度值為閾值將採集到的格雷碼條紋圖像二值化，根據編碼公式得到二值化格雷碼條紋圖像每個點的編碼；獲取指紋圖像的絕對相位值根據採集的正弦條紋圖像得到指紋圖像各點的相位值，將正弦條紋圖像得到的相位與該像素點的格雷碼條紋圖像編碼對應的周期相加得到每個像素點的絕對相位值；獲取3D指紋根據指紋圖像的絕對相位值及三維高度信息的計算公式得到該指紋圖像的3D指紋。本發明的進一步技術方案是在圖像編碼步驟中，採用格雷碼條紋圖像對圖像測量區域進行編碼。本發明的進一步技術方案是所述正弦條紋圖像以η/2為相移角度。
本發明的進一步技術方案是在採集指紋圖像的步驟中，還包括採集參考平面的編碼圖像。所述指紋圖像包括4幅正弦條紋圖像、1幅黑色圖像、1幅白色圖像、7幅格雷碼條紋圖像。本發明的技術方案是構建一種基於結構光的嵌入式3D指紋採集系統，包括根據結構光法的原理採集指紋圖像的採集單元1、對圖像進行編碼的編碼單元2、獲取指紋圖像的絕對相位值的相位值獲取單元3以及獲取3D指紋的3D指紋獲取單元4，所述採集單元1 採集指紋圖像，包括正弦條紋圖像、黑色圖像、白色圖像、格雷碼條紋圖像；所述編碼單元2 根據採集的黑色圖像和白色圖像得到每個像素點的平均灰度值，以所述平均灰度值為閾值將採集到的格雷碼條紋圖像二值化，根據編碼公式得到二值化格雷碼條紋圖像每個點的編碼；所述相位值獲取單元3根據採集的正弦條紋圖像得到指紋圖像各點的相位值，將正弦條紋圖像得到的相位與該像素點的格雷碼條紋圖像編碼周期相加得到每個像素點的絕對相位值；所述3D指紋獲取單元4根據指紋圖像的絕對相位值及三維高度信息的計算公式得到該指紋圖像的3D指紋。本發明的進一步技術方案是所述採集單元至少採集4幅不同相位角度的正弦條紋圖像、1幅黑色圖像、1幅白色圖像、7幅格雷碼條紋圖像。本發明的技術效果是本發明基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法及系統，通過採集多幅指紋圖像，然後對圖像進行編碼，根據編碼圖像及四步相移法得到指紋圖像的相位，然後根據參考平面得出圖像的高度，至此，得到3D指紋圖像。本發明基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法及系統，指紋採集精度高、不易於仿造、便於移動。


圖1為本發明的流程圖。圖2為本發明圖像採集流程圖。圖3為本發明的結構示意圖。圖4為本發明結構光法基本原理示意圖。圖5為本發明正弦光柵圖像。圖6為本發明格雷編碼示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，對本發明技術方案進一步說明。如圖1所示，本發明的具體實施方式
是提供一種基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法，包括如下步驟步驟100 採集指紋圖像，即，根據結構光法的原理採集指紋圖像，包括正弦條紋圖像、黑色圖像、白色圖像、格雷碼條紋圖像。具體實施例中，所述指紋圖像至少包括採集4 幅相位值相差η /2的正弦條紋圖像、1幅黑色圖像、1幅白色圖像、7幅格雷碼條紋圖像。如圖2所示，本發明的具體實施過程如下圖像的採集是由參考平面正上方的CXD 工業相機和鏡頭完成，其保證了圖像的低噪聲、高精度。光柵投影是由投影儀投射出相應的圖像，其位置與相機在同一平面並且此平面垂直於參考平面。光源是由LED組成，在燈光不足的時候開啟進行補光。光傳感器主要是用來控制採集，當傳感器感應到手指放置在被測區域時，便給出一個信號，觸發系統採集程序運行。按設定順序採集指紋圖像，所述指紋圖像包括正弦條紋圖像、黑色圖像、白色圖像、格雷碼條紋圖像。具體實施例中，包括一幅白色圖像、一幅黑色圖像、四幅正弦條紋圖像、七幅格雷碼條紋圖像。具體實施例中，先在文件系統中創建空的文件，再將13幅圖像數據按順序依次存儲到存儲器中，方便下次直接讀取使用，而不是每次使用時都重新生成，以提高效率。
具體實施方式
中，在採集完整套系統需要的參考基準平面後，便可以放置手指進行指紋三維信息的採集。同參考平面的採集過程一樣，放上手指後保持不動，依次投影13幅圖像，並在每次投影后採集一幅圖像存放在內存中，同樣是採集了 13幅圖像。在參考平面圖像的信息和含有指紋的圖像信息都採集完後， 即可進行三維點雲數據的計算了。步驟200 圖像編碼，即，根據採集的黑色圖像和白色圖像得到每個像素點的平均灰度值，以所述平均灰度值為閾值將採集到的格雷碼條紋圖像二值化，根據編碼公式得到二值化格雷碼條紋圖像每個點的編碼。步驟300 獲取指紋圖像的絕對相位值，即，根據採集的正弦條紋圖像得到指紋圖像各點的相位值，將正弦條紋圖像得到的相位與該像素點的格雷碼條紋圖像編碼周期相加得到每個像素點的絕對相位值。步驟400 獲取3D指紋，即，根據指紋圖像的絕對相位值及三維高度信息的計算公式得到該指紋圖像的3D指紋。如圖3所示，本發明的具體實施方式
是構建一種基於結構光的嵌入式3D指紋採集系統，包括根據結構光法的原理採集指紋圖像的採集單元1、圖像編碼的編碼單元2、獲取指紋圖像的絕對相位值的相位值獲取單元3以及獲取3D指紋的3D指紋獲取單元4，所述採集單元1採集指紋圖像，包括正弦條紋圖像、黑色圖像、白色圖像、格雷碼條紋圖像；所述編碼單元2根據採集的黑色圖像和白色圖像得到每個像素點的平均灰度值，以所述平均灰度值為閾值將採集到的格雷碼條紋圖像二值化，根據編碼公式得到二值化格雷碼條紋圖像每個點的編碼；所述相位值獲取單元3根據採集的正弦條紋圖像得到指紋圖像各點的相位值，將正弦條紋圖像得到的相位與該像素點的格雷碼條紋圖像編碼周期相加得到每個像素點的絕對相位值；所述3D指紋獲取單元4根據指紋圖像的絕對相位值及三維高度信息的計算公式得到該指紋圖像的3D指紋。本發明的具體實施過程如下結構光法的基本原理是將一定模式的光(如光柵等)照射到被測物體的表面，然後由攝像頭拍攝反射光的圖像，通過圖像在平面的對應關係來獲取物體表面上點的實際位置。在系統實現時需要先標定系統，把投影機和相機的位置固定好後，本發明中，將13副光柵投到參考面上，用相機採集這13副圖存儲在SD卡上。 這樣參考平面就可以固定的存在SD卡中，每次啟動系統時先把參考平面讀到內存中，不必要每次都先採集參考平面，提高效率。圖5給出了結構光法的基本原理示意圖，測量時，一束光柵從一定角度照射到被測物體表面，CCD攝像機同時獲取物體表面的圖像信息，給定參考平面的高度為0，則被測物體表面到參考平面的高度可由下面的公式計算得到
(PcA+^p-
其中真正的高度是_h(x，y)，坐標為h(x，y)，P是光柵條紋投射至參考平面的有效波長，L是相機距離參考平面的垂直距離，D是相機中心和投影儀中心間的距離，^為C 點相對於A點的相位值。從式(1-1)可以看出，結構光法測量物體深度的關鍵是求解出包含物體深度信息的相位分布值，常用的求解光柵圖像相位分布的方法有傅立葉變化法、時域卷積濾波法以及相移法等等。相移法的基本原理是採集一系列有一定相位差的條紋圖，利用每一個點上對應的灰度值來計算像素點的相位值，進而得到整幅圖像的每一個點的相位值。本發明採用相移法來求解相位，相移法又分為等步長相移、定步長相移、單步相移等多種。本發明具體實施例中採用的是N步長相移法，其要求每步相移量為2 π /N(N = 4)， 四幅圖像相位差為η/2。這種方法對於相移器的精度有較高的要求，相移越精確獲得的結果越準確，本發明具體實施例中相位圖像是由投影儀投射出。相移法使用正弦強度分布的數碼光柵，圖像如圖4所示，獲取圖像的灰度I與相位 Φ之間的關係可表示成I (x, y) = A (χ, y) +B (χ, y) cos ( Φ (χ, y))(1-2)式(1-2)中Α(χ，y)為圖像的平均灰度或者稱為背景平均灰度，B (x, y)為條紋灰度對比度，Φ (x,y)為待求的相位值。從公式(1- 中不能直接求得相位值，因為式中的未知數數量大於公式數量，所以至少需要三組獨立的方程才可以求解。四部相移法只是給這個公式增加已知相位變化量δ來實現求解，公式變化為(1-3)。四部相移法以π/2作為相位差，用CXD攝取4張投影圖像，則可計算得到相位Ijx，y) = A(x，y)+B(x，y)cos((j5 (X，y)+S》i = 1，2，3，4 (1-3)將π /2相位差帶入公式得到四個方程
權利要求
1.一種基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法，包括如下步驟採集指紋圖像根據結構光法的原理採集指紋圖像，包括正弦條紋圖像、黑色圖像、白色圖像、格雷碼條紋圖像；圖像編碼根據採集的黑色圖像和白色圖像得到每個像素點的平均灰度值，以所述每個像素點的平均灰度值為閾值將採集到的格雷碼條紋圖像二值化，根據編碼公式得到二值化格雷碼條紋圖像每個點對應區域的編碼；獲取指紋圖像的絕對相位值根據採集的正弦條紋圖像得到指紋圖像各點的相位值， 將正弦條紋圖像得到的相位與該像素點的格雷碼條紋圖像編碼周期相加得到每個像素點的絕對相位值；獲取3D指紋根據指紋圖像的絕對相位值及三維高度信息的計算公式得到該指紋圖像的三維信息。
2.根據權利要求1所述基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法，其特徵在於，在圖像編碼步驟中，採用條紋圖像對圖像測量區域進行編碼。
3.根據權利要求1所述基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法，其特徵在於，所述正弦條紋圖像以jr/2為相移角度。
4.根據權利要求1所述基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法，其特徵在於，在採集指紋圖像的步驟中，還包括採集參考平面的編碼圖像。
5.根據權利要求1所述基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法，其特徵在於，所述指紋圖像包括4幅正弦條紋圖像、1幅黑色圖像、1幅白色圖像、7幅格雷碼條紋圖像。
6.一種基於結構光的嵌入式3D指紋採集系統，其特徵在於，包括根據結構光法的原理採集指紋圖像的採集單元、圖像編碼的編碼單元、獲取指紋圖像的絕對相位值的相位值獲取單元以及獲取3D指紋的3D指紋獲取單元，所述採集單元採集指紋圖像，包括正弦條紋圖像、黑色圖像、白色圖像、格雷碼條紋圖像；所述編碼單元根據採集的黑色圖像和白色圖像得到每個像素點的平均灰度值，以所述平均灰度值為閾值將採集到的格雷碼條紋圖像二值化，根據編碼公式得到二值化格雷碼條紋圖像每個點的編碼；所述相位值獲取單元根據採集的正弦條紋圖像得到指紋圖像各點的相位值，將正弦條紋圖像得到的相位與該像素點的格雷碼條紋圖像編碼所在周期相加得到每個像素點的絕對相位值；所述3D指紋獲取單元根據指紋圖像的絕對相位值及三維高度信息的計算公式得到該指紋圖像的3D指紋。
7.根據權利要求6所述基於結構光的嵌入式3D指紋採集系統，其特徵在於，所述採集單元必須採集4幅相位差為Jr/2的正弦條紋圖像、1幅黑色圖像、1幅白色圖像、7幅格雷碼條紋圖像。
全文摘要
本發明涉及一種基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法及系統，通過採集多幅指紋圖像，然後對圖像進行編碼，根據編碼圖像及四步相移法得到指紋圖像的相位值，然後根據參考平面的相位值得出指紋的高度信息，至此，得到指紋的三維圖像。本發明基於結構光的嵌入式3D指紋採集方法及系統，指紋採集精度高、便於移動。
文檔編號G06T9/00GK102509094SQ20111038197
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者何震宇, 張乃文 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院