光電指紋識別儀的製作方法

2023-04-27 18:44:06

專利名稱：光電指紋識別儀的製作方法
該發明「光電指紋識別儀」屬於信息光學儀器類，它適用於指紋的實時識別。
在已有技術中(已有對比文獻美國專利3，771，124及3，716，301)，用於指紋識別的方案有兩類。第一類是主觀識別，這是傳統的識別方法，缺點是主觀性、不確定性，而且工作人員的勞動強度很大，費時費事。第二類是機器識別，這一識別方案中還有兩種主要的方法，第一種方法是數字圖像識別，它將兩幅待識別的指紋圖案用CCD(電荷藕合器件)記錄下來，再經過A/D轉換後變成數字圖像，送入計算機進行特徵比對或模式識別。由於指紋圖案包含的信息量很大，因此用於指紋識別的數字圖像系統為大容量、高速的系統，技術複雜，價格較高。某些破損的現場指紋，在識別前必須經人工預處理，從而帶入主觀因素和不確定因素。第二種方法是以匹配濾波為理論基礎的光學圖像識別。這一方案有兩個難以克服的缺點首先是需要製作匹配濾波器，並要求精確復位，為操作帶來不便，若復位精度不夠還會影響識別效果。其次是難以實現實時識別。因此，迄今為止這一方法還只停留在實驗室階段，僅能用於教學和演示。
該發明的目的是為了克服上述兩個方法的缺點而設計的，是一種光電混合識別方案。該發明充分發揮光學信息處理的大容量、快速、高度並行的優勢和數字圖像處理的可編程、高精度、計算功能豐富的特點，指紋的預處理很簡單，識別過程是實時的，軟體功能豐富，識別結果可靠，且成本較低，易於儀器化，是一種具有實用價值的指紋識別儀器。
該發明「光電指紋識別儀」是應用Joint變換原理及液晶光閥來實現的，下面結合附圖來描述本發明的設計方案及其技術特徵圖1為本發明的光學系統圖。1為雷射器(He-Ne雷射器或半導體雷射器)，由它輻射的雷射束通過連續變比分光鏡3分成兩束，一束經透鏡4和6構成的擴束系統形成準直的寬光束，射入由反光鏡8、10和分段可調分光鏡7、分光鏡14構成的馬赫-曾特幹涉儀，待識別的指紋負片9和11分別置於幹涉儀的兩臂，它們的中心關於光軸互相錯開距離2b，並經過傅立葉變換透鏡12進行Joint-傅立葉變換(以下簡稱Joint變換)，這裡是採用大孔徑長焦距的傅立葉變換透鏡12作為第一次傅立葉變換，即Joint-傅立葉變換;採用短焦距的傅立葉變換透鏡21作第二次傅立葉變換，獲得相關輸出。透鏡的焦距比應使最後的相關輸出信號的空間寬度與CCD攝像機的靶面尺寸相匹配。並將Joint變換譜寫入液晶光閥13的輸入端面。由連續變比分光鏡3輸出的另一光束先由透鏡15、16構成的擴束系統形成適當擴束的準直光束，經連續可調的減光板18衰減後，經過空間濾波器19濾波，採用空間濾波技術提高輸出信號的信噪比。該空間濾波器19是一個小孔，它可以在垂直於光軸的平面內掃描，以獲得最佳的效果。通過偏振分光稜鏡20導入液晶光閥13，成為讀出光。液晶光閥是由連續變比分光鏡3及連續可調減光板18調整其寫入信號與讀出信號的光強比，從而獲得最佳識別效果。反光鏡2、5、17起到改變光束方向的作用。當13的輸入端有信號寫入時，由於液晶光閥的作用，將寫入的Joint變換復振幅譜轉換成Joint功率譜，由讀出光讀出，通過偏振分光稜鏡20，經透鏡21進行第二次傅立葉變換，形成相關譜，由CCD器件22記錄，轉換成電信號，輸入微機數字圖像處理系統24。23和25為監視器，分別顯示處理前的相關信號和處理後的結果。
本發明根據Joint變換來進行指紋識別。設參考指紋(檔案指紋)g1(x，y)和待測指紋(現場指紋)g2(x，y)同時置於輸入平面(x，y)上，中心相距2b，經擴束準直後的雷射照射後，形成系統的輸入信號
g(x，y)＝g1(x-b，y)+g2(x+b，y)， (1)在傅立葉變換透鏡13的後焦平面即譜平面上出現輸入信號的Joint變換復振幅譜G ( (u)/(λf1,) (v)/(λf1) ) = G1( (u)/(λf1,) (v)/(λf1) ) exp [ - j2π ( (ub)/(λf1) )]+ G2( (u)/(λf1,) (v)/(λf1) )exp [j2π ( (ub)/(λf1) )], (2)式中u、ν為譜面坐標，f1為透鏡的焦距，λ為波長，G1、G2分別是g1、g2的傅立葉變換。G成為位於譜平面的液晶光閥的寫入信號。
液晶光閥為光尋址的空間光調製器，它對光波的作用原理是液晶的場致雙折射效應，在輸入面寫入光強低於閾值的情況下，它的作用相當於一個具有高反射率的反光鏡。由偏振分光稜鏡20導入的讀出光為平面偏振的o光，經液晶光閥13反射，其偏振態不變，因而透不過20，從系統的輸出端看進去呈暗場。當液晶光閥的輸入端面有Joint變換的復振幅譜輸入時，在寫入光強超過閾值的那些區域，使入射的讀出光的偏振態變成e光，從而能透過偏振分光稜鏡15。由於這一效應取決於寫入光的強度，因而讀出的是Joint變換的功率譜，即I=|G|2=|G1|2+|G2|2+G1G2exp[j2(2ubf1)]]]>+G1G2exp[-j2(2ubf1)],(3)]]>當一對指紋同一時，有G2＝G1，代入(3)式得I=|G1|2{1+cos[2(2ubf1)]},---(4)]]>表明相同指紋的Joint變換功率譜是單個指紋的功率譜｜G1｜2被餘弦條紋所調製。
由(3)式表示的讀出信號經過第二個傅立葉變換透鏡2的作用，得到相關輸出，呈現在CCD器件22的探測面上
其中F.T.｛I｝表示對信號I的傅立葉變換，
表示相關運算，輸出平面的坐標為(ξ，η)，ρ＝f1/f2，f2為透鏡16的焦距，ρ為圖形的縮放因子。(5)式中前兩項為g1、g2的自相關譜，重疊在零級譜中;第三、四項代表g1和g2的互相關譜，對稱地分布在零級譜兩側，中心坐標分別為(2ρb，0)和(-2ρb，0)。
如果g1＝g2(相同指紋)，則互相關函數變為自相關函數，它具有峰的結構，即相關峰，在(2ρb，0)和(-2ρb，0)處呈現尖銳的亮斑。若g1≠g2(不同指紋)，則互相關函數不出現峰值。據此可以判別g1和g2的異同。CCD器件將相關輸出直接顯示在高解析度的監視器23上。
本發明的讀出光/寫入光分光功能是由連續可變分光鏡3實現的。3的光學系統如圖2所示。27為偏振分光稜鏡，26和26′為半波片。射入27的光波中的e光透過27，o光由27反。若入射光是平面偏振光，則轉動半波片26，光波的振動平面將隨之轉動，從而可以調節e光和o光的光強比。半波片26使透射的e光的振動平面轉過90°成為o光，保證兩束輸出光波是相干的。這一器件可以使液晶光閥的讀出光/寫入光的光強比在100∶1到1∶100的大範圍內連續可調節。
讀出光的光強又經過連續可調減光板18衰減，衰減範圍為1～ 1/30 。減光板是一個圓形可旋轉的玻璃平板，在一面鍍上厚度連續變化的鉻層或介質膜層，另一面鍍增透膜。
3和18的共同作用的結果，使液晶光閥的讀出光強和寫入光強在大範圍內連續可調，保證在識別具有不同透過率的指紋樣品時，液晶光閥均處於其最佳的工作點從而獲得高反差、大動態範圍的功率譜，提高識別效果。
本發明採用馬赫-曾特型幹涉儀作為一對待識別指紋的輸入系統。它具有以下功能第一，指紋g1和g2分別置於幹涉儀的兩臂，便於更換和調節方位的操作;第二，分段可調分光鏡7的分光比分段可調，從1∶1-1∶10，從而可選擇不同的光強比，以適應g1和g2的不同透過率，保證最佳的識別效果。
本發明的專用微機數字圖像處理系統如圖3所示。採用微機數字圖像處理系統進行相關輸出信號的後處理。後處理的主要目的是使相關信號的圖形化，提高識別的直觀效果;並給出數位化的識別指標作為指紋識別認定的主要依據之一。該系統由三部分構成由CCD器件22和高解析度黑白圖象監視器23組成的相關輸出信號監視單元，由視頻接口及A/D轉換單元28、圖像存儲器29、顯示緩存器30、主控單元31、微機接口32及彩色監視器25構成的數字圖像處理單元及386型微機33。由CCD記錄並轉換而成電信號分成兩路一路直接送入監視器23，供目視監測相關輸出用;另一路送入圖像處理單元，經處理後再送入386微機進行後處理，提取相關信號，進行指紋同一性評價，並給出相關峰光強分布的三維立體顯示。
本發明的信號處理流程見附圖中的圖4所示，其信號處理流程的過程如下圖像單元初始化→在旁瓣區域內尋找相關峰→以峰為中心進行光強抽樣→平均濾波→計算能量集中度→確定峰區及本底區→同一性評價指標計算→相關峰主體顯示→數據文件存檔本發明採用如入下方案來進行指紋同一性的定量判定。
(一)峰區定義通常為峰區定義互相關區內光強超過0.5Imax的區域，其中Imax為該區內最大光強。在指紋識別中，由於現場指紋的破損、畸變等原因，在互相關區內超過0.5Imax的亮點或亮斑的分布比較分散，一些遠離中心位置的亮點未必屬於相關峰，真正代表指紋同一性的信息應當分布在互相關中心(即Imax所在位置)附近的小區域內。因此，定義能量集中度E(yo)=1y02yyoI(,)I(0,0)dd,---(6)]]>取Imax所在位置為坐標原點，能量集中度定義為以原點為圓心，以γ0為半徑的圓域內的平均光強。顯然，(ξ，η)平面內各點光強對E(γ0)的貢獻帶有權重1/γ2，從而離中心越遠的亮點對E(γ0)的貢獻越小。定義滿足條件0.5≤E(γ0)≤1 (7)的點(ξ，η)的集合為峰區，記為σ′，峰區以外、互相關區以內的區域為本底區，記為σ″。
(二)信噪比(SNR)定義SNR=Imax1SI(,)dd,---(8)]]>其中S″為本底區面積。這樣一來，SNR就表示峰區最大光強Imax與本底區平均光強之比。兩個指紋相同的部分越多，則相關峰越尖銳，SNR就越大。SNR的值表示相關峰結構的尖銳程度。
(三)相關峰能量比定義Rpk=I(,)ddI(,)dd,---(9)]]>
其中σ＝σ′+σ″即整個旁瓣。Rpk表示相關峰區內的能量與全部相關區內的能量比。兩個指紋相同的程度越高，則峰區能量越大，Rpk就越大。
大量實驗證明，重新定義的峰區是合理的，信噪比和相關峰能量比從不同角度較為真實地反映了兩個指紋圖形同一性的程度。
根據上述設計方案製成的指紋識別儀，由於採用了光電混合識別方案，兼有光學圖像處理的大容量、快速、高度並行的優點及數字圖像處理可編程、軟體功能豐富、高精度、易於操作的優點。該發明根據Joint變換進行相關識別，並用液晶光閥代替全息記錄材料，用CCD進行光、電處理系統的接口轉換，從而實現了實時識別;以馬赫-曾特幹涉儀作為輸入系統使操作便利;採用連續可變分光鏡及連續可調減光板補償了現場指紋和檔案指紋透過率的差別，保證達到最佳的識別效果;專門定義的識別指標信噪比和相關峰能量比較準確地反映了一對指紋同一性的程度;微機圖像處理系統提供了豐富的軟體功能，給出了數位化、圖形化的同一性評價指標。該發明具有實時、快速、方便、精確、可靠的特點，價格較低適用於公安、司法、檢察部門作為指紋的同一性判定。
本發明的實施例可見圖1-3。其中He-Ne雷射器可採用10mw外腔式，半導體雷射器可採用波長為670nm、輸出功率為10nm的器件;傅立葉變換透鏡12應採用焦距≥1000mm、孔徑≥100mm，另一傅立葉變換透鏡21的焦距為100mm，孔徑為20mm;經透鏡4、6擴束後的準直光場直徑應大於待測指紋(135負片)尺寸兩倍以上;CCD22應採用高解析度(例如604×588像素)、低照度(最低照度為0.02Lux)的器件;微機可採用PC-286、386型;液晶光閥的空間頻率應不低於60線對/mm。


圖1光學系統圖1雷射器(He-Ne雷射器或半導體雷射器)2、5、17反光鏡
3連續變比分光鏡4、6擴束系統7分段可調分光鏡8、10反光鏡(大孔徑)9、11待測指紋(135負片，帶框)12、21傅立葉變換透鏡13液晶光閥(LCLV)14分光鏡18連續可調減光板19空間濾波器20偏振分光稜鏡22電荷藕合器件(CCD)23高分辨黑白監視器24微機數字圖像處理系統25高分辨彩色監視器圖2連續可變分光鏡光學系統圖26半波片27偏振分光稜鏡圖3微機數字圖像處理系統框圖28視頻接口及A/D轉換單元29圖像存儲器30顯示緩存器31主控單元32微機接口33微機(386或286)圖4信號處理流程圖
權利要求
1.含有電荷藕合器件、數字圖象系統、光學信息處理系統的光電指紋識別儀，其特徵在於是由採用了對兩個指紋負片進行實時識別認定的液晶光閥作為Joint變換復振幅譜與功率譜轉換器件，指紋圖像輸入系統，空間濾波器，光電轉換器和微機數字圖像處理系統構成。
2.按照權利要求1所述的光電指紋識別儀，其特徵在於液晶光閥是由連續變比分光鏡3及連續可調減光板18調整其寫入信號與讀出信號的光強比。
3.按照權利要求1、2所述的光電指紋識別儀，其特徵在於其相關輸出光信號是採用大孔徑、長焦距的傅立葉變換透鏡12作第一次Joint-傅立葉變換，而採用短焦距的傅立葉變換透鏡21作第二次傅立葉變換，獲得相關輸出，並用電荷藕合器件(CCD)作為相關輸出信號的光電轉換器件。
4.按照權利要求1所述的光電指紋識別儀，其特徵在於指紋圖像輸入系統是採用馬赫-曾特幹涉儀，將兩個指紋負片分別置於幹涉儀兩臂，且幹涉儀的第一分光鏡是採用分段可調分光鏡7。
5.按照權利要求1所述的光電指紋識別儀，其特徵在於空間濾波器19是一個小孔濾波器，它可以在垂直於光軸的平面內掃描。
6.按照權利要求1所述的光電指紋識別儀，其特徵在於微機數字圖像處理系統是作為相關輸出信號的圖形化、數位化的後處理而設置的，帶有三個監視器a、高分辨黑白監視器23，由CCD轉換後直接顯示相關信號;b、高分辨彩色監視器25，顯示處理後的圖像;c、微機的監視器，顯示菜單及運行程序。
7.一種由光電指紋識別儀進行指紋同一性的定量判定方法，其特徵在於信噪比和相關峰能量比是判定指紋同一性的指標a、定義圍繞相關峰的圓域內平均光強超過峰值的1/2為閾值的圓為相關峰區的範圍，定義相關峰區以外，相關區以內的其餘區域為本底區;b、定義相關峰的光強與本底區的平均光強之比為信噪比SNR，它的值越大就標誌著兩個指紋相同的部分越多，相關峰就越尖銳;c、定義相關峰區的光能量與相關區的總光能量之比為相關峰能量比Rpk，兩個指紋相同程度越高，峰區能量越大，則相關峰能量比也就越大。
全文摘要
應用Joint變換原理及液晶光閥的光電指紋識別儀兼有光學圖像處理的大容量、快速、高度並行的優點及數字圖像處理可編程、軟體功能豐富、高精度、易於操作的特點，用液晶光閥(LCLV)和電荷耦合器件(CCD)實現實時識別，以馬赫-曾特幹涉儀作為輸入部件，採用連續變比——衰減補償指紋對透過率差，並定義了專用的識別指標，用微機數字圖像處理系統給出定量化圖形化的評價結果。具有實時，快速、精確、成本較低的優點，適用於公安、司法、檢察部門進行指紋的同一認定。
文檔編號G06K9/00GK1073282SQ9211258
公開日1993年6月16日 申請日期1992年11月2日 優先權日1992年11月2日
發明者宋菲君, 宋建力, 冀平, 安昕 申請人:中國大恆公司