專利名稱：光電指紋識(shí)別儀的制作方法
該發(fā)明“光電指紋識(shí)別儀”屬于信息光學(xué)儀器類，它適用于指紋的實(shí)時(shí)識(shí)別。
在已有技術(shù)中(已有對(duì)比文獻(xiàn)美國(guó)專利3，771，124及3，716，301)，用于指紋識(shí)別的方案有兩類。第一類是主觀識(shí)別，這是傳統(tǒng)的識(shí)別方法，缺點(diǎn)是主觀性、不確定性，而且工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，費(fèi)時(shí)費(fèi)事。第二類是機(jī)器識(shí)別，這一識(shí)別方案中還有兩種主要的方法，第一種方法是數(shù)字圖像識(shí)別，它將兩幅待識(shí)別的指紋圖案用CCD(電荷藕合器件)記錄下來(lái)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字圖像，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行特征比對(duì)或模式識(shí)別。由于指紋圖案包含的信息量很大，因此用于指紋識(shí)別的數(shù)字圖像系統(tǒng)為大容量、高速的系統(tǒng)，技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格較高。某些破損的現(xiàn)場(chǎng)指紋，在識(shí)別前必須經(jīng)人工預(yù)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(chǔ)的光學(xué)圖像識(shí)別。這一方案有兩個(gè)難以克服的缺點(diǎn)首先是需要制作匹配濾波器，并要求精確復(fù)位，為操作帶來(lái)不便，若復(fù)位精度不夠還會(huì)影響識(shí)別效果。其次是難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)識(shí)別。因此，迄今為止這一方法還只停留在實(shí)驗(yàn)室階段，僅能用于教學(xué)和演示。
該發(fā)明的目的是為了克服上述兩個(gè)方法的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，是一種光電混合識(shí)別方案。該發(fā)明充分發(fā)揮光學(xué)信息處理的大容量、快速、高度并行的優(yōu)勢(shì)和數(shù)字圖像處理的可編程、高精度、計(jì)算功能豐富的特點(diǎn)，指紋的預(yù)處理很簡(jiǎn)單，識(shí)別過(guò)程是實(shí)時(shí)的，軟件功能豐富，識(shí)別結(jié)果可靠，且成本較低，易于儀器化，是一種具有實(shí)用價(jià)值的指紋識(shí)別儀器。
該發(fā)明“光電指紋識(shí)別儀”是應(yīng)用Joint變換原理及液晶光閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，下面結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案及其技術(shù)特征圖1為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)圖。1為激光器(He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器)，由它輻射的激光束通過(guò)連續(xù)變比分光鏡3分成兩束，一束經(jīng)透鏡4和6構(gòu)成的擴(kuò)束系統(tǒng)形成準(zhǔn)直的寬光束，射入由反光鏡8、10和分段可調(diào)分光鏡7、分光鏡14構(gòu)成的馬赫-曾特干涉儀，待識(shí)別的指紋負(fù)片9和11分別置于干涉儀的兩臂，它們的中心關(guān)于光軸互相錯(cuò)開(kāi)距離2b，并經(jīng)過(guò)傅里葉變換透鏡12進(jìn)行Joint-傅里葉變換(以下簡(jiǎn)稱Joint變換)，這里是采用大孔徑長(zhǎng)焦距的傅里葉變換透鏡12作為第一次傅里葉變換，即Joint-傅里葉變換;采用短焦距的傅里葉變換透鏡21作第二次傅里葉變換，獲得相關(guān)輸出。透鏡的焦距比應(yīng)使最后的相關(guān)輸出信號(hào)的空間寬度與CCD攝像機(jī)的靶面尺寸相匹配。并將Joint變換譜寫入液晶光閥13的輸入端面。由連續(xù)變比分光鏡3輸出的另一光束先由透鏡15、16構(gòu)成的擴(kuò)束系統(tǒng)形成適當(dāng)擴(kuò)束的準(zhǔn)直光束，經(jīng)連續(xù)可調(diào)的減光板18衰減后，經(jīng)過(guò)空間濾波器19濾波，采用空間濾波技術(shù)提高輸出信號(hào)的信噪比。該空間濾波器19是一個(gè)小孔，它可以在垂直于光軸的平面內(nèi)掃描，以獲得最佳的效果。通過(guò)偏振分光棱鏡20導(dǎo)入液晶光閥13，成為讀出光。液晶光閥是由連續(xù)變比分光鏡3及連續(xù)可調(diào)減光板18調(diào)整其寫入信號(hào)與讀出信號(hào)的光強(qiáng)比，從而獲得最佳識(shí)別效果。反光鏡2、5、17起到改變光束方向的作用。當(dāng)13的輸入端有信號(hào)寫入時(shí)，由于液晶光閥的作用，將寫入的Joint變換復(fù)振幅譜轉(zhuǎn)換成Joint功率譜，由讀出光讀出，通過(guò)偏振分光棱鏡20，經(jīng)透鏡21進(jìn)行第二次傅里葉變換，形成相關(guān)譜，由CCD器件22記錄，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入微機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)24。23和25為監(jiān)視器，分別顯示處理前的相關(guān)信號(hào)和處理后的結(jié)果。
本發(fā)明根據(jù)Joint變換來(lái)進(jìn)行指紋識(shí)別。設(shè)參考指紋(檔案指紋)g1(x，y)和待測(cè)指紋(現(xiàn)場(chǎng)指紋)g2(x，y)同時(shí)置于輸入平面(x，y)上，中心相距2b，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后的激光照射后，形成系統(tǒng)的輸入信號(hào)
g(x，y)＝g1(x-b，y)+g2(x+b，y)， (1)在傅里葉變換透鏡13的后焦平面即譜平面上出現(xiàn)輸入信號(hào)的Joint變換復(fù)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(biāo)，f1為透鏡的焦距，λ為波長(zhǎng)，G1、G2分別是g1、g2的傅里葉變換。G成為位于譜平面的液晶光閥的寫入信號(hào)。
液晶光閥為光尋址的空間光調(diào)制器，它對(duì)光波的作用原理是液晶的場(chǎng)致雙折射效應(yīng)，在輸入面寫入光強(qiáng)低于閾值的情況下，它的作用相當(dāng)于一個(gè)具有高反射率的反光鏡。由偏振分光棱鏡20導(dǎo)入的讀出光為平面偏振的o光，經(jīng)液晶光閥13反射，其偏振態(tài)不變，因而透不過(guò)20，從系統(tǒng)的輸出端看進(jìn)去呈暗場(chǎng)。當(dāng)液晶光閥的輸入端面有Joint變換的復(fù)振幅譜輸入時(shí)，在寫入光強(qiáng)超過(guò)閾值的那些區(qū)域，使入射的讀出光的偏振態(tài)變成e光，從而能透過(guò)偏振分光棱鏡15。由于這一效應(yīng)取決于寫入光的強(qiáng)度，因而讀出的是Joint變換的功率譜，即I=|G|2=|G1|2+|G2|2+G1·G2exp[j2π(2ubλf1)]]]>+G1G2·exp[-j2π(2ubλf1)],(3)]]>當(dāng)一對(duì)指紋同一時(shí)，有G2＝G1，代入(3)式得I=|G1|2{1+cos[2π(2ubλf1)]},---(4)]]>表明相同指紋的Joint變換功率譜是單個(gè)指紋的功率譜｜G1｜2被余弦條紋所調(diào)制。
由(3)式表示的讀出信號(hào)經(jīng)過(guò)第二個(gè)傅里葉變換透鏡2的作用，得到相關(guān)輸出，呈現(xiàn)在CCD器件22的探測(cè)面上
其中F.T.｛I｝表示對(duì)信號(hào)I的傅里葉變換，
表示相關(guān)運(yùn)算，輸出平面的坐標(biāo)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(xiàng)為g1、g2的自相關(guān)譜，重疊在零級(jí)譜中;第三、四項(xiàng)代表g1和g2的互相關(guān)譜，對(duì)稱地分布在零級(jí)譜兩側(cè)，中心坐標(biāo)分別為(2ρb，0)和(-2ρb，0)。
如果g1＝g2(相同指紋)，則互相關(guān)函數(shù)變?yōu)樽韵嚓P(guān)函數(shù)，它具有峰的結(jié)構(gòu)，即相關(guān)峰，在(2ρb，0)和(-2ρb，0)處呈現(xiàn)尖銳的亮斑。若g1≠g2(不同指紋)，則互相關(guān)函數(shù)不出現(xiàn)峰值。據(jù)此可以判別g1和g2的異同。CCD器件將相關(guān)輸出直接顯示在高分辨率的監(jiān)視器23上。
本發(fā)明的讀出光/寫入光分光功能是由連續(xù)可變分光鏡3實(shí)現(xiàn)的。3的光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示。27為偏振分光棱鏡，26和26′為半波片。射入27的光波中的e光透過(guò)27，o光由27反。若入射光是平面偏振光，則轉(zhuǎn)動(dòng)半波片26，光波的振動(dòng)平面將隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以調(diào)節(jié)e光和o光的光強(qiáng)比。半波片26使透射的e光的振動(dòng)平面轉(zhuǎn)過(guò)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(qiáng)比在100∶1到1∶100的大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)節(jié)。
讀出光的光強(qiáng)又經(jīng)過(guò)連續(xù)可調(diào)減光板18衰減，衰減范圍為1～ 1/30 。減光板是一個(gè)圓形可旋轉(zhuǎn)的玻璃平板，在一面鍍上厚度連續(xù)變化的鉻層或介質(zhì)膜層，另一面鍍?cè)鐾改ぁ?br> 3和18的共同作用的結(jié)果，使液晶光閥的讀出光強(qiáng)和寫入光強(qiáng)在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，保證在識(shí)別具有不同透過(guò)率的指紋樣品時(shí)，液晶光閥均處于其最佳的工作點(diǎn)從而獲得高反差、大動(dòng)態(tài)范圍的功率譜，提高識(shí)別效果。
本發(fā)明采用馬赫-曾特型干涉儀作為一對(duì)待識(shí)別指紋的輸入系統(tǒng)。它具有以下功能第一，指紋g1和g2分別置于干涉儀的兩臂，便于更換和調(diào)節(jié)方位的操作;第二，分段可調(diào)分光鏡7的分光比分段可調(diào)，從1∶1-1∶10，從而可選擇不同的光強(qiáng)比，以適應(yīng)g1和g2的不同透過(guò)率，保證最佳的識(shí)別效果。
本發(fā)明的專用微機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)如圖3所示。采用微機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)輸出信號(hào)的后處理。后處理的主要目的是使相關(guān)信號(hào)的圖形化，提高識(shí)別的直觀效果;并給出數(shù)字化的識(shí)別指標(biāo)作為指紋識(shí)別認(rèn)定的主要依據(jù)之一。該系統(tǒng)由三部分構(gòu)成由CCD器件22和高分辨率黑白圖象監(jiān)視器23組成的相關(guān)輸出信號(hào)監(jiān)視單元，由視頻接口及A/D轉(zhuǎn)換單元28、圖像存儲(chǔ)器29、顯示緩存器30、主控單元31、微機(jī)接口32及彩色監(jiān)視器25構(gòu)成的數(shù)字圖像處理單元及386型微機(jī)33。由CCD記錄并轉(zhuǎn)換而成電信號(hào)分成兩路一路直接送入監(jiān)視器23，供目視監(jiān)測(cè)相關(guān)輸出用;另一路送入圖像處理單元，經(jīng)處理后再送入386微機(jī)進(jìn)行后處理，提取相關(guān)信號(hào)，進(jìn)行指紋同一性評(píng)價(jià)，并給出相關(guān)峰光強(qiáng)分布的三維立體顯示。
本發(fā)明的信號(hào)處理流程見(jiàn)附圖中的圖4所示，其信號(hào)處理流程的過(guò)程如下圖像單元初始化→在旁瓣區(qū)域內(nèi)尋找相關(guān)峰→以峰為中心進(jìn)行光強(qiáng)抽樣→平均濾波→計(jì)算能量集中度→確定峰區(qū)及本底區(qū)→同一性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算→相關(guān)峰主體顯示→數(shù)據(jù)文件存檔本發(fā)明采用如入下方案來(lái)進(jìn)行指紋同一性的定量判定。
(一)峰區(qū)定義通常為峰區(qū)定義互相關(guān)區(qū)內(nèi)光強(qiáng)超過(guò)0.5Imax的區(qū)域，其中Imax為該區(qū)內(nèi)最大光強(qiáng)。在指紋識(shí)別中，由于現(xiàn)場(chǎng)指紋的破損、畸變等原因，在互相關(guān)區(qū)內(nèi)超過(guò)0.5Imax的亮點(diǎn)或亮斑的分布比較分散，一些遠(yuǎn)離中心位置的亮點(diǎn)未必屬于相關(guān)峰，真正代表指紋同一性的信息應(yīng)當(dāng)分布在互相關(guān)中心(即Imax所在位置)附近的小區(qū)域內(nèi)。因此，定義能量集中度E(yo)=1πy02∫y≤∫yoI(ξ,η)I(0,0)dξdη,---(6)]]>取Imax所在位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，能量集中度定義為以原點(diǎn)為圓心，以γ0為半徑的圓域內(nèi)的平均光強(qiáng)。顯然，(ξ，η)平面內(nèi)各點(diǎn)光強(qiáng)對(duì)E(γ0)的貢獻(xiàn)帶有權(quán)重1/γ2，從而離中心越遠(yuǎn)的亮點(diǎn)對(duì)E(γ0)的貢獻(xiàn)越小。定義滿足條件0.5≤E(γ0)≤1 (7)的點(diǎn)(ξ，η)的集合為峰區(qū)，記為σ′，峰區(qū)以外、互相關(guān)區(qū)以內(nèi)的區(qū)域?yàn)楸镜讌^(qū)，記為σ″。
(二)信噪比(SNR)定義SNR=Imax1S′′∫σ∫I(ξ,η)dξdη,---(8)]]>其中S″為本底區(qū)面積。這樣一來(lái)，SNR就表示峰區(qū)最大光強(qiáng)Imax與本底區(qū)平均光強(qiáng)之比。兩個(gè)指紋相同的部分越多，則相關(guān)峰越尖銳，SNR就越大。SNR的值表示相關(guān)峰結(jié)構(gòu)的尖銳程度。
(三)相關(guān)峰能量比定義Rpk=∫σ∫I(ξ,η)dξdη∫σ∫I(ξ,η)dξdη,---(9)]]>
其中σ＝σ′+σ″即整個(gè)旁瓣。Rpk表示相關(guān)峰區(qū)內(nèi)的能量與全部相關(guān)區(qū)內(nèi)的能量比。兩個(gè)指紋相同的程度越高，則峰區(qū)能量越大，Rpk就越大。
大量實(shí)驗(yàn)證明，重新定義的峰區(qū)是合理的，信噪比和相關(guān)峰能量比從不同角度較為真實(shí)地反映了兩個(gè)指紋圖形同一性的程度。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案制成的指紋識(shí)別儀，由于采用了光電混合識(shí)別方案，兼有光學(xué)圖像處理的大容量、快速、高度并行的優(yōu)點(diǎn)及數(shù)字圖像處理可編程、軟件功能豐富、高精度、易于操作的優(yōu)點(diǎn)。該發(fā)明根據(jù)Joint變換進(jìn)行相關(guān)識(shí)別，并用液晶光閥代替全息記錄材料，用CCD進(jìn)行光、電處理系統(tǒng)的接口轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)識(shí)別;以馬赫-曾特干涉儀作為輸入系統(tǒng)使操作便利;采用連續(xù)可變分光鏡及連續(xù)可調(diào)減光板補(bǔ)償了現(xiàn)場(chǎng)指紋和檔案指紋透過(guò)率的差別，保證達(dá)到最佳的識(shí)別效果;專門定義的識(shí)別指標(biāo)信噪比和相關(guān)峰能量比較準(zhǔn)確地反映了一對(duì)指紋同一性的程度;微機(jī)圖像處理系統(tǒng)提供了豐富的軟件功能，給出了數(shù)字化、圖形化的同一性評(píng)價(jià)指標(biāo)。該發(fā)明具有實(shí)時(shí)、快速、方便、精確、可靠的特點(diǎn)，價(jià)格較低適用于公安、司法、檢察部門作為指紋的同一性判定。
本發(fā)明的實(shí)施例可見(jiàn)圖1-3。其中He-Ne激光器可采用10mw外腔式，半導(dǎo)體激光器可采用波長(zhǎng)為670nm、輸出功率為10nm的器件;傅里葉變換透鏡12應(yīng)采用焦距≥1000mm、孔徑≥100mm，另一傅里葉變換透鏡21的焦距為100mm，孔徑為20mm;經(jīng)透鏡4、6擴(kuò)束后的準(zhǔn)直光場(chǎng)直徑應(yīng)大于待測(cè)指紋(135負(fù)片)尺寸兩倍以上;CCD22應(yīng)采用高分辨率(例如604×588像素)、低照度(最低照度為0.02Lux)的器件;微機(jī)可采用PC-286、386型;液晶光閥的空間頻率應(yīng)不低于60線對(duì)/mm。


圖1光學(xué)系統(tǒng)圖1激光器(He-Ne激光器或半導(dǎo)體激光器)2、5、17反光鏡
3連續(xù)變比分光鏡4、6擴(kuò)束系統(tǒng)7分段可調(diào)分光鏡8、10反光鏡(大孔徑)9、11待測(cè)指紋(135負(fù)片，帶框)12、21傅里葉變換透鏡13液晶光閥(LCLV)14分光鏡18連續(xù)可調(diào)減光板19空間濾波器20偏振分光棱鏡22電荷藕合器件(CCD)23高分辨黑白監(jiān)視器24微機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)25高分辨彩色監(jiān)視器圖2連續(xù)可變分光鏡光學(xué)系統(tǒng)圖26半波片27偏振分光棱鏡圖3微機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)框圖28視頻接口及A/D轉(zhuǎn)換單元29圖像存儲(chǔ)器30顯示緩存器31主控單元32微機(jī)接口33微機(jī)(386或286)圖4信號(hào)處理流程圖
權(quán)利要求
1.含有電荷藕合器件、數(shù)字圖象系統(tǒng)、光學(xué)信息處理系統(tǒng)的光電指紋識(shí)別儀，其特征在于是由采用了對(duì)兩個(gè)指紋負(fù)片進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別認(rèn)定的液晶光閥作為Joint變換復(fù)振幅譜與功率譜轉(zhuǎn)換器件，指紋圖像輸入系統(tǒng)，空間濾波器，光電轉(zhuǎn)換器和微機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)構(gòu)成。
2.按照權(quán)利要求1所述的光電指紋識(shí)別儀，其特征在于液晶光閥是由連續(xù)變比分光鏡3及連續(xù)可調(diào)減光板18調(diào)整其寫入信號(hào)與讀出信號(hào)的光強(qiáng)比。
3.按照權(quán)利要求1、2所述的光電指紋識(shí)別儀，其特征在于其相關(guān)輸出光信號(hào)是采用大孔徑、長(zhǎng)焦距的傅里葉變換透鏡12作第一次Joint-傅里葉變換，而采用短焦距的傅里葉變換透鏡21作第二次傅里葉變換，獲得相關(guān)輸出，并用電荷藕合器件(CCD)作為相關(guān)輸出信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器件。
4.按照權(quán)利要求1所述的光電指紋識(shí)別儀，其特征在于指紋圖像輸入系統(tǒng)是采用馬赫-曾特干涉儀，將兩個(gè)指紋負(fù)片分別置于干涉儀兩臂，且干涉儀的第一分光鏡是采用分段可調(diào)分光鏡7。
5.按照權(quán)利要求1所述的光電指紋識(shí)別儀，其特征在于空間濾波器19是一個(gè)小孔濾波器，它可以在垂直于光軸的平面內(nèi)掃描。
6.按照權(quán)利要求1所述的光電指紋識(shí)別儀，其特征在于微機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)是作為相關(guān)輸出信號(hào)的圖形化、數(shù)字化的后處理而設(shè)置的，帶有三個(gè)監(jiān)視器a、高分辨黑白監(jiān)視器23，由CCD轉(zhuǎn)換后直接顯示相關(guān)信號(hào);b、高分辨彩色監(jiān)視器25，顯示處理后的圖像;c、微機(jī)的監(jiān)視器，顯示菜單及運(yùn)行程序。
7.一種由光電指紋識(shí)別儀進(jìn)行指紋同一性的定量判定方法，其特征在于信噪比和相關(guān)峰能量比是判定指紋同一性的指標(biāo)a、定義圍繞相關(guān)峰的圓域內(nèi)平均光強(qiáng)超過(guò)峰值的1/2為閾值的圓為相關(guān)峰區(qū)的范圍，定義相關(guān)峰區(qū)以外，相關(guān)區(qū)以內(nèi)的其余區(qū)域?yàn)楸镜讌^(qū);b、定義相關(guān)峰的光強(qiáng)與本底區(qū)的平均光強(qiáng)之比為信噪比SNR，它的值越大就標(biāo)志著兩個(gè)指紋相同的部分越多，相關(guān)峰就越尖銳;c、定義相關(guān)峰區(qū)的光能量與相關(guān)區(qū)的總光能量之比為相關(guān)峰能量比Rpk，兩個(gè)指紋相同程度越高，峰區(qū)能量越大，則相關(guān)峰能量比也就越大。
全文摘要
應(yīng)用Joint變換原理及液晶光閥的光電指紋識(shí)別儀兼有光學(xué)圖像處理的大容量、快速、高度并行的優(yōu)點(diǎn)及數(shù)字圖像處理可編程、軟件功能豐富、高精度、易于操作的特點(diǎn)，用液晶光閥(LCLV)和電荷耦合器件(CCD)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)識(shí)別，以馬赫-曾特干涉儀作為輸入部件，采用連續(xù)變比——衰減補(bǔ)償指紋對(duì)透過(guò)率差，并定義了專用的識(shí)別指標(biāo)，用微機(jī)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)給出定量化圖形化的評(píng)價(jià)結(jié)果。具有實(shí)時(shí)，快速、精確、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，適用于公安、司法、檢察部門進(jìn)行指紋的同一認(rèn)定。
文檔編號(hào)G06K9/00GK1073282SQ9211258
公開(kāi)日1993年6月16日 申請(qǐng)日期1992年11月2日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月2日
發(fā)明者宋菲君, 宋建力, 冀平, 安昕 申請(qǐng)人:中國(guó)大恒公司