BR112014002500B1

BR112014002500B1 - Sistema para registrar padrões de borda

Info

Publication number: BR112014002500B1
Application number: BR112014002500-2A
Authority: BR
Inventors: Anton Sergeevich Prytkov
Original assignee: Abilma Limited Liability Company
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2021-11-23
Also published as: WO2013022387A1; JP2014529783A; BR112014002500A2; US20140153792A1; CN103781421A; JP6014960B2; US9104900B2; UA111976C2; AU2012294979B2; EA201400069A1; EA023371B1; CN103781421B; RU2475185C1; MX2014001592A; EP2742862A1; KR102010435B1; KR20140054189A; EP2742862A4; MY185055A

Abstract

sistema para registrar padrões de borda a invenção se refere ao campo da biometria. o resultado técnico é a redução no custo e um aumento na confiabilidade de um sistema de registro de padrão de borda que provê alta qualidade de imagem e tem pequenas dimensões, uma alta velocidade operacional e consumo de energia reduzido. o sistema compreende uma fonte de luz, um componente que determina a posição de uma superfície de escaneamento, um sistema óptico, um sensor de imagem multi elemento, uma memória eletrônica e um dispositivo de processamento, em que a imagem eletrônica de saída dos sistemas é ligada por meio da diluição no dispositivo de processamento a pelo menos duas imagens intermediárias que são ligadas à imagem óptica da superfície de escaneamento, na qual um feixe de radiação com comprimentos de onda menores que l é pelo menos cinco vezes superior a um feixe de radiação com comprimento de onda maiores que l, e o valor de l atende à condição 0,37*l1,5/(a*n*t1,2) < 1, em que l é o comprimento de onda crítico em micrômetros, t é o intervalo dos elementos sensíveis a luz em micrômetros, a é a abertura numérica do sistema óptico na lateral do sensor de imagem, e n é o número de elementos sensíveis a luz do sensor de imagem para um elemento da imagem de saída.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A invenção se refere ao campo da biometria, particularmente a sistemas para o registro automático de padrões de bordas.

TÉCNICA ANTERIOR

[002] A Figura 1 mostra um diagrama de um sistema típico para registrar padrões de bordas. Uma fonte de luz 1 irradia sobre um componente 2 que determina a posição da superfície de escaneamento 3 para o objeto a ser registrado, tal como as linhas das bordas no dedo ou na palma da mão. Na superfície de escaneamento, o fluxo luminoso da fonte de luz termina fazendo uma imagem deste padrão da borda com base nas diferenças no reflexo das áreas correspondentes nas fendas e picos do padrão da borda. O sistema óptico, em regra incluindo uma lente coletora 4, um sistema de espelhos 5, uma lente objetiva 6, vidro protetor 7 e micro lentes 8 sobre o sensor de imagem, toma este fluxo e cria uma imagem do padrão da borda na superfície sensível a luz 9 de um sensor de imagem multi elementos. O sensor de imagem converte a imagem de uma imagem óptica em uma imagem digital eletrônica na forma de um arranjo de valores de intensidade proporcionais ao fluxo radiante incidente sobre o elemento sensível a luz correspondente, e transmite esta imagem para a memória eletrônica 10. A unidade de processamento 11 padroniza a escala desta imagem eletrônica, assim criando a imagem de saída do sistema.

[003] O componente que determina a posição do objeto a ser registrado é, em regra, projetado como um prisma retangular isóscele opticamente transparente. No entanto, existem variantes no design do sistema para registrar padrões de borda em cujos prismas de forma complexa, componentes cilíndricos ou placas de plano paralelo agem como o componente determinando a posição da superfície de escaneamento. Nas variantes mais raras, o elemento do corpo do sistema é componente determinando a posição da superfície de escaneamento.

[004] O número de espelhos no sistema óptico pode variar e determinar o formato e dimensões gerais do sistema.

[005] O sensor de radiação, em regra, é construído como uma barra ou matriz de transistores semicondutores de óxido de metal ou dispositivos de carga acoplada.

[006] Uma desvantagem geral dos ditos sistemas, como uma consequência dos requisitos bastante restritos na qualidade da imagem, é a necessidade de usar sensores de imagem com elementos sensíveis à luz relativamente grandes, que leva a uma área geral considerável da superfície de trabalho do sensor, como uma consequência, a um custo extremamente alto dos sistemas construídos com seu uso.

[007] O preço considerável dos sensores de ampla área é devido ao alto custo das pastilhas de silício a partir das quais eles são fabricados e a baixa porcentagem de produção útil destas pastilhas.

[008] Desta forma, a figura 2a mostra o arranjo na pastilha de silicone de 150 mm de diâmetro 12 dos cristais 13 para um sensor de imagem típico para um sistema para registrar o padrão da borda da palma da mão com uma distribuição de 1000 dpi. Um sensor deste tipo tem dimensões para seus elementos sensíveis a luz de 6,8 micrômetros e contém 7216 elementos ao longo da horizontal e 5412 ao longo da vertical. Pode ser visto a partir da figura que somente quatro cristais desta natureza podem ser acomodados na pastilha. Além disso, neste caso, a área útil da pastilha utilizável para a fabricação de cristais considera cerca de 50% da sua área total. Se um total de quatro falhas críticas de produção 14 é permitido durante a fabricação, mas estas forem arranjadas conforme mostrado na figura 2a, por exemplo, então nenhum cristal aproveitável será obtido da pastilha.

[009] Se um sensor é construído com o mesmo número de elementos sensíveis a luz, mas 1,4 micrômetros em tamanho, então o arranjo dos cristais na pastilha de diâmetro de 150 mm 15 pode ser, por exemplo, conforme ilustrado na figura 2b. Neste caso, a pastilha acomoda 137 cristais 16 que ocupam 80% da área total da pastilha. Se ao mesmo tempo, se um total de quatro falhas críticas de produção 17 é permitido durante a fabricação, arranjado conforme mostrado na figura 2a, então 133 cristais aproveitáveis serão obtidos a partir da pastilha. As perdas devido aos defeitos, desta maneira, totalizam somente 3% do número total de cristais na pastilha.

[010] No entanto, apesar das vantagens óbvias, o uso em sistemas para registrar padrões de borda de sensores com pequenos elementos sensíveis a luz é restrito pela qualidade da imagem formada, o que é inadequado para atender aos padrões atuais no campo da biometria, particularmente pelo ruído e difusão da carga entre os elementos. FBI EBTS Apêndice F é atualmente um padrão chave para os sistemas de registro do padrão da borda.

[011] Existem algumas poucas variantes para o design do sistema para registrar os padrões de borda que tratam da resolução e tamanho necessários do campo de escaneamento ao usar sensores de imagem relativamente baratos.

[012] Desta maneira, a patente norte-americana 5859420, depositada em 01/12/1999, classificada sob o IPC G01B11/124, revela um sistema no qual a resolução do sistema para registrar os padrões de borda é aumentada subdividindo os sistemas em uma pluralidade de canais, cada um dos quais forma uma parte separada da imagem do objeto a ser registrado, após o que as partes da imagem são combinadas na imagem de saída.

[013] A patente norte-americana depositada em 08/09/2005, classificada sob o IPC G06K9/32, revela um sistema que permite um aumento na resolução de um sistema para registrar os padrões de borda sem aumentar o número de elementos sensíveis a luz no sensor de imagem, por meio do uso de um espelho de oscilação no sistema para criar uma pluralidade de imagens intermediárias deslocadas e formando uma imagem de saída na qual os elementos das imagens intermediárias são entrelaçadas.

[014] Este sistema é o sistema análogo mais próximo a invenção proposta. Sua principal desvantagem é a presença de outros elementos e procedimentos que, apesar de permitir o uso de um sensor relativamente barato, fazem eles mesmos uma contribuição adicional ao custo do sistema e reduzem a sua confiabilidade. Como uma consequência, uma redução substancial no custo total do sistema não é alcançada, enquanto ao mesmo tempo a confiabilidade é reduzida, o tamanho geral é aumentado, o consumo de energia é maior e a velocidade operacional do sistema é mais lenta.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[015] O objetivo da presente invenção é prover um sistema para registrar padrões de borda tendo um baixo custo e alta confiabilidade e ao mesmo tempo provê imagens de alta qualidade, pequenas dimensões gerais, uma alta velocidade operacional e consumo reduzido de energia.

MATÉRIA DA INVENÇÃO

[016] O dito objetivo é alcançado em que o sistema para registrar os padrões de borda inclui uma fonte de luz, um elemento de determinação da posição da superfície de escaneamento, um sistema óptico, um sensor de imagem multi elemento, uma memória eletrônica para armazenar imagens e uma unidade de processamento, em que a imagem de saída do sistema é eletricamente ligada na memória eletrônica com pelo menos duas imagens intermediárias, misturando na unidade de processamento os valores de intensidade de elementos das imagens intermediárias correspondentes para diferentes imagens intermediárias de uma e a mesma região da superfície de escaneamento, e atribuindo o valor obtido para a intensidade correspondente a esta região para um elemento da imagem de saída, e cada uma das imagens intermediárias é ligada eletricamente aos elementos sensíveis a luz do sensor de imagem, que são ligados opticamente a fonte de luz e a superfície de escaneamento do padrão de borda através da imagem da superfície de escaneamento do padrão da borda formada pelo sistema óptico, em que, na faixa espectral da sensibilidade do sensor de imagem, o fluxo total de luz útil com comprimentos de onda menores que o comprimento de onda limite L é pelo menos cinco vezes maior que o fluxo total de luz difusa com comprimentos de onda maiores que L, e o valor de L atende a condição.

[017] 0,37*L1'5/(A*N*T1'2) < 1,

[018] em que L é o comprimento de onda limite, expresso em micrômetros;

[019] T é o intervalo entre os centros dos elementos sensíveis a luz útil no sensor de imagem, expresso em micrômetros;

[020] A é a abertura numérica eficaz do sistema óptico formando a imagem da superfície de escaneamento na superfície sensível a luz do sensor de imagem, na lateral do sensor de imagem;

[021] N é o número de elementos sensíveis a luz no sensor de imagem para um elemento da imagem de saída.

[022] Um computador é preferencialmente usado como a unidade de processamento de imagem para diluir as imagens intermediárias. Em outra realização da invenção, um processador de sinalização digital pode ser empregado como a unidade de processamento da imagem para diluir as imagens intermediárias.

[023] A unidade de processamento, memória eletrônica e sensor de imagem podem ser integrados em um único elemento estrutural.

[024] O sensor de imagem é preferencialmente monocromático.

RESULTADO DA INVENÇÃO

[025] O resultado técnico provido pelo conjunto de características listadas é uma redução no custo, um aumento na confiabilidade, a provisão de alta qualidade de imagem, pequenas dimensões gerais, uma alta velocidade operacional e consumo reduzido de energia do sistema para registrar os padrões de borda.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[026] Um exemplo da realização da invenção pode ser visto no diagrama mostrado na Figura 1. Uma fonte de luz, assumindo a forma de um painel de luz 1, construída como diodos emissores de luz com um comprimento de onda de radiação dominante de 470 nanômetros, brilha em um prisma retangular isósceles 2 feito de material opticamente transparente. Passando pela face da perna de entrada do prisma 21, a luz é incidente em um ângulo de reflexo interno total na face da hipotenusa 3, esta determinando a superfície de escaneamento do padrão de borda. O objeto a ser registrado, tal como a impressão digital ou a palma da mão, é colocado nesta superfície. Nos pontos correspondentes aos picos do padrão de borda, o fluxo luminoso da fonte de luz é parcialmente absorvido pelo objeto a ser registrado; nas áreas restantes é completamente refletido pela face da hipotenusa do prisma. Desta maneira o fluxo luminoso termina produzindo uma imagem do padrão da borda a ser registrado. A luz subsequentemente passa através da face da perna de saída 22 do prisma e a lente coletora 4, é refletida no espelho 5 e é incidente na lente objetiva 6. Um revestimento da interface é aplicado à superfície de trabalho de um dos componentes ópticos na lente objetiva para agir como uma radiação bloqueadora do filtro de luz de clipe com um comprimento de onda sobre 490 nanômetros. A lente objetiva, com uma abertura numérica de saída de pelo menos 0,08 forma uma imagem do objeto a ser registrado na superfície sensível a luz 9 da câmera monocromática construída como uma matriz de transistores em um semi condutor de óxido de metal com espaçamentos entre os elementos de 1,7 micrômetros, em que um elemento sensível a luz é necessário para um elemento da resolução necessária no objeto a ser registrado, e os elementos no sistema óptico e no sensor de imagem são rigidamente presos para formar um único corpo. A câmera cria uma imagem digital do objeto a ser registrada na forma de um arranjo de valores associados de intensidade ao fluxo luminoso incidente no elemento sensível a luz correspondente e transmite esta por meio de uma interface USB para a memória 10 do computador com o processador 11. Quatro imagens intermediárias, a partir das quais uma imagem de saída é formada, são, desta maneira, transmitidas. Para alcançar isto, o programa calcula um valor médio de intensidade para o mesmo elemento através de todas as quatro imagens intermediárias e atribui o valor obtido ao elemento correspondente na imagem de saída. O princípio desta diluição para partes da imagem é mostrado graficamente na figura 3.

[027] Em outro design variante do sistema, o programa dilui as imagens calculando e escalonando novamente temporariamente os valores de intensidade, transformando a faixa de intensidade de 0 a 255 unidades para uma faixa de 0 a 65535. Isto soma os valores de imagem diluídos, multiplica o valor obtido pelo coeficiente específico e atribui o valor obtido ao elemento correspondente da imagem de saída.

[028] Em ainda outra realização variante da invenção, para simplificar o procedimento para ajustar o sistema, e corrigir precisamente a necessidade para a regulagem manual do aumento óptico, a lente objetiva forma a imagem cobrindo um número de elementos sensíveis à luz excedendo o número necessário de elementos na imagem de saída. Ao mesmo tempo o software modifica a escala, por meio da compressão, da imagem de saída. Desta forma, por exemplo, se a lente objetiva forma a imagem ao cobrir, em cada uma das duas direções perpendiculares, um número de elementos sensíveis a luz 10% maior que o necessário por meio dos elementos nas direções correspondentes na imagem de saída, o software comprime os dados, cada elemento sendo atribuído 1,12 = 1,21 elementos sensíveis a luz do sensor na imagem de saída. Além disso, com “a simplificação do ajuste, neste caso de acordo com a dita condição 0,37 •L1'5/(A-N-T1,2) < 1, se torna possível usar uma faixa espectral mais ampla e desta forma prover um fluxo radiante maior, sem detrimento à qualidade da imagem e sem aumentar o consumo de energia.

[029] O depositante fabricou diversas unidades de escâneres de padrão de borda da palma com um tamanho de superfície do escâner de 12 9 x 12 9 mm e com uma resolução nesta superfície equivalente a 500 pontos por polegada, incluindo tipos com os parâmetros especificados acima. Um dispositivo com os ditos parâmetros foi o primeiro escâner do padrão de borda conhecido tendo tal tamanho pequeno de elementos sensíveis a luz que foram capazes de produzir uma qualidade de imagem correspondente ao padrão FBI EBTS Apêndice F. Os dados experimentais confirmaram que a diluição do número de imagens intermediárias necessárias para o presente sensor e com implementação da dita proporção 0,37 L1,5/(A»N»T1,2) < 1 é possível construir um sistema de registro do padrão de borda correspondente ao dito padrão usando qualquer escâner de imagem disponível com pequenos elementos sensíveis a luz. Ao mesmo tempo, o fato de que o fluxo radiante de trabalho é pelo menos cinco vezes maior que o fluxo radiante parasítico significa que este fluxo parasítico tem uma influência na qualidade da imagem em um nível equivalente à influência dos fatores secundários tal como a dispersão da luz e reflexos parasíticos no sistema óptico.

[030] Como uma consequência do pequeno tamanho dos elementos sensíveis à luz e o uso de uma câmera monocromática, cada elemento do qual é sensível à irradiação de trabalho, o tamanho total da área do sensor no sensor da imagem usado é comparativamente pequeno, levando uma redução no custo do sensor e para um consumo de energia menor. Também devido ao pequeno tamanho da superfície sensível a luz, a lente focal da lente objetiva é significativamente mais curta que no análogo mais próximo, levando a uma redução nas dimensões gerais do sistema e o custo das lentes. Não há elementos móveis no sistema, levando a um aumento na velocidade de operação e confiabilidade do sistema por meio da comparação com seu análogo mais próximo. Diluindo as imagens intermediárias e usando a radiação com comprimentos de onda relativamente curtos permitiu a captura de uma imagem de alta qualidade, correspondente ao padrão FBI EBTS Apêndice F.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[031] A Técnica anterior e a essência da invenção são explicadas nas figuras.

[032] A Figura 1 é um diagrama esquemático típico do design de um sistema de registro do padrão de borda.

[033] A Figura 2 mostra o arranjo de cristais 5 no sensor de imagem com 7216 elementos sensíveis a luz ao longo da horizontal e 5412 ao longo da vertical em uma pastilha de 150 mm de diâmetro com dimensões diferentes dos elementos sensíveis a luz. A Figura 2a mostra os cristais com cristais de 6,8 micrômetros; a figura 2b ilustra os cristais 10 com elementos de 1,4 micrômetros.

[034] A Figura 3 é um diagrama esquemático da diluição das imagens intermediárias na imagem de saída calculando a média dos valores de intensidade para os elementos das imagens.

Claims

1. SISTEMA PARA REGISTRAR PADRÕES DE BORDA, caracterizado por compreender uma fonte de luz, um elemento de determinação da posição da superfície de escaneamento, um sistema óptico, um sensor de imagem multi elemento, uma memória eletrônica para armazenar imagens e uma unidade de processamento, em que a imagem de saída do sistema é eletricamente ligada na memória eletrônica com pelo menos duas imagens intermediárias, misturando na unidade de processamento os valores de intensidade de elementos das imagens intermediárias correspondentes para diferentes imagens intermediárias de uma e a mesma região da superfície de escaneamento, e atribuindo o valor obtido para a intensidade correspondente a esta região para um elemento da imagem de saída, e cada uma das imagens intermediárias é ligada eletricamente aos elementos sensíveis a luz do sensor de imagem, que são ligados opticamente a fonte de luz e a superfície de escaneamento do padrão de borda através da imagem da superfície de escaneamento do padrão da borda formada pelo sistema óptico, em que, na faixa espectral da sensibilidade do sensor de imagem, o fluxo total de luz útil com comprimentos de onda menores que o comprimento de onda limite L é pelo menos cinco vezes maior que o fluxo total de luz difusa com comprimentos de onda maiores que L, e o valor de L atende a condição. 0,37L1'5/(A*N*T1'2) < 1 em que L é o comprimento de onda limite, expresso em micrômetros; T é o intervalo entre os centros dos elementos sensíveis a luz útil no sensor de imagem, expresso em micrômetros; A é a abertura numérica eficaz do sistema óptico formando a imagem da superfície de escaneamento na superfície sensível a luz do sensor de imagem, na lateral do sensor de imagem; N é o número de elementos sensíveis a luz no sensor de imagem para um elemento da imagem de saída.

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que a unidade de processamento é um computador.

3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que a unidade de processamento é um processador de sinal digital.

4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que o sensor de imagem, memória eletrônica e unidade de processamento são integrados em um único elemento estrutural.

5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que o sensor de imagem é monocromático.