CN102043946B - 个体进行生物识别测量的方法和生物识别测量系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于对个体进行生物识别测量的方法和生物识别测量系统。在单个照明时间期间在多个不同的光学条件下对个体的目标皮肤部位进行照明。对于该多个不同的光学条件中的每一个分别接收目标皮肤部位的表面下散射的光。由所接收的光得到目标皮肤部位的多光谱图像。用所得到的多光谱图像执行生物识别功能。

Description

个体进行生物识别测量的方法和生物识别测量系统

本申请是申请号为“200580017952.3”、题为“多光谱成像生物识别”的中国专利申请的分案申请。

由联邦资助研究或开发作出的关于发明的权利的声明

美国政府享有按照合同No.FA8750-04-C-0190得到了美国纽约的Rome空军研究实验室的支持的该申请的权利。

背景技术

本发明一般涉及生物识别。更具体地，本申请涉及多光谱成像生物识别。

“生物识别(Biometrics)”一般涉及对活体特征的统计分析。一种统计包括“生物识别认证”，其一般在两种模式之一的情况下运行，用于提供对人的自动识别或者对据称的人的声称的身份进行验证。生物识别传感技术测量人的物理特征或行为特征，并将这些特征与类似的预先记录的测量进行比较，以确定是否匹配。一般被用于生物识别认证的物理特征包括面部，虹膜，手形，血管结构，以及指纹图案，其中指纹图案是所有生物识别认证特征中最普遍的。当前用于对采集到的指纹进行分析的方法包括光学，电容，射频，热，超声，以及其它几种不太常用的方法

大部分指纹采集方法依靠对手指表面上或与其非常靠近的皮肤特征进行测量。特别地，光学指纹读取器一般地依靠传感器台板以及置于其上的手指之间存在或者不存在折射率的差异。当界面上光的角度大于临界角度并且在台板的特定位置上存在指纹的充气凹部时，由于空气-台板折射率的差异而在台板中出现全内反射(“TIR”)。另外，如果适当折射率的皮肤与台板光学接触，则该位置上的TIR被“阻止”，允许光穿过该台板-皮肤界面。贯穿手指与台板接触区域的TIR的差异的映射形成了常规光学指纹读取的基础。存在大量的既以明场又以暗场光学装置方式检测光学界面的变化的光学装置。一般地，单束的准单色光被用于进行该基于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装置来照射指尖的前面，侧面或者背面，使得光透过皮肤漫射。由于对于突起和凹部，穿过手指并横过皮肤-台板界面的光传输的差异而形成了指纹图象。界面上光传输的差异是由于Fresnel反射特性的变化而引起的，而Fresnel反射特性取决于在凹部中是否存在中间气隙。一些非TIR传感器为非接触传感器，其使用偏振光对指纹的表面特征进行成像。在有些情况下，该成像系统可以包括线偏振器，并且可以在平行和垂直的方向上对入射光进行偏振，以提供两个图像，接着按照某种方式将这两个图象组合在块，以增强手指的表面特征。

虽然根据TIR现象的光学指纹读取器是一种最普遍使用的指纹传感器，但是它们容易受到由于非理想条件而造成的图像质量问题的影响。如果皮肤过分干燥，则与台板匹配的比率将受到损害，这就导致了很差的图像对比度。类似地，如果手指太湿，则凹部将充满水，这将导致遍布指纹区出现光耦合并且大大降低图像对比度。如果手指压在台板上的压力过小或过大，皮肤或传感器太脏，皮肤老化和/或破损，或者存在过度精细的特征例如同种同文化之民族和非常年轻的儿童的情况，也会产生类似的效果。这些效果降低了图像质量，并且从而降低了指纹传感器的整体性能。经过近来的研究，发现16％的指纹图像由于受到这些影响而没有达到最佳图像质量。在有些情况下，商用光学指纹读取器中包括软材料例如硅树脂的薄膜，用以帮助减轻这些影响并且恢复性能。因为是软材料，因此该薄膜会受到损伤，磨损，以及污染，在它需要维护之前就限制了传感器的使用。

生物识别传感器，特别是指纹生物识别传感器，一般由于各种形式的欺骗采样而失效。在指纹读取器的情况下，本领域内已知有多种方法，用于为读取器提供授权用户的指纹图案，该指纹图案被嵌入到一些类型的非生物材料中，例如纸张，明胶，乳胶等。这样，即使指纹读取器能够被认为是很可靠地确定是否存在匹配指纹图案，确保可以从真正的活体手指上获取匹配图案对整个系统的安全来说也是很关键的，而这是通过许多现有的传感器也很难确定的。

因此，本领域内需要有一种用于生物识别传感的改进方法和系统。

发明内容

本发明的实施例提供了对个体进行生物识别测量的方法。在单个照明时间期间在多个不同的光学条件下照射个体的目标皮肤部位。对于所述多个不同的光学条件中的每一个分别接收在所述目标皮肤部位的表面下散射的光。由所述接收到的光得到所述目标皮肤部位的多光谱图像。利用所得到的多光谱图像进行生物识别功能。

在不同的实施例中可以进行大量不同的生物识别功能。在一个实施例中，执行生物识别功能包括验证所述个体的身份。在进一步的实施例中，执行生物识别功能包括将所述多光谱图像与存储在数据库中的多个多光谱图像进行比较，所述数据库将所述多个多光谱图像与人的身份相关联。通过找到所述多光谱图像与所述数据库中存储的所述多个多光谱图像之一之间的匹配来识别所述个体。在另一个实施例中，执行该生物识别功能包括将所述多光谱图像与存储在数据库中的多个非多光谱图像进行比较，所述数据库将所述多个非多光谱图像与人的身份相关联。通过找到所述多光谱图像与所述数据库中存储的所述多个非多光谱图像之一之间的对应来识别所述个体。例如，所述数据库可以包括从所述非多光谱图像中得到的值，在这种情况下，通过从所述多光谱图像中提取特征并将所述特征与所述值进行比较将所述多光谱图像与所述多个非多光谱图像比较。

大量不同的特征可以被用于生成多个不同的光学条件。例如，在一个实施例中，多个不同的光学条件包括不同的偏振条件。在另一个实施例中，包括照射光的多个不同的波长。在该实施例中，个体的目标皮肤部位可以同时被多个不同的波长的照射光照射，可能以连续波长的形式，并且对散射光进行过滤，以对多个不同的波长进行分离。

偏振也可以被用于确保检测到的光已经经历了多个散射过程。例如，可以对于每个不同的光学条件，用具有第一偏振的光对目标皮肤部位进行照射。用第二偏振对接收到的光进行偏振，该第一和第二偏振基本上定义了交叉偏振条件。在不同的实施例中，该第一和第二偏振可以都为线偏振或者都可以为圆偏振。

在一个实施例中，皮肤部位的表面结构的图像也可以被采集。例如，可以用来自台板内部的光以大于临界角的角度来照射所述皮肤部位，其中所述临界角由所述台板与所述台板的外部环境的分界面定义，所述表面结构对应于所述皮肤部位与所述台板接触的部分。在所述单个照明时间期间，所述目标皮肤部位的位置可基本不变。

另一组实施例提供了多光谱传感器。采用了台板，用于由个体放置目标皮肤部位。布置了照射源，用于当目标皮肤部位被放置在台板上时对其进行照射。布置了成像系统，用于接收从所述目标皮肤部位的表面下散射的光。将控制器与所述照射源和所述成像系统相接。所述控制器包括在目标皮肤部位在台板上的位置基本不变的单个照明时间期间在多个不同的光学条件下用照射源对所述目标皮肤部位进行照射的指令。所述控制器还包括对于所述多个不同的光学条件中的每一个利用由所述成像系统分别接收到的光得到所述目标皮肤部位的多光谱图像的指令。利用所得到的多光谱图像进行生物识别功能。该多光谱传感器可以有时候被方便地包括在便携式电子装置中。

许多实施例使用偏振。在一个这种实施例中，该多光谱传感器进一步包括第一偏振器，用于对由照射源提供的光进行偏振。该成像系统包括第二偏振器，用于对皮肤部位的表面下散射的光进行偏振。该多个光学条件包括不同的相对偏振条件。在另一个这种实施例中，该多光谱传感器还进一步包括第一偏振器，用于对由照射源提供的光进行偏振，以及第二偏振器，用于对皮肤部位的表面下散射的光进行偏振。可以在交叉结构中提供该第一和第二偏振器。

在一些实施例中，该成像系统包括滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个分布式滤波器元件。每个滤波器元件都被用于传输有限数量的指定窄带波长范围之一的光。该多个不同的光条件包括指定的窄带波长范围内照射光的不同波长。在一个这种实施例中，在多个不同的光学条件下通过照射源对目标皮肤部位进行照射的指令包括顺序地通过不同的波长对目标皮肤部位进行照射的指令。在另一个这种实施例中，在多个不同的光学条件下通过照射源对目标皮肤部位进行照射的指令包括同时通过多个波长对目标皮肤部位进行照射的指令。

在另一个实施例中，该控制器还包括用来自台板内部的光以大于临界角的角度来照射所述皮肤部位的指令，其中所述临界角由所述台板与所述台板的外部环境的分界面定义。由入射到所述皮肤部位与所述台板接触的所述台板的所述分界面上的光得到所述皮肤部位的表面结构的图像。

在还一组实施例中，提供了一种对组织部位进行分析的方法。在单个照明时间期间在第一和第二不同的偏振条件下接收从组织部位散射的光，其中在该照明时间期间，组织部位的位置基本不变。该第二偏振条件并不定义相对于第一偏振条件的互补状态。从接收到的光中得到组织部位的图像。

至少第一和第二偏振条件之一可以包括基本随机的偏振条件。在第一和第二不同的偏振条件之一下接收从组织部位散射的光可以包括用具有第一偏振的光对组织部位进行照射并检测从组织部位散射的具有第偏振的光。作为选择，可以用具有第一偏振的光照射该组织部位，并且可以检测到从组织部位散射的具有与第一偏振互补的第二偏振的光。可以通过从在第一偏振条件下接收到的光中得到组织部位的第一图像以及从在第二偏振条件下接收到的光中得到组织部位的第二图像来得到组织部位的图像。接着可以对该第一和第二图像进行线性组合。在一些实施例中，可以对得到的图像执行生物识别功能。

本发明的实施例还提供了对个体进行生物识别测量的方法。在单个照明时间期间在多个不同的光学条件下对相对于台板布置的个体的目标皮肤部位进行照明。多个不同的光学条件的至少之一包括通过光以大于临界角的角度来照射该目标皮肤部位，其中该临界角是由台板与外部环境的分界面定义的。不同的光学条件的至少另一个包括通过光以小于临界角的角度来照射该目标皮肤部位。对于多个不同的光学条件的每一个条件分别接收从目标皮肤部位散射的光，以得到目标皮肤部位的多光谱图像。

在一个实施例中，目标皮肤部位的部分与台板接触。在一个这样的实施例中，在被目标皮肤部位散射之后接收到的光可以包括接收从如下位置散射后的光以得到目标皮肤部位的表面结构的图像，在所述位置，以大于所述临界角的角度入射到所述目标皮肤部位的光与所述目标皮肤部位与所述分界面接触的位置一致。

在不同实施例中，多个不同的光学条件可以包括不同的偏振条件，不同的照明角度，和/或可以包括不同的照射光的波长。在一个实施例中，该台板包括一定厚度的材料；通过光以大于临界角的角度对目标皮肤部位进行照射包括在光穿过台板的分界面到达皮肤部位之前在材料的厚度内通过全内反射对该光进行多次反射。在另一个实施例中，由相同的光检测器来接收在多光学条件中的每一个下接收的光。作为选择，可以通过第一成像器接收在多个不同的光学条件的至少之一下散射的光，并且可以通过不同于第一成像器的第二成像器来接收在不同的光学条件的另一个下散射的光。在不同的实施例中，可以在暗场或明场结构下接收在多个不同的光学条件的至少之一下散射的光。在单个照明时间期间，目标皮肤部位的位置基本不变。

另一组实施例提供了生物识别测量系统。该生物识别测量系统包括台板，照射源，光检测器，以及控制器。该台板被用于放置个体的目标皮肤部位。该控制器与照射源以及光检测器相接。该控制器包括用于在单个照明时间期间在多个不同的光学条件下对目标皮肤部位进行照射的指令，其中在该照明时间期间，目标皮肤部位的位置基本不变。多个不同的光学条件的至少之一包括通过光以大于临界角的角度来照射该目标皮肤部位，其中该临界角是由台板与外部环境的分界面定义的。不同的光学条件的另一个包括通过光以小于临界角的角度来照射该目标皮肤部位。该控制还包括对于所述多个不同的光学条件的多者中的每一个由所述光检测器接收的从所述目标皮肤部位散射后的光得到所述目标皮肤部位的多光谱图像的指令。在一些情况下，该生物识别测量系统被方便地包括在便携式电子装置中或包括在十字转门中。

在几个实施例中，该台板包括第一厚度的材料。对照射源进行布置，以通过在光穿过台板的分界面到达皮肤部位之前在第一厚度的材料内通过全内反射对该光进行多次反射来利用光以大于临界角的角度对目标皮肤部位进行照射。该台板有时候可以包括第二厚度的材料，使得从目标皮肤部位的表面下被散射的光在入射到目标皮肤部位之前能够通过该第二厚度的材料进行传播。该第二厚度的材料可以包括一个孔，该孔相对于光检测器布置，使得从目标皮肤部位的表面下被散射的光穿过该孔到达光检测器。可以通过外部环境的厚度来分离第一和第二厚度的材料。在有些情况下，该照射源可以包括布置在第一厚度的材料中的第一照射源和/或布置在第二厚度的材料中的第二照射源。

在不同实施例中，该多个不同的光学条件可以包括不同的偏振条件，不同的照射角度，和/或不同的照射光的波长。在一个实施例中，该光检测器包括朝着小于临界角的角度方向的光轴。例如，该光轴可以基本上朝着与分界面垂直的方向。

该控制器有时候也可以包括利用得到的多光谱图像以及得到的皮肤部位的表面结构的图像执行生物识别功能的指令。例如，该生物识别功能可以包括对个体的身份进行验证。

本发明的进一步实施例提供了方法，用于确定目标组织的活性状态。在单个照明时间期间在多个不同的光学条件下对该目标组织进行照射。对于多个不同的光学条件的每一个分别接收从目标组织散射的光。由接收到的光得到目标组织的多光谱图像。经过验证，该得到的多光谱图像与活组织一致。

在一些实施例中，用人来表示目标组织，并且根据多光谱图像来验证人的身份。大量不同的特性也可以被用于生成多个不同的光学条件。例如，在不同实施例中，多个不同的光学条件可以包括不同的偏振条件，不同的照明角度，和/或可以包括照射光的不同波长。在一个使用照射光的不同波长的实施例中，目标皮肤部位可以同时被多个不同波长的照射光照射，并且通过对散射光进行过滤以对多个不同的波长进行分离，从而对于多个不同的光学条件的每一个分别接收从目标组织散射的光。在替换实施例中，可以在不同的光学条件下顺序地照射该目标组织。

偏振可以被用来确保该检测到的光已经经历了多个散射事件。例如，可以在不同的光学条件的每一个下通过具有第一偏振的光对目标组织进行照射。可以通过第二偏振对该接收到的光进行偏振，该第和第二偏振基本上定义了交叉偏振条件。在不同实施例中，该第一和第二偏振可以都为线偏振或者都为圆偏振。

从目标组织散射的光可以包括从目标组织的表面下散射的光。在一个实施例中，目标组织的表面结构的图像也可以被采集。例如，可以用来自台板内部的光以大于临界角的角度来照射目标组织，其中该临界角是由台板与台板的外部环境的分界面定义的，该表面结构对应于与该台板接触的目标组织的部分。在单个照明时间期间，目标组织的位置基本不变。

另一组实施例提供了活性检测器。使用了台板，用于放置目标组织。布置了一照射源，用于当目标组织被放置在台板上时对其进行照射。布置了一成像系统，用于接收从该目标组织散射的光。控制器与该照射源以及成像系统相接。该控制器包括在单个照明时间期间在多个不同的光学条件下用照射源对目标组织进行照射的指令，其中在该照明时间期间，目标组织在台板上的位置基本不变的。该控制器还包括对于多个光学条件的每一个由成像系统分别接收到的光中得到目标组织的多光谱图像的指令。还提供了控制器指令用于验证该得到的多光谱图像与活组织一致。

许多实施例使用偏振。在一个这种实施例中，该活性检测器进一步包括第一偏振器，用于对由照射源提供的光进行偏振。该成像系统包括第二偏振器，用于对从目标组织散射的光进行偏振。该多个光学条件包括不同的相对偏振条件。在另一个这种实施例中，该活性检测器还进一步包括第一偏振器，用于对由照射源提供的光进行偏振，以及第二偏振器，用于对从目标组织散射的光进行偏振。可以在交叉结构中提供该第一和第二偏振器。

在一些实施例中，该成像系统包括滤色器阵列，该滤色器阵列具有多个分布式滤波器元件。每个滤波器元件都被用于传输有限数量的指定窄带波长范围之一的光。该多个不同的光学条件包括指定的窄带波长范围内照射光的不同波长。在一个这种实施例中，在多个不同的光学条件下用照射源对目标组织进行照射的指令包括顺序地通过不同的波长对目标组织进行照射的指令。

在另一个实施例中，该控制器还包括通过来自台板内部的光以大于临界角的角度来照射该目标组织的指令，其中该临界角是由台板与台板的外部环境的分界面定义的。从台板表面上的入射光得到该皮肤部位的表面结构的图像，其中在该台板上，目标组织与该台板接触。由入射到所述目标组织与所述台板接触的所述台板的所述分界面上的光得到所述目标组织的表面结构的图像。

附图说明

通过参照说明书的剩余部分以及附图能够实现对于本发明的特性和优点的进一步的理解，其中在整个附图中，相同的参考标记被用于指代相同的部件。在有些情况下，参考标记包括数字部分，其后面跟有拉丁字母后缀；只参看参考标记的数字部分就意味着共同地参看所有的具有该数字部分而具有不同的拉丁字母后缀的参考标记。

该专利或申请文件含有至少一个彩色附图。根据请求并支付必要的费用，将由该局提供具有彩色附图的专利或专利申请公开的副本。

图1提供了本发明一个实施例中多光谱生物识别传感器的前视图；

图2A-2D提供了本发明另一个实施例中示出的多光谱生物识别传感器的四个视图；

图3A显示了本发明的一个实施例，其中引入了全内反射照明，多光谱成像照明，以及光学棱镜；

图3B显示了本发明的一个实施例，其中引入了用于全内反射照明的厚台板，以及用于直接成像照明的分离机构；

图3C显示了本发明的一个实施例，其中引入了用于全内反射照明的厚台板，以及用于直接成像照明的分离厚板；

图4A-4C说明了在不同实施例中使用的不同偏振结构的效果；

图5提供了对本发明的多摄影机实施例的示意性说明；

图6提供了流程图，用于描述使用在多个不同的光学条件下测量来执行对身份和/或采样真实性的生物识别确定的方法；

图7为显示在不同光波长下血红蛋白吸收率的图；

图8提供了根据本发明实施例的多光谱生物识别传感器与便携式电子装置集成的示意性说明；

图9A和9B比较了在非理想条件下(COLOR)指尖的全内反射和多频谱成像测量的结果；

图10A和10B说明了存在光学清晰薄膜的情况下的图像特性；

图11A提供了组织影像的顶视图，该组织影像被用于模拟说明本发明的某些方面；

图11B提供了图11A所示皮肤影像在不同波长处的多光谱图像的例子；

图12A和12B提供了为描述欺骗采样(COLOR)而选取的多光谱图像的结果；

图13提供了为描述欺骗采样(COLOR)而对于活体和假体手指选取的多光谱图像的比较；

图14A-14D显示了为评价使用多光谱成像数据提供补充信息以改进指纹生物识别性能中执行的多人研究结果；以及

图15A-15D说明了一示例性实施例，其中传感器与十字转门集成。

具体实施方式

1.概述

本发明的实施例提供了方法和系统，该方法和系统考虑到生物识别测量的采集和处理。这些生物识别测量可以对于人的身份以及所采用的生物识别采样的真实性提供强有力的保证，并且可以与大量不同类型的装置组合在一块，例如蜂窝电话，个人数字助理，膝上型计算机，以及其它便携式电子装置，还有用于物理或逻辑存取的独立装置。本发明的方法和系统的共有特征在于采用了多个不同的光学结构，用于在单个照明时间期间采集多个图像数据。在有些情况下，提供了方法和系统，用于通过使用具有两个不同的成像系统的传感器来采集和处理数据。在其它情况下，所披露的方法和系统涉及使用具有单个摄影机的传感器来采集数据。

本发明的传感器提供了富足信息数据集，相对于常规传感器来说，该富足信息数据集增强了安全性和可用性。该增强调安全性源自将来自多个图像的信息组合在一块，其中该多个图像代表被测材料的不同的光学特性。这些特性提供了充足的信息，以能够区分活体皮肤和各种用于试图欺骗传感器的人造材料和方法。同样，增强的安全性源自本发明的一方面，其提供了用于对大范围的环境和生理效应进行测量的机制。该健壮和可靠的采样意味着系统安全标准并不会为了弥补很差的图像质量而必须被放松。

通过降低对于个体的准确接触和定位的限制以及降低对个体的皮肤具有特定品质的要求来实现增强的传感器的可用性。同时，从在某些光学条件下采集到的图像中提取表面下的生物识别信息的能力提供了用于即使在表面特征丢失或受损的情况下也能够进行生物识别确定的机制。通过这种方式，在本发明的实施例中进行的多光谱测量对于以下非理想皮肤质量也是有利且健壮的，例如干燥，过度潮湿，缺乏弹性，和/或磨损特征，磨损特征例如一般与上年纪的人、进行强体力劳动的人、或者皮肤暴露给化学物质的人例如美容师或护士相关。

在单个照明时间期间在多个不同的光学条件下采集到所有图像的集合在这里被称为“多光谱数据”。该不同的光学条件可以包括偏振条件的不同，照射角度的不同，成像角度的不同以及照射波长的不同。在有些光学条件下，所形成的图像显著地受到样品和台板之间的界面上TIR现象的存在和分布的影响。这些图像在这里被称为“TIR图像”。在有些光学条件下，所形成的图像实质上不会受到台板上是否存在TIR效果的影响。这些图像在这里被称为“直接图像”。

可应用于这里所述的多光谱测量的皮肤部位包括手指和拇指的全部表面以及全部关节，手指甲和甲床，手掌，手背，手腕和前臂，面部，眼睛，耳朵，以及身体的所有其它外部表面。虽然在下面的讨论中在提供特定实施例的例子时具体参照“手指”进行，但是应当理解，这些实施例仅仅是示范性的，并且其它实施例可以使用其它身体部分的皮肤部位。

在有些实施例中，传感器提供多个离散波长的光，其穿透皮肤的表面，在皮肤内和/或皮下组织中散射。这里使用的“离散波长”就是指波长或波段的集合，该集合被处理为单个的分档(binned)单元——对于每个分档单元，只整体上从分档单元中提取信息，而不是从分档单元的各个波长子集中提取。在有些情况下，该分档单元可以是不连续的，使得当提供多个离散的波长时，一些任意对波长或波段之间的波长不被提供，但这并不是必须的。在一些情况下，该波长位于紫外一可见一近红外波长范围内。

一部分被皮肤和/或皮下组织散射的光存离开皮肤，并且被用于形成该皮肤表面的或表面下的组织结构的图像。在一些实施例中，这样的图像可以包括指纹图像，这里术语“指纹”被广义地用于表示具有肤纹特征的任何皮肤部位。

下面提供对可在本发明的实施例中使用的多光谱系统的例子的详细的说明，但是这样的说明的意图并不是限制性的，因为其它技术可以用在可选的实施例中。

2.单摄影机多光谱成像

图1中示出了使用多光谱成像的实施例的第一个例子，其中该多光谱成像包括多个不同的照射角度。该实施例中的多光谱传感器101包括一个或多个光源103，用于以角度θ₁对手指进行照射，一个或多个光源133，用于以角度θ₂对手指进行照射，以及成像系统123，其可以包括数字成像系统。在优选实施例中，角度θ₁小于临界角θ_C，并且角度θ₂大于临界角θ_C。可以适宜地选择照射源的数量，以便于达到某种程度的照明、提供多照明波长、提供多偏振条件、满足封装要求以及满足多光谱生物识别传感器101的其它结构限制条件。

来自光源103，133的照射光穿过照明光学器件，照明光学器件将照射光定型为所希望的形状，例如泛光，光线，光点等等形状。为了方便起见，示出的照明光学器件105，135由透镜组成，但是可以更一般地包括一个或多个透镜，一个或多个反射镜，和/或其它光学元件的任意组合。该照明光学器件105，135还可以包括扫描机构(未示出)，用于以指定的一维或二维模式对照射光进行扫描。在不同实施例中，光源103，133可以包括点光源，线光源，面光源，或者可以包括一系列这种光源。光源103，133可以为窄带光源例如单色LED以及激光二极管，或者可以为宽带光源例如白光LED或白炽光源。在光源103，133包括一系列光源的情况下，这一系列的光源可以是相同波长或不同波长。不同的光源103，133可以相同地配置或者它们可以互不相同。

在光穿过照明光学器件105，135之后，它穿过台板117并照射手指119或其它皮肤部位，使得反射光被指向成像系统123。台板117可以被配置为使得进入该台板的照射光能够以所希望的角度穿过该台板117。在照明系统109的情况下，其中该照明系统109以角度θ₁对皮肤部位进行照射，小平面117b朝着与照射光轴大致垂直的方向。同样地，在照明系统139的情况下，其中该照明系统139以角度θ₂对皮肤部位进行照射，小平面117c朝着与相应的照射角几乎垂直的锥角方向。

在优选实施例中，角度θ₁小于临界角并且角度θ₂大于临界角，临界角被定义为出现全内反射的角。插图151示出了与在两种具有不同折射率的材料之间的分界面上计算临界角相关的几何图形。如本领域内已知的，光的折射一般出现在这种分界面上。对于不同的照射角，折射角也不同，并且满足以下形式的等式：

n₀sinΘ₀＝n₁sinΘ₁，

其中n₀为介质0的折射率，n₁为介质1的折射率，并且从各个介质中在与分界面垂直的方向上测量角度θ₀和θ₁。当n₀小于n₁时，按照如下方式给出临界角θ_C：

${\mathrm{\Θ}}_C={\sin }^{-1}\left(\frac{n_0}{n_1}\right),$

在n₀近似地等于对应于空气的1.0并且n₁近似地等于对应于种类型的玻璃的1.5时，则临界角近似为41.8度。在如此的情况下，入射角θ₁可以在0至大约40度之间变化，而入射角θ₂将为大于41.8度且小于由台板与手指皮肤之间的分界面定义的临界角的角度。对于折射率为1.4的皮肤，该次级临界角近似为70.0度。

在θ₁小于临界角的情况下，来自子系统109的照射光穿过台板的顶面117a，并且如果手指119出现在台板117上或在其上方，则将照射到该手指119的所有部分。照射该手指119的光的一部分将从皮肤表面被反射回来，而该光的第二部分将进入皮肤并经受例如散射和吸收这样的光学效应。一般地，进入手指皮肤的一部分光将被散射返回而离开皮肤并且返回进入台板117。

在θ₂大于临界角并且没有手指的情况下，来自子系统139的光将不会穿过小平面117a，并且将被反射回至台板117。光只穿过具有适当折射率的皮肤或其它介质直接与小平面117a光接触的位置中处的小平面117a的分界面。在台板117和手指119之间的接触点上，光将按照前面描述的方式，部分地被皮肤表面反射，部分地被皮肤吸收。但是，在照射波长使得光在被吸收之前无法在皮肤中传播太远的情况下，在每个接触点上被散射的光将被很好的定位在这点上。这就是紫外线，可见光以及近红外光谱区域中各种不同波长的情况。特别地，波长短于大约580nm的可见光被血红蛋白高度吸收，并且这样就在该照射点上保留了很好的定位。

在被子系统109或139照射时，通过适当的成像系统对被皮肤散射和反射的光进行成像。图1说明了一个实施例，在该实施例中，成像系统123包括数字成像系统，该数字成像系统具有数字阵列115以及检测光学器件113，用于将从目标反射回的光汇聚在该阵列上。例如，检测光学器件113可以包括透镜，反射镜，针孔，这些元件的组合，或者可以使用本领域内的技术人员已知的其它光学元件。阵列115可以包括硅成像阵列，例如CCD或CMOS阵列，InGaAs阵列，或者本领域内已知的其它检测器阵列。在有些情况下，成像系统123也可以包括滤光器121。滤光器121可以为短波长滤过器，其实质上阻塞了波长长于照明波长范围的光。本发明人已经发现了该结构用以在存在亮且宽带的环境光的情况下提供有利的性能，这是因为波长长于大约580nm的光可以实质上穿过该手指。在明亮的太阳光中，该长波长光可以使得检测器阵列121饱和，防止获得图像。利用滤光器121阻塞这种长波长的光同时通过所有希望的照射波长由此是有益的。

在一些实施例中，滤波器121可以为滤色器阵列，其可以进一步被合并作为数字阵列115的一部分。该滤色器阵列121可以包括公知的Bayer模式的红-绿-蓝滤光器阵列。在有些情况下，该滤光器元件可以传输与标准红-绿-蓝波长不同的波长，可以包括附加波长，和/或可以以不同于Bayer模式的模式布置。在包括该滤色器阵列121的情况下，照射源可以为白光或宽带源。作为选择，该照射源103，133可以包括多个窄带源例如LED，并使得中央波长位于该滤色器阵列121包括的滤光器元件的通带内。在一些实施例中，提供波长范围为大约400-1000nm的照射光。在其它实施例中，使用了光谱可视范围内的波长，也就是说范围大约为400-700nm。在有些情况下，使用了多个实质上离散的波长，例如在一个实施例中，三种照明波长分别对应于波长为约600，540，以及450nm的红，绿和蓝色。

可以有利地选择传感器布局和组件以最小化进入数字成像系统123的照射源103，133的直接反射。在一个实施例中，通过对照射和检测光学器件进行相对定向，使得检测到的直接反射的光的量被最小化，从而减少这种直接反射。例如，照射光学器件105以及检测光学器件113的光轴可以按照一定角度被放置，使得放在台板表面117a上的反射镜并不会将数量明显的照射光导入到检测子系统123中。通过类似的方式，检测光学器件113应该被定向以避免得来自照明子系统139的在台板表面117a上遭到全内反射的光。

在一个实施例中，按照一种方式对成像子系统123的光轴进行定向，使得该成像器能够“看穿”台板表面117a而不受到该表面处的全内反射的影响。通过这种方式，成像子系统123能够获得在所有点上被手指散射和反射的光的图像，而并非仅仅手指接触以及必要的反射率处的那些点的图像。一般可以通过以小于临界角θ_C的角度定向成像子系统123来满足这一限制。在有些情况下，成像子系统123可以以几乎与台板平面117a垂直来定向。

在另一个实施例中，按照一种方式对该成像子系统123的光轴进行定向，使得该成像器只能看到来自合适反射率的皮肤与台板平面117a光学接触处的点的光。这可以通过以大于临界角θ_C的角度放置成像器123来实现。如果该成像器位于位置和角度，使得它看到了没有手指或者其它材料接触表面117a时的照射光，则它就被称为“明场”成像条件。在这种情况下，与手指接触的点将会显示的相对暗一些。如果该成像器位于一位置和角度，使得它无法看到没有手指或者其它材料接触表面117a时的照射光，则它就被称为“暗场”成像条件。在这种情况下，与手指接触的点将会显示的相对亮一些。在有些情况下，可以采用光学隔板，光学涂黑，和/或本领域内已知的其它方法来降低伪散射光的影响，从而在任一成像条件下，尤其是在“暗场”成像条件下，都能增加图像质量。

可以实现多光谱传感器101包括的光学部件的特定特性，以满足不同形状因数的限制。例如，在一个实施例中，可以在作为系统的一部分的变速器的顶部实现多光谱传感器，以对车辆驾驶者的身份进行验证，光源103，133以及数字阵列115可以不安装在构成的变速器手柄中。在该实施例中，可以实现光学中继系统。例如，可以使用包括与孔范围中类似的各个透镜的中继光学器件，或者作为选择，也可以使用正射投影仪中用的光纤。在其它情况下，通过使用反射镜，可以折叠照明子系统109，139和/或检测子系统123的光程，从而降低整体尺寸。实现光学中继系统和/或折叠该光学系统的其它技术对于本领域内的技术人员来说是很显然的。通过这种方式，传感器的部件可以位于距离采样表面很远的地方或者被配置为符合其它形状因数限制。

该多光谱传感器可以在照明时间期间顺序地获取多个图像。例如，在不同波长，偏振条件，和/或角度的多个光源的情况下，该第一光源可以在摄影机获取和存储图像期间进行照射。该第光源接着被熄灭，并且在获取和存储第二图像期间由第二光源进行照射。该序列接着延续至所有光源，并且可以进一步包括通过非照射光源采集的“暗”图像。还有，在照明时间期间，任意或全部图像条件可以被重复任意次数。可以通过各种方式来组合该合成的图像，用于后续处理。例如，可以在每个照明状态与暗图像之间生成差异图像。这两种类型的图像之间的差异允许照明的效果与背景照明分离。该差异图像接着可以被用于根据本发明其它方面的进一步处理。

图2A-2D提供了具有多个照明子系统的多光谱传感器的结构的例子，其中，光学条件进一步包括偏振条件的差异。传感器201的基本结构与图1的类似，不同之处就是描述了多个照明系统。以大于临界角的角度放置两个照明子系统209，使得在缺少与皮肤的直接接触的情况下，在台板表面117a上出现全内反射。将4个照明子系统213相对于表面117a以小于临界角的角度进行定位。偏振器207，211已经被加给照明子系统209，213，并且偏振器205已经被加给成像系统203。偏振器205，207，211可以为线性的，圆的，椭圆的，或者它们的组合。照射源103(4)和133(2)可以为宽带或窄带。如果是窄带，则光源可以全为相同波长或者可以是实质上不同的波长。偏振器207和211也可以在一些或全部照明子系统209，213上提供“交叉偏振”排列或“平行偏振”排列。照明子系统209，213中的一个或多个可以省略偏振器，生成随机偏振的照射光。

在照明子系统209，213之一提供交叉偏振布置的情况下，对偏振器207，211进行布置和取向，以提供沿着与成像系统203的偏振垂直的方向被偏振的照射光。这种相互垂直的效用就是要确保检测到的光经受了多个散射事件，例如在皮肤部位119，因为其它的光将被阻塞。在照明子系统213被定向为小于临界角的角度的情况下，交叉偏振器的这个特性特别显著。在这种情况下，在缺少交叉偏振器时，可以从皮肤的表面反射，浅散射事件，以及深散射事件中检测到光。当使用了交叉偏振器时，表面和浅散射现象将被大大削弱。相反，也可以有利地采用平行偏振器，以强化表面特征以及浅散射效果。也可以有利地采用随机偏振，特别是与至少一种其它偏振状态相结合。

在线偏振器的情况下，通过对照明偏振器207，211进行定向，使得它们的轴与检测偏振器205的轴分离近似90度，从而提供交叉偏振布置。在偏振器为圆偏振器的可选实施例中，可以通过使得圆偏振器反指向(即，右手和左手)来实现交叉偏振布置的垂直。进一步，在线偏振器的情况下，可以通过对照明偏振器207，211进行定向，使得它们的轴与检测偏振器205的轴近似平行，从而提供平行偏振布置。在偏振器为圆偏振器的可选实施例中，可以通过使用圆偏振的相同指向来实现平行偏振。由于偏振器的影响，即使只有一个照明波长正在被使用，也可以通过改变系统的偏振状态来实现多个不同的光学条件。当然，多光谱条件也可以包括使用其它不同光学条件组合中的不同照明波长，不同照明角度，以及不同成像角度。

通过观察得到的进一步效用就是交叉偏振布置大大降低了由前面的用户留在台板117上的潜在印记的可见性，这样就提供了改进的图像质量并且降低了由于重新恢复该潜在印记而引起的欺骗可能性。这种布置的效用也延伸至常规光学指纹读取器。特别地，暗场光学指纹系统也特别适于该布置中附加的偏振元件。

更一般地，诸如潜在印记这样的影响可以根据它们独特的光学特性从所形成的多光谱数据中识别和分割。例如，潜在印记相对于不同偏振条件的光学性能与活体组织不同。类似地，潜在印记的光谱特性作为波长和照射角度的函数也与活体组织非常不同。通过本领域内已知的技术例如光谱分离，对于多光谱数据的光谱特性的分析就能够提供一种手段，用于从由于潜在印记而引起的人为结果中分离出真实的组织图像。光谱分析也可以被用于进行图像分割，从图像背景中定义和分离出含有组织数据的图像区域。通过类似的方式，本发明的多光谱数据集中可用的信息总量将很适合区分真正的人体皮肤以及使用人造标本或其它方法来欺骗传感器的各种尝试。在多波长、偏振条件和照射角度情况下的皮肤的复合光学特性对于人体皮肤是独特的，并且可以用来区分皮肤和可能被企图使用来欺骗传感器的很多不同种类的材料。

图3A-3C中描述的实施例根据单个摄影机将直接成像和TIR成像的变形在单个集成单元中合并。如图3A所示，摄影机314可以被定向在小于临界角θ_C的角度上，并且在有些情况下，被定向为与手指304或其它皮肤部位垂直。如此，摄影机314“查看”所有的手指304，是否它的部分直接与台板306光学接触。通过利用被定向为大于临界角θ_C的角度的光源310进行照明，就可以采集到一个或更多的类似于TIR的图像。如上所述以及本领域内所知道的，来自照明器310的光将只在TIR被皮肤-玻璃直接接触阻止的点上进入皮肤部位。并且，如果照射源310的波长被选择为皮肤高度散射和/或高度吸收的波长，在特定点上进入皮肤并且散射出来的光将会在皮肤的相同区域被实质检测到。没有被传输到皮肤中的光将被反射，并且到达光学黑表面308或者其它形式的光倾倒(dump)。通过这种方式，该布置能够通过依靠照明侧临界角现象来提供一个或多个TIR图像(从一个或多个照明波长和/或偏振条件生成)。

在该系统中，相同的摄影机314也可以被用于获取由定向为小于临界角θ_C的角的一个或多个照射源312生成的直接成像数据。光源312也可以将光学散射器和/或光学偏振器(未示出)组合在一块。

图3B示出了将TIR照射光导入到皮肤部位304中去的第二机构。在该实施例中，实质上的平板材料320例如玻璃，丙烯酸树脂，或其它合适的材料被定向作为窗口。一个或多个照射源322例如LED可以按照如下方式被安装在平板320的一侧：发出的光的大部分通过TIR反射328被反射多次；发出的光的一小部分的角度太陡以致于无法支持TIR，并且接近光源322被传输324。当皮肤具有适当的光学特性时，经过了多次TIR反射的光在与皮肤部位304有接触的点上穿过台板320。这样，被传输的光330就按照允许通过摄影机314俘获TIR图像的方式对皮肤部位304进行照明。在无法直接将光源322嵌入到台板320中的情况下，该光源322可以被安装在台板320的外部。简单的透镜或其它光学元件都可以被用于有效地将光从外部光源引入到台板320。使用与如图3A中所述相同的摄影机314和光源312来进行该多光谱成像。

图3B的板照明构思进一步扩展至通过图3C所示的实施例来提供直接照明。在这种情况下，在TIR板320下放置第二板330。可以通过例如使用隔板334在个实施例中提供空气间隙来分开两个板330和320。该直接成像板330可以包括特征例如孔和斜面，以允许光能够从导致皮肤部位304的模糊照明(broad illumination)的点上射出。蚀刻，擦蚀，漫射涂层和/或被浇注在直接成像板330的上或下表面中的部件，可以被用于使得光在所希望的位置从板330中射出。一个或多个用于直接成像的照射源332可以被安装在第二板330的侧面或内部，以提供多光谱照明。与结合图3A和3B描述的实施例类似，可以通过单个光检测器314来既采集TIR又采集直接成像数据。

仅仅通过例子，本发明人使用下面特定部件构成了类似于图3B所示的单摄影机多光谱成像系统的操作模型。数字阵列具有单色640×480CCD摄影机，即Lumenera型#LU-070，其通过USB接口与PC主机相接。照射源312，322包括24个高亮的、5mm直径的Packaged LED，通过实验室电源对其进行供电并通过USB固态中继(OnTrak ADU218)对其进行控制。通过被写入以在MATLAB环境(Mathworks，Mattlab7.0)中运行的定制软件来进行LED、成像器以及相关图像处理的软件控制。

LED包括4个不同组的Vishay LED(TLCXXXX)，一般为蓝，绿，黄和红色。将每个颜色中的4个LED插入到正方形丙烯酸树脂台板的每个侧面中，以按照与图3B中的部件322类似的方式提供TIR照明，从而提供直接照明。另外，按照与图3B中的部件312类似的方式将4个蓝色LED和4个绿色LED安装在摄影机轴的附近。偏振膜(Edmund Optics，NT38-495)被放置在摄影机镜头上。将偏振膜的额外片段剪切下来，并被用于覆盖一些试验中的直接照射器。在直接照射源未被偏振的情况下，同时对平行和垂直偏振结构进行研究。

本发明人使用该系统来研究不同类型偏振条件的特性和效用。特别地，本发明人调查了平行偏振，垂直偏振，以及随机偏振的情况。通过参看图4A-4C可以更好的理解该研究结果，图4A-4C描述了成像系统中理想偏振器的效果。图4A说明了在检测臂中使用的线偏振器以及在照明臂中使用的平行线偏振器的情况。在这种情况下，从材料例如皮肤检测到的光是表面反射光(I_S)和来自次表面皮肤的光(I_D)的组合。与此对比，图4B说明了交叉或垂直偏振器的情况，其中在理想情况下，检测到的光仅仅来自于次表面光学相互作用(I_D)。最后，图4C说明了从照射臂省略偏振器并且假设随机地对源进行偏振的情况。在这种情况下，所形成的信号包括表面(I_S)和次表面(I_D)部分，但是I_D为在图4A的平行偏振的情况下观察到的幅度的两倍。据此，就可以明白与随机偏振相比，平行偏振图形强调表面特征(或者降低次表面特征的重要性)，以及交叉偏振强调次表面特征。并且，这些结果展示了如果对任何两个偏振条件进行测量(即，垂直+平行，垂直+随机，平行+随机)，则通过两个图像的合适的线性组合就能够实现对表面和次表面效果进行分离。

2.双摄影机多光谱成像

在大量实施例中，上述的多光谱原理可以与其它生物识别技术结合在一块，以提供多元生物识别系统。如图5中所示，与常规TIR成像系统的集成是特别适合的。常规光学指纹读取器一般地被配置为使得该成像器的光轴大于由台板-空气分界面定义的临界角，但是小于由台板-皮肤分界面定义的临界角。通过这种方式，皮肤和台板之间的接触点导致了清楚的光接触。这样成像的接触点相对于没有接触的区域来说可以是明或暗的，这取决于指纹传感器的精确结构。这种常规系统中的照明可以大于或小于临界角，这取决于该系统是否被配置为明场或暗场成像器。典型地，红光被用于照明，其很容易穿透皮肤并被高度散射。在这种情况下，进入皮肤的照明是非局部的，并且照亮了原始照明点以外的大量皮肤。

图5显示了根据本发明的实施例进行了修改的常规明场指纹传感器。该传感器的常规部分包括光源503，台板511，以及成像系统505。该成像系统505可以包括透镜，反射镜，滤光器，数字成像阵列以及其它光学元件(未示出)。成像系统505的光轴相对于表面511a的角度大于临界角。来自光源503的光进入台板511并到达漫反射涂层513，其广阔地照射台板表面511a。在没有手指119时，光在表面511a受到TIR，并且一部分被采集，并通过成像系统505形成TIR图像。当适当折射率的皮肤与台板表面511a光接触时，接触点将在所形成的图像上形成相对暗的区域。其它形式的常规光学指纹读取器使用不同位置的光源503和/或成像系统505来实现暗场TIR图像。

如图5所示，第二成像系统509可以被加给常规结构。第二成像系统509通过小平面511b仰视手指119。成像系统509的光轴相对于小平面511a的角度小于临界角。在一些实施例中，成像系统509被定位为近似地与小平面511a垂直。该成像系统可以包括透镜，反射镜，滤光器，以及数字成像阵列(未示出)。通过这种方式，当光源503进行照明时，可以通过摄影机505来俘获TIR图像，同时通过摄影机509来俘获直接图像。本发明人已经发现，即使在TIR图像受到水，灰尘，接触不够，干燥皮肤等的不利影响的情况下，由摄影机509俘获的图像也相对来说没有受到影响，并且般都含有包括指纹图案的有用生物识别特征。

成像系统509可以进一步包括光学偏振器(未示出)，该光学偏振器可以为线偏振器或椭圆(例如圆形)偏振器。还有，其它光源507也可以被加给系统。光源507可以为白炽光源，例如本领域内通常已知的石英卤素钨丝灯或其它灯。光源507可以为其它宽带光源例如白光LED或本领域内通常已知的其它光源。光源可以为准单色光源例如固态LED，有机LED，激光二极管，和本领域内已知的其它类型的激光器和准单色光源。光源507可以进一步包括透镜，反射镜，光漫射器，滤光器，以及其它光学元件。

光源507可以实质上相同，或者可以提供不同照明波长、角度、以及偏振条件。在后者的情况下，光源507a之一可以具有被定向为与包括在成像系统509中的偏振器实质上垂直的光学偏振器(未示出)。这种光学结构趋向于强调表面下的皮肤特征。光源507b之一可以包括与成像系统509中使用的偏振器实质上平行的偏振器，并且趋于强调皮肤的表面特征。光源507可以具有相同波长或不同波长(有或没有偏振器)。对于不同的实施例来说，光源507的数量和排列可以是不同的，用以提供形状因数限制，照明等级限制，以及其它产品需求。

在一个实施例中，光源507被定向为相对于小平面511a的角度小于临界角。在优选实施例中，光源可以被定位在这样的角度和位置使得没有光源的直接反射被成像系统509或505看到。通过使用交叉偏振器结构也可以大大减轻这种直接反射，但是如果光源位于视场内，则一般仍会存在一些图像伪像。并且，平行偏振和非偏振结构也非常容易受到这种背反射的影响。

仅仅通过例子，本发明人使用下面特定部件构成了双摄影机多光谱成像系统的操作模型。Cross Match V300LC CIR指纹传感器被改造为容纳第二成像器和附加光学部件。第二成像器具有单色640×480CCD摄影机，即Lumenera型#LU-070，其通过USB接口与PC主机相接。照射源103包括72个离散的0402LED包，其被安装在定制的印刷电路板上，通过Lumenera摄像板上可用的一般目的输入/输出(“GPIO”)管脚对其进行控制。LED包括6组不同的Kingbright，APHHS005XXX LED，标称的波长值分别为400，445，500，574，610以及660nm。它们被容纳在取向于摄影机镜头任一侧的两个定制铝外壳中。该外壳被用于限制散射光，并且提供用于通过漫射器和线偏振器来覆盖LED的机构。漫射薄膜为Nitto Denko，H60，并且偏振器从Edmund Optics，NT38-495上剪下。将偏振膜的额外片段剪切下来，并被放置在摄影机镜头上。在一些情况下，光源和摄影机偏振器被设置为实质上垂直。在其它情况下，偏振器被设置为实质上平行。在更进步的其它情况下，光源和/或摄影机偏振器被省略掉。通过被写入以在MATLAB环境(Mathworks，Mattlab7.0)中运行的定制软件来进行LED、成像器以及相关图像处理的软件控制。

按照类似的方式构建第二操作模型，但是能够同时采集不同的照射波长条件。被增加给修改后的交叉匹配传感器的第二成像传感器是彩色成像器(OmniVision OV9121)，该彩色成像器包括具有Bayer样式的红，绿，蓝滤波器的彩色滤波器阵列。对照明LED进行选择，使其具有包含在三个滤波器通带的每一个中的波长。可以通过同时照射所有LED以及获取一个图像来同时获得三个不同的波长。接着按照与Bayer图案一致的方式对原始图像(未经过彩色校正)进行二次抽样，以生成表示红，绿，和蓝照射条件的三个子图像。作为选择，白光源例如白光LED或白炽光源可以使用。在这种情况下，滤色器阵列上的滤波器将从连续的照明波长中有效地选择一组特别的离散波长。

3.一般系统描述

图6的流程图概括了通过如图1-3和图5所示的结构来采集数据并用于各种生物识别任务的方式。虽然该流程图使用了特定的次序，但是该次序并不意欲为限制性的。在其它实施例中，在不超出本发明范围的情况下，执行某些功能的顺序是可以变化的。并且，流程图中特定功能的识别也不意欲为限制性的。在其它实施例中，在不超出本发明的范围的情况下，可以省略一些功能或者也可以执行附加功能。可以使用结合图1-3和图5说明的任意结构以及本领域内的技术人员在阅读该说明之后对其显然的其它的结构来执行结合图6描述的方法。

框602-606一般相当于在第一组光学条件下采集图像，在框602通过光源生成光，并且在框604被引导至台板表面，以在有手指存在并且满足其它必须光学条件的情况下对皮肤部位进行照射。如框606所示，光检测器通过来自皮肤部位的光来采集图像。

框608-612一般相当于在第二组光学条件下采集第二图像，否则重复框602-606中的步骤。在一个实施例中，第一和第二光学条件可以包括在两个不同角度方向上使用两个摄影机。特别地，第一图像606可以使用被定向为相对于台板表面的角度小于临界角的摄影机来采集，而用于采集第二图像612的摄影机被定向为角度大于临界角。在一个实施例中，可以通过使用相同的摄影机而不同特性的照射光602，608来方便地测量第一和第二光学条件。例如，在第一光学条件602中生成的光可以以小于临界角的角度到达台板的采样表面，而在第二光学条件608中生成的光可以以大于临界角的角度到达台板的采样表面。作为另一个例子，可以以与被用于采集第一图像606的偏振器相互垂直的角度对在第一光学条件602中生成的光进行偏振，而随机地对在第二光学条件608中生成的光进行偏振。作为再一个例子，在第一光学条件602中生成的光可以为特定波长，而在第二光学条件608中生成的光可以为不同波长。

在有些实施例中，在第一和第二照明条件下的图像采集可以实质上同时进行。例如，在使用两个不同照明波长的情况下，滤色器阵列可以被应用于成像器，以允许在一个获取时间间隔内获得两个波长。通过类似的方式，包括不同偏振元件(例如，平行，垂直，和/或无)的阵列可以被用于在不同偏振条件下采集图像。这种多个照明条件的同时采集可以很有用地在“扫动(swipe)”结构中被采用。在这种结构中，皮肤部位经过具有矩形或“一维”长宽比的传感器之上皮肤部位，并且采集到一系列切分图像。接着对这些分离的图像进行重新组合，缝合在一块，以形成单个合成的二维图像。该重新组合技术可以被用于多光谱传感器，其中同时或相对于手指扫过速度在时间上足够接近地采集不同的光学条件。

该采集到的数据接着被用于执行生物识别功能，例如识别，身份认证，欺骗检测，生成合成指纹，或对个人特征进行评估，虽然在其它实施例中也可以使用其它生物识别功能。如框614中所示，对在框606和612采集的数据进行多光谱分析，以识别被成像的样本的多光谱属性，并将其与活体皮肤的预期属性进行比较，或者在一些情况下，将其与特定人的预期多光谱属性进行比较。例如，多种类型的判别技术中的任意一种都可以被用于进行多光谱比较(其中，通过忽略空间信息同时保留通过不同光学条件观察到的光学属性的关系来从多光谱数据中提取出光谱信息)，大量的该判别技术已经在如下被共同转让的专利中被详细地描述：美国专利号6,560,352，标题“APPARATUS AND METHOD OF BIOMETRIC IDENTIFICATION ORVERIFICATION OF INDIVIDUALS USING OPTICAL SPECTROSCOPY”，其整个公开的内容被引入这里用于参考目的。例如，合适的判别技术可以包括根据Mahalanobis距离、光谱残余量，K最近邻模型的技术，以及其它线性或非线性的判别技术。这里描述的多光谱成像技术可以提供关于如下内容的信息：皮肤部位的外部趾掌脊图案，内部趾掌脊图案，其它次表面结构的组成和位置，皮肤部位的光谱质量，皮肤部位的大小和形状，皮肤部位的肌理，以及在人的皮肤与各种人造材料和欺骗方法之间不同的其它特征和统计质量。

在框616中，可以通过使用这里描述的技术从多光谱数据中提取出合成的指纹图像。在一个例子中，为了改进整体指纹图像质量，可以使用从一个或多个直接图像中生成的提取出的指纹图像来增强TIR图像。在另一例子中，对多光谱图像数据和TIR数据都被很好的定义的图像的各部分可以建立线性或非线性的关系。这些部分接着可以被用于以例如主成分回归、偏最小二乘法、神经网络以及本领域内的技术人员已知的其它方法建立数学模型。接着可以从建立的模型中对由于与台板接触很差或者其它原因而丢失的TIR图像的部分进行评估。在另一实施例中，可以使用两个完整图像集，但是数值模型使用其中所述关系相对地没有受到TIR图像的丢失或降级部分影响的稳健统计来建立。作为选择，可以通过检查以前采集的多光谱图像集来建立数字模型，并接着被应用于新数据。进一步，虽然在许多情况下在整体上对图像进行比较，但是在其它情况下可以通过将比较限制在图像的规定的部分来使用更多的局部特性。在任何情况下，意图改进质量的所形成的复合图像可以接着被报告给主机系统，用于进一步的生物识别处理。该用于生成单个指纹图像的复合处理可以使得传感器能够从多个不同的图像中生成更好的清晰显露的指纹，同时仍旧能够与处理常规单图像数据的系统兼容。

在框618中，可以对多光谱数据进行处理，以生成生物识别模板。在一个例子中，可以按照描述的方式从多光谱数据中提取出一组指纹图像或单个合成指纹图像。接着，通过记录指纹细节点或本领域内的其它方法来为每个指纹图像生成一个模板。在从不同光学条件下采集的多个图像的每一个中提取出一个模板的情况下，这些模板可以被简单的拼接在一块，或者按照一种方式对它们进行组合，以选择那些为多个图像所共有的特征，同时排斥那些在少量图像(可能1个)中虚假地出现的特征。可以提取出多光谱数据中除了指纹数据以外的属性，以形成可以不同于指纹模板或者与指纹模板组合在一块的模板。其它的这种属性包括更深的血管的位置、由于结疤和/或皮肤老化而出现的皮肤上的突起表面以及次表面线、每种光学条件和交叉光学条件的皮肤纹理、总体光谱特性、总体手指大小和形状。

在框620中，可以通过使用各种方法来对多光谱数据进行处理以生成对于各种个体特征的评估，上述的各种方法诸如共同转让的如下文献中描述的方法：美国专利申请号11/009,372，标题“METHOD AND SYSTEMS FORESTIMATION OF PERSONAL CHARACTERISTICS FROM BIOMETRICMEASUREMENTS”，由Robert K.Rowe在2004年12月9日提出，其整个公开内容被引入这里作为参考目的。例如，神经网络或者其它线性或非线性算法可以被应用于多光谱数据，以评估手指被测量的人的年龄或性别。一种形式的很适合这种评估任务的神经网络就是Kohonen的自组织映射(SOM)，其可以在无人监督模式或有人临督模式下应用，包括使用本领域内人员已知方法的学习向量量化(LVQ)。

框622描述了用于以后检索和处理的原始多光谱数据的档案。该数据可以按照原始形式被归档或者使用有损或无损压缩算法对其进行压缩。也可以按照某种方式对该多光谱数据进行预处理，并与原始数据一起或代替原始数据存储预处理后的结果。

4.欺骗检测

上面已经指出，本发明的实施例具有很好的欺骗检测能力。在很多情况下，这些能力来自于多光谱成像对于生理特征的灵敏度，其中该生理特征表示被成像对象的活性状态。特别地，可以通过确保与活性材料的光谱一致性来确定对象的“活性”状态。尽管只识别指纹的系统有可能被具有认可的指纹图案复制品的伪造手指欺骗，但是使用多光谱图像数据的本发明的实施例能够在这种伪造结构与实际活性结构之间进行判别。

特别地，皮肤是一个复杂的器官，其由多个层，各种化学混合物，以及不同的结构例如毛囊，汗腺以及毛细血管床等组成。最外层的皮肤，即表皮，由下层真皮和皮下组织支撑。该表皮本身可以具有5个经识别的次层，该次层包括角质层，透明(lucidum)层，粒(granulosum)层，棘层，以及生发(germinativum)层。这样，例如，最上面的角质层下面的皮肤就具有一些涉及表面形貌的特征，以及一些随着深入皮肤而发生变化的特征。虽然对皮肤供血存在于真皮层中，但是真皮已经深入到表皮，即通常所说的“真皮乳突”中，其通过毛细血管将供血带给表面。在手指的手掌面中，该毛细血管结构接着面上的摩擦脊。在该身体的其它位置中，毛细血管床的结构可以不是很整齐，但是仍旧具有特定位置和个体的特性。还有，不同皮肤层之间分界面的形貌是非常复杂的，并且具有皮肤部位和个体的特性。

如图7中所示，活体组织中分布的血液在光的可视区域内具有清楚的以及很强的吸收带。在该图中，示出了对于沿着曲线702的静脉血以及沿着曲线704的动脉血在血浓度的血红蛋白吸收率。意外地，可视波长跨越了一个令人感兴趣的血液光谱的区域，与皮肤中表示光谱活体特征的红，绿，和蓝光相关。多光谱传感器可以被用于对一个样本进行静态光谱读取，其与传感器表面接触或者距离很远都可以。另外，传感器的直接成像部件可以在皮肤部位移至与传感器表面接触时以及在手指与传感器之间第一次接触后即刻的时期内对皮肤部位进行照射。

可以从静态和动态阶段之一或全部中得到信息，以确保光谱质量匹配那些活体组织。例如，在动态阶段期间，当皮肤响应加在皮肤部位上的压力而变白时，在传感器附近就会观察到皮肤的血液分布和/或颜色的变化。另外，皮肤的各个区域可以显示不同的血液淤积，特别是手指和传感器之间接触范围的周边区域。血液的这种变白和/或淤积为相应图像提供了一组可识别的变化。特别地，被血液高度吸收的小于大约580nm的波长被看到在变白区域中变得更亮，而在血液淤积区域中变得更暗。大于大约580nm的波长则在变白和/或淤积期间将被看到较少变化。当皮肤部位与传感器接触时发生的光谱变化的出现、幅度和/或相对量可以被用做一附加机制，用于在真实测量和试图欺骗传感器之间进行区别。

在传感器包括直接成像部件和TIR部件的实施例中，由直接部件使用一个或多个照明波长和/或偏振条件检测到的图案可以与由TIR部件检测到的指纹图案进行比较。通过这种方式，由于血液和其它次表层结构引起的内部指纹数据被用于由TIR部件采集到的外部指纹的图像进行确认。如果在两个图案之间存在差异，则欺骗传感器的企图将被指出，并采取适当措施。该方法对于如下欺骗企图是特别灵敏的：将薄且透明的膜放在具有不同指纹图案的指尖上一同时活体组织仍旧被呈现给传感器，由传感器检测到指纹图案的差别仍然表示出一个可能的欺骗企图。

也可以检测其它因素，用于在真实组织与使用人造样本或某一种类的变造样本来欺骗传感器的企图之间进行判断。例如，在不同偏振条件下取得的图像差异将具有皮肤的某些特征属性，而该特征属性对于其它类型的材料来说是不同的。作为另一个例子，可以随着时间监测通过一个或更多的波长得到的图像。在特定时间间隔期间，可以测量由例如脉搏引起的那样的变化，并且被用于确认组织的真实性。还有，可以观察由位于脊部孔的出汗导致的图像变化，并且被用于欺骗检测。

5.复合指纹生成和生物识别模板生成

一般地，有一个或多个光学条件，这些条件在大部分环境和生理条件下(假设被测手指具有良好限定的指纹特征)将生成良好限定的指纹图像。例如，在手指皮肤很潮湿并且与台板很好接触在台板上导致可变的TIR效果的情况下，生成TIR成像的光学条件(即，在该光学条件下，照射角大于临界角和/或成像角大于临界角)将被期望生成高质量、高对比度的图像。另一方面，如果皮肤很干和/或没有很好的与台板相接，则直接成像模式(即，照射和成像角度小于临界角)易于生成高质量的指纹图像。另外，本发明人已经注意到，在图像场的某些部分中和/或对于某些手指来说，不同的波长将经常比其它波长限定更好的特征(指纹图案，疤痕)。还有，小于约580nm的波长易于产生“斑污”的特征，这是由于对手指皮肤内的血液分布敏感造成的。然而，对血液的敏感度可在某些情况下产生好的质量的指纹图案。相反，比580nm长的波长易于产生指纹和手指的其它特征的更为均匀的表示。本发明人还注意到，某些偏振条件只在某些条件下提供好的指纹特征。例如，在手指没有好的与台板接触的情况下，随机偏振或平行偏振配置更易于显示良好限定的表面特征。但是，一般地，当在手指和台板之间存在好的光耦合时，由这些偏振配置生成的特征不是那么好地被限定。交叉偏振结构对于这种耦合变化灵敏度要小得多。

因此，为了在变化范围很大的条件下生成可用的指纹生物识别，本发明人发现通过某些方式将来自本发明多个光学条件的指纹信息组合在一块是很有用的。例如，在不同的光学条件下、通过单个照明期间得到的每个图像可以单独被处理，以通过使用带通滤波器，中值滤波器，傅立叶滤波，Gabor滤波器，直方图均衡化，以及本领域已知的其它线性和非线性增强方法来加强指纹图案。接着按照某些方式例如对图像取简单平均，将合成的增强图像组合在一块。另一种方法就是使用标准偏差法以及本领域内已知的其它方法来对每个图像的指纹质量进行评估，并且只对具有足够质量的图像取平均，或对图像进行加权平均，其中加权与质量等成比例。

本发明人成功采用的另一种方法就是将每个单独处理的多光谱图像带入细节检测算法中，其中该细节检测算法一般进行另一组操作，包括对图像进行过滤和二值化，作为检测细节处理的一部分。接着可以按照某一形式例如取平均或生成中间二值化图像来将这些二进制图像组合在一块。作为选择，每个图像都能够被单独处理，以生成细节，接着以某种形式对这些细节进行组合。例如，所有的细节可以简单地被汇编在一块或者可以进行一些选择处理，以选择那些出现在多于某一数量的图像平面上的细节。在多个图像平面上的附近细节可以被整理为一个细节点。

在目标就是除了生成图像或者图像表示例如模板以外，进行生物识别匹配的情况下，从每个图像平面中生成的模板可以单独地与来自另一期间的相应模板匹配。接着按照某一方式对合成的匹配值进行组合，以生成最终匹配值，其中根据该最终匹配值可以作出匹配/不匹配的决定。例如，可以对所有的每个匹配值一块取平均，或者对从高质量图像中生成的匹配值取平均，或者使用中间匹配值，或者使用最高或最低匹配值，或者可以应用其它类似数学和逻辑操作的变种。

本发明人还已经发现，可以使得该多光谱图像与通过其它成像方法得到的图像进行匹配。例如，每个多光谱数据集的平面都可以单独地与现存的指纹图像进行匹配。接着通过某一方式(例如计算平均值，中间值，最大值等)对匹配值的合成集合进行组合，以生成个匹配记分，该匹配记分接着可以被用于进行匹配判断。通过这种方式，该多光谱数据将可以与通过其它光学传感器，电容传感器，温度传感器等得到的非多光谱指纹图像的现存数据库一块使用。

5.应用

在很多实施例中，多光谱传感器被组合到便携式电子装置中。这以图8中的实施例进行说明，其中用810表示该便携式电子装置。在不同实施例中，该便携式电子装置810可以为蜂窝电话，个人数字助理，数字摄影机，膝上计算机，或其它便携式电子装置。光检测器808，例如上述数字成像阵列描述的，可以被结合到装置810中，使得当检测器808没有被用于采集多光谱数据时，它可以被用于常规对象、位置和/或人物的成像，这与通常实际情况一样。组织的照射可以具有光源，其中该光源被配置为LED照明环804，或者可以具有另一种类型的照明光源，并且如图1所示使用了成像光学器件。在某些实施例中，与图3A，3B或3C所示类似的多光谱结构可以被结合到装置810中。在部分这些实施例中，可以通过如前面所述的杆或条成像结构来实现该结构。在其它实施例中，该结构可以包括触摸或区域成像结构。

虽然图中示出了皮肤部位802与传感器接触，但是其它等同的实施例也可以被实现，其中皮肤部位并没有与传感器接触。在有些情况下，该皮肤部位可以位于距离传感器以及传感器的光学系统远的地方，其中该传感器被用于在适当的距离对皮肤部位进行成像。

在一些实施例中，结合在便携式电子装置中的传感器可以包括能够调整焦距的光学系统。该用于调整焦距的机构可以包括一个或多个透镜，其中该透镜可以移动到各种位置。该调焦机构本身可以是常规变焦设置。作为选择，调焦机构可以使用基于已知的电湿现象的液体镜头。该调焦机构可以包括MEMS微光系统或其它类似的调焦方法。该调焦结构可以包括使用波前编码，其中导入了相位失真，促进了对于不同焦距位置的后获取图像校正。

在一系统结构中，便携式电子装置已经被设计为容纳用于生物识别的皮肤部位的“闭合”或宏图像，相同的光学系统可以被用于读取光代码例如条形码。这种条形码读取将，例如，对一个服务进行初始化，在该服务中，对应于UPC条形码的产品的产品信息被下载至便携式装置，以向消费者提供比较价格和性能数据。在用于促进游戏或各种游戏活动的其它实施例中可以使用类似的条形码扫描。在对紧密暂时接近(close temporal proximity)生物识别扫描中进行的条形码扫描的关联将提供对于法律事务的查帐索引，包括金融文档和交易，法庭的证物链情况，以及各种逻辑和/或物理安全应用。

一种便携式电子装置上的被配置为采集多光谱生物识别数据的成像系统也可以被用于扫描文本，图形，或其它印刷品。在文本的情况下，通过使用已知的光学字符识别(“OCR”)方法可以将被扫描的数据转化为可解释的形式。这种文本识别接着可以被用于提供文本翻译服务，复印服务，以及通过快速和方便的字符输入而得到帮助的其它服务的输入。

便携式电子装置上的成像系统也可以被用作光学输入装置，以提供一个机构，用于安全地将数据输入到用于重新编程、安全补偿以及安全数字通信功能的装置中去。该成像系统的照明部件可以被用作与检测器元件相反的光学输出装置。使用多个滤波波长能够提供多个高带宽的通道，用于快速和/或健壮的光学通信。

该多光谱传感器也可以被用作智能开关，用于打开或使能相关装置，系统，或服务。在这样的能力中，该多光谱传感器可以被设置为视频流模式，以在每秒钟采集多个帧。接着可以对每个帧进行分析，以检测动作，并如果检测到了动作，则进行图像处理步骤，以通过分析整体形状，肌理，和/或与活体手指相关的光谱质量来确认该动作是由于手指而引起的。在手指得到了确认时，该智能开关功能将，例如，打开或关闭一装置。如果该动作无法被确认是来自手指的，则传感器可以仅仅是继续监视。

该多光谱传感器可以被用作指点装置，其具有与通常在膝上PC上使用的触摸板类似的功能。通过检测手指在传感区域上的动作来照这样使用该多光谱传感器。滑动手指线性移动到左侧能够表示向着PC(或蜂窝电话，PDA，或其它装置)的左侧移动，与向右、上、下，对角或其它方向移动具有类似的效果。接着使得PC(或蜂窝电话，PDA，或其它装置)的光标沿着指示的方向移动，或者可以采取其它适当的动作。按照类似的方式，传感器的表面在不同区域中被轻叩，以模拟常规PC鼠标的点击或双击。其它动作，例如环绕，X等，可以被用于表示其它特定动作。在触摸或轻叩传感器的情况下，通过对出现在皮肤部位上的发白程度进行评估来估计压力的大小。通过这种方式，响应于感应到的涉及硬压力的软压力可以采取不同的动作。

可以对移动中皮肤部位的光谱质量进行评估，以确保检测到的动作来自于皮肤部位而不是一些伪造对象。通过这种方式，可以避免假动作。

该传感器表面也可以被用作简单文本入口装置。按照与指点装置的情况相类似的方式，用户可以通过描述简单字母或数字的指尖进行动作，这些简单的字符或数字接着被便携式电子装置累积。

手指的特定动作可以被用于增加传感系统的安全性。在这种配置中，手指的光谱和空间质量(quality)被确认为与记录在案的相匹配，同时进行的特定手指动作被评估，以确保与记录在案的动作类似。通过这种方式，为了确定整体匹配，需要对手指质量和动作进行匹配。

该多光谱传感器可以被用于测量环境光条件。为此，当皮肤部位没有覆盖传感器表面时，不需要打开任何照射光就能够得到图像。可以从图像中确定环境光的量。在成像器使用滤色器阵列或类似机构来对光的光谱特性进行评估的情况下，可以导出更详细的周围光。接着，可以通过相关装置来使用所测量周围光的水平以设置显示亮度、背光等的水平。这种设置对于确保便携式电子装置的可用性，同时保存电池的使用率来说是非常有用的。该相同的环境光信息也可以被多光谱传感器使用，以动态的设置增益、偏移量，以及其它成像参数，从而最好地适应当前环境光的环境。

6.测试

已经进行了大量不同的试验和模拟测试，用于说明本发明各方面的有效性，包括提供可重复和可靠的身份验证和确定的能力。作为一个新鲜事务，对于图9A和9B中不同非理想条件，说明了通过在常规TIR成像上的多光谱成像来改进信息采集。例如，图9A提供了从具有非常干的皮肤的指尖得到的面板602中常规TIR图像的比较。很显然的是，该图像中丢失了许多特征，使得身份确定和验证很有可能不太可靠。相反，面板604中提供的直接图像显示了，仍旧可以通过这里描述的多光谱成像方法来采集被常规TIR图像丢失的特征。在该例子中，使用具有交叉线偏振的5种不同的波长475nm，500nm，576nm，以及625nm的照明来生成直接图像。右侧的面板分别显示了将首先三个主要部件映射给红(面板906)，绿(面板908)，以及蓝(面板910)。

图9B显示了采集到的结果中的差异，作为用于常规TIR和用于直接图像的皮肤部位和传感器之间存在阻挡材料的结果。面板922显示了当获取常规TIR图像时存在空气间隙导致没有一点要被检索的信息，这是因为没有TIR阻碍。从面板920中可以看到，对于相同的物理排列来说，存在空气间隙并不会显著地削弱采集直接数据。相反地，存在汇集的水使得常规TIR图像被覆没，因为该TIR在任何地方都受到阻碍，在面板926中导致黑图像，其中黑图像不传送有用的信息。这也可以与在相同的物理环境下面板624中所示的直接图像进行对比，同时没有显著的削弱收集生物识别信息。

图10显示了将薄的、光学透明的薄膜放置在手指上的效果，在该试验中该薄膜为简单透明带。图10A显示了得到的TIR图像，其示出了一空白区，而该带就在这里。相对地，图10B显示了平均直接图像，其中该图像是在相同组的多光谱测量中观察到的。在这种情况下，该直接成像使用通过多个照明波长得到的交叉偏振配置。从图中可以看到，该得到的直接图像可以看到薄膜下的皮肤结构以及其它特征。

通过多光谱成像来看清楚组织中不同特性的能力也已经通过了光学模拟的测试。按照这种方式使用非顺序光学光线跟踪包(TracePro，version3.2)来对如本发明实施例中使用的多光谱成像的特征进行初始测试。对于该说明，传感器的主要部件包括排列在直接成像结构中的光源，玻璃台板，以及图像平面。该照射光被线偏振，通过特定波长进行均匀照明。该板被模制为1mm厚的BK7玻璃制品。该图像平面在该板下面，并且通过交叉线偏振器来查看样品。

10×10cm2的组织模型由210μm的表皮和4mm的真皮构成，这样选择就是要使得光学的真皮在一定程度上对于模拟来说是光学无穷的。该模型包括充满血的各种结构。特别地，按照间距500μm和深度150μm来放置一系列的100×100μm的脉管，以模拟摩擦脊下面的毛细结构。还有，生成多个更深的充血区域，并被定位在真皮中，用以评估该系统对该结构进行检测和成像的能力。从V.Tuchin，Tissue Optics(SPIE 2000)，第1节，其披露的整个内容通过引用被结合在这里，中可以得到表皮、真皮和血液的光学参数。

除了组织部分以外，也对传感器光学界面的各种特性进行测试。组织立方体的一个象限包括一外部构形，该外部构形跟在下层毛细管的线的后面，以模拟一组与传感器接触的良好限定的摩擦脊。剩余的三个象限的组织立方体被平铺，没有外部特征，模拟一磨破了或丢失的指纹图案。最后，平铺象限之一的一半在传感器与组织立方体的外表面之间具有25μm的空气间隙，用以对皮肤和传感器之间没有光接触的效果进行量化。

图11A中示出了组织模型的顶视图。穿过整个立方体的竖直线相当于毛细管。左下象限中的密集阵列线相当于模型中具有外部脊结构的部分。左上象限中的水平线以及下象限中的圆形结构从具有空气间隙的部分(较低三角)中区分出与上述台板(上部三角)接触的象限的片段。

在可见和非常近的红外光谱区域中通过各种照明波长来进行各种光学模拟。通过跟踪每个波长4百万个光线来进行光学模拟，其中该光线均匀地分布在组织模型中央的6mm×6mm区域中。通常，该光学模拟生成的图像很清楚地示出了皮肤模型的内部结构。图11B示出了这样一组仿真图像的例子，其中波长以50nm的增量在400nm至800nm之间变化。每个图像中该结构的类型，深度，以及分辨率明显地取决于照明波长。另外，需要注意的是，图像中内部结构的存在相对地没有受到外部皮肤特征存在或不存在以及皮肤是否与台板光学接触的影响。

发明者已经通过多个不同的模仿对欺骗检测进行了测试，并且说明了多光谱传感配置在活组织与非活模仿之间进行区分从而进行活性评估的能力。图12A-13中示出了该欺骗检测测试的一些结果；美国临时专利申请No.60610802，题目“FINGERPRINT SPOOF DETECTION USINGMULTISPECTRAL IMAGING”，其通过引用结合在这里，给出了一些附加结果。图12A提供了通过在由发明人构成的捏塑团(playdough)模仿物上进行的测量而对实际指尖进行的静态光谱测试比较测量。面板1202提供了实际指尖的过滤后的假彩图像，其可以与面板1204中捏塑团模拟物的相应图像进行比较。

面板1206-1212中示出了多光谱成像比较的结果。面板1206和1208分别示出了对于实际指尖的Mahalanobis距离和光谱残余计算的结果。这些可以与面板1210和1212进行比较，其中该面板1210和1212示出了捏塑团模拟的相应结果。从结果中可以很显然的看出来，该捏塑团模拟缺少出现在实际指尖的结果中的多光谱特性，而该特性为活体辨别提供了基准。

图12B中提供了更深刻的结果，其中示出了类似的面板阵列，用于对活体指尖以及超现实修复后的指尖进行测试，它的结构是由本发明人投入使用的。该修复后指尖是由多层硅树脂结构，覆在真实和可用手指上，并对其上色以与真实手指的颜色匹配。细节包括在该修复后的结构中，包括指纹的细节。从面板1222和1224中分别示出的实际手指与修复后的手指的过滤后假彩色图像中可以很清楚地看到很难辨别清楚哪个是欺骗模仿。但是，与面板1226-1232中所示的多光谱结果相比该确定是很显著的，其中面板1226和1228分别示出了实际手指的Mahalanobis距离和光谱残余计算的结果，而面板1230和1232分别示出了修复后手指的相应结果。在Mahalanobis距离结果中特征周围光结构很显然表示面板1230中的修复后手指缺少活性状态；该确定结果对于同图12A的面板1212中捏塑团模拟类似的面板1232中所示光谱剩余结果来说甚至是更显著。

图13中示出了对于真实手指和修复后手指的彩色肌理比较。在每个例子中，通过按照475nm，540nm，以及625nm分离蓝，绿，和红的贡献，从而对彩色肌理进行分析。在图的左侧部分中示出了彩色块，并且在图的右侧部分中示出了每个彩色的贡献的功率谱比率。对于实际手指，手指：为蓝色贡献1302、绿色贡献1304以及红色贡献1306示出了手指功率谱比率。类似地，对于修复后的手指，修复后的手指：为蓝色贡献1312、绿色贡献1314，以及红色贡献1316示出了手指功率谱比率。该结果证明在修复后的空间频率中提供了比实际指尖更大的功率，尤其是对于更高空间频率的蓝色照明来说。该不同就使得能够进行活性状态的确定，并因此进行欺骗检测。

本发明人也进行了多人研究，15人使用两个类似于图5中的相机系统，经过大约16天的时间来采集研究数据。9位男性和6位女性参与者的年龄在20到50岁之间(平均为37.4岁)。所有人都在办公室工作，没有健康问题或其它显著特征。这些数据是在New Mexico的冬季采集的，而在这个冬季，空气条件是相对比较干燥的。总共采集到了602个多光谱数据集，其中的三或四个图像是在调查期间每次对参与者的四个手指(左食指，左中指，右食指，以及右中指)的每一个进行采集得到的。

利用足够宽的Gaussian滤波器对每个图像波长平面进行模糊来对直接图像进行预处理，从而去除掉指纹特征。该平滑的图像接着被用作因子，用于根据逐像素的原则对原始图像进行比率化，主要起作用的过程就是去除台板上非均匀照射的影响。接着使用具有0.15-0.35的归一化通带(相当于大约1.5-3.4周期/mm的实际空间频率)的线性滤波器对每个平面的合成图像进行带通滤波。该带通操作抑制了频带外的变化，尤其是像素间的噪音，同时放过了对于指纹特征有用的频率。进行了自适应直方图均衡，以对图象平面上的指纹对比度进行均衡。

通过在对指纹测量对之间一对一进行匹配来生成生物识别性能分析。602组图像中的每一组都与在相同手指上采集的其它所有图像进行匹配(“真实匹配”)。相同数量随机选择的非匹配图像也与每个被选择的图像(“冒名顶替者”)进行比较。对于真实匹配和冒名顶替者匹配，这总共要进行6056次比较。在真实匹配的情况下，没有对消除只是匹配顺序不同的图像对作出安排，因此单独匹配的有效数为3028。

TIR数据的生物识别处理是直接进行的，因此每次测量它只提供单个图像。对经过上述预处理之后的直接数据进行处理，以从六个图像平面的每一个中提取出细节，其中该六个图像平面对应于不同照明条件(交叉偏振445，500，574，610，以及660nm；以及非偏振640nm)并且相对于第二测量的相应直接图像平面进行匹配。对来自六个图像平面中每一个的匹配值进行平均，以提供最终直接图像记分。

图14A示出了TIR数据以及组合直接(“MSI”)数据的接收器操作特性(“ROC”)曲线。该ROC曲线示出了错误非匹配律(“FNMR”)与错误匹配率(“FMR”)之间按照百分比计算的关系。可以看出，TIR数据的相等错误率(“EER”)，即曲线上FNMR与FMR相等的点，是相当的高(～20％)，而组合直接数据的EER却是非常低(～0.7％)。根据3028个单独比较以及二项式统计，对于这两个性能度量来说，95％的置信区间分别为【18.8％，21.6％】以及【0.4％，1.0％】。因此这些性能估计的差异在统计上是很重要的。

该TIR误差取决于由于印刷，例如图9A的左面板中所示，而引起的差质量图像。用于该调查的指纹软件为这种情况提供了低质量报警指示器。由指纹软件将总共122个TIR印刷指定为低图像质量，这相当于采集到的所有TIR数据的20.3％。进一步的调查显示，如图14B所示，TIR图像质量问题与某些研究参与者有关。该图中画出了每个参与者的TIR图像片段，其被指定为低图像质量，与一个主题的90％一样大。很清楚的是，某些参与者(即编号1，3，7，和8)对于坏TIR图像要负主要责任。具有最大比率低质量TIR图像的参与者的手指的直观检验显示出这些人的皮肤特别干燥。

从图14C中可以看出低质量TIR图像对于最终生物识别性能的影响，该图14中显示了真实和冒名顶替者比较的匹配值分布。针对两种情况示出了这些分布。情况A包括所有的TIR图像，例如被用于生成图14A中的TIR曲线。情况B被重新分析去除所有的实例，其中匹配的图像中的一个或二者被指定为低质量。通过去除20.3％的TIR数据，剩余数据的性能从EER大约20％改进至1.8％。该图清楚地显示出去除低质量TIR图像为真实匹配值的分布带来了巨大的改进，该冒名顶替者匹配值的分布细微地发生变化。用于生成图14A中相应性能曲线的直接图像数据没有被指纹软件指定为低图像质量。

对于相应的TIR图像没有被指定为低质量的样品，对TIR匹配记分和各个多光谱记分一块求平均，以生成合成匹配值。在TIR图像被指定为低质量的情况，与之前一样，只从各个多光谱记分中生成合成匹配值。对整个数据集进行该过程生成了图14中所示的ROC曲线。直接+TIR数据(EER～0.4％)单独与多光谱数据(～0.7％)相比有很清楚地改进。

该研究的结果表示如这里所述的多光谱传感器能够采集到从中能够提取出有用的指纹信息的图像。并且，严重地影响常规TIR传感器的普通效果对多光谱传感器只有一点或几乎没有影响。特别是当与上述的使用多光谱成像作为强大的活性检测器的结果组合在一块时，该结果用试验说明了本发明实施例超出现有技术的大量有用特征。

7.例子

参照图15A-15D描述了一结构的特定例子，该结构包括如这里所述用于实施例的传感器。在该实施例中，该传感器由十字转门，其中该十字转门具有图15A中所示的一般结构，该类型的十字转门可以被用于控制人对于游乐园，运动场等不同区域的进入。由十字转门控制不同区域之间的访问，并且该不同区域被表示为图15A中的“付费区域”以及“免费区域”。通过操纵杆三脚架障碍1502来控制访问。该生物识别传感器1504可以被安装在十字转门外壳的上表面上。

图15B示出了用于生物识别传感器的详细结构，成像获取位置在台板1530之上，并且台板1530具有人机工程活动盖板；人机工程活动盖板的背面起到光学参考的作用。由照射源1534提供直接照明，其中一些照射源包括偏振器并且其它照射源不包括偏振器。由照射源1532提供TIR图像照明。在TIR照时源中没有使用偏振器。在通过旋转镜1536与组织发生遭遇之后，光被导入成像器1538。该成像器包括短波长通过滤波器以及偏振器，其中该偏振器可以与直接照明平行或垂直。

在该例子中，由18个LED提供直接照明，该LED具有两种颜色并且有或没有偏振器。图15C中示出了这18个LED的排列，其中一半照射源提供绿光，一半照射源提供蓝光。为方便起见，照射源被编号为6个不同组(bank)，组“1”和“3”提供蓝偏振光，组“2”和“4”提供绿偏振光，组“5”提供蓝非偏振光，以及组“6”提供绿非偏振光。在该例子中，偏振器为线偏振器并且被均匀排列。

如图15D所示的TIR照明源，具有8个LED，由两个颜色组成，没有偏振，这些LED也可以作为两个单独的组受控，其中组“7”提供兰非偏振光而组“8”提供绿非偏振光。

这种排列可以允许通过7个帧来采集图像序列：(1)周围环境；(2)组“7”的蓝TIR；(3)组“8”的绿TIR；(4)等级“1”和“3”的偏振蓝直接图像；(5)：组“2”和“4”的偏振绿直接图像；(6)：组“5”的非偏振蓝直接图像；以及(7)：等级“6”的非偏振绿直接图像。在毫秒数量级的一段时间内可以按照该顺序或按照不同顺序采集该图像序列。该十字转门可以这样被配置为对人员进行生物识别评估，其中该人员试图通过如上详细描述的方法从一个访问区域移至另一个访问区域。

这样，已经描述了多个实施例，本领域内的技术人员可以认识到的是，在不脱离本发明的精神的情况下，可以使用各种修改，互换结构，以及等同物。因此，上述说明不应该被理解为限制了本发明的范围，而且被发明的范围是由下面的权利要求规定的。

Claims (26)

1.一种对个体进行生物识别测量的方法，所述方法包括：

在单个照明时间期间在多个不同的光学条件下照射相对于台板放置的个体的目标皮肤部位，所述多个不同的光学条件的至少之一包括以大于台板与目标皮肤部位的临界角的角度的光来照射所述目标皮肤部位，所述临界角由所述台板与所述目标皮肤部位附近的外部环境的分界面定义，以及另一个不同的光学条件包括以小于所述临界角的角度的光来照射所述目标皮肤部位；以及

对于所述多个不同的光学条件的复数个不同的光学条件中的每一个分别地在所述目标皮肤部位和所述台板的分界面以小于台板与目标皮肤部位的临界角的角度接收从所述目标皮肤部位散射的光，以得到所述目标皮肤部位的多光谱图像。

2.根据权利要求1的方法，其中：

所述目标皮肤部位的部分与所述台板接触；以及

接收从所述目标皮肤部位散射的光包括接收从光以大于所述台板与目标皮肤部位的临界角的角度入射到所述目标皮肤部位的位置散射的光以得到所述目标皮肤部位的表面结构的图像，所述位置与所述目标皮肤部位和所述分界面接触的位置一致。

3.根据权利要求1的方法，其中所述复数个不同的光学条件包括不同的偏振条件。

4.根据权利要求1的方法，其中所述复数个不同的光学条件包括照射光的不同波长。

5.根据权利要求1的方法，其中：

所述台板包括一定厚度的材料；

以大于所述台板与目标皮肤部位的临界角的角度的光照射所述目标皮肤部位包括在光穿过所述台板的分界面到达所述目标皮肤部位之前在材料的所述厚度内通过全内反射对所述光进行多次反射。

6.根据权利要求1的方法，其中在所述复数个光学条件的每一个下接收的所述光由相同的光检测器来接收。

7.根据权利要求1的方法，其中接收从所述目标皮肤部位散射的光包括用第一成像器接收在所述多个不同的光学条件的所述至少之一下散射的光以及用不同于所述第一成像器的第二成像器接收在所述另一个不同的光学条件下散射的光。

8.根据权利要求7的方法，其中接收在所述多个不同的光学条件的所述至少之一下散射的光包括在暗场结构下接收所述光。

9.根据权利要求7的方法，其中接收在所述多个不同的光学条件的所述至少之一下散射的光包括在明场结构下接收所述光。

10.根据权利要求1的方法，其中在单个照明时间期间，所述目标皮肤部位的位置基本不变。

11.根据权利要求1的方法，进一步包括：

以大于台板与目标皮肤部位的临界角的角度的光来照射所述目标皮肤部位；以及

由所接收的从光以大于所述台板与目标皮肤部位的临界角的角度入射到所述目标皮肤部位的位置散射的光得到所述目标皮肤部位的表面结构的图像，所述位置与所述目标皮肤部位与所述分界面接触的位置一致。

12.一种生物识别测量系统，包括：

台板，用于由个体放置目标皮肤部位；

照射源；

光检测器，被配置成在所述目标皮肤部位和所述台板的分界面以小于台板与目标皮肤部位的临界角的角度接收从所述目标皮肤部位散射的光，其中所述台板与目标皮肤部位的临界角由所述台板与所述目标皮肤部位的分界面定义；以及

控制器，其与所述照射源以及所述光检测器相接，所述控制器被配置为：

控制所述照射源在单个照明时间期间在多个不同的光学条件下照射所述目标皮肤部位，所述多个不同的光学条件的至少之一包括以大于台板与目标皮肤部位的临界角的角度的光来照射所述目标皮肤部位，所述台板与目标皮肤部位的临界角由所述台板与外部环境的分界面定义，以及所述不同的光学条件的另一个包括以小于所述台板与目标皮肤部位的临界角的角度的光来照射所述目标皮肤部位；以及

对于所述多个不同的光学条件的复数个不同的光学条件中的每一个由所述光检测器接收的从所述目标皮肤部位散射的光得到所述目标皮肤部位的多光谱图像。

13.根据权利要求12的生物识别测量系统，其中得到所述多光谱图像包括由所述光检测器接收的从光以大于所述台板与目标皮肤部位的临界角的角度入射到所述目标皮肤部位的位置散射的光得到所述目标皮肤部位的表面结构的图像，所述位置与所述目标皮肤部位和所述分界面接触的位置一致。

14.根据权利要求12的生物识别测量系统，其中所述复数个不同的光学条件包括不同的偏振条件。

15.根据权利要求12的生物识别测量系统，其中所述复数个不同的光学条件包括照射光的不同波长。

16.根据权利要求12的生物识别测量系统，其中：

所述台板包括第一厚度的材料；以及

所述照射源被布置为在光穿过所述分界面到达所述目标皮肤部位之前在所述第一厚度的材料内通过全内反射对所述光进行多次反射以大于所述台板与目标皮肤部位的临界角的角度的光照射所述目标皮肤部位。

17.根据权利要求16的生物识别测量系统，其中所述台板包括第二厚度的材料，光在入射到所述目标皮肤部位之前传播通过所述第二厚度的材料。

18.根据权利要求17的生物识别测量系统，其中所述第二厚度的材料包括相对于所述光检测器布置的孔，使得从所述目标皮肤部位的表面下散射的所述光传播穿过所述孔到达所述光检测器。

19.根据权利要求17的生物识别测量系统，其中所述第一和第二厚度的材料由一定厚度的所述外部环境来分离。

20.根据权利要求17的生物识别测量系统，其中所述照射源包括：

第一照射源，其被布置在所述第一厚度的材料中；以及

第二照射源，其被布置在所述第二厚度的材料中。

21.根据权利要求16的生物识别测量系统，其中所述照射源包括布置在所述第一厚度材料中的照射源。

22.根据权利要求12的生物识别测量系统，其中所述光检测器的光轴基本垂直于所述分界面取向。

23.根据权利要求13的生物识别测量系统，其中所述控制器进一步被配置为用所得到的多光谱图像以及所得到的所述目标皮肤部位的表面结构的图像执行生物识别功能。

24.根据权利要求23的生物识别测量系统，其中所述执行生物识别功能包括验证所述个体的身份。

25.一种便携式电子装置，包括根据权利要求12的所述生物识别测量系统。

26.一种十字转门，包括根据权利要求12的所述生物识别测量系统。

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