CN102509094A - 基于结构光的嵌入式3d指纹采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法及系统，通过采集多幅指纹图像，然后对图像进行编码，根据编码图像及四步相移法得到指纹图像的相位值，然后根据参考平面的相位值得出指纹的高度信息，至此，得到指纹的三维图像。本发明基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法及系统，指纹采集精度高、便于移动。

Description

基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法及系统

技术领域

本发明涉及一种3D指纹采集方法及系统，尤其涉及一种基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法及系统。

背景技术

在传统指纹的采集系统中，采集技术较早出现在活体指纹采集设备是光电式的，现在仍为大多数自动指纹识别系统所使用。后来出现的电容和电感式的采集设备，在某些条件下可提高指纹采集的质量，但在耐磨性和稳定性等方面还存在一些问题。对干、湿、脏的指头或磨损严重的指纹均能可靠、正确地进行采集和尽量减少采集时的变形是指纹采集技术需要解决的主要问题。目前主流的高精度指纹采集仪器是基于PC机，便携性差。

现有技术通常存在以下一些缺陷：安全性差，原有的二维指纹存在较大的安全隐患，比如目前市场上普遍存在的一种指纹膜，这种指纹膜可以欺骗过普通的指纹机，这就极大的威胁到了人们的安全。识别率低，二维指纹图像所包含的信息量已经限制了其识别率的提高。对复杂环境的适应性差，手指的干湿状态，外界环境等，对采集二维图像有着直接的影响，这些影响在三维采集设备中相对小很多，因此设备的鲁棒性很好。体积大，很多高精度指纹采集仪器是基于PC机，其体积大、成本高、便携性较差，采用嵌入式平台开发这套系统，很好的解决了PC机带来的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法及系统，克服现有技术指纹采集精度不高、易于复制、不便于移动的技术问题。

本发明的技术方案是：提供一种基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法，包括如下步骤

采集指纹图像：根据结构光法的原理采集指纹图像，包括正弦条纹图像、黑色图像、白色图像、格雷码条纹图像；

图像编码：根据采集的黑色图像和白色图像得到每个像素点的平均灰度值，以所述平均灰度值为阈值将采集到的格雷码条纹图像二值化，根据编码公式得到二值化格雷码条纹图像每个点的编码；

获取指纹图像的绝对相位值：根据采集的正弦条纹图像得到指纹图像各点的相位值，将正弦条纹图像得到的相位与该像素点的格雷码条纹图像编码对应的周期相加得到每个像素点的绝对相位值；

获取3D指纹：根据指纹图像的绝对相位值及三维高度信息的计算公式得到该指纹图像的3D指纹。

本发明的进一步技术方案是：在图像编码步骤中，采用格雷码条纹图像对图像测量区域进行编码。

本发明的进一步技术方案是：所述正弦条纹图像以π/2为相移角度。

本发明的进一步技术方案是：在采集指纹图像的步骤中，还包括采集参考平面的编码图像。

所述指纹图像包括4幅正弦条纹图像、1幅黑色图像、1幅白色图像、7幅格雷码条纹图像。

本发明的技术方案是：构建一种基于结构光的嵌入式3D指纹采集系统，包括根据结构光法的原理采集指纹图像的采集单元1、对图像进行编码的编码单元2、获取指纹图像的绝对相位值的相位值获取单元3以及获取3D指纹的3D指纹获取单元4，所述采集单元1采集指纹图像，包括正弦条纹图像、黑色图像、白色图像、格雷码条纹图像；所述编码单元2根据采集的黑色图像和白色图像得到每个像素点的平均灰度值，以所述平均灰度值为阈值将采集到的格雷码条纹图像二值化，根据编码公式得到二值化格雷码条纹图像每个点的编码；所述相位值获取单元3根据采集的正弦条纹图像得到指纹图像各点的相位值，将正弦条纹图像得到的相位与该像素点的格雷码条纹图像编码周期相加得到每个像素点的绝对相位值；所述3D指纹获取单元4根据指纹图像的绝对相位值及三维高度信息的计算公式得到该指纹图像的3D指纹。

本发明的进一步技术方案是：所述采集单元至少采集4幅不同相位角度的正弦条纹图像、1幅黑色图像、1幅白色图像、7幅格雷码条纹图像。

本发明的技术效果是：本发明基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法及系统，通过采集多幅指纹图像，然后对图像进行编码，根据编码图像及四步相移法得到指纹图像的相位，然后根据参考平面得出图像的高度，至此，得到3D指纹图像。本发明基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法及系统，指纹采集精度高、不易于仿造、便于移动。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明图像采集流程图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为本发明结构光法基本原理示意图。

图5为本发明正弦光栅图像。

图6为本发明格雷编码示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：提供一种基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法，包括如下步骤

步骤100：采集指纹图像，即，根据结构光法的原理采集指纹图像，包括正弦条纹图像、黑色图像、白色图像、格雷码条纹图像。具体实施例中，所述指纹图像至少包括采集4幅相位值相差π/2的正弦条纹图像、1幅黑色图像、1幅白色图像、7幅格雷码条纹图像。

如图2所示，本发明的具体实施过程如下：图像的采集是由参考平面正上方的CCD工业相机和镜头完成，其保证了图像的低噪声、高精度。光栅投影是由投影仪投射出相应的图像，其位置与相机在同一平面并且此平面垂直于参考平面。光源是由LED组成，在灯光不足的时候开启进行补光。光传感器主要是用来控制采集，当传感器感应到手指放置在被测区域时，便给出一个信号，触发系统采集程序运行。按设定顺序采集指纹图像，所述指纹图像包括正弦条纹图像、黑色图像、白色图像、格雷码条纹图像。具体实施例中，包括一幅白色图像、一幅黑色图像、四幅正弦条纹图像、七幅格雷码条纹图像。具体实施例中，先在文件系统中创建空的文件，再将13幅图像数据按顺序依次存储到存储器中，方便下次直接读取使用，而不是每次使用时都重新生成，以提高效率。具体实施方式中，在采集完整套系统需要的参考基准平面后，便可以放置手指进行指纹三维信息的采集。同参考平面的采集过程一样，放上手指后保持不动，依次投影13幅图像，并在每次投影后采集一幅图像存放在内存中，同样是采集了13幅图像。在参考平面图像的信息和含有指纹的图像信息都采集完后，即可进行三维点云数据的计算了。

步骤200：图像编码，即，根据采集的黑色图像和白色图像得到每个像素点的平均灰度值，以所述平均灰度值为阈值将采集到的格雷码条纹图像二值化，根据编码公式得到二值化格雷码条纹图像每个点的编码。

步骤300：获取指纹图像的绝对相位值，即，根据采集的正弦条纹图像得到指纹图像各点的相位值，将正弦条纹图像得到的相位与该像素点的格雷码条纹图像编码周期相加得到每个像素点的绝对相位值。

步骤400：获取3D指纹，即，根据指纹图像的绝对相位值及三维高度信息的计算公式得到该指纹图像的3D指纹。

如图3所示，本发明的具体实施方式是：构建一种基于结构光的嵌入式3D指纹采集系统，包括根据结构光法的原理采集指纹图像的采集单元1、图像编码的编码单元2、获取指纹图像的绝对相位值的相位值获取单元3以及获取3D指纹的3D指纹获取单元4，所述采集单元1采集指纹图像，包括正弦条纹图像、黑色图像、白色图像、格雷码条纹图像；所述编码单元2根据采集的黑色图像和白色图像得到每个像素点的平均灰度值，以所述平均灰度值为阈值将采集到的格雷码条纹图像二值化，根据编码公式得到二值化格雷码条纹图像每个点的编码；所述相位值获取单元3根据采集的正弦条纹图像得到指纹图像各点的相位值，将正弦条纹图像得到的相位与该像素点的格雷码条纹图像编码周期相加得到每个像素点的绝对相位值；所述3D指纹获取单元4根据指纹图像的绝对相位值及三维高度信息的计算公式得到该指纹图像的3D指纹。

本发明的具体实施过程如下：结构光法的基本原理是将一定模式的光(如光栅等)照射到被测物体的表面，然后由摄像头拍摄反射光的图像，通过图像在平面的对应关系来获取物体表面上点的实际位置。在系统实现时需要先标定系统，把投影机和相机的位置固定好后，本发明中，将13副光栅投到参考面上，用相机采集这13副图存储在SD卡上。这样参考平面就可以固定的存在SD卡中，每次启动系统时先把参考平面读到内存中，不必要每次都先采集参考平面，提高效率。图5给出了结构光法的基本原理示意图，测量时，一束光栅从一定角度照射到被测物体表面，CCD摄像机同时获取物体表面的图像信息，给定参考平面的高度为0，则被测物体表面到参考平面的高度可由下面的公式计算得到：

其中：真正的高度是-h(x，y)，坐标为h(x，y)，P是光栅条纹投射至参考平面的有效波长，L是相机距离参考平面的垂直距离，D是相机中心和投影仪中心间的距离，为C点相对于A点的相位值。

从式(1-1)可以看出，结构光法测量物体深度的关键是求解出包含物体深度信息的相位分布值，常用的求解光栅图像相位分布的方法有傅立叶变化法、时域卷积滤波法以及相移法等等。相移法的基本原理是采集一系列有一定相位差的条纹图，利用每一个点上对应的灰度值来计算像素点的相位值，进而得到整幅图像的每一个点的相位值。

本发明采用相移法来求解相位，相移法又分为等步长相移、定步长相移、单步相移等多种。本发明具体实施例中采用的是N步长相移法，其要求每步相移量为2π/N(N＝4)，四幅图像相位差为π/2。这种方法对于相移器的精度有较高的要求，相移越精确获得的结果越准确，本发明具体实施例中相位图像是由投影仪投射出。

相移法使用正弦强度分布的数码光栅，图像如图4所示，获取图像的灰度I与相位φ之间的关系可表示成：

I(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos(φ(x，y))                     (1-2)

式(1-2)中A(x，y)为图像的平均灰度或者称为背景平均灰度，B(x，y)为条纹灰度对比度，φ(x，y)为待求的相位值。从公式(1-2)中不能直接求得相位值，因为式中的未知数数量大于公式数量，所以至少需要三组独立的方程才可以求解。四部相移法只是给这个公式增加已知相位变化量δ来实现求解，公式变化为(1-3)。四部相移法以π/2作为相位差，用CCD摄取4张投影图像，则可计算得到相位：

I_i(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos(φ(x，y)+δ_i)i＝1，2，3，4    (1-3)

将π/2相位差带入公式得到四个方程

I₁(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos(φ(x，y))

I₂(x，y)＝A(x，y)-B(x，y)sin(φ(x，y))

I₃(x，y)＝A(x，y)-B(x，y)cos(φ(x，y))                     (1-4)

I₄(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)sin(φ(x，y))

又以上方程组可以解得

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)---(1-5)$

如果相移和测量都不存在误差，则上面的过程可精确计算出相位，但实际上由于相移器的非线性误差、测量误差以及其他随机因素的影响，式(1-5)计算出来的结果会出现较大的误差，为了提高相位测量精度，可以采集多幅相移条纹图像，用优化系统方法进行相位计算。

在式(1-1)中还有两个未知的常量L和

需要我们通过标定得到，用两个已知高度的平整物体测量其三维信息。设x＝-L，通过一个方程组可以求得这两值。

$x-y\frac{h_1}{Q_1}=h_1---(1-6)$

$x-y\frac{h_2}{Q_2}=h_2---(1-7)$

通过解式(1-6)和式(1-7)方程组可以得到x和y的值，它们的值如式(1-6)和式(1-7)所示。

$x=h_1+\frac{h_1-h_2}{\frac{h_2}{Q_2}-\frac{h_1}{Q_1}}\frac{h_1}{Q_1}---(1-8)$

$y=\frac{h_1-h_2}{\frac{h_2}{Q_2}-\frac{h_1}{Q_1}}---(1-7)$

如图6所示，本发明基于结构光的指纹3D信息采集方法及系统所用的编码图像是通过投影仪投射到被测物体表面，经过CCD相机采集到的含有条纹的图像信息。本发明采用了7幅条纹图像对测量区域进行编码。本发明将7幅格雷编码图像记为P₁～P₇，7幅图像在二值化后被转换为只含有黑白(图像灰度值为0和1)像素的图像P’₁～P’₇，这7幅图像将被测区域划分为2⁷个子区域。每个区域具有唯一的编码，将这些编码为二进制编码，为了方便解码，本发明用将其转换为十进制格式，由此每个区域的编码范围均在0～127之间的整数，并且是编码唯一，记为p_gray。编码转换公式如下表示：

$p_{\mathrm{gray}}=F\left(\underset{k=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{2}^{7-k}{P}_k^{\′}\right)---(1-9)$

格雷编码确定了每个正弦周期的起始位置，这样每个格雷编码条纹的宽度对应的相位周期正好是一个正弦周期，再加上四步相移法可以求出每个周期年内的相对相位值，这样便可求出每个像素点的绝对相位值了。

四幅正弦条纹图像的周期大小和格雷编码的周期大小相同，因此一个编码对应一个周期2π，一次推导得到后面的周期为2nπ。

将四幅正弦条纹图像得到的相位与这个像素点的编码周期相加得到每个像素点的绝对相位值。

Φ(x，y)＝φ(x，y)+2nπ            (1-10)

至此，一次采集计算就完成了，得到的结果就是每个像素点的绝对相位值。再放上手指重复上述过程，计算得到，有手指图像的每个像素点点的绝对相位值。有了参考平面的绝对相位值和有手指的图像的绝对相位值，相减得到每个点的相位差值

然后再根据下面的公式计算得到每个图像中的高度值：

至此，根据采集的3D指纹图像得到3D指纹。

本发明的优选实施方式中，在系统初始化时就会通过图像产生程序根据参数需要生成图像数据，并将统中生成的光栅图像数据写入到SD卡中，使得以后再使用同样的光栅图像数据时，可以直接读取出来，不用再次生成，提高图像获取的速度。控制投影仪投射光栅图像时只需要将SD卡中已经存储的光栅图像信息读取出来，通过控制视频输出芯片将数据按需要从开发板上输出，也就是输入到投影仪的信号输入端，数据输入到投影仪后，再通过投影仪投射到参考平面上，进而产生光栅。所述图像均为光栅图像，在图像编码步骤中，采用条纹图像对图像测量区域进行编码。所述正弦条纹图像为正弦条纹图像，所述正弦条纹图像以相位值相差π/2为相移角度。

本发明的技术效果是：本发明基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法及系统，通过采集多幅指纹图像，然后对图像进行编码，根据编码图像及四步相移法得到指纹图像的相位，然后根据参考平面得出图像的高度，至此，得到3D指纹图像。本发明基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法及系统，指纹采集精度高、不易于仿造、安全性高、便于移动。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法，包括如下步骤：

采集指纹图像：根据结构光法的原理采集指纹图像，包括正弦条纹图像、黑色图像、白色图像、格雷码条纹图像； 

图像编码：根据采集的黑色图像和白色图像得到每个像素点的平均灰度值，以所述每个像素点的平均灰度值为阈值将采集到的格雷码条纹图像二值化，根据编码公式得到二值化格雷码条纹图像每个点对应区域的编码；

获取指纹图像的绝对相位值：根据采集的正弦条纹图像得到指纹图像各点的相位值，将正弦条纹图像得到的相位与该像素点的格雷码条纹图像编码周期相加得到每个像素点的绝对相位值；

获取3D指纹：根据指纹图像的绝对相位值及三维高度信息的计算公式得到该指纹图像的三维信息。

2.根据权利要求1所述基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法，其特征在于，在图像编码步骤中，采用条纹图像对图像测量区域进行编码。

3.根据权利要求1所述基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法，其特征在于，所述正弦条纹图像以                                               

为相移角度。

4.根据权利要求1所述基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法，其特征在于，在采集指纹图像的步骤中，还包括采集参考平面的编码图像。

5.根据权利要求1所述基于结构光的嵌入式3D指纹采集方法，其特征在于，所述指纹图像包括4幅正弦条纹图像、1幅黑色图像、1幅白色图像、7幅格雷码条纹图像。

6.一种基于结构光的嵌入式3D指纹采集系统，其特征在于，包括根据结构光法的原理采集指纹图像的采集单元、图像编码的编码单元、获取指纹图像的绝对相位值的相位值获取单元以及获取3D指纹的3D指纹获取单元，所述采集单元采集指纹图像，包括正弦条纹图像、黑色图像、白色图像、格雷码条纹图像；所述编码单元根据采集的黑色图像和白色图像得到每个像素点的平均灰度值，以所述平均灰度值为阈值将采集到的格雷码条纹图像二值化，根据编码公式得到二值化格雷码条纹图像每个点的编码；所述相位值获取单元根据采集的正弦条纹图像得到指纹图像各点的相位值，将正弦条纹图像得到的相位与该像素点的格雷码条纹图像编码所在周期相加得到每个像素点的绝对相位值；所述3D指纹获取单元根据指纹图像的绝对相位值及三维高度信息的计算公式得到该指纹图像的3D指纹。

7.根据权利要求6所述基于结构光的嵌入式3D指纹采集系统，其特征在于，所述采集单元必须采集4幅相位差为

的正弦条纹图像、1幅黑色图像、1幅白色图像、7幅格雷码条纹图像。

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