CN105264546A - 用于记录手掌纹理图案的传感器系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于记录手掌纹理图案的传感器系统。所述传感器系统包括：第一光源，其被构造为，在运行时发射近红外范围内的全方面的电磁波，该电磁波能够被手掌的纹理反射；具有摄像机芯片的摄像机，用于记录电磁波的反射信号，并且用于提供与反射信号对应的图像数据；形貌传感器，用于采集三维形貌；以及与摄像机芯片和形貌传感器连接的第一处理器单元。第一处理器单元被构造为，在运行时根据摄像机的图像数据和形貌传感器的三维形貌数据生成手掌的标准化的纹理图案或者与纹理图案对应的特征向量。

Description

用于记录手掌纹理图案的传感器系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于记录手掌纹理图案的传感器系统以及一种用于记录手掌纹理图案的方法。

背景技术

根据现有技术已知用于记录手掌纹理图案的传感器，其信号被用于识别。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于记录手掌纹理图案的改良后的传感器系统和改良后的方法。

按照本发明的第一方面，该技术问题通过一种传感器系统解决，其包括光源、摄像机、形貌传感器和处理器单元。第一光源被构造为发射在近红外范围内的全方面的电磁波，其能够被手掌纹理反射。摄像机包括摄像机芯片并且被构造和布置用于记录电磁波的反射信号，使得其在传感器系统运行中能够接收由手掌反射的辐射。摄像机还被构造为将所记录的反射信号处理为相应的图像数据。形貌传感器被构造和布置为，在运行中记录手掌的形貌数据。处理器单元与摄像机芯片和形貌传感器连接，并且被构造为利用图像数据和形貌数据计算标准化的手掌纹理图案。

按照第二方面，本发明涉及一种用于记录手掌纹理的方法。所述方法包括以下步骤：以第一光源照射手掌，该第一光源发射在近红外范围内的全方面的电磁波，该电磁波能够被手掌中的纹理反射；记录纹理的反射信号；生成与反射信号对应的图像数据；记录手掌的形貌数据；以及根据图像数据和形貌数据生成标准化的手掌纹理图案或者与纹理图案对应的特征向量。

本发明包含以下认知，即，通过将形貌数据和所记录的纹理图案相关联能够计算在正常位置下的纹理图案，从而使由传感器系统输出的纹理图案与手掌相对于传感器系统的位置与伸展无关。

根据本发明，在处理器单元上将形貌数据和纹理图案相关联，使得能够计算标准化的纹理图案以及标准化的手掌几何形状图，也就是标准化的手掌形貌。也就是空间上的位置标准化。手掌几何形状和纹理交织两者都是空间结构，其在摄像机芯片上的2D成像取决于其空间位置(翻转、倾斜、弯曲等)。以此方式能够建造纹理检测系统，其对于手掌位置宽容并且不需要用于手掌的机械支架。

根据本发明的装置和根据本发明的方法既可以用于手心的纹理图案，也可以用于手背的纹理图案。

以下描述根据本发明的传感器系统以及根据本发明的方法的实施例。实施例的附加特征能够互相结合以形成其它的实施方式，除非其在说明书中明确描述为彼此替代。

在一种优选实施方式中，传感器系统具有附加的处理器单元，其被构造为将由第一处理器单元计算的纹理图案或计算的特征向量与至少一个存储的纹理图案或与至少一个存储的特征向量进行比较，并且将所计算的纹理图案或所计算的特征向量分类为足够一致或不足够一致。由此，借助标准化的纹理图案能够与手掌的位置和伸展无关地进行分类。

在传感器系统的一种实施方式中，形貌传感器有利地包括：第二光源，其发射以结构图形式的红外范围内的电磁辐射；第二摄像机芯片，用于记录电磁波的反射信号；以及计算单元，其被构造为，根据所记录的反射数据计算形貌。第二光源发射结构化的光线图，例如具有条纹结构或点结构，并且将光线图投影到手掌上。然后，在摄像机芯片上对反射的结构图进行成像。该成像的摄像机芯片信号既取决于掌心结构(拱形)，也取决于手掌的空间位置(翻转、倾斜)。利用结构化的光线进行记录允许借助计算单元通过计算三角公式识别位置，并且将结构图逆计算到正常位置或者换算成特征向量，并且提供给稍后的比较。然后，在第一处理器单元中可以借助所获得的位置信息计算标准化的纹理图案。传感器系统优选具有既能够作为第一摄像机芯片又能够作为第二摄像机芯片工作的摄像机芯片。

在一种优选实施方式中，第一光源和第二光源按照直接从图像到图像或子图像的顺序交替发射电磁波，从而直接依次分别记录完整的纹理图(第一光源)和结构图(第二光源)。

第一处理器单元优选构造为，在传感器系统的休眠模式中，根据反射信号计算距离，并且在低于预定的最小距离时开始以第一光源进行照射，在该休眠模式中仅第二光源以例如1至2秒范围内的有规律的时间间隔发射电磁波。这允许了系统的有效运行，因为只有当照射范围内有物体时，才利用第一光源进行照射和计算。

在一种替代实施方式中，形貌传感器是飞行时间(Time-of-Flight)传感器。该传感器通过采集红外光脉冲的运行时间并通过光速计算距离，来为每个图像点确定物体到传感器的距离。

有利地，附加的传感器单元是RFID(射频识别)主处理器，并且进行与在RFID从处理器中存储的纹理图案或特征向量的比较。在此情况下，只有在RFID主处理器与RFID从处理器之间已经建立连接通道时，才可以进行分类。这允许在数据库系统中没有存储数据的情况下进行识别，并由此实现更高的安全性，因为为进行识别在传感器系统中必须既存在有效的纹理图案还存在RFID从处理器。

替代地，也可以用其它的连接处理器类型代替RFID主处理器，其优选按照已知的标准WLAN、蓝牙、ZigBee或者NFC实现至少一种有源的无线连接能力。在此情况下，从处理器也构造为至少具有与主处理器相同的有源的无线连接能力。与关于RFID所描述的同样进行与在从处理器中存储的纹理图案或特征向量的比较。

然而，与在数据库中存储的纹理图案或特征向量进行比较也是有利的。在此，不必为每个用户构建附加的识别元素，而是能够借助总归存在的图案进行分类。

在一种优选的实施方式中，构造了与传感器系统连接的释放单元，其能够在分类为足够一致的纹理图案或特征向量的情况下实现对其后连接的系统的访问，例如库系统或其它输入系统。然而，有利地也可以由释放单元输出例如与公共近途交通的场所或装置相关的访问权限。

本发明的一种扩展方案涉及具有集成的从处理器的手环，其中所述从处理器包含关于所存储的纹理图案或所存储的特征向量的信息，并且能够与所描述的传感器系统的主处理器通讯。

在一种实施方式中，从处理器是集成的RFID从处理器，其中RFID从处理器包含关于所存储的纹理图案或所存储的特征向量的信息，并且能够与所描述的传感器系统的RFID主处理器通讯。

代替提到的具有集成RFID从处理器的手环，手环也可以具有有源的从处理器，换言之，具有主动供能的处理器，其具有所存储的纹理图案或特征向量并且优选具有按照已知标准WLAN、蓝牙、ZigBee或NFC的有源的无线连接能力。在此，有源的从处理器被构造为不能擅自读取所存储的纹理图案或所存储的特征向量，优选能够为此使用TEE(受信赖的执行环境)。

作为手环的替代，也可以使用所谓的智能手表或智能手环(智能手表，智能手环，可穿戴的手环)。智能手表或手环指可戴在手腕上的计算机，其具有近距离无线连接能力并且能够向用户传递特定的消息。

用户(同时也是该智能手环的穿戴者)获得对所希望的系统的访问权，而不必公开其身份。从数据保护角度来说这方面很重要。

如果用户靠近包含传感器系统的访问点，并且将手伸到传感器系统前，该用户在手上还戴有手环，则激活传感器。通过建立的RF通道或无线通道，RFID主处理器或有源的主处理器向手环发送所计算的纹理图案或特征向量。然后进行已经描述的识别机制。

在这种系统应用中，手环例如可以用作银行卡、近途交通的月票卡、远途交通的车票卡、航空交通的登机卡或者进入资格的凭证。

所描述的手环的一种特别优点在于，即使智能手环丢失，也没有滥用可能性。手环只能够与手掌纹理图案结合使用。因为在手环上没有存储可识别个人身份的数据，所以丢失的手环是没有价值的。

优选地，从处理器、特别是RFID从处理器或有源的从处理器也可以包含附加码，其只有在将所计算的纹理图案或特征向量识别为足够一致之后，才能够进行读取或发送。

在本发明的一种扩展方案中，传感器系统安装有键盘。在此，检测在手打字中的纹理图案，这允许在输入过程期间也进行简单的识别。在此，传感器系统的第二处理器单元与键盘连接并被构造为，使得当敲击按键时总是能够同时开始纹理图案的识别过程。只有当纹理识别被检测为足够一致时，输入符号或符号组才被认为有效。这种装置的优点在于，能够在例如与计算机的通讯过程中保证对用户固定的鉴定。

同样有利地也可以将传感器系统集成到键盘中，并用于识别手心的纹理图案。在此，键盘被构造为，在手指能够碰到键盘的同时，指腹总是能够在键盘面向用户的部分上滑过或者放在该部分上。也就是有意地选择窄布置的键盘。数字键或其它功能键位于字母键的左边或右边。在键盘面向用户的部分中可以分别为左手和右手集成根据本发明的传感器系统。优选将传感器系统构造为，其与可检测到纹理图案的手心的距离非常短，该传感器系统在手心与传感器表面距离5mm至20mm的情况下能够采集具有直至120mm范围的手心。在一种实施例中，传感器系统包括多个第一红外光源，其被嵌入在计算机键盘中，使得每个第一IR光源全方面地照亮手心的一部分。另外，该实施方式包括多个摄像机芯片，使得分别在摄像机芯片中对手心的相应部分的反射信号、也就是手掌纹理图案部分成像。在此，选择摄像机芯片和IR光源的布置，使得摄像机芯片的全部图像的组合产生对手心最大程度的完整的成像。然后，该完整的图像被传送给加工处理器以确定纹理图案模板。布置多个摄像机芯片的原因来自非常短的图像距离的必要性。在仅使用一个摄像机芯片的情况下，在某些情况下会出现不能完整地光学记录掌心，并因此不能提供纹理图案的完整成像以用于处理。

附图说明

以下借助附图解释根据本发明的方法和根据本发明的装置的其它实施例。其中：

图1示出了根据本发明的方法的一种实施方式的流程图；

图2示出了根据本发明的用于记录手掌纹理图案的传感器系统的一种实施方式的示意图；

图3示出了根据本发明的传感器系统的另一种实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于记录手掌纹理图案的方法的流程图。在此，在步骤S1中以第一光源照射手掌，该第一光源发射近红外范围内的全方面的电磁波，其能够被手掌中的纹理反射。在步骤S2中，借助摄像机芯片记录由手掌纹理发出的反射信号，并且根据反射信号生成图像数据。在步骤S3中，以第二光源照射手掌，该第二光源发出、照射以结构图形式的红外范围内的电磁辐射，并且在步骤S4中记录该照射的反射信号以及根据该反射信号生成形貌数据。在一种优选的实施方式中，在步骤S1后直接进行步骤S3，从而得到从图像到图像或子图像的直接顺序，并且手掌对于两个照射都在相同的位置。在步骤S5中，按照所获得的形貌数据以及图像数据根据手掌纹理的反射信号计算标准化的纹理图案或者纹理图案对应的特征向量。在该实施方式的步骤S6中，将所计算的标准化的纹理图案或者所计算的特征向量与至少一个存储的纹理图案或者特征向量进行比较，并且随后将其分类为足够一致或不足够一致。利用该分类，现在可以在根据本发明的方法的一种实施方式的下一步中决定释放更多的过程。在此，在步骤S7中，如果纹理图案或特征向量被分类为足够一致，则释放更多过程。

图2示出了根据本发明的用于记录手掌纹理图案的传感器系统的一种实施方式。该传感器系统包括第一光源L1、摄像机S1、形貌传感器TS以及处理器单元P1，该处理器单元与摄像机芯片和形貌传感器连接。在根据本发明的传感器系统的一种优选实施方式中，该传感器系统附加包括第二处理器单元P2。第一光源L1被构造为在运行时发射近红外范围内的全方面的电磁波，其能够被手掌H的纹理反射。具有摄像机芯片的摄像机S1被用于记录电磁波的反射信号，并且提供与反射信号对应的图像数据。在所示实施方式中，摄像机记录由手掌H的纹理发射的反射信号，并且提供相应的图像数据。形貌传感器TS被用于采集三维的形貌，利用该形貌传感器采集了手掌H的位置以及弯曲。第一处理器单元P1与摄像机S1的摄像机芯片以及形貌传感器TS连接。处理器单元P1根据形貌传感器提供的形貌数据以及摄像机的图像数据生成以光源L1照射的手掌H的标准化的纹理图案或者对应的特征向量。在根据本发明的传感器系统的一种优选实施方式中，附加的处理器单元P2被用于将由第一处理器单元P1计算的纹理图案或计算的特征向量与存储的纹理图案或存储的特征向量进行比较，并且将计算的纹理图案或计算的特征向量分类为足够一致或不足够一致。在根据本发明的传感器系统的另一种实施方式中，释放单元与传感器系统连接，该释放单元能够在分类为足够一致的纹理图案的情况下实现对其后连接的系统的访问。在图2中未示出释放单元。

图3示出了根据本发明的传感器系统的另一种实施例的示意图。图3中的传感器系统的原理结构与图2中示出的系统相同，因此以下仅详细描述不同点。在图3中，形貌传感器由第二光源L2以及传感器S2组成，该传感器包括第二摄像机芯片以及计算单元。第二光源L2发射以结构图形式的红外范围内的电磁辐射。传感器S2的摄像机芯片适合记录电磁波的反射信号，计算单元根据所记录的反射信号计算被第二光源L2照射的物体(这里是手掌H)的形貌。如已经在按照图2的方法中描述的，该形貌数据被转发到处理器单元P1，并且根据形貌数据和传感器S1的图像数据生成手掌的标准化的纹理图案。在所示的传感器系统的一种实施方式中，可以将处理器单元P1附加构造为，在传感器系统的休眠模式下，通过仅第二光源L2按照有规律的时间间隔发射电磁波，根据反射信号计算距离，并且在低于预定的最小距离时，才启动利用第一光源L1的照射。在根据本发明的传感器系统的一种特别有利的实施方式中，将第一光源和第二光源构造为，按照图像到图像的直接顺序交替地发射电磁波。以此能够避免在以第一光源照射与以第二光源照射之间改变手掌的位置或弯曲，并由此避免出现失真的纹理图案。

Claims (16)

1.一种用于记录手掌纹理图案的传感器系统，包括：

-第一光源，其被构造为，在运行时发射近红外范围内的全方面的电磁波，所述电磁波能够被手掌的纹理反射，

-具有摄像机芯片的摄像机，用于记录电磁波的反射信号，并且用于提供与所述反射信号对应的图像数据，

-形貌传感器，用于采集三维形貌，以及

-与所述摄像机芯片和所述形貌传感器连接的第一处理器单元，

其特征在于，所述第一处理器单元被构造为，在运行时根据所述摄像机的图像数据和所述形貌传感器的三维形貌数据生成手掌的标准化的纹理图案或者与纹理图案对应的特征向量。

2.按照权利要求1所述的传感器系统，具有附加的处理器单元，其被构造为，将由所述第一处理器单元计算的纹理图案或计算的特征向量与至少一个存储的纹理图案或至少一个存储的特征向量进行比较，并且将所计算的纹理图案或所计算的特征向量分类为足够一致或不足够一致。

3.按照上述权利要求中任一项所述的传感器系统，其特征在于，所述形貌传感器包括：

-第二光源，发射以结构图形式的红外范围内的电磁辐射，

-第二摄像机芯片，用于记录电磁波的反射信号，以及

-计算单元，其被构造为，根据所记录的反射数据计算形貌。

4.按照权利要求3所述的传感器系统，其特征在于，第一摄像机芯片和第二摄像机芯片相同。

5.按照权利要求3或4所述的传感器系统，其特征在于，第一光源和第二光源被构造为，按照从图像到图像或子图像的直接顺序交替地发射电磁波。

6.按照上述权利要求中任一项所述的传感器系统，其特征在于，所述第一处理器单元被构造为，在所述传感器系统的休眠模式下，仅第二光源按照有规律的时间间隔发射电磁波，根据反射信号计算距离，并且在低于预定的最小距离时，才启动利用第一光源的照射。

7.按照权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，所述形貌传感器是飞行时间传感器。

8.按照权利要求2至7中任一项所述的传感器系统，其特征在于，所述附加的处理器单元是主处理器，特别是RFID主处理器或者具有有源的无线连接能力的有源的主处理器，并且被构造为，在运行时与从处理器中存储的纹理图案或特征向量进行比较，所述从处理器具有与所述主处理器相同的无线连接能力。

9.按照权利要求2至7中任一项所述的传感器系统，其特征在于，所述传感器系统被构造为，在运行时与数据库中存储的纹理图案或特征向量进行比较。

10.按照权利要求2至9中任一项所述的传感器系统，其特征在于，具有与所述传感器系统连接的释放单元，其被构造为，在分类为足够一致的纹理图案或特征向量的情况下实现对其后连接的系统的访问。

11.一种具有集成的从处理器，特别是具有RFID从处理器或有源的从处理器的手环，其特征在于，所述RFID从处理器包含关于所存储的纹理图案或所存储的特征向量的信息，并且能够与按照权利要求8所述的系统的RFID主处理器通讯。

12.按照权利要求11所述的手环，其特征在于，所述RFID从处理器包含附加码，只有在将所计算的纹理图案或特征向量识别为足够一致之后，才能够读取或发送所述附加码。

13.一种用于记录手掌纹理图案的方法，包括：

-以第一光源照射手掌，所述第一光源发射在近红外范围内的全方面的电磁波，所述电磁波能够被手掌中的纹理反射，

-记录纹理的反射信号并生成与所述反射信号对应的图像数据，

-记录手掌的形貌数据，

-根据图像数据和形貌数据计算手掌的标准化的纹理图案或者与所述纹理图案对应的特征向量。

14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，执行所计算的标准化的纹理图案或所计算的特征向量与至少一个存储的纹理图案或特征向量的比较，并且将所计算的纹理图案或所计算的特征向量分类为足够一致或不足够一致。

15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，在将纹理图案或特征向量识别为足够一致之后释放更多过程。

16.按照权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，记录形貌数据包括：

-以第二光源照射手掌，所述第二光源发射以结构图形式的红外范围内的电磁辐射，

-记录反射信号，

-并且根据所记录的反射信号生成形貌数据。