CN108764093A - 基于相机的非接触指纹图像采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非接触指纹图像采集技术领域，特别是涉及一种基于相机的非接触指纹图像采集装置及方法。该发明利用相机在蓝光下采集指纹图像，通过对指尖轮廓线进行圆拟合估计手指在图像中的宽度，并据此利用语音提示调整手指与相机之间的距离；提取指纹区域的中心线并确定指纹ROI区域，控制摄像头对ROI进行聚焦，从而获得高质量的非接触指纹图像；再根据指纹中心线的倾斜度对指纹图像进行旋转校正，获得放置规则、尺寸合适的指纹图像。本发明通过在蓝光下采集指纹图像增强指纹脊线和谷线的对比度，通过调整手指与相机之间的距离克服指纹尺度变化的影响，利用旋转校正降低手指随意放置的影响，根据ROI区域的质量调整焦距，得到高质量的非接触指纹图像。

Description

基于相机的非接触指纹图像采集装置及方法

技术领域

本发明属于非接触指纹图像采集技术领域，特别是涉及一种基于相机的非接触指纹图像采集装置及方法。

背景技术

信息技术的飞速发展，极大地推动了社会的发展进步，但随之而产生的信息安全问题也日益突出。实行个人身份认证是保障信息安全的重要途径，但传统的身份认证方法存在着容易丢失和易被伪造的缺点，已不能满足当前的社会需要。生物识别技术凭借其安全、便捷的优势成为当前最佳替代方案。BBC在其2016年发布的《生物识别技术与全球市场》调研报告中指出：全球生物识别市场产值总额将从2015年的149亿美元增长至2020年的415亿美元，其中与指纹识别相关的产品占据50％以上的市场份额。

指纹识别技术凭借其较高的实用性和可行性，成为目前应用最普遍且具有法律效力的生物识别技术。但是，传统的接触式指纹识别系统(通过接触式的光学或电容传感器采集指纹图像)存在着指纹形变、纹路残留、对皮肤状况敏感、采集过程中容易导致细菌传播等问题，而非接触指纹识别系统(采集指纹图像时指纹表面与摄像机或结构光等传感器不直接接触)不仅可以消除这些不利因素，而且因可以获取更多指纹信息(颜色、三维结构等)而具有提高指纹识别准确度的巨大潜力，在国防安全、金融、电子商务、考勤管理、海关进出口检验等领域都有着广阔的应用前景。

但现有的基于结构光等高质量非接触指纹采集装置一般体积较大、价格昂贵，不利于非接触指纹识别技术的推广和应用。采用手机等便携式设备采集指纹图像简单易行，但其获得的指纹图像往往因光照不均、抖动模糊以及散焦等影响而不够清晰，并且由于采集过程中手指放置比较随意，手指与相机之间的距离、角度、光照等存在一定的差异，导致不同时间采集的指纹图像存在较大的差异，严重影响后续指纹识别的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相机的非接触指纹图像采集装置及方法，从而获得格式规范的高质量非接触指纹图像。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供一种基于相机的非接触指纹图像采集装置，包括：

指纹采集模块，用于采集高对比度的非接触指纹图像；

摄像头及灯光控制模块，用于控制灯的亮度和摄像头的聚焦；

图像处理模块，用于对摄像头拍摄的指纹图像进行处理，估计手指在图像中的宽度、提取指纹中心线和提取指纹ROI区域。

进一步地，所述指纹采集模块包括CMOS摄像头和蓝色LED灯阵列。

进一步地，还包括距离调整语音提示模块，用于根据图像处理模块估计的手指在图像中的宽度信息，提示用户调整手指与摄像头之间的距离。

进一步地，还包括显示模块，用于将摄像头获取的指纹图像显示在显示屏上。

本发明还提供一种基于相机的非接触指纹图像采集方法，包含以下步骤：

步骤1，在蓝光照射下，摄像头拍摄指纹图像，并将其传送给图像处理模块；

步骤2，图像处理模块根据颜色信息将指纹区域与背景分割出来，得到指纹区域二值图像；

步骤3，对指纹区域二值图像进行水平和垂直投影，获得手指的放置方式；

步骤4，提取手指的轮廓线，并根据轮廓线的曲率变化确定指尖轮廓线和手指边缘两侧轮廓线；

步骤5，对指尖边缘轮廓线进行圆拟合，得到圆心和半径，并据此估计手指在图像中的宽度值w；

步骤6，若w在预设范围之外，则通过语音提示调整手指与摄像头的距离，并转至步骤1，否则转至步骤7；

步骤7，对指纹两侧边缘性进行直线拟合，提取指纹图像的中心线，获得手指图像的倾斜角；

步骤8，提取指纹ROI区域，并控制摄像头对ROI区域聚焦，得到高质量的指纹图像；

步骤9，对获得指纹图像进行旋转校正，并按照规定尺寸、格式对其进行处理后存储起来，供后续进行识别。

进一步地，所述步骤2的具体实现过程为：根据蓝光背景下指纹区域的R、G、B分布特征对RGB图像进行分割，或者，将RGB图像变换到YCbCr或HSV域，根据相应通道的特征进行分割，再结合形态学处理即可得到指纹区域的二值图像。

进一步地，所述步骤3中手指放置方式的估计为：分别在水平和垂直方向上对指纹区域二值图像进行直方图统计，据此获得手指的大致放置方式，即手指根部位于显示屏的左侧或者右侧。

进一步地，所述步骤5中手指在图像中的宽度估计为：

步骤501，对指纹二值图像进行边缘检测，得到指纹区域轮廓线L{(x_i,y_i),i＝1,2…,N}；

步骤502，按照式(1)依次计算轮廓线上任一点的曲率C{c(x_i,y_i),i＝1,2…,N}，检测曲率变化大于阈值T的点P1和P2；

其中

步骤503，结合手指的放置方式，即可得到指尖边缘轮廓线L1及手指两侧边缘线L2和L3；

步骤504，对指尖轮廓线L1进行圆拟合，得到圆的中心点O和半径R，然后将2.2*R作为手指宽度的估计值w。

进一步地，所述步骤7中提取指纹图像的中心线的具体方法为：先对手指两侧边缘线L2和L3分别进行直线拟合，得到对应的两条直线，将这两条直线构成的锐角的角平分线与手指区域的交线作为手指的中心线，并可获得手指中心线相对于水平轴的倾斜角α。

进一步地，所述步骤8提取指纹ROI区域的具体方法为：指尖轮廓线拟合的圆心O距离左、右、上、下四边的长度为0.2R、2R、1.1R、1.1R构成一个矩形框，设定该矩形框即为ROI区域。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的装置不仅可以提示用户调整手指与摄像头之间的距离，而且可以自动提取指纹ROI区域以便摄像头聚焦，还可以根据指纹中心线倾角进行指纹图像校正，从而获得高质量且规则的指纹图像，以便提高后续指纹识别准确率。

2、随着通信技术和电子科技的飞速发展，掌上设备的性价比越来越高，其应用也越来越广泛。由于手机等掌上设备存有用户的私人信息，其信息安全要求也越来越高。将本发明应用于掌上设备，获取用户的指纹信息，并以此进行身份认证，可以有效提高掌上设备的信息防护能力。鉴于掌上设备的社会需求量十分巨大，因此本发明具有很大的经济效益。

3、本发明利用普通相机快速采集用户的高清晰指纹图像，且尺寸合适、放置规则，十分有利于后续的指纹识别，在门禁、考勤、安检等领域应用前景广阔，不仅可以增强其安全性，而且可以显著提高其工作效率。因此，可以产生较大的社会效益。

4、本发明可以在非接触的情况下采集指纹图像，可以有效克服接触式指纹识别存在的潜在卫生问题，因而使用起来更加安全和卫生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种基于相机的非接触指纹图像采集装置的结构框图；

图2是本发明的一种基于相机的非接触指纹图像采集方法的流程示意图；

图3是手指放置方式与其二值图像垂直水平投影之间的关系图；

图4是指纹中心线及指纹ROI区域提取示意图。

具体实施方式

实施例一，如图1所示，本实施例提供一种基于相机的非接触指纹图像采集装置，包括：

指纹采集模块，用于采集高对比度的非接触指纹图像；其主要由CMOS摄像头和蓝色LED灯阵列组合而成，这是由于相机在蓝光照射下可以获得高对比度的非接触指纹图像；为了使光照均衡，LED灯均匀分布在摄像头的四周(可以根据具体情况设置LED灯的数目及相互之间的位置分布)。

摄像头及灯光控制模块，采用PWM(Pulse Width Modulated)控制LED灯的亮度，并使二者相互配合，以便在最佳光照条件下获得高对比度的图像；图像处理模块估计的手指宽度在预定范围[w1，w2]之内后，结合摄像头及灯光控制模块控制摄像头对ROI区域进行聚焦，获得高质量的指纹图像。

图像处理模块，用于对摄像头拍摄的指纹图像进行处理，估计手指在图像中的宽度、提取指纹中心线和提取指纹ROI区域，获得手指成像的宽度、ROI区域位置、手指倾斜度等信息。根据手指成像宽度信息，通过距离调整语音提示模块引导用户调整手指放置距离，并在显示屏上显示引导矩形框，以获得高质量指纹图像。根据ROI区域位置，利用摄像头及灯光控制模块实现对ROI区域的自动聚焦，提高该区域的清晰度。根据手指倾斜度，通过旋转校正，获得放置规则的指纹图像。

距离调整语音提示模块，根据图像处理模块估计的手指宽度信息w，提示用户调整手指与摄像头之间的距离。若w＜w1，则提示“请将手指靠近摄像头一点”，若w＞w2，则提示“请将手指离摄像头远一点”。

显示模块，用于将摄像头获取的指纹图像显示在显示屏上，以便用户实时观测指纹成像结果。

如图2所示，本实施例还提供一种于相机的非接触指纹图像采集方法，包含以下步骤：

步骤S201，在蓝光照射下，摄像头拍摄指纹图像，并将其传送给图像处理模块；

步骤S202，图像处理模块根据颜色信息将指纹区域与背景分割出来，得到指纹区域二值图像；

步骤S203，对指纹区域二值图像进行水平和垂直投影，获得手指的放置方式；

步骤S204，提取手指的轮廓线，并根据轮廓线的曲率变化确定指尖轮廓线和手指边缘两侧轮廓线；

步骤S205，对指尖边缘轮廓线进行圆拟合，得到圆心和半径，并据此估计手指在图像中的宽度值w；

步骤S206，若w在预设范围之外，则通过语音提示调整手指与摄像头的距离，并转至步骤S201，否则转至步骤S207；

步骤S207，对指纹两侧边缘性进行直线拟合，提取指纹图像的中心线，获得手指图像的倾斜角；

步骤S208，提取指纹ROI区域，并控制摄像头对ROI区域聚焦，得到高质量的指纹图像；

步骤S209，对获得指纹图像进行旋转校正，并按照规定尺寸、格式对其进行处理后存储起来，供后续进行识别。

所述步骤S202中指纹区域分割具体为：在蓝光下拍摄指纹图像，指纹所在区域主要呈蓝色，而背景区域的颜色通常与此不同，故可以根据指纹和背景的颜色差异分割指纹区域。既可以根据蓝光背景下指纹区域的R、G、B分布特征直接对RGB图像进行分割，也可以将RGB图像变换到YCbCr或HSV域，根据相应通道的特征进行分割，再结合形态学处理即可得到指纹区域的二值图像。

所述步骤S203中手指放置方式的估计为：首先，分别在水平和垂直方向上对指纹区域二值图像进行直方图统计，据此获得手指的大致放置方式，即手指根部位于显示屏的左侧或者右侧，如图3所示，从而得到手指指尖各部分的大致位置分布。

所述步骤S205中手指在图像中的宽度估计为：

步骤S2051，对指纹二值图像进行边缘检测，得到指纹区域轮廓线L{(x_i,y_i),i＝1,2…,N}；

步骤S2052，按照式(1)依次计算轮廓线上任一点的曲率C{c(x_i,y_i),i＝1,2…,N}，检测曲率变化大于阈值T的点P1和P2；

其中

步骤S2053，结合手指的放置方式，即可得到指尖边缘轮廓线L1及手指两侧边缘线L2和L3，如图4所示；

步骤S2054，尽管每个人手指宽度有所不同，但指尖边缘轮廓线一般呈圆弧形，故可以对指尖轮廓线L1进行圆拟合，得到圆的中心点O和半径R，然后将2.2*R作为手指宽度的估计值w。

所述步骤S207中提取指纹图像的中心线的具体方法为：由于手指两侧边缘相对于手指中心线基本上是对称的，所以可以利用这一点提取手指中心线。如图4所示，先对手指两侧边缘线L2和L3分别进行直线拟合，得到直线AB和CD，将AB和CD这两条直线构成的锐角的角平分线EF与手指区域的交线作为手指的中心线，并可获得手指中心线相对于水平轴的倾斜角α。若摄像头拍摄的图像质量符合要求，可以根据角度α对图像进行旋转校正，并把校正后的规则图像存储起来供后续进行指纹识别等处理。

所述步骤S208提取指纹ROI区域的具体方法为：手指指纹特征主要位于手指第一节的中心区域，而非接触式指纹图像可能包含多节手指图像。为此，有必要定位第一指节的中心区域，并将其视为ROI区域，然后在合适蓝光照射下对其进行聚焦，从而得到高质量指纹图像。为此，本实施例将图4中矩形框设定为ROI区域，指尖轮廓线拟合的圆心O距离矩形框左、右、上、下四边的距离分别为0.2R、2R、1.1R、1.1R。

将本发明应用于智能手机等掌上设备上。一方面可以利用其采集非接触指纹图像，进行指纹信息的录入与认证，用非接触指纹实现手机解锁功能；另一方面，可以利用其采集的非接触指纹图像进行个人身份识别与认证，完成网上购物等电子商务活动，减少因忘记支付密码等而带来的困扰，同时提高其安全性。

该发明应用于机场、海关等安检场合。利用该发明采集的高质量非接触指纹图像，有利于提高后续指纹识别的准确性。由于其采集指纹速度较快，可以提高安检设备的工作效率。同时，也可克服接触式采集设备存在的潜在细菌传播等卫生问题。

将其应用于办公室、小区等门禁系统。利用本发明采集的指纹图像进行身份认证，不仅可以克服忘带钥匙、门禁卡等尴尬，而且因指纹的唯一性而更加安全，有利于满足人们对办公、居住环境安全性的要求。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来讲是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种基于相机的非接触指纹图像采集装置，其特征在于，包括：

指纹采集模块，用于采集高对比度的非接触指纹图像；

摄像头及灯光控制模块，用于控制灯的亮度和摄像头的聚焦；

图像处理模块，用于对摄像头拍摄的指纹图像进行处理，估计手指在图像中的宽度、提取指纹中心线和提取指纹ROI区域。

2.根据权利要求1所述的基于相机的非接触指纹图像采集装置，其特征在于，所述指纹采集模块包括CMOS摄像头和蓝色LED灯阵列。

3.根据权利要求2所述的基于相机的非接触指纹图像采集装置，其特征在于，还包括距离调整语音提示模块，用于根据图像处理模块估计的手指在图像中的宽度信息，提示用户调整手指与摄像头之间的距离。

4.根据权利要求2所述的基于相机的非接触指纹图像采集装置，其特征在于，还包括显示模块，用于将摄像头获取的指纹图像显示在显示屏上。

5.一种利用权利要求1至4任一项所述的基于相机的非接触指纹图像采集装置实现的图像采集方法，包含以下步骤：

步骤1，在蓝光照射下，摄像头拍摄指纹图像，并将其传送给图像处理模块；

步骤2，图像处理模块根据颜色信息将指纹区域与背景分割出来，得到指纹区域二值图像；

步骤3，对指纹区域二值图像进行水平和垂直投影，获得手指的放置方式；

步骤4，提取手指的轮廓线，并根据轮廓线的曲率变化确定指尖轮廓线和手指边缘两侧轮廓线；

步骤5，对指尖边缘轮廓线进行圆拟合，得到圆心和半径，并据此估计手指在图像中的宽度值w；

步骤6，若w在预设范围之外，则通过语音提示调整手指与摄像头的距离，并转至步骤1，否则转至步骤7；

步骤7，对指纹两侧边缘性进行直线拟合，提取指纹图像的中心线，获得手指图像的倾斜角；

步骤8，提取指纹ROI区域，并控制摄像头对ROI区域聚焦，得到高质量的指纹图像；

步骤9，对获得指纹图像进行旋转校正，并按照规定尺寸、格式对其进行处理后存储起来，供后续进行识别。

6.根据权利要求5所述的基于相机的非接触指纹图像采集方法，其特征在于，所述步骤2的具体实现过程为：根据蓝光背景下指纹区域的R、G、B分布特征对RGB图像进行分割，或者，将RGB图像变换到YCbCr或HSV域，根据相应通道的特征进行分割，再结合形态学处理即可得到指纹区域的二值图像。

7.根据权利要求5所述的基于相机的非接触指纹图像采集方法，其特征在于，所述步骤3中手指放置方式的估计为：分别在水平和垂直方向上对指纹区域二值图像进行直方图统计，据此获得手指的大致放置方式，即手指根部位于显示屏的左侧或者右侧。

8.根据权利要求5所述的基于相机的非接触指纹图像采集方法，其特征在于，所述步骤5中手指在图像中的宽度估计为：

步骤501，对指纹二值图像进行边缘检测，得到指纹区域轮廓线L{(x_i,y_i),i＝1,2…,N}；

步骤502，按照式(1)依次计算轮廓线上任一点的曲率C{c(x_i,y_i),i＝1,2…,N}，检测曲率变化大于阈值T的点P1和P2；

其中k(x_i,y_i)'为k(x_i,y_i)的导数 (1)

步骤503，结合手指的放置方式，即可得到指尖边缘轮廓线L1及手指两侧边缘线L2和L3；

步骤504，对指尖轮廓线L1进行圆拟合，得到圆的中心点O和半径R，然后将2.2*R作为手指宽度的估计值w。

9.根据权利要求8所述的基于相机的非接触指纹图像采集方法，其特征在于，所述步骤7中提取指纹图像的中心线的具体方法为：先对手指两侧边缘线L2和L3分别进行直线拟合，得到对应的两条直线，将这两条直线构成的锐角的角平分线与手指区域的交线作为手指的中心线，并可获得手指中心线相对于水平轴的倾斜角α。

10.根据权利要求8所述的基于相机的非接触指纹图像采集方法，其特征在于，所述步骤8提取指纹ROI区域的具体方法为：指尖轮廓线拟合的圆心O距离左、右、上、下四边的长度为0.2R、2R、1.1R、1.1R构成一个矩形框，设定该矩形框即为ROI区域。