CN114565935A - 手部的选定表面区域的非接触式光学成像的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的设备和方法，其中，表面区域以非接触方式有源引导到相对于图像捕获单元的目标位置。为此，设备具有框架(5)，手部插入框架(5)中，所述手部采用大致与目标位置相关的实际位置。此外，设备包含至少一个用于定位相应实际位置的有源装置和输出单元(7)，经由输出单元(7)给予用户反馈并且用户反复地将表面区域引导到目标位置。有利地是，该设备和方法适用于区分真手和假手。
Description
技术领域
本申请涉及光学成像领域，具体地涉及一种手部的选定表面区域的非接触式光学成像的设备和方法。
背景技术
2019年底/2020年初冠状病毒(SARS-CoV-2)的暴发引发了全球危机。该病毒具有极强的传染性，可经由液滴和涂片感染(smear infection)传播。病毒传播的枢纽包括国际机场。一段时间以来，越来越多的指纹扫描仪被用于识别乘客。第一代指纹扫描仪是基于接触的设备，将手部、单个手指、所有手指、一个或两个拇指(生物识别对象)放置在该设备的透明用户界面上。为避免在病毒学上不安全的时间内使用此类设备时出现涂片感染，每个用户在使用该设备后都必须清洁用户界面，这需要其他用户的永久参与。在具有自动交互式用户引导系统的设备的情况下，不需要其他人在场以正确使用该设备，由于需要定期清洁用户界面，因此需要额外的工人。
在基于结构化照明的新一代非接触式光学指纹扫描仪中，生物识别对象不再位于该扫描仪的顶部，而是位于设备的光学系统的虚拟对象区域中。
术语指纹扫描仪已经成为光学捕捉生物识别对象设备的通用术语，在手指的皮肤结构的意义上，生物识别对象以下称为表面区域。所讨论的设备是为所有上述生物识别对象设计的，还是仅为其中一个生物识别对象或部分生物识别对象设计的，并不重要。如何生成生物识别对象所捕获的图像也无关紧要，例如通过扫描对象或将对象作为一个整体进行成像。术语印刷具有历史根源。本文中，在捕获过程中无论对象是被压在控制界面上，还是非接触式地布置在虚拟对象区域(通常也称为扫描区域)中，均代表生物识别对象的任何类型的图像。
非接触式指纹扫描仪的主要挑战是将手部正确定位在虚拟对象区域中，以便生成高分辨率图像。这应该包含以自动方式交互式地引导用户。
US 2018/0330142A1描述了一种用于捕获指纹的设备，该设备具有用户手部移动穿过的捕获区域。该设备具有透明的覆盖面和与覆盖面相距几厘米的平行布置的投影面，捕获区域位于所述覆盖面和投影面之间。捕获区域相对于用户预期的位置在正面和侧面是开放的，因此用户可以舒适地将他的手部水平移动通过用户身体前方的捕获区域。静态线性扫描相机的物场位于捕获区域内。相机传感器具有足够大的图像捕获速度，以能够从以普通手部移动速度捕获的手部“线条”的各个图像中捕获手指的清晰图像。
US 2015/0208059A1描述了一种用于确定例如手指的3D坐标的设备和方法，从多个图像中能够生成可以与覆盖有墨的手指碾轧而生成的指纹相当的2D表示。为此，该设备具有带结构照明的投影仪，该投影仪用于将一个或更多个光图案投影到手指的三维表面上，以手指表面的生物识别结构的方式特征使光图案变形。使用一个或更多个相机拍摄变形光图案的一个或更多个图像。在这种情况下，手指表面定位在虚拟平面中距投影仪和相机预定距离处。
为了定位手部，该设备具有插槽，右手或左手可以插入插槽中。该插槽包绕扫描体积，在该扫描体积内，手部定位于用作参考平面的背景前面。在此参考平面处提供定位销，以帮助在扫描体积内正确定位手部，使得手指表面定位于物平面中距投影仪和相机指定距离处。在这种情况下，定位销的布置决定了手部的实际位置。
前述US 2015/0208059A1还公开了用户指南以引导用户定位他们的手部。将手部插入插槽后，会生成低分辨率试用图像，用户可以在试用图像中看到他们的手部相对于定位销的位置，引导用户正确定位手部。附加地或替代地，可以通过自动语音信息或人的指令来提供用户指南。
其中，所公开设备的特别的缺点是手部的定位是通过使手部与定位销接触来实现的。可以有利地使用一种方法，在该方法中，手指表面被保持在虚拟平面中并且手指表面在没有接触的情况下被光学捕获，特别用于不希望皮肤接触的地点和时间。通过将手部定位在定位销上，由手指表面的非接触捕获所产生的对用户的优势，即用户不接触任何东西并且因此与任何表面没有皮肤接触的优势被抵消了。
US 2020/0202101A1公开了另一种用于非接触式捕获生物识别数据(例如指纹和掌纹)的捕获设备。
该捕获设备包括电子隔间，电子隔间容纳包括光源和相机在内的所有硬件组件，以及包围图像捕获区域的壳体导向件。精确定位在图像捕获区域中的对象(例如手)可以被相机以最高质量捕获。为壳体导向件指定了多种实施方式，这使得在待定位对象不与壳体导向件接触的情况下进行精确定位成为可能。基本上，轴环形成在壳体导向件上，除了入口间隙外，该轴环包围图像捕获区域。轴环提供了用于粗略定位的视觉指示器。这意味着将他的手部引导到图像捕获区域中的用户因此已经将手部从正确的方向移动到图像捕获区域周围的狭窄空间体积中。有利地是，壳体导向件旨在包括放置指示器。放置指示器可以具有用于检测对象位置的传感器和用于示意要成像对象的正确位置的输出。根据本公开，可以用至少一个IR传感器来执行手部的定位，允许得出以下结论：本文中正确的位置仅指相对于轴向方向。输出可以是例如颜色或闪烁频率可以改变的闪烁彩色光。输出还可以是合适图标的显示，该图标为用户提供针对图像捕获过程的每个步骤的视觉指令。例如，图标可以先显示右手，然后显示左手，之后显示用户的拇指。输出也可以是音频信号的变化。放置指示器还可以是显示图像和/或运动图像的图形显示设备。图像可以是文本、符号或其他图形元素。放置指示器可以连接到电子隔间中存在的一个或更多个红外传感器。从对象反射回来的IR辐射用于确定对象是否已进入图像捕获区域，该过程是通过轴环内的垂直运动完成的。如果由反射辐射形成的信号超过了预定阈值，则手部已经到达图像捕获区域并且电子隔间中的控制器触发光源和相机。在图像捕获期间，禁用红外传感器以避免影响图像捕获的外来光影响。
根据前述US 2020/0202101A1的检测设备的缺点在于仅在成像系统的轴向方向上提供有源引导。手部的径向对齐完全由轴环的入口间隙决定。由于手部的径向位置仅由轴环的入口间隙决定，因此入口间隙不得超过宽手的宽度。因此，存在增加的风险，即在插入轴环期间，手部将与轴环接触并且不同尺寸的手部在径向定位的精度上会有所不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种设备，该设备适合于将保持在实际位置中的用户的手部定位在框架中并且用于有源地引导用户直到他的手部不仅轴向地而且径向地到达目标位置。
本发明的另一个目的是找到一种合适的方法来做到这一点。
有利地是，不仅应该在目标位置中捕获手部的表面区域的至少一个图像，而且还应该检测手部是否是自然手。
该目的通过一种用于对用户手部的选定表面区域进行光学成像的设备来实现，所述设备包括：壳体，壳体中容纳了图像捕获单元，该图像捕获单元包含具有光轴的主相机和照明单元；控制和计算单元；输出单元；布置在壳体外部并经由支架连接到壳体的框架，所述框架具有限定凹口的边缘，所述凹口在一侧敞开，所述框架相对于用户的用户位置在正面敞开，由用户将表面区域定位在凹口内，采用实际位置，所述框架内布置有具有景深区域的主相机的物平面，表面区域的目标位置位于该景深区域中。
对于本发明必不可少的是，提供用于在光轴的轴向方向上定位实际位置的第一有源装置和用于在光轴的径向方向上定位实际位置的第二有源装置，或者提供通用有源装置，该通用有源装置用于在光轴的轴向和径向方向上定位实际位置。通过也在径向方向上进行有源定位，也可以在径向方向上进行到目标位置的有源引导。因此，框架仅用于粗略定位，这就是为什么可以使凹口明显大于主相机的物场，从而可靠地避免接触框架，并且物场不必大于宽手，这促进了快速的图像处理。
有利地是，通用有源装置包括与主相机相比具有更大物场和更低分辨率的辅助相机，辅助相机的物场和主相机的物场位于主相机的物平面内。
可替代地，有利的是，第二有源装置包括平行于物平面辐射的至少一个第一距离传感器，或者通用有源装置包括至少一个第一距离传感器和相对于至少一个第一距离传感器以不等于0°的角度辐射的的至少一个第二距离传感器。
同样有利的是，第二有源装置包括两个第一光障，这两个光障形成第一光束对并且在物平面内或平行于物平面辐射、彼此围成非零角度，并且这两个第一光障关于平行于手部的插入方向延伸并穿过光轴的直线镜像对称布置。
有利地是，输出单元是显示器。
此外，第二有源装置或通用有源装置可以有利地是投影仪，投影仪布置在物平面的背离主相机的一侧并且将图案投影到凹口中。
输出单元可以有利地包含超声波发生器，该超声波发生器适合于在与轴向方向上的实际位置相对应的虚拟平面上生成触觉可感知的压力点，或者输出单元包含具有导向凹口中喷嘴的平面布置的压缩空气发生器。
该目的是通过一种对用户手部的选定表面区域进行光学成像的方法来实现的，所选定的表面区域定位于主相机的物平面周围的景深区域内的预定的目标位置中，主相机具有光轴，用户将要捕获的表面区域插入到包围景深区域的框架中，表面区域采用实际位置，在相对于光轴的轴向方向上定位实际位置，并且用户通过输出单元改变实际位置，被迭代引导，并在轴向方向上将表面区域移动到所预定的目标位置，在所预定的目标位置处，由主相机生成表面区域的至少一个图像。
对于本发明重要的是，实际位置也位于相对于光轴的径向方向上，并且用户在迭代引导下也将表面区域移动到径向方向上所预定的目标位置。
有利地是，通过评估由辅助相机以时间序列拍摄的多个图像，在轴向和径向方向上重复定位实际位置，以低于由主相机拍摄的至少一个图像的分辨率创建辅助相机的图像。有利地是，将以较低分辨率逐个拍摄的图像彼此进行比较，并分析朝向目标位置的运动是否伴随着血管的震颤或脉动，以便区分真手和假手。
有利的是，经由输出单元给予指令以改变手部姿势，以便在必要时根据手部姿势变化的序列推断出手部是自然的。
可替代地，针对自然手来说是非典型的不连续点或梯度，有利地分析来自辅助相机的图像，以便在必要时推断出假手。
同样有利的是，用具有至少一种波长的光照射表面区域或将具有至少一种波长的测量光束导向到表面区域上。这样做时，光会被手部的血管吸收。在只有一种波长的光的情况下，在与血管结构相对应的图像中产生空间结构，而在多于一种波长的光的情况下，如有必要，分析表面区域处反射的被反射波长光谱或光量以便推断出自然手。
为了推断出假手，如有必要，同样有利的是，针对表面区域的乳头状结构中的隆起和凹部的非典型间距，分析来自主相机的至少一个图像。
对于迭代引导，可有利地将二维图案投影到凹口中，用户在框架内移动手部，直到图案在手背上完整且清晰地成像。
如果根据与目标位置的接近程度而改变图案的图像的颜色或分辨率，则是有利的。
也可以通过表面区域上的触觉可感知的压力点来有利地辅助迭代引导，这些压力点由超声波或气压产生。附加地或替代地，由超声或压缩空气产生的触觉可感知的压力点可以激励用户做出只能由自然手做出的动作，从而将后者识别为自然手。
附图说明
下面将参考附图更详细地解释本发明，其中：
图1以一般适用于各种实施例示例的视图示出了设备，
图2a-图2b示出了具有通用有源装置的设备，该通用有源装置包括辅助相机，用于在轴向和径向方向上定位实际位置，
图3示出了具有第二有源装置的设备，该第二有源装置包含两个距离传感器，用于在径向方向上定位实际位置，
图4a-图4b示出了具有第二有源装置的设备，该第二有源装置包含两对光障，用于在径向方向上定位实际位置，
图5示出了具有通用有源装置的设备，该通用有源装置包括用于在轴向和径向方向上定位实际位置的投影仪，以及
图6示出了具有超声波发生器的设备，用于在轴向方向上进行有源引导。
具体实施方式
现根据本发明的设备用于对选定表面区域进行光学成像，更准确地说是对用户手部的四个手指的选定表面区域的乳头状结构进行成像。然而，也可以仅由单个手指或单个拇指或两个拇指来定义表面区域。对于一只手超过4个手指(不包括拇指)或一只手超过一个拇指的人，在极少数情况下，也可以通过每只手相应更多的手指或拇指来定义表面区域。
该设备如图1的示意图所示，设备主要包括图像捕获单元1，图像捕获单元1包括具有光轴1.0的主相机1.1和照明单元2，图像捕获单元1能够以一个或更多个颜色显示空间结构的图像，该设备还包括计算和控制单元3、壳体4、输出单元7、框架5、以及第一和第二有源装置或通用有源装置(本文未示出)，第一有源装置适用于在轴向方向上确定实际位置的位置，第二有源装置适用于在径向方向上确定实际位置的位置，通用有源装置适用于在相对于光轴1.0的轴向和径向方向上确定实际位置的位置。
相对于图像捕获单元1，框架5被布置成使得主相机1.1的物平面1.3和相应地围绕物平面1.3的景深区域1.2位于框架5的凹口6内。见图2b，景深区域1.2和主相机1.1的物场OF1小于凹口6，这限制了图像捕获区域。位于图像捕获区域中的表面区域被认为是位于目标位置中的表面区域并且被聚焦成像。图像捕获区域的中心位于光轴1.0和物平面1.3的交点处。框架5在设备的优选操作位置中在壳体4上方一定距离处水平对齐，并且与壳体4一起布置在彼此固定的相对位置。
输出单元7布置在壳体4上，但也可以将输出单元7从壳体4上拆下并在空间中自由布置。特别地，当输出单元7本质上是可见的时，有利地是，将相对于处于操作位置的设备放置在用户的视线水平处的框架5上方。在根据本发明的设备中，重点在于用户的幸福感和用户的直观操作。应避免与设备的任何接触。
框架5经由支架8刚性地连接到壳体4并且框架5具有边缘5.1，边缘5.1限定在一侧敞开的凹口6，凹口6相对于用户的用户位置正面敞开。边缘5.1有利地被着色以便被用户直观地感知，但边缘5.1也可以配备有可控的彩色照明，以便通过颜色指示凹口6中手部的正确或不正确定位，或引起用户对颜色或物平面1.3的注意。具有凹口6的框架5是用于在相对于光轴1.0的轴向和径向方向上粗略定位表面区域的装置。通过可控照明，框架5还可以同时作为输出单元7，为用户提供反馈，或者除了输出单元7之外，框架5还可以为用户提供信息。通过将一只手的所有四个手指或仅单个手指或他的拇指沿插入方向R插入框架中，用户将表面区域定位在实际位置，实际位置通常与目标位置不同，但大致接近目标位置。
除了使凹口6比宽手更宽外，为了避免与设备的任何接触，在图像捕获单元1所在的壳体4和表面区域所放置的框架5之间提供了足够的空间。
对于本发明重要的是，除了用于将表面区域直观引导到目标位置的用于粗定位的框架5之外，该设备还具有用于在光轴1.0的轴向方向上确定实际位置的位置的第一有源装置，用于在光轴1.0的径向方向上定位实际位置的第二有源装置，或者替代地，该设备具有适用于在光轴1.0的轴向方向和径向方向上确定实际位置的位置的通用有源装置。
对于根据本发明的方法而言，重要的是检测框架5中用户手部的表面区域的随机空间位置，将随机空间位置作为在轴向和径向方向上相对于图像捕获单元1的主相机1.1的光轴1.0的实际位置，并且用户被迭代引导，改变实际位置，直到表面区域到达与表面区域的预定的空间位置对应的目标位置。为此，用户将要捕获的表面区域插入到框架5中，框架5优选地水平对齐并且朝向用户开放并且包围景深区域1.2。表面区域采用实际位置，并且在轴向和径向方向上由用户将实际位置迭代地引导到目标位置，由主相机1生成表面区域的至少一个图像。因为凹口6被设计成比宽手的宽度大得多，以便可靠地防止接触，使得特别是在径向方向上，实际位置可能与目标位置有相当大的偏差。为了将表面区域从实际位置迭代地引导到目标位置，同时对表面区域的各个实际位置进行定位，并将定位结果用于控制输出单元7。
根据本发明的设备的第一实施例示例，如图2a和图2b所示，通用有源装置包括辅助相机9，辅助相机9布置在相对于主相机1.1的已知位置。辅助相机9在物平面1.3中以较低的分辨率对较大的物场OF9进行成像，而主相机1.1以较高的分辨率对物场OF1进行成像。辅助相机9与主相机1.1一样，以光学3D处理生成图像，由此可以从图像中导出表面区域在径向和轴向方向上相对于目标位置的空间位置。在这种情况下，辅助相机9的物场OF9优选地具有框架5的凹口6的尺寸的至少90％的尺寸，使得即使是宽手也能通过辅助相机9在每一个可能的实际位置中成像。辅助相机9的分辨率在本文中有利地仅足够高以允许根据图像推断出表面区域的位置。如果辅助相机9除了定位之外还执行其他功能，则辅助相机9具有更高的分辨率可能是有利的，然而，在任何情况下，辅助相机9的分辨率都低于主相机1.1的分辨率。因此，在任何情况下，辅助相机9的图像的图像处理都比主相机1.1的图像的图像处理快。有利地是，辅助相机9的景深区域9.2也大于主相机1.1的景深区域1.2。
根据空间位置，该空间位置在有源引导期间的每种情况下以时间相关的方式代表实际位置，经由输出单元7迭代地引导用户。
在该过程中，通过连续创建表面区域的光学图像，利用辅助相机9在光轴1.0的轴向和径向方向上进行定位，根据每个图像可以导出实际位置，即在创建光学图像时，表面区域在轴向和径向方向上在框架5的边缘5.1内占据的表面区域。将各个实际位置与目标位置进行比较，并且根据比较结果迭代地引导用户，直到选定表面区域已经抵达目标位置并且利用主相机1.1捕获图像。当只有部分表面区域位于目标位置时，也可以捕获图像。然后在表面区域的不同部分处于目标位置时创建多个图像。然后根据多个图像创建代表整个表面区域的清晰图像的总图像。
使用辅助相机9与下文指定的所有第二或第一修改装置相比具有优势，即辅助相机9可以用于非常精确地检测表面区域的实际位置，实际位置由手部在凹口6中的位置和手部姿势(手部的曲率)确定。手部姿势的检测具有优化用户指南和详细说明的优势，以改进利用主相机1.1的表面区域的成像。例如，如果手部过度倾斜，即相对于框架5中的目标位置以90°甚至180°的角度(手背朝向主相机)保持，则可以提供适合的用户指南，通知用户他必须相应地旋转他的手部以获得成功的图像。这同样适用于凹口的平面内的倾斜手部定位。也应用于弯曲手指的呈现，弯曲手指使得难以对整个表面区域进行最佳成像并且被辅助相机9检测到。有利地是，辅助相机9还可以在假手、或带有覆盖物的自然手以及自然手之间进行区分。
因此，在第一工艺实施例中，可以经由邻近分析来执行检测。这意味着对连续记录的图像进行相互比较分析，以确定被引导到目标位置的运动是否伴随着真实自然手所特有的震颤运动。
此外或在第二工艺实施例中，用户经由输出单元7接收指令以通过某些动作改变手部姿势，例如弯曲手指或移动单个手指，弯曲手指或移动单个手指是假手至少不能以自然方式完成的，从而将假手识别为假货。
对于指令，可以在输出单元7(例如以显示器的形式)上显示用户的手部执行所指示运动的图像。此外，可以经由符号给予用户反馈。替代地，例如，可以在真实环境中在显示器上显示虚拟手部，虚拟手部为真实手部提供动作并采用预定的位置和手部姿势。
通过请求诸如“卷手”、“伸出食指”或“伸直手部”等姿势，可以检测到例如橡胶手的假手，因为它无法遵照请求。
假手，例如全容量橡胶手，也无法在图像捕获期间遵从针对特定动作序列的请求，例如先插入右手，然后插入左手，最后将两个拇指插入框架，因为不能相互独立地移动单个手指段。
在第三工艺实施例中，如有必要，在来自辅助相机9或主相机1.1的图像中检测对于自然手而言是非典型的不连续点或梯度，特别是明显的分界或边缘，其通常在手指上放置覆盖物或二维伪造品时出现。
对于进一步的工艺实施例，提出利用具有至少一种波长的光提供照明，光被血管中的血液吸收，使得后者在真手的图像中是可识别的。对于具有多于一种波长的光，可以分析反射光分量的光谱。首先，可以假定假手与自然手不具有相同的光谱特性，其次，假手也缺少血管结构。
替代地或附加地，可以经由图像时间线上的规则微观结构变化来检测脉冲的存在。
为了检测通常由橡胶制成的整个手部的薄覆盖物，针对成像的乳头状结构的隆起或凹部的典型距离，分析由主相机1.1拍摄的图像。具有人工乳头状结构的覆盖物在戴在自然手上时，在手上的不同点处被不同地拉伸，从而导致局部不同的距离。
根据本发明的设备的第二实施例示例，图中未示出，第二有源装置包括至少一个第一距离传感器10。至少一个第一距离传感器10.1布置在框架5中，并且使得从第一距离传感器10.1发出的测量光束平行于物平面1.3以被引导到凹口6中的方式将至少一个第一距离传感器10.1对齐。
替代地，如图3所示，通用有源装置除了包括至少一个第一距离传感器10.1之外，还包括至少一个从主相机1.1侧朝向物平面1.3的第二距离传感器10.2，第二距离传感器10.2优选地布置在壳体4中。可以存在附加的第一和/或特别是第二距离传感器10.1、10.2。因此，如图3所示，在径向方向上更精确的定位是可能的，例如两个第二距离传感器10.2沿相反方向辐射。如果到手部的测量距离相同，则可以推断出手部沿径向方向中心定位于凹口6。也可以经由多个第二距离传感器10.2检测手部的倾斜度或弯曲度(手部姿势)。
在该过程中，在相应的第一和第二距离传感器10.1、10.2的空间布置和测得的距离值方面形成差异，并且经由输出单元7发出指令，如果遵守该指令，则导致差异的减少。
指令在本质上可以有利地是声学的，例如，通过改变音调的频率。因此，用户将在接近目标(例如目标位置)时直观地理解频率的增加，以及在到达目标时过渡到连续音调。有利地是，颜色检测器被集成在距离传感器10.1、10.2中的至少一个距离传感器中，使用颜色检测器在颜色方面分析从皮肤或假手反射回来的测量光束，以便确定测量光束的光谱是否实际上可以是归因于测量光束在自然手上的反射。
根据本发明的设备的第三实施例示例，图中未示出，第二有源装置包括形成第一光束对11的两个第一光障11.1。光障11.1布置在框架5中，光障11.1在物平面1.3中有利地辐射，并且光障11.1关于平行于手部的插入方向和穿过光轴1.0的线镜像对称，所述布置使得由光障11.1发射的光束汇聚。
如果将手部沿插入方向居中插入凹口6中，则两个第一光障11.1几乎同时被遮断。时间差异是由小指和食指的不同长度造成的。了解这种对于用户的两只手来说没有显着差异的典型差异是有利的，如图4a和图4b所示，提供第二对光障12，第二光障12.1平行于前两个光障11.1发射并且第二光障12布置成在插入方向上与第一对光障11偏移。当插入左手或右手时，在每种情况下激活不同对光障11、12，由此，光障11.1、12.1在它们之间以更短的时间间隔被遮断，前提是手部正好插入光障11.1、12.1中央。
在该过程中，用户将手部沿插入方向反复插入框架5，直到光束在分别激活的光障11.1、12.1处被遮断。通过稍微来回移动手部，光束可以一次又一次地被遮断，同时通过手部的横向移动，遮断之间的时间间隔接近最小。达到时间间隔的最小值表示已在径向方向上抵达目标位置。
原则上，如果输出单元7是显示器是有利的，而与第一和第二有源装置或通用有源装置的实施方式无关。经由显示器，可以以愉快的方式向用户传达诸如直观引导、错误检测时的具体反馈以及其他信息等指令。
例如，具有极低延迟的显示器可用于提供有关正确的手部姿势和手部位置的反馈，或经由符号给予针对有关正确的手部姿势和手部位置的指令。此外，可以通过显示器上的3D参考手来代表正确的手部姿势，以鼓励用户将他的手部(手部的图像也优选地以不同颜色以3D方式显示)与3D参考手进行空间对应。如果用户很难看到他的手部图像定位如何，他的手部或3D参考手的图像的颜色也可以连续变化，例如从橙色到绿色。还可以显示与正确的位置和手部姿势(即目标位置)的剩余偏差。作为此类3D用户指南的替代方案，象形图也可用于用户指南。
根据本发明的设备的第四实施例示例，通用有源装置包括投影仪13，参见图5，投影仪13布置在物平面1.3背离主相机1.1的一侧，并且投影仪13朝向凹口6投影二维图案。将图案投影到凹口6中，使得当所选定的表面区域处于目标位置时，在手上完整且清晰地成像。清晰的图像在本文中被理解为意味着当手部以相反的方向轴向移动时，在每种情况下都会恶化的图像质量。当手部被正确定位时，图案可以有利地由用户可见的在手指中央的笔划形成。除了笔划之外，还可以将符号例如笑脸投影到手指上，例如，当手指处于目标位置时，这些符号会改变颜色。
通过二维图案的简单投影，可以因此提供径向和轴向引导，同时向用户显示手指是否已经在目标位置，使得图案额外地满足输出单元7用于提供有关手部的相应实际位置的反馈的功能。
根据本发明的设备的第五实施例示例，如图6所示，设备包括超声波发生器14，超声波发生器14经由框架5内的可感知压力点产生非接触触觉，向用户建议放置他的手部以将手部定位在目标位置的虚拟表面。超声波发生器14由此倾斜地布置在物平面1.3下方以在要记录的表面区域下方创建有效的非接触触觉。可选地，其他超声波发生器14可以布置在物平面1.3上方和/或集成在框架5中。至少一个超声波发生器14包括若干个单独可控的超声波发生器14.1的阵列，在阵列中，若干个单独可控的超声波发生器14.1相互干扰，在空间中产生明显的触觉反馈。针对控制目的，经由第一和第二有源装置或通用有源装置确定若干个单独可控的超声波发生器14.1各自的实际位置，例如经由辅助相机9确定，实际位置被传输到计算和控制单元3，并且根据检测到的实际位置相应地控制至少一个超声波发生器14。
通过在空间中集成触觉可感知的虚拟表面，可以在轴向和径向方向上模拟要记录的针对表面区域的目标位置。如果表面区域离开目标位置，则可以增加由至少一个超声波发生器14施加到表面区域的压力，以直观地将用户移动回目标位置。
也可以将触觉反馈选择性地呈现给用户。如果用户在图像捕获期间保持手部弯曲，则可以向手部的向下部分(例如指尖和手掌)施加更大的压力，使得用户直观地伸展他的手部。
此外，通过增加表面区域上每个区域的压力点数量，可以向用户提示手部正在接近目标位置。
可选地，非接触式触觉装置可以以特定的、变化的频率扫描表面区域。可触及的压力点然后以变化的频率扫描指尖或手的内部，频率根据与目标位置的偏差而变化。例如，指尖或手掌每秒都可以通过超声波阵列感觉到压力点。当手部接近目标位置时，频率会增加，例如，此后以每秒10个压力点的频率扫描手掌。因此，实现了对用户的近似反馈。
触觉反馈还可以与作为输出单元的显示器上的反馈相匹配。例如，经由投影到手上的显示和/或符号，循环时钟可以在视觉上提示当前正在进行由主相机1.1对表面区域的图像捕获。同时，表面区域上的循环非接触触觉装置可以支持这种效果，从而使用户清楚图像捕获的状态，例如。图像捕获尚未开始、当前正在进行图像捕获、或图像捕获已完成。替代地，可以通过投影仪13而不是显示器将视觉表示直接显示在手上。
当使用超声波发生器14时，在表面区域上创建轻微压力的效果也可以有利地用于提高成像质量。通过单独调整表面区域的压痕，将由乳头状结构给出的表面区域的3D形状转换为2D。这意味着，尤其是在景深区域1.2只是狭窄的情况下，表面区域的更大的区域在目标位置并且可以被记录，因为例如可以更平坦地按压手指。通过这种方式，也可以更快地完成到最终2D图像的转换。为了选择正确的图像捕获时间，3D图像捕获与超声脉冲相应地同步。
此外，超声波发生器14可以有利地用于检测伪造品。如果怀疑是伪造品，则会产生各种压力点和/或压力区域，这些压力点和/或压力区域会触发对人体或自然表面区域的特定动作，因为人类会感觉到压力点。如果伪造品位于表面区域或伪造品覆盖物被穿戴在手上，则人体无法感知触觉反馈。通过询问可以感觉到多少压力点，或者压力点是顺时针还是逆时针移动，或者压力点是向左/向右还是向上/向下移动，可以经由显示器上的交互来进行检测，以确定伪造品或自然表面区域是否呈现给用于图像捕获3D皮肤打印的设备。作为一种特别有利的直观交互选项，建议用户将他的手部或手指从压力点作用的方向移开。在这种情况下，通过用户在信号产生后在定义的时间帧内对信号做出反应来验证压力的感知。
至少一个超声波发生器14布置在物平面1.3下方。其他超声波发生器14可以布置在框架5的上方或内部。有利地是，多个超声波发生器14布置在空间中，围绕凹口6分布，以便能够从不同侧向手部施加压力。
根据本发明的设备的第六实施例示例，图中未示出，提供了具有多个可控喷嘴的压缩空气发生器，该压缩空气发生器与分配给超声波发生器14的功能相当。可以经由单个喷嘴的有针对性的控制引导或模拟手部做出动作，这可以证明手部是自然手。
附图标记列表
1图像捕获单元
1.0光轴
1.1主相机
1.2景深区域
1.3物平面
2照明单元
3计算和控制单元
4壳体
5框架
5.1边缘
6凹口
7输出单元
8支架
9辅助相机
9.2辅助相机的景深区域
OF1主相机的物场
OF9辅助相机的物场
10.1第一距离传感器
10.2第二距离传感器
11第一对光障
11.1第一光障
12第二对光障
12.1第二光障
13投影仪
14超声波发生器
14.1超声波发生器
R插入方向
Claims (18)
1.一种用于对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的设备，包括
壳体(4)，所述壳体(4)内容纳有图像捕获单元(1)，所述图像捕获单元(1)包含具有光轴(1.0)的主相机(1.1)和照明单元(2)，
控制和计算单元(3)，
输出单元(7)，
框架(5)，所述框架(5)布置在所述壳体(4)外部并经由支架(8)连接到所述壳体(4)，所述框架(5)具有限定凹口(6)的边缘(5.1)，所述凹口在一侧敞开，所述框架(5)相对于所述用户的用户位置在正面敞开，并且所述用户将所述表面区域定位在凹口内，所述表面区域采用实际位置，所述框架(5)内布置有所述主相机(1.1)的物平面(1.3)，所述物平面(1.3)具有所述表面区域的目标位置所在的景深区域(1.2)，
其特征在于，
提供用于在所述光轴(1.0)的轴向方向上定位所述实际位置的第一有源装置和用于在所述光轴(1.0)的径向方向上定位所述实际位置的第二有源装置，或
提供用于在所述光轴(1.0)的轴向和径向方向上定位所述实际位置的通用有源装置。
2.根据权利要求1所述的用于对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的设备，其特征在于，
所述通用有源装置包括与所述主相机(1.1)相比具有更大物场(OF9)和更低分辨率的辅助相机(9)，其中，所述辅助相机(9)的物场(OF9)和所述主相机(1.1)的物场(OF10)位于所述主相机(1.1)的物平面(1.3)中。
3.根据权利要求1所述的用于对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的设备，其特征在于，
所述第二有源装置包括平行于所述物平面(1.3)辐射的至少一个第一距离传感器(10.1)，或者所述通用有源装置包括至少一个第一距离传感器(10.1)和至少一个第二距离传感器(10.2)，所述第二距离传感器(10.2)以相对于所述至少一个第一距离传感器(10.1)不等于0°的角度辐射。
4.根据权利要求1所述的用于对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的装置，其特征在于，
所述第二有源装置包括两个第一光障(11.1)，所述两个第一光障(11.1)形成第一光束对(11)，并且所述第一光束对(11)在所述物平面(1.3)内或平行于所述物平面(1.3)辐射，所述第一光束对(11)彼此围成非零角度，所述两个第一光障关于平行于所述手部的插入方向(R)延伸并穿过所述光轴(1.0)的直线镜像对称布置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的设备，其特征在于，
所述输出单元(7)是显示器。
6.根据权利要求1所述的用于对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的设备，其特征在于，
所述第二有源装置或所述通用有源装置是投影仪(13)，所述投影仪(13)布置在所述物平面(1.3)的背离所述主相机(1.1)的一侧，且所述投影仪(13)将图案投影到所述凹口(6)中。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的设备，其特征在于，
所述输出单元(7)包含超声波发生器(14)，所述超声波发生器(14)适用于在与轴向方向上的所述目标位置相对应的虚拟平面上生成触觉可感知的压力点。
8.根据权利要求1所述的用于对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的设备，其特征在于，
所述输出单元(7)包含具有喷嘴的平面布置的压缩空气发生器，所述喷嘴被导向到所述凹口(6)中。
9.一种对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其中，所选定的表面区域被定位在主相机(1.1)的物平面(1.3)周围的景深区域(1.2)内的预定的目标位置中，所述主相机(1.1)具有光轴(1.0)，其中，所述用户将要捕获的表面区域插入到包围所述景深区域(1.2)的框架(5)中，其中所述表面区域采用实际位置，在相对于所述光轴(1.0)的轴向方向上定位所述实际位置，所述用户通过输出单元(7)改变所述实际位置，被迭代引导，并沿所述轴向方向朝向所预定的目标位置移动所述表面区域，在所预定的目标位置中通过所述主相机(1.1)生成所述表面区域的至少一个图像，其特征在于，
所述实际位置也位于相对于所述光轴(1.0)的径向方向上，并且所述用户在迭代引导下也将所述表面区域移动到径向方向上所指定的实际位置。
10.根据权利要求9所述的对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其特征在于，
通过评估由辅助相机按时间序列拍摄的多个图像，在轴向和径向方向上重复定位所述实际位置，其中，以低于由所述主相机拍摄的至少一个图像的分辨率创建来自所述辅助相机的图像。
11.根据权利要求10所述的对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其特征在于，
将以较低分辨率逐个拍摄的所述图像彼此进行比较，并分析朝向所述目标位置的运动是否伴随着血管的震颤或脉动，以便区分真手和假手。
12.根据权利要求11所述的对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其特征在于，
经由所述输出单元(7)给予指令以改变所述手部姿势，以便在必要时根据手部姿势变化的序列推断所述手部是自然的。
13.根据权利要求10所述的对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其特征在于，
针对自然手来说是非典型的不连续点或梯度，分析来自所述辅助相机的图像，以便在必要时推断出假手。
14.根据权利要求9所述的对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其特征在于，
用具有至少一种波长的光照射所述表面区域或将具有所述至少一种波长的测量光束导向到所述表面区域上，其中，所述光被所述手中的血管吸收，并且在只有一种波长的光的情况下，在与所述血管结构相对应的图像中产生空间结构，并且在多于一种波长的光的情况下，如有必要，分析所述表面区域处反射的被反射波长光谱或光量，以便推断出自然手。
15.根据权利要求9所述的对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其特征在于，
为了推断假手，如有必要，针对所述表面区域的乳头状结构中的隆起和凹部的非典型间距，分析来自所述主相机(1.1)的至少一个图像。
16.根据权利要求9所述的对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其特征在于，
将二维图案投影到所述凹口内，所述用户在所述框架内移动手部，直到所述图案在手背上完整且清晰地成像。
17.根据权利要求16所述的对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其特征在于，
所述图案的图像会根据与所述目标位置的接近程度而改变所述图像的颜色或分辨率。
18.根据权利要求9所述的对用户手部的选定表面区域进行非接触式光学成像的方法，其特征在于，
由超声波或压缩空气产生触觉上可感知的压力点，使所述用户做出只能由自然手做出的动作或支持进入所述目标位置的迭代引导。
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