DE102021111422A1

DE102021111422A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kontaktlosen Aufnahme von Finger- und Handabdrücken

Info

Publication number: DE102021111422A1
Application number: DE102021111422.5A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: IDLOOP GMBH, DE
Priority date: 2021-05-04
Filing date: 2021-05-04
Publication date: 2022-11-10
Also published as: WO2022233964A1; JP2024518920A; EP4334913A1; US20240221431A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand oder Teilen davon, welche äquivalent zu kontaktbasierten Abdrücken sind.Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst, durch Vorrichtung und Verfahren zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand umfassend:- eine im oberen Bereich der Vorrichtung zur Fingerabdruckaufnahme (4) vorhandene Aussparung (30), die einem Nutzer zur Groborientierung der korrekten Handpositionierung (31) dient,- eine Beleuchtungseinheit (1) zum Beleuchten der Hand oder Teile davon (3) mit strukturiertem Licht,eine Kamera (2) zum Erfassen von Licht der Beleuchtungseinheit (1), das von der Hand oder Teilen davon (3) in einer Objektebene (21) der Kamera (2) diffus reflektiert wird, wobei- eine nichtverschwindende Differenz der Abstände von Kamera und Beleuchtungseinheit zur Objektebene (17) vorhanden ist, um eine Position der Hand oder Teilen davon (3) in Bezug auf den Schärfentiefenbereich (9) der Kamera (2) mittels eines Verfahrens zur Strukturgrößenermittlung in einem von der Kamera (2) aufgenommenen Bild zu bestimmen, und- eine Recheneinheit (29) zur Positionsberechnung mittels Strukturgrößenermittlung und zur Berechnung des Fingerabdruckbildes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand oder Teilen davon, welche äquivalent zu kontaktbasierten Abdrücken sind.
Behördenkonforme (kontaktbasierte) Mehrfingerscanner zeichnen sich dadurch aus, dass das Bildfeld mindestens 3,2" x 3,0" (B x H) bei einer Abtastung von 500 ppi beträgt. Bezieht man nun bei einer kontaktlosen Aufnahme eines Fingers mit ein, dass die gekrümmte Oberfläche eines Fingers bis zu einem definierten Toleranzwinkel 7, wie in 2 schematisch dargestellt, mit 500 ppi abgetastet werden soll, um den gleichen Bereich zu erfassen wie bei kontaktbasierten Scannern, muss eine deutliche Überabtastung (> 500 ppi bezogen auf eine virtuelle Messebene) stattfinden. Die dabei anfallende Datenmenge kann in der Regel nur mit einem nicht vernachlässigbaren Zeitaufwand in 3D-Koordinaten umgewandelt werden, sodass eine Echtzeit-Kontrolle der Handposition im 3D-Raum mit der herkömmlichen Messtechnik schwierig ist. Für die eigentliche Messaufgabe, einen hochaufgelösten Fingerabdruck aufzunehmen, besitzt die Kamera 2 einen spezifischen eng begrenzten Schärfentiefenbereich, in dem die Papillarstruktur des Fingers, ausschließlich scharf abgebildet werden kann. Befindet sich die Hand oder der Finger außerhalb des Schärfentiefenbereichs der Kamera 2, ist eine detailgetreue Aufnahme nicht möglich.
Bekannte Vorrichtungen zur berührungslosen Aufnahmen von Fingerabdrücken haben unterschiedlichste Ansätze, wie die Hand- oder Fingerposition begrenzt oder erfasst werden kann.
So offenbart die US 10 460 145 B2 eine Vorrichtung zur berührungslosen optischen Aufnahme der Merkmale einer Hand zwei Beleuchtungsquellen und eine Kamera. Für die Aufnahme der Fingerabdrücke muss die Hand durch einen vertikal eingeschränkten Freiraum bewegt werden.
Die US 8 600 123 B2 beschreibt zur berührungslosen Fingerabdruckaufnahme eine Vorrichtung mit einem in drei Dimensionen bautechnisch beschränkten Aufnahmevolumen und wenigstens einer Kamera zur berührungslosen Aufnahme der Finger.
Aus der KR 2019 0097706 A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Fingerabdruckaufnahme bekannt, die zusätzlich zur Aufnahmekamera einen Entfernungssensor benötigt.
In der DE 10 2019 126 419 A1 ist die Vorrichtung zur berührungslosen Fingerabdruckaufnahme mit einer mehrfarbigen Beleuchtungseinheit und mindestens zwei Kameras zur 3-dimensionalen Erfassung der Papillarstruktur einer Hand ausgerüstet.
Weitere Vorrichtungen zum optischen Abbilden der Papillarstruktur von Fingern, die ähnlich aufwändige Zusatzeinrichtungen zur Positionserkennung aufweisen, sind aus der US 8 971 588 B2 , US 8 953 854 B2 , WO 2018/073335 A1 , CN 104361315 B , US 9 734 381 B2 , US 8 224 064 B1 , der US 9 396 382 B2 und US 8 391 590 B2 bekannt.
Ferner ist in der US 10 885 297 B2 eine Vorrichtung zur berührungslosen Aufnahme biometrischer Daten beschrieben, bei der eine Kamera und eine Lichtquelle in einen Bildaufnahmebereich gerichtet sind und eine Gehäuseführung mit einem Schaft, an dem ein über der Elektronikeinheit gehaltener Rahmen befestigt ist, der den Aufnahmebereich lateral umgibt und eine Eingangslücke für die Handeinführung aufweist. Dabei definiert der Schaft zum Rahmen den Abstand der zu vermessenden Hand zur Aufnahmekamera für die Hand- bzw. Fingerabbildung. Nachteilig ist jedoch, dass der Rahmen von dem Nutzer nicht berührt werden soll, er für unterschiedlich große Hände ausreichend Platz lassen muss und somit Spiel für deutliche Abweichungen vom eng begrenzen Bildaufnahmebereich der Kamera aufweist, wodurch der für qualitativ hochauflösende Fingeraufnahmen einzuhaltende Schärfentiefenbereich der Kameraoptik nicht gewährleistet werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur kontaktlosen Fingerabdruckaufnahme einer Hand oder Teilen davon zu finden, die eine echtzeitfähige Handabstandserkennung zur 3D-Bilddatenaufnahme von Fingerabdrücken gestattet, ohne zusätzliche Abstandssensoren oder Hilfsrahmen zur Abstandszuweisung gegenüber einer hochauflösenden Kamera zu benötigen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß den Ansprüchen 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den untergeordneten Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine exakte Kenntnis über die aktuelle Handposition vonnöten ist, um die 3D-Aufnahme bzw. Verarbeitung zu starten oder um dem Nutzer des Scanners Korrekturvorschläge zur Handpositionierung mitzuteilen.
Die Erfindung basiert auf der Grundidee, bei kontaktlosen Fingerabdruckaufnahmen für die Handabstandserkennung (Handposition) und zur Erzeugung hochgenauer 3D-Bilddaten von der Hand oder Teilen davon mittels einer besonders angeordneten Kamera-Projektor-Kombination und einer strukturierten Beleuchtung der Hand auf zusätzliche vielteilige Abstandssensoren zu verzichten. Dabei werden die 3D-Bilddaten der vorgelagerten Abstandserkennung aus dem Kamerabild ermittelt, bei Vorliegen einer zulässigen Handposition aus einer hochauflösend aufgenommenen Fingerabdruckaufnahme pixelweise die hochgenauen 3D-Bilddaten rekonstruiert und in einem nachgelagerten Verfahren in ein zweidimensionales Fingerabdruckbild umgewandelt.
Die Handpositionserkennung soll dabei ohne zusätzliche Sensorik, bauräumliche Begrenzungsmaßnahmen oder aufwändige Scanverfahren als Abstandsbestimmung zwischen Hand und Kamera mit geringem Rechenaufwand erfolgen und als Abstandsinformation dafür genutzt werden, entweder dem Benutzer der Vorrichtung Korrekturvorschläge zur Positionskorrektur der Hand anzubieten oder um die Kamera entsprechend zu fokussieren oder um die hochgenaue Rekonstruktion der 3D-Bilddaten zu starten, wenn die korrekte Position zur Aufnahme der Hand vorliegt.
Die Vorrichtung umfasst eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten eines Raumbereichs mit strukturiertem Licht, in welchem auch der Schärfentiefenbereich der Kamera liegt, wobei die Kamera zum Erfassen von Licht, das von einer Hand oder Teilen davon in der Objektebene diffus reflektiert wird, ausgebildet ist. Dazu weist die Beleuchtungseinheit einen unterschiedlichen Abstand zum Schärfentiefenbereich der Kamera auf, da ausschließlich dann die Strukturgröße der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera eine Funktion des Abstands der Hand zur Kamera ist, um somit eine schnelle räumliche Positionierung der Hand oder Teilen davon derer in Bezug auf die Vorrichtung zur Fingerabdruckaufnahme durch die Strukturgrößenbestimmung generieren zu können.
Durch die Erfindung wird eine neue Möglichkeit zur kontaktlosen Fingerabdruckaufnahme einer Hand oder Teilen davon realisiert, die eine echtzeitfähige Handabstandserkennung zur 3D-Bilddatenaufnahme von Fingerabdrücken gestattet, ohne zusätzliche Abstandssensoren oder Hilfsrahmen zur Abstandszuweisung gegenüber einer hochauflösenden Kamera zu benötigen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1: ein Prinzipschema der Erfindung zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand oder Teilen davon;
2: schematisch die Definition eines Toleranzwinkels, der bei der herkömmlichen Fingerabdruckaufnahme auf einer Kontaktfläche entsteht;
3: die Bildschärfe im Sinne einer Modulationstransferfunktion (MTF) über der Emissionswellenlänge der Beleuchtungseinheit;
4: den Zusammenhang zwischen einer Strukturgröße auf dem Lichtmodulator der Beleuchtungseinheit, die in der Strukturgröße in der Objektebene und entsprechend auf dem Kamerasensor abgebildet wird;
5: die Darstellung des Zusammenhanges zwischen Objektabstand und gemessener Strukturgröße der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera für ein periodisches Muster des strukturierten Lichts;
6: die Darstellung des Zusammenhanges zwischen Objektabstand und gemessener Strukturgröße der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera für ein nichtperiodisches Muster des strukturierten Lichts;
7: eine bevorzugte Ausführung der Erfindung mit einem Projektor und einer Kamera, deren optische Achsen parallel zueinander ausgerichtet sind und unterschiedliche Abstände zur Objektebene aufweisen;
8: eine weitere bevorzugte Ausführung vergleichbar mit 7, bei der Kamera und Beleuchtungseinheit in einer Scheimpflug-Geometrie angeordnet sind;
9: eine bevorzugte Ausführung in Modifikation von 8, bei der die Strahlengänge der Kamera und der Beleuchtungseinheit über Umlenkspiegel gefaltet sind;
10: eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung mit einem Projektor als Beleuchtungseinheit und zwei Kameras, wobei der Projektor einen wesentlichen Unterschied im Abstand zur Hand oder Teilen davon im Vergleich zu den beiden Kameras aufweist;
11: eine weitere gegenüber 10 modifizierte Ausführung der Erfindung mit zwei Projektoren und drei Kameras, wobei die Projektoren einen wesentlichen Unterschied im Abstand zu Hand oder Teilen davon im Vergleich zu den drei Kameras aufweisen;
12: ein Blockdiagramm einer beispielhaften Konfiguration erfindungsgemäßen Verfahrens;
13: einen beispielhaften Ablaufplan für das Verfahren zur Positionserkennung der Hand oder Teilen davon;
14: einen weiteren beispielhaften Ablaufplan für das Verfahren zur Positionserkennung im Sinne des Abstandes und der Rotation der Hand oder Teilen davon,
15: eine schematische Abbildung einer möglichen Ausgestaltungsform der Vorrichtung;
16: eine schematische Darstellung korrekter und nicht-korrekter Handpositionierung beispielhaft;
17: eine schematische Abbildung einer möglichen Ausgestaltungsform der Vorrichtung inklusive eines als Display ausgestalteten Feedbackmoduls.

Die Erfindung beinhaltet gemäß der schematischen Darstellung von 1 als Grundprinzip eine Vorrichtung zur Fingerabdruckaufnahme 4 und zur Messung eines Abstands 16 der Kamera 2 zu einer Objektebene 21, wobei die Kamera 2 zugleich zum kontaktlosen bzw. berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur wenigstens eines Fingers vorgesehen ist. Dabei umfasst die Vorrichtung 4 eine Beleuchtungseinheit 1 zum Beleuchten eines Tiefenmessbereichs 24 mit strukturiertem Licht und eine Kamera 2 zum Erfassen von Licht, das von einer Hand 3 oder einem Teil davon in der Objektebene 21 diffus reflektiert wird, wobei eine Differenz 17 des Abstandes 15 von Kamera 2 und des Abstandes 16 der Beleuchtungseinheit 1 zur Objektebene 21 vorhanden ist, aufweist.
Gemäß der Erfindung wird der Tiefenmessbereich 24 beschrieben als der Bereich, in dem sich das Sichtfeld der Beleuchtungseinheit 13 der Beleuchtungseinheit 1 und Sichtfeld der Kamera 14 im 3D-Raum überlagern, wie in 1 dargestellt. Dabei gibt es im Falle der parallelen Ausrichtung der optischen Achse 11 der Beleuchtungseinheit 1 und der optischen Achse 12 der Kamera 2 eine untere Grenze des Tiefenmessbereichs 24. Im Fall der Scheimpflug-Geometrie (siehe 8) von Kamera 2 und Beleuchtungseinheit 1, besitzt der Tiefenmessbereich 24 auch einen maximalen Abstand. Der Tiefenmessbereich 24 entspricht dabei dem Schärfentiefenbereich 9 der Kamera 2.
Die in der Vorrichtung 4 enthaltene Beleuchtungseinheit 1 wird beschrieben durch eine optische Achse 11, einen räumlichen 2D-Intensitätsmodulator, ein Sichtfeld der Beleuchtungseinheit 13 und eine Lichtquelle. Umfasst die Beleuchtungseinheit 1 zusätzlich noch ein Objektiv zur Abbildung des räumlichen 2D-Intensitätsmodulators, wird sie nachfolgend als Projektor 25 bezeichnet. Eine Beleuchtungseinheit 1 im Sinne der Erfindung dient der Emission von strukturiertem Licht, insbesondere der Emission einer Wellenlänge (inkl. spektraler Verbreiterung). Es kann auch vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinheit 1 zwei oder drei Wellenlängen zu emittieren vermag. Eine zweckmäßige Form der Beleuchtungseinheit 1 kann zum Beispiel eine oder mehrere LEDs oder einen oder mehrere Laser (nicht gezeichnet) beinhalten.
Eine weitere Ausführungsart der Beleuchtungseinheit 1 emittiert ein breites Lichtspektrum, wie beispielsweise Weißlicht-LEDs, Lichtquellen basierend auf thermischer Strahlung (Glühlampe) oder Gasentladungslampen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt das Emissionsspektrum der Beleuchtungseinheit 1 im Bereich 350 nm bis 1000 nm. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, s. 3, ist das Emissionsspektrum beschränkt auf 450 nm bis 550 nm, um die MTF Anforderungen des FBI zu erfüllen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Arbeitsabstand 26 der Kamera 2 nicht weniger als 50 mm und nicht mehr als 1500 mm. Die untere Grenze ergibt sich durch einen ausreichenden Abstand zwischen der Hand 3 (oder Teilen davon) und Kamera 2, um Berührungen zu vermeiden. Die obere Grenze ergibt sich aus bautechnischen Gründen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Arbeitsabstand 26 der Kamera 2 nicht weniger als 200 mm und nicht mehr als 400 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Abstand 28 der Beleuchtungseinheit 1 zur mittleren Schärfentiefenebene 27 der Kamera 2 (oder eventuell weiterer Kameras 2) nicht weniger als 50 mm und nicht mehr als 1400 mm. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der Abstand 28 der Beleuchtungseinheit 1 zur mittleren Schärfentiefenebene 27 der (wenigstens einen) Kamera 2 nicht weniger als 130 mm und nicht mehr als 400 mm.
Die Kamera 2 der Vorrichtung 4, beschrieben durch eine optische Achse 12 der Kamera 2, einen Sensor und ein auf den Sensor abbildendes Objektiv, weist ein Sichtfeld 14 und einen Schärfentiefenbereich 9 auf, welcher durch eine untere Grenze 10 des Schärfentiefenbereichs 9 und eine obere Grenze 8 des Schärfentiefenbereichs 9 limitiert wird. Ausschließlich im Schärfentiefenbereich 9 können die Papillarstrukturen der Hand 3 (oder Teilen davon) hochqualitativ und auf dem Sensor der Kamera 2 abgebildet werden gemäß den behördlichen Vorgaben (FBI-Richtlinie, Appendix F: U.S. Department of Justice, Federal Bureau of Investigation, „Electronic Biometrie Transmission Specification (EBTS) with Technical and Operational Updates“, Version 10.0.9, 22. Mai 2018).
In vorteilhafter Ausgestaltung im Sinne der Erfindung umfasst eine Kamera 2 einen Bildsensor und ein Objektiv. Der Bildsensor im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung, die ein optisches Signal in ein elektrisches, welches die Bildinformation enthält, umwandelt. Dem Bildsensor (bzw. dem Ausgang der Kamera 2) nachgelagert kann erfindungsgemäß eine Recheneinheit 29 sein, die zur Bildinformationsverarbeitung dient. Im Speziellen dient die Recheneinheit 29 auch der Berechnung der räumlichen Information aus dem Bild des Bildsensors, im Speziellen der 3D-Erfassung einer Hand 3 oder eines Fingers mit der Papillarstruktur.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung (gemäß 8) ist die Beleuchtungseinheit 1 mit einem Objektiv ausgestattet und bildet somit einen Projektor 25, wobei der als Beleuchtungseinheit 1 verwendete Projektor 25 mit strukturierter Beleuchtung und die Kamera 2 in Scheimpflug-Geometrie angebracht sind. Das bedeutet, dass Projektor 25 und Kamera 2 bezogen auf eine Objektebene 21 eine Abbildungsentzerrung nach Scheimpflug erfüllen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, wie in 9 skizziert, ist bzw. sind die Strahlengänge der Beleuchtungseinheit 1 und/oder der Kamera 2, über einen oder mehrere Umlenkspiegel 5 gefaltet, um eine kompakte Bauform zu ermöglichen.
Ein 2D-Intensitätsmodulator im Sinne der Erfindung kann einen digitalen Lichtmodulator umfassen, bestehend zum Beispiel aus einem oder mehreren DLP-Chips (engl. Digital Light Processing), einem oder mehreren LCDs (engl. Liquid Crystal Device) oder einem oder mehreren LCoS (engl. Liquid Crystal on Silicon). Außerdem können erfindungsgemäß auch analoge Lichtmodulatoren wie Masken, Dias, oder Streu- und Phasenmodulationsscheiben (zur Erzeugung von Specklemustern) Verwendung finden. In weiteren bevorzugten Ausführungen der Erfindung kommen eine Beleuchtungseinheit 1 bzw. ein Projektor 25 und zwei Kameras 2 zum Einsatz, wobei die Beleuchtungseinheit 1 bzw. der Projektor 25 einen unterschiedlichen Abstand zum Schärfentiefenbereich 9 verglichen mit dem Arbeitsabstand 26 der Kamera(s) 2 aufweist (s. 10) oder zwei Projektoren 25 bzw. zwei Beleuchtungseinheiten 1 und drei Kameras 2 zum Einsatz, wobei die Projektoren 25 bzw. die Beleuchtungseinheiten 1 einen unterschiedlichen Abstand zum Schärfentiefenbereich (9) verglichen mit dem Arbeitsabstand 26 der Kameras 2 aufweisen (s. 11).
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besitzt die Vorrichtung 4 ein Feedbackmodul 35, welches dem Nutzer über akustische, haptische oder visuelle Signale oder Kombinationen davon, Information über die korrekte Aufnahme, Korrekturvorschläge für die Handposition oder weitere Informationen zugänglich macht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Feedbackmodul 35 als Anzeigeeinheit 36 in Form eines Displays ausgeführt oder kann auch als eine LED-Zeile im oberen Bereich der Vorrichtung 4 integriert sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur echtzeitfähigen Bestimmung des Abstandes der Hand 3 (oder Teilen davon) zur Kamera 2 beruht auf den unterschiedlichen Abständen der Kamera(s) 2 und der Beleuchtungseinheit(en) 1 zur Hand 3 in der Objektebene 21 (siehe 4).
Grundidee dabei ist die Vermessung der Strukturgröße 18 der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera 2. Entsprechend der Nomenklatur in 4 wird durch die Beleuchtungseinheit 1 eine räumlich variierende Struktur mit der Strukturgröße 20 in der Objektebene 21 (S₀) projiziert. Die Strukturgröße 19 auf einem Lichtmodulator der Beleuchtungseinheit 1 ist dabei S_p. Der Abstand 15 der Beleuchtungseinheit 1 zur Objektebene 21 (A_p) beschreibt die Entfernung von einem als Beleuchtungseinheit 1 verwendeten Projektor 25 zur Hand 3 (oder Teilen davon) und A_c den Abstand 16 der Kamera 2 zur Objektebene 21 der Hand 3.
Man kann mathematisch zeigen, dass die gemessene Strukturgröße 18 der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera 2 (Sc) eine nichtkonstante Funktion des Abstands 16 (A_c) der Kamera 2 zur Objektebene 21 ist, wann immer eine Differenz 17 (δ ≠ 0) der Abstände von Kamera 2 und Beleuchtungseinheit 1 zur Objektebene 21 vorhanden ist. $S_{C} = f (A_{c}) f \ddot{u} r δ \neq 0$
Dies bedeutet wiederum, dass für δ ≠ 0 der Abstand 16 der Kamera 2 zur Objektebene 21 (A_c) bestimmt werden kann, wenn man die von der Beleuchtungseinheit 1 projizierte Strukturgröße 18 der strukturierten Beleuchtung vom Projektor 25 auf dem Sensor der Kamera 2 (S_c) vermessen kann, was das Grundproblem der Abstandsmessung löst. $A_{C} = f (S_{c}) f \ddot{u} r δ \neq 0$
Im Falle der Projektion periodischer oder quasi-periodischer Muster, z.B. ein- oder zweidimensionale Sinusmuster oder Punktmuster, lässt sich die abgebildete Strukturgröße S_c beispielsweise einfach und effizient aus der diskreten Fouriertransformation (DFT) oder deren schnelle Implementierungen (FFT) über eine lokale Maximumsuche im Frequenzraum bestimmen. Über eine Wavelet-Transformation ist dies auch möglich.
Dazu sind in 5 die Zwischenschritte des vorgestellten Verfahrens aufgezeigt für die Projektion eines Sinusmusters auf die Hand 3 oder Teile davon (Finger einer Hand) mittels eines Projektors 25, der einen abweichenden Abstand 15 zur Objektebene 21 hat, verglichen mit der Kamera 2, die für die Aufnahme angewendet wird. Für einen nahezu gleichen Abstand zur Hand 3 (oder Teilen davon) für Kamera 2 und Beleuchtungseinheit (1) ergibt sich im Kamerabild ein konstanter Streifenabstand bzw. konstante räumliche Frequenz (Kreise), wohingegen für den Fall, dass der Projektor 25 nur den halben Abstand zur Hand 3 hat, ein deutlicher Verlauf des Streifenabstandes mit dem Abstand 16 der Kamera 2 zur Objektebene 21 zu verzeichnen ist.
In 6 sind die Zwischenschritte des hier vorgestellten Verfahrens aufgezeigt für projizierte nichtperiodische Muster (Speckles). Für einen nahezu gleichen Abstand zur Objektebene 21 für Kamera 2 und Beleuchtungseinheit 1 ergibt sich im Kamerabild eine konstante Strukturgrößenverteilung bzw. konstante räumliche Frequenzverteilung (Kreise), wohingegen für den Fall, dass die Beleuchtungseinheit 1 nur den halben Abstand 16 zur Hand 3 (oder Teile davon) hat, ein deutlicher Verlauf der Strukturgrößenverteilung mit dem Abstand 16 der Kamera 2 zur Hand 3 zu verzeichnen ist.
Wendet man das hier beschriebene Verfahren auf mehrere Teilbilder an, kann eine in der Auflösung reduzierte Tiefenkarte der aufgenommenen und beleuchteten Szene erzeugt werden, wodurch es möglich ist, die Rotation der Hand 3 zu bestimmen.
Für die Bestimmung der korrekten Handpositionierung 31 werden ein Abstand der Hand 3 (oder Teilen davon) sowie die Rotation (Verdrehung), bezogen auf den Schärfentiefenbereich 9, bestimmt. Für eine korrekte Handpositionierung 31, s. 16, müssen die zu messenden Teile der Hand 3 planar im Schärfentiefenbereich 9 liegen. Die Bildanalyse 34 beschreibt allgemein das Verfahren, um aus der Strukturgröße 18 der strukturierten Beleuchtung von der Beleuchtungseinheit 1, abgebildet auf dem Sensor der Kamera 2, die Position und Ausrichtung der Hand 3 bezüglich der Kamera 2 zu ermitteln, wobei zuvor spezielle Ausführungen für die Verfahren beispielhaft aufgezeigt wurden, s. 5 und 6.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird die Datenaufnahme von einer Recheneinheit 29 angefordert, was ein Trigger-Signal auf einem Datenbus auslöst. Dieses führt in der Vorrichtung 4 dazu, dass mindestens eine Beleuchtungseinheit 1 ein Streifenmuster projiziert und synchron von mindestens einer Kamera 2 ein Bild der Hand 3 oder Teile davon mit projiziertem Streifenmuster aufgenommen wird. Dieses wird über einen weiteren Datenbus an die Datenverarbeitungseinheit der Recheneinheit 29 weitergeleitet, in der die Abstandsbestimmung durch eine Maximumsuche im Frequenzraum des gesamten Bildes und die Rotationsbestimmung durch eine Analyse der Maxima im Frequenzraum von Rasterelementen des Bildes durchgeführt werden. Auf Basis der Analyseergebnisse erfolgt eine Korrekturbestimmung, welche über einen weiteren Datenbus dem Nutzer als Feedback auf einer Anzeigeeinheit 36 zur Verfügung gestellt wird. Anschließend startet eine weitere Aufnahme, bei akzeptabler Positionierung der Hand 3 im Tiefenmessbereich 24, welches dem Nutzer über die Anzeigeeinheit 36 mitgeteilt wird, kann entweder mit einer neuen Datenaufnahme über die Kamera 2 oder mit der Datenverarbeitung zu einem 3D-Bild oder zu einem Fingerabdruckbild fortgefahren werden.

1 zeigt eine Vorrichtung 4 zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand 3 oder Teilen davon, wobei die Vorrichtung 4 eine Beleuchtungseinheit 1 zum Beleuchten einer Hand 3 (oder Teile davon) mit strukturiertem Licht und mindestens eine Kamera 2 zum Erfassen von Licht, das von einer Hand 3 oder eines Teils einer Hand 3 in einer Objektebene 21 diffus reflektiert wird, umfasst, wobei im Wesentlichen eine nichtverschwindende Differenz 17 der Abstände 15, 16 von Beleuchtungseinheit 1 und Kamera 2 zur Objektebene 21 vorhanden ist und die Kamera 2 einen Schärfentiefenbereich 9 besitzt, der durch eine obere Grenze 8 des Schärfentiefenbereichs 9 und eine untere Grenze 10 des Schärfentiefenbereichs 9 beschränkt ist. Eine schnelle Messung der Handposition ist innerhalb des Tiefenmessbereiches 24 möglich, der durch den Überlagerungsbereich aus dem Sichtfeld 14 der Kamera 2 und dem Sichtfeld 13 der Beleuchtungseinheit 1 gegeben ist und der Teile des Schärfentiefenbereichs 9 der Kamera 2 beinhaltet.
2 zeigt bildlich die Definition eines Toleranzwinkels 7, welcher bei der herkömmlichen Fingerabdruckaufnahme auf einer Kontaktfläche 6 den Bereich der aufgenommenen Haut beschränkt und der auch bei der kontaktlosen Aufnahme entsprechend den (behördlichen) Anforderungen abgebildet werden muss.
3 zeigt die Bildschärfe im Sinne einer Modulationstransferfunktion (MTF) über der Emissionswellenlänge der Beleuchtungseinheit 1. Oberhalb von 640 nm wird das FBI-Kriterium an die Schärfe an keiner Stelle erreicht. Die Bildschärfe wurde berechnet für ein optisch abbildendes System mit einem Arbeitsabstand von 200 mm bei einer Blendenzahl von 2,5.
4 zeigt zusätzlich zu den in 1 dargestellten Größen den Zusammenhang auf zwischen einer Strukturgröße 19 auf dem Lichtmodulator der Beleuchtungseinheit 1, die in der Strukturgröße 20 in der Objektebene 21 abgebildet wird. Die Strukturgröße 18 der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera 2 ist dabei eine Funktion des Abstands 16 der Kamera 2 zur Objektebene 21, wenn die Differenz 17 der Abstände 15, 16 von Beleuchtungseinheit 1 und Kamera 2 zur Objektebene 21 nicht verschwindend ist.
5 zeigt ein Verfahrensbeispiel für die Darstellung des Zusammenhanges zwischen Abstand 16 der Kamera 2 zur Objektebene 21 und gemessener Strukturgröße 18 der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera 2 für ein periodisches Muster des strukturierten Lichts der Beleuchtungseinheit 1, was zur Berechnung des Abstandes 16 der Kamera 2 zur realen Objektebene 21 dient, in der die Positionierung der Hand 3 oder Teilen davon erfolgt ist.
6 verdeutlicht für ein nichtperiodisches Muster der Beleuchtungseinheit 1 ein weiteres Verfahrensbeispiel für die Darstellung des Zusammenhanges zwischen Abstand 16 der Kamera 2 zur Objektebene 21 und gemessener Strukturgröße 18 der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera 2.
7 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung 4 zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand 3 oder Teilen davon, wobei die Vorrichtung 4 einen Projektor 25 zum Beleuchten der Hand mit strukturiertem Licht sowie eine Kamera 2 zum Erfassen von Licht, das von der Hand 3 oder eines Teils davon diffus reflektiert wird, umfasst, wobei ein Projektor 25 als Beleuchtungseinheit 1 im Wesentlichen eine nichtverschwindende Differenz 17 der Abstände 15, 16 von Beleuchtungseinheit 1 und Kamera 2 zur Objektebene 21 aufweist, um die in 5 und 6 beschriebenen Verfahren zur Positionsbestimmung der Hand 3 (oder Teilen davon) anwenden zu können.
8 zeigt eine bevorzugte Ausführung vergleichbar mit 7, jedoch mit dem Unterschied, dass Kamera 2 und Beleuchtungseinheit 1 in einer Scheimpflug-Geometrie angeordnet sind. Dadurch ergeben sich die Vorteile, dass einerseits im Kamerabild keine durch die Beleuchtungseinheit 1 nicht ausgeleuchteten Bereiche auftreten können und andererseits der Schärfentiefenbereich 9 von Kamera 2 und Beleuchtungseinheit 1 parallel überlappend ausgerichtet sein können.
9 zeigt eine bevorzugte Ausführung aufbauend auf 8 mit dem Unterschied, dass die Strahlengänge der Kamera 2 und der Beleuchtungseinheit 1 über Umlenkspiegel 5 gefaltet sind, um eine kompaktere, raumsparende Bauweise der Vorrichtung 4 zu erreichen.
10 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung 4 zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand 3 oder Teilen davon, wobei die Vorrichtung 4 einen Projektor 25 zum Beleuchten der Hand 3 mit strukturiertem Licht und zwei Kameras 2 zum Erfassen von Licht, das von einer Hand 3 oder eines Teils davon diffus reflektiert wird, umfasst, wobei im Wesentlichen eine nichtverschwindende Differenz 17 der Abstände 15, 16 von Beleuchtungseinheit 1 und Kamera(s) 2 zur Objektebene 21 vorhanden ist. Durch diese Konfiguration einer zusätzlichen Kamera 2 ist es möglich, das räumliche Sichtfeld im Sinne eines höheren Toleranzwinkels 7 zu erweitern.
11 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Vorrichtung 4 zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand 3 oder Teilen davon, wobei die Vorrichtung 4 zwei Projektoren 25 zum Beleuchten der Hand 3 mit strukturiertem Licht sowie drei Kameras 2 zum Erfassen von Licht, das von einer Hand 3 oder eines Teils davon diffus reflektiert wird, umfasst, wobei im Wesentlichen eine nichtverschwindende Differenz 17 der Abstände 15, 16 von Beleuchtungseinheit(en) 1 und Kamera(s) 2 zur Objektebene 21 vorhanden ist.
12 zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Konfiguration, wobei die Datenaufnahme von der Recheneinheit 29 angefordert wird, was ein Trigger-Signal auf einem Datenbus auslöst, welcher in der Vorrichtung 4 dazu führt, dass ein Projektor 25 als spezielle Ausführung der Beleuchtungseinheit 1 ein Streifenmuster projiziert und synchron von einer Kamera 2 ein Bild von der zu messenden Hand 3 mit dem projizierten Streifenmuster aufgenommen wird. Das Bild wird über einen weiteren Datenbus an die Datenverarbeitung der Recheneinheit 29 weitergeleitet wird, in der die Höhenbestimmung und Rotationsbestimmung der Handpositionierung durchgeführt werden, auf Basis von deren Ergebnissen eine Korrekturbestimmung erfolgt, welche über einen weiteren Datenbus dem Nutzer ein Feedback auf einer Anzeigeeinheit 36 zur Verfügung stellt.
13 zeigt einen beispielhaften Ablaufplan für das Verfahren zur Positionserkennung, bei dem nach dem Starten des Verfahrens die Ansteuerung der Kamera 2 zu dem Erhalt von Bilddaten führt, wonach der Schritt Bilddaten versenden an Recheneinheit 29 eine Datenverarbeitung zur Erkennung der Handposition erfolgt, wobei bei unkorrekte Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Abstände 32 eine Korrektur der Position angefordert wird und dies über die Anzeigeeinheit 36 dem Nutzer signalisiert wird. Danach startet eine weitere Aufnahme; bei akzeptabler Handposition ist das Verfahren zur exakten Positionsbestimmung beendet und eine akzeptable Positionierung der Hand 3 im Schärfentiefenbereich 9 gewährleistet die fehlerfreie und hochauflösende Bildaufnahme der Papillarstruktur einer Hand 3 oder einzelnen Fingern davon.
14 zeigt einen beispielhaften Ablaufplan für das Verfahren zur Positionserkennung, bei dem nach dem Starten des Verfahrens die Ansteuerung der Kamera 2 zu dem Erhalt von Bilddaten führt, wonach der Schritt Bilddaten versenden an Recheneinheit 29 eine Datenverarbeitung zur Erkennung der Handposition erfolgt, wobei bei unkorrekte Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Abstände 32 eine Korrektur der Position angefordert wird und dies über die Anzeigeeinheit 36 dem Nutzer signalisiert wird. Anschließend startet eine weitere Aufnahme, bei akzeptabler Handposition wird die Rotation der Hand analysiert, wobei bei unkorrekte Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Rotation 33 eine Korrektur der Rotation angefordert wird und dies über die Anzeigeeinheit 36 dem Nutzer signalisiert wird. Danach startet eine weitere Aufnahme; bei akzeptabler Handrotation ist das Verfahren zur exakten Positionsbestimmung beendet und eine akzeptable Positionierung der Hand in der Schärfentiefenbereich 9 gewährleistet die fehlerfreie und hochauflösende Bildaufnahme der Papillarstruktur einer Hand 3 oder Teilen davon.
15 zeigt beispielhaft die Ausgestaltung der Vorrichtung zur Fingerabdruckaufnahme 4 mit einer an der Oberseite angebrachten Aussparung 30 für die korrekte Handpositionierung 31, die dem Nutzer zugewandt ist.
16 zeigt die korrekte Handpositionierung 31, bei der die Hand oder Teile derer korrekt zwischen oberer Grenze 8 des Schärfentiefenbereichs 9 und untere Grenze 10 des Schärfentiefenbereichs 9 liegen. Außerdem wird eine unkorrekte Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Abstände 32 der Hand oder Teile derer dargestellt. Außerdem wird eine unkorrekte Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Rotation 33 der Hand 3 dargestellt.
17 zeigt beispielhaft die Ausgestaltung der der Vorrichtung zur Fingerabdruckaufnahme 4 mit einer an der Oberseite angebrachten Aussparung 30 für die korrekte Handpositionierung 31, die dem Nutzer zugewandt ist inklusive eines Feedbackmoduls 35, welches als Anzeigeeinheit 36 (Display) ausgestaltet ist.

Bezugszeichenliste

1: Beleuchtungseinheit
2: Kamera
3: Hand (oder Teile davon)
4: Vorrichtung zur Fingerabdruckaufnahme
5: Umlenkspiegel
6: Kontaktfläche
7: Toleranzwinkel
8: obere Grenze des Schärfentiefenbereichs
9: Schärfentiefenbereich
10: untere Grenze des Schärfentiefenbereichs
11: optische Achse der Beleuchtungseinheit
12: optische Achse der Kamera
13: Sichtfeld der Beleuchtungseinheit
14: Sichtfeld der Kamera
15: Abstand der Beleuchtungseinheit zur Objektebene
16: Abstand der Kamera zur Objektebene
17: Differenz der Abstände von Kamera und Beleuchtungseinheit zur Objektebene
18: Strukturgröße der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera
19: Strukturgröße auf Lichtmodulator des Projektors
20: Strukturgröße der strukturierten Beleuchtung in der Objektebene
21: Objektebene
22: effektive Brennweite des Kameraobjektivs
23: effektive Brennweite der Beleuchtungseinheit
24: Tiefenmessbereich
25: Projektor
26: Arbeitsabstand der Kamera
27: mittlere Schärfentiefenebene
28: Abstand Beleuchtungseinheit zur mittleren Schärfentiefenebene
29: Recheneinheit
30: Aussparung
31: korrekte Handpositionierung
32: unkorrekte Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Abstände
33: unkorrekte Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Rotation
34: Bildanalyse
35: Feedbackmodul
36: Anzeigeeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10460145 B2 [0003]
US 8600123 B2 [0003]
KR 20190097706 A1 [0004]
DE 102019126419 A1 [0004]
US 8971588 B2 [0004]
US 8953854 B2 [0004]
WO 2018/073335 A1 [0004]
CN 104361315 B [0004]
US 9734381 B2 [0004]
US 8224064 B1 [0004]
US 9396382 B2 [0004]
US 8391590 B2 [0004]
US 10885297 B2 [0005]

Claims

Vorrichtung zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand (3) oder Teilen davon, umfassend: - eine im oberen Bereich der Vorrichtung zur Fingerabdruckaufnahme (4) vorhandene Aussparung (30), die einem Nutzer zur Groborientierung der korrekten Handpositionierung (31) dient, - eine Beleuchtungseinheit (1) zum Beleuchten der Hand oder Teile davon (3) mit strukturiertem Licht, eine Kamera (2) zum Erfassen von Licht der Beleuchtungseinheit (1), das von der Hand oder Teilen davon (3) in einer Objektebene (21) der Kamera (2) diffus reflektiert wird, wobei - eine nichtverschwindende Differenz der Abstände von Kamera und Beleuchtungseinheit zur Objektebene (17) vorhanden ist, um eine Position der Hand oder Teilen davon (3) in Bezug auf den Schärfentiefenbereich (9) der Kamera (2) mittels eines Verfahrens zur Strukturgrößenermittlung in einem von der Kamera (2) aufgenommenen Bild zu bestimmen, und - eine Recheneinheit (29) zur Positionsberechnung mittels Strukturgrößenermittlung und zur Berechnung des Fingerabdruckbildes.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Arbeitsabstand der Kamera (26) mindestens 50 mm und maximal 1500 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Abstand (28) der Beleuchtungseinheit (1) zur Schärfentiebereich (9) der Kamera (2) mindestens 50 mm und maximal 1400 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Strahlengänge der Beleuchtungseinheit (1) und der Kamera (2) entlang der optischen Achse (12) der Kamera (2) und der optischen Achse (11) der Beleuchtungseinheit (1) nicht-parallel ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Strahlengänge der Beleuchtungseinheit (1) und der Kamera (2) über Umlenkspiegel raumsparend gefaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beleuchtungseinheit (1) ein emittiertes Lichtspektrum aufweist, das im Bereich von 350 nm bis 1000 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beleuchtungseinheit (1) einen 2D-Intensitätsmodulator mit vorgelagertem Objektiv und mit einem DLP-, LCD- oder LCoS-System aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der 2D-Intensitätsmodulator der Beleuchtungseinheit (1) einen 2D-Intensitätsmodulator mit einem diffraktiven Element aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Beleuchtungseinheit (1) einen 2D-Intensitätsmodulator mit vorgelagertem Objektiv und mit einem starren, rotierenden oder translatorisch verschiebbaren Durchlichtbild aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zusätzlich ein Feedbackmodul (35) zur Ausgabe akustischer, haptischer oder visueller Signale oder Kombinationen davon vorhanden ist, mit dem einem Nutzer Informationen über die Aufnahme der Papillarstruktur von der Hand bei korrekter Handpositionierung (31) oder Korrekturvorschläge für die Beseitigung unkorrekter Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Abstände (32) oder unkorrekter Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Rotation (33) oder weitere Informationen zugänglich gemacht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Feedbackmodul (35) zur Erzeugung visueller Signale eine in der Vorrichtung zur Fingerabdruckaufnahme (4) integrierte Anzeigeeinheit (36) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Feedbackmodul (35) zur Erzeugung visueller Signale eine im oberen Bereich der Vorrichtung integrierte LED-Zeile ist.
Verfahren zum berührungslosen optischen Aufnehmen der Papillarstruktur einer Hand oder Teilen davon (3), bei der die Hand eines Nutzers in einem Tiefenmessbereich (24) der Vorrichtung zur Fingerabdruckaufnahme (4) positioniert wird, wobei der Nutzer durch eine Aussparung (30) des Gerätes diese Sollposition vorgegeben wird, enthaltend die Schritte: - Beleuchten der Hand oder Teilen davon (3) mit strukturiertem Licht einer Beleuchtungseinheit (1), wobei eine Differenz der Abstände von Kamera und Beleuchtungseinheit zur Objektebene (17) vorhanden ist, - Erfassen von strukturiertem Licht der Beleuchtungseinheit (1), das diffus von der Hand oder Teilen davon (3) reflektiert wird, mit der Kamera (2) als Bild eines Beleuchtungsmusters und Übermitteln des aufgenommenen Bildes an eine Recheneinheit (29), - Ermitteln der Strukturgröße der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera (18) in der Recheneinheit (29), - Berechnen der Position der Hand oder Teilen davon (3) in der Recheneinheit (29) mittels Bildanalyse (34) aus Strukturgröße der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera (18) bezüglich bekannter Strukturgröße auf dem Lichtmodulator (19), - Berechnen von Fingerabdruckbildern der Hand oder Teilen davon (3), falls sich deren Position vollständig im Schärfentiefenbereich (9) befindet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei - die Bestimmung der Strukturgröße der strukturierten Beleuchtung auf dem Sensor der Kamera (18) mittels Bildanalyse (34) im Frequenzraum stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei - die Bestimmung der korrekten Handpositionierung (31) mittels Bildanalyse (34) im Sinne fehlerhafter Abstände oder fehlerhafter Rotation der Hand (3) bezüglich der Kamera (2) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei - bei unkorrekte Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Abstände (32) oder unkorrekte Handpositionierung im Sinne fehlerhafter Rotation (33) über ein Feedbackmodul (35) Korrekturanweisungen ausgegeben werden.