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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lebenderkennung
eines Körperteils
bei einem biometrischen Identifizierungs-Verfahren zur Feststellung
der Identität
einer Person durch Überprüfen eines
individuellen Körpermerkmals,
beispielsweise eines Fingerabdrucks.
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Das
Feststellen einer Identität
einer Person ist auf vielfältige
Weise möglich.
Bei biometrischen Identifikationsverfahren werden körperliche
Merkmale, die im wesentlichen einzigartig sind, detektiert und anschließend mit
in einer Datenbank oder ähnlichem gespeichertem
Identifikationsmerkmalen verglichen, um die Identität der Person
festzustellen. Ein mögliches
Verfahren stellt das Abtasten des Fingerabdruckmusters einer Person
dar, wobei durch ein geeignetes Mustererkennungsverfahren und durch
ein Vergleichen mit in einer Datenbank gespeicherten Fingerabdruckmustern
das abgetastete Fingerabdruckmuster eindeutig einer bestimmten Person
zugeordnet werden kann, da Fingerabdrücke einzigartig sind. Auf diese
Weise kann die Identität
der Person festgestellt werden.
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Ein
solches biometrisches Identifikationsverfahren kann jedoch getäuscht werden,
indem beispielsweise eine Kopie des Fingerabdruckmusters auf z.B.
eine optische Abtastvorrichtung gelegt wird, um eine andere Identität vorzutäuschen.
Dies kann beispielsweise auch mit Hilfe einer dreidimensionalen
Fingerattrappe mit einem nachgebildeten Fingerabdruck aus Plastik
oder Gummi, einem Fingerabdruck von einem Finger einer toten Person
oder einem Fingerabdruck von einem abgetrennten Finger einer lebenden
Person vorgenommen werden kann.
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Aus
EP 1052592 ist ein Verfahren
zur Lebenderkennung bei Fingerabdrücken bekannt. Um herauszufinden,
ob der zu überprüfende Fingerabdruck sich
an einem lebenden Finger befindet, wird ein mechanischer und/oder
elektrischer Reiz auf den Finger ausgeübt, wobei eine Reaktion des
Fingers detektiert und ausgewertet wird. In diesem Fall kann mit
Hilfe des mechanischen und/oder elektrischen Reizes mit einer bestimmten
Wahrscheinlichkeit herausgefunden werden, dass sich der Fingerabdruck
auf einem lebenden Finger befindet. Ein Nachteil besteht darin, dass
bei Kenntnis der zu erwartenden Reaktion diese Reaktion auch mit
einer Fingerattrappe simuliert werden kann.
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Aus
der Druckschrift
DE 100 65 137 ist
ein Verfahren zu Lebenderkennung bei der Identifizierung von Personen
mittels Fingerabdrucks bekannt. Zur Lebenderkennung wird die Impedanz
bzw. der Widerstand der menschlichen Haut bewertet und der gemessene
Widerstand mit den bezüglich
der zu identifizierenden Person gespeicherten Widerstände verglichen
und somit festgestellt, ob sich der Fingerabdruck auf einem Finger
der zu identifizierenden Person befindet. Ein solcher Hautwiderstand
kann jedoch auf einfache Weise auf einer Fingerattrappe nachgebildet
werden, so dass ein zuverlässiger Schutz
vor Fälschung
nicht gegeben ist.
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Aus
der Druckschrift WO 01/24700 A1 sind weitere Möglichkeiten der Lebend-Erkennung
bei einem Verfahren zum Feststellen der Identität einer Person mittels Fingerabdrucks
bekannt. Hier werden unter anderem der Blutdruck, die Schweißabsonderung
und die Temperatur des Fingers als Möglichkeiten vorgeschlagen,
einen lebenden Finger von einem nicht lebenden Finger zu unterscheiden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Identifikationsvorrichtung
zum Feststellen der Identität
einer Person durch Identifizieren eines Körperteilabdrucks der Person
zur Verfügung
zu stellen, bei dem zuverlässiger
festgestellt werden kann, dass sich der Körperteilabdruck auf einem Körperteil
einer lebenden Person befindet. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Feststellen der Identität einer
Person durch Identifizieren des Körperteilabdrucks der Person
zur Verfügung
zu stellen, bei dem zuverlässiger
festgestellt werden kann, dass der Körperteil zu einer lebenden
Person gehört.
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Diese
Aufgabe wird durch die Identifikationsvorrichtung nach Anspruch
1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 15 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Identifizierungs-Vorrichtung zur
Feststellung der Identität
einer Person durch Identifizieren eines Körpermerkmals der Person vorgesehen.
Die Identifizierungs-Vorrichtung weist eine optische Abtastvorrichtung
zum Abtasten eines Körpermerkmals
von einem Körperteil
der Person auf. Die Identifizierungs-Vorrichtung weist weiterhin eine oder
mehrere Sensoreinheiten zum Erkennen mindestens eines Lebend-Merkmals
des Körperteils
auf. Die eine oder mehreren Sensoreinheiten generieren jeweils ein
Lebt-Signal, das angibt, ob der Körperteil zu einer lebenden
Person gehört
oder nicht. Die Identität
der Person ist abhängig
von den generierten Lebt-Signalen der einen oder mehreren Sensoreinheiten
und abhängig
von der Identität
des Körpermerkmals
feststellbar. Jede der Sensoreinheiten weist eine Temperaturstrahlungsmesseinheit
zur Messung der Temperatur des Körperteils,
eine Absorptionsmesseinheit zur Messung des Absorptionsgrads der
Oberfläche
des Körperteils,
eine Druckmesseinheit zur Messung einer Druckänderung gemäß des Herzschlags der Person
oder eine Blutsauerstoffmesseinheit zur Messung des Sauerstoffsättigung
des Bluts im Körperteil
der Person auf. Vorzugsweise weist die Identifizierungs-Vorrichtung mehrere
der Sensoreinheiten mit verschiedenen Messeinheiten auf, so dass über die
Kombination der verschiedenen Messeinheiten eine höhere Zuverlässigkeit
der Lebenderkennung erreicht werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Identifizierungs-Vorrichtung
hat den Vorteil, dass die Identifizierung einer Person mit Hilfe
einer biometrischen Körpermerkmalmustererkennung
durch eine Lebend-Erkennung ergänzt
wird. Bei der Lebend-Erkennung wird festgestellt, ob der Körperteil
zu einer lebenden Person gehört
oder nicht. Dazu weist die Identifizierungs-Vorrichtung eine oder
mehrere Sensoreinheiten auf, die jeweils ein eigenes Lebt-Signal
generieren. Die Sensoreinheiten können auf mehrere Weisen ausgestaltet
sein. Die Sensoreinheiten weisen Messeinheiten auf, mit denen Körpereigenschaften
der Person vermessen werden, die charakteristisch für eine lebende Person
sind. Dazu gehören
beispielsweise die Temperatur bzw. die Temperaturstrahlungsverteilung
des Körperteils,
der Absorptionsgrad der Hautoberfläche des Körperteils, die Druckänderung
zwischen einer Körperteiloberfläche und
einer Auflagefläche,
um die Frequenz des Herzschlags der Person und den Verlauf der Druckänderung
festzustellen, sowie die Sauerstoffsättigung des Blutes im Körperteil
der Person. Diese Eigenschaften des lebenden Körpers sind schwer zu imitieren.
Werden diese Eigenschaften bei der Identifizierung einer Person überprüft, kann
somit die Zuverlässigkeit
bei der Feststellung der Identität der
zu identifizierenden Person erhöht
werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Identifizierungs-Vorrichtung, die vier Sensoreinheiten
mit einer Temperatur-Strahlungsmesseinheit, einer Absorptionsmesseinheit,
einer Druckmesseinheit und einer Blutsauerstoffmesseinheit aufweist.
Damit kann die Zuverlässigkeit
bei der Feststellung der Identität
der Person maximiert werden, da eine Nachbildung dieser Eigenschaften
an beispielsweise einer Körperteilattrappe
sehr aufwendig ist.
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Zur
Messung der Temperatur des Körperteils bzw.
zur Messung der Temperaturstrahlungsverteilung kann die Temperaturstrahlungsmesseinheit
einen ersten Strahlungssensor zur Messung einer ersten Strahlungsleistung
in einem ersten Wellenlängenbereich
und einen zweiten Strahlungssensor zur Messung einer zweiten Strahlungsleistung
in einem zweiten Wellenlängenbereich
aufweisen. Die der Temperaturstrahlungsmesseinheit zugeordnete Sensoreinheit
generiert das Lebt-Signal abhängig
von der ersten und der zweiten Strahlungsleistung.
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Die
Größe der Temperaturstrahlung
eines Körperteils
einer lebenden Person ist in charakteristischer Weise von der Wellenlänge der
Temperaturstrahlung abhängig,
wobei die Charakteristik qualitativ nur wenig von der wirklichen
Körpertemperatur
abhängt.
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Durch
die Messung der Temperaturstrahlung in zwei Wellenlängenbereichen
kann die Strahlungsleistung bei einer bestimmten Körperteiltemperatur
in einem Wellenlängenbereich
der maximalen Strahlungsleistung und in einem Referenzwellenlängenbereich
gemessen werden. Die Strahlungsleistungen in dem ersten und dem
zweiten Wellenlängenbereich liegen
im wesentlichen bei realistischen Körpertemperaturen des Körperteils
in einem vorbestimmten Wertebereich. Auf diese Weise kann zum einen
die absolute Temperatur des Körperteils
anhand der Strahlungsleistung in dem Wellenlängenbereich der maximalen Strahlungsleistung
gemessen werden, als auch festgestellt werden, ob die Strahlungsleistungen
der Temperaturstrahlung in dem ersten und in dem zweiten Wellenlängenbereich
von der Hautoberfläche
eines Körperteils
stammen können.
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Insbesondere
liegt der erste Wellenlängenbereich
zwischen 3,2 μm
und 4,2 μm
und der zweite Wellenlängenbereich
zwischen 8 μm
und 14 μm,
vorzugsweise jedoch zwischen 8 μm
und 11 μm.
Die Körpertemperatur
von 37°C
ruft bei 8,8 μm
ein Emissionsmaximum hervor, welches sich bei geringerer Umgebungstemperatur
in Richtung zu größeren Wellenlängen verschiebt.
Im ersten Wellenlängenbereich,
der vorzugsweise zwischen 3,5 μm
und 4,2 μm liegt,
liegt nur eine geringe Strahlungsemission vor, so dass dieser Bereich
als Referenzwellenlängenbereich
dient.
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Vorzugsweise
wird das Verhältnis
der ersten und zweiten Strahlungsleistung durch die betreffende Sensoreinheit
ermittelt. Die betreffende Sensoreinheit generiert das Lebt-Signal
abhängig
von dem Verhältnis
der ersten und der zweiten Strahlungsleistung. Das Verhältnis der
Strahlungsleistungen des ersten und des zweiten Wellenlängenbereichs
liegt im Wesentlichen bei realistischen Körpertemperaturen des Körperteils
in einem bestimmten Wertebereich. Wird eine Körperteilattrappe verwendet,
um die Identifizierungs-Vorrichtung zu täuschen, so ist das Abstrahlungsverhalten
der Temperaturstrahlung im Vergleich zur Hautoberfläche eines
lebenden Körperteils
unterschiedlich, so dass das Verhältnis zwischen der ersten und
der zweiten Strahlungsleistung von dem Verhältnis der ersten und zweiten
Strahlungsleistung bei einem lebenden Körperteil verschieden ist. Auf
diese Weise kann über
die Temperaturmessung mit Hilfe einer Temperaturstrahlungsmesseinheit
erkannt werden, ob es sich bei dem in die Identifizierungs-Vorrichtung
eingelegten Körperteil
um einen Körperteil
einer lebenden Person handelt.
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Die
Sensoreinheit bzw. eine der Sensoreinheiten der Identifizierungs-Vorrichtung
kann eine Absorptionsmesseinheit zur Messung des Absorptionsgrads
der Oberfläche
des Körperteils
aufweisen. Die Absorptionsmesseinheit umfasst eine Strahlungsquelle
und einen Strahlungsdetektor. Die Strahlungsquelle emittiert eine
Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge, die am Körperteil
reflektiert wird. Die reflektierte Strahlung wird von dem Strahlungsdetektor empfangen. Über das
Verhältnis
der abgestrahlten Strahlungsleistung zur empfangenen Strahlungsleistung
misst die Absorptionsmesseinheit den Absorptionsgrad der Oberfläche des
Körperteils
bei der bestimmten Wellenlänge.
Die entsprechende Sensoreinheit der Absorptionsmesseinheit generiert
das Lebt-Signal abhängig
von dem gemessenen Absorptionsgrad. Die menschliche Haut verhält sich
näherungsweise
wie ein schwarzer Körper.
Diese Eigenschaft unterscheidet die menschliche Haut von vielen anderen
Materialien. Abhängig
von dem ge messenen Absorptionsgrad, insbesondere durch Vergleichen
mit dem entsprechenden Absorptionsgrad eines schwarzen Körpers bei
Bestrahlung mit Licht gleicher Wellenlänge, kann also das Lebt-Signal
generiert werden.
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Vorzugsweise
ist die Sensoreinheit der Absorptionsmesseinheit so gestaltet, um
durch das Lebt-Signal anzuzeigen, dass der Körperteil zu einer lebenden
Person gehört,
wenn der Absorptionsgrad oberhalb eines bestimmten Soll-Absorptionsgrads liegt.
Dieser Soll-Absorptionsgrad
unterschreitet den Absorptionsgrad eines idealen schwarzen Körpers um
einen vorbestimmten Toleranzwert um nicht mehr als 20%, bevorzugt
5% und insbesondere um nicht mehr als 2%.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Strahlungsquelle der Absorptionsmesseinheit
geeignet ist, Strahlung in mehreren Wellenlängen zu emittieren, wobei der
Strahlungsdetektor so gestaltet ist, um nacheinander die Absorptionsgrade
bei den mehreren Wellenlängen
zu messen. Die Sensoreinheit der Absorptionsmesseinheit generiert
das Lebt-Signal abhängig
von den Absorptionsgraden bei den mehreren Wellenlängen. Auf
diese Weise kann sichergestellt sein, dass das Absorptionsverhalten
des eingelegten Körperteils
bei den mehreren Wellenlängen und
nicht nur bei einer bestimmten Wellenlänge näherungsweise dem Absorptionsverhalten
eines schwarzen Körpers
entspricht.
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Die
Sensoreinheit bzw. eine der Sensoreinheiten kann eine Druckmesseinheit
aufweisen, die so gestaltet ist, um bei dem Körperteil einen Auflagedruck
zu messen. Die Sensoreinheit der Druckmesseinheit generiert das
Lebt-Signal abhängig
von der Frequenz des Auflagedrucks und/oder der Form des zeitlichen
Verlaufs des Auflagedrucks. Die Druckmesseinheit dient dazu, den
Puls der zu identifizierenden Person zu detektieren. Da nur Körperteil
von lebenden Personen einen Pulsschlag aufweisen, kann somit festgestellt
werden, ob der Körperteil
zu einer lebenden Person gehört
oder nicht.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit der Druckmesseinheit
das Lebt-Signal
generiert, das anzeigt, dass der Körperteil zu einer lebenden
Person gehört,
wenn die Frequenz der Druckänderung
zwischen 0,5 Hz und 20 Hz, bevorzugt 0,5 Hz und 4 Hz liegt. Dies
stellt die Bereiche von möglichen
Pulsfregzenzen dar.
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Weiterhin
kann die Sensoreinheit der Druckmesseinheit ein Lebt-Signal generieren,
das anzeigt, dass der Körperteil
zu einer lebenden Person gehört, wenn
der periodische Verlauf des Druckes ein doppeltes Maximum in jeder
Periode aufweist. Der periodische Verlauf des Druckes bei der Messung
des Pulses einer lebenden Person weist neben einem ersten Maximum
ein Nebenmaximum auf, so dass anhand der Doppelspitze des Verlaufes
des Druckes erkannt werden kann, dass es sich um den Körperteil
einer lebenden Person handelt.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit der Druckmesseinheit
Frequenzanteile der gemessenen Druckänderung gemäß einer Fourier-Analyse ermittelt
und die Frequenzanteile in einem bestimmten Frequenzbereich mit
entsprechenden Soll-Frequenzanteilen
vergleicht, um abhängig
von dem Ergebnis des Vergleichens das Lebt-Signal zu generieren.
Auf diese Weise kann das charakteristische Frequenzspektrum des
Verlaufs des Auflagedrucks bei einem gemessenem Puls mit den ermittelten
Frequenzanteilen im gesamten Frequenzspektrum oder in charakteristischen
Frequenzbereichen verglichen werden und somit festgestellt werden,
ob es sich bei dem gemessenen Druckverlauf um einen für einen
Puls typischen Verlauf des Auflagedrucks handelt.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinheit bzw. eine der Sensoreinheiten
eine Blutsauerstoffmesseinheit mit einer oder mehreren Lichtquellen
aufweist, um Licht einer ersten Wellenlänge und einer zweiten Wellenlänge zu emittieren. Die
Lichtquellen sind so gegenüber
einem Photodetektor angeordnet, dass ein Körperteil zwischen Lichtquellen
und dem Photodetektor angeordnet ist. Nacheinander wird zunächst der
Absorptionsgrad des Lichtes der ersten Wellenlänge im Gewebe des Körperteils
und dann der Absorptionsgrad des Lichtes der zweiten Wellenlänge im Gewebe
des Körperteils
gemessen, wobei die Sensoreinheit der Blutsauerstoffmesseinheit
abhängig
von den gemessenen Absorptionsgraden des Lichts der ersten und der zweiten
Wellenlängen
das Lebt-Signal generiert. Da das arterielle, sauerstoffbeladene
Blut einen von der Wellenlänge
abhängigen
Absorptionskoeffizienten aufweist, kann über den bei den zwei verschiedenen Wellenlängen gemessenen
Absorptionsgrad herausgefunden werden, ob es sich um eine Körperteilattrappe
oder einen Körperteil
einer lebenden Person handelt. Anhand der gemäß dem Puls pulsierenden Signalkomponenten
kann der Anteil von arteriellem Blut in dem Gewebe des Körperteils
bestimmt werden. Insbesondere beträgt die erste Wellenlänge 660 nm
bzw. die zweite Wellenlänge
940 nm.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Feststellen der Identität
einer Person durch Identifizieren eines Körpermerkmals der Person vorgesehen.
Dazu wird ein Körpermerkmal
von einem Körperteil
der Person aufgenommen und mit einem vorgegebenen Körpermerkmal
verglichen, um eine Identität
der Person festzustellen. Mindestens ein Lebend-Merkmal des Körperteils
wird detektiert und ein entsprechendes Lebt-Signal generiert, das
angibt, ob der Körperteil
zu einer lebenden Person gehört
oder nicht. Die Identität der
Person wird abhängig
von den generierten Lebt-Signalen der einen oder mehreren Sensoreinheiten
und abhängig
von dem Ergebnis des Vergleichs des Körpermerkmalsfestgestellt. Das
Lebt-Signal wird als Ergebnis eines Messens der Temperaturstrahlung
des Körperteils,
eines Messens des Absorptionsgrades der Hautoberfläche des
Körperteils, eines
Messens der Pulsfrequenz gemäß des Herzschlags
der Person und/oder die Form des Verlaufs des Pulses oder eines
Messens der Sauerstoffsättigung
des Blutes im Körperteil
der Person generiert.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass neben der Körpermerkmalserkennung zur Feststellung
der Identität
der Person mindestens ein weiteres Messverfahren verwendet wird,
mit dem eine Eigenschaft eines Körperteils
bei einer lebenden Person überprüft wird.
Dadurch kann dann festgestellt werden, dass es sich bei dem überprüften Körperteil
um einen lebenden Körperteil
und nicht um eine Körperteilattrappe
bzw. einen abgetrennten Körperteil
handelt. Dadurch kann Missbrauch verhindert werden, indem die Identität der Person
nicht festgestellt wird, wenn nicht erkannt wird, dass es sich um einen
lebenden Körperteil
handelt, selbst wenn das abgetastete Körperteilabdrucksmuster ein
identifizierbares Körperteilabdrucksmuster
ist.
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Vorzugsweise
wird zum Messen der Temperaturstrahlung des Körperteils eine erste Strahlungsleistung
in einem ersten Wellenlängenbereich
und eine zweite Strahlungsleistung in einem zweiten Wellenlängenbereich
gemessen. Das Lebt-Signal wird abhängig von der ersten und der
zweiten Strahlungsleistung generiert. Das Messen der Strahlungsleistungen
bei zwei Wellenlängenbereichen
hat den Vorteil, dass sich die Temperaturstrahlung entsprechend der
charakteristischen Temperaturstrahlung von menschlicher Haut verhält. Vorzugsweise
wird der erste Wellenlängenbereich
und der zweite Wellenlängenbereich
so gewählt,
dass in einem der Wellenlängenbereiche
die Strahlungsleistung ein Maximum annimmt und in dem anderen Wellenlängenbereich
die Strahlungsleistung einen deutlich geringeren Wert annimmt.
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Der
Absorptionsgrad der Oberfläche
des Körperteils
kann gemessen werden, indem eine bestimmte Wellenlänge in Richtung
der Hautoberfläche emittiert
wird und die entsprechend am Körperteil
reflektierte Strahlung der bestimmten Wellenlänge empfangen wird. Der Absorptionsgrad
wird aus der emittierten Strahlungsleistung und der empfangenen Strahlungsleitung
ermittelt, wobei das Lebt-Signal abhängig von dem gemessenen Absorptionsgrad
generiert wird.
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Vorzugsweise
werden nacheinander die Absorptionsgrade bei mehreren Wellenlängen gemessen,
wobei das Lebt-Signal abhängig
von den Absorptionsgraden bei den mehreren Wellenlängen generiert
wird.
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Zum
Messen der Pulsfrequenz und/oder zum Messen des Verlaufs des Pulses
wird eine Druckänderung
zwischen einer Auflagefläche
und der Oberfläche
des eingelegten Körperteils
gemessen. Das Lebt-Signal wird abhängig von der Frequenz und/oder
dem Verlauf der Druckänderung
generiert. Insbesondere wird das Lebt-Signal generiert, das anzeigt,
dass der eingelegte Körperteil
zu einer lebenden Person gehört,
wenn der Verlauf der Druckänderung
ein zweifaches Maximum aufweist. Ein zweifaches Maximum eines Pulssignals
ist charakteristisch für
den Herzschlag einer Person, so dass darüber festgestellt werden kann,
dass der Körperteil
zu einer lebenden Person gehört.
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Vorzugsweise
werden die Frequenzanteile der gemessenen Druckänderung gemäß einer Fourier-Analyse ermittelt
und die Frequenzanteile in einem oder in mehreren Frequenzbereichen
mit entsprechenden Soll-Frequenzanteilen verglichen, um abhängig von
dem Ergebnis des Vergleichens das Lebt-Signal zu generieren. Auf
diese Weise können für ein Pulssignal
charakteristische Frequenzbereiche überprüft werden.
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Zum
Messen der Sauerstoffsättigung
des Blutes im Körperteil
der Person wird die erste Absorption von Licht einer ersten Wellenlänge im Gewebe
des Körperteils
und die zweite Absorption von Licht einer zweiten Wellenlänge im Gewebe
des Körperteils
gemessen und abhängig
von der gemessenen ersten Absorption und zweiten Absorption das Lebt-Signal
generiert.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung
weiter erläutert.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Identifikations-Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ein Diagramm zur Darstellung
der abgestrahlten Temperaturstrahlungsleistung eines Fingers abhängig von
der Wellenlänge
der Temperaturstrahlung;
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3 ein Diagramm zur Darstellung
des Verlaufs des Pulses; und
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4 ein Diagramm zur Darstellung
des Absorptionsspektrums von Oxy-Hämoglobin und Desoxy-Hämoglobin.
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In 1 ist ein Identifikations-Vorrichtung 1 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Die Identifikations-Vorrichtung 1 weist
ein Gehäuse 2 mit
einer Öffnung 3 auf,
durch die ein Finger 4 in das Gehäuse 2 eingeführt werden kann,
um das Fingerabdrucksmuster des Fingers 4 zu detektieren.
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Das
Fingerabdrucksmuster kann beispielsweise mit einem optischen Abtastsystem 5 erfasst werden.
Optische Abtastsysteme sind aus dem Stand der Technik hinreichend
bekannt. Üblicherweise
weist ein optisches Abtastsystem eine Musteraufnahmeeinheit in Form
z.B. eines CCD-Chips o.ä.
auf. Das aufgenommene Fingerabdruckmuster wird häufig zum Reduzieren der zu übertragenden
Datenmenge komprimiert. Das optische Abtastsystem 5 ist mit
einer Auswerteeinheit 6 verbunden, die das Fingerabdrucksmuster 5 repräsentierenden
Daten empfängt
und mit gespeicherten Fingerabdrucksmustern vergleicht, denen jeweils
Identitäten
zugeordnet sind.
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Um
die Identifikationsvorrichtung nicht durch eine Fingerattrappe o.ä. täuschen zu
können,
die ein kopiertes Fingerabdruckmuster aufweist, sind weitere Vorrichtungen
innerhalb de Gehäuses
vorgesehen, die zur Lebend-Erkennung des Fingers 4 dienen.
Damit wird festgestellt, ob es sich bei dem eingeführten Finger 4 um
einen Finger einer lebenden Person handelt.
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Als
erste Einrichtung zum Feststellen, ob es sich um einen Finger einer
lebenden Person handelt, ist eine Temperaturdetektoreinheit vorgesehen,
die eine in dem Gehäuse 2 angeordnete
Temperaturstrahlungsmesseinheit aufweist, um die Temperaturstrahlung,
die von dem Finger 4 ausgeht, zu empfangen. Die Strahlungsmesseinheit 7 weist
vorzugsweise einen thermoelektrischen Detektor, z.B. eine Thermosäule auf.
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In 2 ist die Strahlungsleistung
der Temperaturstrahlung, die von der Hautoberfläche des eingeführten Fingers 4 abgegeben
wird, in einem Wellenlängenbereich
zwischen 2 μm
und 30 μm
aufgetragen. Die Kurve K1 zeigt die Strahlungsleistung bei einer
Fingertemperatur von 37°C
und die Kurve K2 die Strahlungsleistung bei einer Fingertemperatur von
30°C. Man
erkennt, dass die Maxima der Strahlungsleistungen bei möglichen
Fingertemperaturen in dem schraffierten Bereich B zwischen 8 μm und 11 μm liegen,
während
die Strahlungsleistung außerhalb
des Bereichs B stark abnimmt, je weiter man sich von den Wellenlängen des
Bereichs B entfernt. Die Strahlungsmesseinheit 7 der Strahlungsdetektoreinheit 20 ist
mit einer Temperaturstrahlungsanalyseeinheit 8 verbunden,
die von der Strahlungsmesseinheit 7 empfangene Strahlungsleistung
im Wellenlängenbereich
B erhält
und mit einer ebenfalls in der Strahlungsmesseinheit 7 gemessenen
Strahlungsleistung in einem Referenzwellenlängenbereich A zwischen 3,5 μm und 4,2 μm in Beziehung
setzt.
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Die
Temperaturstrahlungsanalyseeinheit 8 vergleicht das Verhältnis der
Strahlungsleistung im Wellenlängenbereich
B mit der Strahlungsleistung im Referenzbereich A mit in der Analyseeinheit 8 gespeicherten
Referenzwerten für
Haut übliche
Verhältnisse
von Strahlungsleistungen und führt
somit eine Plausibilitätsprüfung der
ermittelten Fingertemperatur durch. Liegt das gemessene Verhältnis der
Strahlungsleistungen innerhalb eines Sollwertbereichs, so wird an
die Auswerteeinheit 6 ein Finger-Lebt-Signal ausgegeben,
das anzeigt, dass sich ein Finger einer lebenden Person in dem Gehäuse 2 befindet.
Liegt das gemessene Verhältnis
der Strahlungsleistungen außerhalb
des Sollwertbereichs, so wird ein Finger-Lebt-Signal ausgegeben,
das anzeigt, dass nicht festgestellt werden konnte, dass der Finger
zu einer lebenden Person gehört.
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In
dem Gehäuse 2 ist
weiterhin eine Druckmesseinheit 9 eingebracht, die Teil
einer Drucksensoreinheit 21 ist. Der Drucksensor 9 weist
eine Auflagefläche 22 auf,
auf die der Finger 4 nach dem Einführen in das Gehäuse 2 durch
die Öffnung 3 aufgelegt
werden soll. Die Druckmesseinheit 9 erfasst den Auflagedruck
sowie die Druckänderung,
die sich aus dem Pulsschlag des sich in dem Finger befindlichen Blutes
ergibt. Vorzugsweise weist die Druckmesseinheit einen piezoresistiven
Druckwandler auf, jedoch können
auch andere Messwandler für
die Druckmessung eingesetzt sein.
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Der
Pulsschlag führt,
wie in 3 dargestellt,
zu einem Druckverlauf, der ein doppeltes Maximum und ein einfaches
Minimum aufweist. Die Druckänderung
ist periodisch, woraus die Pulsfrequenz bestimmt werden kann. Der
ermittelte Druckverlauf ist im wesentlichen unabhängig von
dem Auflagedruck des Fingers 4 auf der Druckmesseinheit 9. Die
gemessene Druckänderung
wird an eine Druckanalyseeinheit 10 z.B. in Form eines
niederfrequenten Spannungssignals übertragen, wobei das erfasste Drucksignal
z.B. tiefpassgefiltert werden kann.
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Stellt
die weitere Druckanalyseeinheit 10 fest, dass die Grundfrequenz
der periodischen Druckschwankung innerhalb eines für einen
Pulsschlag üblichen
Frequenzbereichs, nämlich
zwischen 0,5 Hz und 4 Hz, liegt, so kann festgestellt werden, dass
es sich um einen Finger einer lebenden Person handelt. Die Zuverlässigkeit
der Lebend-Erkennung kann dadurch erhöht werden, dass mit Hilfe einer
Fourier-Analyse festgestellt werden kann, dass das gemessenen Pulssignal
den charakteristischen Verlauf mit zwei Maxima und einem Minima
wie in 3 dargestellt,
aufweist.
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Der
charakteristische periodische Verlauf des Pulses weist ein doppeltes
Maximum auf, von dem das jeweils erste Maximum eine höhere Amplitude
hat als das zweite Maximum. Der Verlauf des Pulses weist darüber hinaus
nur ein Minimum auf. Um das Vorliegen eines solchen Kurvenverlaufs
festzustellen, kann vorzugsweise in der Druckanalyseeinheit 10 eine
Fourier-Analyse
des gemessenen Drucks durchgeführt
werden, wobei die Frequenzanteile der für den charakteristischen Kurvenverlauf prägenden Frequenzbereiche
mit entsprechenden Sollwerten verglichen werden. Bei Übereinstimmung wird
festgestellt, ob es sich bei dem gemessenen Druck um einen Puls
einer lebenden Person oder um ein auf andere Weise erzeugtes periodisches
Drucksignal handelt.
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Entsprechend
dem Ergebnis der Druckmessung wird ein Finger-Lebt-Signal, das anzeigt,
dass es sich um einen Finger einer lebenden Person handelt, generiert,
wenn die Pulsfrequenz innerhalb des für einen Pulsschlag üblichen
Frequenzbereichs liegt. Da sich eine einfache Frequenz zwischen
0,5 Hz und 4 Hz einfach simulieren lässt, kann die Zuverlässigkeit
der Lebend-Erkennung mit Hilfe der Fourier-Analyse weiter erhöht werden.
In diesem Fall wird das entsprechende Finger-Lebt-Signal erst dann erzeugt,
wenn auch das Ergebnis der Fourier-Analyse bzw. die Vergleiche der Frequenzanteile
in den ausgewählten
Frequenzbereichen zu einer Übereinstimmung
führt.
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Es
ist eine Strahlungssensoreinheit 11 vorgesehen, die eine
Strahlungsquelle 12 und einen Strahlungsdetektor 13 umfasst.
Die Strahlungsquelle 12 und der Strahlungsdetektor 13 sind
in dem Gehäuse 2 angeordnet,
so dass eine von der Strahlungsquelle 12 emittierte Strahlung
in Richtung des in das Gehäuse 2 eingeführten Fingers 4 so
abgestrahlt wird, dass ein reflektierter Anteil der emittierten Strahlung
durch den Strahlungsdetektor 13 empfangen werden kann.
Eine solche Vorrichtung ist geeignet, den Absorptionsgrad der Hautoberfläche des Fingers 4 zu
messen. Da sich die menschliche Haut näherungsweise wie ein schwarzer
Körper
verhält, lässt sich
aus Abweichungen des gemessenen Strahlungsverhaltens von dem Absorptionsverhalten eines
schwarzen Körpers
feststellen, ob ein lebender Finger in das Gehäuse 2 eingeführt ist.
Die Abweichung des Absorptionsgrades der Haut von dem Absorptionsgrad
eines schwarzen Körpers
beträgt
bei keiner Wellenlänge
mehr als 2%.
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Der
Finger 4 wird von der Strahlungsquelle 12 bestrahlt,
der Strahlungsdetektor 13 weist zwei pyroelektrische Detektoren
mit Interferenzfiltern auf, die bei zwei Wellenlängen den Absorptionsgrad des Fingers überprüfen. Stimmt
der Absorptionsgrad des Fingers 4 mit einer maximalen Abweichung
von 5% mit dem durch das Planck'sche
Gesetz vorgegebenen Absorptionsgrad für einen schwarzen Körper überein,
dann wird ein Finger-Lebt-Signal generiert, das anzeigt, dass der
Finger zu einer lebenden Person gehört.
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Die
Höhe der
erlaubten Abweichung ist im wesentlichen frei wählbar, sie darf jedoch nicht
zu hoch gewählt
sein, so dass keine Fingerattrappen fälschlicherweise als zu einer
lebenden Person gehörig
erkannt werden, und sie darf nicht zu klein gewählt sein, so dass Finger, die
zu einer lebenden Person gehören,
nicht aufgrund von Hautverunreinigungen o.ä. fälschlicherweise als Attrappen
identifiziert werden. Die Auswertung der in dem Strahlungsdetektor 13 gemessenen
Strahlungsleistung wird in einer Absorptionsanalyseeinheit 14 durchgeführt. Die
Absorptionsanalyseeinheit 14 generiert das entsprechende
Finger-lebt-Signal und stellt es der Auswerteeinheit 6 zur
Verfügung.
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Es
ist eine Blutsauerstoffsensoreinheit 15 vorgesehen, die
eine Blutsauerstoffmesseinheit mit einer Lichtquelle 16,
vorzugsweise mit zwei monochromatischen LEDs, und einem Photodetektor 17, vorzugsweise
mit einer Fotodiode, aufweist. Mit Hilfe der Blutsauerstoffsensoreinheit 15 wird
ein wellenlängenabhängiges Absorptionsverhalten
von lebendem Gewebe dazu genutzt, um festzustellen, ob es sich um
einen lebenden Finger oder um eine Fingerattrappe handelt. Wie in 4 dargestellt, weichen der
Absorptionsgrad von Oxy-Hämoglobin,
das vorzugsweise in sauerstoffreichem Blut vorkommt und der Absorptionsgrad
von Desoxy-Hämoglobin,
das vorzugsweise in sauerstoffarmem Blut vorkommt, entsprechend
dem Diagramm nach 4 abhängig von
der Wellenlänge
voneinander ab.
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Um
die Sauerstoffsättigung
des Blutes zu ermitteln, wird das sogenannte pulsoxymetrische Verfahren
durchgeführt,
das in der Medizintechnik häufig Anwendung
findet. Der Finger 4 wird dabei von der Lichtquelle mit
Licht verschiedener Wellenlänge,
vorzugsweise mit Wellenlängen
von 660 nm und 940 nm durchleuchtet, das in dem Photodetektor 17 als
Signal empfangen wird. Das Signal wird einer Blutsauerstoffanalyseeinheit 18 zugeführt. Die
Blutsauerstoffanalyseeinheit 18 kann bei einem lebenden
Finger 4 einen Gleichanteil und einen Wechselanteil des
Signals aus dem Photodetektor 17 für beide Wellenlängen feststellen.
Der Wechselanteil entspricht dabei dem entsprechend der Pulsfrequenz
durch die Arterien geförderten
Blut.
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Durch
das unterschiedliche Absorptionsverhalten des sauerstoffreichen
Blutes kann eine Differenz der Absorption zwischen den Wellenlängen 660 nm
und 940 nm erkannt werden, die zu dem Finger-lebt-Signal führt, das
anzeigt, dass der Finger zu einer lebenden Person gehört. Das
Finger-lebt-Signal aus der Blutsauerstoffanalyseeinheit wird ebenfalls
der Auswerteeinheit 6 zur Verfügung gestellt. Kann eine solche
Differenz nicht festgestellt werden, so wird ein Finger-lebt-Signal
zur Verfügung
gestellt, dass anzeigt, dass nicht erkannt werden konnte, dass der
Finger zu einer lebenden Person gehört.
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Die
Auswerteeinheit 6 bestimmt nun aus den Finger-lebt-Signalen
von der Blutsauerstoffanalyseeinheit 18, der Absorptionsanalyseeinheit 14,
der Strahlungsanalyseeinheit 8 und der Druckänderungsanalyseeinheit 10 sowie
dem abgetasteten Fingerabdrucksmuster, ob es sich bei dem in das
Gehäuse 2 eingeführten Finger 4 um
eine Attrappe oder um einen Finger einer lebenden Person handelt.
Wird festgestellt, dass es sich um einen Finger einer lebenden Person
handelt und kann dem abgetasteten Fingerabdrucksmuster eine Person
zugeordnet werden, so kann eine Identifizierung der Person erfolgen.
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Der
Bereich der Erfindung umfasst auch Identifizierungs-Vorrichtungen,
die nur eine der jeweiligen Sensoreinheit bzw. eine Kombination
von zwei oder drei der zuvor beschriebenen Sensoreinheiten aufweist.
Je nach Art und Anzahl der verwendeten der verwendeten Sensoreinheiten
kann die Zuverlässigkeit
der Identifizierungs-Vorrichtung erhöht und somit täuschungssicherer
gemacht werden.
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Um
die Identifikations-Vorrichtung 1 fehlertoleranter zu machen,
kann vorgesehen sein, dass bei der beschriebenen Ausführungsform
lediglich 3 Analyseeinheiten ein Finger-lebt-Signal liefern müssen, das
angibt, dass ein Finger einer lebenden Person in das Gehäuse 2 eingeführt worden
ist, um die Identifizierung der Person zu ermöglichen. Das heißt, selbst wenn
eine der Sensoreinheiten nicht erkennt, dass es sich bei dem eingeführten Finger 4 um
den Finger einer lebenden Person handelt, wird die Identität der Person
festgestellt. Grundsätzlich
können
in der Auswerteeinheit 6 die empfangenen Finger-lebt-Signale gemäß einer
UND-Verknüpfung
miteinander verknüpft
werden, so dass eine Identität
einer Person erst dann festgestellt wird, wenn jedes der Finger-lebt-Signale
anzeigt, dass es sich um einen Finger einer lebenden Person handelt.
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Es
kann darüber
hinaus möglich
sein, die Finger-lebt-Signale der verwendeten Sensoreinheiten zu
bewerten und die jeweiligen Finger-lebt-Signale entsprechend zu
gewichten.