DE10339743B4

DE10339743B4 - Verfahren zum Vergleich eines Testfingerabdrucks mit einem gespeicherten Referenzfingerabdruck und zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung

Info

Publication number: DE10339743B4
Application number: DE10339743A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Morguet
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: CN1607536A; DE10339743A1; CN1607536B; US20050047633A1; US7729521B2

Abstract

Verfahren zum Vergleich eines Testfingerabdrucks mit einem gespeicherten Referenzfingerabdruck mit den Schritten:
– Bereitstellen einer Bildstreifensequenz des Testfingerabdrucks, wobei die Bildstreifen unterschiedliche Bereiche des Testfingerabdrucks wiedergeben,
– Bereitstellen des Referenzfingerabdrucks,
– Ermittlung von Einzelabstandswerten zwischen jeweils einem Bildstreifen des Testfingerabdrucks und zumindest einem Abschnitt des Referenzfingerabdrucks mittels einer Abstandsfunktion und
– Ermittlung eines Gesamtabstandswerts aus den Einzelabstandswerten, wobei der Gesamtabstandswert ein Maß für die Ähnlichkeit zwischen dem Testfingerabdruck und dem Referenzfingerabdruck ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergleich eines Testfingerabdrucks mit einem gespeicherten Referenzfingerabdruck, wobei der Testfingerabdruck in Form einer Sequenz von Bildstreifen bereitgestellt wird. Der Referenzfingerabdruck kann als Flächenbild oder ebenfalls als Bildstreifensequenz vorliegen. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung von Fingerabdrücken mit einem streifenförmigen Fingerabdrucksensor zur Aufnahme von Bildstreifen eines Testfingers und einem Speicher zur Speicherung von Referenzfingerabdrücken als Flächenbild oder Bildstreifensequenz.

Es ist bei Fingerabdrucksensoren bekannt, eine sensorisch empfindliche Fläche vorzusehen, die in etwa die Größe eines Fingerabdrucks besitzt. Bei der Bedienung wird der Finger auf die Sensorfläche aufgelegt und anschließend durch das Gerät der Fingerabdruck eingelesen. Bei den meist verwendeten Fingerabdrucksensoren wird ein kapazitiver Halbleitersensor verwendet, der je nach dem örtlichen Profil eines Fingers einen spezifischen Kapazitätswert erkennt und daraus eine Bildinformation erstellt. Aufgrund der Größe der sensorisch empfindlichen Fläche sind solche Halbleitersensoren sehr teuer. Es gibt daher das Bestreben, Fingerabdrucksensoren bereitzustellen, die eine kleinere sensorisch empfindliche Fläche aufweisen.

Aus der EP 0 813 164 A1 ist bekannt, einen Streifensensor vorzusehen, über den ein Finger hinweg bewegt wird. Während der Bewegung des Fingers gegenüber der sensorisch empfindlichen Fläche werden Bildstreifen des Fingers aufgenommen. Die Bildstreifen werden in schneller Folge geliefert, so daß sich aufeinander folgende Bildstreifen überlappen, sofern die Fingerziehgeschwindigkeit nicht einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Anhand dieser Überlappungen wird anschließend ein vollständiges Flächenbild des Fingerabdrucks erstellt. In einer nachgeschalteten Erkennungsstufe erfolgt ein Vergleich des rekonstruierten Fingerabdrucks mit einem Referenzfingerabdruck analog zu der Vorgehensweise bei durch einen Flächensensor aufgenommenen Bildern. Es handelt sich somit um ein zweistufiges Verfahren, bei dem zunächst aus Bildstreifen ein Flächenbild rekonstruiert wird und nachfolgend konventionelle Verfahren zum Bildvergleich angewandt werden.

Die Erstellung eines unverzerrten Abbild des Fingers erfolgt unter Verwendung der eingescannten Bildstreifen und beispielsweise der Ziehgeschwindigkeit des Fingers gegenüber der Sensorfläche. Um implizit die Ziehgeschwindigkeit aus der Bildstreifensequenz ermitteln zu können, müssen sich aufeinanderfolgende Bildstreifen überlappen. Einzelne Bildstreifen wiederum werden Zeile für Zeile in einem sequentiellen Vorgang gewonnen, wobei die Geschwindigkeit des Einlesens der Zeilen als Scangeschwindigkeit bezeichnet wird. Es läßt sich zeigen, daß sich aufeinanderfolgende Bildstreifen nur dann überlappen, wenn die Ziehgeschwindigkeit kleiner als die halbe Scangeschwindigkeit bleibt. Dieser Grenzwert der Ziehgeschwindigkeit schränkt die Intuitivität der Benutzbarkeit des Sensors stark ein. Wird die Geschwindigkeit überschritten, so läßt sich die Ziehgeschwindigkeit nicht mehr rekonstruieren oder es fehlen sogar Teile der Flächenbildinformation, so daß sich starke Verzerrungen bei der Bildrekonstruktion ergeben können, die eine Erkennung unmöglich machen.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ist, daß die Rekonstruktion prinzipbedingt wenig robust ist, da aufeinanderfolgende Bildstreifen einer Streifen-Sequenz immer nur paarweise rekonstruiert werden. Ergibt sich ein Fehler in der Überlappung zweier Streifen, so pflanzt sich dieser Fehler über das gesamte restliche Bild fort. Weitere Fehler zu spä teren Zeitpunkten addieren sich nochmals. Zusammengefaßt heißt das, daß sich eventuell ein Fehler ergibt, der sich über das gesamte rekonstruierte Bild erstreckt und die anschließende Erkennung gefährdet, wenn die Bildinformation nur eines einzelnen Streifens gestört oder dessen Bildqualität schlecht ist.

Ein dritter Nachteil besteht darin, daß die Bildrekonstruktion rechenaufwendig ist. Da die nachgeschaltete Flächenbild-Erkennungsstufe unverändert arbeitet, addiert sich bei einem solchen System die Rekonstruktionszeit zur Erkennungszeit, wie sie sich bei der Verwendung eines Flächensensors ergibt.

Aus dem Dokument DE 101 23 367 A1 ist ein Verfahren zur Fingerabdruckerkennung unter Verwendung von Bildsequenzen bekannt. Eine Bildsequenz umfasst mehrere zeitlich aufeinander folgende Aufnahmen des gleichen Fingerdruckabschnitts. Vorbestimmte Bilder der erfassten Bildfrequenz werden mit zugeordneten Bildern einer vorbestimmten Bildsequenz verglichen, um ein Abstandsmaß zwischen den Bildsequenzen zu bestimmen. Abhängig von dem bestimmten Abstandsmaß wird bestimmt, ob die erfasste Bildsequenz und die vorbestimmte Bildsequenz übereinstimmen.

Aus dem Dokument EP 0 773 508 A2 ist eine Vorrichtung zum Gewinnen von Fingerabdruckeigenschaften bekannt. Die Vorrichtung weist einen Streifenzerleger auf, der ein flächiges Bild eines Fingerabdrucks in Streifen zerlegt. Die Eigenschaften des Fingerabdrucks werden durch die rechnerische Analyse der Streifen ermittelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vergleich eines Testfingerabdrucks mit einem gespeicherten Referenzfingerabdruck sowie eine geeignete Vorrichtung anzugeben, bei denen ein kostengünstiger Streifensensor verwendet werden kann, aber trotzdem die rechenintensive und problembehaftete Rekonstruktion eines flächigen Testfingerabdrucks aus den aufgenommenen Bildstreifen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Vergleich eines Testfingerabdrucks mit einem gespeicherten Referenzfingerabdruck gelöst mit den Schritten: Bereitstellen einer Bildstreifensequenz des Testfingerabdrucks, wobei die Bildstreifen unterschiedliche Bereiche des Testfingerabdrucks wiedergeben, Bereitstellen des Referenzfingerabdrucks, Ermittlung von Einzelabstandswerten zwischen jeweils einem Bildstreifen des Testfingerabdrucks und zumindest einem Abschnitt des Referenzfingerabdrucks mittels einer Abstandsfunktion und Ermittlung eines Gesamtabstandswerts aus den Einzelabstandswerten, wobei der Gesamtabstandswert ein Maß für die Ähnlichkeit zwischen dem Testfingerabdruck und dem Referenzfingerabdruck ist.

Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Erkennung von Fingerabdrücken mit einem streifenförmigen Fingerabdrucksensor zur Aufnahme von Bildstreifen eines Testfingerabdrucks und einem Speicher zur Speicherung von Referenzfingerabdrücken, die gekennzeichnet ist durch eine Vergleichsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um einen direkten einstufigen Ansatz, bei dem der Vergleich zwischen dem Testfingerabdruck und dem Referenzfingerabdruck durchgeführt wird, ohne daß aus der Bildstreifen-Sequenzen des Testfingerabdrucks eine explizite Rekonstruktion eines Flächenbildes erforderlich ist. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß ein geringer Abstand zwischen zwei Fingerabdrücken besteht, wenn ein geringer Abstand zwischen den einzelnen Bildstreifen des Testfingerabdrucks und Bildstreifen eines als Bildstreifensequenz vorliegenden Referenzfingerabdrucks beziehungsweise Abschnitten eines als Flächenbild vorliegenden Referenzfingerabdrucks besteht. Der Abstand zweier Bildabschnitte bzw. Bildstreifen ist ein Maß für die Ähnlichkeit der Bildabschnitte bzw. Bildstreifen. Ein geringer Abstand entspricht dabei einer hohen Ähnlichkeit. Geeignete Abstandsfunktionen können frei definiert werden. Einfache Abstandsfunktionen sind beispielsweise der pixelweise berechnete mittlere quadratische Abstand zwischen zwei Bildabschnitten oder die Korrelation zwischen den Bildabschnitten.

Der Einfluß von Variationen bei der Aufnahme des Test- und Referenzfingerabdrucks kann verringert werden, wenn die Bilder jeweils in eine normierte Darstellung überführt werden. Dadurch ist zu erwarten, daß die Berechnung der Abstandsfunktion genauer und reproduzierbarer erfolgen kann.

Wenn der Testfingerabdruck mit einem Referenzfingerabdruck übereinstimmt, das heißt von dem gleichen Finger stammt, ergibt sich ein kleiner auf den Einzelabstandswerten basierender Gesamtabstandswert. Aus dem Vergleich von Abdrücken unterschiedlicher Finger ergibt sich ein Gesamtabstandswert, der sich signifikant von dem Gesamtabstandswert zweier Abdrücke des gleichen Fingers unterscheidet.

Besonders vorteilhaft ist, daß redundante Rechenschritte, die bei dem zweistufigen Verfahren einerseits bei der Bildrekonstruktion und andererseits bei dem Bildvergleich durchzuführen sind, entfallen. Das Verfahren ist daher besonders effizient.

In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird der Gesamtabstandswert mit einem Schwellwert verglichen und, falls der Gesamtabstandswert in einer definierten Relation zu dem Schwellwert liegt, die Identität zwischen dem Testfinger und dem Referenzfinger angenommen.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zur Ermittlung des Gesamtabstandswerts der Viterbi-Algorithmus angewendet, durch den unter anderem eine lokal schwankende Fingerziehgeschwindigkeiten ausgeglichen werden kann. Durch den Viterbi-Algorithmus erfolgt die Zuordnung der verglichenen Bildstreifen optimal im Hinblick auf einen möglichst kleinen Gesamtabstandswert. Daneben sind andere Zuordnungen möglich, die einen abweichenden Gesamtabstandswert ergeben, der aber trotzdem ein Maß für die Ähnlichkeit des Testfingerabdrucks und des Referenzfingerabdrucks ist.

Vorteile bei der Erkennung von Bildübereinstimmungen ergeben sich, wenn zuvor fingerabdruckspezifische Merkmale aus den Bildstreifen ermittelt werden und ein Vergleich mit entsprechenden Merkmalen von Abschnitten oder Streifen des Referenzfingerabdrucks erfolgt. Die fingerabdruckspezifischen Merkmale der Abschnitte oder Streifen des Referenzfingerabdrucks können bereits in gespeicherter Form vorliegen.

In einer bevorzugten Ausführung werden die Bildstreifen des Testfingerabdrucks und der Referenzfingerabdruck in Bildzeilen zerlegt und dann pro Bildzeile ein Einzelabstandswert ermittelt. Dadurch wird die Erkennungssicherheit weiter erhöht, da bei der Betrachtung einzelner Bildzeilen Verzerrungen durch schwankende Ziehgeschwindigkeiten weniger Einfluß haben.

Eine weitere Erhöhung der Erkennungssicherheit ergibt sich in einer Weiterbildung dadurch, daß von einem Referenzfinger mehrere Aufnahmen erfolgen, mit den jeweiligen Merkmalen der Aufnahmen ein Hidden-Markov-Modell trainiert wird und der Vergleich eines Testfingerabdrucks anhand seiner Merkmale gegenüber dem Hidden-Markov-Modell des Referenzfingerabdrucks erfolgt. Dadurch, daß das Hidden-Markov-Modell die Informationen mehrerer leicht unterschiedlicher Aufnahmen des Referenzfingers beinhaltet, kann ein Finger auch bei Abweichungen des aufgenommenen Abdrucks aufgrund der Art des Darüberziehens oder der Ziehgeschwindigkeit erkannt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer einfachen Ausgestaltung,
2 ein Diagramm mit möglichen Zuordnungspfaden,
3 ein verbessertes Teilverfahren mit Merkmalsermittlung,
4 ein verbessertes Teilverfahren mit Bildzeilenzerlegung,
5 ein verbessertes Teilverfahren mit Verwendung eines Hidden-Markov-Modells,
6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung von Fingerabdrücken in einer schematischen Darstellung.
1 zeigt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 1 werden Bildstreifen eines Testfingerabdrucks (TFA) bereitgestellt. Die Bereitstellung erfolgt vorzugsweise durch einen kapazitiven Streifensensor, der beim Darüberziehen eines Fingers streifenförmige Bildabschnitte des Fingers aufnimmt. Das erfindundungsgemäße Verfahren ist jedoch von Sensorprinzip unabhängig. Außerdem wird in einem Schritt 2 ein Referenzfingerabdruck (RFA) beispielsweise aus einem Speicher bereitgestellt. Der Referenzfingerabdruck kann in Bildstreifen oder als Flächenbild vorliegen, wobei in letzterem Fall zur Durchführung eines Vergleichs ein Bildstreifen des Testfingerabdrucks Abschnitten des Referenzfingerabdrucks gegenüberzustellen wäre.
Ob der Referenzfingerabdruck in Form einer Streifensequenz oder als Flächenbild abgelegt wird, hängt beispielsweise von dem Verfahren zur Bereitstellung des Fingerabdrucks ab. Wenn der Referenzfingerabdruck ebenfalls mittels eines Streifensensors gewonnen wird, der auch mit dem Streifensensor zur Aufnahme des Testfingerabdrucks identisch sein kann, bietet sich die Speicherung als Bildstreifensequenz an, da in diesem Fall nicht die bei der Bildrekonstruktion auftretenden Probleme entstehen.
In einer anderen Anwendung wird der Referenzfingerabdruck durch einen Flächensensor beispielsweise in einer für Unternehmenssicherheit zuständigen zentralen Stelle aufgenommen, so daß der Fingerabdruck ohne Entstehung zusätzlicher Probleme als Flächenbild abgelegt werden kann.
Bei dem nachfolgenden Vergleich in Schritt 3 kann ein Bildstreifen des Testfingerabdrucks sowohl gegen die Streifen des Referenzfingerabdrucks als auch gegen ein Flächenbild des Referenzfingerabdrucks getestet werden. Bei dem Vergleich des Bildstreifens mit dem Referenzfingerabdruck werden Einzelab standswerte gewonnen und zwischengespeichert. Bei der folgenden Beschreibung des Verfahrens wird davon ausgegangen, daß der Referenzfingerabdruck ebenfalls als Streifen-Sequenz vorliegt.
Beim Vergleich der beiden Streifen-Sequenzen müssen die am besten zusammenpassenden Bildstreifen einander zugeordnet werden, das heißt jeder Bildstreifen des Testfingerabdrucks wird gegen alle Bildstreifen des Referenzfingerabdrucks getestet. Dabei werden mittels einer Abstandsfunktion Einzelabstandswerte zwischen jeweils einem Bildstreifen des Testfingerabdrucks und einem Bildstreifen des Referenzfingerabdrucks ermittelt. Als Abstandsfunktion wird eine Funktion eingesetzt, die paarweise auf jeweils einen Bildstreifen des Testfingerabdrucks und einen Bildstreifen des Referenzfingerabdrucks angewendet wird. Eine einfache, geeignete Funktion ist beispielsweise der pixelweise berechnete mittlere quadratische Abstand zwischen den beiden Bildern.
Ebenfalls kann als Abstandsfunktion eine gegebenenfalls normalisierte Korrelation verwendet werden. Je nach zugelassenem Freiheitsgrad, beispielsweise Verschiebung in zwei Dimensionen, Rotation, Stauchung bzw. Dehnung können die Test- und Referenzbildstreifen auf diese weise genauer zur Deckung gebracht werden.
In allen Fällen ist es in der Regel vorteilhaft, die Bilder vor der Berechnung der Abstandsfunktion in eine normalisierte Darstellung zu bringen, um Variationen bei der Aufnahme auszugleichen.
Wenn der Referenzfingerabdruck als Flächenbild vorliegt, werden die Einzelabstandswerte zwischen einem Bildstreifen des Testfingerabdrucks und Abschnitten des Referenzfingerabdrucks ermittelt.
Der Vorteil bei der Verwendung eines Flächenbildes statt einer Bildstreifensequenz bei dem Referenzfingerabdruck besteht darin, daß die Ermittlung der Einzelabstandswerte genauer arbeitet, da im Flächenbild in der Regel größere Teile der Bildstreifen des Testfingerabdrucks zur Deckung gebracht werden können. Gleichzeitig steigt aber auch der Rechenaufwand, da über einen größeren Suchbereich gearbeitet werden muß.
Die Informationen über den Abstand zwischen jeweils einem Bildstreifen des Testfingerabdrucks und des Referenzfingerabdrucks werden als Einzelabstandswerte festgehalten. Nach Wiederholung des Vergleichs für jeden Bildstreifen des Testfingerabdrucks erhält man eine Matrix mit den ermittelten Einzelabstandswerten, wie sie in 2 dargestellt ist. Jedes Matrixelement steht für einen Einzelabstandswert, der sich durch den Vergleich eines Bildstreifens des Testfingerabdrucks (Zeilen) mit einem Bildstreifen des Referenzfingerabdrucks (Spalten) ergibt.
Im nächsten Schritt müssen die in der Matrix stehenden Einzelabstandswerte zusammenfassend bewertet werden, um eine Aussage darüber zu erhalten, die groß der Abstand zwischen dem Testfingerabdruck und dem Referenzfingerabdruck als gesamtes ist. Dazu wird aus den Einzelabstandswerten ein Gesamtabstandswert gebildet (Schritt 4). Dies erfolgt beispielsweise durch eine Aufsummierung der Einzelabstandswerte, die jeweils bezüglich eines Bildstreifens des Testfingerabdrucks am kleinsten sind. Grafisch darstellen läßt sich dies anhand eines Zuordnungspfades, der diejenigen Matrixelemente verbindet, die in den Gesamtabstandswert eingehen. Die Einzelabstandswerte können dabei auch gewichtet werden, so daß ein diagonaler Schritt zum Beispiel mit einem bestimmten Faktor multipliziert in den Gesamtabstandswert eingeht. Der Gesamtabstandswert ist somit ein Maß für die Ähnlichkeit des Testfingerabdrucks gegenüber einem der gespeicherten Referenzfingerabdrücke.
Der Vergleich wird für alle weiteren zur Verfügung stehenden Referenzfingerabdrücke durchgeführt. Im Ergebnis erhält man eine der Anzahl der Referenzfingerabdrücke entsprechende Anzahl an Gesamtabstandswerten.
In einem Schritt 5 wird über diesen Gesamtabstandswerten eine Minimum-Suche durchgeführt. Der kleinste Gesamtabstandswert ergibt sich für den Referenzfingerabdruck, der die größte Ähnlichkeit mit dem Testfingerabdruck aufweist.
In praktischen Ausführungen wird auch der kleinste Gesamtabstandswert mit großer Wahrscheinlichkeit nicht Null werden, da dies die absolute Identität des Testfingerabdrucks mit einem Referenzfingerabdruck anzeigen würde. Da der Testfingerabdruck jedoch immer den Schwankungen bei der Aufnahme unterworfen ist, verbleibt ein Gesamtabstandswert größer als Null.
Allerdings kann der Gesamtabstandswert mit einem Schwellwert in einem Schritt 6 verglichen werden, wobei man davon ausgeht, daß es sich um denselben Finger handelt, wenn der Gesamtabstandswert kleiner als der Schwellwert ist. Bei einem Gesamtabstandswert, der größer als der Schwellwert ist, wird die Wahrscheinlichkeit der Identität des Testfingers und des Referenzfingers als nicht ausreichend angesehen. Je nach gewünschter Sicherheit wird der Schwellwert größer oder kleiner eingestellt, wobei für eine sehr sichere Erkennung der Schwellwert verhältnismäßig klein sein muß und für weniger sicherheitskritische Anwendung ein größerer Schwellwert vorgegeben wird, so daß auch bei größeren Abweichungen noch ein Fingerabdruck als mit dem Referenzfingerabdruck übereinstimmend erkannt wird. Das Ergebnis des Vergleichs wird nachfolgend ausgegeben.
Oftmals unterscheiden sich in der Matrix benachbarte Abstandswerte nur geringfügig. Es ist somit nicht mit Sicherheit feststellbar, welchem Vergleichsstreifen ein Bildstreifen des Testfingerabdruck zuzuordnen ist. Es gibt daher eine Vielzahl möglicher Zuordnungen. Die in der Matrix von 2 angedeuteten Pfade stehen für verschiedene mögliche Zuordnungsfunktionen. Entlang der Pfade ist der jeweilige Gesamtabstandswert zu ermitteln. Der Pfad, bei dem der geringste Gesamtabstandswert ermittelt wurde, entspricht der optimalen Zuordnungsfunktion zwischen den Bildstreifen des Testfingerabdrucks und den Bildstreifen des Referenzfingerabdrucks.
Bei der Ermittlung des Gesamtabstandswerts ist zu berücksichtigen, daß die Bildstreifensequenzen in der Regel mit unterschiedlicher und lokal schwankender Finger-Ziehgeschwindigkeit gewonnen worden sind. Solche Schwankungen erschweren die Ermittlung einer optimalen Zuordnungsfunktion. Zum einen bewirkt eine unterschiedliche Ziehgeschwindigkeit, daß der geometrische Abstand zwischen nacheinander aufgenommenen Streifen unterschiedlich ist. Zum anderen entsteht ein Verzerrung innerhalb der einzelnen Streifen.
Bei einer aus diesen Gründen sehr fein eingestellten Auflösung ergibt sich eine große Anzahl an Bildstreifen und eine exponentiell davon abhängige Anzahl möglicher Pfade, das heißt möglicher Zuordnungsfunktionen. Die Ermittlung aller möglicher Zuordnungsfunktionen und der sich dadurch ergebenden Gesamtabstandswerte ist sehr rechenintensiv und zeitaufwendig.
Zur Ermittlung der Zuordnungsfunktion, die zu einem optimalen, das heißt möglichst kleinen Gesamtabstandswert führt, wobei trotzdem der Rechenaufwand verhältnismäßig niedrig ist, wird daher in einer bevorzugten Ausführungsform der Viterbi-Algorithmus eingesetzt. Auf dem Viterbi-Algorithus basierende Verfahren sind auch unter den Bezeichnungen Dynamic Time Warping (DTW) oder DP-Verfahren bekannt.
Mittels der Viterbi-Suche wird eine Zuordnungsfunktion berechnet, die die Test-Sequenz global optimal auf die Referenz-Sequenz abbildet. Bei Umsetzung der Viterbi-Suche wird rekursiv jeweils rückschauend untersucht, welcher Pfad über die bis zu diesem Zeitpunkt durchgeführten Iterationsschritte das beste Ergebnis gebracht hat. Auf Grundlage des besten Ergebnisses, also des geringsten bis zu diesem Punkt ermittelten Gesamtabstandswerts, wird die Suche fortgesetzt. Während die Anzahl möglicher Pfade exponentiell mit der Anzahl der Bildstreifen wächst, ist der Aufwand bei der Untersuchung nach Viterbi wesentlich geringer.
Eine explizite Berechnung der Zuordnungen ist bei Durchführung der Viterbi-Suche nicht erforderlich, da es nur auf den am Ende der Viterbi-Suche feststehenden minimalen Gesamtabstandswert ankommt. Anhand dieses Wertes kann beurteilt werden, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, daß der Testfingerabdruck und der Referenzfingerabdruck vom gleichen Finger stammen. Wie der Gesamtabstandswert zustande gekommen ist, das heißt wie der Pfad verläuft, der diesen Gesamtabstandswert ergibt, ist für die Beurteilung unerheblich.
Zur Beschleunigung der Berechnung kann ein Korridor vorgegeben werden, innerhalb dessen Grenzen die Einzelabstandswerte ermittelt und/oder Pfade zur Bildung des Gesamtabstandswerts berücksichtigt werden. Bezugnehmend auf 2 würden also nur in einem Korridor entlang der Diagonalen der Matrix die Einzelabstandswerte ermittelt werden, während die anderen Matrixelemente bei der Ermittlung des Gesamtabstandswerts unberücksicht bleiben.
In der Darstellung von 2 hat der fett gezeichnete Pfad zum kleinsten Gesamtabstandswert geführt. In einem Backtracking-Verfahren kann die Zuordnung, die zum kleinsten Gesamtabstandswert geführt hat, sichtbar gemacht werden, wie in 2 geschehen. Voraussetzung dazu ist, daß bei Durchführung der Viterbi-Suche Informationen über die lokalen Übergänge im Verlauf der Iteration gespeichert werden. Zur Feststellung der Ähnlichkeit zwischen den Fingerabdrücken ist das Backtracking jedoch nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist, ob mit oder ohne Viterbi-Suche, eine Reihe von Vorteilen auf. Die Ziehgeschwindigkeit darf nun so groß werden, daß sich aufeinanderfolgende Bildstreifen nicht überlappen. Die Zuordnung der Bildstreifen zu dem Referenzfingerabdruck sind in einem weiten Geschwindigkeitsbereich möglich. Gegenüber dem eingangs beschriebenen zweistufigen Ansatz, bei dem zuerst eine Rekonstruktion und danach eine Erkennung erfolgt, ist das erfindungsgemäße Verfahren deutlich robuster, da Fehler bei einzelnen Bildstreifen sich nicht fortsetzen und sich nicht zu einem akkumulierten Fehler aufschaukeln können.
Die durchgeführten Ähnlichkeitsberechnungen zwischen Bildstreifen werden im erfindungsgemäßen Verfahren direkt für die Erkennung benutzt. Damit werden im Gegensatz zum zweistufigen Verfahren keine redundanten Berechnungen durchgeführt.
Gegenüber Flächensensören ist ein Fingerabdrucksensor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, bezüglich der Kosten im Vorteil, da die erforderliche Sensorfläche viel kleiner ist.
Die 3 zeigt eine Verbesserung beim Vergleich der Bildstreifen des Testfingerabdrucks mit dem Referenzfingerabdruck. Dabei werden aus den Pixeln eines Bildstreifens zunächst Merkmale gewonnen (Schritt 11), die die Bildstreifen beschreiben. Dies sind fingerabdruckspezifische Merkmale, während andere Merkmale, die zum Beispiel durch einen unterschiedlichen Druck beim Einlesen des Bildstreifens oder durch sonstige Abweichungen bei der Bedienung entstehen, nicht berücksichtigt werden. Die zu verarbeitende Datenmenge ist somit deutlich geringer. Der Vergleich erfolgt nun mit Merkmalen der Bildstreifen des Referenzfingerabdrucks, die auf die gleiche Weise ermittelt wurden. Die Ermittlung der fingerabdruckspezifischen Merkmale der Bildstreifen des Referenzfingerabdrucks kann einmalig nach dem Einlesen eines Referenz fingerabdrucks erfolgen, so daß nur die fingerabdruckspezifischen Merkmale des Referenzfingerabdrucks gespeichert werden müssen, nicht aber das gesamte Bild.
In einem Schritt 12 erfolgt der Vergleich der Merkmale der Bildstreifen der beiden Fingerabdrücke und die Berechnung der entsprechenden Einzelabstandswerte, die nachfolgend zur Berechnung des Gesamtabstandswertes verwendet werden.
Das Verfahren nach 3 ist analog anwendbar, wenn für den Referenzfingerabdruck statt einer Bildstreifensequenz ein Flächenbild verwendet wird.
Die 4 zeigt eine weitere Verbesserung des Verfahrens. Bei diesem verbesserten Teilverfahren werden die Bildstreifen zunächst in einzelne Bildzeilen zerlegt (Schritt 21). Die Ermittlung der Einzelabstandswerte im Schritt 22 erfolgt sodann pro Bildzeile, bis für alle Bildzeilen aller Bildstreifen ein Einzelabstandswert vorliegt. Verzerrungen der Bildstreifen kommen so weniger zur Geltung als bei dem Vergleich gesamter Bildstreifen mit dem Referenzfingerabdruck. Das Verfahren gemäß 4 kann mit dem Verfahren gemäß 3 kombiniert werden, d.h. aus jeder Bildzeile werden fingerabdruckspezifische Merkmale extrahiert und mit entsprechenden Merkmalen des Referenzabdrucks verglichen.
Auch in dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bei der anschließenden Ermittlung des Gesamtabstandswertes der Viterbi-Algorithmus eingesetzt werden. Die Ermittlung der Einzelabstandswerte wird dadurch einfacher und zusätzlich werden Effekte wie Stauchung und Dehnung der einzelnen Bildstreifen automatisch ausgeglichen. Der Hauptunterschied zum Verfahren gemäß 1 besteht darin, daß gemäß 4 pro Bildzeile ein Einzelabstandswert gewonnen wird, während gemäß 1 ein Einzelabstandswert pro Bildstreifen ermittelt wird.
In einer alternativen, in den Figuren nicht gezeigten Ausgestaltung des Verfahrens wird pro Bildstreifen ein Einzelabstandswert ermittelt, wobei sich der Einzelabstandswert aber aus Abstandswerten zwischen Bildzeilen zweier Bildstreifen ergibt. Zusammengefaßt läßt sich das alternative Verfahren so beschreiben, daß zunächst die Bildstreifen in Bildzeilen zerlegt werden, anschließend anhand der Abstandswerte zwischen den Bildzeilen Einzelabstandswerte bezogen auf die Bildstreifen ermittelt werden und im nachfolgenden Schritt, wie oben beschrieben, ein Gesamtabstandswert aus den Einzelabstandswerten der Bildstreifen berechnet wird. Bei der Ermittlung der Einzelabstandswerte zwischen jeweils zwei Bildstreifen wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung bereits der Viterbi-Algorithmus eingesetzt.
Eine weitere Verbesserung bei der Erkennungssicherheit wird gemäß 5 durch die Verwendung von sogenannten Hidden-Markov-Modellen erreicht. Hidden-Markov-Modelle können als Zustandsdiagramm dargestellt werden, wobei die Knoten durch die Wahrscheinlichkeitsdichte von Merkmalsvektoren gebildet werden, die sich aus Merkmalen von Bildstreifen ergeben. Die Zustandsänderungen werden durch Übergangswahrscheinlichkeiten gebildet. Diese Hidden-Markov-Modelle werden mit den Merkmalen mehrerer Aufnahmen des Referenzfingerabdrucks trainiert, so daß das Hidden-Markov-Modell eine statistische Beschreibung des Referenzfingerabdrucks darstellt. Je öfter der Referenzfinger abgetastet wird und die dabei ermittelten Merkmale zum Training des Hidden-Markov-Modells zur Verfügung stehen, umso besser wird der Finger durch das Modell abgebildet.
Durch Schritte 31, 32 und 33 wird ein Hidden-Markov-Modell bereitgestellt. In dem ersten Schritt 31 werden mehrere streifenförmige Referenzfingerabdrücke des gleichen Fingers aufgenommen. Nachfolgend werden von sämtlichen aufgenommenen Referenzfingerabdruckstreifen fingerabdruckspezifische Merkmale ermittelt (Schritt 32). In dem Schritt 33 wird das Hid den-Markov-Modell mit den im Schritt 32 ermittelten Merkmalen trainiert.
Nach der Aufnahme eines Bildstreifens eines Testfingerabdrucks in einem Schritt 34 werden in einem Schritt 35 entsprechend dem Schritt 32 Merkmale des Bildstreifens ermittelt. Der Vergleich im Schritt 36 erfolgt dadurch, daß die Merkmale des Bildstreifens des Testfingerabdrucks mit dem Hidden-Markov-Modell verglichen werden. Bei dem Test der Merkmale des Testfingerabdruck-Bildstreifens gegen das Hidden-Markov-Modell kann wiederum der Viterbi-Algorithmus zum Einsatz kommen.
In 6 ist der schematische Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung von Fingerabdrücken dargestellt. Durch einen streifenförmigen Fingerabdrucksensor 51 werden Bildstreifen eines Testfingerabdrucks aufgenommen und einer Vergleichsvorrichtung 52 bereitgestellt. Darüber hinaus ist ein Speicher 53 vorgesehen, in dem Informationen über Referenzfingerabdrücke gespeichert sind. Diese sind entweder als Flächenbilder, als Streifenbilder oder als Merkmale von Flächen- oder Streifenbildern abgelegt. Ebenfalls können Hidden-Markov-Modelle in dem Speicher 53 abgelegt sein. Der Speicher 53 ist ebenfalls mit der Vergleichsvorrichtung 52 verbunden. Die Vergleichsvorrichtung 52 führt nun Vergleiche zwischen dem aufgenommenen Testfingerabdruck und den gespeicherten Referenzfingerabdrücken beziehungsweise den gespeicherten Merkmalen der Referenzfingerabdrücke nach einem der oben beschriebenen Verfahren durch und gibt das Ergebnis des Vergleichs aus.

Claims

Verfahren zum Vergleich eines Testfingerabdrucks mit einem gespeicherten Referenzfingerabdruck mit den Schritten: – Bereitstellen einer Bildstreifensequenz des Testfingerabdrucks, wobei die Bildstreifen unterschiedliche Bereiche des Testfingerabdrucks wiedergeben, – Bereitstellen des Referenzfingerabdrucks, – Ermittlung von Einzelabstandswerten zwischen jeweils einem Bildstreifen des Testfingerabdrucks und zumindest einem Abschnitt des Referenzfingerabdrucks mittels einer Abstandsfunktion und – Ermittlung eines Gesamtabstandswerts aus den Einzelabstandswerten, wobei der Gesamtabstandswert ein Maß für die Ähnlichkeit zwischen dem Testfingerabdruck und dem Referenzfingerabdruck ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzfingerabdruck in einer Bildstreifensequenz bereitgestellt wird, wobei die Bildstreifen Abschnitte des Referenzfingerabdrucks bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Gesamtabstandswerts eine Funktion, insbesondere eine Summenfunktion unter Verwendung der Einzelabstandswerte, berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Gesamtabstandswerts der Viterbi-Algorithmus angewendet wird.
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich des Testfingerabdrucks mit mehreren Referenzfingerabdrücken erfolgt und über den ermittelten Gesamtabstandswerten eine Minimum-Entscheidung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Gesamtabstandswerte mit einem Schwellwert verglichen werden und, falls der Gesamtabstandswert in einer definierten Relation zu dem Schwellwert liegt, eine Identität zwischen dem Testfinger und dem Referenzfinger angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bereitgestellten Bildstreifen des Testfingerabdrucks nicht-überlappend oder teilüberlappend sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Einzelabstandswerten eine Zuordnungsfunktion zwischen den Bildstreifen des Testfingerabdrucks und Abschnitten des Referenzfingerabdrucks berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelabstandswerte durch die Korrelation, insbesondere die normalisierte Korrelation zwischen den Bildstreifen des Testfingerabdrucks und Abschnitten des Referenzfingerabdrucks berechnet werden.
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildstreifen des Testfingerabdrucks in Bildzeilen zerlegt werden, zwischen denen und dem zumindest einen Abschnitt des Referenzfingerabdrucks Einzelabstandswerte ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß – jeweils ein Bildstreifen vor Ermittlung eines Einzelabstandswerts in Bildzeilen zerlegt wird, – dann pro Bildzeile ein Abstandswert ermittelt wird, – aus denen der Einzelabstandswert für den Bildstreifen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Einzelabstandswerts eines Bildstreifens aus den Abstandswerten der Bildzeilen der Viterbi-Algorithmus angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildstreifen des Testfingers durch einen streifenförmigen Fingerprintsensor aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Bildaufnahme eine bildaufbereitende Vorverarbeitung der Bildstreifen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Ähnlichkeit zwischen Bildstreifen und Abschnitten des Referenzfingerabdruck fingerabdruckspezifische Merkmale aus den Bildstreifen und den Abschnitten des Referenzfingerabdrucks ermittelt werden und die Ermittlung der Ähnlichkeit anhand dieser Merkmale erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereitstellung des Referenzfingerabdrucks in den Speicher in Form der fingerabdruckspezifischen Merkmale erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelabstandswerte durch Berechnung des euklidschen Abstands von Merkmalsvektoren der Bildstreifen ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch Merkmale mehrerer Aufnahmen eines Referenzfingerabdrucks ein Hidden-Markov-Modell trainiert wird und der Vergleich eines Testfingerabdrucks anhand seiner Merkmale gegenüber dem Hidden-Markov-Modell des Referenzfingerabdrucks erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich unter Verwendung des Viterbi-Algorithmus erfolgt.
Vorrichtung zur Erkennung von Fingerabdrücken mit – einem streifenförmigen Fingerabdrucksensor (51) zur Aufnahme von Bildstreifen eines Testfingers und – einem Speicher (53) zur Speicherung von Referenzfingerabdrücken, gekennzeichnet durch eine Vergleichsvorrichtung (52), die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 eingerichtet ist.