DE19936400A1 - Verfahren zur biometrischen Erkennung - Google Patents

Abstract

Aus mehreren Bildern biometrischer Erkennungsmerkmale, die durch elektronisch arbeitende Sensoren erfaßt werden, wird durch Mittelung ein bestes Referenzbild erzeugt und zum Vergleich abgespeichert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur biome­ trischen Erkennung mittels elektronischer Hilfsmittel, insbe­ sondere Fingerabdrucksensoren.

Bei Verfahren zur biometrischen Erkennung werden personenspe­ zifische Daten mittels eines geeigneten Sensors erfaßt und durch elektronische Schaltungen ausgewertet. Erfaßte Daten werden mit Referenzdaten verglichen, die Auskunft darüber ge­ ben, welche Identität die betreffende Person besitzt oder welchem speziellen Personenkreis sie angehört. Problematisch bei den biometrischen Erkennungsverfahren ist, daß die Erken­ nungsmerkmale gewissen natürlichen Schwankungen unterworfen sind, die die für das Verfahren verwendete Vorrichtung elimi­ nieren muß. Das Verfahren zur biometrischen Erkennung muß entsprechend ausgestaltet sein, so daß Schwankungen der er­ faßten Daten innerhalb bestimmter unvermeidbarer Toleranzen eine korrekte Erkennung mit zumindest sehr hoher Trefferwahr­ scheinlichkeit nicht verhindern.

Bei der biometrischen Erkennung mittels eines Fingerabdrucks wird der Fingerabdruck einer Person mittels eines Fingerab­ drucksensors erfaßt, ausgewertet und als Referenzfingerab­ druck gespeichert. Die Personenerkennung wird dann in der Weise durchgeführt, daß erneut ein Fingerabdruck mittels ei­ nes Sensors erfaßt wird und dieser Fingerabdruck, nach Bedarf jeweils geeignet verarbeitet, mit dem abgespeicherten Refe­ renzfingerabdruck verglichen wird. Dieser Vergleich liefert nur unzureichende Ergebnisse, wenn der Referenzfingerabdruck Fehler aufweist, die zum Beispiel zustandekommen, wenn die Oberfläche der Fingerbeere bei der Aufnahme des Fingerab­ drucks Beschädigungen aufwies oder die Fingerbeere nicht in richtiger Ausrichtung auf dem Fingerabdrucksensor aufgelegt war. Werden mehrere Referenzbilder verwendet, muß ein aktuell aufgenommenes Bild, zum Beispiel des Fingerabdrucks, mit der Vielzahl von Referenzbildern verglichen werden. Danach wird ermittelt, mit welchen Referenzbildern eine ausreichende Übereinstimmung existiert und ob diese Übereinstimmung für eine Erkennung der betreffenden Person ausreicht. Der Rechen­ aufwand bei diesem Verfahren steigt mit der Anzahl der ver­ wendeten Referenzbilder drastisch an.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur biometrischen Erkennung anzugeben, das auch bei Schwankungen der biometrischen Erkennungsmerkmale ohne allzu großen Mehr­ aufwand eine zuverlässige Erkennung anhand dieser Merkmale ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab­ hängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Referenzbild der biometrischen Erkennungsmerkmale generiert, indem eine Mehr­ zahl von Referenzbildern zunächst erfaßt und daraufhin ein unter Berücksichtigung vorgegebener Qualitätsmerkmale beson­ ders geeignetes Referenzbild bestimmt und abgespeichert wird. Die Erzeugung dieses optimierten Referenzbildes geschieht durch Auswahl eines Bildes aus einer Mehrzahl erfaßter Bilder oder durch Mittelung über eine Mehrzahl erfaßter Bilder oder durch Auswahl einer bestimmten Anzahl erfaßter Bilder und an­ schließender Mittelung über diese Bilder.

Die Vorgehensweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im folgenden am Beispiel der biometrischen Erkennung anhand des Fingerabdrucks erläutert. Als signifikante Bildpunkte sind bei einem Fingerabdruck vorrangig die sogenannten Minu­ tien von Interesse, die typische Verzweigungsstellen der Ste­ ge und Furchen (Fingerlinien) der Oberfläche der Fingerbeere darstellen.

Bei einem typischen Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird aus einer Mehrzahl aufgenommener Bilder ein in gewisser Hin­ sicht bestes Bild ausgewählt. Diese Auswahl erfolgt vorzugs­ weise durch die elektronische Schaltung oder das Programm, das das von einem biometrischen Sensor (zum Beispiel Finger­ abdrucksensor) gelieferte Meßsignal in Form elektrischer Si­ gnale erfaßt und weiterverarbeitet. Die als Maßstab für diese Auswahl zugrundeliegenden Qualitätsmerkmale können zum Bei­ spiel die Anzahl vorhandener signifikanter Bildpunkte, insbe­ sondere der Minutien eines Fingerabdruckes, die verschiedenen Anzahlen verschiedener solcher signifikanter Bildpunkte, die flächenmäßige Ausdehnung des Bildes (Flächeninhalt) ein ge­ eignet vorgegebenes Strukturmaß oder auch der Rauschpegel in der Schaltung, der ein Maß für die genaue Bestimmbarkeit des Bildes darstellt, sein. Beim Auflegen einer Fingerbeere auf einen Fingerabdrucksensor können so zum Beispiel kurz hinter­ einander mehrere Bilder erfaßt werden, aus denen jeweils die Minutien des betreffenden Fingerabdruckes extrahiert werden. Mittels der nachgeschalteten Auswerteelektronik des Sensors können dann bestimmte Minutien der einzelnen Bilder einander zugeordnet werden im Sinne einer Identifikation dieser Minu­ tien in den verschiedenen Bildern. Nachdem diese Einteilung der Minutien vorgenommen worden ist, kann ein Histogramm be­ stimmt werden, das die jeweiligen Anzahlen aller Vorkommen der jeweiligen Minutien in den Bildern wiedergibt. Eines der erfaßten Bilder, das zum Beispiel alle diejenigen Minutien enthält, die gemäß dem Histogramm in den untersuchten Bildern in einer gewissen Mindestanzahl vorkommen, kann dann zum Bei­ spiel als Referenzbild ausgewählt werden. Alternativ ist es möglich, ein Referenzbild zu generieren, indem dieses Bild aus allen Minutien oder ähnlichen signifikanten Bildpunkten zusammen mit ihrer Lage im Bild zusammengesetzt wird, wobei nur diejenigen signifikanten Bildpunkte herangezogen werden, die in einer vorgegebenen Mindestanzahl in den Bildern auf­ treten.

Bei der zweiten genannten Möglichkeit einer Mittelung über die aufgenommenen Bilder werden die Bilder in geeigneter Wei­ se zur Deckung gebracht, so daß ein Mittelwert sämtlicher Bilder erzeugt werden kann. Schwankungen in der Ausprägung der einzelnen Erkennungsmerkmale von Bild zu Bild können auf diese Weise so gemittelt werden, daß aus dem gemittelten Re­ ferenzbild die Erkennungsmerkmale in eindeutiger Weise extra­ hiert werden können.

Wesentliche Erkennungsmerkmale bei Verfahren der biometri­ schen Erkennung sind oftmals signifikante Bildpunkte der auf­ genommenen Bilder, wie sie insbesondere bei einem Fingerab­ drucksensor durch die Minutien gegeben sind. Um eine geeigne­ te Auswahl oder Mittelung des Referenzbildes entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren vornehmen zu können, müssen die jeweiligen Schwankungen im Auftreten derartiger signifikanter Bildpunkte eliminiert werden. Zu diesem Zweck ist es erfor­ derlich, die signifikanten Bildpunkte, die in verschiedenen aufgenommenen Bildern einander entsprechen, einander zuzuord­ nen. Einander entsprechende Bildpunkte können identifiziert werden anhand ihrer Lage im Bild (Koordinaten), anhand ihrer relativen Lage zueinander (Winkel der Verbindungsstrecken zwischen zwei signifikanten Bildpunkten und einem festen Bildpunkt) oder der Qualität ihrer Ausprägung (Grauwert, Kon­ turenschärfe oder dergleichen). Treten einander entsprechende signifikante Bildpunkte in mehreren Bildern auf, so kann über diese Bildpunkte gemittelt werden. Diese Mittelung kann die Lage der Bildpunkte oder die Qualität ihrer Ausprägung be­ treffen. Die genaue Ausgestaltung der Mittelung hängt von der Art der biometrischen Erkennung, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, ab. Ziel der Mittelung ist in je­ dem Fall, ein Referenzbild zu erzeugen, von dem anzunehmen ist, daß bei einer nachträglichen biometrischen Erkennung ein aktuell aufgenommenes Bild bestmöglich mit dem Referenzbild verglichen werden kann. Ein Referenzfingerabdruckbild sollte zum Beispiel Minutien als signifikante Bildpunkte enthalten, die so angeordnet und ausgeprägt sind, daß mit hoher Wahr­ scheinlichkeit ein Vergleich mit diesem Referenzbild eine zu­ verlässige Erkennung der Person ermöglicht. Die Minutien sollten in dem Referenzbild zum Beispiel so angeordnet sein, daß die Minutien, die in nachfolgend erfaßten Fingerabdruck­ bildern enthalten sind, statistisch in der Nähe der Minutien dieses Referenzbildes verteilt sind.

Je nach gewünschter Zuverlässigkeit und spezifischen Eigen­ schaften der biometrischen Erkennung, die dem Verfahren zu­ grundeliegt, können unterschiedliche Kriterien ausgewählt werden, nach denen die Mittelung zur Gewinnung des Referenz­ bildes erfolgt. Zum Beispiel können alle diejenigen signifi­ kanten Bildpunkte ausgewählt werden, die in jedem der aufge­ nommenen Referenzbilder auftreten. Da diese signifikanten Bildpunkte gewisse Schwankungen untereinander aufweisen, wird eine Mittelung durchgeführt, die die Eigenschaften dieser si­ gnifikanten Bildpunkte auf Mittelwerte festlegt. Signifikante Bildpunkte, die nicht in jedem aufgenommenen Referenzbild auftreten, sondern nur in einer gewissen Anzahl, können ge­ mittelt in das Referenzbild übernommen werden, sofern sie zum Beispiel in einer vorgegebenen Mindestanzahl auftreten. Diese signifikanten Bildpunkte können zusätzlich mit einem Gewich­ tungsfaktor versehen werden, der angibt, welchen Grad an Si­ gnifikanz die Bildpunkte aufweisen. Bei der biometrischen Er­ kennung wird einer fehlenden Übereinstimmung des aktuell auf­ genommenen Bildes mit dem abgespeicherten Referenzbild an den Bildpunkten niedriger Signifikanz nur eine geringe Bedeutung beigemessen. So können also zum Beispiel bei einem Fingerab­ druck relativ schwierig reproduzierbare Minutien in dem Refe­ renzbild zwar abgespeichert sein, aber mit einem Gewichtungs­ faktor versehen sein, der niedrig gewählt ist, so daß eine Übereinstimmung eines aktuell aufgenommenen Bildes mit dem abgespeicherten Referenzbild an dieser Stelle für eine Iden­ tifikation oder Verifikation nicht zwingend erforderlich ist. Eine nach vorgegebenen Kriterien durchgeführte gewichtete Mittelung signifikanter Bildpunkte kann vor der Auswahl oder Synthese eines Referenzbildes erfolgen oder anhand und auf der Grundlage eines über mehrere aufgenommene Bilder zum Bei­ spiel grauwertbasiert gemitteltes Bild, das durch die Mittei­ lung der signifikanten Bildpunkte zu einem Referenzbild opti­ miert werden soll.

Claims (4)

1. Verfahren zur biometrischen Erkennung anhand mittels elek­ tronischer Sensoren erfaßter Bilder,
bei dem in einem ersten Schritt mehrere Bilder biometrischer Erkennungsmerkmale durch mindestens einen elektronisch arbei­ tenden Sensor erfaßt werden,
bei dem in einem zweiten Schritt anhand vorgegebener Quali­ tätsmerkmale aus diesen Bildern ein Referenzbild generiert wird und
bei dem in einem dritten Schritt eine biometrische Erkennung durchgeführt wird, indem mindestens ein Bild der biometri­ schen Erkennungsmerkmale erfaßt wird und daraus hervorgehende Ausprägungen dieser Erkennungsmerkmale mit Ausprägungen die­ ser Erkennungsmerkmale verglichen werden, die aus dem Refe­ renzbild hervorgehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in dem zweiten Schritt die in dem ersten Schritt er­ faßten Bilder unter Verwendung elektronischer Schaltungen und/oder Programme im Hinblick auf vorgegebene Qualitätsmerk­ male verglichen werden und ein gemäß einer vorgegebenen Ge­ wichtung dieser Qualitätsmerkmale bestes Bild als Referenz­ bild ausgewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in dem zweiten Schritt die in dem ersten Schritt er­ faßten Bilder oder eine ausgewählte Anzahl der in dem ersten Schritt erfaßten Bilder gemittelt werden, wobei einander ent­ sprechende Ausprägungen der biometrischen Erkennungsmerkmale einander zugeordnet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Qualitätsmerkmale eines oder mehrerer aus der Gruppe von

• - Anzahl signifikanter Bildpunkte,
• - Anzahl von Minutien eines Fingerabdruckes,
• - Verteilung der Anzahlen verschiedener signifikanter Bild­ punkte,
• - Verteilung der Anzahlen verschiedener Minutien eines Fin­ gerabdruckes,
• - Flächeninhalt des Bildes,
• - vorgegebenes Strukturmaß und
• - Pegel eines elektrotechnisch definierten Rauschens in der elektronischen Bilderzeugung sind.