DE202020005521U1 - Device for contactless optical imaging of a selected surface area of a hand - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur berührungslosen optischen Abbildung eines ausgewählten Oberflächenbereiches einer Hand eines Nutzers, mit
- einem Gehäuse (4) in dem eine Bilderfassungseinheit (1), enthaltend eine Hauptkamera (1.1) mit einer optischen Achse (1.0) und eine Beleuchtungseinheit (2), untergebracht ist,
- einer Steuer- und Recheneinheit (3),
- einer Ausgabeeinheit (7),
- einem außerhalb des Gehäuses (4) angeordneten, über ein Gestell (8) mit dem Gehäuse (4) verbunden Rahmen (5), mit Rändern (5.1) die eine einseitig offene Aussparung (6) begrenzen, die frontal zu einer Nutzerposition des Nutzers geöffnet ist und in der der Oberflächenbereich, eine Ist-Position einnehmend, durch den Nutzer zu positionieren ist, wobei innerhalb des Rahmens (5) eine Objektebene (1.3) der Hauptkamera (1.1) mit einem Tiefenschärfebereich (1.2) angeordnet ist, in dem sich eine Soll-Position für den Oberflächenbereich befindet, dadurch gekennzeichnet, dass
- entweder ein erstes aktives Mittel zur Lokalisierung der Ist-Position in axialer Richtung der optischen Achse (1.0) und ein zweites aktives Mittel zur Lokalisierung der Ist-Position in radialer Richtung der optischen Achse (1.0)
- oder ein universales aktives Mittel zur Lokalisierung der Ist-Position in axialer und in radialer Richtung der optischen Achse (1.0) vorhanden sind, um die Ist-Position bezogen auf die optische Achse (1.0) in axialer Richtung und in radialer Richtung zu lokalisieren, den Nutzer mittels der Ausgabeeinheit (7) iterativ zu führen, den Oberflächenbereich in axialer und radialer Richtung von der Ist-Position zur Soll-Position zu bewegen, sodass wenigstens ein Bild von dem Oberflächenbereich in der Soll-Position mittels der Hauptkamera (1.1) aufnehmbar ist.
Device for contactless optical imaging of a selected surface area of a hand of a user, with
- A housing (4) in which an image acquisition unit (1) containing a main camera (1.1) with an optical axis (1.0) and an illumination unit (2) is accommodated,
- a control and computing unit (3),
- an output unit (7),
- A frame (5) arranged outside the housing (4) and connected to the housing (4) via a frame (8), with edges (5.1) delimiting a recess (6) that is open on one side and facing a user position of the user is open and in which the surface area, occupying an actual position, is to be positioned by the user, an object plane (1.3) of the main camera (1.1) with a depth of field (1.2) being arranged within the frame (5), in which a target position for the surface area is located, characterized in that
- Either a first active means for localizing the actual position in the axial direction of the optical axis (1.0) and a second active means for localizing the actual position in the radial direction of the optical axis (1.0)
- or a universal active means for localizing the actual position in the axial and radial direction of the optical axis (1.0) are available in order to localize the actual position in relation to the optical axis (1.0) in the axial direction and in the radial direction, to guide the user iteratively by means of the output unit (7) to move the surface area in the axial and radial direction from the actual position to the target position, so that at least one image of the surface area in the target position can be recorded by the main camera (1.1) is.
Description
Mit dem Ausbruch des Corona-Virus (SARS-CoV-2) Ende 2019/Anfang 2020 ist eine globale Krise ausgelöst worden. Das Virus ist extrem ansteckend und über Tröpfchen- und Schmierinfektionen übertragbar. Drehscheiben für die Virusübertragung sind dabei u.a. internationale Flughäfen. Hier werden seit geraumer Zeit zur Identifikation der Fluggäste zunehmend mehr Fingerabdruckscanner eingesetzt. Die erste Generation von Fingerabdruckscannern waren kontaktbasierte Geräte, bei denen eine Hand, einzelne Finger, alle Finger ein oder beide Daumen (biometrisches Objekt) auf eine transparente Benutzeroberfläche gelegt wurde. Um bei der Verwendung derartiger Geräte in einer virologisch unsicheren Zeit Schmierinfektionen zu vermeiden, muss nach der Benutzung durch eines jeden Nutzers die Benutzeroberfläche gereinigt werden, was die permanente Mitwirkung eines weiteren Nutzers erforderlich macht. Bei Geräten, die über eine automatisierte interaktive Nutzerführung verfügen, muss grundsätzlich für die sachgerechte Nutzung des Gerätes keine weitere Person anwesend sein, sodass hier durch die Notwendigkeit der regelmäßigen Reinigung der Benutzeroberfläche eine zusätzliche Arbeitskraft notwendig wird.The outbreak of the corona virus (SARS-CoV-2) at the end of 2019 / beginning of 2020 triggered a global crisis. The virus is extremely contagious and can be transmitted via droplet and smear infections. The hubs for virus transmission include international airports. For some time now, more and more fingerprint scanners have been used to identify passengers. The first generation of fingerprint scanners were contact-based devices in which one hand, individual fingers, all fingers, one or both thumbs (biometric object) were placed on a transparent user interface. In order to avoid smear infections when using such devices in a virologically uncertain time, the user interface must be cleaned by each user after use, which requires the permanent cooperation of another user. In the case of devices that have automated interactive user guidance, no other person needs to be present to use the device properly, so that the need for regular cleaning of the user interface means that additional workers are required.
Bei einer neuen, kontaktlosen Generation von optischen Fingerabdruckscannern, basierend auf einer strukturierten Beleuchtung, wird das biometrische Objekt nicht mehr aufgelegt, sondern wird in einem virtuellen Objektbereich des optischen Systems des Gerätes angeordnet.In the case of a new, contactless generation of optical fingerprint scanners based on structured lighting, the biometric object is no longer placed, but is arranged in a virtual object area of the optical system of the device.
Der Begriff Fingerabdruckscanner hat sich als ein Gattungsbegriff für die Geräte eingebürgert, bei denen biometrische Objekte, im Sinne von Hautstrukturen von Fingern, nachfolgend als Oberflächenbereiche bezeichnet, optisch erfasst werden. Dabei ist es egal ob das betreffende Gerät für alle oben genannten biometrischen Objekte oder für nur eines oder einen Teil davon ausgelegt ist. Es ist auch egal wie das erfasste Bild des biometrischen Objektes erzeugt wird, z. B. in dem das Objekt gescannt oder im Ganzen abgebildet wird. Der Begriffsbestandteil Abdruck ist historisch begründet. Er steht hier für jede Art von Bild des biometrischen Objektes, unabhängig davon, ob das Objekt während der Erfassung auf eine Bedienoberfläche gedrückt oder berührungslos in einem virtuellen Objektbereich (oft auch Scanbereich genannt) angeordnet ist.The term fingerprint scanner has become a generic term for devices in which biometric objects, in the sense of skin structures of fingers, hereinafter referred to as surface areas, are optically captured. It does not matter whether the device in question is designed for all of the above-mentioned biometric objects or for only one or a part of them. It also does not matter how the captured image of the biometric object is generated, e.g. B. in which the object is scanned or mapped as a whole. The term imprint is historically justified. It stands for every type of image of the biometric object, regardless of whether the object is pressed onto a user interface during acquisition or is arranged in a contactless manner in a virtual object area (often also called a scan area).
Die größte Herausforderung bei den berührungslosen Fingerabdruckscannern besteht darin die Hand in dem virtuellen Objektbereich korrekt zu positionieren, so dass ein Bild hoher Auflösung erzeugt werden kann. Dabei soll der Nutzer automatisiert interaktiv geführt werden.The greatest challenge with the contactless fingerprint scanners is to position the hand correctly in the virtual object area so that a high resolution image can be generated. The user should be guided automatically and interactively.
In der
Aus der
Zur Positionierung der Hand weißt die Vorrichtung einen Schlitz auf in dem die rechte oder linke Hand eingeführt wird. Der Schlitz schließt ein Scanvolumen ein in dem die Hand vor einem Hintergrund positioniert wird der als Referenzebene wirkt. An dieser Referenzebene sind Positionierstifte vorhanden die die korrekte Positionierung der Hand innerhalb des Scanvolumens unterstützen, so dass die Fingeroberfläche in dem vorgegebenen Abstand zu dem Projektor und der oder den Kameras in einer Objektebene positioniert wird. Die Anordnung der Positionierstifte ist hier für die Soll-Position der Hand bestimmend.To position the hand, the device has a slot in which the right or left hand is inserted. The slot encloses a scan volume in which the hand is positioned in front of a background that acts as a reference plane. At this reference plane there are positioning pins which support the correct positioning of the hand within the scan volume, so that the finger surface is positioned at the specified distance from the projector and the camera or cameras in an object plane. The arrangement of the positioning pins is decisive for the target position of the hand.
Es ist in der vorgenannten
Nachteilig an der hier offenbarten Vorrichtung ist insbesondere, dass die Positionierung der Hand erfolgt, indem diese in Kontakt mit den Positionierstiften gebracht wird. Eine Methode, bei der berührungslos die Fingeroberfläche in einer virtuellen Ebene gehalten und optisch erfasst wird, lässt sich insbesondere dort und dann vorteilhaft anwenden, wo ein Hautkontakt unerwünscht ist. Durch die Positionierung der Hand an Positionierstiften, wird der sich aus der kontaktfreien Erfassung der Fingeroberfläche für den Nutzer ergebende Vorteil, nämlich, dass er mit nichts in Berührung kommt und somit keinen Hautkontakt mit irgendwelchen Oberflächen hat, zunichtegemacht.A particular disadvantage of the device disclosed here is that the hand is positioned by bringing it into contact with the positioning pins. A method in which the finger surface is held in a virtual plane in a non-contact manner and is optically detected can be used particularly where and then advantageously where skin contact is undesirable. By positioning the hand on the positioning pins, the advantage of the contact-free detection of the finger surface for the user, namely that he does not come into contact with anything and therefore has no skin contact with any surfaces, is nullified.
Aus der
Die Erfassungsvorrichtung umfasst ein Elektronikfach indem alle Hardwarekomponenten einschließlich einer Lichtquelle und einer Kamera untergebracht sind und eine Gehäuseführung die einen Bilderfassungsbereich einschließt. Ein Objekt, z.B. eine Hand, welches exakt im Bilderfassungsbereich positioniert ist kann mit höchster Qualität von der Kamera aufgenommen werden. Es werden verschiedene Ausführungen für die Gehäuseführung angegeben, mit denen eine exakte Positionierung möglich gemacht wird, ohne dass das zu positionierende Objekt mit der Gehäuseführung in Berührung kommt. Grundsätzlich ist an der Gehäuseführung ein Kragen ausgebildet, der den Bilderfassungsbereich bis auf eine Eintrittslücke umschließt. Der Kragen stellt einen visuellen Indikator zur groben Positionierung dar. Das heißt der Nutzer, der seine Hand in den Bilderfassungsbereich führt, wird so die Hand bereits aus der richtigen Richtung und in ein enges Raumvolumen um den Bilderfassungsbereich bewegen. Vorteilhaft soll die Gehäuseführung einen Platzindikator enthalten. Der Platzindikator kann einen Sensor zur Erfassung der Position des Objektes und einen Ausgang zum Signalisieren der korrekten Position des abzubildenden Objektes aufweisen. Aus der Offenbarung, dass die Lokalisierung der Hand mit wenigstens einem IR-Sensor erfolgen kann, lässt sich ableiten, dass hier die korrekte Position nur bezogen auf eine axiale Richtung gemeint sein kann. Die Ausgabe kann z. B. ein blinkendes farbiges Licht sein, dessen Farbe oder Blinkfrequenz sich ändern kann. Die Ausgabe kann auch die Anzeige eines geeigneten Bildsymbols sein, das dem Nutzer visuelle Anweisung für jeden Schritt der Bilderfassung bereitstellt. Das Bildsymbol kann z. B. zuerst eine rechte Hand, dann eine linke Hand und dann die Daumen des Nutzers anzeigen. Die Ausgabe kann auch eine Audiosignaländerung sein. Der Platzindikator kann auch eine grafische Anzeigevorrichtung sein die Bilder und / oder bewegte Bilder darstellt. Die Bilder können Texte, Symbole oder andere grafischen Elemente sein. Der Platzindikator kann mit einem oder mehreren im Elektronikfach vorhandenen Infrarotsensoren verbunden sein. Über die am Objekt zurück reflektierte IR-Strahlung wird festgestellt ob ein Objekt in den Bilderfassungsbereich eingetreten ist, was über eine vertikale Bewegung innerhalb des Kragens erfolgt. Überschreitet das durch die reflektierte Strahlung gebildete Signal einen vorgegebenen Schwellwert ist die Hand im Bilderfassungsbereich angekommen und die Steuerung im Elektronikfach löst die Lichtquelle und die Kamera aus. Während der Bilderfassung wird der Infrarotsensor deaktiviert, um Fremdlichteinflüsse bei der Bilderfassung zu vermeiden.The detection device comprises an electronics compartment in which all hardware components including a light source and a camera are accommodated and a housing guide which includes an image detection area. An object, e.g. a hand, which is positioned exactly in the image capture area can be recorded by the camera with the highest quality. Various designs for the housing guide are specified, with which an exact positioning is made possible without the object to be positioned coming into contact with the housing guide. Basically, a collar is formed on the housing guide, which surrounds the image capture area except for an entry gap. The collar represents a visual indicator for rough positioning. This means that the user who puts his hand into the image capture area will move his hand from the right direction and into a narrow space around the image capture area. The housing guide should advantageously contain a space indicator. The place indicator can have a sensor for detecting the position of the object and an output for signaling the correct position of the object to be imaged. From the disclosure that the hand can be localized with at least one IR sensor, it can be deduced that the correct position can only be meant here in relation to an axial direction. The output can e.g. B. be a flashing colored light, the color or flashing frequency can change. The output can also be the display of a suitable icon that provides the user with visual instructions for each step of the image capture. The icon can e.g. B. first show a right hand, then a left hand, and then the user's thumbs. The output can also be an audio signal change. The space indicator can also be a graphic display device that displays images and / or moving images. The images can be texts, symbols or other graphic elements. The space indicator can be connected to one or more infrared sensors present in the electronics compartment. The IR radiation reflected back on the object is used to determine whether an object has entered the image capture area, which takes place via a vertical movement within the collar. If the signal formed by the reflected radiation exceeds a predetermined threshold value, the hand has reached the image capture area and the control in the electronics compartment triggers the light source and the camera. The infrared sensor is deactivated during image acquisition in order to avoid the influence of extraneous light during image acquisition.
Nachteilig an einer Erfassungsvorrichtung gemäß der vorgenannten
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, die geeignet ist die in einem Rahmen in einer Ist-Position gehaltene Hand eines Nutzers zu lokalisieren und den Nutzer aktiv zu führen bis seine Hand nicht nur axial, sondern auch radial in einer Soll-Position ankommt.The object of the invention is to create a device which is suitable for localizing the hand of a user held in a frame in an actual position and actively guiding the user until his hand is not only axially but also radially in a desired position arrives.
Vorteilhaft soll nicht nur wenigstens ein Bild von einem Oberflächenbereich der Hand in der Soll-Position aufgenommen werden, sondern auch erkannt werden, ob es sich bei der Hand um eine natürliche Hand handelt.Advantageously, not only should at least one image of a surface area of the hand be recorded in the desired position, but it should also be recognized whether the hand is a natural hand.
Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung zur optischen Abbildung eines ausgewählten Oberflächenbereiches einer Hand eines Nutzers, mit einem Gehäuse in dem eine Bilderfassungseinheit, enthaltend eine Hauptkamera mit einer optischen Achse und eine Beleuchtungseinheit, untergebracht ist, einer Steuer- und Recheneinheit, einer Ausgabeeinheit, einem außerhalb des Gehäuses angeordneten, über ein Gestell mit dem Gehäuse verbundenen Rahmen mit Rändern, die eine einseitig offene Aussparung begrenzen, die frontal zu einer Nutzerposition des Nutzers geöffnet ist und in der der Oberflächenbereich durch den Nutzer positioniert wird, eine Ist-Position einnehmend, wobei innerhalb des Rahmens eine Objektebene der Hauptkamera mit einem Tiefenschärfebereich angeordnet ist, in dem sich eine Soll-Position für den Oberflächenbereich befindet, gelöst.The object is for a device for the optical imaging of a selected surface area of a hand of a user, with a housing in which an image acquisition unit containing a main camera with an optical axis and a lighting unit is accommodated, a control and computing unit, an output unit, an outside the housing arranged, via a frame with the housing connected frame with edges that limit a recess open on one side, which is open frontally to a user position of the user and in which the surface area is positioned by the user, an actual position occupying, with an object plane of the main camera with a depth of field in which a target position for the surface area is located is arranged within the frame.
Es ist erfindungswesentlich, dass ein erstes aktives Mittel zur Lokalisierung der Ist-Position in axialer Richtung der optischen Achse und ein zweites aktives Mittel zur Lokalisierung der Ist-Position in radialer Richtung der optischen Achse vorhanden ist, oder dass ein universales aktives Mittel zur Lokalisierung der Ist-Position in axialer und in radialer Richtung der optischen Achse vorhanden ist. In dem auch in radialer Richtung eine aktive Lokalisierung erfolgt, kann auch eine aktive Führung in radialer Richtung in die Soll-Position erfolgen. Der Rahmen dient somit nur der Grobpositionierung, weshalb die Aussparung deutlich größer als das Objektfeld der Hauptkamera ausgeführt werden kann, womit Berührungen des Rahmens sicher vermieden werden und das Objektfeld nicht größer als eine breite Hand ausgeführt werden muss, was einer schnellen Bildverarbeitung entgegenkommt.It is essential to the invention that there is a first active means for localizing the actual position in the axial direction of the optical axis and a second active means for localizing the actual position in the radial direction of the optical axis, or that a universal active means for localizing the Actual position is present in the axial and radial directions of the optical axis. In that active localization also takes place in the radial direction, active guidance can also take place in the radial direction into the desired position. The frame is therefore only used for rough positioning, which is why the recess can be made significantly larger than the object field of the main camera, which means that contact with the frame is reliably avoided and the object field does not have to be made larger than a broad hand, which is beneficial for fast image processing.
Vorteilhaft enthält das universale aktive Mittel eine Hilfskamera, die im Vergleich zur Hauptkamera ein größeres Objektfeld und eine geringere Auflösung aufweist, wobei das Objektfeld der Hilfskamera und das Objektfeld der Hauptkamera in der Objektebene der Hauptkamera liegen.The universal active means advantageously contains an auxiliary camera which, compared to the main camera, has a larger object field and a lower resolution, the object field of the auxiliary camera and the object field of the main camera being in the object plane of the main camera.
Alternativ ist es vorteilhaft, wenn das zweite aktive Mittel mindestens einen ersten Abstandssensor enthält, der parallel zur Objektebene abstrahlt, oder das universelle aktive Mittel mindestens einen ersten Abstandssensor und mindestens einen zweiten Abstandssensor, der unter einem Winkel ungleich 0° zu dem wenigstens einen ersten Abstandssensor abstrahlt, enthält.Alternatively, it is advantageous if the second active means contains at least one first distance sensor that emits parallel to the object plane, or the universal active means contains at least one first distance sensor and at least one second distance sensor that is at an angle not equal to 0 ° to the at least one first distance sensor emits, contains.
Es ist auch von Vorteil, wenn das zweite aktive Mittel zwei erste Lichtschranken enthält, die ein erstes Lichtstrahlenpaar bilden und in oder parallel zur Objektebene abstrahlend, einen Winkel ungleich Null miteinander einschließend, spiegelsymmetrisch zu einer durch die optische Achse verlaufende Parallelen zu einer Einführrichtung der Hand angeordnet sind.It is also advantageous if the second active means contains two first light barriers that form a first pair of light beams and emit in or parallel to the object plane, enclosing an angle not equal to zero with one another, mirror-symmetrical to a parallel running through the optical axis to an insertion direction of the hand are arranged.
Das zweite aktive Mittel oder das universelle aktive Mittel können auch jeweils vorteilhaft ein Projektor sein, der auf einer der Hauptkamera abgewandten Seite der Objektebene angeordnet ist und ein Muster in die Aussparung projiziert.The second active means or the universal active means can each advantageously also be a projector which is arranged on a side of the object plane facing away from the main camera and projects a pattern into the recess.
Die Ausgabeeinheit ist vorzugsweise ein Display.The output unit is preferably a display.
Die Ausgabeeinheit kann zweckmäßig einen Ultraschallgeber enthalten, der geeignet ist haptisch wahrnehmbare Druckpunkte auf einer virtuellen Ebene, welche der Soll-Position in axialer Richtung entspricht, zu erzeugen, oder einen Druckluftgeber enthalten, mit einer flächenhaften Anordnung von Düsen, die in die Aussparung gerichtet sind.The output unit can expediently contain an ultrasound transmitter which is suitable for generating haptically perceptible pressure points on a virtual plane, which corresponds to the nominal position in the axial direction, or contain a compressed air transmitter with a planar arrangement of nozzles which are directed into the recess .
Zur optischen Abbildung eines ausgewählten Oberflächenbereiches einer Hand eines Nutzers, bei dem der ausgewählte Oberflächenbereich in eine vorgegebene Soll-Position, innerhalb eines Tiefenschärfebereiches um eine Objektebene einer Hauptkamera mit einer optischen Achse positioniert wird, wobei der Nutzer den zu erfassenden Oberflächenbereich in einen den Tiefenschärfebereich einschließenden Rahmen einführt und der Oberflächenbereich eine Ist-Position einnimmt, wird die Ist-Position in axialer Richtung bezogen auf die optische Achse lokalisiert und der Nutzer mittels einer Ausgabeeinheit iterativ geführt, um die Ist-Position der Hand zu ändern und den Oberflächenbereich in axialer Richtung zu der vorgegebenen Soll-Position zu bewegen, in der von dem Oberflächenbereich wenigstens ein Bild mit der Hauptkamera erzeugt wird. Es ist erfindungswesentlich, dass die Ist-Position auch in radialer Richtung bezogen auf die optische Achse lokalisiert wird und der Nutzer, iterativ geführt, den Oberflächenbereich auch in radialer Richtung in die vorgegebene Soll-Position bewegt.For the optical imaging of a selected surface area of a hand of a user, in which the selected surface area is positioned in a predetermined target position within a depth of field around an object plane of a main camera with an optical axis, the user enclosing the surface area to be recorded in a depth of field Frame and the surface area assumes an actual position, the actual position is localized in the axial direction in relation to the optical axis and the user is guided iteratively by means of an output unit in order to change the actual position of the hand and to increase the surface area in the axial direction to move the predetermined target position in which at least one image of the surface area is generated with the main camera. It is essential to the invention that the actual position is also localized in the radial direction in relation to the optical axis and the user, guided iteratively, moves the surface area also in the radial direction into the specified target position.
Vorteilhaft wird die Ist-Position wiederholt in axialer und radialer Richtung durch die Auswertung einer Vielzahl von zeitlich nacheinander aufgenommenen Bilder einer Hilfskamera lokalisiert, wobei die Bilder der Hilfskamera mit einer geringeren Auflösung erstellt werden, als sie das wenigstens eine mit der Hauptkamera aufgenommene Bild aufweist. Dabei werden vorteilhaft die mit einer geringeren Auflösung zeitlich nacheinander aufgenommenen Bilder untereinander verglichen und analysiert, ob die Bewegung zur Soll-Position hin durch Zitterbewegungen oder das Pulsieren von Blutgefäßen überlagert wird, um eine echte von einer unechten Hand zu unterscheiden.The actual position is advantageously localized repeatedly in the axial and radial directions by evaluating a large number of consecutive images of an auxiliary camera, the images of the auxiliary camera being created with a lower resolution than the at least one image recorded with the main camera. The images recorded one after the other with a lower resolution are advantageously compared with one another and analyzed to determine whether the movement towards the target position is superimposed by trembling movements or the pulsation of blood vessels in order to distinguish a real hand from a fake hand.
Es ist von Vorteil, wenn über die Ausgabeeinheit dem Nutzer Weisungen gegeben werden, die Handhaltung zu verändern, um aus dem Ablauf der Veränderung der Handhaltung gegebenenfalls auf eine natürliche Hand zu schließen.It is advantageous if the user is given instructions via the output unit to change the hand position in order to infer a natural hand from the course of the change in hand position.
Alternativ werden die Bilder der Hilfskamera vorteilhaft auf für eine natürliche Hand untypische Unstetigkeitsstellen oder Gradienten analysiert, um gegebenenfalls auf eine künstliche Hand zu schließen.Alternatively, the images from the auxiliary camera are advantageously analyzed for discontinuities or gradients that are untypical for a natural hand, in order, if necessary, to infer an artificial hand.
Auch ist es von Vorteil, den Oberflächenbereich mit Licht wenigstens einer Wellenlänge zu bestrahlen oder einen Messstrahl mit der wenigstens einen Wellenlänge auf den Oberflächenbereich zu richten. Dabei wird das Licht durch Blutgefäße in der Hand absorbiert, wobei bei Licht mit nur einer Wellenlänge eine räumliche Strukturierung im Bild entsprechend der Blutgefäßstruktur entsteht und bei Licht mit mehr als einer Wellenlänge das reflektierte Wellenlängenspektrum bzw. die Menge des an dem Oberflächenbereich reflektierten Lichtanteils analysiert wird, um gegebenenfalls auf eine natürliche Hand zu schließen.It is also advantageous to irradiate the surface area with light of at least one wavelength or to direct a measuring beam with the at least one wavelength onto the surface area. In doing so, the light is drawn in through blood vessels absorbed by the hand, with light with only one wavelength a spatial structuring in the image according to the blood vessel structure is created and with light with more than one wavelength the reflected wavelength spectrum or the amount of light reflected on the surface area is analyzed in order to identify a natural hand if necessary close.
Um gegebenenfalls auf eine künstliche Hand zu schließen, ist es auch von Vorteil, das mindestens eine Bild der Hauptkamera auf untypische Abstände von Bergen und Tälern in einer Papillarstruktur des Oberflächenbereiches zu analysieren.In order to infer an artificial hand, if necessary, it is also advantageous to analyze the at least one image from the main camera for atypical distances from mountains and valleys in a papillary structure of the surface area.
Zur iterativen Führung kann vorteilhaft in die Aussparung ein zweidimensionales Muster projiziert werden, und der Nutzer bewegt die Hand innerhalb des Rahmens bis das Muster auf der Rückseite der Hand vollständig und scharf abgebildet wird.For iterative guidance, a two-dimensional pattern can advantageously be projected into the recess, and the user moves the hand within the frame until the pattern is completely and sharply depicted on the back of the hand.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Abbildung des Musters in seiner Farbe oder in seiner Auflösung in Abhängigkeit von der Nähe zur Soll-Position verändert wird.It is advantageous if the image of the pattern is changed in its color or in its resolution depending on the proximity to the target position.
Die iterative Führung kann vorteilhaft auch mittels durch Ultraschall oder Luftdruck erzeugter, haptisch wahrnehmbarer Druckpunkte auf dem Oberflächenbereich unterstützt werden. Zusätzlich oder alternativ kann mittels der durch Ultraschall oder Druckluft erzeugten, haptisch wahrnehmbaren Druckpunkte der Nutzer zu Bewegungen animiert werden, die nur durch eine natürliche Hand wahrgenommen und ausgeführt werden können, um eine solche zu erkennen.The iterative guidance can advantageously also be supported by means of haptically perceptible pressure points on the surface area generated by ultrasound or air pressure. Additionally or alternatively, by means of the haptically perceptible pressure points generated by ultrasound or compressed air, the user can be animated to make movements that can only be perceived and executed by a natural hand in order to recognize such.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
-
1 eine Vorrichtung in allgemeingültiger Darstellung für die verschiedenen Ausfüh ru ngsbeispiele, -
2a-b eine Vorrichtung mit einem universalen aktiven Mittel, enthaltend eine Hilfskamera, zur Lokalisierung der Ist-Position in axialer und in radialer Richtung, -
3 eine Vorrichtung mit einem zweiten aktiven Mittel, enthaltend zwei Abstandssensoren, zur Lokalisierung der Ist-Position in radialer Richtung, -
4a-b eine Vorrichtung mit einem zweiten aktiven Mittel, enthaltend zwei Lichtschrankenpaare, zur Lokalisierung der Ist-Position in radialer Richtung, -
5 eine Vorrichtung mit einem universalen aktiven Mittel, enthaltend einen Projektor zur Lokalisierung der Ist-Position in axialer und in radialer Richtung und -
6 eine Vorrichtung mit einem Ultraschallgeber, zur aktiven Führung in axialer Richtung.
-
1 a device in a generally applicable representation for the various exemplary embodiments, -
2a-b a device with a universal active means, containing an auxiliary camera, for localizing the actual position in the axial and in the radial direction, -
3 a device with a second active means, containing two distance sensors, for localizing the actual position in the radial direction, -
4a-b a device with a second active means, containing two pairs of light barriers, for localizing the actual position in the radial direction, -
5 a device with a universal active means, containing a projector for localizing the actual position in the axial and in the radial direction and -
6th a device with an ultrasonic transmitter for active guidance in the axial direction.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient der optischen Abbildung eines ausgewählten Oberflächenbereiches, genauer der Papillarstruktur eines ausgewählten Oberflächenbereiches von vier Fingern einer Hand eines Nutzers. Der Oberflächenbereich kann aber auch nur durch einzelne Finger oder einen einzelnen bzw. beide Daumen gegeben sein. Bei Personen mit mehr als 4 Fingern an einer Hand (exklusive Daumen) oder mehr als einem Daumen an einer Hand, was in seltenen Fällen vorkommt, kann der Oberflächenbereich auch durch entsprechend mehr Finger bzw. Daumen pro Hand gegeben sein.A device according to the invention is used for the optical imaging of a selected surface area, more precisely the papillary structure of a selected surface area of four fingers of a hand of a user. The surface area can, however, also be given only by individual fingers or a single or both thumbs. In the case of people with more than 4 fingers on one hand (excluding thumbs) or more than one thumb on one hand, which occurs in rare cases, the surface area can also be given by correspondingly more fingers or thumbs per hand.
Die Vorrichtung ist in
Der Rahmens
Die Ausgabeeinheit
Der Rahmen
Neben einer deutlich breiteren Ausführung der Aussparung
Es ist erfindungswesentlich, dass die Vorrichtung, zusätzlich zu dem Rahmen
Erfindungswesentlich für die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die zufällige Raumlage eines Oberflächenbereiches der Hand eines Nutzers in einem Rahmen
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, dargestellt in den
Abhängig von der räumlichen Lage, die jeweils während der aktiven Führung zeitabhängig eine Ist-Position darstellt, wird der Nutzer über die Ausgabeeinheit
Ablauftechnisch erfolgt die Lokalisierung in axialer und radialer Richtung der optischen Achse
Die Verwendung der Hilfskamera
Gleiches gilt für das Präsentieren gekrümmter Finger, das eine optimale Abbildung des gesamten Oberflächenbereichs erschwert und durch die Hilfskamera
So kann in einer ersten Ausführung der Vorrichtung die Erkennung über eine Annäherungsanalyse erfolgen. Dabei werden die aufeinanderfolgend aufgenommenen Bilder untereinander vergleichend analysiert, ob die zur Soll-Position geführte Bewegung durch eine Zitterbewegung überlagert ist, die für eine echte natürliche Hand charakteristisch ist.Thus, in a first embodiment of the device, the detection can take place via an approach analysis. The successively recorded images are analyzed and compared with one another to determine whether the movement led to the target position is superimposed by a trembling movement that is characteristic of a real natural hand.
Zusätzlich oder in einer zweiten Ausführung erhält der Nutzer von der Ausgabeeinheit
Zur Weisung kann auf der Ausgabeeinheit
Durch Aufforderung von Gesten, wie „Hand krümmen“, „ausgestreckter Zeigefinger“ oder „Hand gerade“, kann eine künstliche Hand, wie z.B. eine Gummihand, erkannt werden, da diese nicht im Stande ist, der Aufforderung nachzukommen.By requesting gestures such as "curve hand", "outstretched index finger" or "hand straight", an artificial hand, such as a rubber hand, can be recognized because it is not able to comply with the request.
Auch der Aufforderung zu einem bestimmten Bewegungsablauf bei der Bildaufnahme, wie z.B. erst die rechte Hand, dann die linke Hand und abschließend die beiden Daumen in den Rahmen einzuführen, kann eine künstliche Hand, wie eine Vollvolumen-Gummihand, ebenfalls nicht folgen, da sie einzelne Fingerglieder nicht unabhängig voneinander bewegen kann.An artificial hand, such as a full-volume rubber hand, cannot follow the request for a certain sequence of movements when taking the picture, such as first inserting the right hand, then the left hand and finally the two thumbs into the frame, as it is individual Can't move the phalanges of the fingers independently of each other.
In einer dritten Ausführung werden in den Bildern der Hilfskamera
Für weitere Ausführungen der Vorrichtung wird vorgeschlagen, die Hand mit Licht mindestens einer Wellenlänge zu beleuchten, welches durch das Blut in den Blutgefäßen absorbiert wird, sodass diese im Bild einer echten Hand erkennbar sind. Bei Licht mit mehr als einer Wellenlänge, kann das Spektrum des reflektierten Lichtanteils analysiert werden. Zum einen kann man davon ausgehen, dass eine künstliche Hand nicht die gleichen spektralen Eigenschaften hat wie eine natürliche Hand, und zum anderen, dass eine künstliche Hand auch keine Gefäßstrukturen aufweist.For further embodiments of the device, it is proposed to illuminate the hand with light of at least one wavelength, which is absorbed by the blood in the blood vessels, so that these can be recognized in the image of a real hand. In the case of light with more than one wavelength, the spectrum of the reflected light component can be analyzed. On the one hand, it can be assumed that an artificial hand does not have the same spectral properties as a natural hand and, on the other hand, that an artificial hand does not have any vascular structures.
Alternativ oder zusätzlich kann das Vorhandensein eines Pulses über regelmäßige Mikrostrukturänderungen im Zeitverlauf der Bilder festgestellt werden.As an alternative or in addition, the presence of a pulse can be determined via regular microstructure changes over time in the images.
Zum Erkennen von dünnen Überziehern für die gesamte Hand, in der Regel aus Gummi, werden die mit der Hauptkamera
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, nicht in den Zeichnungen dargestellt, enthält das zweite aktive Mittel mindestens einen ersten Abstandssensor 10. Der mindestens eine erste Abstandssensor
Alternativ enthält das universelle aktive Mittel, wie in
Über mehrere zweite Abstandssensoren
Ablauftechnisch betrachtet, werden aus Kenntnis der räumlichen Anordnung der jeweils ersten und zweiten Abstandssensoren
Die Weisungen können vorteilhaft akustischer Natur sein, indem z. B. ein Ton in seiner Frequenz verändert wird. So versteht ein Nutzer intuitiv das Ansteigen der Frequenz als an ein sich Annähern an ein Ziel, wie die Soll-Position, und den Übergang in einen Dauerton als das Erreichen des Ziels. Vorteilhaft ist in den wenigstens einen der Abstandssensoren
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nicht in den Zeichnungen dargestellt, enthält das zweite aktive Mittel zwei erste Lichtschranken
Wird eine Hand in der Einführrichtung in die Aussparung
Ablauftechnisch führt der Nutzer die Hand in der Einführrichtung wiederholt in den Rahmen
Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn die Ausgabeeinheit
So kann beispielsweise über ein Display mit einer sehr geringen Latenz ein Feedback über die korrekte Handhaltung und Handposition gegeben bzw. dem Nutzer hierzu symbolisch Anweisungen erteilt werden. Des Weiteren kann eine korrekte Handhaltung durch eine 3D-Sollhand auf dem Display dargestellt werden, um den Nutzer zu animieren, seine Hand, deren Bild ebenfalls bevorzugt anders farblich in 3D dargestellt wird, in räumliche Übereinstimmung mit der 3D-Sollhand zu bringen ist. Wenn es für den Nutzer schwierig zu erkennen ist, wie gut das Bild seiner Hand positioniert ist, lässt sich zusätzlich noch die Farbe des Bildes seiner Hand oder der 3D-Sollhand fortlaufend ändern, z. B. von orange nach grün. Auch lässt sich die jeweils noch verbleibende Abweichung von der richtigen Positionierung und Handhaltung, der Soll-Position, anzeigen. Als Alternative zu einer solchen 3D-Nutzerführung können ebenfalls Piktogramme zur Nutzerführung verwendet werden.For example, feedback about the correct hand posture and hand position can be given via a display with a very low latency or the user can be given symbolic instructions on this be granted. Furthermore, a correct hand posture can be shown on the display by a 3D target hand in order to animate the user to bring his hand, the image of which is also preferably shown in different colors in 3D, into spatial correspondence with the 3D target hand. If it is difficult for the user to see how well the image of his hand is positioned, the color of the image of his hand or the 3D target hand can also be continuously changed, e.g. B. from orange to green. The remaining deviation from the correct positioning and hand posture, the target position, can also be displayed. As an alternative to such a 3D user guidance, pictograms can also be used for user guidance.
Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält das universelle aktive Mittel einen Projektor
Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält diese, wie in
Mit der Integration einer haptisch spürbaren, virtuellen Fläche im Raum kann die Soll-Position für den aufzunehmenden Oberflächenbereich in axialer und radialer Richtung nachbildet werden. Verlässt der Oberflächenbereich die Soll-Position, kann der durch den mindestens einen Ultraschallgeber
Das haptische Feedback kann dem Nutzer ebenfalls punktuell präsentiert werden. Wenn dieser während der Bildaufnahme die Hand gekrümmt hält, kann mehr Druck auf die nach untenstehenden Teile der Hand, (z. B. Fingerspitzen und Handballen), erzeugt werden, womit der Nutzer intuitiv die Hand streckt.The haptic feedback can also be presented to the user selectively. If he holds his hand curved during the image acquisition, more pressure can be generated on the downward-facing parts of the hand (e.g. fingertips and palm), with which the user intuitively extends the hand.
Es kann, indem die Anzahl an Druckpunkten pro Fläche auf dem Oberflächenbereich vergrößert wird, dem Nutzer suggeriert werden, dass sich die Hand der Soll-Position nähert.By increasing the number of pressure points per area on the surface area, it can be suggested to the user that the hand is approaching the target position.
Optional kann die die berührungslose Haptik mit einer bestimmten, sich ändernden Frequenz den Oberflächenbereich abscannen. Die spürbaren Druckpunkte tasten dann mit der sich verändernden Frequenz die Fingerkuppen oder die Handinnenseite ab, wobei sich die Frequenz in Abhängigkeit der Abweichung zur Soll-Position verändert. Zum Beispiel können so, die Fingerspitzen oder die Handfläche jede Sekunde einen Druckpunkt durch das Ultraschallarray spüren. Nähert sich die Hand der Soll-Position, erhöht sich die Frequenz, zum Beispiel wird die Handfläche dann mit 10 Druckpunkten pro Sekunde abgetastet. Somit wird ein Annäherungsfeedback an den Nutzer realisiert.Optionally, the non-contact haptics can scan the surface area with a specific, changing frequency. The noticeable pressure points then scan the fingertips or the palm of the hand with the changing frequency, the frequency changing depending on the deviation from the target position. For example, the fingertips or the palm of the hand can feel a pressure point through the ultrasound array every second. If the hand approaches the target position, the frequency increases, for example the palm is then scanned with 10 pressure points per second. Approach feedback to the user is thus implemented.
Das haptische Feedback kann ebenfalls mit einem Feedback auf einem Display als Ausgabeeinheit abgestimmt werden. Eine kreisende Uhr kann z.B. über das Display und/oder auf die Hand projizierten Symbolen visuell suggerieren, dass aktuell die Bildaufnahme des Oberflächenbereichs durch die Hauptkamera
Bei der Verwendung eines Ultraschallgebers
Auch kann der Ultraschallgeber
Der mindestens eine Ultraschallgeber
Gemäß einem sechsten, in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, vergleichbar mit den dem Ultraschallgeber
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- BilderfassungseinheitImage capture unit
- 1.01.0
- optische Achseoptical axis
- 1.11.1
- HauptkameraMain camera
- 1.21.2
- TiefenschärfebereichDepth of field
- 1.31.3
- ObjektebeneObject level
- 22
- BeleuchtungseinheitLighting unit
- 33
- Rechen- und SteuereinheitComputing and control unit
- 44th
- Gehäusecasing
- 55
- Rahmenframe
- 5.15.1
- Randedge
- 66th
- AussparungRecess
- 77th
- AusgabeeinheitOutput unit
- 88th
- Gestellframe
- 99
- HilfskameraAuxiliary camera
- 9.29.2
- Tiefenschärfebereich der HilfskameraDepth of field of the auxiliary camera
- OF1OF1
- Objektfeld der HauptkameraObject field of the main camera
- OF9OF9
- Objektfeld der HilfskameraObject field of the auxiliary camera
- 10.110.1
- erster Abstandssensorfirst distance sensor
- 10.210.2
- zweiter Abstandssensorsecond distance sensor
- 1111
- erstes Lichtschrankenpaarfirst pair of photocells
- 11.111.1
- erste Lichtschrankefirst light barrier
- 1212th
- zweites Lichtschrankenpaarsecond pair of light barriers
- 12.112.1
- zweite Lichtschrankesecond light barrier
- 1313th
- Projektorprojector
- 1414th
- UltraschallgeberUltrasonic transducer
- 14.114.1
- UltraschallwellenerzeugerUltrasonic wave generator
- RR.
- EinführrichtungDirection of insertion
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2018/0330142 A1 [0005]US 2018/0330142 A1 [0005]
- US 2015/0208059 A1 [0006, 0008]US 2015/0208059 A1 [0006, 0008]
- US 2020/0202101 A1 [0010, 0012]US 2020/0202101 A1 [0010, 0012]
Claims (8)
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---|---|---|---|
DE202020005521.2U DE202020005521U1 (en) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | Device for contactless optical imaging of a selected surface area of a hand |
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---|---|
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Citations (3)
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-
2020
- 2020-11-27 DE DE202020005521.2U patent/DE202020005521U1/en active Active
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: GLEIM PETRI PATENT- UND RECHTSANWALTSPARTNERSC, DE |
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|
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