DE202020005521U1 - Device for contactless optical imaging of a selected surface area of a hand - Google Patents

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    • G06V40/12Fingerprints or palmprints

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.

Figure DE202020005521U1_0000
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.
Figure DE202020005521U1_0000

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 US 2018/0330142 A1 ist ein Gerät zum Erfassen von Fingerabdrücken beschrieben, mit einer Erfassungszone durch die eine Hand des Nutzers bewegt wird. Das Gerät weißt eine transparente Deckfläche und einen hierzu in einem Abstand von wenigen Zentimetern parallel angeordnete Projektionsfläche auf, zwischen denen sich die Erfassungszone befindet. Die Erfassungszone ist frontal und lateral zu der für den Nutzer vorgesehenen Position offen, so dass dieser seine Hand vor dem Körper bequem horizontal durch die Erfassungszone bewegen kann. Innerhalb der Erfassungszone befinde sich das Objektfeld einer statischen Zeilen-Kamera. Der Kamerasensor weist eine Bildaufnahmegeschwindigkeit auf, die ausreichend groß ist, um aus den Einzelbildaufnahmen von „Zeilen“ der Hand bei einer gebräuchlichen Bewegungsgeschwindigkeit der Hand ein klares Bild der Finger aufzunehmen zu können.In the US 2018/0330142 A1 describes a device for capturing fingerprints, with a capturing zone through which a hand of the user is moved. The device has a transparent top surface and a projection surface arranged parallel to this at a distance of a few centimeters, between which the detection zone is located. The detection zone is open frontally and laterally to the position intended for the user, so that the user can comfortably move his hand horizontally through the detection zone in front of the body. The object field of a static line camera is located within the detection zone. The camera sensor has an image recording speed that is sufficiently high to be able to record a clear image of the fingers from the individual image recordings of “lines” of the hand at a common speed of movement of the hand.

Aus der US 2015/0208059 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der aus einer Vielzahl von Bildern 3D- Koordinaten z.B. eines Fingers bestimmt werden, aus denen eine 2D-Darstellung vergleichbar mit einem Fingerabdruck, der durch Abrollen eines mit Tinte behafteten Fingers erzeugt wird. Die Vorrichtung weist hierfür einen Projektor mit einer strukturierten Beleuchtung auf, mit der ein oder mehrere Lichtmuster auf die dreidimensionale Oberfläche des Fingers projiziert wird, wobei das oder die Lichtmuster charakteristisch für die biometrische Struktur der Fingeroberfläche deformiert werden. Von dem oder den deformierten Lichtmustern werden ein oder mehrere Bilder mittels einer Kamera oder mehrerer Kameras aufgenommen. Die Fingeroberfläche ist hierbei in einem vorgegebenen Abstand zu dem Projektor und der oder den Kameras in einer virtuellen Ebene angeordnet.From the US 2015/0208059 A1 a device is known with which 3D coordinates, for example of a finger, are determined from a large number of images, from which a 2D representation comparable to a fingerprint, which is generated by rolling an inked finger. For this purpose, the device has a projector with structured lighting with which one or more light patterns are projected onto the three-dimensional surface of the finger, the light pattern or patterns being deformed characteristic of the biometric structure of the finger surface. One or more images of the deformed light pattern or patterns are recorded by means of a camera or several cameras. The finger surface is here arranged at a predetermined distance from the projector and the camera or cameras in a virtual plane.

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 US 2015/0208059 A1 auch eine Nutzerführung offenbart, die dem Nutzer bei der Positionierung der Hand führt. Nach dem Einführen der Hand in den Schlitz werden Probebilder geringer Auflösung erzeugt, wobei der Nutzer in den Probebildern die Position seiner Hand zu den Positionierstiften erkennen kann und er so bis zur korrekten Position der Hand geführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Nutzerführung durch eine automatisierte Sprachinformation oder durch Weisungen einer Person erfolgen.It is in the aforementioned US 2015/0208059 A1 also discloses user guidance that guides the user in positioning the hand. After the hand has been inserted into the slot, low-resolution sample images are generated, with the user being able to recognize the position of his hand in relation to the positioning pins in the sample images and thus to the correct position of the hand to be led. Additionally or alternatively, the user can be guided by automated voice information or by instructions from a person.

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 US 2020/0202101 A1 ist eine weitere Erfassungsvorrichtung zum berührungslosen Erfassen biometrischer Daten, wie Fingerabdrücke und Handabdrücke bekannt.From the US 2020/0202101 A1 Another acquisition device for contactless acquisition of biometric data such as fingerprints and handprints is known.

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 US 2020/0202101 A1 ist, dass eine aktive Führung nur in axialer Richtung des Abbildungssystems erfolgt. Die radiale Ausrichtung der Hand wird ausschließlich durch die Eintrittslücke des Kragens vorgegeben. Indem die radiale Position der Hand ausschließlich durch die Eintrittslücke des Kragens vorgegeben wird, darf die Eintrittslücke nur unwesentlich breiter sein als eine breite Hand breit ist. Dadurch besteht die erhöhte Gefahr, dass diese beim Einführen in den Kragen mit diesem in Berührung kommt und dass die radiale Positionierung für verschieden große Hände unterschiedlich genau erfolgt.Disadvantageous in a detection device according to the aforementioned US 2020/0202101 A1 is that active guidance only takes place in the axial direction of the imaging system. The radial alignment of the hand is determined exclusively by the entry gap of the collar. Since the radial position of the hand is specified exclusively by the entry gap of the collar, the entry gap may only be insignificantly wider than a broad hand is. As a result, there is an increased risk that it will come into contact with the collar when it is inserted into the collar and that the radial positioning will take place with different degrees of accuracy for hands of different sizes.

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.
The invention is to be explained in more detail below with reference to drawings. Here show:
  • 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 1 als Prinzipskizze dargestellt und enthält grundsätzlich eine Bilderfassungseinheit 1, enthaltend eine Hauptkamera 1.1 mit einer optischen Achse 1.0 und eine Beleuchtungseinheit 2, welche in der Lage ist, räumlich strukturierte Abbildungen in ein oder mehreren Farben darzustellen, eine Rechen- und Steuereinheit 3, ein Gehäuse 4, eine Ausgabeeinheit 7, einen Rahmen 5, und ein erstes und zweites aktives Mittel oder ein universales aktives Mittel (hier nicht dargestellt), wobei das erste aktive Mittel zur Bestimmung der Lokalisierung der Ist-Position in axialer Richtung, das zweite aktive Mittel zur Bestimmung der Lokalisierung der Ist-Position in radialer Richtung, und das universale aktive Mittel zur Lokalisierung der Ist-Position in axialer und radialer Richtung, zur optischen Achse 1.0 geeignet ist.The device is in 1 shown as a schematic diagram and basically contains an image acquisition unit 1 containing a main camera 1.1 with an optical axis 1.0 and a lighting unit 2 which is able to display spatially structured images in one or more colors, a computing and control unit 3 , a housing 4th , an output unit 7th , a frame 5 , and a first and second active means or a universal active means (not shown here), the first active means for determining the localization of the actual position in the axial direction, the second active means for determining the localization of the actual position in the radial direction Direction, and the universal active means for localizing the actual position in the axial and radial direction, to the optical axis 1.0 suitable is.

Der Rahmens 5 ist zur Bilderfassungseinheit 1 so angeordnet, dass eine Objektebene 1.3 der Hauptkamera 1.1 und entsprechend ein Tiefenschärfebereich 1.2, um die Objektebene 1.3, innerhalb einer Aussparung 6 des Rahmens 5 liegt. Der Tiefenschärfenbereich 1.2 und das Objektfeldes OF1 der Hauptkamera 1.1, siehe 2b, das kleiner als die Aussparung 6 ist, begrenzen den Bilderfassungsbereich. Ein im Bilderfassungsbereich angeordneter Oberflächenbereich gilt als ein in einer Soll-Position angeordneter Oberflächenbereich und wird scharf abgebildet. Der Mittelpunkt des Bilderfassungsbereiches liegt im Schnittpunkt der optischen Achse 1.0 und der Objektebene 1.3. Der Rahmen 5 ist in einem Abstand oberhalb des Gehäuses 4 in einer bevorzugten Betriebsposition der Vorrichtung horizontal ausgerichtet und mit dem Gehäuse 4 in einer festen Relativlage zueinander angeordnet.The frame 5 is to the image capture unit 1 arranged so that one object plane 1.3 the main camera 1.1 and correspondingly a depth of field 1.2 to the object level 1.3 , within a recess 6th of the frame 5 lies. The depth of field 1.2 and the object field OF 1 the main camera 1.1 , please refer 2 B that is smaller than the recess 6th limit the image capture area. A surface area arranged in the image acquisition area is considered to be a surface area arranged in a desired position and is imaged in focus. The center of the image capture area is at the intersection of the optical axis 1.0 and the object level 1.3 . The frame 5 is at a distance above the housing 4th in a preferred operating position of the device aligned horizontally and with the housing 4th arranged in a fixed relative position to each other.

Die Ausgabeeinheit 7 ist am Gehäuse 4 angeordnet, kann aber auch losgelöst von diesem frei im Raum angeordnet sein. Insbesondere, wenn die Ausgabeeinheit 7 visueller Natur ist, ist sie bezogen auf die in einer Betriebsposition stehenden Vorrichtung vorteilhaft oberhalb des Rahmens 5 in Augenhöhe des Nutzers angebracht. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, steht das Wohlbefinden und die intuitive Bedienung durch den Nutzer im Mittelpunkt, wobei jegliche Berührungen mit der Vorrichtung vermieden werden sollen.The output unit 7th is on the housing 4th arranged, but can also be arranged freely in the room detached from this. Especially when the output unit 7th is of a visual nature, it is related to those in an operating position Device advantageous above the frame 5 attached at eye level of the user. In the device according to the invention, the focus is on well-being and intuitive operation by the user, and any contact with the device should be avoided.

Der Rahmen 5 ist über ein Gestell 8 mit dem Gehäuse 4 starr verbunden und weist Ränder 5.1 auf, welche die einseitig offene Aussparung 6, die frontal zu einer Nutzerposition eines Nutzers geöffnet ist, begrenzen. Die Ränder 5.1 sind vorteilhaft farblich abgesetzt, um von dem Nutzer intuitiv wahrgenommen zu werden, können aber auch mit einer ansteuerbaren farbigen Beleuchtung ausgestattet sein, um eine korrekte oder inkorrekte Positionierung der Hand in der Aussparung 6 farblich zu quittieren bzw. die Aufmerksamkeit des Nutzers auf sich bzw. die Objektebene 1.3 zu ziehen. Der Rahmen 5 mit der Aussparung 6 ist ein Mittel zur Grobpositionierung des Oberflächenbereiches in axialer und radialer Richtung zur optischen Achse 1.0. Durch eine ansteuerbare Beleuchtung kann er gleichzeitig auch als die Ausgabeeinheit 7, zum Bereitstellen einer Rückmeldung an den Nutzer dienen, oder zusätzlich zu der Ausgabeeinheit 7, zur Information des Nutzers dienen. Indem der Nutzer, alle vier Finger einer Hand, oder auch nur einzelne Finger oder seine Daumen in einer Einführrichtung R in den Rahmen einführt, positioniert er den Oberflächenbereich in eine Ist-Position, die in der Regel nicht der Soll-Position entspricht, aber grob in deren Nähe liegt.The frame 5 is over a rack 8th with the case 4th rigidly connected and has edges 5.1 on which the recess is open on one side 6th that is open frontally to a user position of a user. The edges 5.1 are advantageously set off in color in order to be perceived intuitively by the user, but can also be equipped with controllable colored lighting in order to correctly or incorrectly position the hand in the recess 6th to acknowledge in color or the attention of the user to himself or the object level 1.3 to pull. The frame 5 with the recess 6th is a means for the rough positioning of the surface area in the axial and radial directions to the optical axis 1.0 . With controllable lighting, it can also be used as the output unit 7th , serve to provide feedback to the user, or in addition to the output unit 7th , serve to inform the user. By allowing the user to use all four fingers of one hand, or even just individual fingers or his thumb, in one direction of insertion R. inserts into the frame, it positions the surface area in an actual position, which as a rule does not correspond to the target position, but is roughly close to it.

Neben einer deutlich breiteren Ausführung der Aussparung 6 im Vergleich zu einer breiten Hand, wird um jegliche Berührung der Vorrichtung zu vermeiden, genügend Platz zwischen dem Gehäuse 4, in dem sich die Bilderfassungseinheit 1 befindet, und dem Rahmen 5, wo der Oberflächenbereich platziert wird, vorgesehen.In addition to a significantly wider design of the recess 6th Compared to a wide hand, there is enough space between the housing to avoid touching the device 4th , in which the image acquisition unit 1 located, and the frame 5 where the surface area will be placed is provided.

Es ist erfindungswesentlich, dass die Vorrichtung, zusätzlich zu dem Rahmen 5, zur Grobpositionierung für eine intuitive Führung des Oberflächenbereiches in die Soll-Position, neben dem ersten aktiven Mittel zur Bestimmung der Lokalisierung der Ist-Position in axialer Richtung der optischen Achse 1.0, ein zweites aktives Mittel zur Lokalisierung der Ist-Position in radialer Richtung der optischen Achse 1.0, aufweist, oder stattdessen, ein universales aktives Mittel aufweist, das zur Bestimmung der Lokalisierung der Ist-Position in axialer Richtung und in radialer Richtung der optischen Achse 1.0 geeignet ist.It is essential to the invention that the device, in addition to the frame 5 , for coarse positioning for intuitive guidance of the surface area in the target position, in addition to the first active means for determining the localization of the actual position in the axial direction of the optical axis 1.0 , a second active means for localizing the actual position in the radial direction of the optical axis 1.0 , or, instead, has a universal active means which is used to determine the localization of the actual position in the axial direction and in the radial direction of the optical axis 1.0 suitable is.

Erfindungswesentlich für die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass die zufällige Raumlage eines Oberflächenbereiches der Hand eines Nutzers in einem Rahmen 5 als Ist-Position in axialer und radialer Lage, bezogen auf eine optische Achse 1.0 einer Hauptkamera 1.1 einer Bilderfassungseinheit 1, erfasst wird, und der Nutzer iterativ geführt wird, die Ist-Position verändernd, bis der Oberflächenbereich in einer Soll-Position angekommen ist, die einer vorbestimmten Raumlage des Oberflächenbereiches entspricht. Dazu führt der Nutzer den zu erfassenden Oberflächenbereich in einen bevorzugt horizontal ausgerichteten, und zu dem Nutzer hin geöffneten, den Tiefenschärfebereich 1.2 einschließenden Rahmen 5 ein. Der Oberflächenbereich nimmt dort eine Ist-Position ein und wird durch den Nutzer iterativ in axialer und radialer Richtung in die Soll-Position geführt, wo von dem Oberflächenbereich wenigstens ein Bild mit der Hauptkamera 1 erzeugt wird. Insbesondere in radialer Richtung kann die Ist-Position sehr stark von der Soll-Position abweichen, da die Aussparung 6 zur sicheren Vermeidung einer Berührung wesentlich größer ausgeführt wird, als eine breite Hand breit ist. Um den Oberflächenbereich iterativ von der Ist-Position in die Soll-Position zu führen, werden zeitgleich die jeweilige Ist-Position des Oberflächenbereiches lokalisiert, und die Ergebnisse der Lokalisierung zur Ansteuerung der Ausgabeeinheit 7 verwendet.It is essential to the invention for the use of the device according to the invention that the random spatial position of a surface area of the hand of a user in a frame 5 as the actual position in the axial and radial position, based on an optical axis 1.0 a main camera 1.1 an image capture unit 1 , is detected, and the user is guided iteratively, changing the actual position until the surface area has arrived in a target position that corresponds to a predetermined spatial position of the surface area. For this purpose, the user guides the surface area to be captured into a preferably horizontally aligned depth of field area that is open to the user 1.2 enclosing frame 5 on. The surface area assumes an actual position there and is iteratively guided by the user in the axial and radial directions into the target position, where at least one image of the surface area is taken with the main camera 1 is produced. In particular in the radial direction, the actual position can deviate very greatly from the target position because the recess 6th to safely avoid contact is made much larger than the breadth of a hand. In order to guide the surface area iteratively from the actual position to the target position, the respective actual position of the surface area is localized at the same time, and the results of the localization are used to control the output unit 7th used.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, dargestellt in den 2a und 2b, enthält das universale aktive Mittel eine Hilfskamera 9, die in einer bekannten Relativlage zur Hauptkamera 1.1 angeordnet ist. Sie bildet ein in der Objektebene 1.3 größeres Objektfeld OF9 mit einer geringeren Auflösung ab, als die Hauptkamera 1.2 ein Objektfeld OF1 mit einer höheren Auflösung abbildet. Die Hilfskamera 9 erzeugt, ebenso wie die Hauptkamera 1.1, Bilder in einem optischen 3D-Verfahren, womit aus den Bildern die räumliche Lage des Oberflächenbereiches in radialer und axialer Richtung bezogen auf die Soll-Position abgeleitet werden kann. Dabei ist das Objektfeld OF9 der Hilfskamera 9 bevorzugt in einer Größe von mindestens 90% der Größe der Aussparung 6 des Rahmens 5, sodass auch eine breite Hand in jeder möglichen Ist-Position durch die Hilfskamera 9 abgebildet wird. Die Auflösung der Hilfskamera 9 ist dabei vorteilhaft nur so groß, dass aus dem Bild auf die Lokalisierung des Oberflächenbereiches geschlossen werden kann. Soll die Hilfskamera 9 zusätzlich zur Lokalisierung weitere Funktionen erfüllen, kann es sein, dass sie vorteilhaft ein höheres Auflösungsvermögen aufweist, dass jedoch für jeden Fall geringer ist, als das der Hauptkamera 1.1. Damit erfolgt die Bildverarbeitung von Bildern mit der Hilfskamera 9 in jedem Fall schneller als die der Hauptkamera 1.1. Vorteilhaft ist auch ein Tiefenschärfebereich 9.2 der Hilfskamera 9 größer als der Tiefenschärfebereich 1.2 der Hauptkamera 1.1. According to a first embodiment of a device according to the invention, shown in FIG 2a and 2 B , the universal active agent includes an auxiliary camera 9 in a known position relative to the main camera 1.1 is arranged. It forms one in the object level 1.3 larger object field OF 9 with a lower resolution than the main camera 1.2 an object field OF 1 images with a higher resolution. The auxiliary camera 9 as well as the main camera 1.1 , Images in an optical 3D process, with which the spatial position of the surface area in the radial and axial direction relative to the target position can be derived from the images. Here is the object field OF 9 the auxiliary camera 9 preferably in a size of at least 90% of the size of the recess 6th of the frame 5 so that the auxiliary camera also has a broad hand in every possible actual position 9 is mapped. The resolution of the auxiliary camera 9 is advantageously only so large that the localization of the surface area can be deduced from the image. Should the auxiliary camera 9 in addition to fulfilling further functions for localization, it may be that it advantageously has a higher resolution, but that in each case is lower than that of the main camera 1.1 . This is used to process images with the auxiliary camera 9 in any case faster than that of the main camera 1.1 . A depth of field is also advantageous 9.2 the auxiliary camera 9 larger than the depth of field 1.2 the main camera 1.1 .

Abhängig von der räumlichen Lage, die jeweils während der aktiven Führung zeitabhängig eine Ist-Position darstellt, wird der Nutzer über die Ausgabeeinheit 7 iterativ geführt.Depending on the spatial location, which in each case represents an actual position as a function of time during the active guidance, the user is informed via the output unit 7th iteratively guided.

Ablauftechnisch erfolgt die Lokalisierung in axialer und radialer Richtung der optischen Achse 1.0 mit einer Hilfskamera 9, indem zeitlich nacheinander optische Abbildungen des Oberflächenbereiches erstellt werden, aus denen jeweils eine zum Zeitpunkt der Erstellung der optischen Abbildung gegebene Ist-Position des Oberflächenbereiches innerhalb der Ränder 5.1 des Rahmes 5 in axialer und radialer Richtung ableitbar ist. Die jeweilige Ist-Position wird mit der Soll-Position verglichen und abhängig von dem Vergleichsergebnis wird der Nutzer iterativ geführt, bis der ausgewählte Oberflächenbereich die Soll-Position erreicht hat und mit der Hauptkamera 1.1 Bilder aufgenommen werden. Es können auch Bilder aufgenommen werden, wenn sich nur Teile des Oberflächenbereiches in der Soll-Position befinden. Es werden dann eine Vielzahl von Bildern erstellt in denen sich unterschiedliche Teile des Oberflächenbereiches in der Soll-Position befinden. Aus der Vielzahl der Bilder, wird dann ein Gesamtbild erstellt, das eine scharfe Abbildung des gesamten Oberflächenbereiches darstellt.Technically, the localization takes place in the axial and radial direction of the optical axis 1.0 with an auxiliary camera 9 by creating optical images of the surface area one after the other, from which an actual position of the surface area within the edges given at the time the optical image was created 5.1 of the frame 5 can be derived in the axial and radial directions. The respective actual position is compared with the target position and, depending on the comparison result, the user is guided iteratively until the selected surface area has reached the target position and with the main camera 1.1 Pictures are taken. Images can also be recorded if only parts of the surface area are in the target position. A large number of images are then created in which different parts of the surface area are in the target position. From the large number of images, an overall image is then created that represents a sharp image of the entire surface area.

Die Verwendung der Hilfskamera 9 hat vergleichsweise zu allen nachfolgend angegebenen zweiten bzw. ersten modifizierten Mitteln den Vorteil, dass mit ihr sehr genau die Ist-Position des Oberflächenbereiches erfassbar ist, die durch Handposition in der Aussparung 6 und die Handhaltung (Handkrümmung) bestimmt ist. Durch die Erfassung der Handhaltung ergibt sich der Vorteil einer optimierten Nutzerführung mit detaillierten Vorgaben zur verbesserten Abbildung des Oberflächenbereiches mit der Hauptkamera 1.1. Wird die Hand beispielsweise zu schräg, um 90° oder gar um 180° (Handrücken schaut in Richtung Hauptkamera) zur Soll-Position im Rahmen 5 gehalten, kann eine angepasste Nutzerführung erfolgen, die den Nutzer davon in Kenntnis setzt, dass er seine Hand für eine erfolgreiche Abbildung entsprechend drehen muss. Gleiches gilt für eine schräge Handpositionierung innerhalb der Ebene der Aussparung.The use of the auxiliary camera 9 Compared to all of the second or first modified means specified below, it has the advantage that with it the actual position of the surface area can be detected very precisely, which is determined by the position of the hand in the recess 6th and the hand posture (hand curvature) is determined. The detection of the hand position results in the advantage of optimized user guidance with detailed specifications for improved mapping of the surface area with the main camera 1.1 . For example, if the hand is too slanted, by 90 ° or even by 180 ° (back of the hand looks towards the main camera) to the target position in the frame 5 held, an adapted user guidance can take place, which informs the user that he has to turn his hand accordingly for a successful image. The same applies to an inclined hand positioning within the plane of the recess.

Gleiches gilt für das Präsentieren gekrümmter Finger, das eine optimale Abbildung des gesamten Oberflächenbereichs erschwert und durch die Hilfskamera 9 erkannt wird. Vorteilhaft gibt es mit der Hilfskamera 9 auch die Möglichkeit für die Unterscheidung zwischen einer künstlichen Hand bzw. einer mit einem Überzug versehen natürlichen Hand und einer natürlichen Hand.The same applies to the presentation of curved fingers, which makes optimal imaging of the entire surface area difficult, and the auxiliary camera 9 is recognized. There is an advantage with the auxiliary camera 9 also the possibility of differentiating between an artificial hand or a natural hand provided with a coating and a natural hand.

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 7 Weisungen, um die Handhaltung durch bestimmte Bewegungen, zum Beispiel die Finger zu krümmen oder einzelne Finger zu bewegen, zu verändern, was eine künstliche Hand zumindest in einer natürlichen Art und Weise nicht kann, womit diese als Fälschung erkannt wird.In addition or in a second embodiment, the user receives from the output unit 7th Instructions to change the hand position through certain movements, for example bending the fingers or moving individual fingers, which an artificial hand cannot do, at least in a natural way, whereby it is recognized as a forgery.

Zur Weisung kann auf der Ausgabeeinheit 7 z.B. in Form eines Displays ein Bild der Hand des Nutzers, die angewiesene Bewegung ausführend, angezeigt sein. Zusätzlich kann über eine Symbolik dem Nutzer eine Rückmeldung gegeben werden. Alternativ kann z.B. eine virtuelle Hand in realer Umgebung auf dem Display dargestellt sein, wobei die virtuelle Hand die Bewegung für die reale Hand vorgibt und eine vorgegebene Position und Handhaltung einnimmt.Instructions can be given on the output unit 7th For example, an image of the user's hand executing the specified movement can be displayed in the form of a display. In addition, the user can be given feedback via symbols. Alternatively, for example, a virtual hand can be shown on the display in a real environment, the virtual hand specifying the movement for the real hand and assuming a predefined position and hand posture.

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 9 oder der Hauptkamera 1.1 gegebenenfalls für natürliche Hände untypische Unstetigkeitsstellen bzw. Gradienten, insbesondere scharfe Abgrenzungen bzw. Kanten, festgestellt, die bei Überziehern oder auf den Finger aufgelegten 2D-Fälschungen typischerweise entstehen. In a third embodiment, the auxiliary camera 9 or the main camera 1.1 If necessary, points of discontinuity or gradients that are untypical for natural hands, in particular sharp demarcations or edges, are found, which typically arise with overcoats or 2D forgeries placed on the finger.

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 1.1 aufgenommenen Bilder auf die typischen Abstände der Berge bzw. Täler der abgebildeten Papillarstruktur analysiert. Ein Überzieher, der mit einer künstlichen Papillarstruktur versehen ist, wird beim Aufziehen auf eine natürliche Hand an unterschiedlichen Stellen der Hand unterschiedlich gedehnt, was zu lokal unterschiedliche Abständen führt.The main camera is used to detect thin covers for the entire hand, usually made of rubber 1.1 The recorded images are analyzed for the typical distances between the mountains and valleys of the papillary structure shown. A cover that is provided with an artificial papillary structure is stretched differently when pulled onto a natural hand in different parts of the hand, which leads to locally different distances.

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 10.1 ist im Rahmen 5 angeordnet und so ausgerichtet, dass ein von ihm ausgehender Messstrahl parallel zur Objektebene 1.3 in die Aussparung 6 gerichtet ist.According to a second exemplary embodiment of a device according to the invention, not shown in the drawings, the second active means contains at least one first distance sensor 10. The at least one first distance sensor 10.1 is in the frame 5 arranged and aligned so that a measuring beam emanating from it is parallel to the object plane 1.3 into the recess 6th is directed.

Alternativ enthält das universelle aktive Mittel, wie in 3 gezeigt, zusätzlich zu dem mindestens einen ersten Abstandssensor 10.1, mindestens einen zweiten Abstandssensor 10.2, der von Seiten der Hauptkamera 1.1, bevorzugt im Gehäuse 4 angeordnet, auf die Objektebene 1.3 gerichtet ist. Es können jeweils weitere erste und/ oder insbesondere zweite Abstandssensoren 10.1, 10.2 vorhanden sein. So ist eine genauere Lokalisierung in radialer Richtung, z.B. mit zwei im entgegengesetzten Richtungssinn abstrahlenden zweiten Abstandssensoren 10.2, möglich, wie in 3 gezeigt. Sind die gemessenen Abstände zur Hand gleich, lässt sich darauf schließen, dass die Hand in radialer Richtung mittig in der Aussparung 6 angeordnet ist.Alternatively, the universal active agent contains, as in 3 shown, in addition to the at least one first distance sensor 10.1 , at least one second distance sensor 10.2 from the side of the main camera 1.1 , preferably in the housing 4th arranged on the object level 1.3 is directed. There can be further first and / or in particular second distance sensors 10.1 , 10.2 to be available. This enables more precise localization in the radial direction, for example with two second distance sensors radiating in the opposite sense of direction 10.2 , possible, as in 3 shown. If the measured distances to the hand are the same, it can be concluded that the hand is in the radial direction in the middle of the recess 6th is arranged.

Über mehrere zweite Abstandssensoren 10.2 kann auch die Neigung oder Krümmung der Hand (Handhaltung) erfasst werden.Via several second distance sensors 10.2 the inclination or curvature of the hand (hand position) can also be recorded.

Ablauftechnisch betrachtet, werden aus Kenntnis der räumlichen Anordnung der jeweils ersten und zweiten Abstandssensoren 10.1, 10.2 und der gemessenen Entfernungswerte jeweils Differenzen gebildet, und über die Ausgabeeinheit 7 Weisungen erteilt, deren Befolgung zur Verringerung der Differenzen führen.From a procedural point of view, knowledge of the spatial arrangement of the respective first and second distance sensors 10.1 , 10.2 and the measured distance values each form differences, and via the output unit 7th Instructions are issued, compliance with which leads to a reduction in the differences.

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 10.1, 10.2 ein Farbdetektor integriert, womit der von der Haut oder von der Fälschung zurückreflektierte Messstrahl farblich analysiert wird, um festzustellen, ob dessen Spektrum tatsächlich auf die Reflexion des Messstrahls auf einer natürlichen Hand zurückgeführt werden kann.The instructions can advantageously be acoustic in nature by z. B. a tone is changed in its frequency. Thus, a user intuitively understands the increase in frequency as approaching a goal, such as the target position, and the transition to a continuous tone as reaching the goal. It is advantageous in the at least one of the distance sensors 10.1 , 10.2 A color detector is integrated, with which the measuring beam reflected back from the skin or the forgery is color-analyzed in order to determine whether its spectrum can actually be traced back to the reflection of the measuring beam on a natural hand.

Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nicht in den Zeichnungen dargestellt, enthält das zweite aktive Mittel zwei erste Lichtschranken 11.1, die ein erstes Lichtstrahlenpaar 11 bilden. Sie sind im Rahmen 5, vorteilhaft in der Objektebene 1.3 abstrahlend und spiegelsymmetrisch zu einer durch die optische Achse 1.0 verlaufende Parallelen zur Einführrichtung der Hand so angeordnet, dass die von den Lichtschranken 11.1 abgestrahlten Lichtstrahlen aufeinander zulaufen.According to a third embodiment of the device according to the invention, not shown in the drawings, the second active means contains two first light barriers 11.1 that are a first pair of light rays 11 form. You are in the frame 5 , advantageous in the object level 1.3 radiating and mirror-symmetrical to one through the optical axis 1.0 running parallels to the insertion direction of the hand are arranged so that the light barriers 11.1 radiated light rays converge.

Wird eine Hand in der Einführrichtung in die Aussparung 6 mittig eingeführt, werden beide ersten Lichtschranken 11.1 im nahezu gleichen Moment unterbrochen. Eine zeitliche Differenz ergibt sich durch die unterschiedlichen Längen von kleinem Finger und Zeigefinger. Diesen typischen Unterschied kennend, der sich für die beiden Hände eines Nutzers nicht wesentlich unterscheidet, ist vorteilhaft, wie in den 4a und 4b dargestellt, ein zweites Lichtschrankenpaar 12, mit zweiten Lichtschranken 12.1, die parallel zu den ersten beiden Lichtschranken 11.1 abstrahlen und zum ersten Lichtschrankenpaar 11 in der Einführrichtung versetzt angeordnet sind. Bei Einführung der linken oder der rechten Hand, wird jeweils ein anderes Lichtschrankenpaar 11, 12 aktiv geschaltet, womit die Lichtschranken 11.1, 12.1 mit einem geringeren Zeitabstand zueinander unterbrochen werden, sofern die Hand exakt mittig eingeführt wurde.Will one hand in the direction of insertion into the recess 6th The first two light barriers are inserted in the middle 11.1 interrupted at almost the same moment. A time difference results from the different lengths of the little finger and index finger. Knowing this typical difference, which is not significantly different for the two hands of a user, is advantageous, as in FIG 4a and 4b shown, a second pair of light barriers 12th , with second light barriers 12.1 that are parallel to the first two light barriers 11.1 radiate and to the first pair of light barriers 11 are arranged offset in the insertion direction. When the left or right hand is introduced, a different pair of light barriers is activated 11 , 12th switched active, with which the light barriers 11.1 , 12.1 interrupted with a shorter time interval, provided the hand was inserted exactly in the middle.

Ablauftechnisch führt der Nutzer die Hand in der Einführrichtung wiederholt in den Rahmen 5 ein bis die Lichtstrahlen bei der jeweils aktivierten Lichtschranke 11.1, 12.1 unterbrochen sind. Durch eine geringfügige Vor- und Rückwärtsbewegung können die Lichtstrahlen immer wieder erneut unterbrochen werden, wobei sich durch eine gleichzeitig seitliche Bewegung der zeitliche Abstand zwischen den Unterbrechungen an ein Minimum annähert. Das Erreichen des Minimums deutet darauf hin, dass in radialer Richtung die Soll-Position erreicht wurde.In terms of the process, the user repeatedly guides his hand in the direction of insertion into the frame 5 one to the light beams at the activated light barrier 11.1 , 12.1 are interrupted. The light beams can be interrupted again and again by a slight forward and backward movement, whereby the time interval between the interruptions approaches a minimum due to a simultaneous lateral movement. Reaching the minimum indicates that the target position has been reached in the radial direction.

Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn die Ausgabeeinheit 7, unabhängig von der Ausführung des ersten und zweiten aktiven Mittels oder des universellen aktiven Mittels, ein Display ist. Über das Display können für den Nutzer Anweisungen, wie intuitive Führung, konkretes Feedback bei Fehlererkennung und sonstige Informationen, auf eine angenehme Art und Weise vermittelt werden.In principle, it is advantageous if the output unit 7th , regardless of the implementation of the first and second active means or the universal active means, is a display. Instructions such as intuitive guidance, specific feedback in the event of error detection and other information can be conveyed to the user in a pleasant manner via the display.

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 13, siehe 5, der auf einer der Hauptkamera 1.1 abgewandten Seite der Objektebene 1.3 angeordnet ist und ein zweidimensionales Muster in Richtung der Aussparung 6 projiziert. Das Muster wird so in die Aussparung 6 projiziert, dass es, wenn sich der ausgewählte Oberflächenbereich in der Soll-Position befindet, vollständig und scharf auf der Hand abgebildet wird. Unter einer scharfen Abbildung wird hier eine Abbildungsqualität verstanden, die sich bei einer axialen Bewegung der Hand mit einem entgegengesetzten Richtungssinn jeweils verschlechtert. Das Muster kann vorteilhaft durch Striche gebildet sein, die bei korrekter Handhaltung der Hand mittig auf den Fingern für den Nutzer sichtbar sind. Anstatt von Strichen können auch Symbole, wie z.B. Smileys, auf die Finger projiziert werden, die z.B. bei Erreichen einer richtigen Position die Farbe wechseln, wenn sich die Finger in Soll-Position befinden. Mit einer einfachen Projektion eines zweidimensionalen Musters kann so eine radiale und eine axiale Führung erfolgen und gleichzeitig dem Nutzer angezeigt werden, ob die Finger sich bereits in der Soll-Lage befinden, womit das Muster zusätzlich die Funktion der Ausgabeeinheit 7, zum Bereitstellen einer Rückmeldung über die jeweilige Ist-Position der Hand, erfüllt.According to a fourth exemplary embodiment of a device according to the invention, the universal active means contains a projector 13th , please refer 5 that is on one of the main cameras 1.1 facing away from the object plane 1.3 is arranged and a two-dimensional pattern in the direction of the recess 6th projected. The pattern is like this in the recess 6th projects that, when the selected surface area is in the target position, it is completely and sharply imaged on the hand. A sharp image is understood here to mean an image quality which deteriorates in each case with an axial movement of the hand in an opposite sense of direction. The pattern can advantageously be formed by lines that are visible to the user in the middle of the fingers when the hand is held correctly. Instead of lines, symbols such as smileys, for example, can be projected onto the fingers, which, for example, change color when the correct position is reached, when the fingers are in the target position. With a simple projection of a two-dimensional pattern, a radial and an axial guidance can take place and at the same time it can be shown to the user whether the fingers are already in the desired position, whereby the pattern also functions as the output unit 7th , to provide feedback about the respective actual position of the hand.

Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält diese, wie in 6 gezeigt, einen Ultraschallgeber 14, der über wahrnehmbare Druckpunkte innerhalb des Rahmens 5 eine berührungslose Haptik erzeugt, die dem Nutzer eine virtuelle Fläche suggeriert, auf die er seine Hand legt, um sie in der Soll-Position zu positionieren. Der Ultraschallgeber 14 wird dabei schräg unterhalb der Objektebene 1.3 angeordnet, um eine effektive berührungslose Haptik unter dem aufzunehmenden Oberflächenbereich zu erzeugen. Optional können weitere Ultraschallgeber 14 oberhalb der Objektebene 1.3 und / oder im Rahmen 5 integriert angeordnet sein. Der mindestens eine Ultraschallgeber 14 besteht aus einem Array von mehreren einzeln ansteuerbaren Ultraschallwellenerzeugern 14.1, die, dort, wo sie miteinander interferieren, ein spürbares haptisches Feedback im Raum erzeugen. Zur Steuerung wird über das erste und das zweite aktive Mittel oder das universelle aktive Mittel, das zum Bsp. die Hilfskamera 9 ist, die jeweilige Ist-Lage bestimmt, an die Rechen- und Steuereinheit 3 geleitet und in Abhängigkeit von der erfassten Ist-Position wird der mindestens eine Ultraschallgeber 14 entsprechend angesteuert.According to a fifth exemplary embodiment of a device according to the invention, this contains, as in FIG 6th shown an ultrasonic transducer 14th , which has noticeable pressure points within the frame 5 a contactless haptic is generated that suggests a virtual surface to the user on which he places his hand in order to position it in the target position. The ultrasonic transducer 14th is at an angle below the object level 1.3 arranged to create an effective non-contact feel under the surface area to be recorded. Additional ultrasonic transducers can be used as an option 14th above the object level 1.3 and / or in the frame 5 be arranged integrated. The at least one ultrasonic transducer 14th consists of an array of several individually controllable ultrasonic wave generators 14.1 that, where they interfere with each other, generate noticeable haptic feedback in the room. The first and second active means or the universal active means, for example the auxiliary camera, are used for control 9 is, the respective actual position is determined, to the computing and control unit 3 and the at least one ultrasonic transducer is guided as a function of the detected actual position 14th controlled accordingly.

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 14 ausgeübte Druck auf den Oberflächenbereich erhöht werden, um den Nutzer intuitiv wieder in die Soll-Position zu bewegen.With the integration of a haptically perceptible, virtual surface in the room, the target position for the surface area to be recorded can be reproduced in the axial and radial directions. If the surface area leaves the target position, the at least one ultrasonic transducer can 14th The pressure exerted on the surface area can be increased in order to intuitively move the user back into the target position.

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 1.1 läuft. Parallel dazu kann eine kreisende berührungslose Haptik auf dem Oberflächenbereich diesen Effekt unterstützen und dem Nutzer so den Status der Bildaufnahme verdeutlichen, z.B. „Bildaufnahme noch nicht gestartet“, „aktuelle Bildaufnahme läuft“, oder „Bildaufnahme ist fertig“. Diese visuelle Darstellung kann statt auf dem Display alternativ auch mittels des Projektors 13 direkt auf der Hand dargestellt werden.The haptic feedback can also be coordinated with a feedback on a display as an output unit. A rotating clock can, for example via the display and / or symbols projected onto the hand, visually suggest that the image of the surface area is currently being recorded by the main camera 1.1 runs. At the same time, circling, non-contact haptics on the surface area can support this effect and thus make the status of the image recording clear to the user, for example “image recording not yet started”, “current Image acquisition in progress ”or“ Image acquisition is finished ”. This visual representation can alternatively also be made by means of the projector instead of on the display 13th can be displayed directly on the hand.

Bei der Verwendung eines Ultraschallgebers 14, kann vorteilhaft der Effekt des Entstehens eines leichten Druckes auf den Oberflächenbereich auch zur Erhöhung der Abbildungsqualität genutzt werden. Durch ein individuell angepasstes Eindrücken des Oberflächenbereiches, wird die durch die Papillarstruktur gegebene 3D-Form des Oberflächenbereiches in Richtung 2D umgeformt, womit sich, insbesondere bei einem nur schmalen Tiefenschärfebereich 1.2, größere Flächen des Oberflächenbereichs in der Soll-Position befinden und aufgenommen werden können, da zum Beispiel ein Finger flacher gedrückt werden kann. Die Umrechnung in ein finales 2D-Bild kann so ebenfalls schneller erfolgen. Um den korrekten Zeitpunkt für die Bildaufnahme zu wählen, wird die 3D-Bildaufnahme entsprechend mit der Ultraschall-Impulsgebung synchronisiert.When using an ultrasonic transducer 14th , the effect of the creation of a slight pressure on the surface area can advantageously also be used to increase the image quality. By indenting the surface area in an individually adapted manner, the 3D shape of the surface area given by the papillary structure is reshaped in the 2D direction, which, especially when the depth of field is only narrow 1.2 , larger areas of the surface area are in the target position and can be recorded, since a finger can be pressed flat, for example. The conversion into a final 2D image can also be done more quickly. In order to select the correct point in time for the image acquisition, the 3D image acquisition is correspondingly synchronized with the ultrasonic pulse generation.

Auch kann der Ultraschallgeber 14 vorteilhaft zur Fälschungserkennung eingesetzt werden. Bei Verdacht auf eine Fälschung werden verschiedene Druckpunkte und/oder Druckflächen erzeugt, die bei einem menschlichen bzw. natürlichen Oberflächenbereich eine bestimmte Aktion auslösen würden, da der Mensch den Druckpunkt fühlt. Liegt eine Fälschung auf dem Oberflächenbereich oder wird ein Fälschungsüberzug über der Hand getragen, wird das haptische Feedback nicht wahrgenommen. Denkbar ist eine Erkennung über eine Interaktion über das Display per Frage, wie viele Druckpunkte fühlbar sind, oder ob sich ein Druckpunkt im oder gegen den Uhrzeigersinn bewegt, oder ob er nach links/rechts oder oben/unten wandert, um festzustellen, ob ein gefälschter oder natürlicher Oberflächenbereich dem Gerät zur Bildaufnahme von 3D-Hautabdrücken präsentiert wird. Als eine besonders vorteilhafte intuitive Interaktionsmöglichkeit wird vorgeschlagen, dass der Nutzer seine Hand bzw. Finger von der Richtung aus der die Druckpunkte wirken, wegbewegen soll. In diesem Fall wird das Wahrnehmen des Drucks dadurch überprüft, dass der Nutzer in einem definierten Zeitfenster nach dem Erzeugen des Signals auf dieses reagiert.The ultrasonic transducer can also 14th can be used advantageously for counterfeit detection. If a forgery is suspected, various pressure points and / or pressure areas are generated which would trigger a certain action in a human or natural surface area, since the person feels the pressure point. If a counterfeit is on the surface area or if a counterfeit cover is worn over the hand, the haptic feedback is not perceived. Recognition is conceivable via an interaction via the display by asking how many pressure points can be felt, or whether a pressure point moves clockwise or counterclockwise, or whether it moves to the left / right or up / down to determine whether a fake one or natural surface area is presented to the device for image acquisition of 3D skin impressions. As a particularly advantageous intuitive interaction option, it is proposed that the user should move his hand or fingers away from the direction from which the pressure points act. In this case, the perception of the pressure is checked in that the user reacts to the signal in a defined time window after it has been generated.

Der mindestens eine Ultraschallgeber 14 ist unterhalb der Objektebene 1.3 angeordnet. Weitere Ultraschallgeber 14 können oberhalb oder auch innerhalb des Rahmens 5 angeordnet sein. Vorteilhaft sind mehrere Ultraschallgeber 14 im Raum, um die Aussparung 6 verteilt, angeordnet, um von verschiedenen Seiten Druck auf die Hand ausüben zu können.The at least one ultrasonic transducer 14th is below the object level 1.3 arranged. More ultrasonic transducers 14th can be above or inside the frame 5 be arranged. Several ultrasound transmitters are advantageous 14th in space to the recess 6th distributed, arranged so that pressure can be exerted on the hand from different sides.

Gemäß einem sechsten, in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, vergleichbar mit den dem Ultraschallgeber 14 zukommenden Funktionen, ein Druckluftgeber mit einer Vielzahl von ansteuerbaren Düsen vorhanden. Über die gezielte Ansteuerung der einzelnen Düsen, kann die Hand geführt werden oder zu Bewegungen angeregt werden, die gegebenenfalls belegen, dass es sich um eine natürliche Hand handelt.According to a sixth exemplary embodiment of a device according to the invention, not shown in the drawings, is comparable to that of the ultrasonic transducer 14th functions, a compressed air generator with a large number of controllable nozzles is available. Through the targeted control of the individual nozzles, the hand can be guided or motivated to move, which may prove that it is a natural hand.

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)

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 a lighting 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 ) which delimit a recess (6) open on one side, which is open frontally to a user position of the user and in which the surface area, occupying an actual position, is to be positioned by the user, with an object plane (1.3 ) the main camera (1.1) is arranged with a depth of field (1.2) in which there is a target position for the surface area, 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 directions the optical axis (1.0) are present 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), the surface area in the axial and radial directions To move the 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 means of the main camera (1.1). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - das universale aktive Mittel eine Hilfskamera (9) enthält, die im Vergleich zur Hauptkamera (1.1) ein größeres Objektfeld (OF9) und eine geringere Auflösung aufweist, um in zeitlich nacheinander aufgenommene Bilder geringer Auflösung untereinander vergleichend analysieren zu können, ob die Bewegung zur Soll-Position hin durch Zitterbewegungen oder Pulsieren von Blutgefäßen überlagert ist, sodass eine echte von einer unechten Hand unterscheidbar ist, wobei - das Objektfeld (OF9) der Hilfskamera (9) und das Objektfeld (OF10) der Hauptkamera (1.1) in der Objektebene (1.3) der Hauptkamera (1.1) liegen.Device according to Claim 1 , characterized in that - the universal active means contains an auxiliary camera (9) which, compared to the main camera (1.1), has a larger object field (OF 9 ) and a lower resolution in order to compare and analyze images of low resolution taken one after the other whether the movement towards the target position is superimposed by trembling movements or pulsation of blood vessels, so that a real hand can be distinguished from an unreal hand, whereby - the object field (OF 9 ) of the auxiliary camera (9) and the object field (OF 10 ) of the Main camera (1.1) lie in the object plane (1.3) of the main camera (1.1). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - entweder das zweite aktive Mittel mindestens einen ersten Abstandssensor (10.1) enthält, der parallel zur Objektebene (1.3) abstrahlt, - oder das universelle aktive Mittel mindestens einen ersten Abstandssensor (10.1) und mindestens einen zweiten Abstandssensor (10.2), der unter einem Winkel ungleich 0° zu dem wenigstens einen ersten Abstandssensor (10.1) abstrahlt, enthält, um den Oberflächenbereich mit Licht wenigstens einer Wellenlänge zu bestrahlen oder einen Messstrahl mit wenigstens einer Wellenlänge auf den Oberflächenbereich zu richten und einen vom Oberflächenbereich infolge der Lichtabsorption durch Blutgefäße reflektierten Lichtanteil auf eine räumliche Strukturierung der einen Wellenlänge oder Licht mit mehr als einer Wellenlänge oder auf die Menge des reflektierten Lichtanteils zu analysieren.Device according to Claim 1 , characterized in that - either the second active agent contains at least one first distance sensor (10.1) which emits parallel to the object plane (1.3), - or the universal active agent contains at least one first distance sensor (10.1) and at least one second distance sensor (10.2) which emits at an angle not equal to 0 ° to the at least one first distance sensor (10.1), in order to irradiate the surface area with light of at least one wavelength or to direct a measuring beam with at least one wavelength onto the surface area and one from the surface area as a result of the light absorption to analyze the light component reflected by blood vessels for a spatial structuring of one wavelength or light with more than one wavelength or for the amount of the reflected light component. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite aktive Mittel zwei erste Lichtschranken (11.1) enthält, die ein erstes Lichtstrahlenpaar (11) bilden und, in oder parallel zu der Objektebene (1.3) abstrahlend, einen Winkel ungleich Null miteinander einschließend, spiegelsymmetrisch zu einer durch die optische Achse (1.0) verlaufenden Parallelen zu einer Einführrichtung (R) der Hand angeordnet sind, um den Oberflächenbereich mit Licht wenigstens einer Wellenlänge zu bestrahlen oder einen Messstrahl mit wenigstens einer Wellenlänge auf den Oberflächenbereich zu richten und einen vom Oberflächenbereich infolge der Lichtabsorption durch Blutgefäße reflektierten Lichtanteil auf eine räumliche Strukturierung der einen Wellenlänge oder Licht mit mehr als einer Wellenlänge oder auf die Menge des reflektierten Lichtanteils zu analysieren.Device according to Claim 1 , characterized in that the second active means contains two first light barriers (11.1) which form a first pair of light beams (11) and, emitting in or parallel to the object plane (1.3), enclosing an angle not equal to zero with one another, mirror-symmetrical to one through the Optical axis (1.0) running parallels to an insertion direction (R) of the hand are arranged in order to irradiate the surface area with light of at least one wavelength or to direct a measuring beam with at least one wavelength onto the surface area and one reflected from the surface area as a result of the light absorption by blood vessels To analyze the light component for a spatial structuring of one wavelength or light with more than one wavelength or for the amount of the reflected light component. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (7) ein Display ist.Device according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the output unit (7) is a display. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite aktive Mittel oder das universelle aktive Mittel ein Projektor (13) ist, der auf einer der Hauptkamera (1.1) abgewandten Seite der Objektebene (1.3) angeordnet ist, um ein Muster in die Aussparung (6) so zu projizieren, dass das Muster auf der Rückseite der Hand des Nutzers - entweder vollständig und scharf abgebildet - oder das Muster in seiner Farbe oder seiner Auflösung geändert wird, wenn der Nutzer die Hand innerhalb des Rahmens in die Soll-Position bewegt.Device according to Claim 1 , characterized in that the second active agent or the universal active agent is a projector (13) which is arranged on a side of the object plane (1.3) facing away from the main camera (1.1) in order to create a pattern in the recess (6) project that the pattern on the back of the user's hand - either completely and sharply depicted - or that the pattern is changed in its color or its resolution when the user moves the hand within the frame into the desired position. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (7) einen Ultraschallgeber (14) enthält, der geeignet ist haptisch wahrnehmbare Druckpunkte auf einer virtuellen Ebene, welche der Soll-Position in axialer Richtung entspricht, zu erzeugen.Device according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the output unit (7) contains an ultrasound transducer (14) which is suitable for generating haptically perceptible pressure points on a virtual plane which corresponds to the nominal position in the axial direction. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (7) einen Druckluftgeber enthält mit einer flächenhaften Anordnung von Düsen, die in die Aussparung (6) gerichtet sind.Device according to Claim 1 , characterized in that the output unit (7) contains a compressed air generator with a planar arrangement of nozzles which are directed into the recess (6).
DE202020005521.2U 2020-11-27 2020-11-27 Device for contactless optical imaging of a selected surface area of a hand Active DE202020005521U1 (en)

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