DE4009051C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem biometrischen Identifizierungs- und Zugangs-Kontrollsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Kontrollsystem ist als Einrichtung zur Zutrittskon­ trolle aus der DE-PS 37 31 773 bekannt. Dort ist vornehmlich darauf abgestellt, eine Mehrzahl von Personen schnell und eindeutig von­ einander unterscheiden und erkennen zu können. Dazu werden personen­ bezogene Werte wie Körpergröße, Schuhgröße, dynamischer Druckver­ lauf im Zuge der Bewegung durch den Erkennungsbereich und Gesichts­ profil-Konturen einer Sensor-Vereinzelungseinrichtung zugeordnet. Ein Gesichtsprofil-Konturgeber arbeitet mit einem Ultraschall-Sen­ sor, der typische Profil-Maximalabmessungen wie Distanz vom Hinter­ kopf zur Stirn und zur Nasenspitze sowie Distanz vom Scheitel zum Kinn unter Berücksichtigung des Abstands der Person vom Sensor er­ fassen und klassifizieren bzw. mit vorgegebenen Mustern vergleichen soll. Problematisch ist allerdings, daß diese Abmessungen auch we­ sentlich davon abhängen, wie stark die aktuelle Frisur über dem Schädel aufträgt und ob beispielsweise ein Hut oder eine Mütze ge­ tragen wird; wobei eindeutige und für einen Identifikations-Ver­ gleich brauchbare Distanzwerte ohnehin nur gemessen werden können, wenn das Profil immer in der gleichen Seitenansicht erfaßt wird, weil eine Neigung des Kopfes aus einer Nennorientierung heraus be­ reits zu wesentlichen Veränderungen der Absolutwerte, aber auch der darauf beruhenden Verhältniswerte führt. Das zusätzliche Kon­ trollkriterium der Gesichtsprofil-Kennwerte führt deshalb auch bei erheblichem meßtechnischen Mehraufwand nicht zu einer Erhöhung der Funktionssicherheit eines gattungsgemäßen Kontrollsystems.

In derselben Vorveröffentlichung ist ausgeführt, daß die bekannte Augenhintergrund-Identifikation, die auf einer Strukturanalyse der Blutgefäße in der Netzhaut beruht (vgl. P.M.-Magazin Heft 12/1987, Seite 86 links unten), schon wegen des Erfordernisses, die Augen­ höhle gegen einen Tubus andrücken zu müssen, keine rasche Kontroll-Iden­ tifikation ermöglicht und im übrigen auch aus hygienischen und psy­ chologischen Gründen wenig Aussichten auf einen breiten Einsatz hat.

Andererseits besteht ein großer praktischer Bedarf daran, einzeln auftretende Personen ohne Gewährleistung sehr spezieller Verhal­ tens-Maßregeln aus praktikabler Distanz rasch und eindeutig identi­ fizieren zu können. Dabei ist nicht nur an eine Zugangskontrolle zu sicherheitssensitiven Räumen gedacht, bei der man sich bisher mit einem visuellen Vergleich von über Fernsehkameras aufgenommenen Bildern der Eintritt suchenden Person und des Paßbildes auf ihrem Berechtigungsausweises begnügen muß, was noch größere Zuordnungs­ unsicherheiten beinhaltet als der visuelle Paßbild-Vergleich ohne zwischengeschaltete Fernsehübertragung; dabei ist darüber hinaus aber insbesondere auch daran gedacht, beispielsweise in alleinste­ henden Eigenheimen oder am Personalzugang zu Bankgebäuden wenigstens das Tor des äußeren Sicherungskreises nicht manuell aufgrund einer Fernseh-Beobachtung der Szene vor dem Tor öffnen lassen zu müssen, sondern automatisch zu öffnen, wenn eine berechtigte Person davor steht.

Aus der EP 00 82 304 A1 ist es bekannt, zum Identifizieren einer Person zwei voneinander unabhängige Korrelationsraten zu gewinnen. Die eine beruht auf stimmspezifischen Merkmalen, indem ein aktuell ausgesprochenes Wort mit einem abgespeicherten phonetischen Muster verglichen wird. Die andere beruht auf einer Gesichtserkennung, eingeschränkt auf das Momentanbild der Mundregion der Person während der Aussprache dieses Schlüsselwortes, wofür ein Gittermuster auf das Abbild der Mundformung projiziert wird, um das Momentanbild mit einem abgespeicherten Referenzbild für die Aussprache dieses Wortes vergleichen zu können. Trotz ganz erheblichem technischen Aufwandes für diese mehrschichtige Vergleichsauswertung ist doch schon allein deshalb mit einer hohen Fehlerrate zu rechnen, weil je nach dem momentanen persönlichen Empfinden die Zungenstellung im Mund trotz Aussprache desselben Wortes entscheidend unterschiedlich sein kann.

Für ein Kontrollsystem gattungsbildender Art ist es aus der DE 36 23 792 C1 bekannt, die momentan im überwachten Bereich, etwa in einer Durchgangsschleuse, erfaßte Anzahl von Personen festzustellen. Dafür wird davon ausgegangen, daß mehrere Personen, sofern sie nicht gerade einander eng umschlungen halten, deutlich gegeneinander versetzte Strahlungsschwerpunkte bilden, die mittels eines Infrarot-Sensors auflösbar sind. Zur Identifikation der erfaßten Person(en) kann diese Information allerdings nichts beitragen - sie eignet sich höchstens dazu, die an sich automatisch angestrebte Personenidentifizierung für den Fall der Erfassung mehrerer getrennter Personen außer Funktion zu setzen, weil die aktuelle Mehrfach-Information sich nicht sinnvoll mit der abgespeicherten individuellen Information vergleichen läßt.

Der neurologische Literaturhinweis "Migräne und zerebrale Ischämie - Neue Konzepte" in der Münchener Medizinischen Wochenschrift 127 (1985), Nr. 51/52 auf Seite 40, befaßt sich mit dem Problemkreis, rasch erkennen zu können, ob eine Halbseiten-Lähmung das erste Zeichen eines Schlaganfalles oder lediglich eine neurologische Begleitsymptomatik der Migräne ist. Dafür wird mittels einer computer-gestützten Telethermographie die momentane Hirndurchblutung unter Einfluß einer aktuell vorgenommenen Therapie visualisiert, nämlich aus Farbverschiebungen im thermografischen Bild auf geringste Temperaturunterschiede und damit Durchblutungsgegebenheiten geschlossen. Für ein gattungsgemäßes Identifizierungs- und Zugangskontroll-System ist es aber nicht angängig, die zu überprüfende Person einer Hirndurchblutungstherapie zu unterziehen, um bestimmte nicht-reguläre Temperaturverteilungen analysieren zu können; zumal die in der medizinischen Thermographie interessierenden Bilder nicht in Echtzeit am bewegten Objekt aufgenommen werden können und sich auf in der Regel krankhafte Besonderheiten beziehen, also gerade nicht zur Identifikation einer Person im privaten oder betrieblichen Alltag geeignet erscheinen.

Der Übersichts-Aufsatz "Medical thermography" von C. Jones in IEE Proceedings, Vol. 134, Pt. A. No. 2, Februar 1987, Seiten 225-236, zeigt auf, daß die beiden Gattungen kommerziell verfügbarer thermographischer Detektoren für das Erfassen infraroter Strahlung grundsätzlich auch in der medizinischen Technik anwendbar sind, wobei der thermische Detektor in der Vergangenheit eine größere Bedeutung für Infrarot-Bildsysteme hatte, während für den photonischen Detektor eine höhere Ansprechempfindlichkeit spricht. Auch die grundsätzlichen apparativen Realisierungsmöglichkeiten mit Detektorelement-Arrays in Spalten-, in Zeilen- oder in Matrix-Anordnung zum Gewinnen von Thermogrammen werden diskutiert. Die daraus gezogenen Erkenntnisse beschränken sich jedoch auf die Beurteilung krankhafter Gewebeveränderungen, eine Anwendung dieser apparativen thermografischen Möglichkeiten für die Personenidentifizierung ist nicht einmal aufgabenmäßig angedeutet.

Um bei der Schattenriß-Analyse von einer Absolutbetrachtung auf eine Verhältnisberechnung übergehen zu können, ist bei der eingangs erwähnten, gattungsbildenden Vorveröffentlichung vorgesehen, einen nicht näher definierten Gesichtsprofil-Konturgeber mit einem Ultraschall-Sensor zu kombinieren, um zusätzlich zu den Maximal-Abmessungen über der Schattenriß-Kontur eines Gesichts in Seitenansicht die Sensorentfernung zur im Schattenriß abgebildeten Person zu erfassen. Trotz dieses erheblichen Zusatzaufwandes ist auch hier mit einer relativ hohen Falschinformationsrate zu rechnen, da beispielsweise bei konstantem Personen-Abstand die Gesichts-Länge, gemessen in Höhe der Nasenspitze, sehr stark davon abhängt, wie stark diese Gesichtsachse gegenüber der Schattenriß-Detektorebene verschwenkt ist.

Es besteht aber ein erheblicher Bedarf an einer in Echtzeit arbeitenden und von Umgebungs-Einflüssen wie unterschiedlichen Momentanorientierungen möglichst freien Personenidentifikationsmöglichkeit.

In Erkenntnis diesen Bedarfes und der Schwächen vorhandener Personenidentifizierungssysteme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System gattungsgemäßer Art derart auszulegen, daß unter Einsatz der verfügbaren thermischen Sensoren, und ohne aktive Mitwirkung der zu kontrollierenden Person hinsichtlich bestimmter Verhaltensmaßregeln, eine für den Identifikations-Vergleich aussagekräftige Personen-Signatur in Echtzeit gewinnbar ist, so daß sie gegebenenfalls beispielsweise zur Ausgabe eines Zugangs-Signales führen kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das gattungsgemäße Kontrollsystem gemäß dem Kennzeichnungsteil des Hauptanspruches ausgelegt ist.

Eine derartige Erfassung der relativen Intensität der vom Gesicht einer zu überprüfenden Person ausgehenden Wärmestrahlung läßt mit den üblichen Mitteln der elektronischen Signalverarbeitung, wie sie etwa in der Technologie der Wärmebildgeräte eingesetzt wird, die gewonnene Information auf relativ grobe, und dadurch im korrela­ tiven Vergleich mit vertretbarem schaltungstechnischem Aufwand eine sichere Identifikationsbestimmung ermöglichende Strukturelemente reduzieren. Dabei arbeitet der Sensor rein passiv und berührungslos, indem er das frontal dargebotene Gesicht (gegebenenfalls nach Abnahme von die thermische Strahlung abschattenden Brillengläsern) über eine Umlenkeinrichtung oder mittels eines Detektor-Array abtastet. Die mit einer vorgegebenen Referenzsignatur zu vergleichenden Strukturelemente sind insbesondere die relative Anordnung und der Verlauf kälterer da blutarm knochiger oder gar hohler Schädelpartien im Gesichtsbereich, und denen überlagert Anordnung, Ausdehnung und Verlauf signifikant wärmerer da gut durchbluteter Zonen wie der Wangenpartien und der größeren Adern und Venen. Dabei braucht nur die relative Temperaturverteilung über die frontal dargebotene Ge­ sichtsfläche erfaßt und ausgewertet zu werden, so daß die momentane Körpertemperatur und aktuelle Umgebungstemperatureinflüsse ohne fälschenden Einfluß auf die zu gewinnende Signatur sind. Für den Vergleich mit vorgegebenen Referenzsignaturen lassen sich neben den bekannten Korrelationstechniken zum Mustervergleich auch neuronale (lernfähige) Netzwerke einsetzen, wie sie beispielsweise für die rechnergestützte medizinische Diagnose vereinzelt bereits in Einsatz sind.

Die aus der aufgenommenen Signatur abstrahierten Klassifizierungs­ merkmale einer zugangsberechtigten Person werden in einem Muster­ speicher übertragen, aus dem sie nacheinander zum Vergleich mit einer aktuell erfaßten Signatur abgerufen werden können, um gegebe­ nenfalls die Zugangs-Berechtigung der gerade erfaßten Person fest­ zustellen. Damit ist eine Personenüberprüfung ermöglicht, die siche­ rer ist als ein Paßbild-Vergleich und dennoch die Person weniger beansprucht als etwa eine Netzhaut-Analyse. Signaturverfälschungen durch unterschiedliche Sensor-Blickwinkel sind praktisch ausgeschlos­ sen, da es für die thermisch-geometrische Charakteristik des zu überprüfenden Gesichts genügt, dieses im wesentlichen frontal zu erfassen. Lediglich so gravierende Gesichtsveränderungen wie wallen­ der Haar- und Bartwuchs (im Vergleich zum rasierten Kinn und zurück­ gekämmten Haar) könnten die thermisch-geometrische Gesichtssignatur derart abschatten, daß eine Signaturgewinnung bzw. ein Vergleich mit einer vorgegebenen Signatur nicht mehr möglich ist. Bei der­ artigen Veränderungen versagen allerdings auch Paßbild- oder Kopf­ silhouetten-Vergleiche.

Bedienungstechnisch besonders vorteilhaft ist es, ein einheitliches Bedienpult vorzusehen, dessen Bedienung und Funktion nur von berech­ tigten Systembetreuern über eine Sperre, beispielsweise einen Schlüs­ sel-Umschalter, auf den aktuellen Einsatz vorbereitet wird. Dieser aktuelle Einsatz kann insbesondere einerseits die Aufnahme einer neu gewonnenen Gesichtssignatur in den Speicher für die Bereitstellung zum Mustervergleich sein, und andererseits statt dessen die direkte Übergabe der aktuell gewonnenen Klassifikationssignatur an den aus dem Musterspeicher gespeisten Vergleicher, um im Übereinstimmungs­ falle - vorzugsweise über einen Umsetzer wie eine Relais-Schaltung - das Zugangssignal auszugeben.

Den abgespeicherten Berechtigungssignaturen können individuelle Kennungsinformationen (wie die Namen oder Personalnummern der erfaß­ ten berechtigten Personen) zugeordnet werden. lm Freigabe-Falle kann dann diese Kennungsinformation in einer Sicherungszentrale (oder einfach innerhalb des gesicherten Raumes) angezeigt und gege­ benenfalls mit weiteren aktuellen Zutrittsdaten registriert werden. Eine Steigerung der Zuverlässigkeit beim Vergleich mit abgespei­ cherten Zugangs-Signaturen läßt sich einfach dadurch erreichen, daß auch bei der aktuellen Erfassung einer Gesichtssignatur die erfaßte Person die ihr bekannte Kennungsinformation manuell über das Bedienpult eingeben muß, so daß sich der Vergleich über die Signaturen hinaus auch auf eine übereinstimmende Verknüpfung mit diesen Zusatzinformationen erstreckt.

Es können auch mehrere Sensoren und Bedienpulte an einen zentralen Musterspeicher mit Vergleicher angeschlossen werden, um beispiels­ weise unterschiedliche Zugänge zum gleichen Raum oder sogar Zugänge zu unterschiedlichen Räumen zentral überwachen zu können.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche als einpoliges Blockschaltbild stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zum erfindungsgemäßen biometrischen Identifizierungs- und Zugangs- Kontrollsystem.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in Frontalansicht vor dem Detektor-Array 9 eines Sensors 10 das Gesicht 11 einer vom Kontroll­ system 12 erfaßten Person. Der passive Temperatur-Sensor 10 tastet den dargebotenen Bereich des Gesichts 11 hinsichtlich der darin vorliegenden relativen Wärmeverteilung ab. Durch die knochigen Schä­ delpartien ergibt sich eine Grobstruktur des Gesichts 11 insbesondere hinsichtlich der Stirnhöhe über den Augen, hinsichtlich des Abstands der Augenhöhlen untereinander und in bezug auf die Nase sowie hin­ sichtlich der durch das Kinn gegenüber der Kiefer-Breite repräsen­ tierten Gesichtsform. Diesen relativ kalten Zentren und Regionen gegenüber sind, thermosensorisch deutlich erfaßbar, die fleischigen da blutdurchströmten Gesichtspartien hinsichtlich Lage und Umfang deutlich abgesetzt, wie sie etwa durch die Wangen gegeben sind. Außerdem erfaßt der thermische Sensor 10 die Wärmestrahlung 13 auf­ fallender, insbesondere über die Stirnpartie und unter den Augenhöh­ len verlaufender Adern. Da keine absolute Temperaturmessung vorge­ nommen wird, sondern nur die relative Temperaturverteilung markan­ ter Bereiche im Vergleich zu einer Referenzfläche wie insbesondere der Stirnpartie erfaßt wird, ist die mittels des Sensors 10 gewinn­ bare thermische Gesichtssignatur 14 weitestgehend unabhängig von der momentanen Temperatur und Feuchte der Umgebungsluft. Vorausge­ gangene körperliche Anstrengungen dagegen führen zu stärkerer Durch­ blutung der zellenreichen Gesichtspartien und damit zu einem deutliche­ ren Kontrast zwischen wärmeren und kälteren Zonen, was die Prägnanz der aufgenommenen Gesichtssignatur 14 noch in wünschenswerter Weise verstärkt.

Um die geometrische Verteilung und Zuordnung der erwähnten signi­ fikanten warmen und kalten Bereiche im Gesicht 11 quasi-kartografisch zu erfassen, wird das dem Sensor 10 frontal dargebotene Gesicht 11 abgetastet. Dafür kann der Sensor 11 als Mosaik-Detektor-Array 9 nach Art eines Wärmekamera-Sensors ausgelegt sein, der das Gesicht 11 insgesamt erfaßt. Es genügt aber auch eine Zeilen- oder Spalten-Ab­ tastung mittels eines Linien-Detektor-Array 9 bzw. sogar eine Aus­ legung des Sensors 10 mit Einzeldetektor, der über einen Schwenk­ spiegel das dargebotene Gesicht 11 abgetastet (in der Zeichnung nicht näher ausgeführt).

Die so gewonnene thermische Gesichtssignatur 14 wird in einer Vorver­ arbeitungsschaltung 15 auf eine ausgesuchte Anzahl prägnanter Merk­ male für die Klassifikationssignatur 16 reduziert. Wenn eine Sperre 17, beispielsweise ausgeführt als ein Schloß-Schalter, die entspre­ chenden Eingabemöglichkeiten eines Bedienpultes 18 freigibt, dann wird die Klassifikationssignatur 16 über einen Umschalter 19 als eine - bzw. eine weitere, neue - Referenzsignatur 20 in einen Mu­ sterspeicher 21 übergeben, die zweckmäßigerweise um eine manuell eingegebene Kennungsinformation 22 (wie beispielsweise den Namen oder eine Kennziffer der Person, deren Gesicht 11 gerade erfaßt wird) zu ergänzen ist.

Wenn das Bedienpult 18 jedoch durch entsprechende Voreinstellung der Sperre 17 nicht für die Aufnahme einer neuen Klassifikations­ signatur freigegeben ist, sondern für die Personen-Überprüfung, dann ist über das Pult 18 ein Umschaltbefehl 23 auslösbar, der die aktuell aufgenommene Klassifikationssignatur 16 auf einen beispiels­ weise korrelativ arbeitenden Vergleicher 24 (vgl. die EP-OS 02 51 504 für den Beispielsfall einer Fingerabdruck-Personenidentifikation) durchschaltet, der außerdem nacheinander mit den im Speicher 21 vorliegenden Signaturen 20 beaufschlagt wird. Bei einer hinreichend übereinstimmenden Signatur-Paarung 20-20 aus einerseits der aktuellen Klassifikationssignatur 16 und andererseits einer abgespeicherten Referenzsignatur 20 liefert der Vergleicher 24 ein Quittungssignal 25. Dieses wird über einen Umsetzer 29 als Zugangssignal 26 ausge­ geben, um beispielsweise die Zugangstür vor einem sicherheitskriti­ schen Raum - oder auch nur das Gartentor eines Eigenheimes - zu öffnen bzw. zum Öffnen freizugeben. Außerdem kann bei Übereinstimmung der Signaturen 20-20 vorgesehen sein, aus dem Quittungssignal 25 im Inneren des gesicherten Raumes - bzw. in einer Zentrale - eine Anzeige 27 zur Darbietung der der aktuellen Signatur 16 zugehörigen Kennungsinformation 22 anzusteuern. Bei Nicht-Übereinstimmung der Vergleichssignaturen 20-20 kann ein optischer oder akustischer Alarm­ geber 28 eingeschaltet werden, damit der vom Sensor 10 aktuell er­ faßten Person besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden kann, wenn die Zugangstür manuell zur Öffnung freigegeben werden sollte. Außerdem wird dann das Bedienpult 18 blockiert, um Manipulationen seitens des offenbar Unberechtigten zu unterbinden.

In der Zeichnung ist gestrichelt berücksichtigt, daß sich eine Stei­ gerung der Zuverlässigkeit der Identifikation ergibt, wenn nicht nur zum Abspeichern einer neuen Berechtigungs-Signatur 18-20 in den Musterspeicher 21 eine zusätzliche Kennungsinformation 22 über das Bedienpult 18 (beispielsweise durch Tastenbetätigung oder mit­ tels eines Kartenlesers) eingegeben wird, sondern wenn diese Ken­ nungsinformation 22 zusätzlich im Vergleicher 24 einer aktuell über das Bedienpult 18 eingegebenen entsprechenden Information 22 gegen­ übergestellt wird. Dadurch ist sichergestellt, daß das Zugangssignal 26 auch dann noch nicht erscheint, wenn zwar ähnliche thermisch-geo­ metrische Gesichtsverhältnisse der aktuell erfaßten Person vorlie­ gen, diese Person aber nicht die Kennungsinformation 22 (wie Namen oder Personalnummer) der tatsächlich unter dieser Signatur 20 als berechtigt abgespeicherte Person eingeben kann.

Claims (5)

1. Biometrisches Identifizierungs- und Zugangskontroll-System (12) mit Vergleicher (24) für personenbezogen abgespeicherte und für aktuell erfaßte Gesichts-Signaturen (14) zur Ausgabe eines Zugangssignales (26) bei Übereinstimmung mit einer abgespeicherten Referenz-Signatur (20), dadurch gekennzeichnet, daß ein passiver thermischer Sensor (10) in Form eines Infrarotdetektor-Array (9) zur Aufnahme charakteristischer relativer Temperaturverteilungen im Gesicht (11) einer Person als der aktuell erfaßten Gesichts-Signatur (14) vorgesehen ist.

2. Kontrollsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sensor (10) eine Vorverarbeitungsschaltung (15) zur Redu­ zierung der aktuell sensorisch erfaßten thermischen Gesichts­ signatur (14) auf eine gröber strukturierte Klassifikationssig­ natur (18) nachgeschaltet ist.

3. Kontrollsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem über eine Sperre (17) funktionsumschaltbaren Bedienpult (18) zur Übergabe einer aktuellen Klassifikations­ signatur (16) entweder an den Musterspeicher (21) oder an den Vergleicher (24) ausgestattet ist, über das auch Kennungsinfor­ mationen (22) der aktuell anstehenden Klassifikations-Signatur (16) zugeordnet werden können.

4. Kontrollsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Anzeige (27) für den Fall positiven Vergleiches von Referenzsignaturen (20-20) sowie einem Alarmgeber (28) für den Fall nicht-übereinstimmender Referenzsignaturen (20-20) am Vergleicher (24) ausgestattet ist.

5. Kontrollsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vergleicher (24) ein Umsetzer (29) zur Ausgabe eines Zugangssignales (26) bei Übereinstimmung der Referenzsignaturen (20-20) und gegebenenfalls zusätzlich der Kennungsinformationen (22-22) nachgeschaltet ist, das unmittelbar auf den Öffnungs­ mechanismus einer Sicherungstür einwirkt.