DE60305936T2

DE60305936T2 - Verfahren und anordnung zur bewertung der qualität von hautabdruckbildern

Info

Publication number: DE60305936T2
Application number: DE60305936T
Authority: DE
Inventors: Steffen Scholze; Reinhard Meier
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: DE10239342A1; AU2003259406A1; US20060126907A1; WO2004021261A1; EP1537519A1; DE60305936D1; ATE329322T1; EP1537519B1; CN100583123C; JP2005537561A; CN1679046A; US7536038B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bewertung der Qualität von Hautabdruckbildern, insbesondere Fingerabdruckbildern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Anordnung zum Durchführen eines Verfahrens dieser Art.
Bei der Aufnahme von Fingerabdrücken und anderen Hautabdrücken kann es zu verschiedenen Qualitätsbeeinträchtigungen kommen, welche sowohl bei der Erstellung eines Referenzdatensatzes als auch bei der späteren Überprüfung bzw. Identifikation von Fingerabdrücken Probleme verursachen, welche entweder eine Überprüfung bzw. Identifikation unmöglich machen oder sogar zu Fehlergebnissen führen kann. Je nach Prinzip und Aufbau der verwendeten Sensoren im Einzelnen kann die Qualität der aufgenommenen Bilder durch Schmutz bzw. Feuchtigkeit, Fett am Finger oder zu trockenen Finger beeinträchtigt werden. Außerdem sind Verschmutzungen des Sensors selbst mögliche Ursachen für Hautabdruckbilder schlechter Qualität. Hinzukommt noch eine möglicherweise unsachgemäße Bedienung durch den Anwender selbst.
Qualitativ minderwertige Hautabdruckbilder führen meist zu einer Zurückweisung, schlimmstenfalls aber zur Kompromittierung des Systems, wenn der Hautabdruck aufgrund der schlechten Qualität fälschlicherweise als richtig akzeptiert wird. Es ist deshalb wichtig, bei der Aufnahme eines Fingerabdrucks die Qualität des aufgenommenen Fingerabdruckbildes beurteilen zu können.
Aus US-A-5 963 656 ist ein System und ein Verfahren zum Ermitteln der Qualität von Fingerabdruckbildern bekannt, entsprechend dem ein Fingerabdruckbild in Pixelblöcke aufgeteilt wird. Die Blöcke werden als gerichtet und nicht gerichtet markiert. Die Blöcke werden auch als im Vordergrund oder im Hintergrund des Bildes bestimmt. Aneinander grenzende Gebiete mit Blöcken, die im Vordergrund und gerichtet sind, werden selektiert. Das Qualitätsmaß ist die Zuteilung des Gebietes all dieser selektierten aneinander grenzenden Gebiete zu dem gesamten Gebiet des Fingerabdruckbildes (d.h. den Vordergrund). Der Beitrag jedes der Blöcke der Gebiete zu dem Qualitätsmaß kann durch einen Abstand von einem Block mit einem Bezugspunkt (Bezugsblock) im Vordergrund gegeben werden. Weiterhin kann der Bezugsblock in den Schwerpunkt des Vordergrundes gelegt werden. Bilder werden als schlechte Qualität beurteilt, wenn das Qualitätsmaß unterhalb einer Qualitätsschwelle liegt und werden als gut bewertet, wenn das Qualitätsmaß über der Qualitätsschwelle liegt. Eventuell werden qualitativ schlechte Bilder weiter untersucht um zu ermitteln, ob sie beschmutzt sind oder von einem trocken Finger herrühren. Qualitativ gute Bilder werden weiter verarbeitet um zu ermitteln, ob sie ein teilweises oder ganzes Bild des Fingerabdrucks sind.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen 1 und 4 definiert, ein besseres Verfahren zum Ermitteln der Qualität von Hautabdruckbildern zu schaffen. Es ist ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zum Durchführen eines Verfahrens dieser Art zu schaffen.
Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch erfüllt, dass für die einzelnen Bildelemente (Pixel) des Hautabdruckbildes Gradienten gebildet werden, dass aus den Gradienten der Bildelemente jeweils eines Bildbereichs (Kachel) ein Mittelwert gebildet wird und dass Ähnlichkeiten der Mittelwerte von Kachel zu Kachel einen Qualitätswert bilden.
Bei der Berechnung von Gradienten, die letztlich die Richtung der Leisten angeben sollen, werden auch Gradienten in entgegengesetzter Richtung errechnet, die jedoch letztlich eine gleiche Leistenrichtung repräsentieren. Um hierbei das Vorzeichen zu eliminieren, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die zunächst gebildeten Gradienten mit den Komponenten g_x(alt) und g_y(alt) wie eine komplexe Zahl gemäß g_x = g_x(alt) ² – g_y(alt) ² und g_y = 2g_x(alt)·g_y(alt) quadriert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht davon aus, dass bei Hautabdruckbildern die Leistenrichtung von einer Kachel zur benachbarten sich nur geringfügig ändert. Dabei wird vorausgesetzt, dass das gesamte Hautabdruckbild in genügend viele Kacheln eingeteilt wird, was für eine spätere Analyse, insbesondere eine Extraktion der charakteristischen Merkmale, ohnehin erforderlich ist. So können beispielsweise die Kacheln 10 × 10 Pixel groß sein.
Eine besonders vorteilhafte Art zu ermitteln, ob sich die Mittelwerte von Kachel zu Kachel mehr oder weniger ändern, besteht gemäß einer anderen Weiterbildung darin, dass die Mittelwerte in zwei Richtungsmatrizen für x und y eingetragen werden, dass Skalarprodukte der Richtungsmatrizen mit jeweils horizontal, vertikal und in den Richtungen beider Diagonalen um einen Bildbereich versetzten Matrizen gebildet werden, dass die jeweils durch die Multiplikation der Matrizen entstandenen Produkte jeweils über alle Bildbereiche aufsummiert werden und dass die Summen zur Bildung des Qualitätswertes addiert und durch die über alle Bildbereiche aufsummierten Skalarprodukte der Richtungsmatrizen mit sich selbst geteilt werden.
Der Sensor erfasst üblicherweise eine rechteckige Fläche, wobei in den Rand bzw. Eckbereichen der Finger nicht auf dem Sensor aufliegt. Die somit nicht vom Finger eingenommenen Flächen können bei der Qualitätsbewertung gegebenenfalls stören. Dies ist nicht so sehr der Fall bei Sensoren, bei welchen die nicht vom Finger eingenommenen Flächen, also die außerhalb der so genannten Auflagefläche (region of interest = ROI) liegenden, homogen sind. Es werden jedoch auch Sensoren verwendet, welche außerhalb der Auflagefläche ein Raster oder Streifen produzieren. Bei solchen Sensoren ist es angezeigt, die Bewertung der Qualität auf die Auflagefläche zu begrenzen.
Um hierzu die Auflagefläche zu ermitteln, kann gemäß einer anderen Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Längen der gemittelten Gradienten zur Bestimmung einer Auflagefläche des abgetasteten Hautabdrucks verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhafterweise vorgesehen um digitale Erfindung. In diesem Fall kann Zuflucht genommen werden zu Systemen, die für einzelne Schritte der Signalverarbeitung an sich bekannt sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der ermittelten Gradienten innerhalb einer Kachel,
2 Mittelwerte der Gradienten jeweils über einer Kachel für das Gesamtbild und
3 Gleichungen zur Berechnung des Qualitätswertes.
Der Übersichtlichkeit halber weist die in 1 dargestellte Kachel 1 lediglich 4 × 4 Pixel auf. Innerhalb der Kachel befinden sich – ebenfalls stark vereinfacht – Teile von zwei Leisten 2, 3, die in Hinblick auf die für Patentzeichnungen geltenden Vorschriften als schraffierte Bahnen dargestellt sind. Ferner wurden bei der Darstellung weder der Verlauf der Grauwerte noch eine örtliche Quantisierung durch die Abtastung berücksichtigt. Für jedes Pixel wird mit an sich bekannten Verfahren ein Gradient 4 berechnet, der – wie oben bereits beschrieben – nicht vom Vorzeichen der Ränder der Leisten 2, 3 abhängt. Da an den meisten Stellen des Hautabdruckbildes die Leisten nicht besonders stark gekrümmt sind, nehmen die Gradienten im Wesentlichen ähnliche Richtungen ein.
Die Länge der Gradienten ist ebenfalls nicht realistisch dargestellt. Es wurde lediglich angedeutet, dass die Gradienten verschiedene Längen aufweisen können. Zur weiteren Verarbeitung werden die Komponenten in x- und y-Richtung in jeweils eine Richtungsmatrix eingebracht.
Zur Veranschaulichung ist in 2 das gesamte Bild eines Hautabdrucks dargestellt mit stellvertretend für jeweils eine der Kacheln 1 berechneten Mittelwerten der Gradienten.
Wie bereits erwähnt, umfasst die Auflagefläche 5 nicht die gesamte Abtastfläche des Sensors. Wird ein Sensor verwendet, der außerhalb der Auflagefläche 5 ein homogenes Signal, beispielsweise Schwarz oder Weiß, liefert, so kann bei den folgenden Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens durchaus die gesamte Fläche 6 berücksichtigt werden. In den Kacheln, die außerhalb der Auflagefläche liegen, sind dann die Mittelwerte der Gradienten 0 und stören somit nicht. Ähnliches gilt für Kacheln, die teilweise in der Auflagefläche 5 liegen.
Zur Bildung des Qualitätswertes wird eine Autokorrelation der Mittelwerte g vorgenommen. Dazu werden nach den in 3 dargestellten Gleichungen Skalarprodukte A_x, A_y, A_xy und A_yx gebildet. Ferner wird als Zentrum der Autokorrelation A abgeleitet. Der Qualitätswert Q wird dann zu Q = (A_x + A_y + A_xy + A_yx)/4A berechnet.
Die Summenbildung erfolgt jeweils für die ganze Fläche 6, nämlich von k = 1 und l = 1 bis zu deren Maximalwerten.

Claims

Verfahren zur Bewertung der Qualität von Hautabdruckbildern, wobei diese Hautabdruckbilder aus einzelnen als Pixel bezeichneten Bildelementen bestehen und in als Kacheln (1) bezeichnete Gebiete aufgeteilt sind, und insbesondere von Fingerabdruckbildern, dadurch gekennzeichnet, dass für die Pixel der Hautabdruckbilder Gradienten gebildet werden, dass die Gradienten (4), welche die Komponenten g_x(alt) und g_y(alt) haben nach der Mode einer komplexen Zahl gemäß g_x = g_x(alt) ² – g_y(alt) ² und g_y = 2g_x(alt)·g_y(alt) quadriert werden und dass nur jeweils ein einziger Hauptwert aus den quadrierten Gradienten (4) der Pixel in einer einzigen Kachel (1) geformt wird und dass Ähnlichkeiten in den Hauptwerten von Kachel (1) zu Kachel (1) ein Maß der Qualität bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwerte in zwei Richtungsmatrizen für x und y eingetragen werden, dass Skalarprodukte der Richtungsmatrizen mit jeweils horizontal, vertikal und in den Richtungen beider Diagonalen um eine Kachel (1) versetzten Matrizen gebildet werden, dass die jeweils durch die Multiplikation der Matrizen entstandenen Produkte jeweils über alle Kacheln (1) aufsummiert werden und dass die Summen zur Bildung des Qualitätswertes addiert und durch die über alle Kacheln (1) aufsummierten Skalarprodukte der Richtungsmatrizen mit sich selbst geteilt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen der gemittelten Gradienten (4) zur Bestimmung einer Auflagefläche des abgetasteten Hautabdrucks verwendet werden.
Anordnung zum Bewerten der Qualität von Hautabdruckbildern, wobei diese Hautabdruckbilder aus einzelnen als Pixel bezeichneten Bildelementen bestehen und in als Kacheln (1) bezeichnete Gebiete aufgeteilt sind, und insbesondere von Fingerabdruckbildern, gekennzeichnet durch ein System, das spezifisch vorgesehen ist um Folgendes zu bilden: – von Gradienten (4) für Pixel des Hautabdruckbildes welche die Komponenten g_x(alt) und g_y(alt) haben – quadrierten Gradienten aus den Gradienten nach der Mode einer komplexen Zahl gemäß g_x = g_x(alt) ² – g_x(alt) ² und g_y = 2g_x(alt)·g_y(alt), – eines Hauptwertes aus den quadrierten Gradienten (4) der Pixel in jeweils nur einer einzigen Kachel (1), und – einem Maß der Qualität aus Ähnlichkeiten in den hauptwerten von Kachel (1) zu Kachel (1).
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das System zum Bilden des Qualitätswertes aus Ähnlichkeiten in den Hauptwerten von Kachel (1) zu Kachel (1) für folgende Zwecke vorgesehen ist: – zum Eingeben der Hauptwerte in zwei Richtungsmatrizen für x und y, – zum Bilden von Skalarprodukten der Richtungsmatrizen mit jeweils horizontal, vertikal und in den Richtungen beider Diagonalen um eine Kachel (1) versetzten Matrizen, – zum Aufsummieren der jeweils durch die Multiplikation der Matrizen entstandenen Produkte über alle Kacheln (1) und – zum Bilden des Qualitätswertes durch Addierung der Summen und durch Teilung der über alle Kacheln (1) aufsummierten Skalarprodukte der Richtungsmatrizen mit sich selbst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System zum Bilden von Gradienten (4) für die einzelnen Bildelemente (Pixel) des Hautabdruckbildes und zum Formen eines Hauptwertes aus den quadrierten Gradienten (4) der Pixel in jeweils einer einzigen Kachel (1) vorgesehen ist um aus den Längen der gemittelten Gradienten (4) ein interessantes Gebiet (5) des abgetasteten Hautabdrucks zu ermitteln.