RU112992U1

RU112992U1 - DEVICE FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF GEOMETRIC SURFACE SURFACE PARAMETERS

Info

Publication number: RU112992U1
Application number: RU2011125441/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Захаров; Максим Александрович Митрохин
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-01-27

Abstract

Устройство бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека содержит источник структурированной подсветки, источники ввода изображений, блок обработки информации, отличающееся тем, что содержит лазерный источник структурированной подсветки, проецирующий на объект под углом линию, перемещающуюся по поверхности лица человека, а также два источника ввода информации в виде HD-вебкамер. The device for non-contact measurement of the geometric parameters of the human face surface contains a source of structured illumination, sources of image input, an information processing unit, characterized in that it contains a laser source of structured illumination, projecting a line on the object at an angle, moving along the surface of the human face, as well as two sources of information input in the form of HD webcams.

Description

Техническое решение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации профилей трехмерных объектов.The technical solution relates to the field of measurement technology and can be used to visualize profiles of three-dimensional objects.

Современные устройства для измерения геометрии объектов базируются на возможностях современных оптико-электронных приборов, компьютеров, алгоритмов и новейшей элементной базе.Modern devices for measuring the geometry of objects are based on the capabilities of modern optoelectronic devices, computers, algorithms and the latest element base.

Данное техническое решение позволяет измерять параметры геометрии лица человека для систем контроля и управления доступом по биометрическим параметрам.This technical solution allows you to measure the parameters of the geometry of a person’s face for access control and management systems using biometric parameters.

Целью данного устройства является бесконтактное измерение геометрических параметров поверхности лица человека для повышения точности выделения биометрических параметров лица человека и расширения возможности аутентификации в системах контроля и управления доступом.The purpose of this device is non-contact measurement of the geometric parameters of the surface of a person’s face to increase the accuracy of highlighting the biometric parameters of a person’s face and expand authentication capabilities in access control and management systems.

Техническое решение реализуется путем использования источника структурированной подсветки с высокой разрешающей способностью, источников ввода информации в виде HD-вебкамер и блока обработки.The technical solution is implemented by using a source of structured high-resolution illumination, input sources of information in the form of HD-webcams and processing unit.

3D-сканирование лица с использованием структурированной подсветки является наиболее оптимальным для задач распознавания человека, поскольку оно обладает следующими преимуществами: независимость от освещенности, повышенная точность модели, высокая информативность выходных данных, возможность автоматизации.3D scanning of a face using structured backlighting is the most optimal for human recognition tasks, since it has the following advantages: independence from illumination, increased model accuracy, high information content of the output data, and the possibility of automation.

Известны несколько способов и устройств для контроля линейных размеров трехмерных объектов с использованием структурированной подсветки.Several methods and devices are known for controlling the linear dimensions of three-dimensional objects using structured illumination.

Первый способ заключается в том, что на объект проецируется система разноцветных периодических полос. В результате в одном кадре регистрируется целиком вся попадающая в поле зрения камеры часть поверхности, и судят о контролируемых размерах по степени искажений изображения множества полос и местоположению полос в декартовой системе координат. Устройство, реализующее этот способ, содержит источник оптического излучения и последовательно установленные по ходу излучения транспарант, выполненный в виде слайда с изображением радужных полос, объектив, проецирующий изображение возникающей на поверхности контролируемого объекта искаженной рельефом поверхности картины радужных полос, фоторегистратор, преобразующий спроецированное объективом изображение в цифровое, и цифровой электронный блок, вход которого соединен с выходом фоторегистратора, осуществляющий пересчет фиксируемых фоторегистратором цифровых изображений в величины высот рельефа (см., описание изобретения к патенту РСТ WO 00/70303, PCT/US 99/70303, кл. G01B 11/24, 23.11.2000 г.). Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная неоднозначным отражением подсвечивающего пучка от поверхности цветного объекта.The first way is that a system of multi-colored periodic stripes is projected onto the object. As a result, in a single frame, the entire part of the surface falling within the field of view of the camera is recorded, and the controlled sizes are judged by the degree of image distortion of the multiple bands and the location of the strips in the Cartesian coordinate system. A device that implements this method contains a source of optical radiation and a banner sequentially installed along the radiation, made in the form of a slide with the image of rainbow stripes, a lens projecting an image of the surface of the picture of the rainbow stripes appearing on the surface of the controlled object, a photographic recorder that converts the image projected by the lens into digital and digital electronic unit, the input of which is connected to the output of the photorecorder, which carries out the recount the digital image recorder in the elevation heights (see the description of the invention to the PCT patent WO 00/70303, PCT / US 99/70303, CL G01B 11/24, 11/23/2000). The disadvantage of this device is the low accuracy due to the ambiguous reflection of the illuminating beam from the surface of a colored object.

Второй способ заключается в том, что на объект проецируется система полос, создаваемая либо путем подсветки когерентным излучением, содержащим спекл-структуру либо в виде системы концентрических полос, либо в виде хаотично расположенных зон, форма которых единообразна. Искаженная рельефом поверхности структурированная подсветка регистрируется при изменении длины волны излучения, по меньшей мере два раза. Полученная таким образом псевдоголограмма содержит систему интерференционных полос, расстояние между которыми в разных точках соответствует высоте рельефа. Соответствующая обработка на ЭВМ совокупности данных о величине вышеуказанных расстояний позволяет судить о рельефе поверхности контролируемого объекта (см., М.Франсон. Оптика спеклов. - М.: Мир, 1980, с.141-143). Недостатком этого способа является низкая достоверность получаемых данных о контролируемой поверхности на участках поверхности, отражение которых резко отличается от диффузного. Кроме того, поверхности с перепадом координат не удается идентифицировать, так как зоны структурированной подсветки характеризуются высокой степенью схожести.The second way is that a system of bands is projected onto the object, created either by illumination with coherent radiation containing a speckle structure or in the form of a system of concentric bands, or in the form of randomly arranged zones, the shape of which is uniform. The structured illumination distorted by the surface topography is recorded at least two times when the radiation wavelength changes. The pseudo-hologram thus obtained contains a system of interference fringes, the distance between which at different points corresponds to the height of the relief. Appropriate processing on a computer of a set of data on the magnitude of the above distances allows you to judge the surface topography of the controlled object (see, M. Franson. Speckle Optics. - M .: Mir, 1980, p.141-143). The disadvantage of this method is the low reliability of the data obtained on the controlled surface on the surface, the reflection of which differs sharply from diffuse. In addition, surfaces with a coordinate difference cannot be identified, since the areas of structured illumination are characterized by a high degree of similarity.

Третий способ заключается в проецировании на объект шаблона с линейчатой (сетчатой) структурой, по фотографии лица с нанесенным шаблоном получают 3D модель лица (см., описание изобретения к патенту РСТ WO 99/58930, PCT/US 99/106777, кл. G01B 11/24, 1999 г.). Недостатками этого способа является высокая погрешность контроля и ограниченные функциональные возможности. Высокая погрешность измерения обусловлена тем, что при проецировании шаблона на лицо человека возникает изображение с линейчатой структурой и искажения картины, вызванные глубокими впадинами, высокими выпуклостями, невозможно идентифицировать из-за разрывов в изображении линий. Кроме того, при определенных значениях впадин и выпуклостей на поверхности, по искажениям полос, величина которых превышает расстояние между полосами, невозможно идентифицировать высоту рельефа и две другие координаты. Ограниченные функциональные возможности обусловлены необходимостью строго ориентировать контролируемый объект на определенном расстоянии от источника излучения.The third method consists in projecting a template with a ruled (mesh) structure onto an object; using a photograph of a person with a template applied, a 3D model of the face is obtained (see PCT patent description WO 99/58930, PCT / US 99/106777, class G01B 11 / 24, 1999). The disadvantages of this method is the high control error and limited functionality. The high measurement error is due to the fact that when projecting the template onto the person’s face, an image with a linear structure appears and the distortion of the picture caused by deep depressions, high bulges cannot be identified due to gaps in the image of the lines. In addition, at certain values of the depressions and bulges on the surface, it is impossible to identify the relief height and two other coordinates by the distortions of strips whose magnitude exceeds the distance between the strips. Limited functionality due to the need to strictly orient the controlled object at a certain distance from the radiation source.

Известен так же способ 3D сканирования, отличающегося от предыдущего, тем, что используются апериодичные шаблоны разных спектральных диапазонов, количество регистрирующих фотокамер соответствует количеству спектральных диапазонов. Этот способ устраняет недостаток связанный с ошибками восстановления поверхности с высокой кривизной. Недостатком такого подхода является техническая сложность реализации, и как следствие высокая стоимость изделия.There is also known a 3D scanning method that differs from the previous one in that aperiodic patterns of different spectral ranges are used, the number of recording cameras corresponds to the number of spectral ranges. This method eliminates the disadvantage associated with errors in the restoration of a surface with a high curvature. The disadvantage of this approach is the technical complexity of the implementation, and as a result, the high cost of the product.

Общий недостаток способов, использующих проецирование сложного шаблона на объект сканирования, является необходимость использования оптической системы. Поэтому предъявляются жесткие требования к расстоянию от проецирующего источника до объекта, значение этого расстояния значительно влияет на точность сканирования (расфокусировка шаблона на объекте). Разрешающая способность сканера напрямую зависит от качества шаблона, что в свою очередь требует использования сложной оптической системы, которая увеличивает стоимость системы.A common drawback of methods using the projection of a complex pattern onto a scan object is the need to use an optical system. Therefore, stringent requirements are imposed on the distance from the projecting source to the object, the value of this distance significantly affects the accuracy of scanning (defocusing the template on the object). The resolution of the scanner directly depends on the quality of the template, which in turn requires the use of a complex optical system, which increases the cost of the system.

Известен способ и устройство. Способ заключается в том, что последовательно сканируют отдельные контуры поверхности светящейся полосой, реализующей структурированную подсветку и судят о контролируемых размерах по степени искажения изображения полосы и местоположению полосы в декартовой системе координат. Устройство, реализующее способ, содержит лазер, сканер, объектив, фоторегистратор, и блок обработки информации (см., описание изобретения к патенту РСТ WO 98/27514 от 25.06.98 заявка РСТ/IB 97/01649 от 15.12.96) является ближайшим аналогом заявляемой полезной модели. Недостатком известного устройства является низкая точность и длительное время сканирования, ограничение на подвижность объекта во время сканирования.A known method and device. The method consists in sequentially scanning individual surface contours with a luminous strip that realizes structured illumination and judging the controlled sizes by the degree of distortion of the image of the strip and the location of the strip in the Cartesian coordinate system. A device that implements the method includes a laser, a scanner, a lens, a photorecorder, and an information processing unit (see PCT patent description WO 98/27514 dated 06/25/98; PCT / IB 97/01649 dated 12/15/96) is the closest analogue claimed utility model. A disadvantage of the known device is the low accuracy and long scan time, the restriction on the mobility of the object during scanning.

Учитывая недостатки различных способов и устройств распознавания человека по геометрии лица предлагается использовать устройство бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека.Given the shortcomings of various methods and devices for recognizing a person by face geometry, it is proposed to use a non-contact device for measuring the geometric parameters of a person’s face surface.

Заявляемая полезная модель «Устройство бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека» направлена на устранение указанных недостатков и решение задачи, касающейся упрощения конструкции при повышении надежности, точности, достоверности измерения геометрических параметров поверхности лица человека.The inventive utility model "Device for non-contact measurement of geometric parameters of the surface of a person’s face" is aimed at eliminating these shortcomings and solving the problem of simplifying the design while improving reliability, accuracy, reliability of measuring geometric parameters of the surface of a person’s face.

Технический результат от поставленной задачи достигается за счет того, что устройство бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека оснащено лазерным источником структурированной подсветки, проецирующим на объект под углом линию, перемещающуюся по поверхности лица человека, а так же двумя источниками ввода информации в виде HD-вебкамер.The technical result of the task is achieved due to the fact that the non-contact measuring device of the geometric parameters of the surface of the person’s face is equipped with a laser source of structured illumination, projecting an object at an angle to the line moving along the surface of the person’s face, as well as two sources for inputting information in the form of HD webcams .

Отличительными признаками заявляемого устройства бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека от близкого по технической сущности устройства является использование лазерного источника в качестве источника структурированной подсветки, который проецирует на объект под углом линию, а так же два источника ввода информации в виде двух HD-вебкамер, разнесенных в пространстве. Использование лазерного источника структурированной подсветки и двух источников ввода информации позволяет сократить время сканирования и увеличить точность измерения геометрических параметров поверхности лица человека. Следует отметить, что точность устройства измерения становится менее зависимой от подвижности объекта во время сканирования и положения относительно устройства. Использование двух источников ввода изображений (HD-вебкамер) позволяет получать координаты проекции линии, проецируемой источником структурированной подсветки при произвольном ее перемещении по поверхности лица человека.The distinctive features of the proposed device for non-contact measurement of geometric parameters of the surface of a person’s face from a device that is close in technical essence is the use of a laser source as a structured illumination source that projects a line at an angle, as well as two input sources of information in the form of two HD webcams spaced in space. The use of a laser source of structured illumination and two sources of information input can reduce the scanning time and increase the accuracy of measuring the geometric parameters of the surface of a person’s face. It should be noted that the accuracy of the measurement device becomes less dependent on the mobility of the object during scanning and position relative to the device. Using two image input sources (HD webcams) allows you to get the projection coordinates of the line projected by the structured illumination source when it is arbitrarily moved along the surface of a person’s face.

На фиг.1 показана схема устройства бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека.Figure 1 shows a diagram of a non-contact device for measuring geometric parameters of the surface of a person's face.

Устройство бесконтактного измерения геометрических параметров поверхности лица человека содержит: C1, C2 - HD-вебкамеры, L - лазерный источник структурированной подсветки в виде линии, d - фокусное расстояние камер, r - расстояние от начала координат до камер, Р - произвольная точка на объекте принадлежащая плоскости структурированной подсветки, p₁ и р₂ - изображения точки Р на камерах C₁ и С₂, имеющие координаты (x'₁, у'₁) и (x'₂, у'₂), h - расстояние от начала системы координат xyz до лазерного источника структурированной подсветки.The non-contact device for measuring the geometric parameters of the surface of a person’s face contains: C1, C2 - HD webcams, L - a laser source of structured illumination in the form of a line, d - focal length of cameras, r - distance from the origin to cameras, P - an arbitrary point on the object belonging structured illumination planes, p ₁ and p ₂ are images of point P on cameras C ₁ and C ₂ having coordinates (x ' ₁ , y' ₁ ) and (x ' ₂ , y' ₂ ), h is the distance from the origin of the coordinate system xyz to a laser source of structured illumination.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Лазерный источник структурированной подсветки проецирует на объект перемещающую линию, одновременно происходит запись изображения с двух HD-вебкамер, в результате записи получаются две видеопоследовательности, по которым определяются координаты точек, принадлежащие поверхности лица человека.The laser source of structured illumination projects a moving line onto the object, at the same time, the image is recorded from two HD webcams, as a result of the recording, two video sequences are obtained by which the coordinates of the points belonging to the surface of the person’s face are determined.

Заявленное устройство может найти широкое применение в системах контроля и управления доступом на основе биометрических технологий.The claimed device can be widely used in access control systems based on biometric technologies.

Claims

The non-contact device for measuring the geometric parameters of the surface of a person’s face contains a structured illumination source, image input sources, an information processing unit, characterized in that it contains a structured illumination laser source that projects a line moving across the surface of a person’s face, as well as two sources of information input in the form of HD webcams.