RU170881U1

RU170881U1 - Устройство регистрации изображения лица

Info

Publication number: RU170881U1
Application number: RU2016125646U
Authority: RU
Inventors: Александр Витальевич Мищук; Олег Федорович Антонов; Сергей Сергеевич Ерофеенков; Дмитрий Михайлович Немтинов
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-05-12

Abstract

Полезная модель предназначена для регистрации изображения лица с автоматической компенсацией влияния неравномерности освещенности поверхности лица в нестационарных условиях для дальнейшего использования в системах биометрической идентификации. Устройство представляет собой моноблочный полый корпус, выполненный из твердого конструкционного материала, во внутренней полости которого размещены микроконтроллер, карта памяти, аккумуляторная батарея и микросхема для электрического соединения всех элементов устройства. В передней части корпуса размещена камера и светодиоды с регулируемой интенсивностью освещения. Использование микроконтроллера с картой памяти в качестве блока обработки цифровых изображений и распределителя мощности излучения осветителей, светодиодов в качестве блока осветителей и аккумуляторной батареи в качестве источника питания позволяет существенно уменьшить габариты устройства и обеспечить его работу в автономных условиях. Небольшие габариты и функционирование устройства на автономном источнике питания расширяет сферу его применения и позволяет использовать в качестве устройства регистрации изображений в нестационарных условиях.

Description

Полезная модель относится к средствам цифровой регистрации изображений и может быть использована для получения такой биометрической характеристики человека, как изображение его лица в системах биометрической идентификации, использующих распознавание личности.

Согласно исследованиям в области биометрии для качественного процесса идентификации (верификации) по изображению лица и получения удовлетворительных значений вероятностных характеристик неравномерность освещенности поверхности лица не должна превышать 20% [2]. Однако в реальных условиях регистрации изображений с неконтролируемым освещением (например, в аэропортах) для идентификации и верификации получение такого значения неравномерности практически невозможно. Кроме того, во многих сферах обеспечения безопасности (борьба с терроризмом, преступностью, нелегальной миграцией) особенности применения биометрических систем распознавания по изображению лица (например, скрытность и мобильность) заключаются в их размещении в нестационарных условиях. Таким образом, появляется необходимость применения средств регистрации изображений лиц в нестационарных условиях с автоматической компенсацией неравномерности освещенности на регистрируемых изображениях.

Известен способ программной компенсации влияния неравномерности освещенности [6]. Недостатком данного способа является привлечение вычислительных ресурсов и сложных алгоритмов предварительной обработки данных, эффективность работы которых в условиях высокой неравномерности освещенности существенно понижается. Кроме того, программная обработка изображений с высоким уровнем неравномерности освещенности в несколько раз увеличивает время работы биометрической системы распознавания в целом, что существенно снижает ее эффективность.

Для устранения негативных эффектов от применения алгоритмов программной обработки изображений необходимо использовать аппаратную компенсацию неравномерности освещенности.

Известно устройство [4], которое за счет оптимального размещения осветителей и светопроницаемого рассеивателя в форме кольца позволяет освещать находящийся перед ним объект таким образом, что применение какой-либо камеры позволит регистрировать изображение лица с отсутствием теней и засветок на нем. Недостатком данного устройства является невозможность регистрации изображения без применения дополнительных устройств (в частности, камеры).

Известно устройство регистрации изображения лица человека [5], которое регистрирует изображение лица, обеспечивая отсутствие теней и бликов на изображении применением осветителя, выполненного в виде кольца соосно с объективом цифровой камеры. Недостатком данного устройства является необходимость применения компьютера и электродвигателя, габариты которых ограничивают сферу применения устройства. Кроме того, общим недостатком вышеперечисленных устройств [4, 5] является отсутствие инструментов автоматической компенсации влияния освещенности путем изменения интенсивности излучения осветителей. В условиях хорошей освещенности поверхности лица (более 200 люкс) дополнительное освещение, обусловленное применением устройства, и невозможность изменения интенсивности освещения приведет к избыточной яркости получаемого регистрируемого изображения, что влечет за собой существенное ухудшение вероятностных характеристик правильной верификации при сличении изображений на соответствие.

Известно средство регистрации, в котором в автоматическом режиме компенсируется влияние освещенности на изображение, которое использовано в известной системе распознавания личности [3]. В данном изделии с помощью специального программного обеспечения компьютера оценивается неравномерность освещенности поверхности лица человека, находящегося перед камерой. При ее несоответствии заранее известному стандарту (значению) компьютер посылает сигнал распределителю мощности для изменения интенсивности излучения осветителей. Данный алгоритм повторяется до достижения необходимого значения степени неравномерности освещенности. Результатом данного этапа работы изделия является получение изображения с минимально необходимым коэффициентом неравномерности освещенности. Таким образом, данное средство обеспечивает автоматическую компенсацию влияния освещенности на качество регистрируемого изображения. Питание элементов изделия осуществляется с помощью бытовой электрической сети.

Вместе с тем, данное средство регистрации изображений обладает некоторыми недостатками.

Во-первых, для компенсации неравномерности освещенности предполагается использование средств вычислительной техники, обладающих значительными габаритами. Кроме того, существенное количество крупногабаритных элементов изделия (компьютер, распределитель мощности, блок осветителей с камерой) требует значительной площади рабочего пространства и позволяет применять их только в специально оборудованных помещениях для регистрации лиц.

Во-вторых, для проведения относительно простых и не требующих больших вычислительных затрат операций применяется вычислительная мощность компьютера, что требует существенного энергопотребления. Кроме того, работа применяемых элементов изделия требует значительного расхода энергоресурсов, для обеспечения чего необходимо использовать бытовую электрическую сеть.

Перечисленные недостатки ограничивают сферу применения данного изделия в различных условиях регистрации изображений (например, невозможность использования в нестационарных условиях).

Данное средство регистрации изображений принято за прототип.

Целью полезной модели является возможность использования средства регистрации изображений лиц в нестационарных условиях.

Для достижения поставленной цели решается задача создания в едином малогабаритном корпусе устройства, обеспечивающего применение алгоритмов обработки изображений и параметров освещенности без применения габаритных элементов с возможностью автономного функционирования в нестационарных (без использования электрической сети) условиях.

Осуществление вычислительных операций (обработка цифровых изображений, расчет параметров яркости, управление мощностью осветителей) происходит за счет вычислительных ресурсов заранее программируемого микроконтроллера. В качестве осветителей используются светодиоды. Низкое энергопотребление микроконтроллера и светодиодов позволяет использовать для функционирования устройства автономный источник питания в виде аккумуляторной батареи, напряжения питания которой достаточно для функционирования устройства на протяжении продолжительного времени. Благодаря небольшим габаритам аккумуляторной батареи, микроконтроллера и светодиодов обеспечивается возможность исполнения устройства в едином малогабаритном корпусе, в котором размещены все элементы устройства.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на:

фиг. 1 - вид сбоку (разрез);

фиг. 2 - вид спереди;

фиг. 3 - вид сзади;

фиг. 4 - схема взаимодействия блоков устройства;

фиг. 5 - алгоритм расчета параметров освещенности;

фиг. 6 - принципиальная схема устройства.

Устройство (фиг. 1) представляет собой моноблочный прямоугольный в сечении полый корпус 1, в котором размещены все элементы устройства, выполненный из твердого конструкционного материала, закрывающийся крышкой 2. Во внутренней полости корпуса 1 размещена микросхема 3, содержащая микроконтроллер 4, карту памяти 5, а также аккумуляторную батарею 6. Микросхема 3, прикрепленная, например, крепежными болтами к какой-либо внутренней стенке корпуса 1, обеспечивает электрическое соединение управляющих шин микроконтроллера 4 с камерой 7, светодиодами 8 и слотом карты памяти 5, а также обеспечивает питание микроконтроллера 4, карты памяти 5, камеры 7 и светодиодов 8 от аккумуляторной батареи 6. На внешней поверхности днища корпуса 1 расположены резиновые накладки-опоры 9, позволяющие добиться относительной устойчивости при применении изделия при размещении на различных поверхностях.

В передней части корпуса 1 (фиг. 2) выполнено отверстие, в котором размещена камера 7, на некотором расстоянии от которой равномерно по окружности в отверстиях размещены светодиоды 8. Такое расположение светодиодов 8 относительно камеры 7 позволяет избежать проявления таких побочных явлений, как блики и тени при дополнительном освещении.

В задней части корпуса 1 (фиг. 3) выполнены разъем 10 для подключения карты памяти 5 (фиг. 1) к каким-либо средствам вычислительной техники и разъем 11 для заряда аккумуляторной батареи 6 (фиг. 1). В задней части корпуса 1 (фиг. 3) расположен переключатель питания 12, управляющий реле для подключения питания от аккумуляторной батареи 6 (фиг. 1) к остальным элементам устройства, кнопка запуска процесса съемки 13 и блок светодиодов индикации 14, имеющие электрическое соединение с микроконтроллером 4 (фиг. 1). В блок светодиодов индикации 14 (фиг. 3) при успешной регистрации загорается зеленый светодиод, а при неуспешной - красный.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливается основанием на ровную поверхность, например, на стойку. Субъект съемки располагается напротив объектива камеры 7 (фиг. 2) на расстоянии 0,7-1 м. После включения устройства с помощью переключателя питания 12 (фиг. 4) напряжение питания от аккумуляторной батареи 6 подается на микроконтроллер 4, слот карты памяти 5, камеру 7 и светодиоды 8. После нажатия кнопки запуска 13 микроконтроллер 4 посылает сигнал на съемку камере 7, при этом счетчик итераций i в алгоритме расчета параметров освещенности (фиг. 5) принимает нулевое значение. Камера 7 (фиг. 4) делает снимок изображения и передает данные на микроконтроллер 4, после чего микроконтроллер 4 сохраняет цифровое двумерное изображение на карту памяти 5 в виде файла под именем, однозначно характеризующим, что данное изображение является тестовым (например, «Tecт_1.bmp»). Микроконтроллер 4 с некоторым интервалом проверяет наличие данных на карте памяти 5. Получив информацию о наличии изображения на карте памяти 5, микроконтроллер 4 по встроенному алгоритму (фиг. 5) преобразует изображение в перцепционное цветовое пространство, а затем вычисляет параметры яркости двумерного изображения и коэффициент неравномерности. Если коэффициент неравномерности превышает установленный порог (условие 1 (фиг. 5) не выполняется), то микроконтроллер 4 (фиг. 4) удаляет изображение из карты памяти 5, подает сигнал на увеличение интенсивности излучения светодиодов 8 на некоторую фиксированную величину, после чего подает сигнал на съемку камере 7. Таким образом увеличивается средняя и минимальная яркости на поверхности лица человека, расположенного перед камерой. При увеличении интенсивности излучения света отношение минимальной яркости к средней, применяемое в расчете коэффициента неравномерности (фиг. 5), постепенно уменьшается. Таким образом, пошаговое увеличение интенсивности излучения светодиодов 8 (фиг. 4) на определенной итерации приведет к выполнению условия 1 (фиг. 5). Данный алгоритм повторяется до выполнения условия 1 (фиг. 5) с учетом непрерывной динамики уменьшения коэффициента неравномерности (условие 2 (фиг. 5)). В этом случае проверенное изображение сохраняется на карте памяти 5 (фиг. 4) под номером встроенного счетчика микроконтроллера 4 (например, «1.bmp»), микроконтроллер 4 подает сигнал на зеленый светодиод блока светодиодов индикации 14 и переходит в режим ожидания. В некоторых случаях тенденция уменьшения значения коэффициента неравномерности (условие 2 (фиг. 5)) может не сохраняться. Для устранения риска зацикливания выбирается порог числа итераций, которое сравнивается со счетчиком итераций i (фиг. 5). Если значение К в условии 1 (фиг. 5) не уменьшается на протяжении, например, трех итераций (условие 3 (фиг. 5)), то регистрация признается неуспешной, микроконтроллер 4 (фиг. 4) подает сигнал на красный светодиод блока светодиодов индикации 14, а файл изображения на карте памяти 5 получает имя формата, например, «Тест_[номер счетчика].bmp». Устройство переходит в режим ожидания. Для запуска нового процесса регистрации необходимо нажать кнопку запуска 13. Уровень интенсивности излучения светодиодов 8 при этом соответствует предыдущему процессу регистрации. Для сброса значения уровня интенсивности необходимо выключить устройство с помощью переключателя питания 12. После проведения серии регистрации или непосредственно в ходе регистрации полученные изображения с помощью разъема 10 (фиг. 3) передаются, например, на компьютер для дальнейшей обработки. Зарядка аккумуляторной батареи 6 (фиг. 4) производится с помощью подключения кабеля от какого-либо заряжающего устройства к разъему 11 (фиг. 3) при выключенном переключателе питания 12 (фиг. 3).

Принципиальная схема работы устройства на базе, например, микроконтроллера AVR_ATmegal6 с тактовой частотой 20 МГц с использованием CMOS камеры, карты памяти SD и разъема USB для передачи данных может быть исполнена следующим образом (фиг. 6):

Тактовая частота работы микроконтроллера 4 обеспечивается кристаллом ZQ1. Питание микроконтроллера 4 и камеры 7 осуществляется непосредственно от источника питания 5 вольт (на чертеже не указан). Питание карты памяти 5 (3,3 В) обеспечивается за счет управления микроконтроллером 4 силой тока базы на транзисторе VT2, который управляет силой тока на стабилизаторе VD1, что позволяет экономить питание, когда карта памяти 5 не используется. Резисторы R7-R12 необходимы для согласования логических уровней микроконтроллера 4 и карты памяти 5 при различных напряжениях питания.

Замыкание переключателя K1 приводит к подаче сигнала на порт РС0 микроконтроллера 4. После получения сигнала микроконтроллер 4 через порт PD1 приводит в действие работу камеры 7. После регистрации кадра изображение в цифровом виде передается на порт PD0 микроконтроллера 4, который в свою очередь сохраняет изображение на карте памяти 5 через порт РВ6. Регулировка интенсивности излучения светодиодов LD1-LD4 осуществляется микроконтроллером 4, который через порт РВ3 с помощью широкоимпульсной модуляции управляет током базы транзистора VT1.Управление светодиодами индикации LD5 и LD6 осуществляется через порты РС2 и РС3.

Подключение какого-либо устройства к разъему USB 15 приводит к подаче сигнала на порт PD2 микроконтроллера 4, который по протоколу USB организует доступ подключенного устройства к карте памяти 5.

Предлагаемое устройство просто в исполнении, обеспечивает автоматическую адаптацию неравномерности освещенности к необходимому значению, имеет небольшие габариты, собственный микроконтроллер и карту памяти для обработки цифровых изображений, функционирует на автономном источнике питания, поэтому может найти применение в качестве устройства регистрации изображений в нестационарных условиях при различном освещении без ухудшения вероятностных характеристик верификации и без использования мощностей средств вычислительной техники для некоторых этапов предварительной обработки цифровых изображений.

Использованные источники

1. Белов, А.В. Конструирование устройств на микроконтроллерах / А.В. Белов. - СПб.: Наука и техника, 2005. - 256 с.

2. Исследование возможности создания и путей построения автоматической системы паспортного контроля для пунктов пропуска различных видов. Шифр «Режим-Ускорение»: отчет о НИР / МГТУ им. Баумана; рук. Спиридонов И.Н.; исполн.: Бурлай Е.В. [и др.]. - Москва, 2009. - 153 с.

3. Международная заявка WO №2004029861 A1 МПК⁷ G06K 9/00, G06K 9/20. Illumination for face recognition / E.S. Dunstone, F. Lestideau, T. Tan. PCT/AU 2003/001261; Заяв. 24.09.2003,опубл. 08.04.2004.

4. Пат. РФ №91634 Российской Федерации, MПК⁷ G03B 15/00. Бестеневой осветитель лица человека / А.Н. Будаев, М.П. Ткачев, А.К. Блажис. №2009140217/22; Заяв. 27.10.2009, опубл. 20.02.2010.

5. Пат. РФ №95877 Российской Федерации, MПК⁷ G06C 9, G06K 9/36, G06K 9/32, G06K 9/20. Устройство для регистрации изображения лица человека / А.К. Блажис, С.М. Белдовский, М.П. Ткачев. №2010112802/22; Заяв. 29.03.2010, опубл. 10.07.2010.

6. Пат. США №8503800 B2, MПК⁷ G06K 9/62, G06K 9/68, G06K 9/40. Illumination detection using classifier chains / L. Blonk, M. Gangea, P. Corcoran. US 12/038777; Заяв. 27.02.2008, опубл. 06.08.2013.

Claims

Устройство регистрации изображения лица, состоящее из камеры, блока обработки цифровых изображений, электрически соединенных друг с другом, блока осветителей, распределителя мощности излучения блока осветителей, электрически соединенного с блоком обработки цифровых изображений и с блоком осветителей, отличающееся тем, что введена аккумуляторная батарея, электрически соединенная с камерой и блоком обработки цифровых изображений, размещенных в едином малогабаритном корпусе, блок обработки цифровых изображений и распределитель мощности излучения осветителей выполнен в виде микроконтроллера с картой памяти, выполненного с возможностью регулирования интенсивностью излучения светодиодов блока осветителей, удаления из карты памяти изображения, полученного с камеры, при условии превышения порога коэффициента неравномерности изображения, сохранения изображения при заданном коэффициенте неравномерности изображения, при этом светодиоды блока осветителей размещены на внешней стороне передней части корпуса вокруг объектива камеры, закрепленной в передней части корпуса.