RU210432U1 - Устройство регистрации биометрических признаков - Google Patents

Abstract

Полезная модель предназначена для регистрации изображения лица с учетом роста пользователя, получения изображений папиллярных узоров пальцев и верификации личности с использованием предъявленного документа с целью пересечения государственной границы. Устройство представляет собой два взаимодействующих блока. Блок обработки данных выполнен в виде прямоугольного корпуса, во внутренней части которого располагаются миникомпьютер, микроконтроллер, драйвер шагового двигателя. В передней части размещена камера и дисплей. Блок управления состоит из датчиков, шагового двигателя и шарико-винтовой передачи, которая выполнена в виде цельной рамы и расположенных в верхней и нижней части подшипниках, где располагается винтовой вал. Шаговый двигатель приводит в движение вал с помощью безлюфтовой муфты. Вдоль вала установлена линейная направляющая, по которой движется каретка, а также в верхней и нижней части установлены датчики. К каретке крепится блок обработки данных. Все внутренние элементы блока управления прикрыты защитным кожухом, в нижней части которого располагается блок регистрации, который состоит из считывателей отпечатков пальцев и RFID документов. С помощью такого технического средства осуществляется верификация лиц, а также конструкция позволяет перемещать камеру по вертикали на расстояние до 500 мм. Такое устройство находит свое применение в автоматизированных кабинах паспортного контроля.

Description

Полезная модель относится к средствам регистрации таких биометрических характеристик человека, как изображение лица, а также отпечатков пальцев человека при верификации в ходе проверки документов.

В настоящее время существует необходимость внедрения автоматизированных систем, способных производить идентификацию и верификацию человека по биометрическим признакам. Целью создания таких устройств является повышение безопасности, а именно борьба с терроризмом, бандитизмом, незаконным пересечением государственной границы и нелегальной миграцией. Такие системы способны исключить влияние человеческого фактора при принятии решения, снизить количество обслуживающего персонала, ускорить процесс оформления лица, что положительно скажется на эффективности пропуска лиц, пересекающих государственную границу. Таким образом, возникает необходимость применения средств регистрации биометрических признаков.

Техническая реализация заключается в автоматической идентификации и регистрации людей по предъявленному документу с целью пересечения государственной границы. Техническое средство включает в себя программно-аппаратный модуль отображения (дисплей), модуль идентификации (видеокамера, считыватель паспортов, считыватель отпечатков пальцев) и программно-аппаратный модуль обработки сигналов (микроконтроллер, драйвер шагового двигателя, шаговый двигатель).

Существует несколько способов обработки получаемой информации с внешних устройств (камера, считыватель отпечатков пальцев). Для выполнения данной операции нужно создать необходимые условия, такие как достаточное освещение, определенный ракурс, расстояние до камеры, рост человека, отсутствие лишних предметов (солнцезащитных очков, маски, больших наушников), которые способны снизить вероятность правильной идентификации личности, либо вообще привести к невозможности осуществления данного процесса. Известны алгоритмы, способные распознать человека под воздействием этих факторов, но качество принятия решения ими значительно ниже.

Для устранения влияющих факторов, которые появляются от действий объекта распознавания, необходимо, чтобы в интерфейсе программы отображался алгоритм действий пользователя. С помощью шагового двигателя и шарико-винтовой передачи (далее - ШВП) устройство может вывести камеру на уровень лица человека, что повышает качество распознавания.

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 отсутствие возможности проведения верификации.

Известно средство для сбора идентифицирующих личность данных [6, 7], которое способно считывать отпечатки пальцев, изображение лица человека, а также данные из документа. Данное изделие с помощью специального программного обеспечения верифицирует полученные из предъявленного документа и считанные биометрические данные человека, а также реализует возможность идентифицировать человека по БД. Недостатком данного изделия является то, что для каждого выполнения процесса идентификации и верификации необходим сотрудник (оператор).

Данное средство регистрации изображений принято за прототип.

Целью полезной модели является автоматизация процесса регистрации биометрических признаков человека (отпечатков пальцев, двумерного изображения лица) и дальнейшей обработки этих полученных данных.

Устройство выполняет такие операции, как получение изображения лица, отпечатков пальцев и считывание информации из документов, а также автоматическая настройка высоты уровня камеры. Для реализации алгоритма идентификации используется совокупность библиотек «OpenCV», «Dlib» и «face_recognition». Для хранения данных используется СУБД «SQLite», а для обработки - библиотека «sqlite3».

Обработка данных (поиск лица на изображении, проведение идентификации и верификации) осуществляется миникомпьютером «Orange Pi Ps Plus», а управление аппаратной частью (подача импульсов на драйвер шагового двигателя, регистрация сработок датчиков) выполняет микроконтроллер «Arduino Nano». Управление шаговым двигателем выполняет драйвер шагового двигателя «DRV8825». В разработанном устройстве в качестве алгоритма описания биометрических данных выбран метод нейронных сетей. Данный метод используется как для описания признакового пространства, так и для решения задачи его классификации. Размеры элементов устройства позволяют разместить их в компактном корпусе.

Предлагаемое устройство демонстрируется чертежами, представленными на:

- фиг.1 - вид спереди (разрез);

- фиг. 2 - вид сбоку;

- фиг. 3 - схема взаимодействия элементов устройства;

- фиг. 4 - алгоритм работы устройства;

- фиг. 5 - принципиальная схема устройства.

Устройство представляет собой 2 части: блок управления размером 600×400×80 мм, в котором расположены все элементы управления, специальное крепление с ШВП датчиками и шаговым двигателем, а также защитный кожух с периферийными устройствами (блок обработки данных) размером 240×275×80 мм.

Каретка блока обработки данных перемещается по вертикали. В этом блоке располагается USB-камера 6, дисплей 5, миникомпьютер 2, микроконтроллер 3 и драйвер шагового двигателя 4. Вся обработка информации осуществляется на базе одноплатного миникомпьютера 2 модели «Orange Pi Рс Plus», в роли микроконтроллера 3 выступает плата «Arduino Nano». Управление шаговым двигателем 7 осуществляется драйвером 4 модели «DRV8825». В верхней и нижней части ШВП располагаются индуктивные датчики 8 модели «SN04-N», которые необходимы для определения границы движения каретки. Каретку в движение приводит шаговый двигатель 7 модели «Nema», установленный в нижней части устройства, который приводит в движение вал ШВП с помощью безлюфтовой муфты.

Для получения изображения используется USB-камера 6, установленная в отверстие блока обработки данных над дисплеем 5. Интерфейс программы отображается на дисплее 5, который расположен по центру корпуса. С тыльной стороны корпуса предусмотрено отверстие, через которое проходят провода для питания системы и с датчиков 8 устройства. Все внутренние элементы механизма прикрыты защитным кожухом, в нижней части которого располагаются считыватели отпечатков пальцев 10 и паспортов RFID 11.

ШВП состоит из цельной рамы, на которой закреплены подшипники в верхней и нижней части. Также одной из составных частей данной конструкции является направляющая, по которой движется каретка. В подшипниках установлен винтовой вал, который с помощью безлюфтовой муфты соединен с шаговым двигателем 7. С помощью такой конструкции появляется возможность движения устройства по вертикали на 500 мм.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Рекомендуется центр устройства установить примерно на высоте 1750 мм от пола, на заранее предусмотренные крепления. Субъекту съемки необходимо располагаться напротив объектива камеры на расстоянии до 1 м. Перед началом работы необходимо подключить все периферийные устройства к миникомпьютеру 2. Затем подключить провода индуктивных датчиков 8 и драйвера шагового двигателя 4 к преобразователю напряжения. Также все внутренние элементы устройства должны быть подключены согласно принципиальной схеме. Для включения устройства необходимо подключить блок питания на 5 В миникомпьютера 2, а также подключить преобразователь напряжения в сеть 220 В.

После успешного выполнения вышеуказанных операций и запуска операционной системы миникомпьютера 2 инициализируются периферийные устройства. Запускается интерфейс программы и с USB-камеры 6 начинается видеопоток. Миникомпьютер 2 подает через USB порт сигналы на микроконтроллер 3. Он управляет драйвером шагового двигателя 4, который подает тактовые импульсы на обмотки шагового двигателя 7, вследствие чего шаговый двигатель запускается и перемещает каретку до того момента, пока на изображении не появится лицо человека, либо когда она достигнет одного из датчиков и поменяет направление движения. Процесс верификации начинается после считывания информации с предъявленного документа. На дисплее по ходу оформления отображается алгоритм последовательности действий пользователя. Следующий шаг - получение изображения с USB-камеры 6 и считывателя отпечатков пальцев 10.

С помощью установленных библиотек «Dlib» и «OpenCV» программа способна найти, используя камеру, лицо человека в видеопотоке. После попадания лица в зону обнаружения камеры 6 миникомпьютер 2 посылает сигнал на микроконтроллер 3, а он посылает сигнал на драйвер шагового двигателя 4 для остановки его движения. Полученное изображение с камеры сначала нормализуется (выравнивается наклон головы, осуществляется бинаризация изображения и его масштабирование). Затем данное изображение и изображение из паспорта преобразуются в вектор признаков. Далее с помощью библиотеки «face_recognition» происходит верификация (высчитывается Евклидово расстояние). На выходе получается результат в виде коэффициента схожести. Если это значение превысит заданный порог, то считается, что верификация по лицу успешно пройдена.

Следующим шагом будет сравнение отпечатков пальцев. Сначала происходит нормализация изображения (бинаризация, скелетизация, выравнивание углов наклона, масштабирование, удаление неинформативных точек). Далее строится карта точек и вычисление их координат. Верификация осуществляется методом координатного сравнения отпечатков. В ходе сравнения пороговых значений программа выполняет процесс верификации и принимает решение о пропуске, либо не пропуске лица.

Если лицо не находится в зоне обнаружения камеры, каретка продолжает движение до достижения одного из датчиков 8, установленных в крайних верхнем и нижнем положениях.

Датчики замыкаются при наличии в их зоне обнаружения металлической пластины каретки. Замыкание датчика регистрируется в микроконтроллере 3, который подает сигнал для противоположного движения шагового двигателя 7. В случае неудачной регистрации изображений на дисплей 5 выводится подсказка с просьбой повторного проведения данной операции.

Для проведения регистрации и верификации необходимо на дисплее 5 устройства нажать кнопку «Старт» в интерфейсе программы. Далее пользователю необходимо вставить в считыватель 11 машиносчитываемый паспортно-визовый документ страницей с установочными данными. После успешного выполнения данной операции необходимо, чтобы пользователь занял свое место перед камерой на таком расстоянии (0,7-1 м), чтобы на дисплее 5 полностью отображалось лицо. Для безошибочной верификации пользователю необходимо снять все лишние предметы (очки, маска и т.п.) с лица. При успешном выполнении данных операций следующим шагом будет считывание отпечатка пальца. В случае неудачных попыток необходимо повторить выполнение операции. После успешного осуществления всех операций устройство произведет сравнение полученных данных с периферийных устройств и с предъявленного документа. Результат принятого решения отобразится на дисплее 5. Информация о решениях и лицах пересекающих государственную границу сохраняется в БД. Далее устройство переходит в исходное состояние.

При неудачных попытках проведения верификации информация в БД не сохраняется. Данные о пересечении государственной границы с устройства можно взять с помощью flash накопителей, либо по Ethernet протоколу. Для администрирования данного устройства необходимо пройти идентификацию с помощью USB-камеры 6, либо считывателя отпечатков пальцев 10, а также быть зарегистрированным в БД с соответствующими правами. Администратор может изменить пороговое значение при проведении верификации, добавить нового пользователя и взять информацию из БД.

Принципиальная схема работы устройства на базе, например, одноплатного компьютера «Orange Pi Рс Plus» и использования микроконтроллера «Arduino Nano», USB-камеры фирмы «SVEN», драйвера шагового двигателя «DRV8825» изображена на фиг. 5.

Питание миникомпьютера 2 осуществляется от источника напряжения 5 В (на чертеже не указан). Индуктивные датчики 8, драйвер шагового двигателя 4 питаются от источника напряжения 20 В. Дисплей 5, микроконтроллер 3, USB-камера 6, питаются от миникомпьютера с напряжением 5 В (3,3 В).

Для определения начальной и конечной точек ШВП используются, например, активные бесконтактные датчики «SNO4-N», которые при попадании в область действия стали, алюминия, бронзы, свинца подают сигнал на микроконтроллер 3. Сигнал передается на входы D7 и D8 микроконтроллера 3, что меняет направление движения шагового двигателя 7. Микроконтроллер 3 через входы А2 и A3 определяют направление и шаг шагового двигателя 7.

Предлагаемое устройство просто в использовании, обеспечивает автоматизацию процесса верификации лиц, пересекающих государственную границу по биометрическим документам, что позволяет найти применение в автоматизированных кабинах паспортного контроля.

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 Α1 ΜΠΚ⁷ G06Κ 9/00, G06 9/20. Illumination for face recognition / E.S. Dunstone, F. Lestideau, T. Tan. PCT/AU2003/001261; Заяв. 24.09.2003, опуб. 08.04.2004.

4. Пат. РФ №91634 Российская Федерация МПК⁷ G03B 15/00. Бестеневой осветитель лица человека / А.Н. Будаев, М.П. Ткачев, А.К. Блажис. №2009140217/22; Заяв. 27.10.2009, опуб. 20.02.2010.

5. Пат. РФ №95877 Российская Федерация МПК⁷ 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, опуб. 10.07.2010.

6. Пат. РФ №2617335 Российская Федерация МПК⁷ G06K 9/24, Н04М 1/02, Н04 В 1/38. Мобильный терминал для сбора идентифицирующих личность данных / З.П. Зайцев, В.Н. Бичигов, А.В. Валик, А.В. Моксин, А.Н. Черновол, И.Б. Шапшан. №2016107619; Заяв. 02.03.2016, опуб. 24.04.2017.

7. Пат. РФ №170881 Российская Федерация МПК⁷ G06K 9/00. Устройство регистрации изображения лица / А.В. Мищук, О.Ф. Антонов, С.С. Ерофеенков, Д.М. Немтинов. №2016125646; Заяв. 27.06.2016, опуб. 12.05.2017.

Claims (1)

1. Устройство регистрации биометрических признаков, состоящее из прямоугольного корпуса, в котором размещены блок обработки данных, выполненный в виде микроконтроллера, драйвера шагового двигателя, веб-камеры, дисплея и миникомпьютера с картой памяти, с возможностью верификации лиц по предъявленному документу, блок управления, выполненный в виде шарико-винтовой передачи, шагового двигателя и датчиков, электрически соединенных с драйвером шагового двигателя и прикрытых защитным кожухом, в котором располагается блок регистрации, выполненный из считывателя отпечатков пальцев и считывателя RFID документов, отличающееся тем, что имеется возможность перемещения устройства по вертикали на расстояние до 500 мм и возможность проведения верификации лиц по изображению лица и изображению папиллярных узоров пальцев с настраиваемым коэффициентом порога схожести.

Images