TW201035882A - Three dimensional biometric scanner - Google Patents

Description

201035882 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種三維生物特徵掃描器 該二维生物特徵掃描器允許以-能確保使用者為Y方法， 命體且可識別該使用者的方式，用者：活著的生 . 任一項的立體影像來 °曰、手掌或手腕之 ^ 诼术獲侍二维紋理結構。 ' a系統之用途係專屬於控制 雇員工作時間，且一般言之，係用于費媒體女全、控制 Ο μ識別的任何領域。 ’、、；要人員之-生物特 【先前技術】 基於獲取用作基本元件之一夺蘇M w 些手指或人員之手腕)之二圖=接收器(手掌、- 特徵掃描器合上亦允許以置中==特徵元件）的生物 ^ 甲於°亥近紅外線上之吸收来古並 此輻射或獲得對應於此生物特徵接收器之血管圖a 外線輕射發射器(如具有屬於近紅外線電磁波譜 0及盥；長的發光二極體)、近紅外線輻射接收器元件， t該發光源所發出之紅外線幸畐射交互作用的生物及生物 二接收益(手掌、手指或手腕)。因此，該光源所發出之 紅外線輻射部分由該生物特徵接收器反射與分散，且 Z分由該血紅蛋白吸收。此反射與分散攜帶對應於該使用 之生物特徵接收器之紋理結構的二維血管圖資訊，且在 此同時係由類似於能夠獲得該紋理圖案之一影像之該發光 源的吸收光譜帶偵測系統偵測。 匕只例可見於美國專利第XJS 20070098223號文件中，

143〇98.dOC 201035882 該實例描述一種基於使用近紅外線輻射來讀入該手掌紋理 圖案之用於生物特徵識別的掃描器。另一文件為美國專利 第US 6813010號，該文件繪示一種用於最佳化該光強度的 創新手指接近偵測器，該光強度以一允許獲得一更清晰之 紋理圖案的方式到達該手指。另一實例為繪示於美國專利 第US 200701 16330號中者，其中除了紋理識別符外，該實 例亦允許藉由使用由表皮組織覆蓋之較低皮膚層之粗糙度 的擷取圖案來偵測活的組織的存在。 該等以上提及的情況沒有一項描述允許建立該紋理圖案 之一二維圖的裝置及/或方法。 使用近紅外線輻射作為用於偵測該手掌、手指或手腕之 毛細血管圖之一個人識別機構係基於該電磁輻射與該手、 手指或手腕之表皮之光譜交互作用且允許透過此生物特徵 元件而識別該特殊使用者之一普遍的生物特徵。由於此機 ，亦參考亦為-生物特徵資料之該等生物特徵元件紋理的 深度位置，透過使用此機構獲得之該紋理之一三 於一整體性質，其相較於該二維機構提供更多資訊。” 目别，由於此等系統造成極嚴重的問題，在市場上存在 很少併入類似於以上所描述之該等感測器的感測器，該等 以上所描述之感測器讀入該等對應之生物特徵元件之該等 二維毛細管圖。其中高成本使該等系統在-些環境(例如 通道控制）中難以實施、可能偽造該二維紋理圖案，及難 以與高端微控制器整合。 存在解決此等問題且摘取該等毛細管紋理之三維圖的系 143098.doc 201035882 統。目則，市場上存在極少此等系統，且沒有一項係用作 生物特徵識別符。反之，該等系統係用於成本及規模係相 對重要的醫療目的。此之實例為美國專利第us 2001/027273 5虎文件，邊實例描述一種用於在一生物組織上偵測偶發電 磁輻射反射的裝置，該裝置允許觀察該等血管。同樣地， 當别技術描述—種用於獲取及處理如美國專利第US 2005/271258號之資料的方法及系統。然而，在二者情況 中，由於沒有嚴格使用一立體影像，而是以一定位於一固 疋位置中之單獨攝影機且不是藉由用於獲得一三維影像所 舄要之名特有距離而分開的兩台攝影機來收集不同的照明 影像，所遭遇的問題係源自於該高成本及關於該等紋理圖 案之深度的少許資訊。 如所熟知，與如基於檢查該虹膜之該等生物特徵系統之 其他生物特徵系統相比，識別人員的出錯率是不利的。基 本上已由日健複雜的圖案識別演算法達成在所獲得該等 ◎、”文理t ®之該等生物特徵感測器中所達成的該等改良， 但在該等生物特徵系統感測器的實體構思中並不具有一類 似=改良。但可能，到目前為止已使用之該等紋理感測器 的取大問題存在於該系統可藉由通過虛假圖案而無使用者 存在來「蒙蔽」該等紋理感測器的事實。 因此，本發明之目的在於取得一種可用立體光學掃描 器，其具有用於識別人員之一高度可靠性，該立體光學掃 描器使用-唯-操作程序，該程序係基於偵測各波長所使 用之该等不同單色照明平面的深度標準。 143098.doc 201035882 本發明之另一目的在於取得—強叮m ^4+, ^ )隹y取仵種可用立體光學生物特徵 該立體光學生物特徵掃描器不可被供應該系統非 活"質的重製紋理圖案所蒙蔽。 :後，此系統之目的在於取得一種精簡且低成本的立體 =學掃描器’其以反射（手掌及手腕）與透射（手指及手腕） ;使用者之手掌、手腕或手指的毛細血管生物特徵 測器上。 【發明内容】 為了解決在本技術之目前狀態中遭遇的該等問題，針對 -單獨的目的’已開發—種藉由獲得（例如）不同深度之該 手掌、該手腕或手指之一生物特徵接收器的許多二維血管 圖而相當地增加處理資訊量及識別可靠性的生物特徵掃描 益，藉由達成此目的之適當的方法，從此等平面的結合創 建一三維影像。 本發明之基礎存在於該生物特徵接收器紋理係以一特有 之三維分佈及在該相同組織裏面之分枝而定位於該組織裏 面之該空間内的事實。由於進入人體的電磁輕射穿透距離 取決於該入射輻射波長，在該近紅外線轄射上置中之具有 =同波長的發光源係用以依據發射光譜源之類型來獲得該 等不同影像平面的深度。各影像平面之該等像素的深度係 藉由使用兩台定位於相同高度且二者間具有一固定距離之 攝：機利用立體視覺技術而獲得。最後結果為藉由連接已 獲得之用於各使用波長的不同影像平面（各具有其自身的 特有衣度）以、，二組態用於三維重建構該生物接收器血管圖 143098.doc 201035882 影像的方式而完成的三維圖之一影像。 由於此處所描述的裝置，而同時達成用於改良識別之可 罪性及用於一特定人員之生命偵測的該等建議目的。 就獲得一種精簡且低成本之裝置的目的而言，此目的係 藉由採用基於具有於該近紅外線輻射中置中之—吸收光譜 的LED或低功率半導體雷射器、作為接收器之光電二極 體，及CCD攝影機iCM〇s感測器的發射元件（光源）而實 ^ 現。所有此等元件可以一相對廉價容易地購買。 該三維生物特徵掃描器的操作如下：由於以具有於該近 紅外線輕射範圍内置中之一吸收光譜之一咖或復〇請 型攝影機獲得之該等紋理圖為平面二維影像且冒著偽造的 風險（儘管不是一高風險），將使用具有在近紅外線輻射中 尚及收效率的兩台攝影機，此舉允許藉由重建構獲得 用於各使用波長之該等影像平面而獲得此等三維紋理圖。 此等攝影機接收由該光源（L E D或低功率雷射器）所發射之 ❹該近紅外線轄射，該光源係由該生物接收器反射或傳輸， 且此等攝像器以-固定距離所分開。所接收之各影像平面 取決於各LED組在發射期間所使用之該波長，且該各影像 平面具有-特定深度。此深度可由此給定距離以若該整體 座標系係製成與該攝影機之座標系一致， 面係與該整體座標系之灯平面對齊，一三維 於兩座標系係相同的方式計算而得。嚴格來說，此z座標 係需要用於各影像平面之該座標，所獲得之該各影像平面 用於由該等光源所發出的各波長。在此計算中，該基線及 143098.doc 201035882 焦距亦必須為已知的。當計算該深度時，需要藉由使用一 “又。矩陣來权正該偏差以不產生誤差(該等攝影機之 校準）。 取決於人員是否期望獲得一使用者之手指、手腕或手掌 的立體生物特徵育訊，該兩台攝影機都接收藉由透過該手 2透射或自錢用者之手掌或手腕反射之該等光源發出之 ^卜線輻射。因此，該攝影機之位置取決於該影像感 測器(D亥攝景’機)是否為一反射或透射類型，即使介於該二 者攝影機間之距離必須保持恆定。 1 因此，在該手掌反射類型生物特徵感測器的情況中兩 口攝影機必須正祕妨 、 、 置在該手下面且同時與該等光源齊 、,、:二 對於用於該使用者之手指的透射類型生物特徵 器’兩台攝影機必須放置成相對於該等光源，且該生 ’徵接收器介於該等光源與攝影機之間。最後，在用於 =、之&反射類型生物特徵感測器的情況中，兩攝影機 产蒋：位在f該等光源相等的高度。藉由使用已以不同深 X传之該等平面來重建構該三維影像。 ::出雷射輻射之光源的情況中，由於該發射長度具有 :的峰值’對於各平面之該等像素，料影像平面之 幸：平面的深度係幾乎相同。在此情況中，必須使用一 散器使該生物特徵元件的照明均勻且無光點。铁 峰值：：輕射發射源為LED，則接著一吸收帶代替一發射 同的ίΓ且因此，對於各影像平面，該等像素具有-不 ' 八有'夬疋波長之輻射源的各組在一發射週期 143098.doc 201035882 内以-頻閃方式發射。在該三維影像重建構階段期間，結 合具有該相同深度之該等+面之各平面的像素來創建該毛 細血管圖之一立體影像。 此處所描述之該裝置解決申請專利當時之技術水平造成 的該等技術問題。該紋理圖係隱蔽且對於各使用者係唯一 的。僅可能ϋ由偷竊該裝置而偽&。獲得指示該毛細血管 之冰度之一 Ζ座標的事實在很大程度上增加該等紋理感測 ❹ 器的安全性，對於該裝置將被任何「駭客」偽造，此舉可 使其極為困難。該可用的三维資訊量係直接地正比例於該 照明中所採用的波長。 【實施方式】 以下以一簡潔的方式描述一系列有助於更好的理解本發 明的圖式。此等圖式係明確地關於本發明之實施例，且提 供未意欲限制本發明之一說明實例。 如圖1中可見，用於手掌（2)之毛細管圖的三維生物特徵 Q 掃描器（1)具有兩個影像感測器（5、6)，該等影像感測器 (5、6)經組態用於獲得一血管圖之一立體影像，且其中各 •影像對應於各波長，平面上之各點的深度係已知。分組對 應於發出波Ν經度的ν影像，達成該手掌紋理之一三維 圖。為了達成一立體影像，該等影像感測器（5、6)之間之 一固定距離（d)必須可以計算該生物特徵識別元件ζ組件的 深度。 β亥專影像感測器（5、6)係整合於一照明板（3)中，該照明 板（3)係由許多近紅外線輻射發射器（7)組成，該等近紅外 143098.doc •9- 201035882 線輻射發射器⑺能夠藉由反射在該特有生物特徵元件上之 此輻射而裸取該紋理圖案。在此等影像感測器為㈣的情 況中由於該準單色光束具有介於20。與80。間的孔徑角， 該孔徑角相較於該雷射器中之孔徑角係更大，該生物特徵 元件中之該均勾照明形式係更易於校正。在此情況中，由 於該等LED相對於該等雷射器之該單色線所呈現的發射帶 (&Δλι)，各準單色影像之該像素深度（Zi±Azi)可變更。若 使用雷射，則將需要使用的擴散器打開該光束以校正該均 勻照明及具有像素之該等單色影像圖案，該像素具有一類 似於（λί,Ζί)的深度。 圖2繪示本發明在該測量係執行於該手指⑻上的情況。 再者，需要兩個影像感測器(8、9)’以該等影像感測器 (8 9)間之S]定距離放置該等影像感測器、％以獲得 該手指（8)之該毛細管圖⑴）之—三維影像。在此情況中， 藉由具有於該近紅外線輻射中置中之一發射帶之該㈣（或 二雷射可用)(12)而發射之該近紅外輻射係藉由具有影響該 等光源（12)之發射之—吸收帶之此等影像感測器（9、1〇)來 们則。根據與該手指（8)交互作用之該近紅外線反射及透射 圖案，該手指⑻係藉由定位成緊鄰該等源之該光接收體 (120)而同時偵測，此等源亦可用作存活及，或活體偵測 器。《紅外線輕射係由該血液之血紅蛋白吸收’且以其 &圖之一、准衫像係透過該兩個影像感測器（9、丨〇)獲 得且基於獲得用於由該組光源（12)所發射之各波長之該等 不同影像之組成的方式，來透射過該手指(8)。 143098.doc 201035882 圖3繪示執行讀入該使用者之手腕⑴）之該毛細管圖⑼ 之本發明之掃描器目的之-視圖。-光源矩陣(14)(可為 LED或低功率雷射）發射近紅外線㈣且與該生物特徵元件 ⑼交互作用-在此情況中為手腕_反射離開該手腕或透射 過該手腕。將兩個影像感測器（15、16)以一固定距離鄰接 此光源矩陣放置，以吸收該紅外線㈣且允許藉由使用影 像類似構件來創建該手腕（13)之_三維毛細管圖（17)。 Ο

對於如圖4中可見之三個所提及的實施例，該立體影像 包含祿取與該三維空間之—單獨的^ (23)對應之相同物 體（20、21)之兩個分開的影像。介於該等兩個透鏡㈣之 間的距離⑷係所謂的基線，其必須為怪定。必須為點w (23)計算該（X，γ，z)座標’該點w㈣具有在兩個影像 (20、21)上之該等座標（xl，yl)與（χ2，y2)。在此圖中，假 設該等影像感測器為相同且它們各自的座標系只有在其原 點之位置為不㈣。對於兩台攝影機之該等座標系，你之 Z座標是相同的，且其為計算該等紋理圖影像之各像素的 參數。使用以下方程式[1]來計算：

f-d [1] f為透鏡之中心，該影像之中心在原點。 與人員上皮組織電磁輻射交互作用的機制係基於此輻射 之穿透深度係根據Lambert定律改變的事實，該Lambert定 律係定義於方程式[2]中·· α,ε> = ho (λ) . H〇x(Hb,v> (Ay s,i iHbl lV) >z(i)]i y [2] 其中的強度且λ為該入射輻射之波長，為 143098.doc 201035882 取決於各血紅素（Hb)衍生物（或該電磁輻射與其交互作用 之該材料的生物組份）的波長之吸收係數，且z描述該穿透 深度。因此，該穿透深度顯示一對數變化，其中輸入及輸 出強度係數係直接與該交互輻射波長成比例。因此，對於 具有該相同發射波長之各組輻射源，對於該手之所有 點，該穿透深度（Zi)相似（取決於該發射帶），且反射承載該 存在的紋理圖案資訊到其所穿透之處。由於兩台允許一立 體視覺的攝影機，此穿透深度已藉由使用該先前提及之視 覺〜算法而„十算。使用其他組波長，以不同的深度達成為 此目的而組成整體之其他影像，而創建該選擇之紋理圖案 的三維影像。 α該使用者將考慮中之該生物元件放置在該生物特徵感測 器上方。在此情況中’該等光源開始以一頻閃且連續的方 式發射電磁輻射；首先一組—決定的》皮長，且隨後具有不 同波長的其他組。對於各組發射光源，經定位如人員眼睛 之一設置以達成該立體視覺之該等兩台攝影機擷取對應於 該交互作用輻射（反射或透射以及散射）的圖。一處理單元 擷取該紋理圖及它們的深度，以它們對應的波長來標記它 們。重複e亥製程多次直到發射波長存在於該照明系統中。 在它們已被標記之後，根據從該等不同圖擷取之該等紋理 之各項的深度來分組該等紋理圖，且以此方式獲得一二維 毛細管圖。該識別過程通常係意欲為迅速且永遠安全的'。 為了完成此目的，一亂數的發射波長係起作用之該等發射 波長且不是所有。因此，僅以該等標記之紋理圖來執行該 H3098.doc 12 201035882 比較程序。 在具有不同波長（準單色LED)之輻射光源的情況中，可 能使用UV-A發射輻射而不過分地增加該生物特徵系統的 價格。人員表皮組織的生物性質係以此方式研究；你所需

要的是使该影像接收系統（CCD或CMOS感測器）對該UV_A 電磁波譜敏感。該程序類似於以上段落中所描述的程序， 除所使用的波長係低於之前所使用的波長（3〇〇奈米至4〇〇 奈米）以外，且所使用的數量係與所獲得之該生物資訊（反 射、吸收、人類組織透射及該等血液組份）的穿透深度直 接成比例。 通常，該等生物特徵感測器亦併入額外安全元件。舉例 而言，如該等近紅外線濾光器之另一選擇及如所採用之一 更廉價的測量，可使用該視覺範圍内（或在近紅外線輻射 中即使增加s亥系統成本）之兩個線性交叉的偏金屬層，正 如該等濾光器之該等兩個線性交又的偏金屬層係放置在該 Q 等攝影機透鏡上。若該等偏光器係放置在相對於該等先前 光源之具有該正交偏振軸之該等光源的上方，則該接收器 僅擷取該反射或透射輻射，在與該生物特徵元件交互作用 之後，該反射或透射輻射之初始偏振狀態已變更。另一選 擇為使用脈搏血氧計，其係基於時間及（例如）使用紅波經 度（630奈米）及近紅外線輻射（94〇奈米）及該先前提及之 Ben-Lambert定律以透過該手指之末端之該光強度來穿過 該薄組織的振幅測量❶先前，該照明控制製程，用於該隨 後操取該使用者之手掌紋理圖；該脈搏計偵測該血氧濃度 143098.doc •13· 201035882 :和度及該脈搏。若該等積測值超出該特有的人類臨限 上貝該感剩器將不擷取該生物特徵接收器紋理圖，且主 =使=者將該手正確地放置在㈣測器上方。亦作為一 :王测$ ’例如可藉由使用具有綱微安及5〇千赫茲之六 机電的電極來测量諸如該手組織之阻抗及電容的電性 【圖式簡單說明】 圖1纟會示本發明之目 影機所定位之該照明板 器之一示意圖； 的之應用於該手掌上之包含該等攝 之一放大影像之三維生物特徵掃描 圖2緣示本發明之目的之應料-單獨手指上之三 物特徵掃描器之一示意圖； 圖3緣示本發明之目的之應用於該手腕上之三維 徵掃描器之一示意圖； 物特 圖4圖示地繪示如何獲得_立體影像以組成該故理圖， 其係本發明中之掃描器的主要目的。 【主要元件符號說明】 1 二維生物特徵掃描器 2 手掌 3 照明板 4 手指 5 6 7 8 影像感測器 影像感測器 近红外線發射器 手指 143098.doc 201035882 9 影像感測器 10 影像感測器 12 光源 13 手腕 14 光源矩陣 15 影像感測器 16 影像感測器 17 毛細管圖 20 物體 21 物體 22 透鏡 23 點W 120 光電二極體 d 固定距離 Ο 143098.doc •15-

Claims (1)

1. 201035882 七、申請專利範圍： 、手腕或手指之一血管圖之類型 ’其特徵為具有： 複數個光源，其等係定位於該近紅外線吸收帶内 至少兩個影像感測器，其等對此近紅外線帶敏感 等影像感測器之間具有一固定距離，且係定位在相 Ο 1. 一種獲得使用者之手掌 的三維生物特徵掃描器 :及 ，該 同高 其令，對於各發射波長，一經標記且經登錄之影像針 對一決定的深度係在—處理元件令獲得；同時此處理元 件包含用於重建構三維圖之—構件；此等構件經組態以 用於重建構藉由針對各發射波長來組合—決定深度的声 像點而獲得之該等不同的三維影像。 y 2.如請求们之掃描器，其中該㈣像感測器係以一獲得 光學組織性質及血液組份的方式對該uv_A電磁波譜敏 感0 3·如請求項！及2之掃描器，其包含額外安全元件⑷以對抗 可月b的欺泎，其中此等元件係從以下選擇的至少一項： 血液脈搏及血氧濃度飽和度偵測器；生物阻抗讀數 器；溫度感測器及可見線性及近紅外線_光器，其 經定位為該相交之偏振軸位於該光源上方，且當光與該 生物特徵71：件父互作料’該等影像感測器透鏡經組態 以偵測光之偏振的改變。 4. -種生物特徵識別“，其特徵為該生物特徵識別系統 包含如請求項1及3之生物特徵掃描器。 143098.doc