CN101137997A - 用于改进生物统计特征的确定的***与方法 - Google Patents

Abstract

提供用于实现生物统计功能的方法和***。在多种不同的光学条件下、在单一的照射时段中、在皮肤部位的大体固定的位置处照射人的特定的皮肤部位。对于多种不同的光学条件中的每一种，接收来自所述的特定的皮肤部位的光。所述特定的皮肤部位的图像从接收光中生成。这些图像被分析以识别作为所述图像中的至少一幅图像的一部分中的特征的生物统计特征。所述生物统计功能根据所述生物统计特征的识别被实现。

Description

用于改进生物统计特征的确定的***与方法

相关文件的交叉引用

本申请为2005年1月7日由Robert K.Rowe.提交的、美国专利申请号为60/641,991、发明名称为“SYSTEMS AND METHODS FOR IMPROVEDBIOMETRIC FEATURE DEFINITION”的非临时申请，并要求它的优先权。

本申请为2004年4月5日由Robert K.Rowe.等人提交的、美国专利申请号为10/818,698、发明名称为“MULTISPECTRAL BIOMETRIC SENSOR”的部分继续申请，该申请为2003年4月4日提交的美国专利申请号为60/460,247的申请、2003年6月27日提交的美国专利申请号为60/483,281的申请、2003年9月18日提交的美国专利申请号为60/504，594的申请和2004年3月10日提交的、美国专利申请号为60/552,662的申请中每一个申请的非临时申请。

本申请也为2005年4月25日由Robert K.Rowe.提交的、美国专利申请号为11/115,100、发明名称为“MULTISPECTRAL IMAGINGBIOMETRICS”的部分继续申请，该申请为2004年6月1日提交的美国专利申请号为60/576,364的申请、2004年8月11日提交的美国专利申请号为60/600,867的申请、2004年9月17日提交的美国专利申请号为60/610,802的申请、2005年2月18日提交的、美国专利申请号为60/654,354的申请和2005年3月4日提交的、美国专利申请号为60/659,024的申请中每一个申请的非临时申请。

本申请还为2005年4月25日由Robert K.Rowe.和Stephen P.Corcoran提交的、美国专利申请号为11/115,101、发明名称为“MULTISPECTRALBIOMETRICS IMAGING”的部分继续申请，该申请为2004年6月1日提交的美国专利申请号为60/576,364的申请、2004年8月11日提交的美国专利申请号为60/600,867的申请、2004年9月17日提交的美国专利申请号为60/610,802的申请、2005年2月18日提交的美国专利申请号为60/654,354的申请和2005年3月4日提交的美国专利申请号为60/659,024的申请中每一个申请的非临时申请。

本申请也是2005年4月25日由Robert K.Rowe.提交的、美国专利申请号为11/115,075、发明名称为“MULTISPECTRAL LIVENESSDETERMINATION”的部分继续申请，该申请为2004年6月1日提交的美国专利申请号为60/576,364的申请、2004年8月11日提交的美国专利申请号为60/600,867的申请、2004年9月17日提交的美国专利申请号为60/610,802的申请、2005年2月18日提交的美国专利申请号为60/654,354的申请和2005年3月4日提交的美国专利申请号为60/659,024的申请中每一个申请的非临时申请。

本申请涉及下列待审的、被共同转让的申请：2004年9月17日由RobertK.Rowe提交的美国专利申请号为60/610,802，发明名称为“FINGERPRINT SPOOF DETECTION USING MULTISPECTRALIMAGING”的申请和2004年12月17日由Robert K.Rowe提交的美国专利申请号为11/015,732，发明名称为“COMBINEDTOTAL-INTERNAL-REFLECTANCE AND TISSUE IMAGING SYSTEMSAND METHODS”的申请。

上述提到的每一个申请实际上都以引用的方式整体并入本文中。这种以引用的方式进行的合并包括美国专利申请号为60/641,991的申请的附录。

技术领域

本发明总体涉及生物统计学领域。具体而言，本发明涉及用于改进生物统计特征的确定的***及方法。

背景技术

由生物统计***获得所需的性能基本取决于将数据集合中的生物统计特征与数据集合中的其它部分隔离的能力——生物统计特征可能用来识别人的身份，而数据集合中的其它部分则一般与人的身份识别无关。例如，考虑指纹传感器的情况。每次指纹图像被采集时，都会被使图像唯一的各种现象所影响。即使当相同的指纹正在被成像时也是这样的。例如，每次将手指放置在传感器上都会使手指的不同部分与传感器相接触并且被成像。手指的方向和压力的差别可以造成皮肤的扭曲、图像对比度的改变、以及其它影响指纹图像特征的伪像。传感器自身也可能将伪像引入图像中，图像和图像之间伪像是变化的。这些传感器造成的伪像可能包括穿越图像平面以一定方式变化的固定模式噪声以及许多的高频图像噪声源，其包括处于其它类型的噪声源之中的散粒噪声和暗噪声。

由于这些种变化的非生物统计源的存在，通常，两幅指纹图像不可能直接通过简单的操作进行比较，如采用图像减法来确定他们是否来自同一个人。相反，不论是在用于统计登记数据库的图像中还是在用于测试的图像中，图像的突出特征是可识别的。比较这些特征、以确定在两幅图像中是否存在足够多的特征，并且是否在基本相同的相关空间位置上。若是这样，则这两幅图像称为匹配；反之，这两幅图像则判定为不匹配。

许多已有的指纹传感器需要手指与传感器直接接触以采集图像。当手指与传感器的接触不充分时，手指与传感器间的直接接触的面积减小，会在采集中导致生物统计信息的缺失。通常，从这种减小的图像面积中只能提取到较少的生物统计特征，以致正确判定指纹图像匹配性的能力的下降。

为了用适当定义的指纹特征解决这些缺点中一些缺点，许多***需要用户提供一个以上的样本、以在***数据库中登记。以这样的方式，可能需要同一手指的多幅图像，且要分析多幅图像、以检测穿越每一个登记图像的共同特征。但是确定真正的生物统计特征是否存在的能力仍然涉及到手指方向、平移、旋转、扭曲以及遍及登记的图像集合的其它图像伪像等方面的差异。另外，采集和比较多幅指纹图像通常仅仅是在登记程序中是可实行的。在正常的生物统计功能的执行过程中，如识别或核实过程中，大多数的应用情况需要生物统计传感器采用单一的迅速被获取的指纹图像进行操作。在这样的场景中，没有机会通过采用多幅图像来改善测试样本的特征检测。

一般，指纹传感器也可以采集源自手指皮肤的外部特征的图像。但是，这些外部特征要经历磨损、污物或者环境条件的差异带来的变化，所有这些也许会进一步影响到指纹特征的确定。并且，这些表面特性，基于留在光滑无孔的平面上的隐约的指印，就可以比较容易的进行复制。因此，凭借仅能测量手指表面特征的传统的指纹传感器会有许多负面结果。首先，可以检测到的生物统计特征的数目和质量限于表面皮肤上存在的那些特征，但这些特征可能磨损或缺失。第二，专门依赖于存在于外表皮肤上的特征的传感器采用授权的指纹模式的人工复制，容易产生安全隐患。

因为手指近似圆柱体，所以，皮肤有从传感器表面向着成像区域的边缘脱离的趋势。因此，出于法律实施的要求而采集的指纹图像一般采用滚动过程来采集。在这样一个过程中，手指沿着传感器表面滚动时，手指图像被获得，以使得手指更多的部分能够与传感器相接触，以允许它们被成像。这种过程费时，且给使用者造成了一定的麻烦，通常要正确的采集这些数据都需要一个熟练的操作人员来帮助才能完成。于是，尽管在原理上，图像区域的增大能够改进性能，但这种指纹图像采集方法通常不能被自动的或无人值守的生物统计传感器使用。

据此，在本领域中，存在一种对可以确定生物统计特征的采集生物统计量的方法与***进行改进的技术需求。

发明内容

本发明的实施例提供了实现生物统计功能的方法。在多种不同的光学条件下、在单一的照射时段中、在皮肤部位的大体固定的位置处照射人的特定的皮肤部位。对于多个不同的光学条件中的每一个，都可以接收来自该特定的皮肤部位的光。由这些接收光，就可以形成该特定的皮肤部位的多幅图像。分析所述多幅图像、以识别生物统计特征，作为所述图像中至少一个图像的一部分中的特征。该生物统计功能根据该生物统计特征的识别来实现。

在一些实施例中，生物统计特征是所述多幅图像中多个图像的各个部分共有的特征。在一些实施例中，所述生物统计特征也可以包括很多生物统计特征。在这种情况下，所述多个图像可以通过在对于多个图像中的每个图像、所述特定皮肤部位的放置位置相同的条件下识别多幅图像间的空间相关性来进行分析，允许所述多个生物统计特征根据所识别的空间相关性来加以识别。在这些实施例中，生物统计功能的实现也可以包括将所述多个生物统计特征与存储于数据库中、与被识别人的生物统计特征的集合相关的一组生物统计特征集合进行比较。

在一个实施例中，该特定的皮肤部位可以包括人的一个手指，所述多个图像包括指纹图像，所述生物统计特征包括指纹图像的细节点。在其它实施例中，该生物统计特征包括在皮肤部位上的脊和谷的表示。在另外的实施例中，该生物统计特征包括该特定的皮肤部位表面下的血管存在的特征。多个不同光学条件的例子包括不同的照射波长、不同的偏振条件、不同的照射或成像方向、不同的聚集平面及其他。实施生物统计功能的例子包括识别人或者核实人的身份。在某些实施例中，从特定皮肤部位接收到的光可能包含来自该特定皮肤部位表面下的散射光。所述多幅图像可以包含该皮肤部位的全内反射(“TIR”)图像和非全内反射图像。

在一个实施例中，该特定皮肤部位包括人的手指，并且与台板相接触。所述多个图像包括手指图像，生物统计特征包括在该特定皮肤部位与台板接触点之外被识别到的人的生物统计特征。

所述多幅图像在某些情况下可以通过将所述图像中的至少一幅图像骨骼化来进行分析，允许该生物统计特征在所述图像中的被骨架化的至少一幅图像中被识别。在另一个实施例中，所述多个图像可以通过将所述图像中的至少一幅图像的一部分分解成一组基本函数来进行分析，其中所述生物统计特征包括由分解形成的一组系数。

实现生物统计特征功能的方法可以在生物统计***中实施。该生物统计***包括台板、照射源、成像***和控制器。该台板适于放置人的特定皮肤部位。该照射源被设置用于在该特定皮肤部位放在台板上时对其进行照射。该成像***被设置用于接收来自该特定皮肤部位的光。该控制器包括用于基于生物统计***实施上述方法的指令。

附图说明

参照下文的详细说明部分和附图可进一步理解本发明的本质和优势，其中，相同的附图标记在全文中指示相似的部件。在某些情况下，附图标记包括带有拉丁字母后缀的数字部分；仅引用附图标记的数字部分表示一起引用含有该数字部分、但具有不同拉丁字母后缀的附图标记。

图1是概括本发明的多个实施例的各个方面的流程图；

图2是根据本发明实施例的生物统计***的功能结构原理图；

图3A-3C用于说明根据本发明的提供不同照射波长和/或不同偏振条件的不同实施例的、可采集多谱线数据的生物统计传感器；

图4用于说明在本发明的另一个提供多照射源和检测角的实施例中可采集多谱线数据的生物统计传感器；

图5A和5B分别提供了提供多聚焦平面的另一个实施例中的、可采集多谱线数据的生物统计传感器的侧视图和前视图；

图6用于说明组合了图3A-5B所述的生物统计传感器各方面的生物统计传感器，以允许利用多个照射波长、多个偏振调节、多个照射角、多个检测角和多个图像平面采集多谱线数据；

图7表示由用于对置于本发明的生物统计传感器的台板上的具有干皮肤的手指进行成像的三种不同的光学构造得到的未经过处理的图像和经过处理的图像；以及

图8表示由用于对与本发明的生物统计传感器的台板发生最小接触的手指进行成像的三个不同的光学构造得到的未经过处理的图像和经过处理的图像。

具体实施方式

本发明的实施例提供了通过在单一照射时段里在不同的光学条件下获得一个皮肤部位的多幅图像来实现生物统计功能的***和方法。因此，这些图像包含关于该皮肤部位的不同信息，这些信息可以以各种方式相结合以产生可靠的对生物统计特征的确定。单一照射时段的使用可使得所述图像从皮肤部位的大致固定的位置生成，消除了图像间的特征在相对取向方面的不确定性，从而提高了精度且降低了处理要求。

术语“生物统计学”通常是指对生命体特征的统计分析。生物统计学的一个分支包括“生物统计识别”，其通常以两种模式中的一种进行操作，提供对人的自动识别或者核实人的身份。如文中所用到的，“生物统计特征”，或有时仅称为“特征”，是指包含与生物统计任务，诸如生物统计识别、身份核实、活性、样本可靠性的判定及其它类似的任务相关的信息的一幅或一组图像的那些部分。术语“部分”是指除了物体的整体之外的物体的一部分；因此，图像的“一部分”是指不是整个图像而是一部分图像。在不同的特定的实施例中，图像的一部分可以指图像中少于图像面积的10％的、少于图像面积5％的、少于图像面积2％的、少于图像面积1％的、少于图像面积0.5％、少于图像面界0.2％的、少于图像面积0.1％的或与图像面积成其它小比例的一部分。

在皮肤部位包括手指的情况下，生物统计特征包括“细节点”，这些“细节点”在指纹技术中是为人所熟知的，它们是出现在脊分叉处和脊终止处的局部指纹脊特征。在皮肤部位包括手指的其他情况中，生物统计特征为通过指纹的脊和谷在指纹图像的一部分中形成的特定图案。

在这里描述的可应用于测量的皮肤部位包括手指和拇指的全部表面和全部关节、指甲和甲床、手掌、手背、手腕和前臂、脸、眼、耳以及身体所有其它外部表面。尽管下面的讨论有时在所提供的特定的实施例中特别地针对“手指”进行，但是应当理解，这些实施例仅仅用于示范，且其他的实施例也可用在身体其他部分处的皮肤部位。

在单一照射时段中、在很多不同的光学条件下采集到的所有图像的集合在这里是指所谓“多谱线数据”。所述不同的光学条件可以包括偏振条件的不同、照射角度的不同、成像角度的不同、照射波长的不同以及皮肤部位图像平面的位置差异，其中所述平面在本文中称为“焦平面”。在一些光学条件下，在样本和台板间的界面处的全内反射(“TIR”)现象的出现和分布对所得的图像的影响非常明显。这些图像在这里被称为“全反射图像”。在一些光学条件下，得到的图像实质上是不受台板处是否存在TIR效应的影响的。这些图像在这里是指“直射图像(direct image)”。

仅为举例，在多谱线数据包括在不同照射波长下获得的图像的实施例中，波长可能从近紫外线(UV-A，320-400nm)到中红外线(～5μm)。基于硅的成像阵列可用在可探测波长在约300nm到约1100nm范围内的实施例中。在这些情况下，照射波长可以有利地被选择使其位于可探测的范围内。在一些情况下，照射波长处于可见光谱区域(400-700nm)之内。这里所用的“离散波长”是指作为单一容纳单元的波长组或波带，对于每一个容纳单元，信息仅整体上从容纳单元中提取出来，而不是从容纳单元的单个波长子集中提取。在一些情况下，所述容纳单元可能是不连续的，以致当多种离散的波长被提供时，任意两个波长或波带间的某个波长不被提供，不过这不是必须的。

其中多谱线数据包括在不同的偏振条件下得到的图像的实施例可以包括在交叉偏振态、平行偏振态和/或无偏振态下获得的图像。光的偏振可能是线性的或者椭圆的。在线性偏振的情况下，“交叉”意味着偏振器的光轴大致是正交的。在椭圆偏振的情况下，“交叉”意味着偏振器大致是相反方向的(右旋对左旋)。

对于其中多谱线数据包括以不同照射角获得的图像的实施例，可以通过相对于皮肤部位所放置的台板以不同角度提供照射光来实现。在一些情况下，由以大致小于皮肤一台板界面所形成的临界角的角度入射的照射光形成所述图像。在其他的情况下，由以大致大于皮肤一台板界面所形成的临界角的角度入射的照射光形成所述图像。

对于其中多谱线数据包括以不同的成像角度获得的图像的实施例，可以通过相对于皮肤部位放置其上的台板以不同角度定向的探测器阵列来实现。在一些情况中，一些图像是由以小于皮肤一台板界面所形成的临界角的角度观察皮肤部位的探测器阵列形成。在另一些情况中，一些图像是由以大于皮肤一台板界面所形成的临界角的角度观察皮肤部位的探测器阵列形成。

对于其中多谱线数据包括以不同的焦平面获得的图像的实施例，可以借助具有可进行变焦调整以使不与台板直接接触的样本区域正确地成像的成像***来实现。例如，在这样的第一图像中，成像***的焦点被设定以成像在皮肤部位与台板之间的界面上。在这样的第二图像中，焦点可能重新被设定以成像在台板上方(即在样本侧)一定距离处的一个平面上，等等。在一些实施例中，对应这种变焦成像器的成像***构造成远心的，甚至在离焦部分设置一系列的重叠在一起的图像。

实施例可以替代地或附加地采用具有固定焦点、但焦深相对大的成像***，即替代或附加地使用可变焦的成像***。在这种情况下，成像***可以设置成：适合焦点区域包括台板的表面和在台板上方(即在样本侧)一定距离处的位置，使足以对更大部分的样本成像。在一些情况下，这种成像器提供远心成像，这可确保焦点外的区域在空间上与其它的焦点内平面对准。

仅以说明的方式，在皮肤部位包含手指的情况下，对应不同焦平面的实施例允许除指纹特征以外的特征从一些或全部图像平面上被提取。例如，诸如深处的血管等特征可以通过具有被血液高度吸收的波长的一个或更多图像平面而被检测到，它可以包含大致位于540nm到576nm的氧络血红蛋白峰值。在一些情况下，与多照射波长相对应的多图像平面被分析，用于识别具有与血液或其它皮肤组成相对应的光谱信号的特征。

本发明的方法归纳成图1的流程图。尽管图1中设定了一些可在特定的实施例中实施的步骤，但本发明也可包含其它实施例。尤其，图中所示的步骤顺序并不受限于此，并且流程图中的某些特定步骤也不是必须的，一些步骤可以在另一些实施例中取消掉，并且一些没有清晰地给出的额外步骤也可以在另一些实施例中增加实行。

该方法从模块104开始，用户将皮肤部位放在生物统计传感器的台板上。尽管下面的描述涉及“皮肤部位”，但是应该意识到，由于这里描述的多谱线技术具有区分真实的生物组织和各种赝品的能力，因此，本发明的实施例也可更普遍地用于任何“所声称的”皮肤部位的感测和分析。多谱线测量在皮肤部位上实现，在不同的实施例中手动或自动地触发测量顺序。自动触发可以通过包括光开关、电容开关、压力开关、机械开关及其它类似装置的机构实现，并且可以有利地利用一个或多个适于定位的、具有图像处理的照相机，以实时探测所述皮肤部位的位置。

测量顺序可以从模块108通过在多谱线条件下照射皮肤部位开始。这样的照射通常在单一的照射时段、针对所述皮肤部位的大致固定位置进行。本领域普通技术人员可以理解，即便是在单一的照射时段内，在多谱线条件下的照射也可以同时进行或顺序进行。照明是同时进行还是顺序进行部分取决于多谱线条件的特定特征，以下特定结构的不同例子举例说明了在一定类型的多谱线条件下可实现同时照明的构造。当照明顺序进行时，整个过程持续的时间要足够短，通常小于一秒，在这个过程中，皮肤部位的运动是最小的。

接着，在模块112，接收到来自皮肤部位的光。接收到的光可能包括在该皮肤部位的表面处反射的光，诸如来自台板一皮肤界面，和/或可能包括来自该皮肤部位的表面之下的散射光。这种表面下的散射提供了在传统的指纹成像技术中不可能得到的信息。尤其，提取表面下生物统计信息的能力提供了一种实现生物统计判定的机制，即便在表面特征缺失或损坏的情况下仍可实现。以这样的方式，本发明的实施例对于非理想的皮肤质量，如干燥、湿度过大、缺乏弹性，和/或磨损的特征，典型的如与老人、从事重体力劳动的人，或者那些皮肤暴露在化学物品中的人，诸如理发师或护士等，是耐用的。

在模块116，接收光以一定的处理方式生成图像。处理可能包括从单个合成图像中提取不同的图像。处理也可以包括图像处理步骤，诸如直方图平坦化、对比度增强、边缘增强、噪声过滤以及类似处理。图像分割可以用于除去图像背景，而仅留下样本存在的区域。如模块120所示，处理也可以包括实施对一幅或多幅图像的转换，以使一幅图像与其他图像在空间上对齐。图像间的空间关系的识别使得在多幅图像间被识别生物统计特征的存在呈现相关性。

提取这些生物统计特征的图像处理过程在模块124进行。例如，在皮肤部位包括手指的实施例中，在每一幅单个图像上都可以发现细节点。相似地，脊和谷的整个图案也可以被确定，或者特定的感兴趣的区域，如指纹的中心区域，也可以在图像中被识别。在一些情况中，某些图像或图像的组合可被分析以确定血液特征或图像中存在的其他光谱有区别的特点。所述生物统计特征可以包括一组系数，所述一组系数通过将在局部区域中的指纹特征分解成一组适合的基础函数，如正弦波、伽伯滤波器或不同的子波等，而被形成。这种生物统计特征的识别可以有利地避免传统地由图像中存在的伪像所导致的负面影响。因此，这种识别不同于传统的指纹图像的识别，在传统的指纹图像识别中，许多因素(如皮肤干燥)可能导致图像的对比度很低，以致脊呈现为不连续的，使得难于从简单的图像伪像中区分细节点。

在生物统计特征被发现于多个图像平面上的实施例中，那些特征可以进行结合，如模块128所示。由于这些图像在空间上是相互关联的，并且代表相同的皮肤部位的位置，因此这些特征的位置可以很好地界定在图像之间。由此，可以由恰当的数学运算，如求平均，或者如“与”或“或”这些逻辑组合运算，或者是通过对存在跨越图像平面的特定特征进行表决的方式来个别评估或组合这些特征。组合的特征集合可以包括一些对单个特征源自哪个图像平面进行指示的指示标志，或者对特征类型或来源指示的一些另外的指示符。

例如，合成特征可以在一个实施例中根据这种规则生成：即，如果合成特征(例如，细节点)至少存在于一个图像平面中并且在被界定的位置处，则表明该特征存在于该位置上。在另一个实施例中，如果合成特征存在于所述图像平面中的至少一半(或某个其它的特定比例)的图像平面中并且在一位置处，则该特征被表示成存在于该位置上。另一个实施例可能需要特征存在于所有图像平面中并且在所述位置处，以能够表示存在合成特征。在还一个实施例中，合成特征可以由如下规则生成：仅当合成特征存在于在特征位置附近具有可识别特征的所有图像平面上时，才表示该特征存在于所界定的位置上。用于在不同的实施例中表示合成特征存在的规则对于阅读过本描述的本领域普通技术人员来说是显见的。

在一些实施例中，在流程中的不同的阶段处获取自图像的信息可以组合起来，尤其是在模块124的特征提取步骤之前。例如，未经处理的图像可以以某种方式相结合，如通过像素一像素求和，或者预处理的图像也可以以某种方式相结合。在其它例子中，从图像中获取的数值，如伽伯子波系数或梯度场，可以通过如求平均值、加强平均数(robust mean)、中值等计算而被组合。

此外，在一些实施例中，特征可以通过检查图像组合而被识别。仅仅以举例的方式，在一个实施例中，血液特征可以通过评估存在于一组图像中的每一幅图像中的每一个像素位置处的血量而被找出，其中所述一组图像对应于基于已知血液吸收光谱的多个照射波长。数学处理，如经典的最小方差估计和多种其它的已知的估计方法可以用于进行这些分析。

特征集合可以在典型的生物统计操作下被处理以实现生物统计功能，如登记、核实、识别和/或欺骗检测。例如，提供皮肤部位的人可以被识别，或者他的身份可以被核实。这些生物统计功能可以在一些实施例中通过将获得的生物统计特征的组合与特征数据库进行比较来实现，如模块132所示。例如，数据库可以包括从多个人得到的生物统计特征的组合的详细说明，作为登记过程的一部分，并通过对在模块128中生成的组合与数据库中的内容进行比较来在模块132实现该生物统计功能。

适于实现图1的方法的生物统计***的结构的总体概貌在图2的原理图中给出。图2粗略地表示出每个***元件如何以分立或更集成的方式实现。生物统计***200示出包括经过总线226进行电连接的硬件元件。所述硬件元件包括处理器202、输入装置204、输出装置206、存储装置208、计算机可读存储介质读取器210a、通信***214、处理加速单元216(诸如DSP或其他专用处理器)、以及内存218。所述计算机可读存储介质读取器210a进一步连接到计算机可读存储介质210b，这种组合全面地代表远程、本地、固定和/或可移动的存储装置加上临时地和/或更长久地携带计算机可读信息的存储介质。所述通信***214可以包括有线、无线、调制解调器和/或其它类型的连接接口，并允许数据与外部装置进行交换。由生物统计传感器256采集多谱线数据，所述生物统计传感器256也可以通过总线226进行电连接。

生物统计***200也包括示出为当前正位于工作存储器(workingmemory)220内的软件元件，所述软件元件包括操作***224、其它代码222，例如为实现本发明方法而设计的程序。***能够根据特定的需要进行大体上的改变对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。例如，定制的硬件也能够采用，且/或特定的元件能够在硬件、软件(包括便携式软件，如苹果机(applets))或两者中实现。进一步，也可以连接到其它计算装置，如网络输入/输出装置。

以说明为目的在图3A-6中提供不同实施例中的可用于生物统计传感器25的多种不同结构。例如，图3A表示出在所提供的多谱线条件下、结合了多照射波长的生物统计传感器300的例子。作为生物统计功能的一部分，多种波长通常与由用户提供的手指或其它组织的不同组分进行不同的相互作用。例如，小于约600nm的波长被血液强烈地吸收，而由于氧络血红蛋白的存在，特别在约540nm和576nm处具有强的峰值。通常，光的较长的波长(例如，红光或红外光)渗入皮肤较深，并且受到较深的结构的影响；较短的波长(如蓝光或近紫外光)渗入较浅，受到表面和近表面皮肤结构的强烈影响。

图3A中皮肤部位304搁在台板308上，所述台板对用于照射皮肤部位304的波长是透明或半透明的。光探测器312，如数码照相机，用于借助多种透镜、镜子和/或其它光学元件(图3未示出)在与台板308的界面附近形成皮肤部位304的皮肤的图像。探测器312能够对宽的波长范围敏感。在一些情况下，探测器312能够与数字成像硅片相结合。这种基于硅(silicon-based)的照相机可以是“黑白”照相机，能够探测覆盖大约从350nm到1100nm的宽波长范围。

照射源310能被提供作为不同波长的准单色源。适宜源310的例子包括光发射二极管(“LEDs”)、激光、激光二极管、量子点(quantum dots)、过滤的白炽光源及其它。在探测器312包括基于硅的传感器的实施例中，光源310的波长可选择位于大约350nm和1100nm之间的范围内。在一个实施例中，光源位于大约400-700nm的可见范围内。来自每一个源310的光可以采用不同的方式传播出去并直接朝着皮肤部位304。例如，光可以采用像透镜和/或镜子这样的光学元件而被扩展或准直。可以使用散射介质来使光漫射，所述散射介质可以是诸如毛面玻璃材料片、乳色玻璃、全息散射器、半透明塑料以及其它本领域内已知的机制。

传感器300的操作顺序是以下列顺序照射：特定波长的光源310-1用于照射以允许探测器312获取和存储图像。然后，第一光源310-1关闭，且第二光源310-2打开进行照射。之后，探测器312获取并存储下一幅图像。这一顺序在所有的光源310间继续可以重复多次。可替代地，每一个光源310能够以唯一确定的频率被调制，而探测器312在与任意一个照射调制频率都不相同的频率下获取一系列图像。接下来，所得图像可以被分析，以采用本领域内已知的方法对各个照射波长的贡献进行评估。

图3B表示出另一种形式的多波长实施例。在这种情况下，生物统计传感器300’包括被提供作为宽带光源的照射源316，诸如未滤波的白炽灯或白光LED。除了图3A的实施例中的探测器312的功能性之外，探测器320被装备以实现光学滤波运算。这样做的一个方法是将滤色器阵列(未示出)结合到成像阵列表面上，类似于在彩色照相机上经常使用的拜耳图案(Bayer pattern)。另一种方法是结合将不同的彩色图像导向多个检测器的色彩分束器。

图3B所示的***的操作顺序是在宽带光源316照射后，采集一幅或多幅图像。在滤色器阵列的情况下，单个的彩色图像可以被提取作为一组子像素，或在色彩分束器的情况下单个的彩色图像从单个探测器中读出。

图3C描述了结合不同偏振条件、以采集多种不同的皮肤部位304的图像的生物统计传感器300”。光的偏振受到出现在组织或其它散射介质种的光学散射的影响。由于这个原因，交叉的线性偏振器能够抵制表面反射，而加强已经与组织发生更深相互作用的光。以相似的方式，平行的线性偏振和不同的椭圆偏振构造能够用于突出组织的不同特征。以一种相关的方式，偏振，尤其是线偏振，影响发生在光学界面上通过菲涅耳反射现象的反射量。同样，不同的线偏振方向能用于加强或减弱来自一个或多个界面的反射光。

在图3C中，皮肤部位304被光源324通过台板308照射，并且由探测器328、以类似于结合图3A和图3B所描述的方式成像。所述光源324可以是准单色或宽带的，探测器328可以是黑白或彩色的，采用结合那些图所描述的方式。来自照射源324中的一些(或全部)的光能够被偏振元件332-1偏振化。偏振器332-1在不同的实施例中可以包括线偏振器或椭圆偏振器。相似地，探测器328中的一些可以通过第二偏振器332-2看到图像，所述第二偏振器在不同的实施例中也可为线性偏振器或椭圆偏振器。

在一个实施例中，照射偏振器332-1和探测偏振器332-2都设置成线性偏振器，使得这两个偏振器332的光轴大致相垂直。在其它情况下，偏振器332被设置成具有大致平行的偏振。

在任一偏振器332包括椭圆偏振器的情况下，该椭圆偏振器可以在相对于椭圆偏振器的轴线成某个角度取向的线性偏振器(图3C未示出)之前。该角度能以本技术领域中所熟知的方式被选择以产生右旋或左旋光。在一个实施例中，设置了包括在偏振器332之中的椭圆偏振器，使得两个偏振器332产生左旋光或者两个偏振器332产生右旋光。在另一个实施例中，一个偏振器332能够产生左旋光，同时另一个偏振器332产生右旋光。

如图3C所示，非偏振光源324也可存在，产生被偏振探测器328-1观察到的照射条件。实施例也可以具有观察用来自偏振光源324-2的光产生的图像的非偏振照相机328-2。

结合图4所示的生物统计传感器举例说明照射和成像的多角度的使用。照射角或探测角的改变通常造成光学界面上的透射光或反射光的大小和/或方向的变化。在已知作为临界角的特定角度上，两种具有不同折射率的介质间的界面能产生全内反射效应。在台板一空气临界角的任一侧观察与台板接触的皮肤部位能够产生明显不同的具有显著不同的信息内容的图像。也可能存在对应非规则特征(诸如外指纹图案)发生的投影效应(shadow-casting effects)，以及多种偏振效应。所有这些效应改变在不同的照射和探测光学角度下由成像器产生的图像的属性。

图4表示出多个照射源412通过用作或包括台板的棱镜408照射皮肤部位404。还具有多个通过棱镜408观察皮肤部位404的探测器416。棱镜的使用最小化了光进入或离开台板材料所经的界面处出现的光学效应。台板的其他形式可以被替代采用，包括微棱镜阵列和简单的平面窗(simple planarwindow)。在图中，来自照射源412的光可以在照射皮肤部位404之前进行近似准直。当皮肤部位404被任意或全部照射源412照射时，任意或全部的探测器416能够采集图像数据。在某些情况下，一个或更多的光源，如图中的源412-1，可以以大于由台板一空气界面限定的临界角的角度取向，以造成在皮肤部位404和台板之间界面上的全内反射效应。在某些情况下，一个或多个探测器，如图中的探测器416-1，可以类似地以大于由台板一空气界面限定的临界角的角度取向，使得探测器产生的图像受到全内反射效应的影响。

图5A和图5B表示出能用多个焦平面采集图像的生物统计传感器500的一部分。图5A为这种生物统计传感器500的侧视图，而图5B为传感器500的前视图。皮肤部位504放在台板508上。图5B的侧视图示出了一种趋势：当皮肤部位504包括在曲体部分中，如在手指中，皮肤部位504存在不与台板508相接触的区域。因此，变焦探测器512允许图像采集被不同的焦平面所捕捉。例如，第一个这样的图像可以由探测器512获得，其中焦点设置成使得图像沿着平面524并大致在皮肤部位504和台板508之间的界面处是最优的。下一幅这样的图像可能以重新设定的探测器508的焦点获得，以成像于位于台板508上方的平面520上。第三幅这样的图像可能在探测器512的焦点被设置成成像于另一个平面516时被获得，以此类推。

包括在探测器512内的成像***可以包括透镜、镜子以及其它获得预期的焦点的光学元件(图5A或5B中未示出)，以这种光学元件改变焦点的机构包括机电组件、采用作用在流体填充元件上的静电力的液体透镜元件、可变形镜子、基于MEMS的部件，等等。在一些实施例中，包括在探测器512中的成像***能够被构造成提供远心成像(telecentric imaging)，由此将在不同的焦距设置下采集的图像中特征保持对齐。

在一些实施例中，当成像***设计成提供足够长的焦深时，固定焦点的成像***可以与探测器512一起使用。例如，固定焦点***可以被采用，其中聚焦平面516、520和524都可以以足够的分辨率和图像质量被聚焦。典型地，指纹特征由具有大约每英寸500个像素(ppi)的分辨率的***成像，但这需要能从大约100ppi到大约4000ppi的宽范围内，根据应用的需要进行变化。保持在一个特定的焦点区域内、以所需的分辨率对特征进行成像的能力的成像***设计是为本领域普通技术人员所熟知的。在一些情况下，这样的成像***也可设计成提供远心成像特性。

图6表示出通过组合不同的机制来组合几种不同的用于采集多谱线数据的机制、以在不同的光学条件下产生多个图像的本发明的实施例。皮肤部位604与由棱镜制成的台板608相接触。图中棱镜608的右侧棱面涂上了光漫反射涂层610。来自源612-2和612-3的光在进入棱镜和照射皮肤部位604之前，分别通过偏振器620-1和620-3。来自源612-1的光没有首先通过偏振器，而是通入了棱镜。由不同的源612发出的光的波长大体上也彼此不同。在特定的实施例中，偏振器620-1和620-.可以是方向大致相同的线性偏振器。

探测器616-2通过偏振器620-2和棱镜608观察皮肤部位604。偏振器620-2可以是方向与照射偏振器620-1和620-3大体垂直的线性偏振器。探测器616-1通过棱镜608观察皮肤部位604，而没有***偏振器。该探测器616-1能够定向，使得其充分地受到皮肤部位604和棱镜608之间的界面处的TIR的影响。

包括在探测器616中的一个或全部中的成像***能够为以变化的聚焦平面获取图像而提供。在一个实施例中，探测器616-2适于以不同的聚焦设置来采集多个图像，以对于皮肤部位604的不与台板608接触的部分进行充分地成像。可选地，探测器616-2的成像***可以是具有所选焦深的固定焦点***，使得皮肤部位604的不与台板608相接触的预期量可以以足够的分辨率成像。不论在变焦还是固定焦点的情况下，成像***可以进一步适应于提供远心成像能力。

来自源612-1的光通入棱镜608，并被涂层610漫反射以照射皮肤部位604和台板610之间的界面。皮肤部位由多个探测器616成像。在图像在源612-1的照射下获取到之后，该源关闭而源612-2打开。探测器616的任一个或全部可以获得第二组图像。然后，这一顺序可对于源612-3重复。

应当指出的是，尽管图6表示出了特定数量的光源和探测器、以及提供或接收经偏振化的光的那些特定数量的源和探测器，但这仅是以说明为目的。更一般性地，实施例可以组合生成上述的多谱线数据的多个方面中的任意几个。例如，图6所示的实施例可以被修改，以使得仅仅采用非偏振光或仅仅采用单聚焦平面。此外，可选实施例可以更一般性地采用任意数量的源和探测器，并且可以具有任意数量的那些被设置通过偏振器提供光或通过偏振器接收光的源和探测器。

图7示出根据图6的结构所构造的***所生成的一些数据。已经被成像的皮肤部位是在成像前暴露在基于粘土的干燥剂中十分钟的非常干燥的手指。图左侧的图像，用标号704、712和720标识的，是初步预处理后的在不同光学条件下观察到的干燥的手指的图像。而它们对应于图1的模块116中产生的图像。

图7右侧的图像，由标号708、716和724标识的，是分别针对上述左侧图像进行生物统计特征提取的结果，即，图像708是图像704的生物统计特征提取结果，图像716是图像712的生物统计特征提取结果，图像724是图像720的生物统计特征提取结果。右侧图像708、716和724中的每一个都表示出它的左侧图像的骨骼化形式的图像，以及任何被找出的细节点，例如由标号728标识出的。具有细节点708、716和724的骨骼化图像对应于图1中模块128处产生的图像。

简洁地，图像的骨骼化是减少图像中前景区域以成为骨骼式的剩余部分的处理。该剩余部分很大程度上保护了原始区域的广度和连接性，同时去除了大多数原始的前景像素。典型地，骨骼化由两种方式之中的一种实现。对于一类技术，形态学上的稀化以这样的一种方式从每条脊线的边缘连续地腐蚀像素，使得不能再进行稀化且中间的线保留下来。保留下来的痕迹近似骨骼。对于另一类技术，图像的距离变化被计算，其中骨骼沿着距离变化中的奇点。在任一种情况下，所得到的骨骼化的图像可以被处理、以采用本领域内的已知的方法对线的结束或分叉点进行界定。这些点作为细节点是已知的，它们在生物统计任务中的使用也为人所熟知。可选地，这些方法可以直接用于原始的灰格(未骨骼化的)图像，以采用本领域已知的技术来提取一组相似的细节点。

用对应于图6中的照射源612-1和探测器616-1的光学布置采集图像704。这是一个典型的基于TIR的测量构造。如图7中所示，显然，TIR图像由于被观察的手指的干燥质量而严重下降。这种恶化产生在图像708中标识的少量的细节点，于是引起了相当差的生物统计***性能。

采用对应于图6中的照射源612-2和探测器616-2的光学布置采集图像712。对应于偏振器620-1和620-2的线性偏振器设置在以大体垂直的方向。采用对应于图6中的照射源612-1和探测器616-2的光学布置采集图像72，通过偏振器620-2观察手指。在这种情况下，源612-1和612-2的波长是相似的，为波长近似635nm的红光。所得到的图像712和720在相应的骨骼化的图像716和724中产生更多和更好的的生物统计特征，如那些图像与图像708的对比视图所示。

图8表示出由相同***产生的一组相似的数据，但在这种情况下，是根据在人的手指与传感器的接触很轻、使得接触区域很小时所采集到的数据来获得的。图像的布置与图7中相同。即，图像804、812和820与在TIR条件下以交叉的偏振形式和以不同的照射/探测角度分别采集的预处理过的图像相对应，并且图像808、816和824与特征提取后的结果相对应。由于接触的区域小，由源612-1的照射以及探测器616-1的成像所产生的TIR图像804具有其中指纹特征能被看到的极大被减少的区域。相应的经过处理的图像808也表示出能从该图像中提取出的特征的数量下降很大。

图像812和820的反差非常明显，它们都用探测器616-2采集，该探测器616-2有相当大的焦距。尽管接触区域小，这些图像仍表示出整个指纹区域。相对应的特征提取图像816和824表示出上述方法和***在超出皮肤部位和传感器之间的接触区中提取生物统计特征的能力。

这样，描述了几个实施例之后，本领域普通技术人员应当理解，不同的修改、可替代的结构和等同物能够在不脱离本发明精神的情况下采用。因此，上述描述不应限定本发明的保护范围，本发明的保护范围在权利要求中限定。

Claims (30)

1.一种实现生物统计功能的方法，所述方法包括：

在多种不同的光学条件下、在单一的照射时段中、在特定皮肤部位的大体固定的位置处照射人的特定的皮肤部位；

对应多种不同的光学条件中的每一光学条件，接收来自特定的皮肤部位的光；

生成来自接收光的特定的皮肤部位的多幅图像；

分析多幅图像、以识别作为所述图像中至少一幅图像的一部分中的特征的生物统计特征；以及

根据所述生物统计特征的识别实现所述生物统计功能。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物统计特征是多幅图像中多个图像的各个部分共同的特点。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物统计特征包括多个生物统计特征。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，分析多幅图像包括：

在对于多幅图像中的每幅图像、所述特定的皮肤部位的位置是相同的条件下，识别多幅图像之间的空间关系；以及

根据所识别的空间关系识别多个生物统计特征。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，实现所述生物统计功能包括将多个生物统计特征与一组存储于数据库中的与被识别的人的生物统计特征相关的生物统计特征进行比较。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特定的皮肤部位包括人的手指；所述多幅图像包括指纹图像；以及所述生物统计特征包括所述指纹图像的细节点。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多种不同的光学条件包括不同的照射波长。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多种不同的光学条件包括不同的偏振条件。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多种不同的光学条件包括在单一照射时段内照射所述特定的皮肤部位的不同的照射方向。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多种不同的光学条件包括不同的聚焦平面。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，实现所述生物统计功能包括识别人或者校核人的身份。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接收来自特定的皮肤部位的光包括接收来自所述特定皮肤部位的表面下的散射光。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多幅图像包括所述皮肤部位的全内反射(“TIR”)图像和所述皮肤部位的非全内反射图像。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特定的皮肤部位包括人的手指；所述特定的皮肤部位与台板相接触；所述多幅图像包括指纹图像；以及所述生物统计特征包括所述特定的皮肤部位与台板接触的面积之外的被识别的人的生物统计特征。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，分析多幅图像包括：

骨骼化所述图像中的至少一幅；以及

识别所述图像中被骨骼化的至少一幅图像的生物统计特征。

16.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述分析多幅图像包括将所述图像中的至少一幅图像的所述部分分解成一组基本函数；以及

所述生物统计特征包括一组分解形成的系数。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物统计特征包括皮肤部位上的脊和谷的代表。

18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物统计特征包括所述特定的皮肤部位下的血管存在的特征。

19.一种生物统计***，包括：

适应于放置人的特定的皮肤部位的台板；

被设置用于照射放置在台板上的所述特定的皮肤部位的照射源；

被设置用于接收来自所述特定的皮肤部位的成像***；以及

与照射源和成像***连接的控制器，所述控制器包括：

在多种不同的光学条件下、在单一的照射时段内、对于所述特定皮肤部位的大致固定的位置处，用照射源照射所述特定的皮肤部位的指令；

由成像***接收的光产生特定的皮肤部位的多幅图像的指令；

分析多幅图像、以识别作为所述图像中至少一幅图像的一部分中的特征的生物统计特征的指令；以及

根据所述生物统计特征的识别实现所述生物统计功能的指令。

20.根据权利要求19所述的生物统计***，其中，所述生物统计特征是多幅图像中多个图像的各个部分共同的特征。

21.根据权利要求19所述的生物统计***，其中，所述生物统计特征包括多个生物统计特征。

22.根据权利要求21所述的生物统计***，其中，所述用于分析多幅图像的指令包括：

在对于多幅图像中的每幅图像、所述特定的皮肤部位的位置是相同的条件下，识别多幅图像之间的空间关系的指令；以及

根据所识别的空间关系识别多个生物统计特征的指令。

23.根据权利要求21所述的生物统计***，进一步包括与控制器相连的数据库，所述数据库与被识别的人的生物统计特征组相关，其中，实现所述生物统计功能的指令包括将多个生物统计特征与一组存储于数据库中的生物统计特征进行比较的指令。

24.根据权利要求19所述的生物统计***，进一步包括被设置用于使照射源提供的光偏振的第一偏振器，其中：

所述成像***包括被设置用于使从所述特定的皮肤部位接收到的光偏振的第二偏振器；且

所述多种不同的光学条件包括不同的相关的偏振条件。

25.根据权利要求19所述的生物统计***，进一步包括被设置用于使照射源提供的光偏振的第一偏振器，其中：

所述成像***包括被设置用于使从所述特定的皮肤部位接收到的光偏振的第二偏振器；且

所述第一和第二偏振器大致成交叉构造。

26.根据权利要求19所述的生物统计***，其中：

所述成像***包括具有多个分布式滤波元件的滤色器阵列，每一个滤波元件适于透射其波长为数量受限的特定窄带波长范围中的一个波长的光；并且

所述多种不同的光学条件包括在特定的窄带波长范围中的照射光的不同的波长。

27.根据权利要求26所述的生物统计***，其中，所述在多种不同的光学条件下用照射源照射所述特定的皮肤部位的指令包括以不同波长顺序地照射所述特定的皮肤部位的指令。

28.根据权利要求19所述的生物统计***，其中，所述控制器进一步包括以比由台板外部环境和台板之间的界面限定的临界角大的角度、用来自台板内的光照射所述特定皮肤部位的指令，其中，所述由成像***接收到的光生成所述特定的皮肤部位的多幅图像的指令包括由入射到所述特定的皮肤部位与台板接触处的台板界面上的光生成多幅图像中的至少一幅，作为所述特定的皮肤部位的表面结构的图像的指令。

29.根据权利要求19所述的生物统计***，其中，分析多幅图像的指令包括：

骨骼化所述图像中的至少一幅图像的指令；并且

识别所述图像中的骨骼化的至少一幅图像的生物统计特征的指令。

30.根据权利要求19所述的生物统计***，其中：

所述分析多幅图像的指令包括将所述图像中的至少一幅图像的所述部分分解成一组基本函数的指令；以及

所述生物统计特征包括一组分解形成的系数。

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