CN102831414B - 一种三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置，该方法步骤是：首先利用软件产生并调制正弦直条纹；其次，用投影仪投影复合彩色条纹图像序列到手掌表面，并调制变形的复合彩色条纹图像信息；再次，处理图像信息，获得折叠相位图和绝对相位图；最后，通过标定***获得三维数据，即得到掌纹和手形信息。该装置依据本发明所述采集方法设计，包括：电脑、CCD数码相机、DLP数字投影仪和移动底座；电脑通过IEEE1394b接口与相机连接，通过视频接口与投影仪连接；所述移动底座支撑和固定相机与投影仪，同时可使相机前后移动左右扭转，保证相机和投影仪相对位置和角度符合三维成像原理要求。

Description

一种三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置

技术领域

本发明涉及身份识别技术领域，具体为一种基于生物特征的三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置。

背景技术

本发明涉及三维掌纹和手形的获取技术。传统的二维掌纹识别***及手形识别***获取的是二维信息，光照、潮湿度以及手掌上的污渍等对二维掌纹及手形的识别有较大的影响，而且随着数码产品的普及，人们可以很轻易的复制二维信息，所以纯粹的二维掌纹和手形识别存在较大的安全隐患。掌纹和手形本身是三维的生物特征，得到掌纹和手形的三维形状数据将提高身份鉴定***的稳定性、准确性、安全性和整体性。有关三维掌纹和手形获取***方面的研究，目前还只是处于初步探索阶段。在申请人检索的范围内，可以见到相关文献信息如下：

1.张大鹏，骆南，李伟公开的“三维掌纹身份鉴别仪及其鉴别方法”(公开号CN101196986)，通过一个投影仪依次投影彼此间有相位移动的结构光图像到手掌表面，一个CCD相机从另外角度采集投影在手掌表面的变形条纹图像并存储在计算机中供后续处理，从而获得手掌表面各点的深度数据，用于身份识别鉴定。但是，由计算机生成多幅黑白编码条纹图像，需采集时间较长。该方法提供的手掌定位装置并不能保证手掌在一个地方保持长久不动，从而影响最终得到的三维数据的精度。

2.张大鹏，骆南，李伟公开的“三维掌纹身份鉴别***的手掌定位及中心区提取方法”(公开号CN101196988),提供了一种三维掌纹身份鉴别***的手掌定位及中心区提取方法。首先在获取规整的三维掌纹点云数据后，将三维点云数据映射到和二维图像同样长宽的矩阵上，实现三维点云和二维图像点的一一对应。在需要处理的手掌二维图像上找到手指和手掌相交处的2个特征点。利用二维掌纹识别中心区域定位算法找到中心区域四个点的像素坐标，得到三维掌纹点云数据。将点云数据排列的规律映射到二维等维度的矩阵上，得到三维点云的坐标。通过坐标变换、旋转和插值方法，从三维点云中提取得到中心区域。该方法能有效定位出三维掌纹点云坐标，从大量的三维掌纹点云数据中取出中心区域的点，去掉冗余数据点，从而节省存储空间，提高运算速度。

3.David Zhang，Guangming Lu，Wei Li，Lei Zhang，Nan Luo在“基于结构光成像的三维掌纹识别”（Three Dimensional Palmprint Recognition usingStructured Light Imaging，IEEE Second International Conference on Biometrics:Theory,Applications and Systems，2008，1-6）文章中，由计算机生成六幅黑白编码条纹图像，利用结构光成像的方法，获取掌纹的三维信息。进而可以获得掌纹的平均曲率、高斯曲率以及表面类型等特征，使用快速的特征匹配和分数级别融合策略来识别掌纹。但该方法采用灰度条纹图像，所需采集的图像较多、采集时间长，同时无法获得手掌表面的彩色纹理信息。

4.王晨晖，管凤旭，王科俊，崔建文，宋新景设计的“三维手形和掌纹的多模态生物图像采集装置（公开号CN101794376A）”，本发明提供的是一种三维手形和掌纹的多模态生物图像采集装置。此装置可同时获取正面手形、侧面手形和掌纹的二维图像，不仅采集速度快，而且与相关识别算法构成多模态生物特征识别***，其识别性能好于仅基于手形或掌纹的单模态生物特征识别***。但是该装置采集到的掌纹和手形不是真的意义上的三维数据，最后得到的是一副二维图像，不能真正反映掌纹的三维信息，且该装置易受外界光照影响。

5.王晨晖，管凤旭，宋景新，马也发表了“掌纹和三维手形的多模态图像采集装置设计”（自动化技术与应用,2011,30(7),76-79）,设计出一种新型非接触式掌纹和三维手形的多模态图像采集装置,可以将手掌掌纹、正面与侧面手形信息采集于一幅图像中。该装置硬件部分主要包括USB2.0控制器模块、CMOS图像传感器模块和其他辅助电路模块；软件部分包括下位机USB外设的固件程序、上位机操作***的USB驱动程序、上位机图像手指静脉采集程序。但是该装置采集到的掌纹和手形不是真正意义上的三维数据，只是将手掌掌纹、正面与侧面手形信息采集于一幅图像中，得不到完整的手形和掌纹的三维数据。

另外，已有的掌纹和手形身采集***，普遍需要一个封闭的采集环境，依赖于接触式、带有定位装置的采集方法，获得掌纹和手形的二维特征。但获取高质量的生物统计特征信息，对于提高自动身份鉴定***的整体性能始终是至关重要的一步，而有关三维掌纹和手形获取方面的研究，还只是处于初步探索阶段。特别是同时获取这两种生物特征三维形貌和彩色纹理的采集***还未曾有公开地报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的问题是，提供一种三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置。该方法和装置基于生物特征，利用非接触测量，同时得到掌纹和手形三维特征及彩色纹理，进而获得高精度和稳定性的身份识别，具有测量精度好、测量效率高，便于实际应用等特点。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，设计一种三维掌纹和手形的非接触式采集方法，该方法基于复合彩色条纹投影的非接触方法，获取掌纹和手形三维形貌及纹理数据，包括具体步骤是：

首先，利用软件产生三组条纹个数不同的正弦直条纹，且每组4幅正弦条纹彼此间有90度相位移动，调制正弦条纹到彩色图像的红、绿、蓝三颜色通道，形成复合彩色条纹图像；其次，用DLP***投影复合彩色条纹图像序列到手掌表面，并用彩色CCD数码相机从不同于投影的方向采集手掌表面变形的条纹信息；再次，处理所采集的条纹图像信息，提取出正弦条纹后，用四步相移方法计算折叠相位图，并用最佳条纹选择方法得到绝对相位图；最后，通过标定***，把绝对相位转换为三维数据，即得到手掌的三维形状信息，同时也得到三维数据所对应的手掌纹理信息。

本发明解决所述装置问题的技术方案是，设计一种三维掌纹和手形的非接触式采集装置，该装置依据本发明所述的三维掌纹和手形的非接触式采集方法设计，主要包括：电脑、CCD数码相机、DLP数字投影仪和移动底座；电脑通过其上的IEEE1394b接口与CCD数码相机连接，并通过其上的视频接口与DLP数字投影仪连接；所述移动底座支撑和固定相机与投影仪，同时可使CCD数码相机前后移动一定距离和左右扭转一定角度，保证CCD数码相机和DLP数字投影仪相对位置和角度符合三维成像原理要求；所述移动底座包括底板、移动板、扭转板、投影仪底板和角位移台；所述底板为一长条形板，DLP数字投影仪依次经投影仪底板和角位移台固定在底板的一端，CCD数码相机依次经扭转板和移动板固定在底板的另一端，且CCD数码相机的镜头中心线和DLP数字投影仪的投影中心线与待测对象之间满足结构光三角形成像条件。

与现有技术相比，本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置的积极效果在于：

1、测量精度好。通过投影具有最佳条纹个数的正弦条纹测量掌纹和手形三维数据，可提高计算绝对相位的精度，得到高精度、无畸变的三维形状信息。

2、测量效率高。三颜色通道的应用可有效减少图像数据的采集时间，相对于灰度条纹投影技术，图像数据的采集时间减少为三分之一。

3.采集方法工艺简单，便于推广；采集装置结构简单，操作容易，适于实际应用。

附图说明

图1为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置一种实施例的原理及整体结构示意图；

图2为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集装置一种实施例的移动底座机械结构示意图；其中

图2（a）为移动底座整体机械结构示意图；

图2（b）为移动底座中的底板51形状结构俯视图；

图2（c）为移动底座中的移动板52形状结构俯视图；

图2（d）为移动底座中的扭转板53形状结构俯视图；

图2（e）为投影仪底板54的俯视图；

图3为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集装置一种实施例的硬件实物照片图；

图4为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法一种实施例投影在手掌上的四幅复合条纹图（原图为彩色条纹图）；

图5为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法一种实施例的从图4所述四幅复合彩色条纹图中提取出来的十二幅灰度条纹图。其中，

图5（a）为四幅条纹数为56且彼此间有90度相位移动的正弦条纹图；

图5（b）为四幅条纹数为63且彼此间有90度相位移动的正弦条纹图；

图5（c）为四幅条纹数为64且彼此间有90度相位移动的正弦条纹图；

图6为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法一种实施例的基于四步相移方法计算得到的三维掌纹和手形三幅折叠相位图。其中，

图6（a）为条纹数为56的三维掌纹和手形的折叠相位图；

图6（b）为条纹数为63的三维掌纹和手形的折叠相位图；

图6（c）为条纹数为64的三维掌纹和手形的折叠相位图；

图7为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法一种实施例基于最佳条纹选择方法计算得到的三维掌纹和手形绝对相位图。

图8为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法一种实施例对指纹传感***进行标定得到的三维指纹数据；其中，

图8（a）、（b），从两个不同视角按光照模式显示的三维数据。

图8（c）、（d），与光照模式相同的两个视角显示指纹三维纹理映射数据。

图9为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置所采用的三维成像***的工作原理流程图；

图10为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置基于复合彩色条纹投影的编码程序框图；

图11为本发明三维掌纹和手形的非接触式采集方法和装置一种实施例的解码复合彩色条纹图获取正弦条纹图，并最终得到绝对相位图的程序框图。其中，I_i(m,n)是提取出的正弦条纹图在每个像素点位置（m,n）处的灰度值；i=1,2,3，...12。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：

本发明设计的三维掌纹和手形的非接触式采集方法（简称方法，参见图1-11），该方法基于复合彩色条纹投影的非接触方法，获取掌纹和手形三维形貌及纹理数据，包括如下具体步骤：

1.根据测量场的大小和测量精度的要求，选择测量场中需调制到图像红、绿、蓝三颜色通道的三组正弦直条纹的条纹数；实施例的三组正弦直条纹数分别为56、63和64；

2.软件编程产生三组具有不同条纹数的正弦直条纹，且每组包含四幅彼此间有90度相位移动的正弦直条纹；实施例中每组的四幅正弦直条纹的相位分别是0,90、180和270度，并调制这十二幅正弦直条纹到彩色图像的红、绿、蓝颜色通道中，从而减少为四幅复合彩色条纹图像；

3.把软件产生的四幅复合彩色条纹图像顺次通过DLP数字投影仪投射到手掌的表面；受到手掌表面形状的调制，CCD数码相机从不同于DLP数字投影仪投影的方向获得变形的复合颜色条纹图像，并把该图像存储到电脑中（参见图1、4）；

4.从采集得到的四幅复合彩色条纹图像的红、绿、蓝三颜色通道中，提取包含正弦信息的条纹图，得到条纹数为56、63、64，且彼此间有90度相位移动的十二幅正弦条纹图（参见图5）；并利用软件方法补偿颜色通道间的非正弦性（颜色通道间的干扰造成条纹形状的非正弦性）干扰；

5.利用四步相移算法，计算每个像素点的相位信息，得到三幅高精度的折叠相位图（参见图6）；

6.应用最佳条纹选择方法到三幅折叠相位图，得到每个条纹的绝对级次，并最终得到绝对展开相位图（参见图7）；

7.对三维成像***进行标定，把绝对相位转换为三维数据XYZ，其中X、Y是横向坐标，Z是深度方向坐标，即得到手形和手掌的三维形状数据。最后，从两个不同视角，用光照和三维纹理映射的方法显示三维数据（参见图8）。

本发明同时设计了三维掌纹和手形的非接触式采集装置（简称装置，参见图1-3），该装置依据本发明所述的三维掌纹和手形的非接触式采集方法，基于复合彩色条纹投影技术，主要包括：电脑1、CCD数码相机（简称相机）2、DLP数字投影仪（简称投影仪）3和移动底座5；电脑1通过其上的IEEE1394b接口与CCD数码相机2连接，并通过其上的视频接口与DLP数字投影仪3连接。电脑1用来控制相机2和投影仪3，并存储、显示和处理所采集的图像，获得相应的数据结果；投影仪3用来投射复合彩色条纹图像到被测物体4的表面，相机2用于采集变形后的复合颜色条纹图像。所述电脑1、CCD数码相机2和DLP数字投影仪3均为市购产品。

所述移动底座5为本发明特别设计（参见图2和图3），它支撑固定相机2和投影仪3，同时可使相机2前后移动，且可左右扭转一定角度，保证相机2和投影仪3相对位置和角度符合三维成像原理要求。所述移动底座（参见图2）包括底板51、移动板52、扭转板53、投影仪底板54和角位移台55。

所述底板51为一长条形板(参见图2(a)、（b）、（c）)，投影仪3经投影仪底板54和角位移台55固定在底板51的一端，相机2依次经扭转板53和移动板52固定在底板51的另一端，且相机2的镜头中心线和投影仪3的投影中心线与待测对象之间满足结构光三角形成像条件。所述底板51的一端开有四个螺纹孔512，四个螺纹孔512构成的矩形对称轴线（参见图2（b）左侧斜虚线）与底板51的矩形对称轴线（参见图2（b）左侧垂直虚线）不平行，倾斜适当角度（实施例为19度），且螺纹孔512份开孔位置与角位移台55上自带有螺纹孔位置一一对应。

所述移动板52为矩形板(参见图2（c）)，在其左右相对的两条边处开有对称的两个长槽521，且两个长槽521与底板51上的两个螺纹孔511对应，可用螺栓穿过螺纹孔511和长槽521把移动板52与底板51连接为一体，利用长槽521移动板52可以前后（垂直于底板51的长度方向）水平移动一定距离；在其上面一条边处开有长弧形槽523；在其下面一条边处开有下螺纹孔522，在其中心处开有上螺纹孔524。

所述扭转板53为矩形(参见图2（d）)，其上均布开有四个小沉孔531，小沉孔531的开孔位置相机本身自带的螺纹孔位置一一对应，通过螺栓可将相机2固定在扭转板53上；扭转板53的下端开有一个短弧形槽532，螺栓穿过短弧形槽532与所述移动板52的下螺纹孔522连接，且扭转板53的上端开有上沉孔533，扭转板53的中心开有下沉孔534，上沉孔533与移动板52上端的长弧形槽523通过螺栓连接，下沉孔534与上螺纹孔524通过螺栓连接，这种连接可以使扭转板53沿着长弧形槽523的弯曲方向扭转一定角度；扭转板53可以左右分别扭转一定角度，实施例最大扭转角度为15度，即转角30度，并实现相机2的左右扭转的角度调节。利用所述短弧形槽532与长弧形槽523的共同调整，可实现对相机2的三角形成像条件角度要求。

所述投影仪底板54为矩形(参见图2（e）)，其上中心处均布开有四个沉孔542，上下两边处开有呈三角形状分布的3个通孔541，所述沉孔542的开孔位置与投影仪3本身自带的螺纹孔位置一一对应：利用螺栓可将投影仪3固定在投影仪底板54上。

所述角位移台55为购买加工好的零件，用于调整投影仪3的俯仰角。因角位移台55上自带有螺纹孔，可通过投影仪底板54的四个沉孔542，用螺栓跟投影仪底板54固定好；通过所述底板51的一端开有四个螺纹孔512，四个螺纹孔512构成的矩形对称轴与底板51的矩形对称轴不平行，倾斜一定角度，可通过螺纹孔512，用螺栓与角位移台55自带的螺纹孔相连，将角位移台固定。利用角位移台55可以调整投影仪3的俯仰角。

本发明装置（参见图1、2）通过角位移台55调整投影仪3的俯仰角，使投影仪3与水平面有一定夹角，保证相机2的镜头中心和投影仪3的镜头中心在同一水平面上，且移动板52和扭转板53分别可以使相机2前后移动一定距离和左右旋转一定角度，同时相机2和投影仪3分别安装在底板1的两端，两者之间存在一定距离，从而与待测对象4之间满足结构光三角形成像条件。

本发明设计的方法和装置遵循三维结构光三角形成像原理，其有效性已经被证明。

本发明方法和装置基于三角化的工作原理：从投影仪3方向产生的光栅直条纹投射到待测物体的表面，受到其表面形状的调制，从另外一个方向看到的条纹将变形；此变形的条纹包含物体表面三维形状信息，其具体关系由成像光轴和投影光轴所构成的三角形决定。本发明方法是依靠产生的复合彩色正弦直条纹图像投影到手掌表面，变形的条纹图像调制了物体的三维形状信息，通过处理所采集的复合彩色条纹图像可得到相应的绝对相位信息。

对于手掌这种表面复杂物体的三维形貌测量，折叠相位展开是一个棘手的问题。本发明方法通过调制三组具有最佳条纹数且每组包含四幅彼此间有90度相位移动的十二幅正弦条纹图，到图像的红、绿、蓝三颜色通道，得到四幅复合彩色条纹图。依次投影复合彩色条纹图到手掌表面，采集得到经过手掌调制的变形复合彩色条纹图。从四幅复合彩色条纹图中提取出十二幅包含正弦信息的条纹图，用四步相移的方法给出三幅高精度的折叠相位；然后应用最佳条纹选择方法到三幅折叠相位图，得到条纹上每个点的绝对级次，最终得到绝对展开相位图。最后对三维成像***进行标定，得到的手形和掌纹的三维形状数据（参见图8）。

本发明的具体工作过程可描述如下（参见流程图9）：根据所选择的正弦条纹个数，例如56、63、64，软件编程产生三组具有不同条纹数的正弦直条纹，且每组包含四幅彼此间有90度的相位移动，并调制这十二幅正弦直条纹到彩色图像的红、绿、蓝颜色通道中，从而减少为四幅复合彩色条纹图像。通过电脑1传送这四幅图像到DLP投影仪3，从而在待测物体4的表面产生变形的条纹图像。相机2从不同于投影仪3投影的方向顺次采集这些图像并存储到电脑1中。补偿颜色通道间干扰，可从四幅复合条纹图中提取出十二幅变形的正弦条纹图，对条纹个数相同的条纹组利用四步相移算法计算出对应变形条纹图的折叠相位图。再对得到的三幅折叠相位图用最佳条纹选择的方法，计算出各个像素点位置的绝对相位。

本发明方法所利用的软件是在Matlab和Visual C++中新开发。其实现复合条纹投影程序框图和解码所采集复合条纹图并最终获得绝对相位的程序框图如图10和图11所示。对复合彩色条纹投影程序框图（图10）的描述是：程序中产生三组正弦直条纹，以条纹个数是56为例，设置初始相位值为0度，产生一幅正弦条纹图。初始相位循环增加90度，并判断每个循环内相位值的大小：小于270度，则继续生成正弦条纹图；大于270度，则循环终止。三组所产生的十二幅正弦直条纹调制到彩色图像的红、绿、蓝三颜色通道形成复合彩色条纹图。通过DLP投影仪投射这些彩色条纹图到物体表面，其变形的条纹图被相机2采集并存入电脑1供后续处理。对所采集复合彩色条纹图解码过程的程序框图（图11）的描述是：顺次读入所采集的四幅复合彩色条纹图像。在补偿颜色通道间的干扰后，可提取出十二幅正弦条纹图I₁(m,n),I₂(m,n),I₃(m,n),I₄(m,n),I₅(m,n),I₆(m,n),I₇(m,n),I₈(m,n),I₉(m,n),I₁₀(m,n),I₁₁(m,n),I₁₂(m,n)（参见图5中的12幅条纹图）。条纹个数相同的每组，利用四步相移算法计算出每个像素点位置(m,n)的折叠相位Ф_i(m,n)（i=1，2，3）。再利用最佳三条纹选择方法到所得到的折叠相位图，独立计算各个像素点位置的绝对相位θ(m,n)。最后，经过***标定，最终得到所检测的掌纹和手形的三维形状数据。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种三维掌纹和手形的非接触式采集方法，该方法基于复合彩色条纹投影的非接触方法获取掌纹和手形三维形貌及纹理数据，包括具体步骤是：首先，利用软件产生三组条纹个数不同的正弦直条纹，三组正弦直条纹数为56、63、64，且每组4幅正弦条纹彼此间有90度相位移动，调制该正弦条纹到彩色图像的红、绿、蓝三颜色通道，形成4幅复合彩色条纹图像；其次，用DLP数字投影仪投影复合彩色条纹图像序列到手掌表面，并用彩色CCD数码相机从不同于DLP数字投影仪投影的方向采集手掌表面调制变形的复合彩色条纹图像信息；再次，处理所采集的复合条纹图像信息，提取出正弦条纹后，用四步相移方法计算折叠相位图，并用最佳条纹选择方法得到绝对相位图；最后，通过标定***把绝对相位转换为三维数据，即得到三维的手掌形状信息，同时也得到三维数据所对应的手掌纹理信息。

2.一种三维掌纹和手形的非接触式采集装置，该装置依据权利要求1所述三维掌纹和手形的非接触式采集方法设计，主要包括：电脑、CCD数码相机、DLP数字投影仪和移动底座；电脑通过其上的IEEE1394b接口与CCD数码相机连接，并通过其上的视频接口与DLP数字投影仪连接；其特征在于所述移动底座支撑和固定相机与投影仪，同时可使CCD数码相机前后移动一定距离和左右扭转一定角度，保证CCD数码相机和DLP数字投影仪相对位置和角度符合三维成像原理要求；所述移动底座包括底板、移动板、扭转板、投影仪底板和角位移台；所述底板为一长条形板，DLP数字投影仪依次经投影仪底板和角位移台固定在底板的一端，CCD数码相机依次经扭转板和移动板固定在底板的另一端，且CCD数码相机的镜头中心线和DLP数字投影仪的投影中心线与待测对象之间满足结构光三角形成像条件，所述DLP数字投影仪为DLPLightCrafter。