CN1073282A - 光电指纹识别仪 - Google Patents

Abstract

应用Joint变换原理及液晶光阀的光电指纹识 别仪兼有光学图像处理的大容量、快速、高度并行的 优点及数字图像处理可编程、软件功能丰富、高精度、 易于操作的特点，用液晶光阀(LCLV)和电荷耦合器 件(CCD)实现实时识别，以马赫-曾特干涉仪作为输 入部件，采用连续变比——衰减补偿指纹对透过率 差，并定义了专用的识别指标，用微机数字图像处理 ***给出定量化图形化的评价结果。具有实时，快 速、精确、成本较低的优点，适用于公安、司法、检察部 门进行指纹的同一认定。

Description

该发明“光电指纹识别仪”属于信息光学仪器类，它适用于指纹的实时识别。

在已有技术中（已有对比文献美国专利3，771，124及3，716，301），用于指纹识别的方案有两类。第一类是主观识别，这是传统的识别方法，缺点是主观性、不确定性，而且工作人员的劳动强度很大，费时费事。第二类是机器识别，这一识别方案中还有两种主要的方法，第一种方法是数字图像识别，它将两幅待识别的指纹图案用CCD（电荷藕合器件）记录下来，再经过A/D转换后变成数字图像，送入计算机进行特征比对或模式识别。由于指纹图案包含的信息量很大，因此用于指纹识别的数字图像***为大容量、高速的***，技术复杂，价格较高。某些破损的现场指纹，在识别前必须经人工预处理，从而带入主观因素和不确定因素。第二种方法是以匹配滤波为理论基础的光学图像识别。这一方案有两个难以克服的缺点：首先是需要制作匹配滤波器，并要求精确复位，为操作带来不便，若复位精度不够还会影响识别效果。其次是难以实现实时识别。因此，迄今为止这一方法还只停留在实验室阶段，仅能用于教学和演示。

该发明的目的是为了克服上述两个方法的缺点而设计的，是一种光电混合识别方案。该发明充分发挥光学信息处理的大容量、快速、高度并行的优势和数字图像处理的可编程、高精度、计算功能丰富的特点，指纹的预处理很简单，识别过程是实时的，软件功能丰富，识别结果可靠，且成本较低，易于仪器化，是一种具有实用价值的指纹识别仪器。

该发明“光电指纹识别仪”是应用Joint变换原理及液晶光阀来实现的，下面结合附图来描述本发明的设计方案及其技术特征：

图1为本发明的光学***图。1为激光器（He-Ne激光器或半导体激光器），由它辐射的激光束通过连续变比分光镜3分成两束，一束经透镜4和6构成的扩束***形成准直的宽光束，射入由反光镜8、10和分段可调分光镜7、分光镜14构成的马赫-曾特干涉仪，待识别的指纹负片9和11分别置于干涉仪的两臂，它们的中心关于光轴互相错开距离2b，并经过傅里叶变换透镜12进行Joint-傅里叶变换（以下简称Joint变换），这里是采用大孔径长焦距的傅里叶变换透镜12作为第一次傅里叶变换，即Joint-傅里叶变换;采用短焦距的傅里叶变换透镜21作第二次傅里叶变换，获得相关输出。透镜的焦距比应使最后的相关输出信号的空间宽度与CCD摄像机的靶面尺寸相匹配。并将Joint变换谱写入液晶光阀13的输入端面。由连续变比分光镜3输出的另一光束先由透镜15、16构成的扩束***形成适当扩束的准直光束，经连续可调的减光板18衰减后，经过空间滤波器19滤波，采用空间滤波技术提高输出信号的信噪比。该空间滤波器19是一个小孔，它可以在垂直于光轴的平面内扫描，以获得最佳的效果。通过偏振分光棱镜20导入液晶光阀13，成为读出光。液晶光阀是由连续变比分光镜3及连续可调减光板18调整其写入信号与读出信号的光强比，从而获得最佳识别效果。反光镜2、5、17起到改变光束方向的作用。当13的输入端有信号写入时，由于液晶光阀的作用，将写入的Joint变换复振幅谱转换成Joint功率谱，由读出光读出，通过偏振分光棱镜20，经透镜21进行第二次傅里叶变换，形成相关谱，由CCD器件22记录，转换成电信号，输入微机数字图像处理***24。23和25为监视器，分别显示处理前的相关信号和处理后的结果。

本发明根据Joint变换来进行指纹识别。设参考指纹（档案指纹）g₁（x，y）和待测指纹（现场指纹）g₂（x，y）同时置于输入平面（x，y）上，中心相距2b，经扩束准直后的激光照射后，形成***的输入信号：

g（x，y）＝g₁（x-b，y）+g₂（x+b，y）， （1）

在傅里叶变换透镜13的后焦平面即谱平面上出现输入信号的Joint变换复振幅谱：

G ( (u)/(λf₁,) (v)/(λf₁) ) = G₁( (u)/(λf₁,) (v)/(λf₁) ) exp [ - j2π ( (ub)/(λf₁) )]

+ G₂( (u)/(λf₁,) (v)/(λf₁) )exp [j2π ( (ub)/(λf₁) )], (2)

式中u、ν为谱面坐标，f₁为透镜的焦距，λ为波长，G₁、G₂分别是g₁、g₂的傅里叶变换。G成为位于谱平面的液晶光阀的写入信号。

液晶光阀为光寻址的空间光调制器，它对光波的作用原理是液晶的场致双折射效应，在输入面写入光强低于阈值的情况下，它的作用相当于一个具有高反射率的反光镜。由偏振分光棱镜20导入的读出光为平面偏振的o光，经液晶光阀13反射，其偏振态不变，因而透不过20，从***的输出端看进去呈暗场。当液晶光阀的输入端面有Joint变换的复振幅谱输入时，在写入光强超过阈值的那些区域，使入射的读出光的偏振态变成e光，从而能透过偏振分光棱镜15。由于这一效应取决于写入光的强度，因而读出的是Joint变换的功率谱，即

$I={\left|G\right|}_2={\left|G_1\right|}_2+{\left|G_2\right|}_2+G_1\·G_2\exp \left[j2\mathrm{\π}\left(\frac{2\mathrm{ub}}{{\mathrm{\λf}}_1}\right)\right]$ $+G_1{G}_2\·\exp [-j2\mathrm{\π}\left(\frac{2\mathrm{ub}}{{\mathrm{\λf}}_1}\right)],\left(3\right)$

当一对指纹同一时，有G₂＝G₁，代入（3）式得

$I={\left|G_1\right|}_2\{1+\cos [2\mathrm{\π}\left(\frac{2\mathrm{ub}}{{\mathrm{\λf}}_1}\right)\left]\right\},---\left(4\right)$

表明相同指纹的Joint变换功率谱是单个指纹的功率谱｜G₁｜²被余弦条纹所调制。

由（3）式表示的读出信号经过第二个傅里叶变换透镜2的作用，得到相关输出，呈现在CCD器件22的探测面上：

其中F.T.｛I｝表示对信号I的傅里叶变换，

表示相关运算，输出平面的坐标为（ξ，η），ρ＝f₁/f₂，f₂为透镜16的焦距，ρ为图形的缩放因子。（5）式中前两项为g₁、g₂的自相关谱，重叠在零级谱中;第三、四项代表g₁和g₂的互相关谱，对称地分布在零级谱两侧，中心坐标分别为（2ρb，0）和（-2ρb，0）。

如果g₁＝g₂（相同指纹），则互相关函数变为自相关函数，它具有峰的结构，即相关峰，在（2ρb，0）和（-2ρb，0）处呈现尖锐的亮斑。若g₁≠g₂（不同指纹），则互相关函数不出现峰值。据此可以判别g₁和g₂的异同。CCD器件将相关输出直接显示在高分辨率的监视器23上。

本发明的读出光/写入光分光功能是由连续可变分光镜3实现的。3的光学***如图2所示。27为偏振分光棱镜，26和26′为半波片。射入27的光波中的e光透过27，o光由27反。若入射光是平面偏振光，则转动半波片26，光波的振动平面将随之转动，从而可以调节e光和o光的光强比。半波片26使透射的e光的振动平面转过90°成为o光，保证两束输出光波是相干的。这一器件可以使液晶光阀的读出光/写入光的光强比在100∶1到1∶100的大范围内连续可调节。

读出光的光强又经过连续可调减光板18衰减，衰减范围为1～ 1/30 。减光板是一个圆形可旋转的玻璃平板，在一面镀上厚度连续变化的铬层或介质膜层，另一面镀增透膜。

3和18的共同作用的结果，使液晶光阀的读出光强和写入光强在大范围内连续可调，保证在识别具有不同透过率的指纹样品时，液晶光阀均处于其最佳的工作点从而获得高反差、大动态范围的功率谱，提高识别效果。

本发明采用马赫-曾特型干涉仪作为一对待识别指纹的输入***。它具有以下功能：第一，指纹g₁和g₂分别置于干涉仪的两臂，便于更换和调节方位的操作;第二，分段可调分光镜7的分光比分段可调，从1∶1-1∶10，从而可选择不同的光强比，以适应g₁和g₂的不同透过率，保证最佳的识别效果。

本发明的专用微机数字图像处理***如图3所示。采用微机数字图像处理***进行相关输出信号的后处理。后处理的主要目的是使相关信号的图形化，提高识别的直观效果;并给出数字化的识别指标作为指纹识别认定的主要依据之一。该***由三部分构成：由CCD器件22和高分辨率黑白图象监视器23组成的相关输出信号监视单元，由视频接口及A/D转换单元28、图像存储器29、显示缓存器30、主控单元31、微机接口32及彩色监视器25构成的数字图像处理单元及386型微机33。由CCD记录并转换而成电信号分成两路：一路直接送入监视器23，供目视监测相关输出用;另一路送入图像处理单元，经处理后再送入386微机进行后处理，提取相关信号，进行指纹同一性评价，并给出相关峰光强分布的三维立体显示。

本发明的信号处理流程见附图中的图4所示，其信号处理流程的过程如下：

图像单元初始化→在旁瓣区域内寻找相关峰→以峰为中心进行光强抽样→平均滤波→计算能量集中度→确定峰区及本底区→同一性评价指标计算→相关峰主体显示→数据文件存档

本发明采用如入下方案来进行指纹同一性的定量判定。

（一）峰区定义

通常为峰区定义互相关区内光强超过0.5I_max的区域，其中I_max为该区内最大光强。在指纹识别中，由于现场指纹的破损、畸变等原因，在互相关区内超过0.5I_max的亮点或亮斑的分布比较分散，一些远离中心位置的亮点未必属于相关峰，真正代表指纹同一性的信息应当分布在互相关中心（即I_max所在位置）附近的小区域内。因此，定义能量集中度

$E\left(\mathrm{yo}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\πy}}_0^2}{\∫}_{y\≤}{\∫}_{\mathrm{yo}}\frac{I(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})}{I\left(\mathrm{0,0}\right)}\mathrm{d\ξd\η},---\left(6\right)$

取I_max所在位置为坐标原点，能量集中度定义为以原点为圆心，以γ₀为半径的圆域内的平均光强。显然，（ξ，η）平面内各点光强对E（γ⁰）的贡献带有权重1/γ²，从而离中心越远的亮点对E（γ₀）的贡献越小。定义满足条件

0.5≤E（γ₀）≤1 （7）

的点（ξ，η）的集合为峰区，记为σ′，峰区以外、互相关区以内的区域为本底区，记为σ″。

（二）信噪比（SNR）定义

$\mathrm{SNR}=\frac{I_{\max }}{\frac{1}{S^{\′\′}}{\∫}_{\mathrm{\σ}}\∫I(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\mathrm{d\ξd\η}},---\left(8\right)$

其中S″为本底区面积。这样一来，SNR就表示峰区最大光强I_max与本底区平均光强之比。两个指纹相同的部分越多，则相关峰越尖锐，SNR就越大。SNR的值表示相关峰结构的尖锐程度。

（三）相关峰能量比定义

$R_{\mathrm{pk}}=\frac{{\∫}_{\mathrm{\σ}}\∫I(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\mathrm{d\ξd\η}}{{\∫}_{\mathrm{\σ}}\∫I(\mathrm{\ξ},\mathrm{\η})\mathrm{d\ξd\η}},---\left(9\right)$

其中σ＝σ′+σ″即整个旁瓣。R_pk表示相关峰区内的能量与全部相关区内的能量比。两个指纹相同的程度越高，则峰区能量越大，R_pk就越大。

大量实验证明，重新定义的峰区是合理的，信噪比和相关峰能量比从不同角度较为真实地反映了两个指纹图形同一性的程度。

根据上述设计方案制成的指纹识别仪，由于采用了光电混合识别方案，兼有光学图像处理的大容量、快速、高度并行的优点及数字图像处理可编程、软件功能丰富、高精度、易于操作的优点。该发明根据Joint变换进行相关识别，并用液晶光阀代替全息记录材料，用CCD进行光、电处理***的接口转换，从而实现了实时识别;以马赫-曾特干涉仪作为输入***使操作便利;采用连续可变分光镜及连续可调减光板补偿了现场指纹和档案指纹透过率的差别，保证达到最佳的识别效果;专门定义的识别指标信噪比和相关峰能量比较准确地反映了一对指纹同一性的程度;微机图像处理***提供了丰富的软件功能，给出了数字化、图形化的同一性评价指标。该发明具有实时、快速、方便、精确、可靠的特点，价格较低适用于公安、司法、检察部门作为指纹的同一性判定。

本发明的实施例可见图1-3。其中He-Ne激光器可采用10mw外腔式，半导体激光器可采用波长为670nm、输出功率为10nm的器件;傅里叶变换透镜12应采用焦距≥1000mm、孔径≥100mm，另一傅里叶变换透镜21的焦距为100mm，孔径为20mm;经透镜4、6扩束后的准直光场直径应大于待测指纹（135负片）尺寸两倍以上;CCD    22应采用高分辨率（例如604×588像素）、低照度（最低照度为0.02Lux）的器件;微机可采用PC-286、386型;液晶光阀的空间频率应不低于60线对/mm。

附图说明：

图1    光学***图

1    激光器（He-Ne激光器或半导体激光器）

2、5、17    反光镜

3    连续变比分光镜

4、6    扩束***

7    分段可调分光镜

8、10    反光镜（大孔径）

9、11    待测指纹（135负片，带框）

12、21    傅里叶变换透镜

13    液晶光阀（LCLV）

14    分光镜

18    连续可调减光板

19    空间滤波器

20    偏振分光棱镜

22    电荷藕合器件（CCD）

23    高分辨黑白监视器

24    微机数字图像处理***

25    高分辨彩色监视器

图2    连续可变分光镜光学***图

26    半波片

27    偏振分光棱镜

图3    微机数字图像处理***框图

28    视频接口及A/D转换单元

29    图像存储器

30    显示缓存器

31    主控单元

32    微机接口

33    微机（386或286）

图4    信号处理流程图

Claims (7)

1、含有电荷藕合器件、数字图象***、光学信息处理***的光电指纹识别仪，其特征在于是由采用了对两个指纹负片进行实时识别认定的液晶光阀作为Joint变换复振幅谱与功率谱转换器件，指纹图像输入***，空间滤波器，光电转换器和微机数字图像处理***构成。

2、按照权利要求1所述的光电指纹识别仪，其特征在于液晶光阀是由连续变比分光镜3及连续可调减光板18调整其写入信号与读出信号的光强比。

3、按照权利要求1、2所述的光电指纹识别仪，其特征在于其相关输出光信号是采用大孔径、长焦距的傅里叶变换透镜12作第一次Joint-傅里叶变换，而采用短焦距的傅里叶变换透镜21作第二次傅里叶变换，获得相关输出，并用电荷藕合器件（CCD）作为相关输出信号的光电转换器件。

4、按照权利要求1所述的光电指纹识别仪，其特征在于指纹图像输入***是采用马赫-曾特干涉仪，将两个指纹负片分别置于干涉仪两臂，且干涉仪的第一分光镜是采用分段可调分光镜7。

5、按照权利要求1所述的光电指纹识别仪，其特征在于空间滤波器19是一个小孔滤波器，它可以在垂直于光轴的平面内扫描。

6、按照权利要求1所述的光电指纹识别仪，其特征在于微机数字图像处理***是作为相关输出信号的图形化、数字化的后处理而设置的，带有三个监视器：

a、高分辨黑白监视器23，由CCD转换后直接显示相关信号;

b、高分辨彩色监视器25，显示处理后的图像;

c、微机的监视器，显示菜单及运行程序。

7、一种由光电指纹识别仪进行指纹同一性的定量判定方法，其特征在于信噪比和相关峰能量比是判定指纹同一性的指标：

a、定义围绕相关峰的圆域内平均光强超过峰值的1/2为阈值的圆为相关峰区的范围，定义相关峰区以外，相关区以内的其余区域为本底区;

b、定义相关峰的光强与本底区的平均光强之比为信噪比SNR，它的值越大就标志着两个指纹相同的部分越多，相关峰就越尖锐;

c、定义相关峰区的光能量与相关区的总光能量之比为相关峰能量比R_pk，两个指纹相同程度越高，峰区能量越大，则相关峰能量比也就越大。

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