DE102015115484B3

DE102015115484B3 - Vorrichtung und Verfahren zur optischen Direktaufnahme von lebenden Hautbereichen

Info

Publication number: DE102015115484B3
Application number: DE102015115484.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Hillmann; Jörg Reinhold; Dirk Morgeneier
Original assignee: Jenetric GmbH
Current assignee: Dermalog Jenetric De GmbH
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-09-15
Also published as: US10607056B2; US9892306B2; US20170076133A1; DE102015115484C5; US20180157890A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Direktaufnahme von lebenden Hautbereichen, insbesondere von Finger- oder Handabdrücken. Die Aufgabe der Erfindung, eine neue Möglichkeit zur optischen Direktaufnahme von menschlichen Hautabdrücken mit der forensischer Qualität zu finden, bei der Störungen durch das Umgebungslicht ausgeschlossen sind, wird erfindungsgemäß gelöst, indem von einem aufzunehmender Hautbereich Bilddaten eines unter homogener Beleuchtung aus einer flächigen Quelle sowie eventuell vorhandenem Umgebungslicht erzeugten Kalibrierbildes aus dem Sensorarray ausgelesen werden, ein angepasstes Beleuchtungsmuster durch des gespeicherten Kalibrierbildes derart berechnet wird, dass dessen Anwendung ein zweidimensional strukturiertes Beleuchtungsmuster erzeugt, um den Einfluss des Umgebungslichts zu minimieren und die Ausleuchtung mindestens des aufgelegten Hautabdrucks 102 zu homogenisieren, wobei ein Beleuchtungsarray einzeln oder in Gruppen von Leuchtelementen mit dem berechneten Beleuchtungsmuster angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Direktaufnahme von lebenden Hautbereichen, insbesondere von Finger- oder Handabdrücken. Sie findet vornehmlich zur Personenidentifikation in Kriminalistik, Forensik und im internationalen Grenzverkehr sowie im Bereich der Flugsicherheit Anwendung.
Die Identifizierung und Erfassung von Personen über biometrische Merkmale gewinnt stetig an Bedeutung. Dabei spielt der Finger- und Handabdruck neben anderen erfassbaren biometrischen Merkmalen eine herausragende Rolle.
Bei den Systemen zur Erfassung von Finger- und Handabdrücken ist zu unterscheiden zwischen solchen Systemen, die zu einer Verifikation, d.h. einem eins-zu-eins-Vergleich, beispielsweise für Zutritts- und Zugriffskontrolle, verwendet werden, und anderen Systemen die zur Personenidentifikation verwendeten werden, also zum Aufnehmen und Suchen von Vergleichsdaten in einer von staatlichen Behörden verwalteten Datenbank, beispielsweise für Grenzkontrollen, Flugsicherheit und für den Einsatz bei der Polizei.
Für die letztgenannten Systeme gibt es eine Vielzahl von Forderungen bezüglich Qualität, Auflösung und Originaltreue der von den Hauttexturen aufgenommenen Bilder. Außerdem existiert mit dem Anforderungskatalog des FBI ein hohes Maß der Standardisierung, um einerseits zweifelsfreie Erkennung zu sichern und andererseits Datensätze, die mit verschiedenen Systemen aufgenommen wurden, vergleichbar zu machen. Dieser Anforderungskatalog umfasst sechs wichtige Parameter.
Zunächst müssen die Systeme eine Auflösung von entweder mindestens 500 ppi (Pixel per Inch, d.h. Bildpunkte pro Zoll) oder mindestens 1000 ppi haben. Darunter ist jeweils keine Zertifizierung möglich. Einer der wichtigsten Parameter für die Zertifizierung ist die Kontrasttransferfunktion (CTF). Der Anforderungskatalog beschreibt hierbei genau, welchen Wert die CTF bei den entsprechenden Ortsfrequenzen im Bild mindestens haben muss. In 7 sind diese CTF-Vorgaben des FBI für ein 500 ppi-System als Funktion der Ortsfrequenz (LP/mm) als gestrichelte Kurve (504) dargestellt – bei 10 Lp/mm muss der Kontrast mindestens 25,8% erreichen. Handelt es sich um ein 1000 ppi-System, so muss bei 20 Lp/mm mindestens ein Kontrast von 28% erreicht werden. Ein weiterer wichtiger Parameter ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), das unabhängig von der Auflösung mindestens 42 dB haben muss. Weitere Anforderungen sind eine geringe Verzeichnung < 1%, das Vorhandensein von mindestens 200 verschiedenen Grauwerten und ein homogen ausgeleuchtetes Bildfeld, sowohl in der näheren Pixelumgebung als auch im gesamten Bild. Der letzte Parameter dient der Kontrolle, dass keine Bildverfälschung stattfindet. Das heißt, es wird in den Bildern explizit nach ungewöhnlichen Artefakten gesucht, um Bildmanipulationen zu erkennen.
Alle Anforderungskriterien benötigen ein ausgewogenes und qualitativ hochwertiges Systemdesign. Bei einem optischen System bedeutet das beispielsweise, dass nicht nur der Aufnahmesensor den Anforderungen genügen muss, sondern auch die Beleuchtung und alle anderen für die Bilderzeugung notwendigen Komponenten.
Für die Erfassung von Finger- und Handabdrücken mit den hohen Qualitätsanforderungen entsprechend dem Forderungskatalog des FBI, wie beispielsweise für forensische Zwecke oder zur Personenidentifizierung bei Grenzkontrollen, werden derzeit vorwiegend optische Anordnungen auf Basis des Prinzips der gestörten Totalreflexion, verwendet. Dabei kommt ein Prisma zum Einsatz, dessen für die Aufnahme des Abdruckes vorgesehene Fläche aufgrund mechanischer und optischer Anforderungen größer als die geforderte Fläche für die Aufnahme des Abdruckes sein muss. Die daraus resultierende Größe des Prismas als häufig größtes Bauteil im Aufnahmekanal beeinflusst die Mindestbaugröße und Mindestmasse eines solchen Gerätes entscheidend. Die hohe Bildgüte erlaubt demgegenüber jedoch eine schnelle und sichere Erfassung und Identifikation von Personen, insbesondere für Anwendungen, bei denen neben forensischer Genauigkeit (FBI-Anforderungen) auch ein hoher Personendurchsatz, wie z. B. bei Grenzkontrollen, erwartet wird.
Nachteile solcher Anordnungen mit Prismen sind neben der Baugröße und der Masse die notwendigen komplexen mechanischen Bauteile sowie eine aufwändige Montage und Justage.
Miniaturisierte Anordnungen mit abbildender Optik, wie in US 7 379 570 B2 , genügen im Allgemeinen nicht den FBI-Anforderungen und begrenzen aufgrund des Platzbedarfs des optischen Strahlengangs immer noch die Minimierung der Geräte. Ultraschall- oder piezoelektrische Sensoren, wie beispielsweise aus US 4,394,773 bekannt, sowie kapazitive Sensoren, wie z. B. in US 5,325,442 beschrieben, können Fingerabdrücke nicht optisch aufnehmen. Geräte auf Basis von Ultraschall-Sensoren befinden sich noch nicht auf dem Markt. Kapazitive Sensoren wiederum existieren bisher nur für ein- oder Zweifingeraufnahme. Folientastaturen, wie sie beispielsweise in der US 2005/0229380 A1 beschrieben sind, erfüllen die notwendigen FBI-Kriterien nicht.
Um den Vorteil der hohen Bildgüte, die mit gestörter Totalreflexion erreicht werden kann, mit einer geringen Baugröße zu verbinden, wurden bereits in der US 2012/0321149 A1 Ansätze beschrieben. Bei dem dort offenbarten Fingerabdrucksensor wird der Finger auf ein transparentes Substrat gelegt, unter dem sich direkt der Sensor befindet. Das dem Fingerabdruck entsprechende Helligkeitsprofil entsteht dabei – wie bei Anordnungen mit Prismen – dadurch, dass die auf der Oberfläche des Substrats aufliegenden Hautleisten die interne Reflexion des Lichtes von der Lichtquelle stört, während in den Papillarkörperreihen (Hauttälern) kein Kontakt zwischen Haut und Oberfläche auftritt und dort das Licht von der Lichtquelle an der Oberfläche des Substrats intern reflektiert wird. Auf den lichtempfindlichen Bereichen des Sensorarrays entsteht somit ein Negativbild des Fingerabdrucks. Diese Lösung setzt also voraus, dass das obere Substrat eine Mindestdicke hat, damit das Licht durch Reflexion an der Auflagefläche auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensorarrays eine Abbildung des Fingerabdrucks erzeugt. Weiterhin ist es notwendig, dass die Beleuchtung bestimmte Anforderungen bezüglich Einfallsrichtung und Öffnungswinkel bzw. Kollimation erfüllt, was den technischen Aufwand für die Beleuchtung und auch deren Platzbedarf deutlich erhöht. Die vorgestellten Ausführungen der Beleuchtung sind für große Aufnahmeflächen für mehr als einen oder zwei Finger nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisierbar.
Weiterhin ist aus der DE 199 58 378 A1 eine Vorrichtung zur Personenidentifikation bekannt, bei der mehrere Lichtquellen seitlich um die Fingerauflagefläche und die darunter befindliche Sensoreinheit angeordnet sind. Dabei wird das Licht der Lichtquelle in Richtung auf die von der Sensoreinheit abgewandte, zum Auflegen des vorderen Bereichs des Fingers vorgesehene Seite der Fingerauflagefläche eingestrahlt, wobei der aufgelegte Finger im Sinne einer Durchleuchtung oder Lichtleitung angeregt wird und das dabei störende Umgebungslicht durch gepulstes Betreiben der Lichtquellen abtrennbar ist. Zur weiteren Unterdrückung des Umgebungslichts sind sowohl die Pulsfrequenz als auch die Intensität der Lichtquellen in Abhängigkeit von Schwellwerten steuerbar. Nachteilig ist dabei, dass bei der angestrebten dynamischen Beleuchtungsregelung eine auf Kontrast und Schärfentiefe abgestimmte Sättigung mittels kurzzeitiger Lichtpulse erzielt wird, die zu weiteren Irritationen des Benutzers führt, und des Weiteren der schräge Lichteinfall lediglich für eine Einzelfingerabtastung eine annähernd homogene Ausleuchtung aufliegender Hautbereiche erzielen kann.
Ferner ist in der DE 100 02 767 A1 eine Vorrichtung zur daktyloskopischen Personenidentifikation beschrieben, die als Einfingerlösung für Bankautomaten, Zutrittsysteme, Kraftfahrzeugschieß- und Startsysteme, Mobiltelefone und Tresoranlagen besonders unter Kostenersparnis für das Sensorsystem als Linienscanner ausgebildet ist, bei dem ein Überfahrbereich schlitzförmig über der Fingerbreite angeordnet ist und den Finger in Längsrichtung zeilenförmig abtastet. Nachteilig erweist sich das zum Zweck der Materialersparnis in Kauf genommene scannende Abtastsystem, da bei der Bildzusammensetzung der zeilenweise und ohne genau gekoppelte Zwangsführung des Fingers zum Überfahrbereich des Sensors aufgenommene Abdruckbilder weitere Fehlerquellen zu metrischen Unzulänglichkeiten führen, die für Bildaufnahmen nach CTF-Vorgaben des FBI nicht tolerabel sind.
Ein weiteres Konzept für eine flache Bauweise ohne abbildende Optik wird im Patent US 7,366,331 B2 beschrieben. Hierbei wird Licht seitlich mittels einer flächigen Beleuchtung in den Finger gekoppelt und von diesem zur aufliegenden Hautpartie geleitet. Diese Lichtleitung funktioniert jedoch ausschließlich für Lichtanteile im roten und infraroten Spektralbereich. Kurzwelligeres Licht, beginnend ab dem grünen Spektralbereich, werden vom Blut des Fingers absorbiert. Befindet sich der Finger in Kontakt zur transparenten Schicht zwischen Finger und Sensor, koppelt vorzugsweise Licht aus den Hautbergen in die transparente Schicht ein und kann somit vom Flächensensor detektiert werden. Dieses Konzept bedingt also Beleuchtungswellenlängen innerhalb des Transparenzbereichs des Fingers (NIR- und IR-Bereich) und bringt erhebliche Umgebungslichtprobleme mit sich.
Die in der US 7,366,331 B2 vorgeschlagene Verwendung von IR-Filtern und IR-Beleuchtung reduziert diese Probleme jedoch nur auf Kosten geringerer Empfindlichkeit der verwendeten Sensoren und höhere Absorption des Fingers, dies verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis. Verwendete schmalbandige Spektralfilter müssen sehr genau an die Wellenlänge der Beleuchtung angepasst werden und erzeugen zusätzlichen Aufwand. Außerdem verursacht die seitliche Beleuchtung Probleme bei der Homogenität der Ausleuchtung, insbesondere verhindert sie die gleichzeitige Aufnahme mehrerer Finger, da diese sich gegenseitig abschatten würden. Somit ist dieses Konzept nur für die Aufnahme eines einzelnen Fingers geeignet. Außerdem ist ein Lichtschild notwendig um zu verhindern, dass Anteile der Beleuchtung direkt in den Sensor gelangen. Die seitliche Beleuchtung und der Lichtschild vergrößern das Gerät und machen es aufwändiger, unflexibler und störanfälliger.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur optischen Direktaufnahme von menschlichen Hautabdrücken, insbesondere Finger- und/oder Handabdrücken sowie auch Vierfinger-Abdrücken, mit der vorgegebenen Qualität nach FBI-Standard zu finden, bei der Störungen durch das Umgebungslicht ausgeschlossen und keine passiven Abschattungsmaßnahmen notwendig sind. Eine erweiterte Aufgabe besteht darin, dass der Nachweis bzw. Ausschluss von gefälschten Fingern möglich und einfach integrierbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur optischen Aufnahme von Hautabdrücken, insbesondere von Finger- und Handabdrücken, mittels eines optischen Direktscanners mit folgenden Schritten gelöst:

– Auflegen eines aufzunehmenden Hautbereichs auf die Auflagefläche des Direktscanners,
– Auslesen und Speichern von Bilddaten eines unter homogener Beleuchtung aus einer flächigen Lichtquelle sowie eventuell vorhandenem Umgebungslicht erzeugten Kalibrierbildes aus dem Sensorarray,
– Berechnen eines angepassten Beleuchtungsmusters durch Anwenden von Bildverarbeitungsalgorithmen auf das gespeicherte Kalibrierbild derart, dass dessen Anwendung in der flächigen Lichtquelle ein zweidimensional strukturiertes Beleuchtungsmuster erzeugt, um den Einfluss des Umgebungslichts zu minimieren und die Ausleuchtung mindestens des aufgelegten Hautabdrucks zu homogenisieren,
– Ansteuern der flächigen Lichtquelle in Form eines in einzelnen oder in Gruppen von Leuchtelementen ansteuerbaren Beleuchtungsarrays mit dem berechneten strukturierten Beleuchtungsmuster,
– Auslesen und Speichern von Bilddaten eines bei Beleuchtung mit dem angepassten strukturierten Beleuchtungsmuster erzeugten Bildes des aufgelegten Hautbereichs.

Vorteilhaft beinhaltet die Berechnung des angepassten Beleuchtungsmusters aus dem Kalibrierbild durch folgende Schritte:

– Berechnung eines Bildhintergrundes ohne die Details des Hautabdrucks durch Anwendung von Bildbearbeitungsalgorithmen,
– Anpassung von Bildinformationen, die mindestens Helligkeitswertebereich und Bildgröße beinhalten, an technische Parameter des Beleuchtungsarrays, und
– Anwendung von Bildbearbeitungsalgorithmen, die mindestens zur Skalierung von Bildbereichen und zur Berücksichtigung der Ausbreitungscharakteristik des Lichtes im aufgelegten Hautbereich vorgesehen sind.

Die Anpassung der Bildinformation an die technischen Parameter des Beleuchtungsarrays enthält zweckmäßig mindestens Bildbearbeitungsalgorithmen aus der Gruppe Skalierung, Offset und Invertierung.
Es erweist sich als vorteilhaft, dass das Auslesen der Kalibrierbilddaten und die Berechnung der angepassten Beleuchtungsmuster folgende Schritte beinhaltet:

– Auslesen von Bilddaten eines unter homogener Beleuchtungerzeugten Kalibrierbildes aus dem Sensorarraymittels der internen Recheneinheit,
– Speichern der ausgelesenen Bilddaten in einem direkt mit der Recheneinheit verbundenen Speicherbaustein, und
– Berechnen eines angepassten Beleuchtungsmusters durch Anwenden von Bildverarbeitungsalgorithmen auf das gespeicherte Kalibrierbild.

Zweckmäßig erfolgt das Auslesen der Kalibrierbilddaten und die Berechnung der angepassten Beleuchtungsmuster mittels einer internen Recheneinheit, wie z.B. Signalprozessor, Mikrokontroller oder einer frei programmierbaren Logikschaltung (FPGA).
Das berechnete angepasste Beleuchtungsmuster zum Aufnehmen der Hautabdrücke durch das steuerbare Beleuchtungsarray wird bevorzugt als eine Hell-Dunkel-Verteilung dargestellt.
Zusätzlich kann mindestens ein Vergleichsbild zur Lebenderkennung aufgenommen werden, für das das Beleuchtungsarray örtlich beschränkt auf einen Teil des aufzunehmenden Hautbereichs oder auch komplett ausgeschaltet wird, um so die Einwirkung von Umgebungslicht gezielt zu nutzen.
Ferner kann es zweckmäßig sein, dass mindestens ein Vergleichsbild aufgenommen wird, für das das Beleuchtungsarray in einzelnen Bereichen des aufzunehmenden Hautbereichs ausgeschaltet wird, um Bildinformationen von Übergangsbereichen des Hautabdrucks zwischen ein- und ausgeschalteter Lichtquelle für Lebenderkennung zu nutzen.
Außerdem kann vorteilhaft mindestens ein Vergleichsbild zur Lebenderkennung bei geändertem Wellenlängenspektrum des Beleuchtungsarrays aufgenommen werden.
Des Weiteren wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur optischen Aufnahme von lebenden Hautbereichen, insbesondere Finger- oder Handabdrücken, enthaltend einen Schichtkörper mit einer Sensorschicht, in der lichtempfindliche Elemente in einem zweidimensionalen regelmäßigen Pixelraster angeordnet sind, und mit einer Auflagefläche für mindestens einen aufzunehmenden Hautbereich, die eine dem zweidimensionalen Pixelraster der lichtempfindlichen Elemente parallel gegenüberliegende Außenfläche des Schichtkörpers ist, dadurch gelöst, dass der Schichtkörper derart ausgebildet ist, dass die lichtempfindlichen Elemente einen Abstand zu dem aufzunehmenden Hautbereich von weniger als dem durch das Pixelraster definierten Pixelmittenabstand aufweisen, dass eine flächige Lichtquelle vorhanden und so angeordnet ist, dass Lichtanteile von der Lichtquelle aus Richtung der Sensorschicht durch die Auflagefläche hindurch in den aufzunehmenden Hautbereich einkoppelbar sind, wobei alle Schichten des Schichtkörpers, die sich zwischen Lichtquelle und Auflagefläche befinden, mindestens Anteile von Licht eines gewünschten Wellenlängenbereichs transmittieren, dass die flächige Lichtquelle einzeln oder in Gruppen ansteuerbare Bereiche aufweist, die ein angepasstes strukturiertes Beleuchtungsmuster mindestens für den aufzunehmenden Hautbereich zur Kompensation von Einfluss und Störungen des Umgebungslicht eines bei homogener Beleuchtung von der Lichtquelle aufgenommenen Kalibrierbildes des Hautabdrucks ermöglichen, und dass eine Recheneinheit zur Berechnung einer angepassten Intensitätsverteilung des strukturierten Beleuchtungsmusters für die Ansteuerung der separat steuerbaren Bereiche der flächigen Lichtquelle zur Erzeugung des angepassten strukturierten Beleuchtungsmusters mit der Sensorschicht und dem Beleuchtungsarray verbunden ist.
Vorteilhaft ist ein Spektralfilter zwischen den lichtempfindlichen Elementen und der Auflagefläche vorhanden und mindestens für Wellenlängenanteile kleiner als 600 nm transparent. Dabei kann das Spektralfilter vollflächig zwischen der Sensorschicht und der Auflagefläche angeordnet sein.
Alternativ ist es möglich, dass das Spektralfilter nur zwischen den lichtempfindlichen Elementen und dem aufgelegten Hautbereich vorhanden ist, sodass die Beleuchtung des aufgelegten Hautbereichs durch das Filter nicht spektral eingeschränkt wird.
Als Spektralfilter kann zweckmäßig ein Bandpassfilter, das mindestens im grünen und blauen Spektralbereich durchlässig ist, oder ein Tiefpass-Kantenfilter, das für grünen Spektralbereich und darunter transparent ist, vorhanden sein, wobei bevorzugt Absorptionsfarbfilter oder Interferenzfilter, insbesondere Interferenzmehrschichtfilter, eingesetzt werden.
Das Spektralfilter ist bevorzugt für Wellenlängenanteile mindestens einer Hämoglobin-Absorptionsbande aus der Gruppe Soretbande, Hb-Alpha-Bande und Hb-Beta-Bande transparent.
Als Lichtquelle ist zweckmäßig ein Beleuchtungsarray mit regelmäßig angeordneten singulären Leuchtdioden aus der Gruppe LED, OLED, QLED vorhanden.
Es erweist sich als vorteilhaft, dass eine zusätzliche Lichtquelle mit einem anderen Wellenlängenspektrum als es die das Beleuchtungsarray zur Verfügung stellt alternativ zu diesem einschaltbar ist, um ein Vergleichsbild für die Lebenderkennung bei einer abweichenden Vergleichswellenlänge aufzunehmen, wobei als Wellenlängen für den Vergleich schmalbandige Beleuchtung mit ca. 500 nm zum Einsatz kommen kann, wenn das Beleuchtungsarray mit Wellenlängen um 450 nm betrieben wird. Falls keine Filterschicht zur spektralen Beschränkung der Aufnahme des aufgelegten Objekts vorgesehen ist, kann die schmalbandige Vergleichswellenlänge um 700 nm betragen, wenn das Beleuchtungsarray regulär in einem Wellenlängenbereich um 450 nm betrieben wird.
Die Recheneinheit zur Berechnung der angepassten Beleuchtung ist vorteilhaft eine auf einem gemeinsamen Chip mit der Sensorschicht und der Beleuchtungseinheit angeordnete interne Recheneinheit, die vorzugsweise in Form eines Signalprozessors, eines Mikrokontrollers, oder einer frei programmierbaren Logikschaltung (FPGA) ausgebildet sein kann.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass das größte Problem bei optischen Direktscannern, bei denen das aufzunehmende Objekt (Finger, Vierfinger oder Hand) auf eine Auflagefläche direkt über dem lichtempfindlichen Sensorarray aufgelegt wird, der störende Einfluss des Umgebungslichts darstellt, wenn insbesondere für mobile Geräte kein konstantes Kunstlicht oder eine vollkommen abgeschattete Auflagefläche realisierbar ist.
Beleuchtung und Umgebungslicht
Der störende Einfluss des Umgebungslichts wird erfindungsgemäß reduziert bzw. kompensiert durch angepasste (strukturierte) Beleuchtung, die durch eine unterhalb der Auflagefläche für den Hautbereich angeordnete Lichtquelle ortsabhängig differenziert angesteuert wird. Die dazu angepasste ortsabhängige Steuerung erfolgt auf Basis einer als Kalibrierbild mit dem vorhandenen Umgebungslicht vorgeschalteten Bildaufnahme unter Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen, die für den aufgelegten Hautabdruck eine homogene Beleuchtung unter Berücksichtigung des vorhandenen Umgebungslichts errechnen, d.h. das Umgebungslicht faktisch kompensieren. Der optische Direktsensor weist dazu einen Schichtaufbau auf, der unter der Auflagefläche eine Schicht mit regelmäßig angeordneten lichtempfindlichen Elementen in einem definierten Pixelraster sowie eine ebenfalls – aber nicht notwendigerweise mit dem gleichen Raster – strukturierte Lichtquelle beinhaltet, wobei die strukturierte Beleuchtung in einer Schicht ortsabhängig steuerbar organisiert ist. Die Beleuchtung erfolgt also aus Richtung unterhalb der Auflagefläche kommend, sodass ein reflektiertes Signal von dem auf der Auflagefläche anliegenden Hautabdruck detektiert wird.
Optische Direktaufnahme mir hoher Bildqualität
Wesentlich für das Erreichen der Qualitätsvorgaben des FBI ist der Kontrast zwischen Papillarleisten (Hautbergen) und Papillarkörperreihen (Hauttälern) des Hautabdrucks. Dieser Kontrast beträgt auf einer einfachen kontaktlosen Abbildung beispielsweise der Fingerminutien weniger als 0,1. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird infolge des zugrunde liegenden Prinzips der optischen Aufnahme ein wesentlich höherer Berg-Tal-Kontrast erreicht. Vom aufzunehmenden Hautbereich auf der Auflagefläche kann das von der Lichtquelle reflektierte (bzw. rückwärts gestreute) Licht aus den Papillarleisten (Hautberge, die direkt mit der Auflagefläche in Kontakt stehen) nahezu ohne Reflexionsverluste in die Auflagefläche propagieren und von den lichtempfindlichen Elementen der Sensorschicht detektiert werden. Voraussetzung dafür ist eine geringe Brechzahldifferenz zwischen dem aufliegenden Hautbereich und der Schicht, die die Auflagefläche bildet. Bei gängigen transparenten Materialien mit einem Brechungsindex von rund 1,5 (+/– 0,2) ist diese Voraussetzung hinreichend erfüllt, denn menschliches Hautgewebe hat ebenfalls eine Brechzahl von ungefähr 1,5.
Das rückwärts gestreute Licht aus dem Bereich der Hauttäler koppelt nur zu einem wesentlich geringeren Anteil aus der Haut aus, da ein Brechzahlunterschied zwischen Haut und Luft von ungefähr 0,5 erheblich mehr Reflexion verursacht. Zusätzlich wird der Anteil des aus den Hauttälern ausgekoppelten Lichtes wiederum durch eine weitere Reflexion an der Grenze zwischen Luft und der Auflagefläche reduziert. Das gesamte rückgestreute Licht kann für verschiedene Brechzahlen der Auflagefläche und Wellenlängen der Beleuchtung berechnet werden und ergibt für den gesamten optischen Wellenlängenbereich und eine Brechzahl der die Auflagefläche bildende Schicht von 1,5 +/– 0,1 einen Berg-Tal-Kontrast der Fingerminutien von 0,5 (+/– 0,1).
Die Direktaufnahme wird ohne abbildende Elemente hochauflösend unter der Bedingung ausgeführt, dass der Abstand zwischen der Auflagefläche und lichtempfindlichen Elementen der Sensorschicht kleiner ist als der durch das Pixelraster definierte Pixelmittenabstand. Dieses Kriterium ist notwendig, da sich aufgrund des Ausbreitung des rückgestreuten Lichtes zwischen Auflagefläche und Sensorschicht die Kontrasttransferfunktion (CTF) mit größer werdendem Abstand verschlechtert. Ein solches System bedingt nach dem Nyquist-Theorem eine Periode, also einen Pixelmittenabstand, von mindestensd 50,8 µm. Setzt man diesen Wert als Abstand zwischen Auflagefläche und Sensor an, so können die FBI-Vorgaben nicht mehr erfüllt werden. Deshalb muss als Bedingung gelten: der Abstand zwischen der Auflagefläche und den lichtempfindlichen Elementen der Sensorschicht muss kleiner sein als der Pixelmittenabstand.
Mit der Erfindung ist eine optische Direktaufnahme von menschlichen Hautabdrücken, insbesondere Finger- und/oder Handabdrücken sowie auch Vierfinger-Abdrücken, mit der vorgegebenen Qualität gemäß FBI-Standard möglich, bei der Störungen durch das Umgebungslicht ausgeschlossen und keine passiven Abschattungsmaßnahmen notwendig sind. Neben störenden Einflüssen durch Umgungslicht werden dabei durch die angepasste (strukturierte) Beleuchtung zugleich zu trockene oder zu feuchte Fingerbereiche sowie zu hoher Anpressdruck deutlich reduziert oder kompensiert. Durch die strukturierte Beleuchtung wird ebenso die Detektion von Fälschungen (sog. Spoofing) maßgeblich erleichtert und ist einfach integrierbar.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen die anhängenden Zeichnungen:
1 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Grundvariante,
2 ein Ablaufschema des Verfahrens zur Erzeugung der angepassten strukturieren Beleuchtung
3 ein Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer erweiterten Variante zur Fälschungserkennung,
4 eine Darstellung der prinzipiellen Lichtwege bei der Detektion von Hautbergen und Hauttälern,
5 eine Darstellung der Eindringtiefe des Lichtes in menschliches Gewebe in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
6 eine Darstellung der prinzipiellen Lichtwege von Umgebungslicht und Licht der erfindungsgemäßen Lichtquelle,
7 die CTF als Funktion der Ortsauflösung (LP/mm) für verschiedene Abstände zwischen den lichtempfindlichen Elementen und dem aufzunehmenden Objekt,
8 eine Ausführungsform der Erfindung (a) mit durchgehender Filterschicht zwischen Auflagefläche und Sensorschicht und (b) mit separat filterbeschichteten lichtempfindlichen Elementen der Sensorschicht,
9 ein Beispiel (a) eines aufgenommenen Fingabdruckdetails und (b) eines typischen Beleuchtungmusters für dieses Fingerabdruckdetail,
10 verschiedene Ausführungsbeispiele (a) bis (f) für Beleuchtungsanordnungen zur Erzeugung angepasst strukturierter Beleuchtung,
11 eine Darstellung für das Verhältnis der Intensitätsanteile resultierend aus künstlicher Beleuchtung und direktem Sonnenlicht nach dem Durchgang durch menschliches Gewebe verschiedener Dicken; dargestellt als Funktion der Wellenlänge,
1 zeigt die schematische Darstellung der Anwendung einer strukturierten Beleuchtung zur Reduzierung der beschriebenen störenden Effekte. Der Start wird manuell durch den Benutzer ausgelöst oder durch ein automatisches Verfahren, dass die Annäherung des aufzunehmenden Hautbereiches an die Auflagefläche oder dessen Kontakt mit der Auflagefläche registriert. Nachdem der Hautbereich aufliegt, wird bei homogener Beleuchtung und dem zum Aufnahmezeitpunkt vorhanden Umgebungslicht ein Kalibrierbild aufgenommen. Ein typischer Hautabdruck einer Fingerkuppe ist in 9a abgebildet. Zur Vereinfachung wird in den folgenden Beispielen – ohne Beschränkung der Allgemeinheit das auf der Auflagefläche 103 aufgelegte Objekt als Finger 102 bezeichnet, obwohl auch Handabdrücke und Vierfinger darunter zu verstehen sein sollen. Soweit nur der mit der Auflagefläche 103 in Kontakt stehende Teil gemeint ist, wird synonym auch von dem aufliegenden Hautbereich gesprochen.
Das aufgenommene Kalibrierbild wird abgespeichert und mittels Bildbearbeitungsalgorithmen bearbeitet. Ergebnis dieser Bearbeitung ist ein Beleuchtungsmuster 6, das zur Ansteuerung einer Beleuchtungvorrichtung verwendet und an diese ausgegeben wird. Ein typisches Beleuchtungsmusterdetail für eine einzelne Fingerkuppe ist in 9b gezeigt. Der schwarze Bereich symbolisiert dabei eine zur Ansteuerung berechnete große Beleuchtungsintensität, der weiße Bereich eine kleine Beleuchtungsintensität. Die schraffierten, bzw. gemusterterten Bereiche definieren entsprechend dazwischen liegende Beleuchtungsintensitäten.
Der auf der Auflagefläche 103 aufgelegte Hautbereich eines Fingers 102 wird mit dem errechneten Beleuchtungsmuster 6 strukturiert beleuchtet. Dies geschieht in einer Art, so dass genannte Inhomogenitäten reduziert oder bestenfalls kompensiert werden. Danach wird erneut ein Bild aufgenommen, die Bilddaten gespeichert und das Verfahren gegebenenfalls wiederholt, wenn Fehler aufgetreten sind oder weitere Finger- oder Handabdrücke erfasst werden sollen.
Erzeugung eines Beleuchtungsmusters mittels Bildhintergrundberechnung
1 zeigt, wie ein spezifisches Beleuchtungsmuster zur Eliminierung störender Effekte und Optimierung der Bildqualität erstellt und angewendet wird. Ein Schritt zur Erzeugung des Beleuchtungsmusters ist die Berechnung des Bildhintergrundes, beziehungsweise die Reduzierung des Kalibrierbildes auf den Bildhintergrund. Unter Bildhintergrund versteht man dabei den Helligkeitsverlauf hinter den Detailstrukturen. Bei Fingerabdrücken bedeutet das, dass die Papillarlinien, d.h. die feinen Abbildungen der Berge und Täler des Fingerabdrucks, aus dem Bild entfernt werden. Dazu kann beispielsweise ein Schließungsfilter, also eine Kombination aus Minimal- und Maximalfilter benutzt werden. Das Beleuchtungsarray hat im Allgemeinen zumindest eine andere Pixelzahl und einen anderen Helligkeitswertebereich als die Sensorschicht 105. Das gespeicherte Bild wird an die technischen Gegebenheiten der Beleuchtungsmatrix angepasst. Die Anpassung enthält beispielsweise Bildbearbeitungsalgorithmen wie Skalierung, Offset und Invertierung. Wird Haut von Licht beleuchtet, so lässt sich die optische Antwort durch Reflexion, Transmission, Absorption und Streuung beschreiben. Die spezielle Ausbreitungscharakteristik des Lichts in menschlichem Gewebe bzw. in Haut wird durch zusätzliche Algorithmen auf das Bild berücksichtigt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Funktion des Fingers als Lichtleiter nicht erwünscht, das Licht soll rückwärts gestreut bzw. absorbiert werden, damit Licht aus der Umgebung nicht durch den Finger hindurch Einfluss auf das Helligkeitsprofil auf dem Sensor hat. Aus diesem Grund werden bevorzugt Wellenlängen verwendet, die vom Hämoglobin-Band im Blut des Fingers absorbiert werden. In diesem Wellenlängenbereich ist die charakteristische Eindringtiefe kleiner als 0,5 mm.
Der Finger wirkt somit gleichzeitig abschirmend gegen Umgebungslicht. In 11 das zu erwartende Verhältnis von Umgebungslicht (direktes Sonnenlicht) und Hintergrundbeleuchtung als Funktion der Wellenlänge dargestellt. Hier wird das Absorptionsband des Hämoglobins, besonders in den Bereichen um 420 nm und 560 nm, gut sichtbar. Die extrem dünne Schicht oberhalb des lichtempfindlichen Pixels vermindert erheblich das Eindringen des Lichtes von der Seite zu (im Gegensatz zu z.B. US 2013/0120760 A1 ).
Die Beleuchtung wird so gestaltet, dass alle Details eines Fingerabdruckes ausreichend beleuchtet sind. Dazu kann es zwischen den lichtempfindlichen Elementen im regelmäßigen Pixelraster transparente Bereiche geben, durch die eine Hintergrundbeleuchtung hindurch leuchtet, oder um die lichtempfindlichen Elemente im regelmäßigen Pixelraster einen transparenten Bereich zum Durchleuchten geben, oder eine Punktlichtquelle zwischen den lichtempfindlichen Elementen mit einer ausreichenden Dichte geben.
An die Beleuchtung selbst werden keine weiteren speziellen Anforderungen gestellt. Sie muss die Wellenlängen enthalten, für die der Sensor empfindlich ist, und muss eine in bestimmten Grenzen gleichmäßige Helligkeit aufweisen.
Iteratives Erzeugen von Beleuchtungsmustern
2 zeigt einen iterativen Ansatz zur Optimierung des Beleuchtungsmusters 6. Dabei wird ein Qualitätsparameter eingeführt. Dieser beschreibt die Homogenität des Bildhintergrundes im Bereich des Hautabdrucks 102. Somit wird nach Berechnung des Bildhintergrundes getestet wie sehr das aufgenommene Bild noch durch inhomogene Hauteigenschaften oder inhomogenes Umgebungslicht noch gestört wird. Dazu kann beispielsweise die Varianz der Grauwerte um den Mittelwert des Bildhintergrundes berechnet werden. Beim Erfüllen eine speziellen Vorgabe dieses Parameters wird die Iteration beendet und damit das gesamte Verfahren beendet. Beim Unterschreiten der Vorgabe wird der Prozess erneut durchgeführt, ein Beleuchtungsmuster 6 erzeugt, dieses optimiert und angewendet, wieder ein Bild aufgenommen, gespeichert und wieder der Hintergrund berechnet und getestet, ob sich die Qualität verbessert hat und das Kriterium zu Abschluss des Verfahrens erfüllt ist oder eine weitere Optimierung stattfinden soll.
Fälschungserkennung (Spoofing)
In 3 ist der beschriebene Prozess zur Bildoptimierung durch angepasste Beleuchtung, beziehungsweise zur Reduzierung von Störungen schematisch dargestellt, in diesem Fall in einer zu 2 beschriebenen iterativern Variante. Zusätzlich findet nachdem das optimierte Bild aufgenommen wurde ein weiterer Prozess statt. Dabei wird mindestens ein Vergleichsbild zur Fälschungserkennung aufgenommen. Dafür kann die spezielle strukturierte Beleuchtung verwendet werden. Ein mögliches Konzept ist die Untersuchung des Bildes im Bereich des Hautabdrucks 102 an einer Hell-Dunkel-Kante des Beleuchtungsmusters. Durch spezielle Streuprozesse verhält sich die Lichtausbreitung im Gewebe anderes als in künstlichen Materialien. Durch den Vergleich mit gespeicherten Referenzdaten lassen sich so Fälschungen erkennen.
Alternativ oder zusätzlich können weitere Informationen durch Aufnahmen bei weiteren Beleuchtungswellenlängen gewonnen werden. Diese können entweder mit der genannten Beleuchtungseinheit erzeugt werden oder durch eine oder mehrere zusätzliche Lichtquellen. Das Erkennen einer Fälschung durch diese Methode ist dadurch begründet, dass optische Parameter wie z. B. Absorptions- und Reflexionsgrad und Streuung von Haut und Gewebe sehr charakteristisch von der Wellenlänge abhängen. Bei Kombination von Vergleichsaufnahmen mit strukturierter Beleuchtung und zusätzlicher Variation von Beleuchtungswellenlängen ist eine weiter verbesserte Erkennung von Fälschungen zu erwarten.
Ergänzende Maßnahmen sind – insbesondere (aber nicht ausschließlich) zur Fälschungsdetektion (sog. Spoofing) – eine spektrale Einschränkung der Beleuchtungs- und/oder Detektionswellenlängenbereiche sowie deren separate Aufnahme und Auswertung durch Vergleich der spektral unterschiedlichen Aufnahmen.
4 zeigt das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip zur Erzeugung eines kontrastreichen (> 0,4) Hautabdruckbildes. Das Objekt beziehungsweise der aufgelegte Finger 102 kontaktiert die Auflagefläche 103 mit dem aufliegenden Hautbereich 116. Licht der künstlichen Beleuchtung gelangt von der Beleuchtungsquelle ausgehend durch die Sensorschicht 105, durchquert, falls vorhanden, eine optional Zwischenschicht 104 mit vorzugsweise optischer Funktionalität und tritt durch eine Schutzschicht 117, die die Auflagefläche 103 bildet, hindurch.
Ein Anteil 114a des Lichtes der künstlichen Beleuchtung koppelt über die Papillarleiste (Hautberg) in die Haut, ein anderer Anteil 114b koppelt im Bereich der Papillarkörperreihe (Hauttal) in die Haut des aufgelegen Fingers 102.
Anteile 107b des in den Papillarkörperreihen der Haut eingekoppelten Lichts wird im Finger 102, bzw. in dessen Haut gestreut und gelangen nicht mehr in Richtung der Sensorschicht 105 aus der Haut heraus. Andere Anteile 113b der von dem aufzunehmenden Finger 102 rückwärts gestreuten Beleuchtung werden in der Papillarkörperreihe (Hauttäler) in die Haut eingekoppelt und in einem solchen Winkel ausgeoppelt, dass dieser Lichtanteil nicht direkt die lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht 105 trifft. Ein weiterer Anteil 113c der vom Kontaktbereich 116 des Fingers 102 rückwärts gestreuten Beleuchtung wird in die Papillarkörperreihen (Hauttäler) gekoppelt, und unter einem Winkel ausgekoppelt, dass dieser Lichtanteil die lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht 105 trifft.
Der von dem aufzunehmenden Hautbereich (Kontaktfläche 116) reflektierte (bzw. rückwärts gestreute) Anteil 113a der Beleuchtung, der über die Papillarleiste in die Haut eingekoppelt ist, kann nahezu ohne Reflexionsverluste durch die Auflagefläche 103 hindurch gelangen und von den lichtempfindlichen Elementen der Sensorschicht 105 detektiert werden. Voraussetzung dafür ist eine geringe Brechzahldifferenz zwischen der aufliegenden Haut des Fingers 102 und der Schutzschicht 117, die die Auflagefläche 103 bildet. Bei allen gängigen transparenten Materialien mit einem Brechungsindex von ca. 1,5 (± 0,2) ist diese Voraussetzung hinreichend erfüllt, denn menschliche Haut bzw. menschliches Gewebe haben ebenfalls eine Brechzahl von ungefähr 1,5. Ein anderer Anteil 7a der Beleuchtung, der im Bereich der Papillarleiste in die Haut einkoppelt, wird im Finger 102 gestreut und gelangt nicht in Richtung der lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht 105.
Aufgrund der Brechzahlübergangdifferenz zwischen Haut und Luft von ungefähr 0,5 ist der Anteil 113a der aus den Hautbergen rückwärts gestreuten und detektierten Beleuchtung signifikant höher als der Anteil 113c des aus den Hauttälern ausgekoppelten und von der Sensorschicht 105 detektierten Lichtes. Das gesamte Streuproblem ist für verschiedene Brechzahlen der die Auflagefläche 103 bildenden Schutzschicht 117 und Wellenlängen der Beleuchtung einfach zu berechnen. Es ergibt sich für den gesamten optischen Wellenlängenbereich und eine Brechzahl der Schutzschicht von 1,5 (± 0,1) ein Berg-Tal-Kontrast von 0,5 (± 0,1).
Die Direktaufnahme wird ohne abbildende Elemente hochauflösend unter der Bedingung ausgeführt, dass der Abstand zwischen Auflagefläche 103 und lichtempfindlichen Elementen der Sensorschicht 105 kleiner ist als der durch das Pixelraster definierte Pixelmittenabstand. Dieses Kriterium ist notwendig, da sich aufgrund des Ausbreitung des Lichts zwischen Auflagefläche 103 und Sensorschicht 105 die CTF mit größer werdendem Abstand verschlechtert.
Optische Direktaufnahme mir hoher Bildqualität
6 zeigt die prinzipielle Funktionsweise der erfindungsgemäße Vorrichtung. Diese ist als Schichtkörper ausgebildet. Eine der Schichten, die Sensorschicht 105, besitzt dabei lichtempfindliche Elemente, die in einem zweidimensionalen, regelmäßigen Pixelraster angeordnet sind. Der Schichtkörper besitzt eine Auflagefläche 103. Zur Aufnahme wird der betreffende Hautbereich 116 auf die Auflagefläche 103 gelegt. Die Beleuchtung erfolgt durch Licht 114 einer künstlichen Beleuchtung aus Richtung unterhalb der Auflagefläche 103 kommend sowie durch Umgebungslicht 101 aus Richtung oberhalb der Auflagefläche 103 kommend beleuchtet, sodass das reflektierte Signal 113 direkt detektiert wird.
Wesentlich für das Erreichen der Qualitätsvorgaben des FBI ist der Kontrast zwischen Papillarleisten (Bergen) und Papillarkörperreihen (Tälern) des Hautabdrucks 102. Dieser Kontrast beträgt auf einer einfachen kontaktlosen Abbildung beispielsweise der Fingerminutien weniger als 0,1. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein wesentlich höherer Berg-Tal-Kontrast erreicht.
In 7 ist beispielhaft die CTF für die drei konkreten Abstände 20 µm 501, 40 µm 502 und 60 µm 503 dargestellt. Die Vorgabe des FBI für 500 ppi-Systeme ist als gestrichelte Linie 504 ebenfalls eingezeichnet. Ein solches System bedingt nach dem Nyquist-Theorem eine Periode, also einen Pixelmittenabstand, von mindestens 50,8 µm. Setzt man diesen Wert als Abstand zwischen Auflagefläche 103 und Sensorschicht 105 an, so können die FBI-Vorgaben nicht mehr erfüllt werden. Allgemein formuliert muss gelten: der Abstand zwischen der Auflagefläche 103 und den lichtempfindlichen Elementen in der Sensorschicht 105 muss kleiner sein als der Pixelmittenabstand.
Die lichtempfindlichen Elemente in der Sensorschicht 105 sind typischerweise Photodioden oder aber andere als lichtempfindliche Elemente geschaltete Dioden, z.B. auch rückwärts betriebene LED. Die Technologie zur Verschaltung der Dioden mit Transistoren zum Auslesen der Signale ist typischerweise CMOS oder CCD. Die spektrale Charakteristik der lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht 105 ist an das verwendete Wellenlängenspektrum angepasst.
Beleuchtung und Umgebungslicht
Die Vorrichtung besitzt eine künstliche Lichtquelle, die sich in bestimmten Bereichen, einzelnen Gruppen von lichtaussendenden Elementen einzeln oder in Gruppen gezielt ein- und ausschalten lässt. Sie ermöglicht damit eine strukturierte Beleuchtung des aufzunehmenden Hautbereichs 116. Die Beleuchtung ist so angeordnet, dass Lichtanteile 114 in den aufzunehmenden Hautbereich 116 von unten durch die Auflagefläche 103 hindurch einkoppeln, wobei alle Schichten des Schichtkörpers oberhalb der Lichtquelle mindestens partiell transparent sind.
Die Lichtquelle kann dabei unter der Sensorschicht 105 mit den lichtempfindlichen Elementen angeordnet sein. In diesem Fall muss insbesondere die Sensorschicht 105 mit den lichtempfindlichen Elementen hinreichende Transmission aufweisen. Diese Transmission wird hauptsächlich durch den Füllfaktor bestimmt, der als Quotient der Gesamtfläche lichtempfindlicher Bereiche und der Gesamtfläche der Sensosrschicht 105 gebildet wird.
Die Verwendung einer speziell strukturierten Beleuchtung hat zum Ziel, störende inhomogene Umgebungslicht- und inhomogene Hauteffekte zu kompensieren.
Inhomogene Umgebungslichteffekte können einerseits dadurch auftreten, dass das Umgebungslicht 101 selbst inhomogen die Auflagefläche 103 und den aufzunehmenden Hautbereich 116 beleuchtet, beispielsweise durch direkte Sonneneinstrahlung in Verbindung mit partieller Abschattung.
Inhomogene Umgebungslichteffekte können anderseits durch das teilweise Transmittieren des Umgebungslichts durch das menschliche Gewebe auftreten. Dieser Effekt wird durch den Parameter Eindringtiefe beschrieben, ist wellenlängenabhängig und verursacht insbesondere, dass die äußeren Kontouren der aufgelegten Hautbereiche heller abgebildet werden. 5 zeigt die Eindringtiefe von Licht in menschliches Gewebe als Funktion der Wellenlänge. Insbesonders Umgebungslichtanteile mit Wellenlängen größer als 600 nm tragen zur Ausleuchtung des aufzunehmenden Hautbereichs bei und addieren sich mit der Ausleuchtung durch die künstliche Hintergrundbeleuchtung.
Inhomogene Hauteffekte bezeichnen hier Variationen im Haut- beziehungsweise Gewebebereich die in unterschiedlichen Helligkeiten resultieren. Ein Beispiel dafür sind besonders trockene oder besonders feuchte Hautpartien, beispielsweise durch verschwitzte Hände. Ein anderes Beispiel dafür sind Tätowierungen, die entsprechend ihrer Art und Farbe die Reflexion verstärken oder Abschwächen. Ein weiteres Beispiel ist unterschiedlich starker Druck, mit dem der Hautbereich auf die Auflagefläche gepresst wird.
Die genannten Effekte, beziehungsweise Inhomogenitäten, bewirken Helligkeitsschwankungen im Bildhintergrund. Sie können durch eine gezielt angepasste strukturierte Beleuchtung reduziert oder sogar kompensiert werden.
Zusätzliches Spektralfilter
Zusätzlich zum Prinzip der strukturierten Beleuchtung kann ein Spektralfilter zur weiteren Reduktion von Umgebungslicht verwendet werden. Dieser soll das zu detektierende Wellenlängenspektrum auf einen Spektralbereich einschränken, in dem die Haut und das darunter liegende Gewebe stark absorbiert. Wie in 5 zu sehen, liegt dieser Absorptionsbereich 202 zwischen 300 nm und 600 nm. Der Grund für diesen stark ausgeprägten Absorptionsbereich 202 sind die drei Absorptionsbanden 204, 205 und 206 des Hämoglobins im Blut.
Das Spektralfilter 104 befindet sich, wie in 6 dargestellt, zwischen der Schutzschicht 117, die die Auflagefläche 103 darstellt, und der Sensorschicht 105. Das Umgebungslicht, von der Sonne oder künstlichen Lichtquellen ausgehend, enthält im Allgemeinen Anteile 106, die sich im Wellenlängenbereich des genannten Absorptionsbereichs 202 (siehe 5) befinden. Diese erzeugen in der Haut vorwärts gestreutes Licht 115 und rückwärts gestreutes Licht 109 und können aufgrund der geringen Eindringtiefe 202 nicht durch die Haut hindurchdringen. Andere Wellenlängenanteile 108, bei denen Haut und darunter liegendes Gewebe aufgrund der größeren Eindringtiefe 201 lichtdurchlässig sind, werden ebenfalls in vorwärts gestreutes Licht 110 und in rückwärts gestreutes Licht 111 umgesetzt, können sich aber aufgrund der vergleichsweise großen Eindringtiefe 203 im Gewebe ausbreiten. Ein Teil des sich ausbreitenden Lichts 111 propagiert in Richtung der lichtempfindlichen Elemente in der Sensorschicht 105. Dieser Anteil 112 wird jedoch aufgrund des Spektralfilters in der Zwischenschicht 104 nicht detektiert, da er vor dem Auftreffen auf den lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht 105 reflektiert oder absorbiert wird.
Wellenlängenanteile die nicht innerhalb Transmissionsbereiches des Spektralfilters liegen werden reflektiert und/oder absorbiert. Ob das Licht eher absorbiert oder reflektiert wird hängt von der technischen Umsetzung des Filters ab. Zwei Gruppen von Filtern scheinen für hier geeignet. Die erste Gruppe bilden Filter die aus mehreren dielektrischen Schichten bestehenden Interferenzfilter. Durch konstruktive und destruktive Überlagerung von Lichtwellen reflektieren beziehungsweise transmittieren sie Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Bandpassfilter mit Halbwertsbreiten von einem Nanometer bis hin zu einigen 100 nm sind so möglich. Ebenso lassen sich Tiefpass-Kantenfilter realisieren, die Licht nur unter einer bestimmten Grenzwellenlänge transmittieren. Im Allgemeinen haben Interferenzfilter eine strak spektrale Winkelabhängigkeit. Die zweite Gruppe bilden die, im Vergleich meist günstigeren, Farbglasfilter. Diese können hier als Bandpassfilter eingesetzt werden und absorbieren das Licht außerhalb ihres Transmissionsfensters. Sie haben kaum spektrale Winkelabhängigkeit. Bandbreiten von 50nm bis hin zu einigen hundert Nanometern sind üblich.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung können konventionell verfügbare einfache Filterlösungen, wie z.B. bei RGB-Sensoren verwendet, eingesetzt werden, die das Licht mit Wellenlängen größer 575 nm blockieren. Alternativ können auch die Sensorpixel so gestaltet werden, dass sie für Wellenlängen größer 575 nm gar nicht empfindlich sind.
In 8 sind verschiedene Anordnungsvarianten eines Spektralfilters dargestellt. 8a zeigt die Anordnung mit einer geschlossenen Spektralfilterschicht 104a zwischen den lichtempfindlichen Elementen der Sensorschicht 105 und der Schutzschicht 117 als Auflagefläche 103. Das Licht der Beleuchtung wird somit durch die Filterschicht 104a spektral beschränkt, bevor es auf die aufgelegte Hautfläche gelangt. Das vom aufgelegten Hautbereich reflektierte (zurückgestreute) Licht, sowie auch das Umgebungslicht inklusive dessen Lichtanteile die durch den aufgelegten Hautbereich auf den Sensor gelangen werden ebenfalls spektral gefiltert.
8b zeigt das Spektralfilter so ausgeführt, dass er sich ausschließlich zwischen den lichtempfindlichen Elementen und der Auflagefläche 103 dienenden Schutzschicht 117 befindet. Das Licht der Beleuchtung gelangt somit zwischen den lichtempfindlichen Elementen, ohne spektrale Einschränkung durch das Spektralfilter, durch die Auflagefläche 103 hindurch und beleuchtet den aufgelegten Hautbereich 102 eines Fingers. Der vom Hautbereich 102 rückgestreute Lichtanteil der Beleuchtung gelangt durch das Spektralfilter auf die lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht 105.
In 10 zeigen die Teilabbildungen a bis f Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen die strukturierte Beleuchtung durch eine die Transmission lokal schaltbare Schicht erzeugt wird, beispielsweise durch eine schaltbare Flüssigkristallschicht. In diesem Fall ist eine homogene Hintergrundbeleuchtung notwendig, da die schaltbare Schicht selbst kein Licht erzeugt. Diese Hintergrundbeleuchtung kann, wie in 10a dargestellt, eine Photoluminszenzfolie oder, wie in Bild 10b dargestellt, ein Lichtleitelement in Verbindung mit LEDs oder OLEDs, oder wie in 10c dargestellt, ein System aus Kaltkathodenelementen oder, wie in 10d dargestellt, ein LED- oder OLED-Array oder auch eine flächige OLED sein.
10e zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung als Schichtaufbau mit einer Lichtquelle in Form eines Beleuchtungsarrays mit aktiven Leuchtelementen (beispielsweise als LED- oder OLED-Matrix), die sich unterhalb der Sensorschicht befinden.
Die Leuchtelemente können aber auch in der Sensorschicht 105 integriert sein, wie in 10f gezeigt, d.h. sich in der gleichen Schicht wie die lichtempfindlichen Elemente befinden und eine gemeinsame Beleuchtungs- und Sensorschicht 105a bilden, wobei Leuchtelemente und lichtempfindliche Elemente dann versetzt zueinander angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

101: Umgebungslicht
102: Hautbereich (Objekt)
103: Auflagefläche
104: Zwischenschicht (optionale Filterschicht)
104a: Schicht mit optischem Filter, flächendeckend zwischen der Schutzschicht und der Sensorschicht
104b: Schicht mit einzelnen optischen Filterelementen auf den lichtempfindlichen Elementen der Sensorschicht
105: Sensorschicht (mit zweidimensional geordneten lichtempfindlichen Elementen)
105a: Sensorschicht mit zusätzlich integrierten Leuchtelementen
106: Anteile des Umgebungslichtes mit Wellenlängen kleiner als 600 nm
107: im Finger gestreutes Licht
107a: über die Papillarleiste in die Haut eingekoppeltes, im Finger gestreutes Licht;
107b: in der Papillarkörperreihe in die Haut eingekoppeltes, im Finger Licht;gestreutes
108: Anteile des Umgebungslichts mit Wellenlängen größer als oder gleich 600 nm
109: Rückwärts gestreute Anteile des Umgebungslichtes
110: Vorwärts, in den Finger, gestreute Anteile des Umgebungslichtes mit Wellenlängen größer als, oder gleich, 600 nm
111: Durch Streuung charakterisierter Lichtweg des Umgebungslichtes mit Wellenlängen größer als, oder gleich, 600 nm
112: Anteil des Umgebungslichtes mit Wellenlängen größer als, oder gleich, 600 nm, der durch die Auflagefläche hindurch gelangt
113: Von dem aufzunehmenden Hautbereich rückwärts gestreuter Anteil der Beleuchtung
113a: Von dem aufzunehmenden Hautbereich rückwärts gestreuter Anteil der Beleuchtung; über die Papillarleiste in die Haut eingekoppelt
113b: Von dem aufzunehmenden Hautbereich rückwärts gestreuter Anteil der Beleuchtung; in der Papillarkörperreihe in die Haut eingekoppelt, ausgekoppelt in einem in einem Winkel, so dass dieser Lichtanteil nicht direkt die lichtempfindlichen Bereiche trifft
113c: vom aufzunehmenden Hautbereich rückwärts gestreuter Anteil der Beleuchtung, in der Papillarkörperreihe in die Haut eingekoppelt, ausgekoppelt in einem Winkel, so dass dieser Lichtanteil die lichtempfindlichen Bereiche trifft
114: künstliche Beleuchtung
114a: künstliche Beleuchtung; Anteil der über die Papillarleiste in die Haut einkoppelt
114b: künstliche Beleuchtung; Anteil der über die Papillarkörperreihe in die Haut einkoppelt
115: vorwärts, in den Finger gestreute Anteile des Umgebungslichtes mit Wellenlängen größer als 600 nm
116: Kontaktbereich des Objekts auf der Auflagefläche
117: Schutzschicht (aus transparentem Material, z.B. Polymer, Glas)
201: Eindringtiefe optischer Strahlung in menschliches Gewebe
202: Wellenlängenbereich mit geringer Eindringtiefe (kleiner 600 nm)
203: Wellenlängenbereich mit großer Eindringtiefe (größer oder gleich 600 nm)
204: Soret-Bande (Hb-Absorptionsbande bei rund 400 nm)
205: Hb-Alpha-Bande (Hb-Absorptionsbande bei rund 540 nm)
206: Hb-Beta-Bande (Hb-Absorptionsbande bei rund 580 nm)
301: Rückwärtsstreuung (diffuse Reflexion) optischer Strahlung an menschlicher Haut
501: CTF für eine Abstand von 20 µm zwischen Auflagefläche und lichtempfindlichem Bereich
502: CTF für eine Abstand von 40 µm zwischen Auflagefläche und lichtempfindlichem Bereich
503: CTF für eine Abstand von 60 µm zwischen Auflagefläche und lichtempfindlichem Bereich
504: CTF aus den FBI-Anforderungen für ein 500-ppi-System
6: Beleuchtungsmuster
701: LCD-Matrix
702: Photolumineszenzfolie
703: Hintergrundbeleuchtung, realisiert durch seitlich in Lichtleitelemente eingekoppelte Lichtquellen
704: Hintergrundbeleuchtung, realisiert durch Kaltkathodenröhrenelemente
705: Hintergrundbeleuchtung, durch Matrix von LEDs oder OLEDs, optional einzeln schaltbar
706: Matrix von einzeln schaltbaren LEDs oder OLEDs

Claims

Ein Verfahren zur optischen Aufnahme von Hautabdrücken, insbesondere von Finger- und Handabdrücken, mittels eines optischen Direktscanners enthaltend folgende Schritte: – Auflegen eines aufzunehmenden Hautbereichs auf die Auflagefläche des Direktscanners, – Auslesen und Speichern von Bilddaten eines unter homogener Beleuchtung aus einer flächigen Lichtquelle sowie eventuell vorhandenem Umgebungslicht erzeugten Kalibrierbildes aus dem Sensorarray, – Berechnen eines angepassten Beleuchtungsmusters durch Anwenden von Bildverarbeitungsalgorithmen auf das gespeicherte Kalibrierbild derart, dass dessen Anwendung in der flächigen Lichtquelle ein zweidimensional strukturiertes Beleuchtungsmuster erzeugt, um den Einfluss des Umgebungslichts zu minimieren und die Ausleuchtung mindestens des aufgelegten Hautabdrucks zu homogenisieren, – Ansteuern der flächigen Lichtquelle in Form eines in einzelnen oder in Gruppen von Leuchtelementen ansteuerbaren Beleuchtungsarrays mit dem berechneten strukturierten Beleuchtungsmuster, – Auslesen und Speichern von Bilddaten eines bei Beleuchtung mit dem angepassten strukturierten Beleuchtungsmuster erzeugten Bildes des aufgelegten Hautbereichs.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Berechnung des angepassten strukturierten Beleuchtungsmusters aus dem Kalibrierbild folgende Schritte beinhaltet: – Berechnung eines Bildhintergrundes ohne die Details des Hautabdrucks durch Anwendung von Bildbearbeitungsalgorithmen, – Anpassung von Bildinformationen, die mindestens Helligkeitswertebereich und Bildgröße beinhalten, an technische Parameter des Beleuchtungsarrays, – Anwendung von Bildbearbeitungsalgorithmen, die mindestens zur Skalierung von Bildbereichen und zur Berücksichtigung der Ausbreitungscharakteristik des Lichtes im aufgelegten Hautbereich vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Anpassung der Bildinformation an die technischen Parameter des Beleuchtungsarrays mindestens einen der Bildbearbeitungsalgorithmen aus der Gruppe Skalierung, Offset und Invertierung enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auslesen der Kalibrierbilddaten und die Berechnung der angepassten Beleuchtungsmuster folgende Schritte beinhaltet: – Auslesen von Bilddaten des unter homogener Beleuchtung erzeugten Kalibrierbildes aus dem Sensorarray mittels der internen Recheneinheit, – Speichern der ausgelesenen Bilddaten in einem direkt mit der Recheneinheit verbundenen Speicherbaustein, – Berechnen eines angepassten Beleuchtungsmusters durch Anwenden von Bildverarbeitungsalgorithmen auf das gespeicherte Kalibrierbild.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das berechnete angepasste Beleuchtungsmuster zum Aufnehmen der Hautabdrücke durch das steuerbare Beleuchtungsarray als eine Hell-Dunkel-Verteilung dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich mindestens ein Vergleichsbild zur Lebenderkennung aufgenommen wird, für das das Beleuchtungsarray örtlich beschränkt auf einen Teil des aufzunehmenden Hautbereichs oder auch komplett ausgeschaltet wird, um so die Einwirkung von Umgebungslicht gezielt zu nutzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich mindestens ein Vergleichsbild aufgenommen wird, für das das Beleuchtungsarray in einzelnen Bereichen des aufzunehmenden Hautbereichs ausgeschaltet wird, um Bildinformationen von Übergangsbereichen zwischen ein- und ausgeschalteter Lichtquelle für Lebenderkennung zu nutzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich mindestens ein Vergleichsbild zur Lebenderkennung bei geändertem Wellenlängenspektrum des Beleuchtungsarrays aufgenommen wird.
Vorrichtung zur optischen Aufnahme von lebenden Hautbereichen, insbesondere Finger- oder Handabdrücken, enthaltend einen Schichtkörper mit – einer Sensorschicht, in der lichtempfindliche Elemente in einem zweidimensionalen regelmäßigen Pixelraster angeordnet sind, und – einer Auflagefläche für mindestens einen aufzunehmenden Hautbereich, die eine dem zweidimensionalen Pixelraster der lichtempfindlichen Elemente der Sensorschicht parallel gegenüberliegende Außenfläche des Schichtkörpers ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schichtkörper derart ausgebildet ist, dass die lichtempfindlichen Elemente einen Abstand zu dem aufzunehmenden Hautbereich von weniger als dem durch das Pixelraster definierten Pixelmittenabstand aufweisen, – eine flächige Lichtquelle vorhanden und so angeordnet ist, dass Lichtanteile von der Lichtquelle aus Richtung der Sensorschicht durch die Auflagefläche hindurch in den aufzunehmenden Hautbereich einkoppelbar sind, wobei alle Schichten des Schichtkörpers, die sich zwischen Lichtquelle und Auflagefläche befinden, mindestens Anteile von Licht eines gewünschten Wellenlängenbereichs transmittieren, – die flächige Lichtquelle einzeln oder in Gruppen ansteuerbare Bereiche aufweist, die ein angepasstes strukturiertes Beleuchtungsmuster mindestens für den aufzunehmenden Hautbereich zur Kompensation von Einfluss und Störungen des Umgebungslicht eines bei homogener Beleuchtung von der Lichtquelle aufgenommenen Kalibrierbildes des Hautabdrucks ermöglichen, und – eine Recheneinheit zur Berechnung einer angepassten Intensitätsverteilung des strukturierten Beleuchtungsmusters für die Ansteuerung der separat steuerbaren Bereiche der flächigen Lichtquelle zur Erzeugung des angepassten strukturierten Beleuchtungsmusters mit der Sensorschicht und dem Beleuchtungsarray verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spektralfilter zwischen den lichtempfindlichen Elementen und der Auflagefläche vorhanden und mindestens für Wellenlängenanteile kleiner als 600 nm transparent ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektralfilter vollflächig zwischen der Sensorschicht und der Auflagefläche vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektralfilter nur zwischen den lichtempfindlichen Elementen und dem aufgelegten Hautbereich vorhanden ist, sodass die Beleuchtung des aufgelegten Hautbereichs durch das Filter nicht spektral eingeschränkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Spektralfilter ein Bandpassfilter oder ein Tiefpass-Kantenfilter vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektralfilter für Wellenlängenanteile mindestens einer Hämoglobin-Absorptionsbande aus der Gruppe Soretbande, Hb-Alpha-Bande und Hb-Beta-Bande transparent ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle ein Beleuchtungsarray mit regelmäßig angeordneten singulären Leuchtdioden aus der Gruppe LED, OLED, QLED in einer Leuchtdiodenmatrix vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Lichtquelle mit einem anderen Wellenlängenspektrum, als es die das Beleuchtungsarray zur Verfügung stellt, alternativ zu diesem einschaltbar ist, um ein Vergleichsbild für die Lebenderkennung bei einer abweichenden Vergleichswellenlänge aufzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zur Berechnung der angepassten Beleuchtung eine auf einem gemeinsamen Chip mit der Sensorschicht und der Beleuchtungseinheit angeordnete interne Recheneinheit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der internen Rechneneinheit verbundener Speicherbaustein gleichfalls auf dem gemeinsamen Chip angeordnet ist.