DE1774540A1 - Einrichtung zur optischen Zeichenabtastung - Google Patents

Description

IBM Deutschland internationale Büro-Maschinen Getelhchaft mbH

Böblingen, 12. Juli 1968 bt-sch

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenz. der Anmelderin: Docket YO 966 029

Einrichtung zur optischen Zeichenabtastung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Zeichenabtastung durch Bestimmung der Richtung von Zeichenteilen, die insbesondere zur maschinellen Erkennung von Finger abdrücken geeignet ist.

Einrichtungen zur maschinellen Abtastung und zum maschinellen Vergleich von Fingerabdrücken sind in großer Zahl bekannt. So ist z. B. in der USA- ^

Patentschrift 3 201 961 eine Anordnung gezeigt, bei der ein zu prüfender Abdruck mit einem vorgewählten verglichen wird, und bei Übereinstimmung beider Abdrücke beispielsweise eine Tür geöffnet wird. Hierbei ist das Problem also der maschinelle Vergleich zweier Fingerabdrücke; dies ist durch punktweises Abtasten und direktes Vergleichen der Abtastsignale lösbar, es erfolgt keine Speicherung des Abdruckes, der Abdruck wird nicht auf besondere

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Kennzeichen oder ähnliches untersucht und es wird keine Klassifizierung oder Einordnung in ein vorgegebenes Schema vorgenommen»

In der USA-Patentschrift 3 292 149 ist ein Verfahren zürn Vergleichen einer bildlichen Darstellung mit einer gespeicherten Abbildung beschrieben, b,ei dem z. B. Fingerabdrücke mit entsprechenden Aufzeiehnungeü vefgjiclieii werden. Dazu wird der Gegenstand rasterartig abgetastet. DjLe hiesrfür erforderliche Ausrichtung des Gegenstandes gegenüber der rasterartigen Ab·* tastung wird in einer ersten Abtastphase erzielt» in der die Null-Linie des Rasters in einem besonders angelegten Raster gesucht wird*

In einer weiteren USA-Patentschrift 2 952 181 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens aufgezeigt, durch die ein Fingerabdruck in besonderer Weise optisch abgetastet und aus. diesen Abtastsignalen digitale Informationen gewonnen werden, deren Informationsgehalt zur Identifizierung des Fingerabdrucks ausreicht. Die besondere Aft der optischen Abtastung besteht darin, daß rotierende Blenden mit radial verlaufenden Ausschnitten auf der zu untersuchenden Darstellung rotierende Lichtmarken erzeugen, die den gerade abgetasteten Teilbereich Überstreichen» Optisch-elektrische Wandler übernehmen die Umformung des reflektierten Lichtes in elektrische Signale. Diese Ausgangs signale sind in charakteristischer Weise von der Richtung der Lichtmarke in Bezug auf die Richtung der

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gerade überstrichenen Zeichenteile abhängig. Nachteilig bei der angegebenen Anordnung ist der große mechanische Aufwand sowie die Verwendung verschiedener Lichtmarkenanordnungen zum Aufsuchen spezieller Charakteristika eines Fingerabdrucks.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung der eingangs genannten Art, die einfach aufgebaut ist, und mit Hilfe nur eines Abtastsystems die genaue und schnelle Erfassung der Richtung von Zeichenteilen gestattet.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß zur Bestimmung der Richtung eine mit Aussparungen versehene, rotierende Unterbrecher scheibe vorhanden ist, deren Welle auf einem Kreisbogen um den Mittelpunkt eines im Bereich der Aussparungen in der Ebene der Unterbrecherscheibe erzeugten Bildes des abgetasteten Bereichs umläuft.

Bei der Erkennung von Fingerabdrücken treten verschiedene Probleme auf. So sind bekanntermaßen alle Fingerabdrücke unterschiedlich, jedoch sind zeitweise die Unterschiede zwischen zwei Fingerabdrücken so minimal, daß eine genaue Festlegung der Erhebungen, Abstände, Vertiefungen, Anzahl der Linien usw. erforderlich ist. Um ein Linienmuster zu verschlüsseln geht man von einem zentralen Bezugspunkt aus, auf den die anderen Merk-

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male des Abdrucks bezogen werden. Man mißt also beispielsweise die Abstände vom Bezugspunkt zu verschiedenen anderen erkennbaren Punkten, wie Gabelungen, Linienenden, Deltaformen, kurzen Erhebungen usw. Der gewählte Bezugspunkt muß also einwandfrei festgelegt und reproduzierbar sein. Dies ist jedoch erschwert durch die Tatsache, daß der erhaltene Abdruck entweder unvollständig oder verschmutzt oder an verschiedenen Punkten verzerrt sein kann, was insbesondere für latente Abdrücke, wie man sie auf W dem Kriminalsektor erhält, zutrifft. Die vorliegende Erfindung ist jedoch

in besonderer Weise geeignet, Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen verschiedenen Finger abdrücken herauszufinden, Wobei keine Abhängigkeit von einem reproduzierbaren Bezugspunkt vorhanden ist. Durch Bestimmung einer Anzahl von Richtungskoeffizienten von Zeichenteileh dürfte insgesamt ein sehr zuverlässiges Verfahren zur Bestimmung einer Identität, besonders bei Vorliegen unvollständiger oder verzerrter Abdrücke, gegeben sein.

fe Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen sind de&^Päteritansprü-

chen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch die gesamte Abtasteinrichtung, Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

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Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt eines Fingerabdrucks, Fig. 4 eine Ansicht eines Fingerabdruckes auf einer Unterlage,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der wichtigsten Teile der Abtasteinrichtung und

Fig. 6 ein elektrisches Ausgangs signal der Abtasteinrichtung mit ausgefilterter Grundfrequenz.

Der Querschnitt in Fig. 1 zeigt die Hauptteile des Gerätes und schematisch den Strahlengang beim Betrieb. Das dargestellte Gehäuse 20 hat eine Grundplatte 21 mit den Halteschienen 22 zur Begrenzung einer eingesetzten Konturmusterkarte, eines Dokumentes oder der Aufzeichnung eines Fingerabdruckes 23. Anstelle dieses Aufzeichnungsträgers 23 kann auch eine Glasplatte ähnlicher Form über die öffnung 24 gesetzt werden und eine Fingerkuppe 25 direkt auf der Glasplatte zur direkten Abfühlung aufgedrückt werden.

Das Gehäuse 20 hat einen Oberteil 26 und eine Mittelplatte 27, an deren Unterseite ein Haltebügel 28 befestigt ist, der 9 Linsen 29 trägt, die in Form eines Quadrates angeordnet sind. Die gesamte Anordnung ist zentrisch um eine Mittellinie angebracht, die von der Mitte des Aufzeichnungsträgers 23

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ausgeht, die mittlere der neun in Form eines Quadrates angeordneten Linsen 29 sowie den Mittelpunkt einer in einem Sonnenrad 31 zen$r_iseh vorhandenen Öffnung 30 durchsetzt und auf der mittleren der neun Fotozellen 32 endet, die am Oberteil 26 des Gehäuses 20 angebracht sind.

Am Haltebügel 28 sind mehrere Lichtquellen 33 zur direkten Beleuchtung der abzutastenden Vorlage vorgesehen. An der Unterseite des Bügels 28 sind zwei Schienen 34 befestigt, in denen eine Maske 35 geführt wird. Pie Maske ist mit verschiedenen Blenden 36 ausgerüstet, um wahlweise eine oder mehrere der Linsen 29 freizugeben, wodurch bestimmte Punkte der Vorlage zur Abtastung ausgewählt werden. Durch Verschieben dieser Maske 35 entweder von Hand oder automatisch kann eine oder eine Gruppe von Linsen 29 zur Abtastung des gewählten Bereiches benutzt werden.

In den Fig. lund 2 ist dargestellt, wie eine als Planetenrad umlaufende» optisch wirksame Unterbrecherscheibe 46 angeordnet und zur Erzeugung soleher elektrischer Impulse verwendet wird, die Änderungen des Winkels Jjpd des Richtungskoeffizienten von Konturlinien darstellen. Im ,Gehäuse 20 ist ein Motor M angeordnet, dessen Welle 38 senkrecht durch die Mitielj?la$j;e 27 ragt und an ihrem Ende ein Ritzel 37 trägt, welches f.n die Vergrtinung auf dem äußeren Umfang des großen Sonnenrades 31 greift, daf auf der Mf#eJ-platte 27 läuft. Da im Zentrum dieses Sonnenrades 31 eine Öffnung 3$

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den ist, ist das Sonnenrad zentriert und gelagert durch eine Anzahl von leerlaufenden Führungszahnrädern 39, 40 und 41, die in gleichem Abstand zusammen mit dem antreibenden Ritzel 37 am Umfang des Sonnenrades 31 angeordnet sind. Die Führungszahnräder 39, 40 und 41 sind auf vertikal aus der Mittelplatte 27 hervorragenden Wellen befestigt und sollen nur das Sonnenrad 31 zentral gelagert und in vollem Eingriff mit dem Ritzel 37 des Motors halten. In Fig. 2 ist zu sehen, daß die runde öffnung 30 in der Mitte des Sonnenrades 31 direkt über der mittleren der neun Linsen 29 liegt. Dasselbe gilt für die Ausrichtung der in Fig. 5 dargestellten Fotozellen 32.

In Fig. 1 ist außerdem zu sehen, daß auf der Oberseite des Sonnenrades 31 ein Lager 49 angeordnet ist, in dem die Welle 44 läuft, die die Unterbrecherscheibe 36 mittels einer verstifteten Nabe 45 trägt". Unterhalb des Sonnenrades 31 ist auf der Welle 44 über die verstiftete Nabe 50 ein Planetenrad 43 mit der Welle 44 verbunden. Das Planetenrad 43 greift in eine feste Verzahnung 42 ein, die in der öffnung der Mittelplatte 27- angeordnet ist.

In Fig. 2 ist zu sehen, daß bei einem Antrieb des Sonnenrades 31 im Uhrzeigersinn die Unterbrecherscheibe 46 nicht nur mit der Welle 44 mit umläuft, sondern sich außerdem mit relativ großer Geschwindigkeit entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, da die feste Verzahnung 42 in das Planetenrad 43 eingrift und dieses entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. ■ Infolgedessen drehen sich die Aus-

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sparungen 47 der Unterbrecherscheibe 46 schnell nacheinander über die öffnung 30 mit langsam sich ändernden Winkeln. Die Aussparungen 47 sind so bemessen, daß sie die gleiche Breite haben wie die Öffnung«»· 30. Dadurch wird eine reine Sinuskurve der Grundschwingung am Ausgang des Abtasters erzeugt, die durch Filterung leicht von den überlagerten hochfrequenten Signalen paralleler Konturmuster oder abgedunkelter Linien zu trennen sind. Diese überlagerten Signale treten gerade dann besonders hervor, wenn Konturen parallel zu den geraden Seitenkanten 48 der Aussparungen 47 verlaufen. Es ist wichtig, daß alle Seitenkanten 48 exakt verlaufen oder Geraden mit konstantem Winkel zum zugehörigen Radius darstellen, denn die Konturlini en und dunklen Fingerabdrucklinien verursachen die stärkte Variation in dem hochfrequenten Licht, wenn Parallelität zwischen Konturen und Seitenkanten 48 auftritt. Wenn abgetastete Linien rechtwinklig zu den Seitehkariteh 48 einer Aussparung 47 verlaufen, erscheint im Ausgangs signal nur eine !deine oder gar keine Abweichung von der reinen Sinuswellenform der niedrigen Grundfrequenz der optischen Modulation. StU:

Nach einem halben Umlauf der Unterbrecherscheibe 46; d. h. , wenn sie sich an der gegenüberliegenden Seite der Verzahnung 42 befindet, haben die Seitenkanten 48 einen Bogen von 180° über der Öffnung 30 überstrichen. Ein solcher halber Umlauf über einen Bogen von 180 kann als Grundabtastperiode angesehen werden nach der bei Abtastung des gleichen Bereiches normalerweise

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eine Wiederholung der Ausgangs signale folgt.

In Fig. 1 ist weiterhin zu sehen, daß das von der Lichtquelle 33 abgegebene Licht auf den Aufzeichnungsträger 23 gelangt und nach oben durch eine oder mehrere der Linsen 29 und durch die öffnung 30 reflektiert wird, wo die Linse bzw. die Linsen die Linienstruktur der Aufzeichnung in der Ebene der Unterbrecher scheibe 46 abbildet. Das scharfe Bild wird unterteilt und integriert, bevor es auf eine oder mehrere der Fotozellen 32 trifft, aus denen es über ein Kabel 56 auf Filter, Impulsformer und Kennzeichnungs- oder Aufzeichnung Seinrichtungen eines Rechners gegeben wird.

Die Darstellung in Fig. 6 zeigt, daß spezifische Hochfrequenzsignale 57 auftreten, sobald die sinusförmige Grundfrequenz ausgefiltert ist. Es wird gerade ein kleiner Bereich 6 (der Mittelpunkt des Bereiches ist der Bezugspunkt) einer Aufzeichnung abgetastet, in dem beispielsweise die Fingerabdrucklinien horizontal verlaufen. Die eingezeichneten Winkel sind einzelne Winkel der Seitenkanten 48, wie sie nacheinander bei einem, halben Umlauf der Unterbrecherscheibe 46 auftreten. Deutlich erkennbar sind die sich ergebenden hochfrequenten Signale 57, wenn an den horizontalen Linien eine Parallelität zwischen den Linien und Seitenkanten auftritt im Gegensatz zu dem Fehlen der Signale, wenn eine rechtwinklige oder schräge Lage der Linien zu den Seitenkanten 48 besteht.

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In Fig. 4 ist ein Aufzeichnungsträger 23 mit einem typischen Fingerabdruck gezeigt. Außerdem ist ein kleiner Kreis 5 eingetragen, der einen ausgewählten Bereich darstellt, der als sehr charakteristisch für die Identifizierung des vorliegenden Fingerabdruckes vorher bestimmt wurde» Anstatt nun die Aufmerksamkeit auf den einen Bereich 5 in Fig. 4 zu konzentrieren, kann das dargestellte Gerät auch dazu verwendet werden, einen Durchschnitt der Ausgangswerte einer Anzahl von Fotozellen 32 zu bilden, die den ganzen Fingerabdruck 51 abdecken und so eine Orientierung über den jeweiligen Fingerabdruck durch Bildung einer Winkelsumme zu erhalten* Durch Verwendung der in Fig. 1 gezeigten verschiebbaren Maske 35 kann auch eine Folge von Abtastsignalen entstehen, die'den relativen Richtungswinkel einer ganzen Folge von Bereichen bestimmt.

Eine andere Anwendungsmöglichkeit ist die Abtastung eines begrenzten Bereiches in der Nähe eines ausgewählten Merkmales derart» daß ein Linienende oder eine Gabelung, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, nach ihrer Wertigkeit bestimmt wird. Nach dieser Darstellung wird ein Fingerabdruck in den vier Bereichen abgetastet, die mit den Nr. 1, 2, 3 und 4 gekennzeichnet Sind und ein vermutetes Linienende auf der Linie 52 überdecken. Die erwähnte Linie Sl wird oben und unten von den Linien 53 und 54 eingeschlossen und mnten außerdem von einer unterbrochenen Linie 55. In dem dargestellten Beispiel erzeugen die Bereiche 1 und 3 «ia> Ausgangs signale, die keine Änderung des Riehtungs-

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koeffizienten bedeuten, wogegen die Bereiche 2 und 4 eine Differenz in dem Richtungskoeffizienten zeigen, da die Linien 53 und 54 aufeinander zu verlaufen. Prüft man in gleicher Weise die Linie 55, ergibt sich ein anderes Ergebnis, da hier einfache Unterbrechungen der Linie vorliegen, und nicht die für die Anzeige eines Linienendes notwendigen Änderungen des Richtungskoeffizienten angezeigt werden. Bei der Abtastung auf Linienverzweigungen wird das soeben für die Ermittlung von Linienenden beschriebene Verfahren sinngemäß angewendet.

Die in Fig. 6 gezeigten hochfrequenten Signale 57, deren Verteilung und Lage eine Aussage über den Richtungskoeffizienten und seine Änderung darstellt, können beispielsweise einem Rechner zugeführt werden, der die in den Signalen enthaltenen. Informationen z. B. mit gespeicherten Informationen vergleicht, spezielle Kenngrößen oder Durchschnittswerte aus ihnen ermittelt, die Häufigkeit und Lage von Linienenden oder -gabelungen bestimmt oder den Abdruck nach einem vorgegebenen System klassifiziert.

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Claims (7)

.fr Patentansprüche

1. Einrichtung, zur optischen Zeichenabtastung dür eh Bestimmung der Siehtung von Zeichenteilett, insbesondere zur maschinellen Ärkeünung von Fingerabdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß zsur Bestimmung der Üiöhtung eine mit Aussparungen (47) versehene, rotierende Ünterbiecherscheibe (46) vorhanden ist, deren Welle (44) auf einem Krei§bogen um den Mittelpunkt eines im Bereich der Aussparungen (47) in der Äbene der Unterbrechers cheibe (46) erzeugten Bildes des abgetasteten flefeichs ümläufts

2, Einrichtung zur optischen Zeichenabtastung nach Änipruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse (29) oder ein System von Linsen (2f) &tidsehen dem Zeichen (23, 25) und der Unterbrecherscheibe (46) zur Erzeugung des Bildes im Bereich der Aussparungen (47) in der Ebene der tiiiterbfecliei·- scheibe vorgesehen ist.

W 3« Einrichtung zur optischen Zeichenabtastung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verlängerung eines jedett durch eine der Linsen (29) und eine gemeinsame, den Bildaus schnitt begrenzende öffnung (30) verlaufenden Mittelpunktstrahls ein optisch-elektrischer Wandler (3Z) angebracht ist.

4. Einrichtung zur optischen Zeichenabtastung nach den Ansprüchen 1 bis 3, , Docket YO 966 029 109843/0476

dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein eines Systems von Linsen (29) und optisch-elektrischen Wandlern (32) zum Auswählen eines oder mehrerer der abzutastenden Teilbereiche eine verstellbare Maske (35) im. Strahlengang angeordnet ist.

5. Einrichtung zur optischen Zeichenabtastung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer sinusförmigen Grundfrequenz die den Bildausschnitt begrenzende Öffnung (30) kreisförmig ist, daß die Seitenkanten (48) der Aussparungen (47) in der Unterbrecher scheibe (46) Radien darstellen'oder mit den zugehörigen Radien gleiche Winkel einschließenjund daß die Seitenkanten (48) zur jeweils gleichen Zeit Tangenten an den Kreis der Öffnung (30) bilden.

6. Einrichtung zur optischen Zeichenabtastung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb der Unterbrecherscheibe (46) ein Planetengetriebe vorhanden ist, welches aus einem angetriebenen Sonnenrad (31), einem mit der Unterbrecherscheibe (46) verbundenen Planetenrad (43) und einer mit diesem in Eingriff befindlichen, feststehenden Verzahnung (42) besteht.

7. Einrichtung zur optischen Zeichenabtastung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines abzutastenden blattförmigen Aufzeichnungs-

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trägers (23) eine zur Abtastung eines davor befindlichen Gegenstandes, insbesondere einer Fingerkuppe, dienende öffnung (24) und/oder durchsichtige Platte angebracht ist.

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