專利名稱：激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)特征的身份鑒別設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于人手三維特征用于身份鑒別，屬于識(shí)別裝置，圖際專利分類號(hào)為H04A。
根據(jù)檢索查出與本發(fā)明最為相關(guān)的專利有美國(guó)專利US005483601A，專利號(hào)為5483601，申請(qǐng)日為1996年1月9日，發(fā)明名稱為用人手的部分陰影和位移圖象作為生物鑒別的裝置和方法。該專利采用兩個(gè)光源，裝置上必須有對(duì)識(shí)別物的定位塊，對(duì)識(shí)別物如人手的圖象采集用兩幅圖象即陰影圖象和位移圖象來(lái)獲得人手的三維數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種只用一個(gè)激光光源，對(duì)識(shí)別物如人手不需要定位塊，就可由激光掃描而直接獲得人手三維特征信號(hào)的激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的身份鑒別設(shè)備。
本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)在于本系統(tǒng)由人手?jǐn)?shù)據(jù)的三維激光獲取設(shè)備及帶采集卡和IC卡讀寫(xiě)器的計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)獲取設(shè)備包括激光發(fā)生器、白熾燈、皮帶傳動(dòng)部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及CCD攝象機(jī)。圖1所示為系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。
激光發(fā)生器為一半導(dǎo)體激光器，它產(chǎn)生一個(gè)平面結(jié)構(gòu)光，并與攝象機(jī)成一角度固定在一滑塊上。白熾燈在人手放入數(shù)據(jù)獲取設(shè)備時(shí)起照明作用，可以由計(jì)算機(jī)控制開(kāi)關(guān)。皮帶傳動(dòng)部分是采用步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和齒皮帶傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滑塊在導(dǎo)向光杠上運(yùn)行。其中光杠亦即滑塊的運(yùn)行軌跡是與放置人手的底面平行的。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為單片機(jī)電路板，它產(chǎn)生脈沖控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并通過(guò)特定的算法來(lái)保證齒皮帶輪行進(jìn)的精度，而且齒皮帶輪行進(jìn)的速度分為十檔可調(diào)。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間采用RS232串口通訊。計(jì)算機(jī)能夠隨時(shí)查詢系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和位置，可以中斷系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，并控制照明光源的開(kāi)關(guān)。當(dāng)齒皮帶運(yùn)動(dòng)超過(guò)警戒位置時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙向保護(hù)功能，并向計(jì)算機(jī)發(fā)送警報(bào)信號(hào)。
計(jì)算機(jī)為一臺(tái)Pentium586/133型PC機(jī)，機(jī)器上配置了一塊圖象采集卡和一臺(tái)IC卡讀寫(xiě)器。IC卡讀寫(xiě)器為一ATMEL24C16型外置式IC卡讀寫(xiě)器，它能夠選擇五種不同的IC卡類型，實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的讀寫(xiě)操作，并返回操作后的信息。IC卡讀寫(xiě)器與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)并行接口連接。
圖象采集卡采用的是基于PCI總線的CA-MPE-1000型圖象采集卡。該采集卡將視頻模擬信號(hào)濾波后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成8bit數(shù)字信號(hào)，通過(guò)PCI總線傳送到PC機(jī)內(nèi)存，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中V1、V2、V3表示可以有三路CCD攝象機(jī)輸入信號(hào)。V1、V2、V3以視頻模擬信號(hào)輸入采集卡，采集卡與PCI總線連接，從采集卡中經(jīng)過(guò)濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PCI總線，PCI總線與PC機(jī)內(nèi)存連接，數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)的傳送到PC機(jī)的內(nèi)存，PCI總線還與PC機(jī)VGA顯示卡連接，可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行所采集的圖象的顯示。
由于采用了以采集卡為主的總線控制技術(shù)，CA-MPE-1000型采集卡圖象傳送速度可達(dá)25MB/S，可實(shí)現(xiàn)攝象機(jī)圖象到計(jì)算機(jī)內(nèi)存的可靠的實(shí)時(shí)傳送，連續(xù)采集相鄰幀的圖象。該系統(tǒng)還采用了高精度Gen Lock技術(shù)和線性箝位技術(shù)，所采集的圖象點(diǎn)陣位置精度高，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字視頻信號(hào)誤差小。CA-MPE-1000型采集卡的一個(gè)突出特點(diǎn)是采集窗口可以從4×4到768×576以4為單位任意可調(diào)，實(shí)現(xiàn)AOI(Area of Interesting)。該采集卡的點(diǎn)陣擾動(dòng)小于5ns，灰度精度為±1/256。圖3為CA-MPE-1000的硬件結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)按如下方式連接低通濾波器與鎖相器和A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器與緩存器連接，中斷控制器和緩存器分別與PCI總線連接。
本發(fā)明的軟件特點(diǎn)為使用前在DOS下分配內(nèi)存運(yùn)行MPEMEM.EXE文件，產(chǎn)生一個(gè)MPEMEM.CFG文件，將MPEMEM.CFG文件拷貝到工作目錄下，然后在windows下進(jìn)入目錄。
軟件特點(diǎn)還有(1)利用定標(biāo)塊和激光器同時(shí)移動(dòng)的方法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)定標(biāo)的算法。
(2)在提取出五個(gè)指尖和四個(gè)指縫點(diǎn)作為特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上，完成了手指長(zhǎng)度、手指寬度、手指厚度以及手掌長(zhǎng)度、寬度和厚度等的計(jì)算。
(3)實(shí)現(xiàn)了一種用于身份鑒別的多步判別器，提高了識(shí)別率。
(4)編寫(xiě)了IC卡讀寫(xiě)器與PC機(jī)并行口連接的驅(qū)動(dòng)軟件。
(5)利用主動(dòng)式三角法獲取三維信息。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有如下優(yōu)點(diǎn)在三維激光獲取設(shè)備中只用一個(gè)光源，對(duì)鑒別物不需要定位塊，由激光掃描器直接獲得三維特征信號(hào)。


圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1-激光發(fā)生器 2-光杠3-驅(qū)動(dòng)滑塊 4-電機(jī)5-電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7-攝象機(jī)8-機(jī)箱9-識(shí)別物 10-洞口 11-白熾燈圖2為CA-MPE-1000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3為CA-MPE-1000硬件結(jié)構(gòu)4為系統(tǒng)工作框圖，左邊系統(tǒng)為建模過(guò)程圖，右邊為鑒別過(guò)程5為照明燈下人手的二維圖象圖6為本系統(tǒng)掃描得到的人手深度圖實(shí)施例1．基于人手三維特征的身份鑒別系統(tǒng)工作可以分為兩個(gè)過(guò)程人手特征的建模過(guò)程以及人的身份鑒別過(guò)程。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取設(shè)備的正面有一圓形孔，人手可以通過(guò)此孔放入。在系統(tǒng)建模過(guò)程中，系統(tǒng)首先打開(kāi)白熾燈，用戶稍稍調(diào)整一下手的位置。然后系統(tǒng)關(guān)閉白熾燈，計(jì)算機(jī)發(fā)送給單片機(jī)齒皮帶輪行進(jìn)的步長(zhǎng)及速度，開(kāi)始掃描。在行進(jìn)每一步長(zhǎng)后圖象采集卡都采集一幅圖象，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)的對(duì)圖象進(jìn)行處理，提取出亮條，計(jì)算出亮條上每點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)起來(lái)。計(jì)算機(jī)還對(duì)這些三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否掃描到了人手手指的尖端。如果到達(dá)了尖端，則停止掃描。為了加快掃描速度，在采集卡采集到圖象后，系統(tǒng)首先發(fā)送控制命令，讓齒皮帶輪行進(jìn)，而圖象計(jì)算機(jī)處理的工作可以在滑塊前進(jìn)的過(guò)程中完成。掃描完成后，計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出人手的三維特征。最后，這些三維特征被寫(xiě)入IC卡中或存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。在系統(tǒng)鑒別過(guò)程中，首先讀取IC卡中的數(shù)據(jù)。然后是一個(gè)具有知識(shí)的智能掃描過(guò)程，也就是根據(jù)IC卡中的數(shù)據(jù)對(duì)人手進(jìn)行分段掃描，不同段采取不同的掃描步長(zhǎng)，這樣可以減少掃描時(shí)間。在得到人手的三維數(shù)據(jù)后，提取人手的三維特征，最后與IC卡中的數(shù)據(jù)或計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，給出一個(gè)是或不是的回答。圖4為系統(tǒng)的工作框圖。圖5為照明光下人手的二維圖象。圖6為本系統(tǒng)掃描得到的人手深度圖。
一般說(shuō)來(lái)，基于激光掃描的主動(dòng)式三角法系統(tǒng)的攝象機(jī)定標(biāo)是在某一參考坐標(biāo)系下，利用一些已知三維坐標(biāo)的點(diǎn)在攝象機(jī)圖象上的投影，來(lái)計(jì)算激光平面與攝象機(jī)圖象平面之間的投影關(guān)系，最后通常得到一個(gè)3×3維的定標(biāo)矩陣，該矩陣反映了激光平面與圖象平面的成象關(guān)系。但在本系統(tǒng)中，激光和攝象機(jī)固定在一個(gè)滑塊上由齒皮帶輪帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，激光平面和圖象平面的成象關(guān)系相對(duì)于參考坐標(biāo)系發(fā)生了變化。因此，我們分析了運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將定標(biāo)矩陣的變化加入到矩陣中去，最后得到一個(gè)擴(kuò)充的3×4維定標(biāo)矩陣。根據(jù)此定標(biāo)矩陣，當(dāng)滑塊運(yùn)動(dòng)到任何位置時(shí)，我們都可以計(jì)算出圖象上亮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)來(lái)。
2．本發(fā)明按以下方式使用打開(kāi)計(jì)算機(jī)以及身份鑒別系統(tǒng)的電源，進(jìn)行如下操作一．在DOS下分配內(nèi)存本系統(tǒng)使用CA-MPE-1000圖象采集卡。使用前必須在DOS下分配內(nèi)存。分配方法運(yùn)行MPEMEM.EXE文件，產(chǎn)生一個(gè)MPEMEM.CFG文件。將該文件拷貝到工作目錄。
注意要及時(shí)刪除MPEMEM.CFG文件。
二．在windows3.1下，進(jìn)入目錄C:\hand，運(yùn)行hand.exe文件，進(jìn)入系統(tǒng)的集成菜單。
三．初始化在菜單上選擇Initialize選項(xiàng)四．系統(tǒng)定標(biāo)當(dāng)系統(tǒng)很久未用，或系統(tǒng)搬運(yùn)后，或者激光條、攝象機(jī)移動(dòng)后，需要對(duì)系統(tǒng)重新定標(biāo)。
本系統(tǒng)的定標(biāo)是在定標(biāo)塊上相隔20mm的五處各選取五個(gè)點(diǎn)共25個(gè)點(diǎn)，已知該25點(diǎn)的三維坐標(biāo)和圖象坐標(biāo)，可以計(jì)算得出系統(tǒng)的定標(biāo)矩陣。
五．滑塊(激光和攝象機(jī))的移動(dòng)在主菜單下選取Move項(xiàng)，出現(xiàn)對(duì)話框。對(duì)話框中輸入前進(jìn)距離、速度及方向。前進(jìn)距離≤200mm，速度為0～8。
六．人手?jǐn)?shù)據(jù)建模過(guò)程在此過(guò)程中，首先獲取人手的三維數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到人手的三維特征，寫(xiě)入IC卡中。
1．在主菜單下選取Image項(xiàng)，在此項(xiàng)下選取Grab子項(xiàng)。此時(shí)用戶將手從機(jī)箱[8]正面圓孔[10]中放入，按任意鍵打開(kāi)照明燈[11]，調(diào)整人手[9]位置，使人手在寬度方向上能被攝象機(jī)[7]取到像，并且五指盡量分開(kāi)。調(diào)整好位置后，按任意鍵，開(kāi)始掃描。掃描過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判別手指尖的位置，到達(dá)手指尖后，系統(tǒng)停止掃描。已經(jīng)得到了人手的三維數(shù)據(jù)。人手三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件hand.dat中。
2．在Image項(xiàng)下選取Preprocess，對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。
3．在Image項(xiàng)下選取Feature_Extraction項(xiàng)，提取人手三維特征。
4．在IC_Card項(xiàng)下選取Write項(xiàng)，將三維特征寫(xiě)入中IC卡中。
七．圖象顯示在主菜單下選取Display項(xiàng)，可以顯示出用戶人手的三維圖象、二維圖象以及人手輪廓、人手特征點(diǎn)。
八．身份鑒別過(guò)程此過(guò)程首先獲取人手的三維數(shù)據(jù)，提取三維特征，然后與IC卡中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，給出是或否的回答。
在Image項(xiàng)下選取Identify項(xiàng)，然后如過(guò)程六一樣調(diào)整用戶人手的位置。
系統(tǒng)掃描完成后等待一段時(shí)間，會(huì)給出判別結(jié)果。
九．在主菜單Test項(xiàng)下，1．Interrupt能在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中中斷其運(yùn)動(dòng)2．Switchlight可以關(guān)閉和打開(kāi)照明燈3．Speed項(xiàng)可以調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度。
權(quán)利要求
1．一種由激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的裝置、圖象采集卡、IC卡讀寫(xiě)器、計(jì)算機(jī)構(gòu)成的激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的身份鑒別設(shè)備，其特征在于激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的裝置由激光發(fā)生器、光杠、驅(qū)動(dòng)滑塊、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、CCD攝象機(jī)、機(jī)箱和白熾燈構(gòu)成；激光發(fā)生器、CCD攝象機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制電路、白熾燈裝配在機(jī)箱內(nèi)；激光發(fā)生器和攝象機(jī)分別安裝在同一驅(qū)動(dòng)滑塊上，驅(qū)動(dòng)滑塊安裝在導(dǎo)向光杠上，驅(qū)動(dòng)滑塊后面和機(jī)箱壁上安裝傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)輪軸與步進(jìn)電機(jī)連接；電機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制；驅(qū)動(dòng)電路與計(jì)算機(jī)之間采用RS232串口通訊連接；計(jì)算機(jī)中配置一塊圖象采集卡和一臺(tái)IC卡讀寫(xiě)器；在激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的裝置的機(jī)箱的正面下方開(kāi)一洞口，通過(guò)此口置入需要采集數(shù)據(jù)的實(shí)物放在箱底面上，激光發(fā)生器對(duì)準(zhǔn)實(shí)物，此處上方機(jī)箱壁內(nèi)安裝一個(gè)白熾燈。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的身份鑒別設(shè)備，其特征在于圖象采集卡采用CA-MPE-1000型圖象采集卡，CA-MPE-1000采集卡按如下方式構(gòu)成攝象機(jī)的三路信號(hào)V1、V2、V3以視頻模擬信號(hào)輸進(jìn)采集卡，采集卡與PCI總線連接，從采集卡中經(jīng)過(guò)濾波和A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入PCI總線，PCI總線與PC機(jī)內(nèi)存連接，數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)的傳送到PC機(jī)的內(nèi)存，PCI總線還與PC機(jī)的VGA顯示卡連接，可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行所采集的圖象的顯示。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的身份鑒別設(shè)備，其特征在于CA-MPE-1000硬件按如下方式連接低通濾波器與鎖相器和A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器與緩存器連接，中斷控制器和緩存器分別與PCI總線連接。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的身份鑒別設(shè)備，其特征在于軟件特點(diǎn)為(1)利用定標(biāo)塊和激光器同時(shí)移動(dòng)的方法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)定標(biāo)的算法。(2)在提取出五個(gè)指尖和四個(gè)指縫點(diǎn)作為特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上，完成了手指長(zhǎng)度、手指寬度、手指厚度以及手掌長(zhǎng)度、寬度和厚度等的計(jì)算。(3)實(shí)現(xiàn)了一種用于身份鑒別的多步判別器，提高了識(shí)別率。(4)編寫(xiě)了IC卡讀寫(xiě)器與PC機(jī)并行口連接的驅(qū)動(dòng)軟件。(5)利用主動(dòng)式三角法獲取三維信息。
全文摘要
一種激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的身份鑒別設(shè)備,它具有人手特征數(shù)據(jù)采集和識(shí)別系統(tǒng)。該設(shè)備建立基于人手三維特征的身份自動(dòng)鑒別系統(tǒng)。設(shè)備由激光掃描獲取三維數(shù)據(jù)的裝置以及帶圖象采集卡和IC卡讀寫(xiě)器的計(jì)算機(jī)組成,并編寫(xiě)了基于windows操作系統(tǒng)的用戶界面。該設(shè)備的識(shí)別系統(tǒng)具有比較完善的控制功能,魯棒性和穩(wěn)定性好,可做身份鑒別的多步判別。本發(fā)明可用于銀行、海關(guān)、保安、軍事、國(guó)防、賓館等需要驗(yàn)證身份的場(chǎng)所。
文檔編號(hào)G06K9/00GK1221926SQ97126129
公開(kāi)日1999年7月7日 申請(qǐng)日期1997年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月30日
發(fā)明者馬頌德, 羅曼麗, 華軍, 趙微, 胡占義, 張恭清, 段保富, 石秋生, 楊秀云, 黃實(shí), 王國(guó)峰, 束維萍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所