專利名稱：一種三維指紋傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非接觸式三維測(cè)量技術(shù)，具體為一種基于條紋投影相位測(cè)量方法的三維指紋傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
指紋識(shí)別作為一種歷史悠久的身份認(rèn)證技術(shù)，多年來其發(fā)展一直備受關(guān)注。由于指紋信息的唯一性、終身不變性及本身方便快捷的采集方式，被認(rèn)為是頗具普遍性的身份認(rèn)證方法。隨著計(jì)算機(jī)及光學(xué)掃描技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖像處理算法更加可靠，取像設(shè)備成本逐漸降低，尤其是數(shù)字投影儀的出現(xiàn)使圖像采集處理系統(tǒng)不斷優(yōu)化，并為現(xiàn)代三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提供了良好的條件。三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)具有非接觸、精度高、速度快和自動(dòng)化程度完善等特點(diǎn)。使用光 學(xué)測(cè)量方法獲取物體信息時(shí)，被測(cè)物體表面無形變，且無深度信息損失，因此保留了更多、更準(zhǔn)確的測(cè)量信息。人體指紋具有三維特征，利用三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)獲取無畸變?nèi)S指紋特征，對(duì)聞精度生物測(cè)定技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有重大意義。在申請(qǐng)人檢索的范圍內(nèi)，基于二維指紋測(cè)量的相關(guān)文獻(xiàn)信息如下I.Ruggero Donida Labati, Angelo Genovese Vincenzo Piuri, Fabio Scotti在“基于雙視角結(jié)構(gòu)光獲取的快速3D指尖重建”(Fast 3-D Fingertip ReconstructionUsing a Single Two-View Structured Light Acquisition, BI0MS, 1-8，(2011))文章中，提供了一種以固定投影模式的雙目視覺非接觸指紋獲取系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用投影儀投影固定模式的結(jié)構(gòu)光到被測(cè)物體表面，利用2個(gè)CCD相機(jī)從不同角度同時(shí)采集圖像，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)光所包含的幾何信息找到參考點(diǎn)，并快速將兩幅圖像拼接；根據(jù)所得到的幾何信息及相機(jī)標(biāo)定參數(shù)可以重建指紋模型。但是這種系統(tǒng)依靠?jī)蓚€(gè)CCD相機(jī)，成本較高；并且它利用編碼結(jié)構(gòu)光提取指紋特征信息，分辨率較低。2. Yi Chen, Geppy Parziale, Eva Diaz-Santana, Anil K. Jain 在“三維非接觸指紋與傳統(tǒng)滾動(dòng)圖像的兼容性”(3D Touchless Fingerprints:Compatibility With LegacyRolled Images. Maryland USA, IEEE Conference Publications, (2006)pp. 1-6)一文中，提供了一種新型的指紋采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的成像設(shè)備是由5個(gè)攝像頭組成。這些攝像頭圍繞指紋采集區(qū)域均勻分布。工作過程中多個(gè)攝像頭同時(shí)拍攝實(shí)現(xiàn)全視角采集，克服了傳統(tǒng)平面采集設(shè)備因手指位置不同而引起的圖像質(zhì)量差、信息不充分等缺點(diǎn)。但是該系統(tǒng)中有5個(gè)相機(jī)，采集之前需要準(zhǔn)確確定每個(gè)相機(jī)的位置并分別進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，而多相機(jī)相對(duì)位置的調(diào)整和標(biāo)定一直是該類系統(tǒng)的難點(diǎn)和重點(diǎn)并且難以操作，為實(shí)際采集工作帶來困難。除此之外，多相機(jī)系統(tǒng)的成本較單相機(jī)要高很多，不利于實(shí)際推廣應(yīng)用。3.蔡安野在“基于雙目視覺的非接觸式指紋三維重建”(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，深圳研究生院，碩士研究生論文，(2010. 12))論文中，提出了使用兩個(gè)攝像頭采集指紋圖像，重建指紋的三維形狀信息。該論文從兩個(gè)不同視角對(duì)指紋采集后進(jìn)行圖像拼接處理、獲得指紋三維形狀數(shù)據(jù)。雙攝像頭相對(duì)于單攝像頭，能夠獲取較多的被測(cè)物體信息。但是，雙目視覺系統(tǒng)本身包括兩個(gè)圖像采集設(shè)備，其相對(duì)位置的調(diào)整及匹配較煩瑣，并且對(duì)同一物體采集的同步性難以保證。除此之外，該種方法需要兩個(gè)圖像中有效匹配點(diǎn)的個(gè)數(shù)足夠多，匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)過少或分布不均勻?qū)o法正確恢復(fù)出整個(gè)指紋的三維信息，因此需要數(shù)據(jù)采集量大，效率較低。4. Yongchang Wang, Hassebrook, L. G. , Lau, D. L.在“三維指紋數(shù)據(jù)的獲取和處理，，(Data Acquisition and Processing of 3-D Fingerprints, Information Forensicsand Security, 5 (4), 750-760 (2010)) 一文中，提出了一種3D指紋掃描處理方法。該方法將結(jié)構(gòu)光照明引入系統(tǒng)設(shè)備中，獲得反照率較高的圖片信息同時(shí)得到指紋紋路的深度信息。該文提供的設(shè)備是非接觸測(cè)量，使用方便、快捷、衛(wèi)生，基于其三維測(cè)量的特點(diǎn)，該設(shè)備數(shù)據(jù)獲取量大，并且能夠同時(shí)獲得紋理和深度信息。但該設(shè)備采用灰度條紋，其在手指表面的條紋對(duì)比度較低，因此所獲得的三維指紋不精確。再者，所得到的相位是相對(duì)展開相位，而不是絕對(duì)展開相位，因此相對(duì)三維形狀使后面的識(shí)別變得復(fù)雜。通過以上文獻(xiàn)可以看出已有的三維指紋傳感系統(tǒng)均為非接觸式測(cè)量，手指以一定姿勢(shì)放置在設(shè)備取像區(qū)域內(nèi)即可由相機(jī)拍攝到指紋信息，避免了之前傳統(tǒng)的二維傳感系統(tǒng)的缺陷。但是已有被動(dòng)式測(cè)量方法首先是系統(tǒng)標(biāo)定繁瑣、調(diào)節(jié)過程復(fù)雜；其次是多相機(jī)被 動(dòng)式測(cè)量無法給出高精度三維形狀數(shù)據(jù)；另外，多個(gè)相機(jī)系統(tǒng)成本較高。而已有主動(dòng)式基于條紋投影相位測(cè)量方法的三維指紋傳感系統(tǒng)采用了灰度條紋，其在手指表面的條紋對(duì)比度較低，無法獲得高精度的三維指紋數(shù)據(jù)；再者，所得到的是相對(duì)、而不是絕對(duì)展開相位，從而相對(duì)三維形狀使后續(xù)的識(shí)別變得復(fù)雜。因此，在避免二維指紋傳感系統(tǒng)缺陷的同時(shí)，如何利用三維指紋傳感系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確地獲得指紋絕對(duì)三維形狀信息，降低系統(tǒng)成本是一個(gè)急需解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有指紋傳感系統(tǒng)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種三維指紋傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于條紋投影相位測(cè)量方法，可在避免接觸式指紋測(cè)量過程中由于擠壓、手指干濕狀態(tài)及反復(fù)接觸帶來的指紋信息變形、信息采集量不確定及殘影等問題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速、精確指紋圖像采集傳輸，并采用單相機(jī)，成本低，使用方便，推廣容易。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種三維指紋傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于條紋投影相位測(cè)量方法構(gòu)建，包括硬件與軟件；硬件主要包括電腦、CXD數(shù)碼相機(jī)、DLP數(shù)字投影儀和支撐架；所述電腦通過其上的HDMI接口與DLP數(shù)字投影儀連接，并通過其上的千兆網(wǎng)接口與CXD數(shù)碼相機(jī)連接；電腦控制DLP數(shù)字投影儀和CXD數(shù)碼相機(jī)，并存儲(chǔ)、顯示和處理所采集的圖像，獲得相應(yīng)的結(jié)果；DLP數(shù)字投影儀用來投射所產(chǎn)生的正弦光柵條紋到被測(cè)手指表面的指紋采集區(qū)域；CCD相機(jī)用于采集投影在手指上的變形條紋圖像；所述支撐架主要包括大底板、移動(dòng)板、相機(jī)架底板和相機(jī)固定板以及投影儀上底板、投影儀下底板和角位移臺(tái)；所述CCD數(shù)碼相機(jī)固定在直角連接的相機(jī)架底板和相機(jī)固定板上，相機(jī)架底板與移動(dòng)板固定連接，移動(dòng)板以可滑動(dòng)方式安裝在大底板的一端；所述DLP數(shù)字投影儀夾持在投影儀上底板和投影儀下底板之間，角位移臺(tái)與投影儀下底板連接，并安裝在大底板的另一端；且所述CCD數(shù)碼相機(jī)與DLP數(shù)字投影儀兩者的相對(duì)安裝位置和角度應(yīng)使兩者的鏡頭中心線符合三維成像原理要求；所述軟件主要包括圖像采集、讀入、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、處理和三維顯示步驟。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)基于條紋投影相位測(cè)量方法，其優(yōu)點(diǎn)是:I.數(shù)據(jù)采集量少，圖像分辨率高本發(fā)明系統(tǒng)采用相位輪廓測(cè)量技術(shù)獲得指紋三維形狀數(shù)據(jù)，相對(duì)于二進(jìn)制碼和灰度投影相位測(cè)量技術(shù)而言，可以在減少數(shù)據(jù)采集量的同時(shí)，獲得更高的圖像分辨率；2.調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，使用方便本發(fā)明系統(tǒng)將三維測(cè)量系統(tǒng)(主要是DLP投影儀和CCD數(shù)碼相機(jī))集成在一個(gè)相對(duì)位置固定的支撐架上，大大減少了測(cè)前系統(tǒng)調(diào)節(jié)的工作量、節(jié)省了調(diào)節(jié)時(shí)間，提聞了測(cè)量效率； 3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，便于推廣相對(duì)于雙目視覺及多目視覺等被動(dòng)測(cè)量方法，本發(fā)明系統(tǒng)僅用一個(gè)CCD數(shù)碼相機(jī)采集圖像，即可獲得高精度三維數(shù)據(jù)(不依賴圖像間特征的匹配)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本節(jié)省，推廣容易。


圖I為本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)一種實(shí)施例的支撐架機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖圖2 Ca)為實(shí)施例支撐架整體形狀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 (b)為圖2 Ca)中大底板51的形狀結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2 (C)為圖2 Ca)中移動(dòng)板52的形狀結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2 (d)為圖2 Ca)中相機(jī)架底板53的形狀結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2 (e)為圖2 Ca)中相機(jī)固定板54的形狀結(jié)構(gòu)前視圖；圖2 (f)為圖2 Ca)中相機(jī)架肋板55的形狀結(jié)構(gòu)前視圖；圖2 (g)為圖2 Ca)中投影儀上底板56的形狀結(jié)構(gòu)仰視圖；圖2 (h)為圖2 Ca)中投影儀下底板57的形狀結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3為本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)一種實(shí)施例的硬件系統(tǒng)實(shí)物照片圖；圖4為本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)一種實(shí)施例的人機(jī)交互采集界面圖，即GUI操作界面圖(圖中左方顯示區(qū)域?yàn)榫G色條紋);圖5為本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)一種實(shí)施例的紅、綠、藍(lán)條紋分別照射在手指上的表面成像圖；其中，Ca)為紅色條紋圖；(b)為綠色條紋圖；(C)為藍(lán)色條紋圖；圖6為圖5中不同顏色通道正弦條紋中間一行剖面圖；圖7為本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)一種實(shí)施例中根據(jù)最佳三條紋選擇方法產(chǎn)生三組最佳條紋個(gè)數(shù)的條紋于被測(cè)手指表面的采集圖像圖(本圖條紋均為綠色)，本實(shí)施例中應(yīng)用的最佳條紋選擇方法采用的條紋數(shù)分別為25，24，20 ;其中，Ca)為25個(gè)條紋在手指表面的采集圖像；(b)為24個(gè)條紋在手指表面的采集圖像；(c)為20個(gè)條紋在手指表面的采集圖像；圖8為本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)一種實(shí)施例利用四步相移算法到每組圖像得到的三幅折疊相位圖；其中，Ca)為對(duì)應(yīng)于圖7 Ca)的折疊相位圖；(b)為對(duì)應(yīng)于圖7 (b)的折疊相位圖；(C)為對(duì)應(yīng)于圖7 (C)的折疊相位圖；圖((1)為應(yīng)用最佳條紋選擇方法到此三幅折疊相位圖而得到的展開相位圖9為本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)一種實(shí)施例對(duì)指紋傳感系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定得到的三維指紋數(shù)據(jù)圖(原圖均為彩色圖);其中，圖9 (a)、(c)為兩個(gè)不同視角按光照模式顯示的三維數(shù)據(jù)圖；圖9 (b)、(d)為與兩個(gè)光照模式相同視角顯示的指紋三維紋理映射數(shù)據(jù)圖；將采集的紋理圖像映射到三維數(shù)據(jù)上，得到指紋的三維紋理映射顯示信息。圖10為本發(fā)明三維指紋傳感系統(tǒng)一種實(shí)施例的軟件工作流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明，但本申請(qǐng)權(quán)利要求的保護(hù)范圍不受具體實(shí)施例的限制。本發(fā)明設(shè)計(jì)的三維指紋傳感系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱系統(tǒng)，參見圖1-10)，該系統(tǒng)基于條紋投影相位測(cè)量方法，包括硬件和軟件硬件包括電腦I、CXD數(shù)碼相機(jī)(簡(jiǎn)相機(jī))2、DLP數(shù)字投影儀(簡(jiǎn)稱投影儀)3和支撐架5 ;電腦I通過其上的HDMI接口與DLP數(shù)字投影儀3連接，并通過其上的千兆網(wǎng)接口與CXD數(shù)碼相機(jī)2連接；所述電腦I用來控制DLP投影儀3和CXD相機(jī)2，并存儲(chǔ)、顯示和處理所采集的圖像，獲得相應(yīng)的結(jié)果；DLP投影儀3用來投射所產(chǎn)生的 正弦光柵條紋到被測(cè)手指表面的指紋采集區(qū)域4 ;CCD相機(jī)2用于采集投影在手指上的變形條紋圖像。所述電腦I、CXD相機(jī)2和DLP投影儀3均為市購(gòu)產(chǎn)品。本發(fā)明所述的支撐架5為本發(fā)明特別設(shè)計(jì)。所述支撐架5 (見圖2)包括大底板51、移動(dòng)板52、相機(jī)架底板53、相機(jī)固定板54、相機(jī)架肋板55、相機(jī)2、投影儀上底板56、投影儀3、投影儀下底板57和角位移臺(tái)58。其中移動(dòng)板52、相機(jī)架底板53、相機(jī)固定板54、相機(jī)架肋板55與相機(jī)2構(gòu)成相機(jī)子系統(tǒng)，投影儀上底板(簡(jiǎn)稱上底板)56、投影儀下底板(簡(jiǎn)稱下底板)57、角位移臺(tái)58與投影儀3構(gòu)成投影儀子系統(tǒng)。大底板51為一個(gè)矩形的長(zhǎng)條形板，作為支撐，其一端用于固定相機(jī)子系統(tǒng)，另一端用于固定投影儀子系統(tǒng)，并保證兩個(gè)子系統(tǒng)相對(duì)位置和角度符合三維成像原理要求。所述大底板51上固定相機(jī)子系統(tǒng)的一端開有一個(gè)傾斜一定角度的凹槽512，實(shí)施例傾斜的角度為87° (見圖2 (b))，移動(dòng)板52 (見圖2 (c))配嵌在凹槽512中，可以做前后滑移運(yùn)動(dòng)；所述大底板51上固定投影儀系統(tǒng)的一端開有4個(gè)螺紋孔514，4個(gè)螺紋孔514構(gòu)成矩形的4個(gè)頂點(diǎn)，其對(duì)稱軸線與大底板51的寬邊平行線具有一定夾角，實(shí)施例的夾角為18° ;所述大底板51長(zhǎng)邊的中心線上開有3個(gè)螺紋孔513，其中2個(gè)螺紋孔513對(duì)稱開在凹槽512中，另一個(gè)螺紋孔513開在4個(gè)螺紋孔514的幾何中心。所述移動(dòng)板52 (見圖2 (C))的左右兩邊對(duì)稱開有兩個(gè)長(zhǎng)槽522，兩個(gè)長(zhǎng)槽522之間的對(duì)稱中心線上開有螺紋孔523，螺紋孔523的正下方開有螺紋孔521 ;移動(dòng)板52的上端或后端開有長(zhǎng)弧形槽524，實(shí)施例的長(zhǎng)弧形槽524為100°角對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)。所述相機(jī)架底板53 (見圖2 (d))最上端有3個(gè)螺紋孔535，通過螺栓與相機(jī)固定板54連接。上端左側(cè)有一個(gè)螺紋孔534，螺紋孔534與移動(dòng)板52上的長(zhǎng)弧形槽524通過螺栓連接、螺絲緊固；上端右側(cè)有2個(gè)螺紋孔533用于與肋板55連接，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性；相機(jī)架底板53的中心位置有一個(gè)螺紋孔532，該螺紋孔532與移動(dòng)板52上的中心螺紋孔523通過螺栓連接；相機(jī)架底板53的最下端開有短弧形槽531，實(shí)施例的弧形槽531為30°角對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)，該弧形槽531通過螺栓與移動(dòng)板52前端的螺紋孔521連接。所述的短弧形槽531與所述的長(zhǎng)弧形槽524相配合，可完成相機(jī)2左右角度的調(diào)整。
所述相機(jī)固定板54 (見圖2 (e))為正方形,其中心開有圓形通孔543,圓形通孔543外接正方形的四個(gè)角分別開有帶沉孔的螺紋孔544。螺紋孔544與相機(jī)自帶的四個(gè)螺紋孔通過螺栓連接，以固定相機(jī)2。相機(jī)固定板54的一個(gè)端面開有的3個(gè)螺紋孔541，與該端面相鄰的一條邊上開有2個(gè)帶沉孔的螺紋孔542，用于和肋板55連接，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。本發(fā)明支撐架5還包括相機(jī)架肋板55，相機(jī)架肋板55安裝在直角連接的相機(jī)架底板53與相機(jī)固定板54之間。實(shí)施例的相機(jī)架肋板55 (見圖2 (f))為直角三角形，其兩條直角邊的端面各開有2個(gè)連接孔551。連接孔551分別與相機(jī)底板53上的螺紋孔533、相機(jī)固定板54上的螺紋孔542通過螺栓連接，用于加強(qiáng)直角連接的相機(jī)架底板53和相機(jī)固定板54的連接強(qiáng)度。所述相機(jī)架底板53通過其上的3個(gè)螺紋孔535和相機(jī)固定板54上一個(gè)端面開有的3個(gè)螺紋孔541垂直連接為一體。所述相機(jī)架底板53、相機(jī)固定板54和肋板55連接后的形狀結(jié)構(gòu)如圖2 (a)所示。 所述上底板56 (見圖2 (g))和下底板57 (見圖2 (h))根據(jù)投影儀3尺寸要求設(shè)計(jì)。上底板56的四個(gè)角各開有I個(gè)通孔561，通孔561通過螺栓與下底板57連接；上底板56的中間開有凹槽562，以便于放置和固定投影儀3。所述下底板57 (見圖2 (h))的四個(gè)角分別開有I個(gè)通孔571，通孔571通過螺栓與上底板56連接；靠近下底板57中間部分根據(jù)角位移臺(tái)58的安裝尺寸開有4個(gè)帶沉孔的螺紋孔572，利用螺紋孔572可以把角位移臺(tái)58固定在下底板57上。安裝投影儀3時(shí)，應(yīng)當(dāng)使投影儀3的前端面(靠近待測(cè)對(duì)象一面)與角位移臺(tái)58前端面平行。角位移臺(tái)58為外購(gòu)件，具有角度調(diào)節(jié)功能，用于調(diào)節(jié)投影儀3的俯仰角。角位移臺(tái)58底端自帶4個(gè)螺紋孔，其位置及大小與所述大底板51中的4個(gè)螺紋孔514 (見圖2(b))對(duì)應(yīng)，直接用螺栓連接即可固定。本發(fā)明進(jìn)一步特征在于所述的硬件系統(tǒng)的投影距離為70mm-90mm、DLP數(shù)字投影儀的投影面積為32*23mm2-50*37mm ;(XD數(shù)碼相機(jī)的成像距離為90mm-100mm、成像面積為27*23mm2。本發(fā)明系統(tǒng)遵循三維結(jié)構(gòu)光三角形成像原理，其有效性已經(jīng)被證明。本發(fā)明系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是(參見流程圖10):結(jié)合相機(jī)2自帶的開發(fā)包在VC++中開發(fā)圖形化的人機(jī)交互界面，用以實(shí)現(xiàn)指紋圖像的采集、讀入、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、處理、三維顯示等步驟；主要包括圖像采集和圖像處理兩部分，圖像采集部分根據(jù)四步相移算法和最佳條紋選擇方法，利用VC++軟件在計(jì)算機(jī)中生成三組共十二幅正弦條紋圖，并調(diào)制這些條紋圖到綠顏色通道；與電腦I連接的數(shù)字投影儀3投射條紋圖像到指紋表面，CXD相機(jī)2從另一角度采集三組十二幅綠色變形條紋圖，并存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)，供后續(xù)處理；圖像處理部分讀入所述三組十二幅綠色變形條紋圖，對(duì)每一組條紋利用四步相移算法分別計(jì)算得到三幅折疊相位圖；把最佳條紋選擇方法作用到這三幅折疊相位圖，獨(dú)立計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn)的絕對(duì)相位；然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定展開相位圖與三維數(shù)據(jù)間的關(guān)系，得到所測(cè)指紋的三維形狀信息；最后將采集的紋理圖像信息映射到三維數(shù)據(jù)，即得到手指的三維紋理映射表達(dá)。具體工作步驟如下I.根據(jù)人類手指大小，確定測(cè)量場(chǎng)大小，實(shí)施例為27*23mm2，基于結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法確定CCD相機(jī)2和DLP投影儀3的相對(duì)位置，設(shè)計(jì)出支撐架5結(jié)構(gòu)(參見圖2、3);
2.應(yīng)用相機(jī)2自帶開發(fā)包，在VC++環(huán)境中開發(fā)交互式操作界面，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能(操作界面參考圖4);3.由于人類皮膚對(duì)紅、綠、藍(lán)各色光譜具有不同的吸收和反射作用，通過將紅、綠、藍(lán)三顏色通道的條紋投射在待測(cè)對(duì)象4的手指表面，測(cè)量得出綠色光譜對(duì)比度最大，有利于指紋信息的獲取和相位計(jì)算，因此選用綠色光進(jìn)行指紋測(cè)量(參見圖5和6);4.軟件編程產(chǎn)生三組正弦直條紋，每組包含四幅彼此間有90度相移的圖像，因此共有12幅正弦直條紋圖像；DLP數(shù)字投影儀3投射軟件所產(chǎn)生的12幅圖像到手指表面上，受到手指表面形狀的調(diào)制，從不同于DLP數(shù)字投影儀3投影方向，CCD相機(jī)2順次采集變形的12幅條紋圖像，并把它們存儲(chǔ)到電腦中；此三組條紋圖像具有最佳條紋個(gè)數(shù)25、24、20，從而可用最佳條紋選擇方法獨(dú)立計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)位置的絕對(duì)相位，獲得分別代表三組不同數(shù)量的條紋在手指表面的采集圖像(見圖7 (a)- (c))；5.對(duì)于采集的12幅條紋圖像，應(yīng)用四步相移算法到每組的四個(gè)條紋圖像計(jì)算各個(gè)像素點(diǎn)的相位信息，得到三幅高精度的折疊相位圖(參見圖8 (a)- (c))； 6.應(yīng)用最佳條紋選擇方法(參見 Ζ· H. Zhang, C. Ε· Towers, and D. P. Towers, “利用最佳三頻率選擇的有效彩色條紋投影系統(tǒng)獲取物體三維形狀和顏色”(Time efficientcolor fringe projection system for 3D shape and color using optimum 3-frequencyselection, Opt. Express 14, 6444-6455 (2006))),計(jì)算得到手指表面每個(gè)像素點(diǎn)的絕對(duì)相位圖(參見圖8 (d))；7.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到指紋的三維數(shù)據(jù)圖(見圖9 (a)、(c)，不同視角按光照模式顯示的三維數(shù)據(jù));8.采集的紋理映射到三維數(shù)據(jù)上，得到指紋的三維紋理映射顯示信息圖(參見圖9 (b)、(d)，和光照模式相同的兩個(gè)視角顯示的指紋三維紋理映射數(shù)據(jù))。本發(fā)明系統(tǒng)基于結(jié)構(gòu)光三角化的工作原理和條紋投影技術(shù)(1)從DLP投影儀方向產(chǎn)生的光柵直條紋投射到手指表面，受到其手指表面形狀的調(diào)制，從另外一個(gè)方向看到的條紋將變形。此變形的條紋包含手指表面三維形狀信息，其具體關(guān)系由成像光軸和投影光軸所構(gòu)成的三角形決定。(2)利用條紋投影技術(shù)確定了絕對(duì)相位圖與三維數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，通過標(biāo)定確定二者關(guān)系從而得到指紋的三維形狀數(shù)據(jù)。本發(fā)明的具體工作過程如下(參見流程圖10):根據(jù)所選擇的最佳條紋個(gè)數(shù)，例如25、24、20，利用軟件在電腦I中產(chǎn)生3組、每組包含4幅彼此間有90度相位移動(dòng)的正弦條紋圖，因此共有12幅條紋圖像。調(diào)制這些條紋圖到彩色圖像的綠色通道。將手指放至三維指紋傳感系統(tǒng)的測(cè)量場(chǎng)中，通過電腦I順次傳送這12幅圖像到DLP投影儀3，從而在指紋4的表面產(chǎn)生變形的條紋圖像。CXD相機(jī)2從不同于DLP投影儀3投影的方向順次采集這些圖像并存儲(chǔ)到電腦I中。對(duì)這三組圖像，分別利用四步相移算法計(jì)算出對(duì)應(yīng)變形條紋圖的折疊相位，共得到三幅折疊相位圖。應(yīng)用最佳條紋選擇方法到所獲得的三幅折疊相位圖，可獨(dú)立確定每個(gè)正弦條紋的絕對(duì)級(jí)次。結(jié)合所得到的折疊相位和正弦條紋的絕對(duì)級(jí)次，獨(dú)立計(jì)算出各個(gè)像素點(diǎn)位置的絕對(duì)相位，得到手指的絕對(duì)相位圖。通過系統(tǒng)標(biāo)定，建立絕對(duì)相位和三維數(shù)據(jù)之間的關(guān)系從而獲得指紋的三維形狀數(shù)據(jù)。最后，通過軟件對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行光照顯示同時(shí)將紋理映射到該三維數(shù)據(jù)上獲得所測(cè)指紋的紋理圖，得到更加直觀形象的指紋顯不 目息。
本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。 ·
權(quán)利要求
1.一種三維指紋傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于條紋投影相位測(cè)量方法構(gòu)建，包括硬件與軟件；硬件主要包括電腦、CXD數(shù)碼相機(jī)、DLP數(shù)字投影儀和支撐架；所述電腦通過其上的HDMI接口與DLP數(shù)字投影儀連接，并通過其上的千兆網(wǎng)接口與CXD數(shù)碼相機(jī)連接；電腦控制DLP數(shù)字投影儀和CCD數(shù)碼相機(jī)，并存儲(chǔ)、顯示和處理所采集的圖像，獲得相應(yīng)的結(jié)果；DLP數(shù)字投影儀用來投射所產(chǎn)生的正弦光柵條紋到被測(cè)手指表面的指紋采集區(qū)域；CCD相機(jī)用于采集投影在手指上的變形條紋圖像；所述支撐架主要包括大底板、移動(dòng)板、相機(jī)架底板和相機(jī)固定板以及投影儀上底板、投影儀下底板和角位移臺(tái)；所述CCD數(shù)碼相機(jī)固定在直角連接的相機(jī)架底板和相機(jī)固定板上，相機(jī)架底板與移動(dòng)板固定連接，移動(dòng)板以可滑動(dòng)方式安裝在大底板的一端；所述DLP數(shù)字投影儀夾持在投影儀上底板和投影儀下底板之間，角位移臺(tái)與投影儀下底板連接，并安裝在大底板的另一端；且所述CCD數(shù)碼相機(jī)與DLP數(shù)字投影儀兩者的相對(duì)安裝位置和角度應(yīng)使兩者的鏡頭中心線符合三維成像原理要求；所述軟件主要包括圖像采集、讀入、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、處理和三維顯示步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三維指紋傳感系統(tǒng)，其特征在于所述的硬件系統(tǒng)的投影距離為70mm-90mm、DLP數(shù)字投影儀的投影面積為32*23 mm2 - 50*37mm ;C⑶數(shù)碼相機(jī)的成像 距離為90mm-100mm、成像面積為27*23mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的三維指紋傳感系統(tǒng)，其特征在于所述支撐架還包括相機(jī)架肋板，相機(jī)架肋板安裝在直角連接的相機(jī)架底板與相機(jī)固定板之間。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三維指紋傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于條紋投影相位測(cè)量方法構(gòu)建，包括硬件與軟件；硬件包括電腦、相機(jī)、投影儀和支撐架；電腦通過其HDMI接口與投影儀連接，并通過其千兆網(wǎng)接口與相機(jī)連接；支撐架包括大底板、移動(dòng)板、相機(jī)架底板和相機(jī)固定板以及上底板、下底板和角位移臺(tái)；相機(jī)固定在直角連接的相機(jī)架底板和相機(jī)固定板上，相機(jī)架底板與移動(dòng)板固定連接，移動(dòng)板以可滑動(dòng)方式安裝在大底板的一端；投影儀夾持在上底板和下底板之間，角位移臺(tái)與下底板連接,并安裝在大底板的另一端；且相機(jī)與投影儀的相對(duì)安裝位置和角度應(yīng)使兩者的鏡頭中心線符合三維成像原理要求；所述軟件主要包括圖像采集、讀入、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、處理和三維顯示步驟。
文檔編號(hào)G01B11/25GK102829736SQ20121033836
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者黃淑君, 張宗華, 高楠 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)