Способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки Российский патент 2024 года по МПК A61B5/117 G06T3/00 

Область техники

Изобретение относится к распознаванию образов, опознанию личности, индивидуальной регистрации входа и выхода, контролю доступа на территорию, в здания, помещения и к объектам, устройствам, компьютерным программам и т.д.

Более конкретно, изобретение может быть использовано в устройствах биометрической идентификации для контроля доступа на объекты по параметрам кисти руки.

Предшествующий уровень техники

Качество работы устройств биометрической идентификации характеризуется вероятностью принятия ошибочных решений: пропуска нарушителя и ложной тревоги (ложного отказа в доступе). Известны способы биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, заключающиеся в том, что сначала измеряют в фиксированном положении пальцев и кисти руки некоторые размеры заданных частей кисти руки определенной личности, затем измеряют в том же фиксированном положении те же размеры тех же частей кисти руки идентифицируемой личности и сравнивают указанные размеры.

Такой способ реализован в устройстве, выбранном в качестве аналога по патенту US 4736203 А, заявка 756390, приоритет 17.07.1985, опубликовано 05.04.1988; МПК: H04Q 1/00, автор: David P. Sidlauskas, патентообладатель: Recognition Systems, Inc., San Jose, Calif.

Устройство идентификации, содержащее: средство, реагирующее на световозвращение; пару ортогонально ориентированных световозвращающих поверхностей, перед которыми можно разместить руку человека для световозвращения падающего излучения от источника излучения, которое не прерывается упомянутой рукой для проецирования одного изображения, содержащего вид сверху и профиль упомянутой руки человека к упомянутым средствам реагирования на световозвращение; средство в упомянутом средстве, отражающем светоотражающее излучение, которое реагирует на упомянутое изображение для обеспечения сигналов, соответствующих упомянутым видам в плане и профиле; средство реагирования на упомянутые сигналы для предоставления текущих данных измерений из упомянутых видов плана и профиля; средство для сравнения упомянутых текущих данных измерений с данными, ранее сохраненными в памяти; и средство для подачи сигнала, когда упомянутые текущие данные измерений и упомянутые ранее сохраненные данные совпадают в пределах предварительно определенного допуска.

Существенные признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, следующие.

Фиксируют изображение руки, выделяют силуэт руки, получают сравниваемые параметры, сравнивают с аналогичными параметрами, ранее сохраненными в памяти.

К недостаткам аналога относится необходимость жестко фиксировать положение пальцев и кисти руки на опоре, что вызывает определенные неудобства, и недостаточная надежность распознавания из-за измерения только размеров частей кисти руки (таких как длина и ширина) и вычисления площади, периметра и отношения между ними.

Известен аналог, описанный в статье «Использование кривых Б-сплайнов для распознавания кисти руки» («Using В-Spline Curves for Hand Recognition»), авторы: Ying Liang Ma, Frank Pollick {ma, frank}@psy.gla.ac.uk, W. Terry Hewitt w.t.hewitt@man.ac.uk; Psychology Department, University of Glasgow, G12 8QB, UK, Manchester Visualization Centre, University of Manchester, M13 9PL, UK, опубликовано в журнале 0-7695-2128-2/04 $20.00 (С) 2004 IEEE.

Способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, заключающийся в том, что используют 4 кривые В-сплайна, чтобы аппроксимировать контуры пальцев (кроме большого пальца) из одного изображения руки для одного человека. Затем сохраняют эти 4 кривые, а также другие геометрические измерения руки как «подпись» этого человека в базе данных. Вычисляя различия между кривыми изображений рук из базы данных и кривыми из полученного изображения руки с использованием метода точечной проекции, проверяют/идентифицируют человека, определив изображение руки в базе данных, наиболее близкое к изображению предъявленной руки.

Существенные признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, следующие: фиксируют изображения кисти руки идентифицируемой личности с разведенными пальцами, выделяют контуры пальцев идентифицируемой личности и сравнивают с контурами пальцев определенной личности, ранее сохраненными в памяти.

К недостаткам способа можно отнести следующее. Используется аппроксимация контуров, которая выполняется с погрешностями и требует сложных вычислений. Для получения шаблона используется единичное изображение. Ошибки составляют 3…5% на базе пользователей 20 человек. Для сравнения: ГОСТ 52860 «Технические средства физической защиты. Общие технические требования» устанавливает максимально допустимые вероятности ложной тревоги и пропуска нарушителя на уровне 0,5% для внутренней зоны, а для особо важной зоны вероятность пропуска нарушителя не должна превышать 0,1%.

В качестве прототипа выбран «Способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки», описанный в патенте РФ №2304806, G06K 9/00, (2006.01), Заявка 2006102716/09, 31.01.2006, опубл. 20.08.2007; автор: Местецкий Леонид Моисеевич, патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью "Биометрические системы и технологии" (RU).

Способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, заключающийся в том, что сначала регистрируют по меньшей мере одно эталонное изображение в заданном масштабе и заданном ракурсе силуэта кисти руки определенной личности с разведенными пальцами, затем регистрируют в том же масштабе и том же ракурсе изображение силуэта кисти руки идентифицируемой личности с разведенными пальцами и сравнивают параметры указанных зарегистрированных изображений после их обработки, отличающийся тем, что в каждое указанное зарегистрированное изображение вписывают ряд окружностей, начиная от кончиков пальцев кисти руки, проводят линии через центры указанных вписанных окружностей, отдельно от указанных зарегистрированных изображений силуэтов кистей руки спрямляют указанные линии, проведенные через центры указанных окружностей, вписанных в изображения силуэтов соответствующих пальцев, через указанные центры, лежащие на указанных спрямленных линиях, перпендикулярно к последним проводят отрезки прямых, равные по длине радиусам соответствующих указанных окружностей, через концы указанных отрезков прямых проводят сравниваемые линии, совмещают начала указанных спрямленных линий соответствующих пальцев и определяют величины рассогласования сравниваемых линий, по меньшей мере некоторых, соответствующих пальцев.

Существенные признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, следующие: сначала регистрируют по меньшей мере одно эталонное изображение в заданном масштабе и заданном ракурсе силуэта кисти руки определенной личности с разведенными пальцами, затем регистрируют в том же масштабе и том же ракурсе изображение силуэта кисти руки идентифицируемой личности с разведенными пальцами и сравнивают параметры указанных зарегистрированных изображений после их обработки.

К недостаткам способа можно отнести следующее. Сравниваются не реальные контуры пальцев, а полученные из реальных контуров фигуры, совпадающие с реальными контурами только по ширине в некотором количестве сечений, следовательно, способ не позволяет различить пальцы, имеющие одинаковую ширину в соответствующих сечениях, но отличающиеся кривизной. При вписывании окружностей сглаживаются локальные выпуклые участки контура, следовательно, теряется часть индивидуальных особенностей контура. Эти недостатки повышают вероятность пропуска нарушителя. Использование для получения эталона только одного изображения повышает вероятность ложной тревоги, поскольку может получиться эталон, имеющий параметры с наибольшими отличиями от параметров, которые будут реализовываться наиболее часто и могут считаться математическим ожиданием.

Раскрытие сущности изобретения

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в уменьшении вероятности принятия устройством идентификации неправильного решения.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в сравнении реальных контуров пальцев без преобразования формы контура.

Технический результат достигается тем, что в способе биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, заключающемся в регистрации принадлежащего определенной личности по меньшей мере одного эталонного изображения кисти руки с разведенными пальцами, полученного в заданном масштабе и заданном ракурсе, регистрации принадлежащего идентифицируемой личности в том же масштабе и том же ракурсе изображения кисти руки с разведенными пальцами, получении из указанных зарегистрированных изображений сравниваемых параметров, сравнении параметров указанных зарегистрированных изображений, согласно изобретению, из вышеуказанных изображений выделяют контуры кисти руки, на контурах для каждой стороны каждого пальца выделяют участок, ограниченный точками, расположенными вблизи концов пальцев и межпальцевых промежутков. На каждом участке выбирают набор точек, находящихся на равном расстоянии друг от друга. Формируют данные о наборах точек в виде, однозначно определяющем взаимное расположение точек в наборе. Аппроксимируют выделенные наборы точек прямыми. Определяют углы между прямыми, аппроксимирующими наборы точек двух сторон пальца. На каждой аппроксимирующей прямой выделяют точку, ближайшую к точке, ограничивающей участок контура со стороны конца пальца, и определяют расстояние между выделенными точками для двух сторон каждого пальца. Определяют различие между соответствующими наборами точек определенной личности и идентифицируемой личности. Определяют различие углов между прямыми, аппроксимирующими наборы точек двух сторон соответствующих пальцев, для определенной личности и идентифицируемой личности. Определяют различие расстояний между точками на аппроксимирующих прямых, ближайшими к точкам, ограничивающим участки контуров со стороны концов пальцев, для определенной личности и идентифицируемой личности.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано изображение кисти руки.

На фиг. 2 показан контур кисти руки для изображения на фиг. 1.

На фиг. 3 показаны участки контуров пальцев, используемые для идентификации.

На фиг. 4 показаны наборы точек для одного из пальцев, используемые для идентификации, а также дополнительные биометрические параметры.

Осуществление изобретения

Способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки заключается в том, что сначала регистрируют принадлежащее определенной личности по меньшей мере одно изображение кисти руки с разведенными пальцами, полученное в заданном масштабе и заданном ракурсе (фиг. 1). Изображение большого пальца не используется, поскольку форма контура большого пальца может сильно меняться. Затем регистрируют принадлежащее идентифицируемой личности в том же масштабе и том же ракурсе изображение кисти руки с разведенными пальцами. Для каждого изображения получают сравниваемые параметры и сравнивают параметры указанных зарегистрированных изображений.

Сравниваемые параметры получают следующим образом. Из каждого изображения любым известным способом, например, пороговым или градиентным, выделяют контур 1 кисти руки (фиг. 2) в виде точек, принадлежащих контуру и расположенных на расстоянии, удобном для использования в алгоритме идентификации (например, 1 мм).

На контуре 1 (фиг. 2) для каждой стороны каждого пальца выделяют участок 2 (фиг. 3), ограниченный точками 3, расположенными на концах пальцев, и точками 4, расположенными на концах межпальцевых промежутков для среднего, безымянного и внутренних сторон мизинца и указательного пальца. На внешних сторонах указательного пальца и мизинца точки 4 выбирают таким образом, чтобы длина участков 2 на них была равна длине участка 2 на контурах внутренних сторон этих пальцев или несколько больше. Точки на участках контура выбирают таким образом, чтобы участок был максимально большим, но не включал зону (например, 8 мм от конца пальца), где ногтевая пластина может выступать за границу пальца, и зону (например, 5 мм), прилегающую к межпальцевому промежутку, поскольку контуры в этих зонах имеют нестабильную форму.

На каждом участке выбирают набор точек (фиг. 4), находящихся на равном расстоянии d друг от друга. Задают либо расстояния между соседними точками, либо количество точек в наборах. Затем формируют данные о наборах этих точек в виде, однозначно определяющем взаимное расположение точек в каждом наборе, например, указывают расстояния Ln точек в наборе от прямой 5, аппроксимирующей набор точек по методу наименьших квадратов и задаваемой формулой

Параметры а и b вычисляют по известным формулам:

где x_i и y_i - координаты i-ой точки в наборе, n - количество точек в наборе.

Для количественной оценки различия форм участков контуров пальцев определенной личности и идентифицируемой личности, заданных наборами точек с фиксированным расстоянием между соседними точками, определяют квадрат евклидова расстояния в n-мерном пространстве между наборами, где n - количество точек в наборе.

Перед вычислением расстояний наборы точек для каждой стороны каждого пальца определенной личности и идентифицируемой личности располагают друг относительно друга таким образом, чтобы квадрат евклидова расстояния был минимальным. Для этого сначала располагают точки сравниваемых наборов в одной системе координат таким образом, чтобы ординаты точек, ближайших к концу пальца, совпадали. В качестве абсцисс используют, например, расстояния точек от аппроксимирующих прямых. Затем вычисляют новые координаты точек одного из наборов (например, идентифицируемой личности), при которых взаимное расположение точек в наборе сохранится, а квадрат евклидова расстояния между наборами будет минимальным. Для этого необходимо повернуть набор точек идентифицируемой личности на некоторый угол и сместить на некоторую величину вдоль оси абсцисс. Для упрощения вычислений принимают допущение, что ординаты соответствующих точек в соответствующих наборах определенной личности и идентифицируемой личности совпадают и при малых углах поворота ординаты y_i точек набора идентифицируемой личности не меняются. Новые значения вычисляют по формуле

Значения end находят из условия минимума суммы

по формулам:

где - координаты i-ой точки эталонного набора.

Затем находится сама эта сумма (квадрат евклидова расстояния, ) по формуле (10).

где x_i - абсциссы точек эталонного набора,

- абсциссы точек набора идентифицируемой личности.

При необходимости упрощения вычислений в качестве меры отличия между наборами точек используют величину:

Где p_i и q_i - расстояния соответствующих точек соответствующих наборов точек идентифицируемой личности и определенной личности от прямой, аппроксимирующей набор методом наименьших квадратов.

Наборы точек для сторон пальцев идентифицируемой личности можно рассматривать как n-мерные случайные векторы, а эталонные наборы, полученные из изображения кисти руки определенной личности, можно рассматривать как математические ожидания. Для оценки величины отличия набора точек стороны пальца идентифицируемой личности от эталонного набора могут быть использованы квадраты расстояний между наборами точек, соотнесенные с количеством точек в наборе (Е.С. Вентцель, Теория вероятностей, издание четвертое, стереотипное, издательство НАУКА, М., 1969, стр. 315, 316):

статистическая дисперсия

или

• исправленная (несмещенная) дисперсия

Полученную величину сравнивают с заданной пороговой величиной.

Кроме того, определяют различие углов α между прямыми 5, аппроксимирующими наборы точек двух сторон соответствующих пальцев для определенной личности и идентифицируемой личности, а также различие расстояний W между точками 6 на аппроксимирующих прямых 5, ближайшими к точкам 3, ограничивающим участки контуров со стороны концов пальцев, для определенной личности и идентифицируемой личности.

Дополнительными биометрическими параметрами могут служить длины выбранных участков контуров на сторонах пальцев. Можно поступать следующим образом: при определении различий наборов точек, полученных из изображения кисти руки определенной личности, и соответствующих наборов точек, полученных из изображения кисти руки идентифицируемой личности, сравнивают длины выбранных участков контуров на сторонах пальцев и если длина какого-либо участка контура идентифицируемой личности отличается от длины соответствующего участка контура определенной личности более, чем на заданную величину, то делают вывод, что рука не принадлежит определенной личности и остальные сравнения не производят.

Оценки можно использовать по отдельности для каждой стороны каждого пальца и отклонять доступ при превышении заданной пороговой величины хотя бы для одной стороны одного пальца. Можно вычислять и сравнивать с пороговой величиной сумму отклонений для двух сторон пальца. Можно вычислять и сравнивать с пороговой величиной сумму отклонений для всех пальцев. Значения отклонений по углам между аппроксимирующими прямыми и по расстояниям между точками на этих прямых могут использоваться по отдельности, либо добавляться с весовыми коэффициентами к расстояниям между наборами точек.

Ни один из методов выбора точек контура, ограничивающих участки контура на сторонах пальцев, не гарантирует, что при каждом предъявлении руки одного и того же человека будут выбраны одни и те же ограничивающие точки, поэтому проводят дополнительные сравнения участков контуров, полученных из изображения кисти руки идентифицируемой личности, смещенные по контуру относительно первоначально выбранных участков на заданную величину (например, на 1 мм и 2 мм) в одну и в другую стороны. Для идентификации используют наименьшие величины отличия.

В предложенном способе сравниваются реальные формы контуров пальцев без каких-либо преобразований. Способ позволяет различить пальцы, имеющие одинаковую ширину в заданных точках, но отличающиеся формой, следовательно, уменьшает вероятность пропуска нарушителя.

Для получения эталонных наборов точек возможен также следующий способ. Регистрируют несколько изображений определенной личности, из каждого изображения выделяют наборы точек на контуре, сравнивают с соответствующими наборами точек остальных изображений и выбирают в качестве эталонных наборы точек, которые имеют наименьшую сумму отличий от остальных наборов. Такой способ получения эталонных наборов точек уменьшает вероятность ложной тревоги.

Таким образом, уменьшается вероятность принятия устройством идентификации неправильного решения, т.е. решается поставленная задача.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «Новизна».

Новые признаки не были выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

Промышленная применимость

В системе контроля доступа РФЯЦ-ВНИИТФ применяется устройство идентификации по геометрии кисти руки под названием «ГЕОР», в котором используется вышеописанный способ. Использование подтвердило заявленный здесь технический результат.

Представленные сведения свидетельствуют, что заявленное изобретение соответствует условию «Промышленная применимость».

Изобретение относится к распознаванию образов. Предложен способ, в котором регистрируют эталонное изображение в заданном масштабе и заданном ракурсе силуэта кисти руки определенной личности с разведенными пальцами, регистрируют в том же масштабе и том же ракурсе изображение силуэта кисти руки идентифицируемой личности с разведенными пальцами и после обработки указанных зарегистрированных изображений сравнивают их параметры. Задача решается благодаря тому, что сравнивают формы контуров пальцев без каких-либо преобразований. Для количественной оценки различия контуров используется квадрат евклидова расстояния. Изобретение позволяет уменьшить вероятность принятия устройством идентификации неправильного решения, т.е. уменьшить вероятности пропуска нарушителя и ложной тревоги. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ биометрической идентификации личности по параметрам кисти руки, заключающийся в том, что регистрируют принадлежащее определенной личности по меньшей мере одно изображение кисти руки с разведенными пальцами, регистрируют принадлежащее идентифицируемой личности в том же масштабе и том же ракурсе изображение кисти руки с разведенными пальцами, для каждого изображения определяют сравниваемые параметры, сравнивают параметры указанных зарегистрированных изображений, отличающийся тем, что из вышеуказанных изображений выделяют контуры кисти руки, на контурах кисти руки для каждой стороны каждого пальца выделяют участок, ограниченный точками, расположенными на концах пальцев и межпальцевых промежутков, причем сравниваемые параметры включают в себя выбираемые на каждом участке наборы точек, находящихся на равном расстоянии друг от друга, формируют данные о наборах точек в виде, однозначно определяющем взаимное расположение точек в наборах, определяют различие между наборами точек, полученных из изображения кисти руки определенной личности, и соответствующих наборов точек, полученных из изображения кисти руки идентифицируемой личности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении различий между наборами точек располагают их друг относительно друга таким образом, чтобы квадраты евклидовых расстояний между соответствующими наборами были минимальными, и определяют их.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении различий между наборами точек определяют расстояния каждой точки от прямой, аппроксимирующей набор точек, методом наименьших квадратов, и для каждой пары наборов точек определенной личности и идентифицируемой личности определяют сумму квадратов разностей вышеуказанных расстояний соответствующих точек определенной личности и идентифицируемой личности.

4. Способ по п. 2 и 3, отличающийся тем, что при определении различий наборов точек величины, характеризующие различия наборов точек, делят на количество точек в наборе.

5. Способ по п. 2 и 3, отличающийся тем, что при определении различий наборов точек величины, характеризующие различия наборов точек, делят на количество точек в наборе минус единица.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении различий между наборами точек определяют различие углов между прямыми, аппроксимирующими наборы точек двух сторон соответствующих пальцев для определенной личности и идентифицируемой личности,

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении различий между наборами точек определяют различие расстояний между точками на аппроксимирующих прямых двух сторон каждого пальца, ближайшими к точкам, ограничивающим участки контура со стороны конца пальца.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении различий между наборами точек учитывают отличие в количестве точек в наборе, если задано расстояние между точками.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании данных о наборах точек из каждого изображения выделяют наборы точек на контуре, сравнивают их с соответствующими наборами точек остальных изображений и выбирают в качестве эталонных наборов точек те наборы, которые имеют наименьшую сумму отличий от остальных наборов.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении различий между наборами точек сравнивают длины выбранных участков контуров на сторонах пальцев, и если длина какого-либо участка контура идентифицируемой личности отличается от длины соответствующего участка контура определенной личности более чем на пороговую величину, то делают вывод, что рука не принадлежит определенной личности и остальные сравнения не производят.