[发明专利]用于散焦测距成像的系统和方法

说明书

技术领域

本发明根据国土安全部授予的批准号HSHQDC-10-C-00083以政府支持进行。政府在本发明中具有某些权利。

一般来说，本发明的实施例涉及散焦测距成像（depth from defocus imaging）的系统和方法，以及更具体来说，涉及非接触式多指纹采集装置。

背景技术

众所周知，指纹的图案和几何形状对于每个个人都是不同的，并且是随时间不会改变的。因此，指纹用作个人的极准确标识符，因为他们依靠不可改变的物理属性。指纹的分类通常基于诸如弓形、环形或螺旋之类的某些特性，其中最独特的特性是存在于脊纹中的细节、分叉或末梢以及脊纹流向（ridge flow）的整体形状。

传统上，指纹通过墨水和纸张来得到，其中受检者用墨水覆盖其手指表面，并且将其手指在纸张或类似表面上按压/滚动，以便产生滚压指纹。近来，开发了各种电子指纹扫描系统，它们利用光学指纹图像捕获技术来得到指纹的图像。这类电子指纹扫描系统通常采取基于接触的指纹读取器，这类读取器要求受检者的手指放置成接触屏幕，并且然后在屏幕上物理地滚动，以便提供光学获取的完全滚压图像指纹。但是，基于接触的指纹读取器具有与其关联的重大缺点。例如，在现场环境中，污垢、油脂或其它碎屑可积累在基于接触的指纹读取器的窗口上，以使得生成不良质量的指纹图像。另外，这类基于接触的指纹读取器提供从一个人到另一个人散布疾病或其它污染的渠道。  

在近来的电子指纹扫描系统中，非接触式指纹读取器在无需受检者的手指与屏幕的物理接触的情况下捕获指纹。目标是使用非接触式成像系统来生成滚压等效指纹图像，其中图像通过透镜来形成。常规成像提供物体的2D表示，而为了生成滚压等效指纹，则要求手指的3D轮廓。对于诸如手指之类的物体，在采用浅景深成像系统来成像时，物体的某些部分焦点对准，而某些部分是散焦的。通常，焦点对准区域是尽可能锐聚焦的物体的区域，而相反，散焦指的是缺乏聚焦，其程度能够在两个图像之间计算。已知系统可使用聚焦测距(DFF)或者散焦测距(DFD)算法来生成物体的景深图（depth map）。  

在一个系统中，非接触式指纹扫描系统通过利用结构化光源来获取手指的图像，并且使用DFF算法来生成3D图像。作为一个示例，在DFF算法中，许多测量在各种焦平面位置进行，并且许多测量用于生成景深图。通常，通过物体或透镜的物理移动，或者通过焦平面的调整(使用已知技术，或者使用在经过其的不同极化角产生焦移的一个或多个双折射透镜)，来得到各种焦平面位置。但是，基于DFF的系统通常要求得到许多测量，并且还可包括调整焦平面以便聚焦于物体以及结构化光源。

对于给定物体，散焦量取决于至少两个参数：1) 物体到透镜的距离，以及2) 透镜特性。如果第二参数(即，透镜特性)为已知，并且系统能够准确地测量散焦量，则能够确定物距。这形成已知DFD算法的基础。

因此，在一些非接触式指纹读取器中，该系统通过利用白光源来获取手指的图像，并且使用DFD算法来生成3D图像。在DFD算法中，散焦函数充当指纹的卷积内核，并且恢复它的最直接方式是通过所得图像块（image patch）的频域分析。本质上，随着散焦量减小，卷积内核的宽度减小，从而引起高频含量的消除。 

DFD算法通常开始于基于多色照明假设的点扩展函数(PSF)的简化高斯或pillbox估计器的假设。通常，物体点在被成像时将会看起来像钟形曲线而不是锐点。描述钟形曲线的形状的函数称作‘PSF’，并且图像检测器上的PSF的形状取决于物体点到透镜的距离以及内部透镜特性。因此，这些假设简化数学推导，并且提供DFD的便捷方式。这类假设成立的程度取决于特定成像系统和照明条件。对于高度校正成像光学器件和白光照明，PSF与高斯或pillbox相似，并且这样假定通常生成具有适当误差的景深估计器。但是，能够表明，基于DFD的景深估计对PSF结构的适当确定极为敏感，并且对其中PSF偏离这种假设的成像系统应用基于高斯(或pillbox)PSF模型的DFD引起不可靠景深估计。也就是说，作为示例，当存在高度像差时，当透镜与物体尺寸相比具有小景深时，当使用准单色光(例如LED)时，或者当使用单色光(例如激光)时，简化模型不会充分描述物理透镜行为。因此，已知DFD系统无法估计物距，并且无法在非接触式系统中准确再现指纹。

因此，期望设计考虑透镜缺陷、在非接触式应用中获取指纹的系统和方法。

发明内容

本发明的实施例针对用于非接触式多指纹采集的系统和方法。