專利名稱：用于散焦測距成像的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明根據(jù)國土安全部授予的批準號HSHQDC-10-C-00083以政府支持進行。政府在本發(fā)明中具有某些權利。一般來說,本發(fā)明的實施例涉及散焦測距成像(depth from defocus imaging)的系統(tǒng)和方法，以及更具體來說，涉及非接觸式多指紋采集裝置。
背景技術：
眾所周知，指紋的圖案和幾何形狀對于每個個人都是不同的，并且是隨時間不會改變的。因此，指紋用作個人的極準確標識符，因為他們依靠不可改變的物理屬性。指紋的分類通常基于諸如弓形、環(huán)形或螺旋之類的某些特性，其中最獨特的特性是存在于脊紋中的細節(jié)、分叉或末梢以及脊紋流向(ridge flow)的整體形狀。傳統(tǒng)上，指紋通過墨水和紙張來得到，其中受檢者用墨水覆蓋其手指表面，并且將其手指在紙張或類似表面上按壓/滾動，以便產(chǎn)生滾壓指紋。近來，開發(fā)了各種電子指紋掃描系統(tǒng)，它們利用光學指紋圖像捕獲技術來得到指紋的圖像。這類電子指紋掃描系統(tǒng)通常采取基于接觸的指紋讀取器，這類讀取器要求受檢者的手指放置成接觸屏幕，并且然后在屏幕上物理地滾動，以便提供光學獲取的完全滾壓圖像指紋。但是，基于接觸的指紋讀取器具有與其關聯(lián)的重大缺點。例如，在現(xiàn)場環(huán)境中，污垢、油脂或其它碎屑可積累在基于接觸的指紋讀取器的窗口上，以使得生成不良質(zhì)量的指紋圖像。另外，這類基于接觸的指紋讀取器提供從一個人到另一個人散布疾病或其它污染的渠道。
在近來的電子指紋掃描系統(tǒng)中，非接觸式指紋讀取器在無需受檢者的手指與屏幕的物理接觸的情況下捕獲指紋。目標是使用非接觸式成像系統(tǒng)來生成滾壓等效指紋圖像，其中圖像通過透鏡來形成。常規(guī)成像提供物體的2D表示，而為了生成滾壓等效指紋，則要求手指的3D輪廓。對于諸如手指之類的物體，在采用淺景深成像系統(tǒng)來成像時，物體的某些部分焦點對準，而某些部分是散焦的。通常，焦點對準區(qū)域是盡可能銳聚焦的物體的區(qū)域，而相反，散焦指的是缺乏聚焦，其程度能夠在兩個圖像之間計算。已知系統(tǒng)可使用聚焦測距(DFF)或者散焦測距(DFD)算法來生成物體的景深圖(cbpth map)。
在一個系統(tǒng)中，非接觸式指紋掃描系統(tǒng)通過利用結(jié)構(gòu)化光源來獲取手指的圖像，并且使用DFF算法來生成3D圖像。作為一個示例，在DFF算法中，許多測量在各種焦平面位置進行，并且許多測量用于生成景深圖。通常，通過物體或透鏡的物理移動，或者通過焦平面的調(diào)整(使用已知技術，或者使用在經(jīng)過其的不同極化角產(chǎn)生焦移的一個或多個雙折射透鏡)，來得到各種焦平面位置。但是，基于DFF的系統(tǒng)通常要求得到許多測量，并且還可包括調(diào)整焦平面以便聚焦于物體以及結(jié)構(gòu)化光源。對于給定物體，散焦量取決于至少兩個參數(shù):1)物體到透鏡的距離，以及2)透鏡特性。如果第二參數(shù)(即，透鏡特性)為已知，并且系統(tǒng)能夠準確地測量散焦量，則能夠確定物距。這形成已知DFD算法的基礎。因此，在一些非接觸式指紋讀取器中，該系統(tǒng)通過利用白光源來獲取手指的圖像，并且使用DFD算法來生成3D圖像。在DFD算法中，散焦函數(shù)充當指紋的卷積內(nèi)核，并且恢復它的最直接方式是通過所得圖像塊(image patch)的頻域分析。本質(zhì)上，隨著散焦量減小，卷積內(nèi)核的寬度減小，從而引起高頻含量的消除。DFD算法通常開始于基于多色照明假設的點擴展函數(shù)(PSF)的簡化高斯或pillbox估計器的假設。通常，物體點在被成像時將會看起來像鐘形曲線而不是銳點。描述鐘形曲線的形狀的函數(shù)稱作‘PSF’，并且圖像檢測器上的PSF的形狀取決于物體點到透鏡的距離以及內(nèi)部透鏡特性。因此，這些假設簡化數(shù)學推導，并且提供DFD的便捷方式。這類假設成立的程度取決于特定成像系統(tǒng)和照明條件。對于高度校正成像光學器件和白光照明，PSF與高斯或pillbox相似，并且這樣假定通常生成具有適當誤差的景深估計器。但是，能夠表明，基于DFD的景深估計對PSF結(jié)構(gòu)的適當確定極為敏感，并且對其中PSF偏離這種假設的成像系統(tǒng)應用基于高斯(或pillbox)PSF模型的DFD引起不可靠景深估計。也就是說，作為示例，當存在高度像差時，當透鏡與物體尺寸相比具有小景深時，當使用準單色光(例如LED)時，或者當使用單色光(例如激光)時，簡化模型不會充分描述物理透鏡行為。因此，已知DFD系統(tǒng)無法估計物距，并且無法在非接觸式系統(tǒng)中準確再現(xiàn)指紋。因此，期望設計考慮透鏡缺陷、在非接觸式應用中獲取指紋的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例針對用于非接觸式多指紋采集的系統(tǒng)和方法。按照本發(fā)明的一個方面，成像系統(tǒng)包括:可定位裝置，配置成軸向移動像平面，其中從發(fā)自物體并且經(jīng)過透鏡的光子來生成像平面；檢測器平面，定位成接收經(jīng)過透鏡的物體的光子；以及計算機，編程為將透鏡表征為數(shù)學函數(shù)，以相對于檢測器平面的不同軸向位置的各元素圖像的像平面來獲取物體的兩個或更多元素圖像，基于透鏡的表征并且基于所獲取的兩個或更多元素圖像來確定物體離透鏡的聚焦距離，并且基于所確定距離來生成物體的景深圖。按照本發(fā)明的另一方面，成像方法包括以數(shù)學方式將透鏡表征為數(shù)學函數(shù)，以相對于檢測器的不同軸向位置的物體的像平面來獲取物體的兩個或更多元素圖像，基于透鏡的數(shù)學表征并且基于第一和第二元素圖像來確定像平面到物體的聚焦距離以使得像平面位于檢測器處，以及基于該確定來生成物體的景深圖。按照本發(fā)明的又一方面，一種非暫時計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲了包含指令的計算機程序，指令在由計算機運行時使計算機得出透鏡的光瞳函數(shù)，在相對于檢測器的物體的像平面的不同位置獲取物體的元素圖像，基于光瞳函數(shù)并且基于物體的第一塊的所獲取元素圖像來確定放置物體的第一塊的像平面的位置，以及基于該確定來生成物體的景深圖。通過以下詳細描述和附圖，使各種其它特征和優(yōu)點將會顯而易見。


附圖示出當前考慮用于執(zhí)行本發(fā)明的優(yōu)選實施例。附圖中:
圖1示出典型指紋譜。
圖2示出典型指紋圖像的示范徑向頻譜(radial frequency spectrum)。圖3示出具有不同模糊等級的圖像的第一徑向譜和第二徑向譜。圖4示出使用示范高斯內(nèi)核來使一個圖像模糊的效果。圖5示出參照本發(fā)明的實施例、用于識別透鏡中的平面的坐標系。圖6示出按照本發(fā)明、使用散焦測距(DFD)來校正圖像的方法。
具體實施例方式按照本發(fā)明，使用支配透鏡行為的數(shù)學模型。該模型受到物距和透鏡的物理特性(即，像差、焦距等)影響。組合來自焦平面(DFF)和來自散焦量(DFF)的信息，以便產(chǎn)生景深圖。下面是按照本發(fā)明的實施例的非接觸式指紋成像系統(tǒng)的算法的描述。但是，本發(fā)明并不局限于這種系統(tǒng)，而是預期所公開的本發(fā)明可以可適用于使用來自一組輕微散焦圖像的被動景深估計的任何成像系統(tǒng)，例如用于工業(yè)應用中的檢驗的3D顯微鏡輪廓測定、3D管道鏡成像、3D就地醫(yī)療成像、3D消費級相機(具有適當焦移透鏡)、3D目標識別的被動成像(國防或安全工業(yè))等。圖1示出可從普通指紋得到并且使用傅立葉變換來生成的典型指紋譜100，這是本領域已知的。在典型指紋以及在頻域中，顯然，圖像呈現(xiàn)在譜數(shù)據(jù)中表示為不連貫濃度或暈輪102的獨特周期性。因此，在景深估計方面的有用信息能夠在指紋成像中基于這種已知周期性來提取。
DC分量104(在圖1的譜數(shù)據(jù)中心附近)可與對稱的并且能夠歸因于指紋標記的高頻暈輪102分離。譜能夠變換成極坐標，以便使用下式在徑向頻率(radial frequency)軸上生成投影:
權利要求
1.一種成像系統(tǒng)，包括: 可定位裝置，配置成軸向移動像平面，其中從發(fā)自物體并且經(jīng)過透鏡的光子來生成所述像平面； 檢測器平面，定位成接收經(jīng)過所述透鏡的所述物體的光子；以及 計算機，編程為: 將所述透鏡表征為數(shù)學函數(shù)； 以相對于所述檢測器平面的不同軸向位置的各元素圖像的所述像平面來獲取所述物體的兩個或更多元素圖像； 基于所述透鏡的表征并且基于所獲取的所述兩個或更多元素圖像來確定物體離所述透鏡的聚焦距離；以及 基于所述所確定距離來生成物體的景深圖。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機在編程為表征所述透鏡時還編程為將所述透鏡表征為透鏡像差剖面的函數(shù)以及作為對相對于所述透鏡定位在不同位置的點源的響應的點擴展函數(shù)(PSF)。
3.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機編程為將所述PSF建模為采取多個多項式形式來表示的所述成像系統(tǒng)的光瞳函數(shù)的傅立葉變換。
4.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述多個多項式是高達三階像差的澤爾尼克多項式。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述物體是手指，并且所述物體的所述兩個或更多元素圖像包括所述手指的指紋的至少兩個塊。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機編程為使用所述兩個元素圖像之間的功率譜比來確定所述物距。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，當所述物體為三維物體時，則所述功率譜比確定在所述兩個或更多元素圖像的兩個元素圖像中的關聯(lián)塊之間。
8.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機編程為使用傅立葉變換來確定所述功率譜比。
9.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述計算機編程為: 計算與所述第一元素圖像對應的光瞳函數(shù)的第一值； 計算與所述第二元素圖像對應的所述光瞳函數(shù)的第二值； 確定所述函數(shù)的第一值與所述函數(shù)的第二值的比率；以及 使下列項之間的差為最小: 所述第一值與所述第二值的比率；以及 所述功率譜比； 其中通過以數(shù)學方式搜索實現(xiàn)極小化的從所述物體到所述透鏡的距離來使所述差為最小。
10.一種成像方法，包括: 以數(shù)學方式將透鏡表征為數(shù)學函數(shù)； 以相對于檢測器的不同軸向位置的物體的像平面來獲取所述物體的兩個或更多元素圖像；基于所述透鏡的所述數(shù)學表征并且基于所述第一和第二元素圖像來確定所述像平面到所述物體的第一聚焦距離，使得所述像平面位于所述檢測器處；以及基于所述確定來生成所述物體的景深圖。
11.如權利要求10所述的方法，其中，以數(shù)學方式表征所述透鏡包括以數(shù)學方式將所述透鏡表征為基于所述透鏡的像差剖面并且基于對相對于所述透鏡定位在不同位置的點源的響應的數(shù)學函數(shù)。
12.如權利要求10所述的方法，其中，所述第一聚焦距離是到所述物體的第一塊的距離，并且所述方法還包括: 基于所述透鏡的數(shù)學表征并且基于所述兩個或更多元素圖像來確定所述物平面到所述物體的第二聚焦距離，其中所述第二聚焦距離是到所述物體的第二塊的距離；以及使用所述物體的所述第一塊和所述物體的所述第二塊來生成所述景深圖。
13.如權利要求10所述的方法，其中，以數(shù)學方式表征所述透鏡還包括: 將點擴展函數(shù)(PSF)建模為所述成像系統(tǒng)光瞳函數(shù)的傅立葉變換；以及 將所述光瞳函數(shù)表不為一個或多個多項式。
14.如權利要求13所述的方法，其中，表示所述光瞳函數(shù)還包括將所述光瞳函數(shù)表示為高達三階像差的一個或多個澤爾尼克多項式。
15.如權利要求10所述的方法，包括: 使用對于所述兩個或更多元素圖像中的兩個所確定的功率譜的比率來確定所述兩個或更多元素圖像的元素圖像比；以及 確定所述物體的所述像平面 的第一焦距包括使用所述元素圖像比。
16.如權利要求15所述的方法，包括使用所述兩個或更多元素圖像中的兩個的傅立葉變換來確定所述元素圖像比。
17.如權利要求15所述的方法，包括: 計算與所述兩個或更多元素圖像的第一元素圖像對應的所述數(shù)學函數(shù)的第一值； 計算與所述兩個或更多元素圖像的第二元素圖像對應的所述數(shù)學函數(shù)的第二值； 計算所述第一值與所述第二值的數(shù)學函數(shù)比；以及 通過在計算所述數(shù)學函數(shù)的第一值和所述數(shù)學函數(shù)的第二值時以數(shù)學方式改變從所述物體到所述透鏡的距離，來使所述元素圖像比與所述數(shù)學函數(shù)比之間的差為最小。
18.一種非暫時計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲了包含指令的計算機程序，所述指令由計算機運行時使所述計算機: 得出透鏡的光瞳函數(shù)； 在相對于檢測器的物體的像平面的不同位置來獲取所述物體的元素圖像； 基于所述光瞳函數(shù)并且基于所述物體的所述第一塊的所獲取元素圖像來確定放置所述物體的所述第一塊的像平面的位置；以及基于所述確定來生成所述物體的景深圖。
19.如權利要求18所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述計算機編程為通過編程為將所述透鏡的焦點表征為基于所述透鏡的像差剖面并且基于點源與所述透鏡之間的距離的數(shù)學函數(shù)，來得出所述透鏡的光瞳函數(shù)。
20.如權利要求18所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述物體是手指，并且所述所獲取元素圖像包括所述手指的指紋的至少兩個塊。
21.如權利要求18所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，使所述計算機通過將所述透鏡建模為透鏡像差剖面的函數(shù)并且將所述透鏡建模為作為對相對于所述透鏡定位在不同位置的點源的響應的點擴展函數(shù)(PSF)，來得出所述透鏡的光瞳函數(shù)。
22.如權利要求21所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述計算機編程為通過將所述透鏡建模為表示為一個或多個澤爾尼克多項式的所述成像系統(tǒng)的光瞳函數(shù)的傅立葉變換，來將所述透鏡建模為PSF。
23.如權利要求18所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，使所述計算機: 使用所述第一塊的所獲取元素圖像中的兩個的功率譜的比率來計算元素圖像比；以及 使用所述元素圖像比來確定放置所述第一塊的像平面的位置。
24.如權利要求23所述的計算機可讀存儲介質(zhì)，其中，所述計算機編程為: 計算與所述所獲取元素圖像的第一元素圖像對應的所述光瞳函數(shù)的第一值； 計算與所述所獲取元素圖像的第二元素圖像對應的所述光瞳函數(shù)的第二值； 確定所述光瞳函數(shù)的第一值與所述光瞳函數(shù)的第二值的光瞳函數(shù)比；以及 使下列項之間的差為最小: 所述光瞳函數(shù)比；以及 所述元素圖像比； 其中通過以數(shù)學方式確定實現(xiàn)所述極小化的從所述物體到所述透鏡的出瞳的距離來使所述差為最小。
全文摘要
成像系統(tǒng)包括可定位裝置，配置成軸向移動像平面，其中從發(fā)自物體并且經(jīng)過透鏡的光子來生成像平面；檢測器平面，定位成接收經(jīng)過透鏡的物體的光子；以及計算機，編程為將透鏡表征為數(shù)學函數(shù)，以相對于檢測器平面的不同軸向位置的各元素圖像的像平面來獲取物體的兩個或更多元素圖像，基于透鏡的表征并且基于所獲取的兩個或更多元素圖像來確定物體離透鏡的聚焦距離，并且基于所確定距離來生成物體的景深圖。
文檔編號G06K9/00GK103116739SQ201210286078
公開日2013年5月22日 申請日期2012年8月13日 優(yōu)先權日2011年10月13日
發(fā)明者M.M.達內(nèi)什帕納, K.G.哈丁, G.阿布拉莫維奇, D.C.格雷 申請人:通用電氣公司