CN112257675A - 一种旋转拍摄的非接触式指纹采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，包括：手指放置机构、旋转机构、安装在旋转机构上的线阵相机；手指放置机构用于固定放置手指；旋转机构带动线阵相机围绕手指放置机构上的手指周向进行旋转，并触发线阵相机在旋转过程中对手指指纹面进行扫描拍摄。旋转拍摄的方式可以直接获得手指指纹面的2D指纹图像，得到更高的图像质量，获得更大面积的指纹图像，保证的指纹的真实有效性，更加贴近GA标准的要求。

Description

一种旋转拍摄的非接触式指纹采集装置

技术领域

本发明属于指纹采集领域，涉及一种旋转拍摄的非接触式指纹采集装置。

背景技术

用于公安系统、安防、海关和出入境的大多数传统指纹图像采集系统依赖于手指与指纹采集设备之间的物理接触。当需要高质量、完整、大面积指纹时，手指需要按在指纹采集设备上，从一侧滚动到另一侧，以增加总接触面积。当这样的设备被不熟练和不顺从的被采集人使用时，用于采集的附加力经常导致指纹的较大变形和失真，并且被采集人可能在采集过程中有意或无意识的移动手指导致所采集的指掌纹图像变模糊，从而采集失败。这些问题很大程度上增加了采集大面积和高质量指纹的难度和时间，导致用户体验效果差。接触式指纹采集仪不仅采集速度慢，同时也引起了人们对卫生方面的顾虑。

一些非接触式指纹采集方法，如通过多部面阵相机或3D深度相机(如双目相机或三目立体相机)与结构光结合拍摄后，图像还需再经大量后期软件处理和调整(如进行3D建模再展开转为2D图像或图像拼接方法等)，其生成的图像还会出现拼接痕迹以及图像与实物匹配存在较大的差异。这些非接触式指纹仪采集的指纹图像质量不够好，所采集的指纹面积有限，并且存在可靠性问题。另外，GA标准中规定的刑侦指纹采集是采用滚动式指纹采集方法，而目前非接触指纹采集采用复杂的算法建模转换拼接得到的指纹图像与滚动式指纹采集获得的指纹图像存在较大差异，影响了指纹的真实有效性，可能达不到GA标准要求的指纹质量。

发明内容

本发明目的是：提供一种通过线阵相机围绕指纹面旋转拍摄指纹的非接触式指纹采集装置，通过围绕指纹面旋转可以全方位扫描拍摄指纹，直接获得手指指纹面2D指纹图像，得到更高的图像质量，获得更大面积的指纹图像。

本发明的技术方案是：一种旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，所述非接触式指纹采集装置包括：手指放置机构、旋转机构、安装在所述旋转机构上的线阵相机；

所述手指放置机构用于固定放置手指；

所述旋转机构带动所述线阵相机围绕所述手指放置机构上的手指周向进行旋转，并触发所述线阵相机在旋转过程中对手指指纹面进行扫描拍摄。

其进一步的技术方案是：所述非接触式指纹采集装置还包括：预设好角度的照明光柱；

所述照明光柱与所述线阵相机一体安装于所述旋转机构上；所述旋转机构带动所述照明光柱和所述线阵相机同步旋转；所述照明光柱在旋转过程中始终对准所述线阵相机的拍摄区域。

其进一步的技术方案是：所述旋转机构包括安装平台、步进电机、同步轮、同步带、编码脉冲触发器；

所述步进电机的输出轴安装所述同步轮和所述编码脉冲触发器，所述同步带连接所述安装平台和所述同步轮；所述编码脉冲触发器根据所述步进电机的转动发送脉冲触发信号，用于触发所述线阵相机进行扫描拍摄；所述步进电机带动所述同步轮转动，所述同步轮带动所述同步带传动，所述同步带带动所述安装平台转动，所述安装平台用于安装所述线阵相机和所述照明光柱。

其进一步的技术方案是：所述旋转机构的旋转行程角度大于所述线阵相机的拍摄行程角度；

所述旋转机构的旋转行程角与所述线阵相机的拍摄行程角关于垂直于手指正指纹面的轴线对称。

其进一步的技术方案是：所述旋转机构的旋转行程角度在200°±10°，所述线阵相机的拍摄行程角度在170°±10°。

其进一步的技术方案是：所述线阵相机的镜头所在平面与手指轴线方向之间预设预定角度，所述线阵相机靠近指尖的一侧向指尖倾斜。

其进一步的技术方案是：所述手指放置机构包括手指摆放支架以及圆弧形软胶手指卡位装置，所述圆弧形软胶手指卡位装置用于将手指卡在所述手指摆放支架上，所述手指摆放支架上设有与手指前端位置对应的活动模板，所述活动模板在手指摆放到位启动扫描时自动抽离。

其进一步的技术方案是：所述非接触式指纹采集装置还包括：不同尺寸的环形指套，所述环形指套用于套在手指关节上，不同尺寸的环形指套的外圈与所述手指放置机构匹配，不同尺寸的环形指套的内圈分别匹配不同粗细的手指尺寸，所述环形指套套在手指上的位置对应所述圆弧形软胶手指卡位装置的位置。

其进一步的技术方案是：所述非接触式指纹采集装置还包括：吸盘装置，所述吸盘装置对应手指的指背位置，所述吸盘装置通过负压产生的吸力固定手指指背。

其进一步的技术方案是：所述非接触式指纹采集装置还包括：壳体；

所述手指放置机构和所述旋转机构安装于所述壳体内的支撑结构上，所述壳体的外部设有手指放置通道，所述手指放置机构从所述手指放置通道自动弹出及自动复位。

本发明的优点是：

1．通过线阵相机围绕指纹面旋转来全方位扫描拍摄指纹，避免了因采用多部面阵相机或3D深度相机拍摄后，图像还需要再经过大量后期软件处理和调整导致的图像拼接哼唧以及图像与实物匹配的较大差异的问题，可以直接获得手指指纹面的2D指纹图像，得到更高的图像质量，获得更大面积的指纹图像；并且通过保持手指不动，旋转线阵相机对指纹进行拍摄的方式，更加贴近GA标准中滚动式指纹采集的方法，不仅解决了算法建模得到的指纹图像与滚动式指纹采集获得的指纹图像存在较大差异的问题，保证的指纹的真实有效性，而且达到GA标准要求的指纹质量；

2.通过将线阵相机的镜头所在平面与手指轴线方向之间预设预定角度，向着指尖倾斜，从而可以在线阵相机旋转拍摄过程中兼顾手指指尖的纹路，获得更大面积的指纹图像，使得扫描得到的指纹图像更加完整；

3.通过设置不同尺寸的环形指套，由于环形指套的外圈与手指放置机构匹配，内圈适用于不同粗细的手指尺寸，因此对于不同的手指尺寸，都可以在手指放置机构上保持固定，避免手指在采集过程中移动，保证了指纹采集的图像质量；

4.通过吸盘装置固定手指指背，可以进一步保持手指的固定不动，保证了指纹采集的图像质量。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本申请提供的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置的示意图；

图2是本申请一个实施例提供的旋转机构的示意图；

图3是本申请另一个实施例提供的旋转机构的示意图；

图4是本申请提供的带壳体的非接触式指纹采集装置的示意图；

图5是本申请提供的指纹采集的示意图；

图6是本申请提供的指纹采集的线阵相机移动示意图；

图7是本申请提供的指纹采集的照明示意图；

图8是本申请提供的指纹采集的手指放置机构的示意图；

图9是本申请提供的带有环形指套的手指放置机构的示意图。

其中：10、手指放置机构；11、手指摆放支架；12、圆弧形软胶手指卡位装置；13、活动模板；14、环形指套；20、旋转机构；21、安装平台；22、同步电机；23、同步带；30、线阵相机；40、照明光柱；50、壳体；51、支撑结构；52、吸盘安装支架。

具体实施方式

实施例：为了解决接触式指纹采集不便，算法计算的指纹失真的问题，本申请提供了一种旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，结合参考图1至图9，该旋转拍摄的非接触式指纹采集装置包括：手指放置机构10、旋转机构20、安装在旋转机构20上的线阵相机30。

手指放置机构10用于固定放置手指；旋转机构20带动线阵相机30围绕手指放置机构10上的手指周向进行旋转，并触发线阵相机30在旋转过程中对手指指纹面进行扫描拍摄。

可选的，非接触式指纹采集装置还包括：预设好角度的照明光柱40。

照明光柱40与线阵相机30一体安装于旋转机构20上；旋转机构20带动照明光柱40和线阵相机30同步旋转；照明光柱40在旋转过程中始终对准线阵相机30的拍摄区域。

照明光柱40预先根据线阵相机30与手指放置机构10的距离以及照明光柱40的安装位置调整好角度，使得照明光柱40与线阵相机30同步旋转，照明光柱40的照明区域始终对准线阵相机30的拍摄区域。如图所示，预设好角度的多个照明光柱40与线阵相机30对准同一个拍摄靶位，以增加光照度。示例性的，图中示出了照明光柱40两种不同的安装位置。

可选的，非接触式指纹采集装置还包括：壳体50。手指放置机构10和旋转机构20安装于壳体50内的支撑结构51上，壳体50的外部设有手指放置通道，手指放置机构10从手指放置通道自动弹出及自动复位。

通过设置壳体50，可以将手指放置机构10、旋转机构20、线阵相机30，以及照明光柱40集成为一体，不仅能够保护各个零部件，而且更加整洁便携。

可选的，旋转机构20包括安装平台21、步进电机22、同步轮、同步带23、编码脉冲触发器。

步进电机22的输出轴安装同步轮和编码脉冲触发器，同步带23连接安装平台21和同步轮；编码脉冲触发器根据步进电机22的转动发送脉冲触发信号，用于触发线阵相机30进行扫描拍摄；步进电机22带动同步轮转动，同步轮带动同步带23传动，同步带23带动安装平台21转动，安装平台21用于安装线阵相机30和照明光柱40。

在实际应用中，可以将步进电机22安装在壳体50的底部，通过同步轮和同步带23带动安装平台21转动，从而带动线阵相机30和照明光柱40整体进行转动。

在实际应用中，可以将同步带23与安装平台21上的弧形机构连接，在同步带23的传动过程中，带动弧形机构按照弧形路线移动，从而带动安装平台21转动。示例性的，安装平台21与弧形机构穿过支撑结构51连接为一体，并在可以在同步带23的带动下同步转动。

编码脉冲触发器与步进电机22的输出轴安装在一起，示例性的，步进电机22的输出轴转动一圈，编码脉冲触发器发送2500个脉冲信号，每个脉冲信号触发线阵相机30拍摄一次，从而在步进电机22带动线阵相机30转动的同时，线阵相机30可以实现连续的拍摄，通常几秒内即可完成指纹面的全部采集。线阵相机30拍摄一次采集的是线图，在旋转过程中连续拍摄的线最后组成面，得到手指指纹图像。采用线阵相机30旋转围绕指纹面拍摄指纹，不仅具有速度更快的优势，一般连续动作采集速度小于3s，而且可以全方位扫描拍摄完整指纹，直接获得手指指纹面的2D指纹图像，得到更高的图像质量，获得更大面积的指纹图像，对于同一手指指纹的多次采集重复性好，优于捺印滚动式指纹采集方式。

线阵相机镜头的光圈具有4-12的F值，其中F值是线阵相机镜头的焦距与入射光瞳的直径的比率，大的F数对应小光圈，增加了景深，因此适应不同手指的粗细，同时仍可采集指纹的清晰图像，但是若F值太大，则过少的光进入相机，导致不能提供足够的照明，因此使用4-12范围内的F值来平衡大的景深和良好照明。

旋转机构20的转动角度已预设，由步进电机22细分控制，使得线阵相机30围绕指纹面平稳旋转，并同步触发拍摄。

需要说明的是，在实际应用中，非接触式指纹采集装置还包括必要的电源装置和控制装置，电源装置用于为各个部件的工作供电，控制装置可以用来控制电机的转动，接收触发信号，控制线阵相机30的拍摄，线阵相机30还可以与上位机连接，将采集到的图像上传至上位机进行进一步的图像处理。

可选的，由于步进电机启动以及刹车停止时会存在抖动的情况，为了保持线阵相机30拍摄的稳定性，采用慢速启动的方式，因此将旋转机构20的旋转行程角度大于线阵相机30的拍摄行程角度；旋转机构20的旋转行程角与线阵相机30的拍摄行程角关于垂直于手指正指纹面的轴线对称。

可选的，旋转机构20的旋转行程角度在200°±10°，线阵相机30的拍摄行程角度在170°±10°。示例性的，如图所示，假设旋转机构20的旋转行程角度为200°，旋转机构20带动线阵相机30从偏离垂直于手指正指纹面的轴线100°的一侧启动，转动15°之后，触发线阵相机30开始拍摄，持续拍摄到偏离垂直于手指正指纹面的轴线85°的位置停止拍摄，旋转机构20带动线阵相机30继续旋转至偏离垂直于手指正指纹面的轴线100°的位置刹车停止转动，从而避开了启动及停止的15°内的行程段，保证了线阵相机30拍摄过程中旋转机构20的稳定性，保证了采集到的指纹图像的质量。

可选的，线阵相机30的镜头所在平面与手指轴线方向之间预设预定角度，线阵相机30靠近指尖的一侧向指尖倾斜。

为了兼顾手指指尖纹路的拍摄，将线阵相机30的镜头略微向指尖倾斜，从而可以同时拍摄手指面的纹路和指尖的纹路，获得更大面积的指纹。示例性的，线阵相机30的镜头所在平面与手指轴线方向之间的夹角为10°左右。

可选的，手指放置机构10包括手指摆放支架11以及圆弧形软胶手指卡位装置12，圆弧形软胶手指卡位装置12用于将手指卡在手指摆放支架11上，手指摆放支架11上设有与手指前端位置对应的活动模板13，活动模板13在手指摆放到位启动扫描时自动抽离。

如图所示，示例性的，圆弧形软胶手指卡位装置12设置在手指摆放支架11上方，当手指摆放在手指摆放支架11上之后，圆弧形软胶手指卡位装置12自动下降压住手指固定手指的位置，保证手指在指纹采集区域内，并且避免了手指在指纹采集过程中移动。

若手指放置机构10设于壳体50内部，手指放置机构10可以从壳体50上的手指放置通道弹出或复位。示例性的，壳体50侧面可以设置与手指放置机构10对应的通孔，作为手指放置通道，手指放置机构10穿过通孔弹出或复位。

手指摆放支架11上设置的活动模板13，可以在手指摆放支架11复位时自动抽离，使得手指头与线阵相机30之间完全没有遮挡，保证了指纹采集的质量。

可选的，非接触式指纹采集装置还包括：不同尺寸的环形指套14，环形指套14用于套在手指关节上，不同尺寸的环形指套14的外圈与手指放置机构10匹配，不同尺寸的环形指套14的内圈分别匹配不同粗细的手指尺寸，环形指套14套在手指上的位置对应圆弧形软胶手指卡位装置12的位置。

环形指套14具有一定厚度，外圈的尺寸一致，可以为椭圆形，与圆弧形软胶手指卡位装置12的圆弧内壁相匹配，内圈设置不同的尺寸，以适应不同的手指粗细。通过环形指套14与手指放置机构10匹配固定，不仅能够保持手指在采集过程中进一步保持位置固定，而且能够控制手指头悬空，避免设备在不同人的使用过程中造成的病菌交叉传播，在指纹采集过程中，由于手指放置区域狭小，难以清理，通过一次性的环形指套14的使用，指纹在采集过程中需要与设备接触的区域通过环形指套间隔开，保持了采集环境的卫生，并且环形指套14可以回收消毒，循环使用。

在实际应用中，手指摆放支架11弹出，指纹采集开始，可以通过语言或显示提示采集指定手指的指纹，在手指套上合适的环形指套14，摆放到准确位置时，圆弧形软胶手指卡位装置12自动下降定位被采集手指，手指摆放支架11自动复位，活动模板13自动抽离，使得被采集手指与线阵相机30之间无任何遮挡，旋转机构20立即启动，带动线阵相机30开始转动扫描采集指纹。

可选的，非接触式指纹采集装置还包括：吸盘装置，吸盘装置对应手指的指背位置，吸盘装置通过负压产生的吸力固定手指指背。

可选的，壳体50内可以设置吸盘安装支架52，吸盘安装支架52上安装有吸盘装置。由于指掌纹采集装置的使用者通常为犯罪嫌疑人，为了避免使用者在采集过程中不配合乱动手指影响指纹采集，还可以在手指上方加装吸盘装置，用于吸住被采集人的手指，避免手指在采集过程中移动。吸盘装置可以对应吸盘和连接的抽气装置，通过抽气装置在吸盘区域产生负压，从而吸住手指，相应的，为了保持设备的卫生，吸盘也可以是一次性使用后更换的。

本申请还提供一种旋转拍摄的非接触式指纹采集方法，应用于上述非接触式指纹采集装置中，该方法可以包括以下步骤：

通过旋转机构带动线阵相机和照明光柱从预设初始位置开始，绕手指放置机构旋转第一预定角度时，控制线阵相机启动扫描拍摄，保持旋转机构的旋转和线阵相机的拍摄，当绕手指放置机构旋转第二预定角度时，控制线阵相机停止扫描拍摄，然后控制旋转机构带动线阵相机和照明光柱在预设停止位置刹车停止；

将线阵相机采集的手指指纹面图像传输到上位机；

通过上位机对手指指纹面图像进行预处理，包括噪声过滤，锐度和饱和度增强；对预处理后的指纹图像进行边缘识别，提取指纹主区域；对区域指纹图像进行归一化灰度值限定，分离前景色和背景色，沿脊线方向增强指纹纹路，去除指纹中的空洞和毛刺，将纹理细化后输出2D指纹图像。

本申请中的非接触式指纹采集装置拍摄输出的是2D指纹图像，已经贴近滚动式指纹采集的真实性，进一步地，可以采用软件的方法对采集的2D指纹图像进行细化，提高指纹图像的质量。

综上所述，本申请提供的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，通过线阵相机围绕指纹面旋转来全方位扫描拍摄指纹，避免了因采用多部面阵相机或3D深度相机拍摄后，图像还需要再经过大量后期软件处理和调整导致的图像拼接哼唧以及图像与实物匹配的较大差异的问题，可以直接获得手指指纹面的2D指纹图像，得到更高的图像质量，获得更大面积的指纹图像；并且通过保持手指不动，旋转线阵相机对指纹进行拍摄的方式，更加贴近GA标准中滚动式指纹采集的方法，不仅解决了算法建模得到的指纹图像与滚动式指纹采集获得的指纹图像存在较大差异的问题，保证的指纹的真实有效性，而且达到GA标准要求的指纹质量；

另外，通过将线阵相机的镜头所在平面与手指轴线方向之间预设预定角度，向着指尖倾斜，从而可以在线阵相机旋转拍摄过程中兼顾手指指尖的纹路，获得更大面积的指纹图像，使得扫描得到的指纹图像更加完整；

另外，通过设置不同尺寸的环形指套，由于环形指套的外圈与手指放置机构匹配，内圈适用于不同粗细的手指尺寸，因此对于不同的手指尺寸，都可以在手指放置机构上保持固定，避免手指在采集过程中移动，保证了指纹采集的图像质量；

另外，通过吸盘装置固定手指指背，可以进一步保持手指的固定不动，保证了指纹采集的图像质量。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述非接触式指纹采集装置包括：手指放置机构、旋转机构、安装在所述旋转机构上的线阵相机；

所述手指放置机构用于固定放置手指；

所述旋转机构带动所述线阵相机围绕所述手指放置机构上的手指周向进行旋转，并触发所述线阵相机在旋转过程中对手指指纹面进行扫描拍摄。

2.根据权利要求1所述的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述非接触式指纹采集装置还包括：预设好角度的照明光柱；

所述照明光柱与所述线阵相机一体安装于所述旋转机构上；所述旋转机构带动所述照明光柱和所述线阵相机同步旋转；所述照明光柱在旋转过程中始终对准所述线阵相机的拍摄区域。

3.根据权利要求2所述的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述旋转机构包括安装平台、步进电机、同步轮、同步带、编码脉冲触发器；

所述步进电机的输出轴安装所述同步轮和所述编码脉冲触发器，所述同步带连接所述安装平台和所述同步轮；所述编码脉冲触发器根据所述步进电机的转动发送脉冲触发信号，用于触发所述线阵相机进行扫描拍摄；所述步进电机带动所述同步轮转动，所述同步轮带动所述同步带传动，所述同步带带动所述安装平台转动，所述安装平台用于安装所述线阵相机和所述照明光柱。

4.根据权利要求1所述的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述旋转机构的旋转行程角度大于所述线阵相机的拍摄行程角度；

所述旋转机构的旋转行程角与所述线阵相机的拍摄行程角关于垂直于手指正指纹面的轴线对称。

5.根据权利要求4所述的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述旋转机构的旋转行程角度在200°±10°，所述线阵相机的拍摄行程角度在170°±10°。

6.根据权利要求1所述的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述线阵相机的镜头所在平面与手指轴线方向之间预设预定角度，所述线阵相机靠近指尖的一侧向指尖倾斜。

7.根据权利要求1所述的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述手指放置机构包括手指摆放支架以及圆弧形软胶手指卡位装置，所述圆弧形软胶手指卡位装置用于将手指卡在所述手指摆放支架上，所述手指摆放支架上设有与手指前端位置对应的活动模板，所述活动模板在手指摆放到位启动扫描时自动抽离。

8.根据权利要求7所述的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述非接触式指纹采集装置还包括：不同尺寸的环形指套，所述环形指套用于套在手指关节上，不同尺寸的环形指套的外圈与所述手指放置机构匹配，不同尺寸的环形指套的内圈分别匹配不同粗细的手指尺寸，所述环形指套套在手指上的位置对应所述圆弧形软胶手指卡位装置的位置。

9.根据权利要求8所述的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述非接触式指纹采集装置还包括：吸盘装置，所述吸盘装置对应手指的指背位置，所述吸盘装置通过负压产生的吸力固定手指指背。

10.根据权利要求1至9任一所述的旋转拍摄的非接触式指纹采集装置，其特征在于，所述非接触式指纹采集装置还包括：壳体；

所述手指放置机构和所述旋转机构安装于所述壳体内的支撑结构上，所述壳体的外部设有手指放置通道，所述手指放置机构从所述手指放置通道自动弹出及自动复位。

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