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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die zum Zwecke
der automatischen Überwachung der Bildaufnahme des Gesichtes
einer Person eine zweidimensionale Darstellung eines Gesichtes vor
der Kamera detektieren können.
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Es
gibt heute viele Anwendungen für die Bildaufnahme des Gesichtes
einer Person in Zusammenhang mit der Erstellung von Ausweisdokumenten,
der Zutrittskontrolle, der Zugangskontrolle bei einer Maschine oder
einem EDV-System und der automatisierten Grenzkontrolle. Oft handelt
es sich dabei um eine unüberwachte Bildaufnahmevorrichtung,
die von der aufzunehmenden Person selbst bedient wird, ohne dass
dieser Vorgang durch einen menschlichen Beobachter überwacht
wird. Eine Person, deren Gesicht fotografiert werden soll, kann
deshalb mit einem Papierfoto oder einem Flachbildschirm ein anderes Gesicht
zur Aufnahme bringen, als das Eigene. Das Vortäuschen eines
anderen Gesichts mit Hilfe einer zuvor aufgezeichneten zweidimensionalen
Darstellung ist mit wenig Aufwand möglich und stellt deshalb bei
Sicherheitsprozessen ein schwerwiegendes Problem dar. Beispiele
hierfür sind die automatisierte Erstellung von Ausweisdokumenten
(z. B.
WO 01/41041
A1 ), die Zugangskontrolle bei einer Maschine (z. B.
DE 10 2004 022 828
A1 oder
US 5,812,067
A ), der Zutrittskontrolle (z. B.
EP 1 306 815 A1 ) und der
automatisierten Grenzkontrolle (z. B.
WO 03/052741 A1 ).
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Um
die Gefahr einer derartigen Täuschung zu verringern, sind
deshalb verschiedene Verfahren entwickelt worden.
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In
DE 198 10 792 A1 ist
ein Verfahren beschrieben, das zum Verifizieren der Authentizität
eines im Rahmen einer Personenerkennung aufgenommenen Bildes eine
Sequenz von zeitlich aufeinander folgenden Einzelbildern der Person
verarbeitet. Die Authentizität des aufgenommenen Bildes wird
angenommen, wenn wenigstens in zwei aufeinander folgenden Einzelbildern
der Sequenz intrinsische Bewegungen, d. h. Bewegungen, die von der
zu erkennenden Person ohne Veränderung ihres Schwerpunkts
bewusst und unbewusst ausgeführt werden, ermittelt werden.
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Eine
Weiterentwicklung des Ansatzes, aus der Bewegung eines Gesichts
auf die ”Lebendigkeit” (liveness) zu schließen,
wird von Kollreider et. al. beschrieben:
K. Kollreider,
H. Fronthaler, M. I. Faraj, and J. Bigun, Real-Time Face Detection
and Motion Analysis with Application in "Liveness" Assessment, IEEE
TRANSACTIONS ON INFORMATION FORENSICS AND SECURITY, Vol. 2, No.
3, Sept. 2007.
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Speziell
die unbewussten Augenbewegungen, die Augenlidbewegungen und die
Sakkaden, werden in verschiedenen wissenschaftlichen Arbeiten für
die Unterscheidung zwischen einem echten Gesicht und einem Gesichtsfoto
genutzt. Die Sakkaden nutzt beispielsweise auch
WO 2007/050187 A2 .
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Das
Patent
US 7,417,727
B2 beschreibt ein Verfahren, bei dem das Gesicht mit Licht
einer Referenz-Wellenlänge bestrahlt wird. Für
diese Referenz-Wellenlänge wird die Reflektanz-Signatur
für lebende Haut durch Kalibrierung bestimmt. Die Prüfung
auf ein lebendes Gesicht erfolgt durch den normierten Vergleich
der Reflektanz-Signaturen der aktuellen Aufnahme mit der Reflektanz-Signatur
für lebende Haut.
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In
WO 2005/008566 A1 wird
eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, bei dem mehrere Bildaufnahmen
desselben Gesichts unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen mit
Hilfe einer steuerbaren Beleuchtungseinheit durchgeführt
werden. Die Entscheidung, ob das aufgenommene Gesicht ein echtes
Gesicht ist, wird aus den Differenzen der einzelnen Bildaufnahmen
ermittelt.
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Ein
offensichtliches Verfahren zur Überprüfung der
räumlichen Beschaffenheit eines Gesichts ist die Aufnahme
mit einem 3-D-Scanner oder mehreren Kameras. Das Patent
US 7,421,097 B2 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Verfahren bei dem das Gesicht einer Person
an einer Kontrollstelle von drei oder mehr Kameras aus verschiedenen
Winkeln aufgenommen wird. Daraus kann ein dreidimensionales Modell
des Gesichts generiert werden. Es ist für den Fachmann
offensichtlich, dass mit einer solchen Vorrichtung und einem Verfahren
zur Generierung eines 3-D-Modells aus verschiedenen Ansichten des
Gesichts, ein Papierfoto oder eine Bildschirm-Darstellung eines
Gesichts einfach detektiert werden kann.
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Die
Aufnahme einer zeitlichen Sequenz von Gesichtsbildern zum Zweck
der Bewegungsanalyse oder der Detektion von einer 3-D-Struktur benötigt
in praktischen Anwendungen deutlich mehr Zeit als die Verarbeitung
einer Einzelbildaufnahme. Außerdem gibt es häufig
Probleme mit Falschentscheidungen, wenn sich die Person nicht bewegt
und die intrinsischen Gesichtsbewegungen nicht signifikant genug sind.
Bei der Verwendung von mehreren Kameras oder speziellen 3-D-Scannern
entstehen höhere Kosten als bei einer Vorrichtung, die
die Bildaufnahme eines Gesichtes mit nur einer Kamera durchführt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit
anzugeben, so dass zuverlässig eine zweidimensionale Darstellung
eines Gesichtes von einer echten Gesichtsaufnahme unterschieden werden
kann, ohne dass dabei eine Bewegung des Gesichts oder von Teilen
des Gesichts vorhanden sein muss und ohne die Verwendung von mehreren Kameras.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zur Detektion einer zweidimensionalen Darstellung bei der Bildaufnahme
des Gesichtes einer Person entsprechend Anspruch 1 gelöst,
bei dem das Gesicht einer Person bzw. einer zweidimensionalen Darstellung
mit einer hochauflösenden Digitalkamera aufgenommen wird.
Mindestens ein digitales Einzelbild wird einer Rechnereinheit zugeführt
und dort mit einem Gesichtsdetektionsverfahren verarbeitet. Dafür
eignen sich alle Verfahren, die ein Gesichtmuster in einem digitalen
Bild detektieren und eingrenzen können, z. B. wie es in
der
DE 198 47 261 A1 angegeben
ist. Das oder die gefundenen Gesichtsmuster im Bild müssen
nun daraufhin untersucht werden, ob sie eine zweidimensionale Darstellung
abbilden oder ein echtes (dreidimensionales) Gesicht.
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Erfindungsgemäß wird
zu diesem Zweck die geringwertigste Bildintensität (kleinster
Grauwert) innerhalb eines vorgegebenen Teilbereichs des untersuchten
Gesichtmusters bestimmt. Der gefundene Wert SWface wird mit einem
in der Rechnereinheit hinterlegten ”Schwarzwert” SWcam
der Kamera verglichen. SWcam ist der Intensitätswert, mit
dem in dem digitalen Bild der Kamera eine Oberfläche abgebildet
wird, die das Licht vollständig absorbiert. Swface, der ”Schwarzwert
des Gesichts”, ist der Intensitätswert in dem
digitalen Bild der Kamera, der im Bereich eines detektierten Gesichts,
z. B. in dem Bereich der von dem Gesichtsdetektionsverfahren eingegrenzt
wurde, ein Minimum darstellt. Vorteilhafte Ausführungen
für die Ermittlung von SWface ergeben sich durch die Einschränkung
des betrachteten Gesichtsbereichs, z. B. nur die Augenregion. Eine weitere
vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet die Analyse des Intensitäten-Histogramms
(Grauwerte-Histogramm) in dem betrachteten Bildausschnitt, um damit
eventuelle Verfälschungen des Messwertes für SWface
zu vermeiden.
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Die
dreidimensionale Struktur eines (echten) Gesichts führt
zwangsläufig zur Schattenbildung in einigen Gesichtsbereichen.
Dieser Effekt ist unter fast allen Beleuchtungsbedingungen zu beobachten und
kann nur mit Hilfe von aufwendigen Beleuchtungsanlagen vermieden
werden.
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Auf
zweidimensionalen Darstellungen des Gesichtes einer Person sind
in vielen Fällen ebenfalls Schatten im Gesicht zu beobachten.
Diese Schatten stammen aber von der ursprünglichen Bildaufnahme und
wurden danach auf Papier oder einem Bildschirm reproduziert. Eine
Schattenbildung durch das aufgenommene Objekt selbst findet bei
einer zweidimensionalen Darstellung nicht statt. Aus diesem Grund
unterscheiden sich die gemessenen Schwarzwerte der Bildaufnahme
eines echten menschlichen Gesichtes und der Bildaufnahme einer zweidimensionalen
Darstellung des Gesichtes einer Person signifikant.
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Im
Falle einer zweidimensionalen Darstellung hat SWface einen höheren
Wert als bei einem echten Gesicht.
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Erfindungsgemäß ist
in der Rechnereinheit eine Berechnungsvorschrift T vorhanden, mit
der aus dem Schwarzwert der Kamera SWcam eine untere Schranke für
den Schwarzwert einer zweidimensionalen Darstellung SW2d eines Gesichtes
berechnet werden kann: SW2d > T (SWcam).
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Ein
Ausführungsbeispiel für diese Berechnungsvorschrift
ist eine lineare Funktion: T (SWcam) = a + b × SWcam
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SWcam
kann experimentell für eine bestimmte, unveränderliche
Kamerakonfiguration (Sensor, Optik, Optikeinstellungen, Belichtungszeit
etc.) ermittelt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung besitzt die Kamera einen Steuereingang, über
den die variablen Aufnahmeparameter der Kamera, wie zum Beispiel
die Belichtungszeit, von der Rechnereinheit vor jeder Bildaufnahme
eingestellt werden. In diesem Fall kann die Abhängigkeit von
SWcam von den Aufnahmeparametern der Kamera in einer Tabelle beschrieben
werden, die in der Rechnereinheit hinterlegt wird. Die Parameter
a und b der Berechnungsvorschrift T lassen sich experimentell anhand
einer repräsentativen Menge von Bildaufnahmen von Gesichtern
und von zweidimensionalen Darstellungen von Gesichtern bestimmen.
Alternativ kann eine andere Berechnungsvorschrift durch ein Lernverfahren,
wie zum Beispiel mit Hilfe von künstlichen neuronalen Netzen,
aus einer repräsentativen Menge von Bildaufnahmen von echten Gesichtern
und von zweidimensionalen Darstellungen ermittelt werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird ein Schätzwert
für den Schwarzwert der Kamera SWcam aus einem Kamerabild
oder einer Sequenz von Kamerabildern berechnet. Das ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn die Kamera eine Belichtungsregelung besitzt,
die es nicht erlaubt, SWcam aus der Kamerakonfiguration und den
Aufnahmeparametern für jede Einzelaufnahme vorab zu bestimmen.
Erfindungsgemäß wird der Schätzwert für
SWcam aus dem Intensitäten-Histogramm (Grauwerte-Histogramm)
eines Einzelbildes oder einer Sequenz von Einzelbildern der Kamera
berechnet. Ein Ausführungsbeispiel für die Berechnung
dieses Schätzwertes aus dem Histogramm ist die Bestimmung
des kleinsten Intensitätswertes.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner
durch eine Vorrichtung zur Detektion einer zweidimensionalen Darstellung
des Gesichtes einer Person entsprechend den Anspruch 4 gelöst,
bei der eine elektronische Kamera, die ein digitales Bild oder eine
kontinuierliche Folge digitaler Bilder mit mindestens 10 Bit Grauwert-Auflösung
(Intensitätsdynamik) erzeugt, ein Bild oder eine Bildfolge
an eine digitale Rechnereinheit weiterleitet, die diese Daten entsprechend
dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung enthält
weiterhin eine Beleuchtungsvorrichtung, die das Gesicht aus einem geeigneten
Winkel derart anstrahlt, dass es im Falle eines echten (dreidimensionalen)
Gesichts zu Schattenwurf im Bereich der Augen und der Nase kommt, bei
einer zweidimensionalen Abbildung kommt es jedoch zu einer allgemeinen,
annähernd gleichmäßigen Aufhellung der
Oberfläche des Abbildungsträgers. Ein Ausführungsbeispiel
für diese Beleuchtungsvorrichtung ist eine Diffuslichtquelle,
die das Gesicht einer Person in einem Winkel von ca. 45 Grad von
oben mittig bestrahlt, eine bestimmungsgemäße
Benutzung der Aufnahmevorrichtung im Rahmen einer Aufnahme von frontalen
Gesichtsbildern vorausgesetzt. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung besitzt einen Signalausgang, an dem die Detektion einer
zweidimensionalen Darstellung des Gesichtes einer Person angezeigt
wird.
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Es
besteht bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung die Möglichkeit, zusätzlich einen
Datenausgang vorzusehen, an dem der Gesichtsbildausschnitt zur Weiterverarbeitung,
z. B. durch ein biometrisches Gesichtserkennungssystem, abgenommen
werden kann. Der Gesichtsbildausschnitt wird vorzugsweise, aber
nicht ausschließlich, in einem standardisierten Datenformat
ausgegeben, zum Beispiel entsprechend dem ISO Standard ISO/IEC
19794-5 (Biometric data interchange formats – Part 5: Face
image data). In einem Ausführungsbeispiel wird
die Übertragung des Gesichtsbildausschnitts durch die Rechnereinheit
derart gesteuert, dass nur dann eine Ausgabe des Gesichtsbildausschnitts
erfolgt, wenn das detektierte Gesicht nicht als zweidimensionale
Darstellung klassifiziert wurde.
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Die
für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafte
Schattenbildung in einem echten Gesicht ist für typische
Zwecke einer Gesichtsbildaufnahme in sicherheitstechnischen Anwendungen
unerwünscht. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sieht deshalb entsprechend dem Anspruch 5 eine frontale
Lichtbestrahlung des Gesichts vor. Um damit dennoch die Wirkung
des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verbessern,
besteht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der
Vorrichtung aus einer digitalen Kamera, deren Optik im Strahlengang
ein Polarisationsfilter aufweist und einer Beleuchtungseinheit,
die das Gesicht mit polarisiertem Licht bestrahlt. Das Polarisationsfilter im
Strahlengang der Kameraoptik wird derart ausgelegt, dass es das
polarisierte Licht der Beleuchtungseinheit nicht durchlässt.
Der wesentliche erfindungsgemäße Effekt besteht
darin, dass die Beleuchtungseinheit mit polarisiertem Licht und
die Verwendung eines auf die Beleuchtungeinheit angepassten Polarisationsfilters
zur Sperrung von direkt reflektiertem Licht in der Kameraoptik,
bei der Aufnahme eines echten Gesichtes kleine abgeschattete Oberflächenbereiche
im Gesicht nicht oder nur unwesentlich heller im Kamerabild abbildet,
während eine zweidimensionalen Darstellung des Gesichtes
einer Person, wie z. B. auf einem Papierfoto oder einem Flachbildschirm,
zu einer vollflächigen Erhöhung der Bildintensitäten
(Grauwerte) führt.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft den Vorgang der Grenzkontrolle
bei einem automatisierten Verfahren. Um automatisierte Grenzkontrollen
durchführen zu können, wurde international der
so genannte ”Biometrische Pass” eingeführt. In
WO 2004/017265 A1 ist
beschrieben, wie dieses Reisedokument mit einem Lesegerät
ausgelesen werden kann und wie die im Biometrischen Pass elektronisch
gespeicherten biometrischen Daten im Prinzip zur Verifikation der
Identität eines Reisenden verwendet werden könnten.
Das hier beschriebene System kann jedoch bezüglich der
biometrischen Gesichtsmerkmale des Reisenden leicht mit Hilfe eines
Papierfotos oder mit Hilfe eines Flachbildschirms getäuscht
werden, wenn die damit erzeugte Darstellung dem Gesichtsbild entspricht,
das im Biometrischen Pass hinterlegt ist. Im einfachsten Fall wird
zur Vorbereitung der Täuschung das im Pass eingedruckte
Foto der Person mit einem Scanner elektronisch erfasst und dann
in der Größe eines menschlichen Gesichts auf Papier
gedruckt.
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Dieses
Problem wird mit einer Ausgestaltung der Erfindung entsprechend
dem Anspruch 6 derart gelöst, dass die Rechnereinheit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung über Mittel
zum biometrischen Vergleich zweier Gesichtsbilder verfügt
(z. B. mit einem Verfahren wie in
US 6,563,950 B1 beschrieben oder mit einem
anderen Gesichtserkennungsverfahren nach dem Stand der Technik),
eine zusätzliche Datenschnittstelle aufweist (z. B. nach
einem der Standards USB oder IEEE-1394), an dieser Datenschnittstelle
ein Dokumentenlesegerät für Biometrische Pässe
angeschlossen ist, das Gesichtsfoto aus dem elektronischen Speicher
eines Passes auslesen und in die Rechnereinheit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung übertragen wird, gleichzeitig oder ungefähr zeitgleich
ein Gesichtsbild des Reisenden entsprechend Anspruch 4 oder Anspruch
5 mit der Kamera aufgenommen wird, und nur dann ein Vergleich zwischen
dem Gesichtsbild aus der Kamera und dem Gesichtsbild aus dem Pass
durchgeführt wird, wenn die Kamera keine zweidimensionale
Darstellung des Gesichtes einer Person erfasst hat. Nur in diesem Fall
wird das Ergebnis des biometrischen Vergleichs über den
Signalausgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgegeben.
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Ein
konkretes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist in 1 angegeben und wird nachfolgend
im Detail beschrieben.
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Eine
digitale Kamera 1 versehen mit einer weitwinkligen Optik 2 erfasst
ein Gesicht 3, das der Kamera zugewendet ist. Die Kamera 1 ist
vorzugsweise ein für industrielle Messzwecke geeignetes Modell
mit einer örtlichen Auflösung von mindestens 780.000 Bildpunkten
(Pixel), einem Signal-zu-Rauschverhältnis von mindestens
48 dB und einer Intensitätsdynamik der digitalen Rohbilddaten D
von mindestens 10 Bit. Die Bildaufnahme wird von der Rechnereinheit 4 gesteuert.
Mit den Steuerparametern P, die in der Rechnereinheit 4 hinterlegt
sind oder aus vorangegangenen Bildaufnahmen abgeleitet werden, erhält
die Kamera 1 eine definierte Einstellung für die
nachfolgende Bildaufnahme des Gesichts 3. Das Gesicht 3 kann
ein echtes Gesicht oder auch eine zweidimensionale Gesichtsdarstellung
auf einem Foto oder auf einem Flachbildschirm sein. In beiden Fällen
wird in der Rechnereinheit 4 ein Gesichtsdetektionsverfahren
auf die Bilddaten angewendet, was in aller Regel auch zur Detektion
eines Gesichtsmusters im Bild führt. Die Beleuchtungseinheit 5 ist
vorteilhafter Weise mit einer Anordnung von mehreren weißen
Leuchtdioden (LEDs) aufgebaut und besitzt entweder eine konstante
Leuchtstärke oder eine integrierte Leuchtstärkensteuerung,
die über die Beleuchtungssteuerparameter C von der Rechnereinheit 4 eingestellt
werden kann. In letzterem Fall kann die Detektion eines Gesichtsmusters
in der Rechnereinheit 4 dazu verwendet werden, die Leuchtstärke
und Leuchtdauer für eine nachfolgende Bildaufnahme zweckmäßig
anzupassen. Im Weiteren wird die Rechnereinheit 4 dafür
eingesetzt, für eine Bildregion im Bereich des detektierten
Gesichts, entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nach
Anspruch 1, den kleinsten Intensitätswert zu bestimmen
SWface und weitere Verarbeitungsschritte durchzuführen.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren nach
Anspruch 2 wird aus dem Intensitäten-Histogramm der gesamten
Rohbilddaten D der aktuellen Bildaufnahme ein Schätzwert
für den Schwarzwert der Kamera SWcam bestimmt. Unter Zuhilfenahme
von zwei experimentell ermittelten und in der Rechnereinheit 4 hinterlegten
Parameterwerten, a und b, wird dann die obere Schranke für
den Schwarzwert eines echten Gesichtes 3 berechnet: SWlimit = a + b × SWcam.
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Wenn
für das in der aktuellen Bildaufnahme detektierte Gesichtsbild
der gemessene Wert für SWface größer
ist als SWlimit, dann wird mit Hilfe des Signals S die Detektion
einer zweidimensionalen Darstellung des Gesichtes einer Person am
Ausgang der Vorrichtung angezeigt. Andernfalls wird das detektierte
Gesicht als echtes Gesicht 3 angenommen und ein gesichtszentrischer
Bildausschnitt, z. B. im Seitenverhältnis von 3:4 (Breite:Höhe),
wird aus den Rohbilddaten D extrahiert. Das von der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ausgegebene Gesichtsbild F entspricht diesem Bildausschnitt
oder einer normierten Version davon.
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- 1
- Digitale
Kamera
- 2
- Optik
- 3
- Echtes
Gesicht einer Person oder eine 2D-Darstellung
- 4
- Digitale
Rechnereinheit
- 5
- Beleuchtungseinheit
- D
- Digitale
Rohbilddaten
- P
- Kamerasteuerparameter
- S
- Signal
- F
- Gesichtsbilddaten
- C
- Beleuchtungssteuerparameter
- SWcam
- Schwarzwert
der Kamera
- SWface
- Schwarzwert
des Gesichts
- T
- Berechnungsvorschrift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 01/41041
A1 [0002]
- - DE 102004022828 A1 [0002]
- - US 5812067 A [0002]
- - EP 1306815 A1 [0002]
- - WO 03/052741 A1 [0002]
- - DE 19810792 A1 [0004]
- - WO 2007/050187 A2 [0006]
- - US 7417727 B2 [0007]
- - WO 2005/008566 A1 [0008]
- - US 7421097 B2 [0009]
- - DE 19847261 A1 [0012]
- - WO 2004/017265 A1 [0024]
- - US 6563950 B1 [0025]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - K. Kollreider,
H. Fronthaler, M. I. Faraj, and J. Bigun, Real-Time Face Detection
and Motion Analysis with Application in ”Liveness” Assessment, IEEE
TRANSACTIONS ON INFORMATION FORENSICS AND SECURITY, Vol. 2, No.
3, Sept. 2007 [0005]
- - ISO Standard ISO/IEC 19794-5 (Biometric data interchange formats – Part
5: Face image data) [0022]