一种快速三维指纹采集方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及一种快速三维指纹采集方法与系统，属于图像采集技术领域，硬件系统包括图像投影端、图像采集端和进行图像处理与三维计算的计算机，图像投影端包括投影仪，图像采集端包括左相机和右相机，左相机与右相机分别位于投影仪的左侧和右侧。方法为计算机设计编码正弦相移条纹与格雷码图并且发送给投影仪，投影仪将编码图案投影到手指表面；左相机和右相机从各自的角度对手指进行拍摄，采集被手指表面深度调制而变形的编码图案并将其传输至计算机，计算机通过算法模块完成指纹的三维重建。本发明专利技术能够正确地反映出了指纹的真实三维形状，且指纹的纹理脉络连续且清晰、脊谷分明。脊谷分明。脊谷分明。

【技术实现步骤摘要】
一种快速三维指纹采集方法与系统


[0001]本专利技术涉及一种快速三维指纹采集系统，本专利技术还涉及一种快速三维指纹采集方法，属于三维数据采集


技术介绍

[0002]现有技术中，三维指纹采集得到越来越广泛的研究，例如，公开号为CN 111597880A的中国专利技术专利申请，公开了一种基于单幅条纹投影的多视角三维指纹获取方法，通过基于条纹投影技术同时获取一幅无相位信息的二维指纹图和带有相位信息的指纹条纹图像，对带有相位信息的指纹条纹图像进行相位提取；进行相位解缠得到连续的相位，通过相位信息对单视角三维指纹完成重建；在获取多个视角的三维指纹后，在每个三维指纹对应的二维指纹图上找到端点或者分叉点作为特征点并且与下个相邻视角二维指纹进行特征点匹配，确定二维指纹的特征匹配点集，在通过特征点集的二维信息，在三维指纹上找到匹配的特征点；获得三维指纹的特征匹配点集后，进行三维指纹配准，重建出多视角的三维指纹模型。该申请如其它主流的三维指纹采集系统一样，存在模块分散、体积庞大不便携、采集过程复杂的局限性。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于，克服现有技术中存在的问题，提供一种快速三维指纹采集方法与系统，能够正确地反映出了指纹的真实三维形状，且指纹的纹理脉络连续且清晰、脊谷分明。
[0004]为解决以上技术问题，本专利技术的快速三维指纹采集系统，包括硬件系统，所述硬件系统包括图像投影端、图像采集端和进行图像处理与三维计算的计算机，所述图像投影端包括投影仪，所述图像采集端包括左相机和右相机，所述左相机与右相机分别位于所述投影仪的左侧和右侧，所述计算机设计编码正弦相移条纹与格雷码图并且发送给投影仪，投影仪将编码图案投影到手指表面；左相机和右相机从各自的角度对手指进行拍摄，采集被手指表面深度调制而变形的编码图案并将其传输至计算机，所述计算机通过算法模块完成指纹的三维重建。
[0005]进一步的，所述左相机和右相机与投影仪之间通过触发线连接，投影仪每投影一张图片，便向左相机和右相机输出一个触发电平，实现投影仪与左相机和右相机之间的同步工作。
[0006]进一步的，所述投影仪的投影分别率为912*1140像素，对1bit图案的投影帧率最高达到4kHz，透射比为1.2；所述左相机和右相机的分辨率为800*600像素，镜头的焦距为35mm；所述投影仪的投射窗与手指的距离为28cm。
[0007]本专利技术还包括一种快速三维指纹采集方法，依次包括如下步骤：
[0008]步骤1：将手指置于投影仪的正前方，所述投影仪的左右两侧分别设有左相机和右相机；
[0009]步骤2：计算机设计编码正弦相移条纹与格雷码图并且发送给投影仪；
[0010]步骤3：投影仪将接受到的编码图案投影到手指表面，并且向左相机和右相机输出一个触发电平；
[0011]步骤4：所述左相机和右相机从各自的角度同步对手指进行拍摄，采集被手指表面深度调制而变形的条纹图片，并将其传输至计算机；
[0012]步骤5：所述计算机通过算法模块完成指纹的三维重建。
[0013]进一步的，步骤5中的三维重建包括如下子步骤：
[0014]步骤5.1：计算机对接收到的被手指表面深度调制而变形的编码图案进行系统标定；
[0015]步骤5.2：对经过系统标定的图案进行条纹采集及增强；
[0016]步骤5.3：对指纹进行主值相位提取；
[0017]步骤5.4：对提取的相位解包裹；
[0018]步骤5.5：重建三维指纹；
[0019]步骤5.6：展示指纹的三维效果。
[0020]进一步的，步骤2中：计算机采用三步相移法进行条纹设计，三步相移条纹的周期为18个像素，相应的格雷码图片数量为6张，共需要投影9张图片，利用投影仪将该9张图片依次高速投影到手指表面；
[0021]步骤4中：所述左相机和右相机以2000us的相机曝光时间、500帧的采集速度对指纹条纹图片进行采集，可以得到左右相机的相移条纹图片。
[0022]进一步的，步骤5.3中：利用相移法计算得到左相机和右相机中指纹的包裹相位，利用6张格雷码图得到指纹表面各个像素的解码值后，得到各个像素的绝对相位值。
[0023]进一步的，步骤5.4具体包括如下分步骤：
[0024]步骤5.41：使用自适应的中值滤波器来检测并消除解包裹相位误差，中值滤波的模板大小选择为9
×
9或者11
×
11；
[0025]步骤5.42：用格雷码方法直接解码获得绝对相位的分布函数，计算指纹的理想绝对相位φ(x,y)，
[0026][0027]式中，φ1(x,y)为绝对相位的分布函数，φ2(x,y)为经中值滤波后获取的绝对相位分布；round()为四舍五入函数，所获得的该相位便是无歧义的准确绝对相位。
[0028]进一步的，步骤5.5具体包括如下分步骤：
[0029]步骤5.51：利用左相机和右相机的极线约束方程匹配基于相位的像素点：对左相机图像目标区域的每个像素，依次求取其在右相机图像中匹配点的亚像素坐标，将所有的匹配点对坐标保存，完成像素点的匹配；
[0030]设待匹配像点的相位值为φ1，由于相位值是连续的，通过找到极线上相邻像点的相位值φ2、φ3满足：φ2＜φ1＜φ3的条件；设其坐标分别为(u1,v1)、(u2,v2)，则匹配点的亚像素坐标(u,v)为：
[0031][0032]步骤5.52：求取出左右相机所有的指纹匹配点对；由标定得到的系统参数，各坐标系下的坐标有以下关系：
[0033][0034]m为相机的投影矩阵，由相机的内外参数构成，下标表示矩阵的行列数值。X
w
、 Y
w
、Z
w
为指纹点的世界坐标，u1、v1、u2、v2分别是左右相机中指纹的像点的横、纵坐标。
[0035]通过最小二乘法可以计算出匹配点对所对应的指纹空间三维坐标，用MATLAB将三维坐标绘制在X
‑
Y
‑
Z坐标系中即得到指纹对应的三维形状。
[0036]相对于现有技术，本专利技术取得了以下有益效果：1、能够满足指纹采集时小视场、高速、高分辨率的要求，能够实现高速高精度的三维指纹采集；
[0037]2、先对图像的待测目标区域与背景噪声区域进行分割，提取图像中的感兴趣区域，再对像素点进行匹配，提高了像素点的匹配效率与三维重建准确度，方便且高效；
[0038]3、利用极线约束方程将匹配点的搜索范围从整幅图像缩小为一条直线，大幅提高匹配精度，并极大地缩小像素点匹配的计算时间。
附图说明
[0039]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明，附图仅提供参考与说明用，非用以限制本专利技术。
[0040]图1为本专利技术的系统示意图；
[0041]图2为本专利技术所使用的标定板示意图；
[0042]图3为左右相机采集的部分圆点标定板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速三维指纹采集系统，包括硬件系统，其特征在于：所述硬件系统包括图像投影端、图像采集端和进行图像处理与三维计算的计算机，所述图像投影端包括投影仪，所述图像采集端包括左相机和右相机，所述左相机与右相机分别位于所述投影仪的左侧和右侧，所述计算机设计编码正弦相移条纹与格雷码图并且发送给投影仪，投影仪将编码图案投影到手指表面；左相机和右相机从各自的角度对手指进行拍摄，采集被手指表面深度调制而变形的编码图案并将其传输至计算机，所述计算机通过算法模块完成指纹的三维重建。2.根据权利要求1所述的快速三维指纹采集系统，其特征在于：所述左相机和右相机与投影仪之间通过触发线连接，投影仪每投影一张图片，便向左相机和右相机输出一个触发电平，实现投影仪与左相机和右相机之间的同步工作。3.根据权利要求1所述的快速三维指纹采集系统，其特征在于：所述投影仪的投影分别率为912*1140像素，对1bit图案的投影帧率最高达到4kHz，透射比为1.2；所述左相机和右相机的分辨率为800*600像素，镜头的焦距为35mm；所述投影仪的投射窗与手指的距离为28cm。4.一种快速三维指纹采集方法，其特征在于，依次包括如下步骤：步骤1：将手指置于投影仪的正前方，所述投影仪的左右两侧分别设有左相机和右相机；步骤2：计算机设计编码正弦相移条纹与格雷码图并且发送给投影仪；步骤3：投影仪将接受到的编码图案投影到手指表面，并且向左相机和右相机输出一个触发电平；步骤4：所述左相机和右相机从各自的角度同步对手指进行拍摄，采集被手指表面深度调制而变形的条纹图片，并将其传输至计算机；步骤5：所述计算机通过算法模块完成指纹的三维重建。5.根据权利要求4所述的快速三维指纹采集方法，其特征在于：步骤5中的三维重建包括如下子步骤：步骤5.1：计算机对接收到的被手指表面深度调制而变形的编码图案进行系统标定；步骤5.2：对经过系统标定的图案进行条纹采集及增强；步骤5.3：对指纹进行主值相位提取；步骤5.4：对提取的相位解包裹；步骤5.5：重建三维指纹；步骤5.6：展示指纹的三维效果。6.根据权利要求5所述的快速三维指纹采集方法，其特征在于，步骤2中：计算机采用三步相移法进行条纹设计，三步相移条纹的周期为18个像素，相应的格雷码图片数量为6张，共需要投影9张...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏连发，傅佳安，郑东亮，韩静，张毅，于浩天，朱戎彪，赵洋，王兴国，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：