专利名称：红外面部认证设备及包括该设备的便携式终端和安全设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种面部认证技术，其使用从辐射到面部的红外(Ir)光反射的光所获得的红外图像而进行面部认证。
背景技术：
对人进行认证的方法大体分为三类。在第一认证方法中，使用例如密钥或识别(ID)卡的所有物。然而，在第一认证方法中，由于所有物可能丢失或失窃，所以安全性受到威胁。在第二认证方法中，使用例如密码等的专用信息来执行认证。然而，由于用户容易忘记或第三方非法获取该专用信息，所以可能出现安全性问题。
在近来比较吸引注意力的第三认证方法中，使用生物特征信息(例如指纹、手掌、虹膜、静脉、语音、面部等)来执行生物特征认证。在生物特征认证处理中可较好抑制在第一或第二认证方法中所述的由于丢失引起的安全性问题。并且，其他人不能被认证。因此，可提高安全性，并且使用生物特征的认证系统有望变得更加普遍。
使用指纹或手掌的生物特征认证主要使用手指或手的末端，因此皮肤表面可薄于正常部位。这里，识别率通常大大降低。目前，使用语音识别的生物特征认证的识别率也比较低。使用虹膜或静脉的生物特征认证具有比使用指纹或手掌的生物特征认证高的识别率，但是需要人的眼睛或手来接近认证设备。另外，由于使用虹膜或静脉的生物特征认证设备具有较大尺寸，所以生物识别认证设备安装在较大尺寸的固定设备中，例如银行中的自动柜员机(ATM)，而不能安装在便携式装置中。在使用面部识别的生物特征认证中，为了降低其他人的许可率，增加认证阈值，以提高精度。因此，提高对人的拒绝率。另外，使用可见光的面部认证设备不能将面部照片与实际人脸进行区分。因此，日本专利公开申请No.2005-242677公开这样一种认证，即将使用面部识别的生物特征认证与使用虹膜的生物特征认证进行组合，以改善认证精度。
当使用面部识别的生物特征认证与使用虹膜的生物特征认证组合时，增加了生物特征认证设备的尺寸。因此，当在便携式终端(例如便携式电话或个人数字助理(PDA))中安装这种生物特征认证设备时，有限的空间成为一个问题。另外，使用可见光图像来执行用于使用面部识别的生物特征认证，因此认证精度低。
另外，当使用可见光图像来执行面部认证以许可一个人进入到建筑物中时，在白天和夜间的照明情况之间具有很大差异。因此，尽管在夜间向面部辐射白炽灯以执行面部认证，但是仍降低认证精度。另外，如果在汽车中安装面部认证设备以防止汽车的失窃，则在白天和夜间的照明情况之间具有很大差异。因此，认证精度低。
发明内容
本发明提供一种红外面部认证设备，其使用红外图像以改善面部认证率。
本发明还提供一种便携式终端或安全设备，其包括红外面部认证设备。
根据本发明第一方案的红外(Ir)面部认证设备包括光源，向面部辐射760nm或以上波长的Ir光；拍摄单元，检测所述Ir光的反射光，以输出Ir图像；和认证器，使用所述Ir图像执行面部认证。
根据这种配置，可以在各种条件下执行面部认证，例如在白炽灯、太阳光或非常黑暗的照明条件下。使用虹膜的生物特征认证不需要与使用面部识别的生物特征认证结合，并且可使用高精度、小型设备来实现面部认证。
在根据本发明第二方案的红外(Ir)面部认证设备中，所述认证器根据所述Ir图像确定整个面部的轮廓和眼睛的位置，以执行面部认证。
通过这种配置，由于Ir面部认证设备使用Ir光透入眼睛，以确定眼睛的位置，所以错误识别面部的可能性降低。即使使用Ir图像来认证戴着眼镜的人的面部，这种认证也几乎不会受到眼镜镜片的影响。
在根据本发明第三方案的红外(Ir)面部认证设备中，所述认证器根据所述Ir图像确定整个面部的轮廓、眼睛的位置、鼻孔的位置和嘴的位置，以执行面部认证。
通过这种配置，Ir光可透入皮肤，以获得图像，并且可在该图像上确定眼睛的位置、鼻孔的位置和嘴的位置。如果一个人进行化妆，以伪装成类似原来的人，则因为使用透入皮肤的Ir光来获得该图像，所以将这个人识别为原来的人的可能性降低。
在根据本发明第四方案的红外(Ir)面部认证设备中，所述光源为一个二极管或多个二极管，并且所述一个二极管的辐射密度或所述多个二极管的辐射密度的总和为0.3毫瓦/球面度(mW/sr)或以上。
必须使用一定量的功率将Ir光辐射至面部上。当向面部辐射太弱的Ir光时，面部识别率降低。另外，如果面部处于预定距离，则面部识别率降低。例如，如果在移动电话中安装Ir面部认证设备，则用户可拿着移动电话来调节在面部和光源或拍摄单元之间的距离。另外，如果使用具有较高敏感性的光接收元件，则可使用用于发出约0.3m W/sr的辐射密度的光的二极管来执行面部认证。
在根据本发明第五方案的红外(Ir)面部认证设备中，所述光源为多个二极管，并且从所述多个二极管中一个二极管辐射的Ir光的波长不同于从所述多个二极管中另一二极管辐射的Ir光的波长。
适合于Ir面部认证的Ir光的波长基本上是760nm。然而，不受太阳光的Ir光干扰的的波长范围可以优选地适合于Ir面部认证。这种波长范围可以是多个波长范围。因此，可安装多个用于向面部辐射不同波长的光的二极管。
在根据本发明第六方案的红外(Ir)面部认证设备中，所述拍摄单元为光电转换元件，其包括可见光接收元件，其包含可见光滤波器，用于接收可见光；Ir光接收元件，其包含Ir光滤波器，用于接收760nm或以上波长的Ir光；和元件切换单元，在所述可见光接收元件和所述Ir光接收元件之间进行电切换。
根据这种配置，不需要分别安装可见光和Ir光相机，并且可有效使用例如移动电话的小型设备。另外，由于在可见光和Ir光接收元件之间进行电切换，所以Ir面部认证设备具有较快的响应时间，并很少中断。
在根据本发明第七方案的红外(Ir)面部认证设备中，所述拍摄单元为光电转换元件，其包括用于机械式切换可见光滤波器和Ir光滤波器的切换单元，所述可见光滤波器覆盖所述光电转换元件的整个表面，以透射具有可见光波长的光；所述Ir光滤波器覆盖所述光电转换元件的整个表面，以透射大于760nm波长的Ir光。
根据这种配置，不需要分别安装可见光和Ir光相机，并且可有效使用移动电话的有限空间。另外，由于在可见光和Ir光接收元件之间进行机械式切换，所以可见光和Ir光接收元件的尺寸可增加。
在根据本发明第八方案的红外(Ir)面部认证设备中，Ir面部认证设备还包括显示器，显示从所述拍摄单元输出的Ir图像，其中所述拍摄单元和所述显示器安装在同一表面上。
用户可检查在显示器上显示的用户面部的尺寸和位置，以识别用户面部。因此，如果在小型设备(例如移动电话)中安装Ir面部认证设备，则用户可向左和/或右来上下移动手臂，或者伸直或弯曲手臂，以改善识别率。另外，如果在固定安全设备中安装Ir面部认证设备，则用户可检查在显示器上显示的用户面部的大小和位置，以调节坐姿或站立位置，从而改善识别率。
在根据本发明第九方案的红外(Ir)面部认证设备中，所述Ir光滤波器为用于透射760nm或以上波长的光的Ir光滤波器。
因此，当拍摄Ir图像时，可阻止可见光。因此，拍摄单元可输出清楚的Ir图像，而不受可见光的影响。
在根据本发明第十方案的红外(Ir)面部认证设备中，根据本发明的第九方案的本发明，所述Ir光滤波器为透射波长在一范围内的光的Ir光滤波器，在所述范围内在地球表面上太阳光的Ir辐射量突然降低。
如果Ir滤波器透射760nm或以上波长的Ir光，尤其是在地球表面上太阳光的Ir辐射量突然降低的波长范围的Ir光，则受太阳光的Ir光的干扰降低。特别地，由于在夏天的中期太阳光较强时Ir光也较强，所以使用Ir光的面部识别认证率降低。在太阳光的Ir光辐射量突然降低的波长范围的情况下，可保持较高的认证率。
在根据本发明第十一方案的红外(Ir)面部认证设备中，所述光源具有在一范围内的波长，在所述范围内在地球表面上太阳光的Ir辐射量突然降低。
如果Ir滤波器透射760nm或以上波长的Ir光，尤其是在地球表面上太阳光的Ir辐射量突然降低的波长范围的Ir光，则受太阳光的Ir光的干扰降低。如果从光源辐射该区域内的波长，则受太阳光的Ir光的干扰降低。
根据本发明的第十二方案的便携式终端包括Ir面部认证设备，其中在所述便携式终端开始使用或者开始执行货币操作时，所述认证器开始运行。
由于便携式终端包括重要信息(例如个人信息)，或者具有货币操作的功能，而用户经过面部认证，然后才可访问便携式终端。因此，可避免泄漏重要信息，或者可避免出现未授权的提款。
根据本发明的第十三方案的安装在可移动或固定终端中的安全设备包括根据本发明的第一至第十一方案中任一所述的Ir面部认证设备，其中所述认证器对于访问所述可移动或固定终端的人执行面部认证。
安全设备可使用Ir光来认证人的面部，因此保证安全性。
通过参照附图对本发明示例性实施例的详细描述，本发明的上述和其它特点和优点将变得更加清楚，在附图中图1A是包含红外(Ir)发光二极管(LED)60的折叠型移动电话10的示意图；图1B是包含Ir LED 60的旋转型移动电话20的后视图；图2是Ir面部认证设备100的框图；图3A是示出相机110-A的示图，其中所述相机110-A包括可见相机光接收单元120和Ir光相机光接收单元122；图3B是示出相机110-B的示图，其中所述相机110-B包括滤波切换相机光接收单元123；图4A是示出相机110-C的示图，其中所述相机110-C包括相机光接收单元124，其具有在光接收元件中安装的滤波器；图4B是相机光接收单元124的电荷耦合装置117的光接收元件的放大图；图5是示出在行间转移型(IT)CCD和帧间转移型(FT)CCD中波长和光谱响应之间关系的曲线图；图6是示出使用移动电话向面部辐射Ir光的视图；图7是示出通过试验所获得的数据的表，其中所述试验是根据在IT CCD中配置的Ir LED 60的数量执行的；
图8是示出通过试验所获得的数据的表，其中所述试验是根据在FT CCD中配置的Ir LED 60的数量执行的；图9是示出具有太阳光光谱的在大气外界的辐射剂量OE和地球表面上的辐射剂量EE的曲线图；图10是示出在Ir LED 60的波长和Ir滤波器127的波长截除(cut)的第一实例之间的关系的曲线图；图11A是示出Ir滤波器127的波长截除的第二实例的曲线图；图11B是示出Ir滤波器127的波长截除的第三实例的曲线图；图12是在开始使用移动电话时执行面部认证处理的流程图；和图13是在支付货币时执行面部认证处理的流程图。
具体实施例方式
将描述红外(Ir)认证设备的优选实施例，其用于辐射Ir光，以及根据Ir光的反射光形成Ir图像，以执行面部识别。
<便携式终端的结构>
图1A是折叠型移动电话10的示意图。当折叠型移动电话10打开时，在第一机壳11中配置有监视器30，在第二机壳12中配置有输入按钮。在与第一机壳11中的监视器的相同表面上配置有相机110和用于发射Ir射线的四个Ir发光二极管(LED)60。相机110和Ir LED 60是随后将描述的Ir面部认证设备100的元件。相机110至少可拍摄红外光图像。如果按下预定输入按钮40，或者打开折叠型移动电话10，则Ir LED 60和相机110开始运行。
图1B是具有旋转功能的旋转型移动电话20的后视图。在第一机壳21的前表面上配置有大尺寸的监视器(未示出)，在第一机壳21的后表面上配置有小尺寸的监视器30。在第二机壳22的后表面上配置有旋转型移动电话20的输入按钮40(未示出)。在其上配置有小尺寸监视器30的第一机壳21的后表面上，配置了相机110和用于发射红外线的两个Ir LED 60。如果按下输入按钮40中的一个，或者对旋转型移动电话20进行旋转，则Ir LED60和相机110开始运行。
在图1A和1B中示出折叠型移动电话10和旋转型移动电话20作为便携式终端的实例。然而，本发明的便携式终端不限于上述实例，还可以是直板型或滑盖型移动电话，或者个人数字助理(PDA)。另外，本发明的便携式终端可以是具有通用串行总线(USB)相机的便携式笔记本电脑。本发明的便携式终端可以是这样的设备，即用户可以手持该设备以改变相机110和面部之间的距离。
<Ir面部认证设备的结构>
图2是Ir面部认证设备100的框图。Ir面部认证设备100包括Ir LED60、相机110、面部认证器130和监视器30。Ir LED 60发射Ir光。相机110至少拍摄Ir光图像。面部认证器130使用由相机110拍摄的Ir光图像来认证面部。监视器30显示Ir光图像。在本实施例中，折叠型移动电话10和旋转型移动电话20的相机110不仅可拍摄Ir光图像，还可以拍摄可见光图像。如果相机110拍摄可见光图像，则将可见光图像发送至可见光图像处理器140。随后将参照图3或图4来描述相机110。将已经发送至可见光图像处理器140的可见光图像发送至监视器30，以显示该可见光图像。监视器30不仅可显示Ir光图像，还可显示可见光图像，或者可使用附加监视器。
面部认证器130包括图像处理器131、面部图像文件135、面部认证运算器133和图像控制器137。图像处理器131处理Ir光图像。面部图像文件135存储人的面部图像数据。面部认证运算器133提取面部轮廓或特征，并且将面部轮廓或特征与面部图像文件135中存储的面部图像数据进行比较，以认证面部。图像控制器137控制图像处理器131、面部图像文件135和面部认证运算器133的运行。图像控制器137连接至从图1的输入按钮40或开关接收指令信号的I/F单元160。图像控制器137还连接至Ir LED 60和相机110，以根据通过I/F单元160接收的指令信号控制Ir LED 60和相机110。
<Ir面部认证设备的运行>
现在将参照图2来描述Ir面部认证设备100的运行。当I/F单元160从输入按钮40或开关接收指令信号时，将指令信号发送至图像控制器137。然后，图像控制器137驱动Ir LED 60和相机110。Ir LED 60可以在面部认证期间连续开启，或者根据相机110的拍摄定时开启/关闭。图像控制器137可通过图像处理器131向监视器30显示用于表示面部的位置和大小的框32。
向人的面部辐射从Ir LED 60发射的Ir光，然后从人的面部反射的光入射到相机110。相机110将反射光转换成电信号，并发送所述电信号至图像处理器131。图像处理器131处理Ir光图像，以在监视器30上显示图像，并发送Ir光图像信号至监视器30。监视器30不仅显示用于表示面部的位置和大小的框32，还显示Ir光图像。用户向左和/或右来上下移动手臂，或者伸直或弯曲手臂，以调节折叠型移动电话10或旋转型移动电话20的位置，以避免面部偏离监视器30的框32，避免显示的面部太大导致偏离监视器30的框32，或者避免显示的面部太小。
图像处理器131将包括面部轮廓和特征的图像信号发送至面部认证运算器133。面部认证运算器133提取已经去除头发的面部轮廓。面部认证运算器133对眼睛、鼻孔和嘴的位置以及这些位置间的关系进行运算，然后检查面部特征。面部认证运算器133访问面部图像文件135，以从面部图像文件135中读取面部图像数据。面部认证运算器133将面部轮廓和特征与读取的面部图像数据进行比较。面部认证运算器133将识别结果信号输出至Ir面部认证设备100的外部。如从面部认证运算器133至监视器30所标记的箭头所示，面部认证运算器133可发送识别结果信号至监视器30，以显示“该面部可识别为该人的脸”或者“该面部不可识别为该人的脸”。另外，面部认证运算器133可输出语音消息，以在监视器30上不显示识别状态的情况下通知用户面部的识别状态。
在监视器30上显示的面部的Ir光图像是单色的，即接近于黑色图像。然而，通过面部的Ir光辐射，相机110拍摄达到距离面部的皮肤表面几mm深度的图像，而并非拍摄面部的皮肤表面的图像。例如，不拍摄面部的皮肤表面上的雀斑或疤痕。另外，在Ir光图像中不拍摄在脸上涂抹的较厚的化妆品。因此，尽管一个人尝试使用化妆品来伪装他/她自己，以看起来像其他人，这个人也不能认证为其他人。另外，即使一个人戴着眼镜，则眼镜也几乎不影响这个人的认证。因此，即使用新的眼镜来代替原来的眼镜，则通过面部识别也可获得较高的识别率。另外，即使用相机110来拍摄具有与用户面部相同尺寸的面部照片，则该面部照片也以较高反射比来反射Ir光。换句话说，通过拍摄面部照片所获得的Ir光图像类似于在可见光下通过拍摄空白页所获得的图像。因此，面部照片不被认证为用户的面部。如果获取了眼睛、鼻孔和嘴的位置和这些位置间的关系，则以较高识别率来执行面部认证。
因为不使用可见光，所以不会因干扰而影响面部认证，因此可获得较高认证率。例如，如果使用可见光来执行面部认证，则由于白炽灯的闪烁会影响面部认证。另外，只要在面部认证期间不执行闪光摄影或来自前部的照明状态，则由安装在屋顶灯的照明设备在鼻子旁边或鼻子下面会形成阴影。因此，使用可见光的面部认证具有较低识别率。在本发明中，由于辐射Ir光，因此不会出现上述问题。
<相机结构>
图3A至4B示出相机110的基本结构。相同的标号表示相同的元件。图3A示出相机110-A，其包括可见相机光接收单元120和Ir光相机光接收单元122。可见相机光接收单元120包括可见光滤波器125、镜头129和光电转换元件(例如区域电荷耦合器件(CCD))121。可见光滤波器125仅透射可见光，而阻止波长约为760nm或更大波长的光。镜头129对于穿过可见光滤波器125的可见光进行聚集。区域CCD 121将镜头129聚集的可见光转换成电信号。Ir光相机光接收单元122包括Ir滤波器127、镜头129和区域CCD 121。Ir滤波器127仅透射具有波长约为760nm或更大波长的光。镜头129对于穿过Ir滤波器127的Ir光进行聚集。区域CCD 121将镜头129聚集的Ir光转换成电信号。可见光滤波器125和Ir滤波器127配置在用户面部和镜头129之间所形成的光程之间，也可配置在镜头129和区域CCD 121之间所形成的光程之间。如果不需要拍摄风景等，则相机可仅包括Ir相机光接收单元122。
相机110-A还包括模数转换器(ADC)15和相机控制器116。ADC 115将从区域CCD 121输出的电信号转换成数字信号。相机控制器116控制相机110-A的总体运行。相机控制器116根据从图像控制器137输出的指令信号分别驱动可见相机光接收单元120和Ir相机光接收单元122的区域CCD 121，ADC 115将模拟信号转换成数字信号。由于这种操作，从相机110-A输出对应于Ir光图像或可见光图像的数字信号。在折叠型移动电话10的情况下，当如图1所示执行面部认证时，可以在朝着监视器30的方向配置Ir相机光接收单元122。如果用户期望拍摄景色或另一人，则可在第一机壳11中的监视器30的后表面上配置可见相机光接收单元120。换句话说，增加第一机壳11的尺寸和厚度。然而，如果同时考虑面部认证的便利性和正常拍摄的便利性，则包括可见相机光接收单元120和Ir相机光接收单元122的相机110-A比较有效。
图3B示出相机110-B，其包括滤波切换相机光接收单元123。仅描述与相机110-A的元件不同的相机110-B的元件，并忽略与相机110-A的元件相同的相机110-B的元件的描述。滤波切换相机光接收单元123包括区域CCD 121和镜头129。滤波切换相机光接收单元123还包括可见光滤波器125、机械工具、驱动马达114和信号传感器113。机械工具切换在镜头129前部的可见光滤波器125和Ir光滤波器127。驱动马达114驱动该机械工具。信号传感器113识别在镜头129前部配置哪个滤波器。相机控制器116从图像控制器137接收指令信号，以确定待输出的是Ir光图像和可见光图像中的哪一个。如果所述指令信号指示待输出的是可见光图像，则相机控制器116从信号传感器113接收表示在镜头129前部配置的是哪个滤波器的信号。如果在镜头129前部配置的是Ir光滤波器127，则相机控制器116驱动所述驱动马达114，以将可见光滤波器125移动到镜头129的前部，并使Ir光滤波器127从光程退出。如果所述指令信号指示在镜头129前部配置的是可见光滤波器125，则相机控制器129执行下一处理。通过这些这种处理，区域CCD121的整个表面可用可见光滤波器125来覆盖，并且可从区域CCD 121输出可见光。可使用单个区域CCD 121和单个镜头129来获得可见光图像和Ir光图像。因此，可降低相机110-B的大小及其制造成本。由于仅使用一个区域CCD 121，所以可使用具有大量像素的高性能CCD。
图4A示出相机110-C，所述相机110-C包括相机光接收单元124，其具有在光接收元件中安装的滤波器。玻璃板128安装在图4A的相机光接收单元124上，以阻止灰尘，从而可透射较宽的光的波长。可见光滤波器125和Ir光滤波器127安装在切换CCD 117的光接收元件的前部。图4B是切换CCD117的光接收元件的放大图。如图4B所示，可见光滤波器125包括透射红光的R滤波器、透射绿光的G滤波器和透射蓝光的B滤波器。切换CCD 117包括例如四条线第一可见光线118，在其上交替排列R和G滤波器；Ir光线119，在其上排列用于透射Ir光的Ir滤波器127；第二可见光线118，在其中交替排列G和B滤波器；和Ir光线119，在其上排列Ir滤波器127。在切换CCD 117的区域中依次重复这四条线的排列。
在图4A中所示的相机控制器116从图像控制器137接收指令信号，该指令信号表示待输出的是Ir光图像和可见光图像中的哪一个。如果所述指令信号表示待输出的是可见光图像，则相机控制器116仅控制可见光线118来输出图像信号。可见光图像被输入至ADC 115，并因此通过ADC 115转换成数字信号。如果所述指令信号表示待输出的是Ir光图像，则相机控制器116控制Ir光线119来输出图像信号。相机110-C可以被电切换，因此具有较快的响应时间，并很少中断。
在图3A至图4B中示出相机110-A、110-B和110-C。然而，在相机110-A、110-B和110-C中使用的固态拍摄装置不限于CCD，也可以是互补型金属氧化物半导体(CMOS)。在图4B中的可见光滤波器125中使用R、G和B滤波器。然而，可见光滤波器125可包括品红色(Mg)、青色(Cy)、黄色(Ye)和绿色(G)滤波器。
图5是示出区域CCD 121或切换CCD 117的光谱响应的曲线图。这里，横轴表示波长(nm)，纵轴表示光谱响应(A/W)。
在许多产品中，作为便携式终端实例的移动电话10具有相机功能。移动电话10的CCD是行间转移型(inter-transfer type)CCD，以下称为IT-CCD。所述IT-CCD包括光电二极管、垂直传播CCD和水平传播CCD。在像素区域中，光电二极管将光转换成电子电荷。垂直传播CCD和水平传播CCD将电子电荷传播至放大器。因此，减少了IT-CCD的光接收面积。例如，IT-CCD具有例如如图5所示的分布IT-C的特征。在从380nm至760nm的可见光范围内，光谱响应稍微增加，但是在约720nm或以上的可见光和Ir光范围内，光谱响应为0.1 A/W或更低。
还存在一种帧间转移型CCD，以下称为FT-CCD。对于帧间转移型CCD(FT-CCD)，可将FT-CCD分成用于产生电荷的图像区域和用于聚集电荷的聚集区域。图像区域和聚集区域都可传播电荷，因此可用作垂直传播CCD。图像区域和聚集区域可使用水平传播CCD将电荷传播至放大器。在FT-CCD中，图像区域可以较大，因此动态区域较大。另外，如果安装Ir滤波器，则光谱响应较高。例如，FT-CCD具有例如如图5所示的分布FT-C的特征。在760nm或以上的Ir光范围内，光谱响应较高，但是在约900nm或以下的Ir光范围内，光谱响应仅为0.25 A/W或更低。例如，在880nm和1020nm之间的Ir光范围周围，光谱响应的差值约为10倍。
<Ir LED的结构>
现在将参照图6至图8来描述Ir LED 60。
用户需要通过拿着作为便携式终端的移动电话10或20来拍摄面部，以认证面部。因此，在本实施例中，在Ir LED 60或相机110和面部之间的距离处于20cm(在手臂弯曲状态下)和80cm(在手臂全部伸直状态下)之间的范围内。认证面部的最佳拍摄距离是在30cm和50cm之间的范围内。当手臂弯曲时，在相机110和面部之间的距离可在10cm和15cm之间的范围内，在这种情况下，相机110的镜头129必须具有很大的角度。然而，如果使用具有很大角度的镜头129并且在相机110和面部之间的距离为约40cm时，面部可能看起来太小以至于不能认证。根据便携式终端的使用目的可适当改变用于认证面部的最佳拍摄距离。例如，如果便携式终端是配备有Ir面部认证设备100的笔记本电脑，则在相机110和面部之间的距离可以在50cm和60cm之间的范围内。如果在建筑物的入口或者房间的门安装安全设备以认证人的脸，则在相机110和面部之间的距离在60cm和150cm之间的范围内，以在不需要面部接近相机110的情况下认证面部。如果在汽车中安装安全设备并且用户把握汽车的方向盘，则在相机110和面部之间的距离可在40cm和70cm之间的范围。
图6是示出使用移动电话10或20向面部辐射Ir光的视图。参照图6，在移动电话10或20中安装有光板150，其包括Ir LED 60和相机110。将IrLED 60和相机110集成为一体，以降低生产成本和尺寸。监视器30配置在与Ir LED 60和相机110相同的表面上，因此Ir LED 60、相机110和监视器30可集成为一体。如图6所示，在光板150上安装有两个Ir LED 60(在这种情况下，相机110置于两个Ir LED 60之间)，但是也可使用多于两个的LED 60。在Ir LED 60之间的距离在约15mm和40mm之间的范围内。一般地生产Ir LED 60和LED，以具有较好的方向性。此时，使用的Ir LED 60具有在约30°和40°之间的视觉角度V。在接近于Ir LED 60的位置可安装散射板，以将视觉角度V调节至约80°。然而，在这种情况下，Ir光不能延伸的太远。
图7示出表1，其示出对于在移动电话10或20中配置的Ir LED 60的个数所获得的试验性数据。在图7的试验中使用具有图5的分布IT-C的特征的IT-CCD。在10cm和20cm之间的范围与60cm和80cm之间的范围内每隔5cm，以及在20cm和60cm之间的范围内每隔10cm分别测量一次Ir LED60和面部之间的距离。另外，对于电流值等于50mA和电压值等于5V的情况下测量一个Ir LED 60的辐射密度(mW/sr)、两个Ir LED 60的辐射密度和四个Ir LED 60的辐射密度的变化。在通过组合距离和Ir LED 60的辐射密度所形成的单元格中，“○”表示面部认证可能的情况在10次测试结果中有9次，“△”表示面部认证可能的情况在10次测试结果中有6至8次，以及“×”表示面部认证可能的情况在10次测试结果中有5次或更少。另外，Ir LED 60在760nm和1200nm之间的波长范围内发射Ir光。用于发射具有不同波长范围的光的Ir LED已经开始销售。特别地，在发射具有800nm和1020nm之间波长范围的光的Ir LED的情况下，面部认证率较高。
根据图7的结果，如果在Ir LED 60和面部之间的距离较小，则具有较强辐射密度的Ir LED 60不均匀地照在面部表面上。因此，识别率降低。另外，如果在Ir LED 60和面部之间的距离较大，则具有较弱辐射密度的Ir LED60均匀地辐射在面部表面上。然而，从Ir LED 60发出的Ir光不能充分到达面部表面。
如果在面部和Ir LED 60之间的距离约为30cm并使用移动电话10或20来认证面部，则仅可以使用具有3mW/sr的辐射密度的一个Ir LED 60。如果使用多个Ir LED 60，则功耗增加。对于尽量消耗少量功率的移动电话来说，可在光板150上安装具有3mW/sr的辐射密度的Ir LED 60。为了在30cm和50cm之间的光学面部认证距离来认证面部，可在光板150上配置其每个具有7mW/sr的辐射密度的约四个Ir LED 60。
图8示出表2，其示出对于在移动电话10中配置的Ir LED 60的个数所获得的试验性数据。在图8的试验中使用具有图5的分布FT-C的特征的FT-CCD。在10cm和20cm之间的范围与60cm和80cm之间的范围内每隔5cm，以及在20cm和60cm之间的范围内每隔10cm分别测量一次Ir LED60和面部之间的距离。对于电流值等于10mA和电压值等于5V的情况下获得图8中所示的Ir LED 60的辐射密度。在图8中，“○”、“△”、“×”具有在图7中所说明的相同含义。
与图7的表不同，Ir LED 60的辐射密度在1/5和1/10之间的范围内。然而，发射具有800nm和1020nm之间的波长的光的FT-CCD的光谱响应约高10倍。因此，即使在较弱辐射密度的情况下也可执行面部认证。在图8中，如果在Ir LED 60和面部之间的距离较小，则具有较强辐射密度的Ir LED60不均匀地照在面部表面上。因此，识别率降低。如果在Ir LED 60和面部之间的距离较大，则具有较弱辐射密度的Ir LED 60均匀地辐射在面部表面上。但是从Ir LED 60发出的Ir光不能充分到达面部表面。
如果在移动电话10中安装多个Ir LED 60，则Ir LED 60没必要发射具有相同波长的光。如随后将讨论的，可使用多个适用于面部认证的发射不同波长光的Ir LED。
<Ir滤波器>
图9是示出太阳光波长光谱的曲线图。横轴表示波长，纵轴表示辐射剂量。在可见光区域中出现大气外界的辐射剂量OE的波峰，辐射剂量OE降低至3000nm的波长的Ir光。
在680nm和760nm之间的可见光范围周围，在地球表面上的辐射剂量EE具有下落区域a1(其中，辐射剂量突然降低)。另外，在860nm和980nm之间的Ir光范围周围，辐射剂量具有下落区域a2；在1150nm和1350nm之间的Ir光范围周围，具有下落区域a3；在1580nm和1750nm之间的Ir光范围周围，具有下落区域a4。在可见光范围内的辐射剂量EE的下落区域a1被认为是由于将680nm和760nm之间波长的可见光吸收至大气的氧中而产生的现象。在Ir光范围内的辐射剂量EE的下落区域a2、a3和a4被认为是由于将具有相应波长的Ir光吸收至大气的蒸汽中而产生的现象。
图10是示出在作为Ir LED 60的第一实例的第一Ir LED 60-1的波长和在作为Ir滤波器127的第一实例的第一Ir滤波器127-1的波长截除之间关系的曲线图。
如上所述，在本发明中，向面部辐射从Ir LED 60发出的Ir光。特别地，在夏天，太阳发出大量的辐射，因此发出大量的Ir光辐射。因此，由Ir LED60发出的Ir光可受到太阳光的Ir光分量的干扰，因此在夏天中在户外执行认证时面部认证率可能降低。因而，可设置Ir LED 60和Ir滤波器127的波长，以在夏天中在户外执行认证时增加面部认证率。
如图10所示，放大了图9的辐射剂量的下落区域a2。在860nm和980nm的波长范围内，在地球表面上的Ir光的辐射剂量较小。因此，第一Ir LED60的波峰出现在860nm和980nm之间的波长范围内。结果，由Ir LED 60发出的Ir光很少会受到太阳光的Ir光分量的干扰。另外，设置第一Ir滤波器127-1，以透射具有830nm和1040nm之间波长的光。由第一Ir滤波器127-1阻止830nm或以下的波长范围FC-1以及1040nm或以上的波长范围FC-1。由于第一Ir滤波器127-1，可降低太阳光的Ir光分量的干扰。因此，如果将第一Ir LED 60-1和第一Ir滤波器127-1设置在上述波长范围内，则即使在夏天中在户外执行认证时，也不会降低面部认证率。
图11A是示出在作为Ir LED 60的第二实例的第二Ir LED 60-2的波长和在作为Ir滤波器127的第二实例的第二Ir滤波器127-2的波长截除之间关系的曲线图。图11B是示出在作为Ir LED 60的第三实例的第三Ir LED 60-3的波长和在作为Ir滤波器127的第三实例的第三Ir滤波器127-3的波长截除之间关系的曲线图。
参照图11A，第二Ir滤波器127-2截除约780nm或以下的波长范围FC-2。换句话说，第二Ir滤波器127-2截除所有可见光。第二Ir滤波器127-2包括主要发出880nm和980nm之间波长的Ir光的Ir LED 60-21和主要发出1150nm和1350nm之间波长的Ir光的Ir LED 60-22。因此，由于在地球表面上辐射剂量EE的下降范围a2和a3中第二Ir LED 60-2的大量辐射，所以截除约780nm或以下的波长范围FC-2的第二Ir滤波器127-2不干扰在夏天中的太阳光。
参照图11B，第三Ir LED 60-31使用主要发出900nm和1300nm之间波长的光的Ir LED 60。换句话说，第三Ir LED 60-31在较大范围内辐射Ir光。第三Ir滤波器127-3将除了940nm和1000nm之间波长和1150nm和1320nm之间波长之外的波长范围FC-3截除。因此，由于在地球表面上辐射剂量EE的下降区域a2和a3中第三Ir LED 60-31的大量辐射，在较大范围内辐射Ir光的第三Ir LED 60-3不干扰在夏天中的太阳光。
第三Ir LED 60-32使用可辐射在700nm的可见光范围和1500nm的Ir光范围之间的较宽波长的Ir光的Ir LED 60。换句话说，第三Ir LED 60-32辐射较宽范围的Ir光。由于在地球表面上的辐射剂量EE的下降范围a2和a3中第三Ir LED 60-32的大量辐射，所以从包括Ir光范围的Ir LED辐射的光不受夏天中太阳光的干扰。
没有示出图9的辐射量的下降范围a4，然而通过设置Ir LED 60的波长和Ir滤波器127的透射波长，可获得与下降范围a2和a3中相同的效果。
<在便携式终端中的面部认证流程图>
现在将描述在作为便携式终端实例的移动电话10中执行的面部认证操作。图12是根据本发明实施例在移动电话10中执行面部认证方法的流程图。移动电话10存储大量个人信息或许多电子邮件。因此，如果面部认证不成功，则不可使用移动电话10。
参照图12，在操作S71，对用于面部认证的参数N和M进行初始化。在操作S72，面部认证开始。这里，当用户向左和/或右来上下移动手臂，或者伸直或弯曲手臂，以调节面部和移动电话10之间的距离，从而增加面部认证率时，监视器30可显示用于表示面部位置和尺寸的框32。指示面部尺寸的框可以具有椭圆形、矩形或面部的总体轮廓。
在操作S73，检查面部轮廓和特征。换句话说，面部认证运算器133响应于如图2所示的图像处理器131的图像处理速度来提取面部轮廓和特征。如果对于检查轮廓和特征来说面部太大或太小，则处理过程进行至操作S74和S75，以重复操作S72至S75，直至参数N小于阈值S1并且可检查出面部轮廓和特征。如果参数N小于阈值S1，则在操作S76，监视器30显示没有成功进行面部认证。
如果在操作S73中，检查出面部轮廓和特征，则在操作S77中，确定该面部是否与图2的面部图像文件135中存储的已登记的图像一致。例如，尽管在操作S73中，检查出面部轮廓和特征，但是该面部可能处于倾斜位置，因此可能确定为该面部与已登记的面部不一致。如果该面部与已登记的面部不一致，则该方法进行操作S78和S79。另外，该方法返回至操作S73和S77，以检查面部轮廓和特征并确定该面部是否与已登记的图像一致。如果在操作S78中，参数M小于阈值S2，则在操作S76中，监视器30显示该面部不可被认证。如果在操作S77中该面部与已登记的图像一致，则对于移动电话10的各种控制被许可。
图13是根据本发明实施例的在执行特定功能(例如执行货币操作)时进行面部认证的方法的流程图。移动电话10具有许多功能，并且近来也具有货币操作的功能。移动电话10可以在不需要面部认证的情况下使用。然而，如果对于特定功能没有成功进行面部认证，则不允许使用特定功能(例如货币操作)，其中在该特定功能中可以确定由于不当使用将使损害增加。
图13的方法几乎与图12的方法相同，而使用不同的操作标号表示在图13中与图12不同的内容。在图12中，如果面部没有通过认证，则在操作S76中，监视器30显示不能认证面部。然而，在图13中，如果面部拍摄不充分，即在操作S74，参数N不小于阈值S1，则在操作S81，监视器30显示消息“请在框中拍摄面部”。如果该面部与已登记的面部不一致，即在操作S78，参数M不小于阈值S2，则在操作S82，监视器30显示消息“面部与已登记的图像不一致”，以通知用户面部认证失败。
已经将镜头129描述为固定焦点的前提，但是其可具有自动焦点功能。另外，已经将可见光滤波器和Ir光滤波器之间的边界描述为约760nm的波长，但是也可以是约780nm或800nm的波长。另外，可见光滤波器可透射800nm或以下波长的光，Ir光滤波器可透射约760nm或以上波长的光，以形成重叠范围。
在本发明的上述实施例中主要描述了移动电话。然而，本发明的Ir面部认证设备100可安装在需要安全的其他设备中。例如，如果在建筑物的入口或者汽车或房间的门安装Ir面部认证设备100，则在夜里或很亮区域可执行具有较高精度的面部认证。并且，如果在固定的安全设备中安装Ir面部认证设备100，则用户可检查在显示器上显示的用户面部的尺寸和位置，以调节设置或站立位置，从而改善识别率。
执行货币操作的安全设备(例如ATM或保险库)需要防止金融盗窃。可在安全设备中安装Ir面部认证设备，以使用面部照片等防止未授权的提款。
另外，需要一种用于防止不熟悉的人进入或退出或者不正常复制或访问的装置，以保护个人信息或商业秘密。可在建筑物入口和出口的安全设备中或者其他的复制机器、个人计算机中安装Ir面部认证设备，以防止未授权的访问。
如上所述，根据本发明，可使用Ir光图像来执行面部认证。因此，可大大增加面部识别率。
尽管参照本发明的示例性实施例特别示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该理解的是，在不脱离由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上对本发明进行各种改变。
权利要求
1.一种红外面部认证设备，包括光源，向面部辐射760nm或以上波长的红外光；拍摄单元，检测所述红外光的反射光，以输出红外图像；和认证器，使用所述红外图像执行面部认证。
2.如权利要求1所述的红外面部认证设备，其中所述认证器根据所述红外图像确定整个面部的轮廓和眼睛的位置，以执行面部认证。
3.如权利要求1所述的红外面部认证设备，其中所述认证器根据所述红外图像确定整个面部的轮廓、眼睛的位置、鼻孔的位置和嘴的位置，以执行面部认证。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的红外面部认证设备，其中所述光源为一个二极管或多个二极管，并且所述一个二极管的辐射密度或所述多个二极管的辐射密度的总和为0.3毫瓦/球面度或以上。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的红外面部认证设备，其中所述光源为多个二极管，并且从所述多个二极管中一个二极管辐射的红外光的波长不同于从所述多个二极管中另一二极管辐射的红外光的波长。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的红外面部认证设备，其中所述拍摄单元为光电转换元件，其包括可见光接收元件，其包含可见光滤波器，用于接收可见光；红外光接收元件，其包含红外光滤波器，用于接收760nm或以上波长的红外光；和元件切换单元，在所述可见光接收元件和所述红外光接收元件之间进行电切换。
7.如权利要求1至5中任一权利要求所述的红外面部认证设备，其中所述拍摄单元为光电转换元件，其包括用于机械式切换可见光滤波器和红外光滤波器的切换单元，所述可见光滤波器覆盖所述光电转换元件的整个表面，以透射具有可见光波长的光；所述红外光滤波器覆盖所述光电转换元件的整个表面，以透射大于760nm波长的红外光。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的红外面部认证设备，还包括显示器，显示从所述拍摄单元输出的红外图像，其中所述拍摄单元和所述显示器安装在同一表面上。
9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的红外面部认证设备，其中所述红外光滤波器为用于透射760nm或以上波长的光的红外光滤波器。
10.如权利要求9所述的红外面部认证设备，其中所述红外光滤波器为透射波长在一范围内的光的红外光滤波器，在所述范围内在地球表面上太阳光的红外辐射量突然降低。
11.如权利要求1或5所述的红外面部认证设备，其中所述光源具有在一范围内的波长，在所述范围内在地球表面上太阳光的红外辐射量突然降低。
12.一种便携式终端，包括如权利要求1至11中任一权利要求所述的红外面部认证设备，其中在所述便携式终端开始使用或者开始执行货币操作时，所述认证器开始运行。
13.一种安装在可移动或固定终端中的安全设备，包括如权利要求1至11中任一权利要求所述的红外面部认证设备，其中，所述认证器对于访问所述可移动或固定终端的人执行面部认证。
全文摘要
本发明提供一种红外(Ir)面部认证设备及包括该设备的便携式终端和安全设备。所述Ir面部认证设备包括光源，向面部辐射760nm或以上波长的Ir光；拍摄单元，检测所述Ir光的反射光，以输出Ir图像；和认证器，使用所述Ir图像执行面部认证。所述Ir面部认证设备还包括显示器，显示从拍摄单元输出的Ir图像；并且拍摄单元和显示器安装在同一表面上。
文档编号G06K9/20GK101021898SQ20071000573
公开日2007年8月22日 申请日期2007年2月13日 优先权日2006年2月13日
发明者岛田浩之, 中村靖之, 影山雄一 申请人:斯马特维尔雷斯有限公司