Die Anwendung von Schmalbandfiltern bei der Gesichtserkennung

Die Gesichtserkennungstechnologie identifiziert Menschen anhand ihrer Gesichtszüge und ist eine Art der biometrischen Erkennung. Dabei werden Bilder oder Videostreams mit Gesichtern mithilfe eines Bildaufnahmegeräts aufgenommen, das Gesicht im Bild automatisch erkannt und verfolgt und dann Gesichtsmerkmale lokalisiert und extrahiert. Durch den Vergleich dieser Merkmale werden verschiedene Personen identifiziert. Der Rechenprozess für die Gesichtserkennung ist enorm und sowohl die anfängliche Bildqualität als auch die Leistung des Algorithmus haben einen entscheidenden Einfluss auf die Erkennungseffizienz. Hier konzentrieren wir uns auf die Analyse der Schmalbandfilter, die in den Bildaufnahmegeräten von Gesichtserkennungssystemen verwendet werden. Ziel ist es, Benutzern zu helfen, die Rolle und Verwendung von Schmalbandfiltern besser zu verstehen, um die richtigen technischen Spezifikationen richtig auszuwählen.

Lichtquelle

In Bilderfassungsgeräten zur Gesichtserkennung werden als Lichtquelle üblicherweise Hochleistungs-Infrarotdioden mit Wellenlängen zwischen 850 und 940 nm verwendet. Um die Erkennungseffizienz und die Lichtnutzungsrate zu verbessern, sollten die Überlegungen zum Gesamtdesign bereits bei der Auswahl der Lichtquelle beginnen. Obwohl die Nennwerte der auf dem Markt erhältlichen LEDs 850 nm oder 940 nm betragen, gibt es bei der Messung der zentralen Wellenlänge bestimmter LED-Produkte häufig Abweichungen. Beispielsweise kann die tatsächliche zentrale Wellenlänge von LEDs mit der Bezeichnung 850 nm bei 835 nm oder 865 nm liegen. Da die Lichtquelle in Gesichtserkennungssystemen aus mehreren Hochleistungs-LED-Arrays besteht, wird die kombinierte spektrale Bandbreite nach der Überlagerung größer, wenn die zentrale Wellenlänge jeder LED variiert. Eine einzelne 850-nm-LED hat eine Bandbreite von etwa 50 nm, aber wenn die zentralen Wellenlängen unterschiedlich sind, wird die kombinierte spektrale Bandbreite mehrerer LEDs viel größer. Dies ist ungünstig für die Auswahl der Schmalbandfilterbandbreite, der Energienutzungsrate und der Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Daher ist es erforderlich, dass die zentralen Wellenlängen der ausgewählten LED-Lichtquellen konsistent sind. Darüber hinaus verschiebt sich die zentrale Wellenlänge der LED-Lichtquelle mit zunehmender Betriebstemperatur in Richtung längerer Wellenlängen und verschiebt sich bei jeder Erhöhung um 10 °C um etwa 1 nm. Darüber hinaus verringert sich mit steigender Betriebstemperatur die Lichtausbeute der LEDs rapide. Wenn die Temperatur etwa 85 °C erreicht, sinkt die Ausgangseffizienz der LED auf etwa 50 %. Daher ist es wichtig, dass die LED-Lichtquelle eine gute Wärmeableitung aufweist. Auch bei der Wahl des Divergenzwinkels des LED-Emitters ist ein kleinerer Winkel vorzuziehen, um die Energienutzungsrate der Lichtquelle zu verbessern.

Empfänger

In Gesichtserkennungssystemen werden CCD-Bildsensoren im Wesentlichen als Empfänger verwendet. CCDs werden aufgrund ihrer geringen Größe, ihres geringen Gewichts, ihrer geringen Verzerrung, ihres geringen Stromverbrauchs, ihrer Fähigkeit, mit niedriger Spannung betrieben zu werden, sowie ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Stöße, Vibrationen und starke elektromagnetische Störungen bevorzugt. Daher werden sie häufig in verschiedenen Bilderfassungssystemen eingesetzt. Die in Gesichtserkennungssystemen verwendeten CCDs sind in der Regel siliziumbasiert und haben einen spektralen Empfindlichkeitsbereich von 400 nm bis 1100 nm, was auch der Spektralbereich ist, der für Schmalbandfilter berücksichtigt werden muss.

Auswahl des Bandpassfilters

Schmalbandfilter werden hauptsächlich verwendet, um Störlicht zu isolieren, Signallicht durchzulassen, nützliche Informationen zu verbessern und Störungen zu reduzieren. Damit legen sie den Grundstein für die nachfolgende Bildverarbeitung und -erkennung. Derzeit wird die Gesichtserkennung hauptsächlich in verschiedenen Anwesenheits- und Zugangskontrollsystemen verwendet. Einige werden an Orten mit schwacher Innenbeleuchtung installiert, andere in helleren Bereichen. Unter verschiedenen Umständen variiert die Intensität des Störlichts und damit auch die Anforderungen an Schmalbandfilter.

Es wurde festgestellt, dass Menschen häufig Infrarotglas verwenden, das sichtbares Licht blockiert und Infrarotlicht durchlässt, um Interferenzlicht zu isolieren, was bis zu einem gewissen Grad durchaus effektiv sein kann. Gewöhnliches Infrarotglas isoliert jedoch nur Licht aus den sichtbaren und ultravioletten Anteilen und blockiert kein Infrarotlicht. Bei tatsächlichem Interferenzlicht reicht das Spektrum vom sichtbaren bis zum infraroten Bereich, da das Spektrum des Sonnenlichts sehr breit ist und diffuses oder gestreutes Sonnenlicht die Hauptinterferenzquelle darstellt. Deshalb ist es zur Erzielung einer guten Interferenzschutzwirkung notwendig, Schmalbandfilter zu verwenden. Der Vergleich der Übertragungsleistung zwischen absorbierendem Infrarotglas und Schmalbandfiltern ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, isoliert Infrarotglas, unabhängig davon, welche Art von Glas verwendet wird, nur sichtbares Licht und hat keine blockierende Wirkung auf Infrarotlicht, während Schmalbandfilter effektiv alles Interferenzlicht außerhalb des Bereichs des Signalspektrums isolieren.

Bestimmung der FWHM

Die Bandbreite eines Schmalbandfilters sollte weder zu schmal noch zu breit sein; sie sollte in Verbindung mit der Umgebung und der verwendeten Lichtquelle bestimmt werden. Eine 850 nm Infrarot-LED hat eine Bandbreite von etwa 50 nm. Bei der Auswahl eines Schmalbandfilters muss die Ausnutzungsrate der Lichtenergie berücksichtigt werden, daher sollte die Bandbreite des Filters nicht zu schmal eingestellt werden. Für LED-Lichtquellen ist eine Bandbreite von weniger als 15 nm nicht ganz angemessen. Einerseits würde eine sehr schmale Bandbreite einen erheblichen Teil des starken Signallichts der LED ablehnen. Andererseits würde eine sehr schmale Bandbreite den effektiven Nutzungswinkel des Filters sehr klein machen, was möglicherweise zu Bildern führen kann, die in der Mitte hell und an den Rändern dunkel sind. Durch praktische Tests wurde festgestellt, dass bei einer Einstellung der Schwelle der LED-Lichtstärkenausnutzung auf etwa 70 % die aufgenommenen Bilder immer noch einen ziemlich guten Kontrast aufweisen. Daher kann die Bandbreite des Schmalbandfilters bei etwa 30 nm oder bei höheren Anforderungen an die Störfestigkeit bei 20 nm gewählt werden.

Bestimmung der Mittenwellenlänge von Schmalbandfiltern

Theoretisch besteht die beste Wahl für die Mittenwellenlänge eines Schmalbandfilters darin, sie an die Mittenwellenlänge der ausgewählten LED anzupassen. Wie bereits erwähnt, gibt es jedoch zwei Faktoren, die zu geringfügigen Anpassungen bei der Auswahl der Mittenwellenlänge des Schmalbandfilters führen können: der Einfallswinkeleffekt und die Wärmeentwicklung der LED selbst.

Einfallswinkeleffekt

Beim tatsächlichen Kamerabetrieb erreicht das vom menschlichen Gesicht reflektierte Licht den Filter in einem bestimmten Winkelbereich, beispielsweise innerhalb von ±10°. Daher beträgt der auf den Filter einfallende Lichtwinkel nicht nur 0°, sondern auch zwischen 0° und 10°. Wenn ein Schmalbandfilter auf schräg einfallendes Licht trifft, verschiebt sich die Mittenwellenlänge des Schmalbandfilters in Richtung der kürzeren Wellenlänge. Beispielsweise verschiebt sich bei einem Schmalbandfilter mit einer Mittenwellenlänge von 850 nm bei einem Einfallswinkel von 0° die Mittenwellenlänge auf 847 nm, wenn der Einfallswinkel 10° beträgt.

Wärmeeffekt

Wenn die Temperatur der LED um 10 °C steigt, verschiebt sich die Mittenwellenlänge der LED um 1 nm in Richtung der längeren Wellenlänge. Diese beiden Einflussfaktoren veranlassen uns, bei der Bestimmung der Mittenwellenlänge des Schmalbandfilters die sich im Nutzungsprozess ändernden Faktoren zu berücksichtigen. Daher sollte die Mittenwellenlänge des Schmalbandfilters im Voraus etwa 5 nm höher als die Mittenwellenlänge der LED eingestellt werden. Dies berücksichtigt sowohl die Einfallsbedingungen bei Winkeln von 0° bis 10° als auch den Fall, dass sich die Mittenwellenlänge der LED aufgrund des Temperaturanstiegs nach oben verschiebt.

Bestimmung des Cutoff-Bereichs

Der Grenzbereich eines Schmalbandfilters wird hauptsächlich durch den Ansprechbereich des Empfängers selbst und den Wellenlängenbereich der Störquellen in der Umgebung bestimmt, in der sich der Empfänger befindet. Der Ansprechbereich des Empfänger-CCD beträgt 400 bis 1100 nm. Bei Gesichtserkennungsanwendungen sind die Hauptstörquellen diffuses oder gestreutes Sonnenlicht und umgebende künstliche Lichtquellen, die einen weiten Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis Nahinfrarot abdecken. Aus diesen beiden Gründen kann der Grenzbereich von Schmalbandfiltern, die zur Gesichtserkennung verwendet werden, auf 400 bis 1100 nm festgelegt werden.

Bestimmung der Cutoff-Tiefe

Theoretisch gilt: Je niedriger die Transmission innerhalb des Cutoff-Bereichs, desto besser. Unter Berücksichtigung der Herstellungskosten und des tatsächlichen Bedarfs sollte die Cutoff-Tiefe jedoch auf einen vernünftigen Wert gewählt werden. In Gesichtserkennungssystemen kann die Isolationswirkung von Interferenzlicht deutlich beeinträchtigt werden, wenn die Cutoff-Transmission eines Schmalbandfilters weniger als 1 % beträgt. Die Schmalbandfilter für die Gesichtserkennung sollten eine Cutoff-Transmission von weniger als 0,5 % aufweisen, und die Wirkung ist sehr gut. Für Anwendungen, bei denen die Intensität des Interferenzlichts in der Umgebung besonders stark ist, können wir Produkte mit höherer Cutoff-Tiefe anbieten, um den Kundenanforderungen gerecht zu werden.

Bestimmung der Spitzendurchlässigkeit

Im Allgemeinen denken alle, dass je höher die Spitzendurchlässigkeit eines Schmalbandfilters ist, desto besser. In den meisten Fällen ist das richtig. Bei Gesichtserkennungsanwendungen ist das jedoch nicht immer der Fall. Wenn ein Gesichtserkennungsgerät direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist, ist die Intensität des Interferenzlichts sehr stark und das Interferenzlicht mit der gleichen Wellenlänge wie das Signallicht ist ebenfalls sehr stark. Dieses Interferenzlicht kann nicht durch den Schmalbandfilter entfernt werden. Zu diesem Zeitpunkt ist es zur Verbesserung der Entstörungsfähigkeit erforderlich, die einfallende Intensität des LED-Lichts weiter zu erhöhen, um die Intensität des Signallichts um ein Vielfaches stärker zu machen als die Intensität des Interferenzlichts. Die Erhöhung der Intensität der LED-Lichtquelle ist relativ einfach zu implementieren, man erhöht einfach die Anzahl der LEDs. Wenn jedoch die Energie des LED-Lichts einen bestimmten Wert erreicht, gekoppelt mit der Energie des Interferenzlichts mit der gleichen Wellenlänge wie die LED, ist die Reaktion des CCD-Empfängers leicht gesättigt, was zu ernsthaften Bildverzerrungen führt. Selbst wenn die Belichtung per Software reduziert wird, kann dieses Problem möglicherweise nicht gelöst werden. Zu diesem Zeitpunkt muss der Schmalbandfilter eine gewisse Dämpfungsfunktion im Signallichtband übernehmen und gleichzeitig das Störlicht im Sperrbereich herausfiltern. Je nach tatsächlicher Situation kann die Spitzendurchlässigkeit des Schmalbandfilters 40 % oder 60 % oder andere Werte betragen.

Auswahl der Filterdicke

Unter Berücksichtigung des Kostenfaktors sind die in Gesichtserkennungssystemen verwendeten CCD-Empfänger und entsprechenden Linsengruppen derzeit meist vorgefertigt und für allgemeine Zwecke bestimmt und werden häufig in Webcams oder Handykameras verwendet. Der Zoombereich dieser Allzweckkameras ist relativ klein. Wird vor dem CCD ein Filter platziert, entsteht ein übermäßiger Wegunterschied, der zu unscharfen Bildern führt. Bei einem geringen Wegunterschied kann das Bild durch Feinabstimmung des Fokus immer noch klar gemacht werden, aber wenn die Dicke des Filters groß ist, ist auch der eingeführte Wegunterschied groß und es ist möglicherweise nicht möglich, den Fokus anzupassen, um dies auszugleichen, was zu unscharfen Bildern führt. Daher platzieren viele Leute den Filter vor dem Objektiv der CCD-Kamera statt vor dem CCD-Sensor, weil diese Platzierung gleichbedeutend damit ist, dass der Filter den Abbildungspfad nicht stört. Die vor dem Objektiv platzierten Filter sind jedoch groß, umständlich zu installieren und ästhetisch nicht ansprechend. Daher möchten viele Leute die Größe des Filters reduzieren und ihn vor dem in die Kamera eingebauten CCD-Sensor platzieren, wodurch die Kosten für den Filter gespart werden können und das Erscheinungsbild nicht beeinträchtigt wird. Um den Filter in der Kamera platzieren zu können, muss der Filter sehr dünn sein. In der Praxis hat sich gezeigt, dass Filter mit einer Dicke von 0,55 mm oder 0,7 mm geeignet sind.

Vorsichtsmaßnahmen bei Weitwinkelaufnahmen

Wenn ein Weitwinkel-Sichtfeld erforderlich ist, muss der Schmalbandfilter so nah wie möglich am CCD oder CMOS platziert werden, was bedeutet, dass er in die Kamera eingebaut werden muss. Wenn der Filter direkt vor dem Kameraobjektiv platziert wird, liegt der Aufnahmewinkel im Allgemeinen innerhalb von 20°.

Vorsichtsmaßnahmen bei großwinkligem Störlicht

Auch wenn kein Weitwinkel-Sichtfeld erforderlich ist, empfiehlt es sich bei weitwinkligem Störlicht, insbesondere bei Störlicht mit einer etwas kürzeren Wellenlänge als das Signallicht, den Filter im Inneren der Kamera, nahe am CCD oder CMOS und hinter der Linse zu platzieren. Dies ist vorteilhaft, um Störlicht im Weitwinkel-Sichtfeld zu reduzieren.

Beseitigung von Doppelbildstörungen

Für Anwendungen wie Größenerkennung und Gesichtserkennung, bei denen hochwertige Ausgangsbilder erforderlich sind, weisen herkömmliche Filter für Durchlasswellenlängen eine relativ hohe Reflektivität auf. Bei eingebauten ultradünnen Filtern sind die beiden Oberflächen im Allgemeinen beschichtet, und die vordere und hintere Glasoberfläche arbeiten zusammen, um die Aufgabe der breiten Grenzfläche zu erfüllen, was bedeutet, dass beide Oberflächen des Glassubstrats mit komplexen Mehrfachschichten mit Grenzfunktion beschichtet sind. Auf diese Weise neigen die beiden Oberflächen im Durchlassbereich dazu, relativ große Restreflexionen zu erzeugen. Wenn beispielsweise die Durchlassbanddurchlässigkeit der vorderen Oberfläche 95 % beträgt und die Durchlassbanddurchlässigkeit der hinteren Oberfläche ebenfalls 95 % beträgt, weisen die beiden Oberflächen jeweils 5 % Restreflexion auf, und es treten Mehrfachreflexionen zwischen den beiden Oberflächen auf. Dieses Phänomen führt zu Doppelbildern des CCD- oder CMOS-Bilds und die Schärfe der Bildkontur wird reduziert.