專(zhuān)利名稱(chēng)：自動(dòng)跟蹤無(wú)侵害虹膜圖像采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開(kāi)了一種自動(dòng)跟蹤無(wú)侵害虹膜圖像采集裝置，用于自動(dòng)高速地采集人眼的虹膜圖像，涉及虹膜身份識(shí)別系統(tǒng)。更確切的說(shuō)屬于生物特征識(shí)別及安全認(rèn)證技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
虹膜圖像的采集是虹膜身份識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。虹膜圖像采集裝置采集到的虹膜圖像的質(zhì)量直接影響到虹膜身份識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別率；另一方面，從用戶(hù)角度講，虹膜圖像采集裝置的易用性和無(wú)侵害性影響用戶(hù)對(duì)虹膜身份識(shí)別系統(tǒng)的接受度。
從實(shí)用的觀點(diǎn)看，現(xiàn)有的虹膜圖像采集裝置有下述問(wèn)題。
一類(lèi)典型的已知虹膜采集裝置采用一個(gè)用于將測(cè)試對(duì)象定位的侵害性裝置(例如頭靠)。這類(lèi)虹膜圖像采集裝置通常還需要提供一個(gè)受控的光源照明環(huán)境，以排除外界光線干擾。這類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不必過(guò)多地考慮光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整，采集到的圖像亮度、對(duì)比度比較固定。但是這類(lèi)系統(tǒng)有著顯著的缺點(diǎn)固定裝置并不能與每個(gè)人的臉形準(zhǔn)確匹配；采集裝置工作時(shí)對(duì)人是侵害性的，定位裝置與人有物理接觸，嚴(yán)重減弱其用戶(hù)接受度；對(duì)于固定裝置的使用場(chǎng)合，這類(lèi)系統(tǒng)不適合身高不同的人群，給用戶(hù)帶來(lái)不適。
另一類(lèi)已知的虹膜圖像采集裝置是無(wú)侵害性的。用戶(hù)與采集裝置不會(huì)發(fā)生物理接觸?，F(xiàn)有的技術(shù)中，用戶(hù)需要自主地通過(guò)一些輔助定位裝置(如機(jī)械或光學(xué)瞄準(zhǔn)裝置)調(diào)整自己眼球位置使眼球位于圖像采集裝置的光學(xué)軸線上，以便使眼球在圖像采集裝置上形成聚焦圖像；照明的光源一般為彌散光源，從而避免光源在眼睛上的反光影響成像質(zhì)量。另一些已知虹膜圖像采集裝置采用偏振光學(xué)系統(tǒng)來(lái)避免環(huán)境光干擾。這類(lèi)系統(tǒng)避免了上述侵害性采集裝置采集過(guò)程中人與裝置的物理接觸。但是這類(lèi)系統(tǒng)有著顯著的缺點(diǎn)需要用戶(hù)參與光學(xué)調(diào)整，包括調(diào)整使用戶(hù)自身的虹膜與光學(xué)系統(tǒng)軸線重合以及調(diào)整與裝置的距離使得圖像采集器可以采集到清晰的聚焦圖像；這些缺點(diǎn)使得系統(tǒng)的易用性顯著下降，用戶(hù)不得不經(jīng)過(guò)某些訓(xùn)練以適用該類(lèi)系統(tǒng)；照明光源涉及復(fù)雜，成本高。
中國(guó)專(zhuān)利CN95195628.0公布了一種自動(dòng)無(wú)侵害虹膜采集裝置，通過(guò)偏轉(zhuǎn)掃描反射鏡搜索眼球以成像。這類(lèi)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是由于相機(jī)指向固定，僅靠偏轉(zhuǎn)掃描反射鏡，識(shí)別和定位用戶(hù)的范圍非常有限。中國(guó)專(zhuān)利CN03802325.3公布了一種利用立體人臉識(shí)別的虹膜識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用兩個(gè)或更多個(gè)人臉識(shí)別相機(jī)，用于拍攝被驗(yàn)證者的兩幅或更多幅臉部圖像，利用立體人臉來(lái)估計(jì)距離完成虹膜采集。但是這類(lèi)系統(tǒng)有著顯著的缺點(diǎn)系統(tǒng)使用兩個(gè)或更多個(gè)人臉識(shí)別相機(jī)及一個(gè)以上的虹膜相機(jī)，過(guò)于復(fù)雜；需要人工完成虹膜與所述虹膜相機(jī)的光軸對(duì)準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了一種自動(dòng)跟蹤無(wú)侵害虹膜圖像采集裝置，目的在于整體或部分的解決一個(gè)或多個(gè)上述問(wèn)題或缺點(diǎn)，以提供至少以下描述的優(yōu)點(diǎn)自動(dòng)對(duì)工作范圍內(nèi)的用戶(hù)進(jìn)行捕捉，進(jìn)而對(duì)用戶(hù)眼球進(jìn)行捕捉和定位，驅(qū)動(dòng)采集裝置對(duì)用戶(hù)眼球跟蹤，完成采集裝置與被采集對(duì)象的對(duì)準(zhǔn)。過(guò)程無(wú)需用戶(hù)參與定位與對(duì)準(zhǔn)，裝置自動(dòng)調(diào)整以配合完成虹膜圖像采集；簡(jiǎn)化照明的系統(tǒng)，無(wú)需配置上述已知虹膜采集系統(tǒng)的中采用的偏光系統(tǒng)或光源彌散處理裝置。
為了整體或部分實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開(kāi)了一種虹膜圖像采集裝置，裝置包含相對(duì)廣角成像器、相對(duì)窄角成像器、光學(xué)分配器、指向平臺(tái)裝置和相應(yīng)的指向控制裝置。相對(duì)廣角成像器視野范圍相對(duì)大，用以獲取至少包含用戶(hù)臉部范圍的連續(xù)視頻幀。相對(duì)窄角成像器包含由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)完成焦點(diǎn)調(diào)整的光學(xué)透鏡裝置。窄角成像器通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦模塊驅(qū)動(dòng)上述馬達(dá)完成光學(xué)透鏡裝置的調(diào)整以獲取用戶(hù)眼球部位的聚焦圖像。相對(duì)廣角成像器和相對(duì)窄角成像器安裝在指向平臺(tái)裝置上。指向控制裝置包含一個(gè)圖像處理裝置，圖像處理裝置對(duì)所述連續(xù)視頻幀處理，用于對(duì)用戶(hù)眼球的捕捉和定位。指向控制裝置包含響應(yīng)所述圖像處理裝置的眼球位置信息的裝置，通過(guò)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)所述指向跟蹤裝置在空間直角坐標(biāo)系中兩個(gè)或三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度上運(yùn)動(dòng)，調(diào)整指向使得相對(duì)窄角成像器的光學(xué)軸線指向用戶(hù)眼球，完成圖像采集。
為了整體或部分實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開(kāi)了一種虹膜圖像采集裝置，裝置包含相對(duì)廣角成像器、相對(duì)窄角成像器和照明光源。廣角成像器和照明光源通過(guò)半反射透鏡耦合到窄角成像器光學(xué)軸線上。廣角成像器與窄角成像器采集的數(shù)字圖像中心嚴(yán)格重合，因而無(wú)需對(duì)因廣角成像器與窄角成像器的安裝軸線不重合造成的圖像中心偏移做出修正。照明光源在人眼圖像中的瞳孔中心形成小于瞳孔的反射光斑，通過(guò)數(shù)字圖像處理方法去除光斑，獲得高質(zhì)量的虹膜圖像。


結(jié)合

閱讀下列詳細(xì)說(shuō)明，可容易地理解本發(fā)明的宗旨，附圖中有圖1是包含本發(fā)明原理的裝置的功能框圖；圖2是包含本發(fā)明原理的指向跟蹤裝置結(jié)構(gòu)圖；圖3是包含本發(fā)明原理的一個(gè)自動(dòng)跟蹤無(wú)侵害虹膜圖像采集裝置的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1所示，一個(gè)自動(dòng)跟蹤無(wú)侵害虹膜圖像采集裝置包含一個(gè)用以獲取用戶(hù)虹膜聚焦圖像的窄角成像器200；一個(gè)例如視頻攝像機(jī)那樣的相對(duì)的廣角成像器300；分配眼球201的反射光線至窄角成像器200和廣角成像器300的光學(xué)分配器207；指向平臺(tái)裝置100和指向控制裝置400。
窄角成像器200視野相對(duì)狹窄，所具有的光學(xué)部件允許獲取前方遠(yuǎn)處的用戶(hù)眼球201的高分辨率圖像，因而不需要眼球201特別靠近窄角成像器200。廣角成像器300具有相對(duì)寬廣的工作視野，用以獲取包含用戶(hù)臉部或者是比用戶(hù)臉部范圍更廣的連續(xù)視頻幀。窄角成像器200和廣角成像器300與指向平臺(tái)100固定連接。指向平臺(tái)裝置100由指向控制裝置400驅(qū)動(dòng)，在空間直角坐標(biāo)系中兩個(gè)或三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度上運(yùn)動(dòng)，以改變自身空間指向。窄角成像器200跟隨指向平臺(tái)100改變空間指向以使窄角成像器200的光軸213對(duì)準(zhǔn)眼球201。
圖2是包含本發(fā)明原理的指向跟蹤裝置結(jié)構(gòu)圖。窄角成像器200和廣角成像器300與跟蹤平臺(tái)100固定連接。跟蹤平臺(tái)100通過(guò)轉(zhuǎn)軸113與水平支架114連接。X軸驅(qū)動(dòng)馬達(dá)404安裝在水平支架114上，馬達(dá)404響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)通過(guò)軸116驅(qū)動(dòng)跟蹤平臺(tái)100繞X軸旋轉(zhuǎn)。水平支架114通過(guò)馬達(dá)403及其軸與基座115連接，馬達(dá)403響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)水平支架114繞Z軸旋轉(zhuǎn)。因而水平支架100可以響應(yīng)的控制信號(hào)使窄角成像器200和廣角成像器300指向空間的任意方向。
圖3是包含本發(fā)明原理的一個(gè)自動(dòng)跟蹤無(wú)侵害虹膜圖像采集裝置的實(shí)施例。窄角成像器200包括透鏡裝置203，光源202，平面圖像傳感器206，半反射鏡204，紅外濾光鏡205，圖像對(duì)焦驅(qū)動(dòng)裝置209，對(duì)焦伺服裝置210，變焦距驅(qū)動(dòng)裝置212，變焦距伺服裝置211和圖像后處理裝置208。透鏡裝置203是一個(gè)可以由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)變焦距和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)調(diào)焦的遠(yuǎn)距攝像透鏡，將人眼201反射的光線聚焦在平面圖像傳感器206上形成清晰的圖像。紅外濾光鏡205安裝在平面圖像傳感器206表面僅允許人眼201反射的光線中的近紅外波段光通過(guò)。平面圖像傳感器206是一個(gè)高分辨率的圖像傳感器，例如CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器，其對(duì)近紅外波段光敏感。
光源202用以照明人的眼部，光源202是一個(gè)近紅外光源，例如一個(gè)紅外LED，光源202可以是一個(gè)電光源。通過(guò)放置在透鏡裝置203和平面圖像傳感器206之間的光軸上的半反射鏡204， 光源202發(fā)出的光線被反射到主光軸213上。適當(dāng)配制，使光源202與半反射鏡204的距離小于平面圖像傳感器206與半反射鏡204的距離。這樣當(dāng)透鏡裝置203在平面圖像傳感器206上聚焦得到清晰圖像的時(shí)候，一個(gè)點(diǎn)光源202發(fā)出的光線被透鏡裝置203折射形成平行于主光軸213的發(fā)散光束，照明人眼201。嚴(yán)格的說(shuō)照射光束與成像器主光軸完全重合，因而只會(huì)在聚焦圖像的瞳孔的中心處形成小的反射光斑。反射光斑通過(guò)圖像后處理裝置208去除。圖像后處理裝置首先通過(guò)邊緣檢測(cè)算法(例如Canny算子和Sobel算子)提取瞳孔邊界，利用邊界點(diǎn)通過(guò)Hough變化方法得到瞳孔園的參數(shù)模型。因?yàn)橥變?nèi)部不包含虹膜識(shí)別系統(tǒng)所需的紋理信息，因而圖像后處理裝置208去除拋棄瞳孔園內(nèi)的圖像信息以去除反射光斑。
圖像對(duì)焦驅(qū)動(dòng)裝置209評(píng)價(jià)平面圖像傳感器206采集的圖像清晰程度，以某種控制方式驅(qū)動(dòng)對(duì)焦伺服裝置210驅(qū)動(dòng)馬達(dá)改變透鏡裝置203的焦點(diǎn)位置，使平面圖像傳感器206采集到清晰虹膜圖像。圖像對(duì)焦驅(qū)動(dòng)裝置的控制方式包括a)以FFT和梯度算子為圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，建立以搜索評(píng)價(jià)函數(shù)極值為目標(biāo)的伺服驅(qū)動(dòng)方式。b)基于離焦深度法(Depth FromDefocus，DFD)，建立散焦模型，計(jì)算合焦位置的驅(qū)動(dòng)方式。作為進(jìn)一步的改進(jìn)，圖像對(duì)焦驅(qū)動(dòng)裝置209還可以是一個(gè)包含圖像傳感器通過(guò)相位檢測(cè)的確定合焦位置的裝置。
圖3所示，變焦距驅(qū)動(dòng)裝置212根據(jù)廣角成像器的視頻幀粗略的估計(jì)出用戶(hù)與系統(tǒng)的距離，以提供給變焦距伺服裝置211驅(qū)動(dòng)透鏡改變焦距。這樣可以使用戶(hù)距離系統(tǒng)過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，虹膜的成像不止過(guò)小；使用戶(hù)距離系統(tǒng)過(guò)近時(shí)，虹膜的成像不止無(wú)法成完整的像。這里的距離估計(jì)是非常粗略的，如果廣角成像器300采用立體成像器，可以提高距離估計(jì)的精度。
圖3所示，廣角成像器300與窄角成像器200的光軸成45度夾角。廣角成像器300通過(guò)一個(gè)放置在窄角成像器200的光軸的半反射鏡207耦合到光軸213上。進(jìn)一步說(shuō)，眼球201反射的光線經(jīng)過(guò)半反射鏡207分配到廣角成像器300與窄角成像器200。使得廣角成像器300的光路和窄角成像器200的光路在光學(xué)分配器207前端重合，因而廣角成像器300與窄角成像器200所獲取的圖像的中心嚴(yán)格重合。無(wú)需對(duì)因廣角成像器300與窄角成像器200軸線不重合造成的圖像偏移誤差做出修正。
圖3所示，廣角成像器300具有相對(duì)寬廣的工作視野，用以獲取包含用戶(hù)臉部或者是比用戶(hù)臉部范圍更廣的連續(xù)視頻幀。圖像處理裝置401用以處理所述視頻幀，發(fā)現(xiàn)、確定幀內(nèi)出現(xiàn)的用戶(hù)，進(jìn)一步確定用戶(hù)眼球在幀內(nèi)的位置。伺服驅(qū)動(dòng)402響應(yīng)圖像處理裝置401的位置信息，通過(guò)計(jì)算所述位置信息與圖像中心的偏差來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)403和馬達(dá)404使平臺(tái)100在x軸和z軸的旋轉(zhuǎn)自由度上運(yùn)動(dòng)，以改變平臺(tái)所載窄角成像器200的空間指向從而對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)的眼球201。進(jìn)一步講，廣角成像器300，圖像處理裝置401，伺服裝置402，馬達(dá)403及馬達(dá)404和平臺(tái)100構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)眼球的發(fā)現(xiàn)、定位和跟蹤。
更詳細(xì)的說(shuō)，圖像處理裝置401是通過(guò)計(jì)算用戶(hù)與背景的色度和亮度差而發(fā)現(xiàn)用戶(hù)。以及與已知的人面部樣板和眼、鼻和嘴的樣板匹配。進(jìn)而確定用戶(hù)眼球的位置。
按照上面的介紹可以對(duì)本發(fā)明做出許多修改和變形。因此因當(dāng)理解，在所列的權(quán)利要求范圍之內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做出與上述不同的實(shí)踐。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)的虹膜圖像采集裝置。特征是包括用于獲取系統(tǒng)用戶(hù)眼球的圖像的相對(duì)窄角成像器；用于獲取視野內(nèi)至少包含用戶(hù)面部范圍圖像的連續(xù)視頻幀的相對(duì)廣角成像器；用于將用戶(hù)眼球反射的光線分配至所述廣角成像器和所述窄角成像器的光學(xué)分配器；承載所述窄角成像器和所述廣角成像器，并且可以改變空間指向的指向平臺(tái)裝置；對(duì)所述廣角成像器獲取的視頻幀響應(yīng)，根據(jù)用戶(hù)眼球在所述視頻幀中的位置驅(qū)動(dòng)所述指向平臺(tái)部件改變空間指向，使與所述平臺(tái)部件連接的窄角成像器對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)眼球的控制裝置。
2.權(quán)利要求1中所述窄角成像器其特征是包括用于聚焦用戶(hù)眼球反射光線以成像的透鏡裝置；用于獲取所述用戶(hù)眼球的聚焦圖像的平面圖像傳感器；對(duì)所述用戶(hù)眼球照明的光源；將所述光源耦合到所述透鏡裝置主光軸上的光學(xué)部件；允許近紅外波段光線通過(guò)，阻擋可見(jiàn)光通過(guò)的濾光鏡。
3.權(quán)利要求2中所述的透鏡裝置包括由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的對(duì)焦機(jī)構(gòu)。
4.權(quán)利要求2中所述的透鏡裝置包括由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的變焦距機(jī)構(gòu)。
5.權(quán)利要求2中所述光學(xué)部件包括一個(gè)放置于所述透鏡裝置主光軸上的半反射鏡，用于反射所述光源發(fā)生的光線，使所述反射光線與所述透鏡裝置的主光軸重合。
6.權(quán)利要求2的中所述光學(xué)裝置包括一個(gè)放置于所述透鏡裝置主光軸上的棱鏡，用于反射所述近光源發(fā)生的光線，使所述反射光線與所述透鏡裝置的主光軸重合。
7.權(quán)利要求2中所述光源為近紅外光源。
8.權(quán)利要求1中所述光學(xué)分配器包括一個(gè)放置于所述窄角成像器主光軸上的半反射鏡，用于將用戶(hù)眼球反射的光線分配至所述廣角成像器和所述窄角成像器，使得所述廣角成像器的光路和所述窄角成像器的光路在所述光學(xué)分配器前端重合。
9.權(quán)利要求1中所述光學(xué)分配器包括一個(gè)放置于所述窄角成像器主光軸上的棱鏡，用于將用戶(hù)眼球反射的光線分配至所述廣角成像器和所述窄角成像器，使得所述廣角成像器的光路和所述窄角成像器的光路在所述光學(xué)分配器前端重合。
10.權(quán)利要求1中所述控制裝置包括對(duì)所述廣角成像器獲取的包含用戶(hù)面部及超過(guò)面部范圍信息的連續(xù)視頻幀處理，用于確定用戶(hù)眼球在所述視頻幀中的位置的圖像處理部件。對(duì)所述圖像處理裝置得到的眼球在視頻幀中的位置做出響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)所述指向平臺(tái)裝置及與所述指向平臺(tái)裝置連接的所述窄角成像器改變空間指向的伺服裝置。
11.權(quán)利要求10中所述伺服裝置特征是由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)所述指向平臺(tái)裝置在空間中兩個(gè)或三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度上運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種自動(dòng)跟蹤無(wú)侵害虹膜圖像采集裝置，涉及虹膜身份識(shí)別系統(tǒng)。光學(xué)分配器(207)將入射光線分配至廣角成像器(300)和窄角成像器(200)。廣角成像器(300)獲取視野內(nèi)至少包括用戶(hù)面部信息的連續(xù)視頻幀。指向平臺(tái)(100)響應(yīng)所述視頻幀以捕捉、定位用戶(hù)眼球(201)并跟蹤，使窄角成像器(200)對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)眼球。整個(gè)過(guò)程無(wú)需用戶(hù)參與裝置的定位與對(duì)準(zhǔn)，自動(dòng)調(diào)整采集裝置以完成虹膜圖像采集。
文檔編號(hào)G06K9/00GK101059835SQ200610039640
公開(kāi)日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者都思丹, 李楊, 李華, 王榮昌, 羅浩, 候文君 申請(qǐng)人:南京大學(xué)