專利名稱：自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置、方法和識別系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于圖像處理、機電控制、計算機視覺和模式識別技術領域，涉及應用于生物特征識別領域的虹膜識別、自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置和方法。
背景技術：
在目前生物特征識別技術中，虹膜識別技術具有準確度高、唯一性好、防偽性強、 易于圖像處理等優(yōu)點，具有廣泛的市場應用前景。虹膜識別的步驟一般包括虹膜圖像獲取、 圖像預處理、虹膜定位、活體檢測、特征提取和特征匹配等步驟。其中，虹膜圖像獲取是非常 重要的一個環(huán)節(jié)，如果虹膜獲取做不好，則會使圖像采集速度慢，并大大降低識別率。虹膜圖像獲取非常困難，其主要原因是由于虹膜的直徑非常小，而虹膜識別要求 的分辨率高，這使得光學系統(tǒng)的物像比非常大，因此光學景深很小，往往只有幾個厘米左 右。在這個景深范圍內，很難讓用戶方便地對準，這嚴重影響了虹膜識別的易用性和識別速 度。在最初的的虹膜圖像采集專利產品中都采用定焦鏡頭。(中國專利CN1282048， CN1584917等)定焦鏡頭景深很小，只能滿足于一些對易用性要求不高的場合。為了讓人們 能夠快速對準，有些專利產品中采用了聲光信號給人反饋，讓人根據(jù)機器的指令進行對準， 但這種方法仍然不能從本質上提高虹膜采集裝置的易用性。一些較新的專利產品中使用自動變焦或自動對焦的鏡頭來擴大景深。(中國專 利CN1892401，CN2672768, CN1894719等)這些都是非常有益的方法，但現(xiàn)在的對焦產品 仍有幾個問題第一，都是采用的近距離的對焦設備，在固定的距離和有限的范圍進行自動 對焦；第二，對焦系統(tǒng)中，當焦點位置發(fā)生變化之后，不能快速跟蹤新的焦點位置，自適應性 差。究其原因，他們大部分沒有專門針對虹膜圖像設計對焦裝置，而采用數(shù)碼相機或監(jiān)控攝 像頭上的裝置和方法；而虹膜的拍攝類似于顯微成像，要求對焦范圍大而精度高，所以這些 設備不適用是很自然的。必須制作適用于遠距離虹膜識別的自動對焦裝置。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明的目的是設計一種自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置、方法和識別系 統(tǒng)，以增大遠距離虹膜圖像采集的景深范圍，提高虹膜識別的易用性。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置。該裝 置包括如下結構虹膜攝像頭、長焦距鏡頭、對焦傳動單元、鏡頭轉換器、對焦旋轉電機、電 機驅動單元、計算處理單元，其中虹膜攝像頭、長焦距鏡頭和鏡頭轉換器位于同一軸線上， 對焦傳動單元與對焦旋轉電機同軸連接；虹膜攝像頭和長焦距鏡頭通過鏡頭轉換器連接； 對焦傳動單元和長焦距鏡頭上的對焦環(huán)連接；對焦旋轉電機和電機驅動單元電氣連接；計 算處理單元和電機驅動單元信號連接，通過電機驅動單元控制對焦旋轉電機的轉動；計算處理單元和虹膜攝像頭連接，處理來自虹膜攝像頭的圖像。為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取方法，包括 如下步驟步驟Pl 初始化設備，旋轉對焦環(huán)，使對焦環(huán)對焦位置到零點，即限位開關11處；步驟P2 虹膜攝像頭不斷采集圖像，形成圖像序列；步驟P3 計算處理單元計算圖像序列中每幀圖像的清晰度和清晰度的變化值，在 兩個線程中分別執(zhí)行步驟P4和步驟P5 ；步驟P4:根據(jù)圖像的清晰度和清晰度變化值，變換對焦環(huán)旋轉的方向和速度，返 回步驟P2 ；所述變換是根據(jù)清晰度和清晰度變化值，以及自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取 裝置的當前的系統(tǒng)狀態(tài)，由自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置的系統(tǒng)狀態(tài)轉換條件來決 定；步驟P5 轉入圖像挑選線程，計算圖像序列中圖像的清晰度和清晰度變化值，并 通過圖像的清晰度和清晰度變化值判斷是否挑選出清晰度滿足要求的圖像，如果挑選的圖 像清晰，執(zhí)行步驟P6，如果挑選的圖像不清晰，回到步驟P2 ；步驟P6 從挑選出的清晰圖像中進行人眼檢測并提取眼睛圖像；步驟P7 對眼睛圖像進行質量判斷，判斷是否可以用于虹膜識別，如果判斷眼睛 圖像能夠用于虹膜識別，虹膜識別結束，如果判斷眼睛圖像不能夠用于虹膜識別，則繼續(xù)采 集圖像，繼續(xù)執(zhí)行步驟P5。為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于以上裝置和方法的全自動的遠距離虹膜 識別系統(tǒng)，包括如下結構遠距離自動對焦裝置、遠距離紅外光源、驅動控制器、光源控制 器、圖像采集卡、計算機、面板和機柜，其中遠距離自動對焦裝置的對焦旋轉電機通過驅動 控制器電連接到計算機上；遠距離自動對焦裝置上的虹膜攝像頭通過圖像采集卡連接到計 算機上；虹膜攝像頭采集的高分辨率圖像通過傳到上；由計算機計算攝像頭采集到的實時 圖像的清晰度，并根據(jù)清晰度的變化自動轉動遠距離自動對焦裝置，搜索和跟蹤物體的焦 點位置；遠距離紅外光源通過控制器連接到計算機上；以上設備都安裝到機柜內，遠距離 自動對焦裝置和遠距離紅外光源都面向正面安裝，機柜前面放置面板。(三)有益效果本發(fā)明綜合了圖像處理、機電控制、計算機視覺和模式識別等技術，應用于生物特 征識別領域的虹膜識別方向。本發(fā)明通過自動對焦的方法在遠距離進行虹膜圖像采集，提 高虹膜圖像采集范圍和采集速度，提高了虹膜識別的易用性。本發(fā)明采用的方案，第一，重新設計對焦裝置，使其可以在更大的范圍、更遠的距 離內通過對焦拍攝虹膜圖像。第二，設計更好的對焦策略，既能滿足大范圍的焦點搜索，又 可以滿足高精度的對焦，并可以當焦點變化時快速跟蹤。對焦裝置采用了精巧的機械裝置，可以適用于多種長焦距鏡頭；用步進電機來帶 動對焦環(huán)，對焦范圍大，轉動穩(wěn)定而快速；采用了基于狀態(tài)轉換的對焦的策略，可以控制對 焦裝置快速搜索和跟蹤焦點位置；采用了圖像處理技術判斷圖像的清晰度和檢測人眼，獲 得虹膜圖像。


圖1為自動對焦裝置的結構圖；圖2為對焦傳動裝置的示意圖；圖3為自動對焦的方法流程圖；圖4為利用對焦環(huán)21的對焦策略示意圖；圖5為清晰度隨距離變化的示意圖；圖6為物體移動時焦點位置變化的示意圖；圖7為清晰度計算流程；圖8為實例裝置的示意圖；圖9為實例系統(tǒng)的運行步驟流程圖；主要部件標記說明虹膜攝像頭1長焦距鏡頭2對焦環(huán)21對焦傳動單元3鏡頭轉換器4對焦旋轉電機5電機驅動單元6計算處理單元7空心環(huán)31卡具32皮帶33限位開關34遠距離自動對焦裝置Dl 遠距離紅外光源D2步進電機驅動控制器D3 光源控制器D4圖像采集卡D5主機D6面板D7機柜D8
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發(fā)明技術方案中所涉及的各個細節(jié)問題。應指出的是， 所描述的實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。(一)自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置本發(fā)明的結構設計如圖1，由以下及部分組成虹膜攝像頭1、長焦距鏡頭2、對焦 傳動單元3、鏡頭轉換器4、對焦旋轉電機5、電機驅動單元6、計算處理單元7。虹膜攝像頭1和鏡頭2通過鏡頭轉換器4連接；對焦傳動單元3和鏡頭2上的對 焦環(huán)21以及對焦旋轉電機5連接；對焦旋轉電機5和電機驅動單元6電氣連接；計算處理 單元7和電機驅動單元6信號連接，可以通過電機驅動單元6控制對焦旋轉電機5的轉動； 計算處理單元7和虹膜攝像頭1連接，處理來自攝像頭1的圖像。長焦距鏡頭2的焦距值為IOOmm到500mm之間的任意值。長焦距鏡頭2可以通過 鏡頭轉換器4和虹膜攝像頭1連接。其中，對焦傳動單元3結構圖如圖2。所述對焦傳動單元3上有一空心環(huán)31和一 卡具32，在一空心環(huán)31上和對焦環(huán)21之間安裝有一卡具32，一卡具32具有彈性三爪，用 于卡住所述一空心環(huán)31內及不同大小的鏡頭2和對焦環(huán)21 ；所述對焦傳動單元3還具有 一條皮帶33及一限位開關34，所述一條皮帶33套緊空心環(huán)31和套緊對焦旋轉電機5的 轉軸，這樣當對焦旋轉電機5旋轉時，也會帶動空心環(huán)31旋轉，從而帶動對焦環(huán)21對鏡頭2進行對焦；所述一限位開關34，當對焦環(huán)21旋轉到一個位置就會碰上，限位開關34發(fā)出 一個信號會使步進電機5停止轉動，這樣就使對焦傳動單元3有了一個初始位置。(二)自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取方法基于以上的自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置，我們采用的自動對焦方法流程圖如圖3 方法有兩個線程，第一線程用于對焦，第二線程用于圖像挑選程。第一線程的對 焦由以下幾個步驟構成步驟Pl 初始化設備，旋轉對焦環(huán)，使對焦環(huán)21對焦位置到零點，即限位開關11處；步驟P2 虹膜攝像頭1不斷采集圖像，形成圖像序列；步驟P3 計算處理單元7計算通過虹膜攝像頭1采集得到的圖像序列中每幀圖像 的清晰度和清晰度的變化值，分別執(zhí)行步驟P4和步驟P5 ；步驟P4:根據(jù)圖像的清晰度和清晰度變化值，變換對焦環(huán)旋轉的方向和速度，返 回步驟P2 ；所述變換是根據(jù)清晰度和清晰度變化值，以及誰的當前的狀態(tài)，由已定義狀態(tài) 轉換條件來決定。自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置的狀態(tài)分為四種，靜止狀態(tài)、大范圍 搜索狀態(tài)，小范圍搜索狀態(tài)和焦點狀態(tài)。步驟P5 轉入圖像挑選線程，對具有清晰度和清晰度變化值的圖像進行挑選，不 斷從圖像序列中判斷是否挑選出清晰度滿足要求的圖像，如果挑選的圖像清晰，執(zhí)行步驟 P6，如果挑選的圖像不清晰，回到步驟P2 ；步驟P6 從挑選出的清晰圖像中進行人眼檢測并提取眼睛圖像；步驟P7 對眼睛圖像進行質量判斷，判斷是否可以用于虹膜識別，如果判斷眼睛 圖像能夠用于虹膜識別，虹膜識別結束，如果判斷眼睛圖像不能夠用于虹膜識別，則繼續(xù)采 集圖像，繼續(xù)執(zhí)行步驟P5。(1)計算圖像清晰度在上述方法流程中，計算圖像清晰度的方法如下步驟P31 在采集的圖像上隨機抽取100個20*20的圖像小塊；步驟P32 對每個圖像小塊計算圖像的邊緣能量，計算邊緣能量的方法是求在圖 像小塊X，Y兩個方向的梯度值的平方和，并把圖像小塊的所有點的邊緣能量相加，得到邊
緣能量；步驟P33 把100個圖像小塊的邊緣能量值相加，并歸一化到0 1之間的一個數(shù)
值，所述數(shù)值為圖像清晰度的變化值。圖5為清晰度隨著對焦的距離變化的示意圖。當物體固定時，清晰度最大的點在 焦點處，隨著離開焦點位置的距離，清晰度逐漸下降，清晰度峰值非常尖銳，可以用于判斷 序列中是否有焦點存在。其中，X軸為距離，Y軸為清晰度，Q為變化曲線，P為焦點位置，D 為可識別景深范圍。圖6為物體發(fā)生變化時(即人移動的情況下)，虹膜攝像頭1的長焦距鏡頭2的焦 點位置的變化示意圖。當人從位置A移動到B時，虹膜攝像頭1不同對焦距離的清晰度值 也從曲線QA變化為曲線QB，焦點位置從PA變?yōu)镻B。本裝置可以實現(xiàn)所以當人移動時，裝 置可以快速從原來的焦點位置PA跟蹤到新的焦點位置PB。(2)基于狀態(tài)轉換的對焦策略在上述方法流程中，根據(jù)圖像的清晰度和清晰度變化值，變換對焦環(huán)21旋轉的方向、速度和自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置的當前的系統(tǒng)狀態(tài)，由已定義系統(tǒng)狀態(tài)轉 換條件來決定。系統(tǒng)狀態(tài)定義為靜止狀態(tài)Si、大范圍搜索狀態(tài)S2、小范圍搜索狀態(tài)S3和焦 點狀態(tài)S4。他們之間的轉換條件為C11，C12，C23，C34，C44，C43，C32，C21。系統(tǒng)狀態(tài)和狀 態(tài)轉換條件如圖4的對焦策略示意圖所示，其中靜止狀態(tài)Sl 對焦環(huán)21處于領點位置，靜止不動。如果滿足狀態(tài)轉換條件Cll (即 清晰度低于一個閾值Tl)，則認為沒有物體進入虹膜攝像頭的視野，不旋轉對焦環(huán)21，此時 對焦環(huán)21仍處于靜止狀態(tài)；如果滿足狀態(tài)轉換條件C12 (即清晰度高于閾值Tl)，則認為有 物體進入視野，系統(tǒng)進入大范圍搜索狀態(tài)。大范圍搜索狀態(tài)S2是旋轉對焦環(huán)21從0到最大步數(shù)的搜索范圍內快速轉動每 旋轉一定步數(shù)，則采集一幀圖像，并計算清晰度的值，并記錄當前位置。如果滿足狀態(tài)轉換 條件C23 (即當清晰度值大于一個閾值T2，或清晰度值出現(xiàn)明顯峰值時)，認為已經接近焦 點位置，進入小范圍搜索S3 ；如果滿足狀態(tài)轉換條件C21(即如果沒有發(fā)現(xiàn)焦點位置)，則回 到零點位置Si。小范圍搜索狀態(tài)S3是在焦點位置附近，對焦環(huán)21在焦點附近的范圍內以小步長 轉動每旋轉一定角度，則采集一幀圖像，并計算清晰度的值，并記錄當前步長位置。如果滿 足狀態(tài)轉換條件C34 (即當清晰度值大于一個閾值T3，或清晰度值出現(xiàn)明顯峰值時)，認為 已經到達焦點位置，記錄此峰值，進入焦點模式；如果滿足狀態(tài)轉換條件C32(即如果沒有 發(fā)現(xiàn)焦點位置)，則繼續(xù)進行大范圍搜索S2。焦點模式S4 對焦環(huán)21停止在焦點位置，每隔一段時間計算依次清晰度變化值。 如果滿足狀態(tài)轉換條件C43(即當清晰度變化很大，或清晰度小于最初的焦點峰值的一半 時)，認為焦點發(fā)生了變化，在小范圍內搜索S3新的焦點；否則，如果滿足狀態(tài)轉換條件 C44 (即清晰度變化不小于最初的焦點峰值的一半時)，暫停一段時間，繼續(xù)計算清晰度變 化值，狀態(tài)不變。所述的閾值Tl、T2和T3是通過實驗得到。在實驗時，用攝像頭采集若干副(500 幅以上)圖像；手工將圖像分為四類沒有物體、有物體但圖像模糊、圖像較清晰、圖像極為 清晰；然后計算各幅圖像清晰度的值；四類圖像的清晰度值分別呈正態(tài)分布，利用貝葉斯 方法確定三類之間的分界值Tl、T2和T3，即為上述的各閾值。(3)圖像挑選方法在上述的方法流程中，在對焦的同時挑選清晰的圖像用來進行虹膜識別，其中步 驟P5的具體方法為步驟P51 每采集10幀圖像，則從10幀圖像中挑出清晰度最大的1幀圖像；步驟P52 如果圖像的清晰度小于一個閾值T3，則不進行處理；步驟P53 如果圖像的清晰度大于等于閾值T3，則對該圖像進行繼續(xù)處理。其中，步驟P6眼睛檢測的具體方法為首先，利用由機器學習算法(Adaboostting)訓練生成基于哈爾小波(Haar)特征 級連分類器。在自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置的系統(tǒng)運行過程中，降采樣采集到的 高分辨率圖像，并利用特征級連分類器在不同尺度上進行眼睛檢測。如果沒有檢測到眼睛， 則不進行處理；如果檢測到眼睛，則在采集到的高分辨率圖像上采樣出原始分辨率下的眼 睛部分的圖像，繼續(xù)進行處理。
(4)虹膜圖像質量判斷上述清晰的圖像不一定能夠進行虹膜識別，所以本發(fā)明需要對眼睛圖像再次進行 圖像質量判斷，如圖7所述步驟P7的方法為步驟P71 計算原始人眼圖像的高頻段分量El ；高頻分量El由如下方法得到生 成一個8*8的算子，算子中心的4*4個點值為_3，其它的值為+1 ；用這個8*8的算子在圖像 上進行濾波；然后對濾波后的所有圖像點相加得到的和定義為El ；步驟P72 降采樣人眼圖像是將眼睛圖像縮小一倍；步驟P73 計算降采樣人眼圖像的高頻段分量E2，得到E2的計算方法同步驟P71 ；步驟P74 求取高頻段的能量E 1和較低頻段的能量E2的比值R ；步驟P75 結合高頻段能量E1，得到虹膜圖像質量的清晰度值C為C = aEl+^R, α，β是加權算子，由經驗得出；如果得到的清晰度值C小于一個閾值Τ4，則不對虹膜圖像進行處理；否則對虹膜 圖像進行預處理、虹膜定位、特征提取和特征比對。應用實施例全自動的遠距離虹膜識別系統(tǒng)根據(jù)上述對焦裝置和對焦方法，組成一套虹膜采集實例系統(tǒng)，如圖8所示，其中， 所述全自動的遠距離虹膜識別系統(tǒng)由以下部分組成遠距離自動對焦裝置D1、遠距離紅外 光源D2、驅動控制器D3、光源控制器D4、圖像采集卡D5、計算機D6、面板D7和機柜D8，其連 接方式為遠距離自動對焦裝置Dl的步進電機通過驅動控制器D3電連接到計算機D6上； 遠距離自動對焦裝置Dl上的虹膜攝像頭1通過圖像采集卡D5連接到計算機D6上，距離自 動對焦裝置Dl的寬視角攝像頭7通過USB線連接到計算機D6上；遠距離紅外光源D2通過 控制器D4連接到計算機D6上；以上設備都安裝到機柜內D8，遠距離自動對焦裝置Dl和遠 距離紅外光源D2都面向正面安裝。為了美觀，機柜D8前面放置面板D7，面板D7可以為帶 有空洞的亞克力板，也可以為透射紅外光、反射可見光的玻璃。如圖9為示出圖8所示全自動的遠距離虹膜識別系統(tǒng)的實例，此識別系統(tǒng)運行有 以下步驟步驟Fl 使遠距離自動對焦裝置Dl中虹膜攝像頭1對準人的臉部區(qū)域，并啟動虹 膜攝像頭1采集高分辨率圖像；步驟F2 由計算機計算通過攝像頭1采集到的實時圖像的清晰度，并根據(jù)清晰度 的變化自動轉動遠距離自動對焦裝置Dl，搜索和跟蹤物體的焦點位置；步驟F3 虹膜攝像頭1在圖像序列中挑選最清楚的圖像，檢測人眼圖像，提取人眼 部分的圖像；步驟F4:人眼圖像質量判斷，在人眼圖像序列中挑選最清晰的圖像，用于虹膜識 別。在本實例中，由于本發(fā)明的全自動的遠距離虹膜識別系統(tǒng)采用了距離自動對焦 裝置，所述的全自動的遠距離虹膜識別系統(tǒng)的有效識別范圍大大提高。人走到機柜前約 2. 5 3. 2米的范圍，站住不動，則該識別系統(tǒng)會自動根據(jù)人的身高調整攝像頭Dl位置，同 時進行自動對焦拍攝人的虹膜。用戶在使用本發(fā)明的這種全自動的遠距離虹膜識別系統(tǒng)時，會感覺舒適自然，而 不用擔心位置不對而不能完成識別。另一方面，對于初次使用全自動的遠距離虹膜識別系統(tǒng)的用戶，也不會因為其沒有經驗而不能完成。 以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內，因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
一種自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置，其特征在于，包括虹膜攝像頭、長焦距鏡頭、對焦傳動單元、鏡頭轉換器、對焦旋轉電機、電機驅動單元、計算處理單元，其中虹膜攝像頭、長焦距鏡頭和鏡頭轉換器位于同一軸線上，對焦傳動單元與對焦旋轉電機同軸連接；虹膜攝像頭和長焦距鏡頭通過鏡頭轉換器連接；對焦傳動單元和長焦距鏡頭上的對焦環(huán)連接；對焦旋轉電機和電機驅動單元電氣連接；計算處理單元和電機驅動單元信號連接，通過電機驅動單元控制對焦旋轉電機的轉動；計算處理單元和虹膜攝像頭連接，處理來自虹膜攝像頭的圖像。
2.如權利要求1所述自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置，其特征在于，長焦距鏡頭 的焦距值為IOOmm到500mm之間的任意值。
3.如權利要求1所述自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置，其特征在于，所述對焦傳 動單元含有空心環(huán)、卡具、皮帶和限位開關，在空心環(huán)上和對焦環(huán)之間安裝有卡具，卡具具 有彈性三爪，用于卡住所述空心環(huán)內及不同大小的鏡頭和對焦環(huán)；所述條皮帶套緊空心環(huán) 和套緊對焦旋轉電機的轉軸，用于帶動空心環(huán)旋轉，從而帶動對焦環(huán)對鏡頭進行對焦；當對 焦環(huán)旋轉到一個位置與限位開關連接，限位開關發(fā)出一個信號使對焦旋轉電機停止轉動， 使對焦傳動單元具有一個初始位置。
4.一種自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取方法，其特征在于，用自動對焦的遠距離虹膜 圖像獲取裝置獲取遠距離虹膜圖像的步驟如下步驟Pl 初始化設備，旋轉對焦環(huán)，使對焦環(huán)對焦位置到零點，即限位開關處；步驟P2 虹膜攝像頭不斷采集圖像，形成圖像序列；步驟P3:計算處理單元計算圖像序列中每幀圖像的清晰度和清晰度的變化值，在兩個 線程中分別執(zhí)行步驟P4和步驟P5 ；步驟P4:根據(jù)圖像的清晰度和清晰度變化值，變換對焦環(huán)旋轉的方向和速度，返回步 驟P2 ；所述變換是根據(jù)清晰度和清晰度變化值，以及自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置 的當前的系統(tǒng)狀態(tài)，由自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置的系統(tǒng)狀態(tài)轉換條件來決定；步驟P5 轉入圖像挑選線程，計算圖像序列中圖像的清晰度和清晰度變化值，并通過 圖像的清晰度和清晰度變化值判斷是否挑選出清晰度滿足要求的圖像，如果挑選的圖像清 晰，執(zhí)行步驟P6，如果挑選的圖像不清晰，回到步驟P2 ；步驟P6 從挑選出的清晰圖像中進行人眼檢測并提取眼睛圖像；步驟P7 對眼睛圖像進行質量判斷，判斷是否可以用于虹膜識別，如果判斷眼睛圖像 能夠用于虹膜識別，虹膜識別結束，如果判斷眼睛圖像不能夠用于虹膜識別，則繼續(xù)采集圖 像，繼續(xù)執(zhí)行步驟P5。
5.如權利要求4所述自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取方法，其特征在于，所述圖像清 晰度計算的步驟如下步驟P31 在采集的圖像上隨機抽取100個20*20的圖像小塊；步驟P32 對每個圖像小塊計算圖像的邊緣能量，計算邊緣能量的方法是求在圖像小 塊X，Y兩個方向的梯度值的平方和，并把圖像小塊的所有點的邊緣能量相加，得到邊緣能 量；步驟P33 把100個圖像小塊的邊緣能量值相加，并歸一化到0 1之間的一個數(shù)值， 所述數(shù)值為圖像清晰度的變化值。
6.如權利要求4所述自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取方法，其特征在于，所述自動對 焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置的系統(tǒng)狀態(tài)的轉換條件和對焦策略如下所述根據(jù)圖像的清晰度和清晰度變化值，變換對焦環(huán)旋轉的方向和速度、以及自動對焦的 遠距離虹膜圖像獲取裝置的當前的系統(tǒng)狀態(tài)，由系統(tǒng)狀態(tài)轉換條件來決定，系統(tǒng)狀態(tài)由系 統(tǒng)軟件定義，將自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置的系統(tǒng)狀態(tài)分為靜止狀態(tài)、大范圍搜 索狀態(tài)，小范圍搜索狀態(tài)和焦點狀態(tài)，他們之間的轉換條件為 Cll, C12, C23, C34, C44, C43, C32, C21 ； 所述系統(tǒng)狀態(tài)和狀態(tài)轉換條件的對焦策略如下所述靜止狀態(tài)對焦環(huán)處于領點位置，靜止不動，如果滿足狀態(tài)轉換條件C11，所述狀態(tài)轉 換條件Cll是清晰度低于一個閾值Tl，則認為沒有物體進入虹膜攝像頭的視野，不旋轉對 焦環(huán)，此時對焦環(huán)仍處于靜止狀態(tài)；如果滿足狀態(tài)轉換條件C12，所述狀態(tài)轉換條件C12是 清晰度高于閾值Tl，則認為有物體進入視野，系統(tǒng)進入大范圍搜索狀態(tài)；大范圍搜索狀態(tài)是旋轉對焦環(huán)從O到最大步數(shù)的搜索范圍內快速轉動每旋轉一定 步數(shù)，則采集一幀圖像，并計算清晰度的值，并記錄當前位置；如果滿足狀態(tài)轉換條件C23， 所述狀態(tài)轉換條件C23是當清晰度值大于一個閾值T2，或清晰度值出現(xiàn)明顯峰值時，認為 已經接近焦點位置，進入小范圍搜索；如果滿足狀態(tài)轉換條件C21，如果所述狀態(tài)轉換條件 C21沒有發(fā)現(xiàn)焦點位置，則回到零點位置；小范圍搜索狀態(tài)是在焦點位置附近，對焦環(huán)在焦點附近的范圍內以小步長轉動每 旋轉一定角度，則采集一幀圖像，并計算清晰度的值，并記錄當前步長位置；如果滿足狀態(tài) 轉換條件C34，當所述狀態(tài)轉換條件C34清晰度值大于一個閾值T3，或清晰度值出現(xiàn)明顯峰 值時，認為已經到達焦點位置，記錄此峰值，進入焦點模式；如果滿足狀態(tài)轉換條件C32，如 果狀態(tài)轉換條件C32沒有發(fā)現(xiàn)焦點位置，則繼續(xù)進行大范圍搜索；焦點模式對焦環(huán)停止在焦點位置，每隔一段時間計算依次清晰度變化值，如果滿足狀 態(tài)轉換條件C43，所述狀態(tài)轉換條件C43是當清晰度變化很大，或清晰度小于最初的焦點峰 值的一半時，認為焦點發(fā)生了變化，在小范圍內搜索新的焦點；否則，如果滿足狀態(tài)轉換條 件C44，所述狀態(tài)轉換條件C44是清晰度變化不小于最初的焦點峰值的一半時，暫停一段時 間，繼續(xù)計算清晰度變化值，狀態(tài)不變。
7.如權利要求4所述自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取方法，其特征在于，所述圖像挑 選的具體步驟如下步驟P51 每采集10幀圖像，則從10幀圖像中挑出清晰度最大的1幀圖像；步驟P52 如果圖像的清晰度小于一個閾值T3，則不進行處理；步驟P53 如果圖像的清晰度大于等于閾值T3，則對該圖像進行繼續(xù)處理。
8.如權利要求7所述自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取方法，其特征在于，所述提取眼 睛圖像的步驟如下利用由機器學習算法訓練生成基于哈爾小波特征級連分類器；降采樣高分辨率的圖 像，并利用上述分類器進行眼睛檢測；如果沒有檢測到眼睛，則不進行處理；如果檢測到眼 睛，則在采集到的高分辨率圖像上采樣出原始分辨率下的眼睛部分的圖像，繼續(xù)進行處理。
9.如權利要求4所述自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取方法，其特征在于，所述虹膜圖 像質量判斷步驟如下步驟P71 計算原始人眼圖像的高頻段分量El ；高頻分量El由如下方法得到生成一 個8*8的算子，算子中心的4*4個點值為_3，其它的值為+1 ；用這個8*8的算子在圖像上進 行濾波；然后對濾波后的所有圖像點相加得到的和定義為El ； 步驟P72 降采樣人眼圖像是將眼睛圖像縮小一倍；步驟P73 計算降采樣圖像的高頻段分量E2 ；得到高頻段分量E2的方法同步驟P71 ； 步驟P74 求取高頻段的能量E 1和較低頻段的能量E2的比值R， 步驟P75 結合高頻段能量E1，得到虹膜圖像質量的清晰度值C為C = aEl+^R, α, β是加權算子由經驗得出；如果得到的清晰度值C小于一個閾值Τ4，則不對虹膜圖像進行處理；否則對虹膜圖像 進行預處理、虹膜定位、特征提取和特征比對。
10. 一種全自動的遠距離虹膜識別系統(tǒng)，包括遠距離自動對焦裝置、遠距離紅外光源、 驅動控制器、光源控制器、圖像采集卡、計算機、面板和機柜，其中遠距離自動對焦裝置的對焦旋轉電機通過驅動控制器電連接到計算機上；遠距離自動 對焦裝置上的虹膜攝像頭通過圖像采集卡連接到計算機上；虹膜攝像頭采集的高分辨率圖 像通過傳到上；由計算機計算攝像頭采集到的實時圖像的清晰度，并根據(jù)清晰度的變化自 動轉動遠距離自動對焦裝置，搜索和跟蹤物體的焦點位置；遠距離紅外光源通過控制器連 接到計算機上；以上設備都安裝到機柜內，遠距離自動對焦裝置和遠距離紅外光源都面向 正面安裝，機柜前面放置面板。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自動對焦的遠距離虹膜圖像獲取裝置、方法和識別系統(tǒng)，該裝置由虹膜攝像頭、長焦距鏡頭、對焦傳動單元、鏡頭轉換器、對焦旋轉電機、電機驅動單元和計算處理單元組成。基于此裝置的自動對焦方法有以下步驟初始化對焦設備；攝像頭連續(xù)采集虹膜圖像；計算單元計算采集到的圖像的清晰度和清晰度變化；然后根據(jù)系統(tǒng)當前狀態(tài)和狀態(tài)轉換條件來決定對焦速度和方向；從圖像序列中檢測出清晰的人眼圖像，用于虹膜識別?；谝陨蠈寡b置和對焦方法，可以大大增加遠距離虹膜圖像獲取的景深范圍和速度。應用了上述裝置和方法的遠距離虹膜識別系統(tǒng)更加方便、易用。
文檔編號H04N5/232GK101814129SQ20091007737
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權日2009年2月19日
發(fā)明者孫哲南, 董文博, 譚鐵牛 申請人:中國科學院自動化研究所