專利名稱：組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物測定系統(tǒng)，特別是組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)釆用的光 學(xué)成像裝置，生物組織活性檢測分析及基于圖像分析測定方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)本發(fā)明人早期相關(guān)的虹膜生物測定系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究，通過實(shí)際的大樣本人群測試的結(jié) 果，揭示以下需改進(jìn)的缺點(diǎn)
1. 盡管本發(fā)明人早期提出的可見虹膜標(biāo)準(zhǔn)為在注冊時(shí)》70%，在比對時(shí)》40%。但約 1%-0.5%的使用者，特別是老年使用者，用于被分析的可見虹膜少于30%，并且不能改 善；約0.01%-0.001%的使用者，受各類眼部疾病如退化性病理影響，無法被用于虹膜 生物測定，因此需求更好的適用全部使用者的生物測定系統(tǒng)，具有普遍人群適用性，滿 足基于國家級(jí)規(guī)模應(yīng)用。
2. 生物測定系統(tǒng)本身的可靠性即生物組織活性檢測分析功能需進(jìn)一步改進(jìn)，其它如面部 和指紋等更易于偽造，關(guān)于虹膜目前己知的偽造檢測方法包括打印的虹膜圖像周期 性頻率，光學(xué)紅眼效應(yīng)和角膜反光，虹膜瞳孔改變。但本發(fā)明人已獲證實(shí)在打印的 虹膜圖像分辨率質(zhì)量高于20pixel/mm下，使通過圖像低分辨率的周期性頻率的生物組 織活性檢測分析失效；合適光學(xué)材料制造生理仿真的眼睛腔體結(jié)構(gòu)，使通過光學(xué)紅眼 效應(yīng)和角膜反光的生物組織活性檢測分析失效；通過光度計(jì)檢測光強(qiáng)，并相應(yīng)改變偽 造虹膜的瞳孔有可能使活性檢測分析失效。因此生物組織活性檢測分析功能極為重要， 它的不可靠性導(dǎo)致生物測定系統(tǒng)本身的不可靠性。急需進(jìn)一步更好的提高生物測定系
統(tǒng)的活性檢測分析；
3. 需求更好的提高生物測定系統(tǒng)的性能，包括:解決當(dāng)眼球斜視導(dǎo)致虹膜形變使虹膜為非 圓形時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤的問題，更好的特征圖像的表達(dá)方式，進(jìn)一步提高特征提取和編碼信息 熵的能力，及提高模板測度的精確度和可靠性，F(xiàn)AR/FRR的精確度和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提出并實(shí)現(xiàn)一種生物測定系統(tǒng)，包 括組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的光學(xué)成像裝置，生物組織活性檢測分析及 基于圖像分析測定方法。
它包括以下技術(shù)特征與內(nèi)容
一種組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的光學(xué)成像裝置，由照明光源單元和成
像單元構(gòu)成，其特征是照明光源單元和成像單元被配置為多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像
系統(tǒng)，
所述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)，產(chǎn)生至少四種組合成像，包括:近紫外光和正
交偏振態(tài)組合成像，近紫外光和平行偏振態(tài)組合成像，近紅外光和正交偏振態(tài)組合成像，
及近紅外光和平行偏振態(tài)組合成像；
所述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)，包括
照明光源單元由至少近紫外光，近紅外光光源，及起偏器構(gòu)成；
成像單元由至少近紫外光，近紅外光成像光路，及檢偏器構(gòu)成；
其中所述的照明光源單元和成像單元被組合配置為至少近紫外光的波長范圍為
300-500咖，近紅外光的波長范圍為700-900nm，起偏器和檢偏器被組合配置為至少具有正
交和平行的偏振態(tài)。
包含色素細(xì)胞的虹膜和由上皮/真皮/皮下組織構(gòu)成的皮層生物組織，在多光譜多偏振態(tài) 組合光學(xué)成像系統(tǒng)下，獲取的組合成像是具有明顯不同的光學(xué)特征。 在近紫外光和近紅外光不同的成像條件下，虹膜和皮層生物組織具有不同的光譜學(xué)差異。 更具體的，虹膜和皮層生物組織的光學(xué)吸收/反射率比值，在近紫外光下對比近紅外光具 有10倍左右差異。在正交偏振態(tài)和平行偏振態(tài)不同的成像條件下，虹膜和皮層生物組織具 有更大程度上不同的光譜學(xué)差異。更具體的，虹膜和皮層生物組織的光學(xué)吸收/反射率比. 值，在正交偏振態(tài)下對比平行偏振態(tài)具有至少10倍以上差異。
所述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)，照明光源單元與成像單元被進(jìn)一步增加 組合配置，包括:可見光波長范圍為500-700咖，起偏器和檢偏器被組合配置為45度的偏 振態(tài)。進(jìn)一步增加組合配置的目的是為獲取更多關(guān)于虹膜和皮層生物組織的不同的光學(xué)特 征信息。
所述的近紫外光成像光路由近紫外光學(xué)窄帶濾波器，成像透鏡，成像傳感器構(gòu)成。 所述的近紅外光成像光路由近紅外光學(xué)窄帶濾波器，成像透鏡，成像傳感器構(gòu)成。光學(xué)成像裝置在實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜背景環(huán)境下使用，考慮波長復(fù)雜性，非成像雜散光等 對成像質(zhì)量的影響，更進(jìn)一步，所述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)，照明光源單 元與成像單元被配置同步的脈沖照明和成像。
為更進(jìn)一步提高光學(xué)成像裝置的使用方便性，擴(kuò)展成像單元的成像視場(field of view)，所述的成像單元的成像光路由多組成像透鏡和成像傳感器組成陣列構(gòu)成，并且 成像傳感器采用百萬像素級(jí)(multi-megapixel)分辨率的CMOS成像器件進(jìn)一步獲取更大的成 像視場。
一種組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的生物組織活性檢測分析方法，其特征是 包括以下步驟
1. 多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)產(chǎn)生虹膜和皮層生物組織的組合成像；
2. 產(chǎn)生組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)；
3. 獲得組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)的歸一化比對值；
4. 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的比對值參考范圍，確定虹膜和皮層生物組織的活性檢測分析結(jié)果；
所述的組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生方法，包括:亮度/對比度分析
方法，頻譜分析方法，方差統(tǒng)計(jì)分析方法。所述的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)在組合
成像圖像的全局和/或局部感興趣區(qū)域(R01)內(nèi)產(chǎn)生，以更進(jìn)一步提高生物組織活性檢 測分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度。
組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)的歸一化比對值，具有成像條件無依賴性 的優(yōu)點(diǎn)，因此可以提高生物組織活性檢測分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度。 最后，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)獲得的標(biāo)準(zhǔn)的比對值參考范圍，確定虹膜和皮層生物組織的活 性檢測分析結(jié)果，如果在參考范圍內(nèi)，判定具有活性，否則判定不具活性。
事實(shí)上，多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)產(chǎn)生虹膜和皮層生物組織的組合成像圖像的活 性特征檢測數(shù)據(jù)反映了至少在近紫外光和近紅外光及在平行偏振態(tài)和正交偏振態(tài)不同的 組合成像條件下，虹膜和皮層生物組織具有不同的光學(xué)吸收/反射率比值。獲取的組合成 像是具有明顯不同的生物組織光譜學(xué)特征，如此的生物組織活性檢測分析方法是最具可靠 性。一種組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的基于圖像分析測定方法，其特征是 包括以下步驟
1. 定義虹膜和皮層組織圖像被測定分析區(qū)域； 所述的虹膜組織被測定分析區(qū)域定義為橢圓模型， 所述的皮層組織被測定分析區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)矩形模型。
2. 變換虹膜和皮層組織被測定分析區(qū)域?yàn)楹缒ず推咏M織特征圖像； 所述的虹膜和皮層組織被測定分析區(qū)域變換為虹膜和皮層組織特征圖像的方法采用坐標(biāo) 空間規(guī)范化映射變換；
3. 提取虹膜和皮層組織特征圖像的特征信息；
所述的虹膜和皮層組織圖像的特征信息提取方法采用多空間位移多分辨率尺度多方向性 的高斯-正交函數(shù)基小波(Gauss-Orthogonal function based wavelet)巻積積分虹膜和皮 層組織特征圖像；
4. 產(chǎn)生虹膜和皮層組織特征信息的特征編碼模板；
所述的虹膜和皮層組織特征信息的特征編碼模板(BioCode)產(chǎn)生的方法采用組合特征信息 的波動(dòng)狀態(tài)量子化編碼(IDCode)和特征信息的能量質(zhì)量量子化編碼(EnergyCode)。 特征編碼模板(BioCode)=波動(dòng)狀態(tài)量子化編碼(IDCode) +能量質(zhì)量量子化編碼 (EnergyCode)。
5. 統(tǒng)計(jì)虹膜和皮層組織的特征編碼模板間的概率測度； 所述的虹膜和皮層組織的特征編碼模板間的概率測度的統(tǒng)計(jì)方法采用
MD(BioCodel， BioCode2)=MDstd+MDvalid+MDdb (Eqll)
MDstd=SameBits/ValidBits
MDvalid=-0. 05*l。g2(ValidBits/TotalBits)
MDdb=0. 01*logl0(db)
SameBits=| iAND(XORCode， ANDCode)||
ValidBits=||ANDCode||
X0RCode=X0R(IDCode1， IDCode2)
認(rèn)DCode:AND(EnergyCode1， EnergyCode2)
BioCodel= IDCodel+EnergyCodel;BioCode2= IDCode2+EnergyCode2; 其中
MD(BioCodel， BioCode2)為特征編碼模板間的概率測度； MDstd為特征編碼模板間的標(biāo)準(zhǔn)概率測度；
MDvalid為特征編碼模板間的邏輯有效的編碼位數(shù)量的偏置概率測度； MDdb為特征編碼模板的數(shù)量的偏置概率測度；
db為數(shù)據(jù)庫中特征編碼模板的數(shù)量；
SameBits為邏輯相同的編碼位數(shù)量；
ValidBits為邏輯有效的編碼位數(shù)量；
TotalBits為全部編碼位數(shù)量；
X0RCode為邏輯異或(X0R)運(yùn)算；
ANDCode為邏輯與(AND)運(yùn)算；
II ll為邏輯有效的編碼位數(shù)量累加運(yùn)算； 所述的邏輯有效的編碼位，即邏輯為l的編碼位；邏輯相同的編碼位，即邏輯同為1或0的 編碼位。
6.根據(jù)預(yù)定的概率測度參考值，組合比對虹膜和皮層組織的概率測度，判定生物測定結(jié) 果。
所述的虹膜和皮層組織的概率測度組合比對方法采用兩組同時(shí)滿足或任何一組滿足預(yù)定 的概率測度參考值。
總結(jié)上述描述，本發(fā)明提出的技術(shù)特征與內(nèi)容，組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng) 具有以下優(yōu)點(diǎn)
適用全部使用者,具有普遍人群適用性,滿足基于國家級(jí)規(guī)模應(yīng)用； 最具可靠性的生物組織活性檢測分析，確保生物測定系統(tǒng)的本身的可靠性； 提高生物測定系統(tǒng)性能的精確度和可靠性。 下面將通過具體實(shí)施例并對照附圖
，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖l為本發(fā)明具體實(shí)施例l的光學(xué)成像裝置原理圖。
圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例1的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)組成的邏輯配置圖。 圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例1的生物組織活性檢測分析方法流程圖。 圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例1的基于圖像分析測定方法流程圖。 圖5為本發(fā)明具體實(shí)施例1的特征編碼模板(BioCode)產(chǎn)生的方法流程圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l 、
圖l描述了本發(fā)明的實(shí)施例l的光學(xué)成像裝置原理圖，它具體包括
密閉光學(xué)成像裝置的外殼O，面部的虹膜和皮層生物組織l，起偏器(2a， 2b)，漫射器 (3a， 3b)，近紫外光和近紅外光光源(4a， 4b)，光學(xué)窗口5，光分離器6，近紫外光學(xué)窄帶 濾波器7，近紅外光學(xué)窄帶濾波器8，檢偏器(9a， 9b)，成像透鏡(20a， 20b)，成像傳感 器(21a， 21b)，系統(tǒng)控制和處理器(30a， 30b)。
來自照明光源單元的近紫外光和近紅外光(4a， 4b),經(jīng)過漫射器(3a， 3b)，起偏器(2a， 2b)形成照明光路，分別入射到虹膜和皮層生物組織l處，然后在膜和皮層生物組織l中 產(chǎn)生光學(xué)吸收/反射特征后，返回出射到光學(xué)窗口5，經(jīng)過反射近紫外光透射近紅外光的光 學(xué)濾波器作為光分離器6的分離，形成與檢偏器(9a， 9b)組合的近紫外光成像光路(7， 20a， 21a)和近紅外光成像光路(8， 20b， 21b)，系統(tǒng)控制和處理器(30a， 30b)用于生物測定系 統(tǒng)的所有計(jì)算方法處理，控制外圍接口，儲(chǔ)存模板數(shù)據(jù)等。
當(dāng)然作為一種等價(jià)的光學(xué)變換，光分離器6也可為反射近紅外光透射近紫外光的光學(xué) 濾波器，并對換近紫外光學(xué)窄帶濾波器7和近紅外光學(xué)窄帶濾波器8的位置。
同樣作為一種等價(jià)的光學(xué)變換，光分離器6也可被光學(xué)分光器替代。 具體實(shí)施例l的近紫外光和近紅外光光源(4a， 4b)由表面發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成，具體實(shí) 施例l的起偏器(2a， 2b)和檢偏器(9a， 9b)由偏振態(tài)光學(xué)元件構(gòu)成。
圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例1的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)組成的邏輯配置圖，清 楚的表達(dá)了具體實(shí)施例l的邏輯配置構(gòu)成。具體包括 照明光源單元和成像單元被配置為多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)。 照明光源單元由近紫外光和近紅外光光源(4a， 4b)，及起偏器(2a， 2b)構(gòu)成； 成像單元由近紫外光成像光路(7， 20a, 21a)和近紅外光成像光路(8， 20b， 21b)及檢偏器 (9a， 9b)構(gòu)成;
近紫外光成像光路由近紫外光學(xué)窄帶濾波器7，成像透鏡20a，成像傳感器21a構(gòu)成。 近紅外光成像光路由近紅外光學(xué)窄帶濾波器8，成像透鏡20b，成像傳感器21b構(gòu)成。具體實(shí)施例l中描述的照明光源單元和成像單元被組合配置為近紫外光的波長范圍為 300-500nm，近紅外光的波長范圍為700-900nm， 起偏器(2a， 2b)和檢偏器(9a， 9b)被組 合配置為具有正交和平行的偏振態(tài)，如采用2a與9a組成正交偏振態(tài)，2b與9a組成平行偏振 態(tài)；2a與9b組成正交偏振態(tài)，2b與9b組成平行偏振態(tài)。
因此具體實(shí)施例l中描述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)，產(chǎn)生四種組合成像，包括 近紫外光和正交偏振態(tài)組合成像，近紫外光和平行偏振態(tài)組合成像，近紅外光和正交偏 振態(tài)組合成像，及近紅外光和平行偏振態(tài)組合成像。
盡管上述多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)配置對于具體實(shí)施例l來說是最優(yōu)的，但照明 光源單元與成像單元被進(jìn)一步增加組合配置可見光波長范圍為500-700nm，起偏器和檢偏 器被組合配置為具有45度的偏振態(tài)，能進(jìn)一步獲取更多關(guān)于虹膜和皮層生物組織不同的光 學(xué)特征信息。
為更進(jìn)一步提高成像質(zhì)量，具體實(shí)施例l中描述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系 統(tǒng)，照明光源單元與成像單元被配置同步的脈沖照明和成像。
為更進(jìn)一步提高光學(xué)成像裝置的使用方便性，擴(kuò)展成像單元的成像視場(field of view )，成像單元的成像光路由多組成像透鏡和成像傳感器組成陣列構(gòu)成，如構(gòu)成2X2陣 列可以擴(kuò)展4倍的成像視場，成像傳感器采用百萬像素級(jí)(multi-megapixel)分辨率的CMOS成 像器件進(jìn)一步獲取更大的成像視場以增大工作區(qū)域。
當(dāng)然可以采用本發(fā)明人早期提出的技術(shù)，光學(xué)成像裝置具有預(yù)定投影或發(fā)散立體角 的光學(xué)投影引導(dǎo)光束投影或發(fā)散產(chǎn)生立體區(qū)域形成工作區(qū)域(成像視場)，引導(dǎo)使用者能以 最快速直觀方便的方法定位于工作區(qū)域(成像視場)中。上述明顯不同的光學(xué)特征信息被多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)組合成像，用于生 物組織活性檢測分析和基于圖像分析測定方法。
如圖3所示，組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的生物組織活性檢測分析方法， 包括以下步驟
1. 多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)產(chǎn)生虹膜和皮層生物組織的組合成像；
2. 產(chǎn)生組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)；
3. 獲得組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)的歸一化比對值；
4. 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的比對值參考范圍，確定虹膜和皮層生物組織的活性檢測分析結(jié)果； 所述的組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生方法，包括:亮度/對比度分析 方法，頻譜分析方法，方差統(tǒng)計(jì)分析方法。
所述的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)在組合成像圖像的全局和/或局部感興趣區(qū)域內(nèi)產(chǎn) 生，以更進(jìn)一步提高生物組織活性檢測分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度。 組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)的歸一化比對值，具有成像條件無依賴性 的優(yōu)點(diǎn)，因此可以提高生物組織活性檢測分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度。 最后，根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)獲得的標(biāo)準(zhǔn)的比對值參考范圍，確定虹膜和皮層生物組織的活 性檢測分析結(jié)果，如果在參考范圍內(nèi)，判定具有活性，否則判定不具活性。
對于具體實(shí)施例l中描述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)，產(chǎn)生四種組合成像，包括
近紫外光和正交偏振態(tài)組合成像，近紫外光和平行偏振態(tài)組合成像，近紅外光和正交偏 振態(tài)組合成像，及近紅外光和平行偏振態(tài)組合成像。所述的四種組合成像圖像的虹膜和皮 層生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)反映了在不同的成像條件下，虹膜和皮層生物組織具有不同 的光學(xué)吸收/反射率比值形成的光學(xué)特性。獲取的組合成像是具有明顯不同的光譜學(xué)特征， 如此的生物組織活性檢測分析方法是最具可靠性。如圖4所示，組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的基于圖像分析測定方法，包括以 下步驟
1.定義虹膜和皮層組織圖像被測定分析區(qū)域。 所述的虹膜組織被測定分析區(qū)域定義為橢圓模型。 所述的皮層組織被測定分析區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)矩形模型。
虹膜組織內(nèi)邊界瞳孔的橢圓模型Ep(xp， yp，ap， bp)為 [(x-xp)/apf +[(y-yp)/bpf =1 (Eql)
虹膜組織外邊界的橢圓模型Ei(xi， yi， ai， bi)為 [(x-xi)/ai]2+[("i)/bi]2=l (Eq2) 腫
(xp， yp)為虹膜組織內(nèi)邊界瞳孔的中心坐標(biāo)，(ap， bp)為虹膜組織內(nèi)邊界瞳孔的X， Y軸 橢長；
(xi， yi)為虹膜組織外邊界的中心坐標(biāo)，(ai， bi)為虹膜組織外邊界的X， Y軸橢長； 當(dāng)眼球斜視導(dǎo)致虹膜形變使虹膜為非圓形時(shí)，定義為橢圓模型的虹膜組織能解決該問題。 更進(jìn)一步，考慮到實(shí)際虹膜形變情形，進(jìn)一步限定橢圓模型的參數(shù)定義域以減低計(jì)算復(fù)雜 度
<formula>formula see original document page 14</formula>
所述的皮層組織被測定分析區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)矩形模型I(x'， y'):
<formula>formula see original document page 14</formula>，
其中Roation(9)為旋轉(zhuǎn)矩陣，Rect(x， y)為矩形模型，Xl和Xr為矩形模型Rect (x， y)的X軸左右邊界，Yt和Yb為矩形模型Rect (x， y)的Y軸上下邊界。0為矩形模型Rect (x， y)相對X-Y坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度。
本發(fā)明的虹膜和皮層組織圖像被測定分析區(qū)域定義方法重要的特性是:建立被測定分析區(qū) 域本質(zhì)上最合適的數(shù)學(xué)表達(dá)模型，為提高生物測定系統(tǒng)的性能奠定基礎(chǔ)。2.變換虹膜和皮層組織被測定分析區(qū)域?yàn)楹缒ず推咏M織特征圖像；
所述的虹膜和皮層組織被測定分析區(qū)域變換為虹膜和皮層組織特征圖像的方法采用坐標(biāo) 空間規(guī)范化映射變換。
所述的虹膜組織被測定分析區(qū)域坐標(biāo)空間規(guī)范化映射變換為虹膜組織特征圖像I(X， y)， 'I(x(r， O)， y(r， O)):-> I(x， y) (Eq4) < x(r， 0) = (1一 r)求xp(0)+r承xi (O) :y(r, 0) = (1- r) "p(O)+,i (O) 其中rE[O， l]，cDe[-1， l];為滿足以下虹膜組織內(nèi)邊界瞳孔的橢圓模型的坐標(biāo)空間位置， j [(xp(O)-xp)/ap]2十[(yp(O)-yp)/bpf =1
或等價(jià)的2 +[(yp(0)-yp)/bpf =1 yp(ct0二yp-O氺bps為滿足以下虹膜組織外邊界的橢圓模型的坐標(biāo)空間位置， j [(xi(①)-xi)/aif+[(yi(①)-yi)/bif=l L xi (<!>)=xi-①氺ai;
或等價(jià)的
j [(xi(①)-xi)/ai]2+[(yi(cD)-yi)/bi]、1 L yi (①)二yi-①承b:h
所述的皮層組織被測定分析區(qū)域坐標(biāo)空間規(guī)范化映射變換為皮層組織特征圖像I(x， y): I(x'， y，)-〉 I(x， y) (EQ5)
歸結(jié)為與皮層組織被分析測定區(qū)域I(x'， y')具有相同的坐標(biāo)空間表達(dá)方式，因此可直接采 用規(guī)范化映射變換產(chǎn)生皮層組織特征圖像I(x， y)。
可以理解，上述坐標(biāo)空間規(guī)范化映射變換數(shù)學(xué)離散釆樣表達(dá)后，具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺度的特征 圖像。本發(fā)明的坐標(biāo)空間規(guī)范化映射變換方法重要的特性是:通過坐標(biāo)空間規(guī)范化映射變 換，虹膜和皮層組織被分析測定區(qū)域成為虹膜和皮層組織特征圖像，不僅使后續(xù)的所有步 驟具有規(guī)范化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)處理，而且具有圖像平移，旋轉(zhuǎn)，縮放等成像條件無依賴性即無 相關(guān)性。
以下內(nèi)容描述以相同的方法處理虹膜和皮層組織特征圖像。3.提取虹膜和皮層組織特征圖像的特征信息；
所述的虹膜和皮層組織特征圖像的特征信息提取方法采用多空間位移多分辨率尺度多方 向性的高斯-正交函數(shù)基小波(Gauss-Orthogonal function based wavelet)巻積積分虹膜 和皮層組織特征圖像。
所述的高斯-正交函數(shù)基小波(Gauss-Orthogonal function based wavelet)原型為 G(x， y)，
G(x， y)=Gauss(x， y)氺0rth(x， y) (Eq6)
其中Gauss(x， y)為二維高斯函數(shù)(2D Gauss function), 0rth(x， y)為二維正交函數(shù) (2D Orthogonal function), 如Sin/Cos， Hermite， Chebyshev， Laguerre， Legerdre等 正交函數(shù)。
所述的高斯-正交函數(shù)基小波G(x， y)具有以下數(shù)學(xué)特征高斯-正交函數(shù)基小波由高斯函 數(shù)和正交函數(shù)組合而成。具備使任何分析信號(hào)都能在[-。，+ ]空間域內(nèi)被分解為完備的 正交函數(shù)線性組合，更加重要的，完備的正交特性對分析信號(hào)具有無相關(guān)性即冗余性的解 析表達(dá)能力，能反映分析信號(hào)包含的最大化信息熵。高斯函數(shù)具備結(jié)合空間/頻域最小測 不準(zhǔn)精度，具有最優(yōu)的空間/頻域局部化窗口，以高斯函數(shù)作為約束窗口，使正交函數(shù)的 空間域從[-~， +~]收斂，限定為緊支集，具有最優(yōu)的空間/頻域局部化特性。從信號(hào)分 析角度理解，高斯-正交函數(shù)基小波具有等價(jià)帶通帶限濾波器的特性。
上述的高斯-正交函數(shù)基小波G(x， y)，經(jīng)過空間位移，分辨率尺度縮放，方向旋轉(zhuǎn)，形成
多空間位移多分辨率尺度多方向性的高斯-正交函數(shù)基小波Gs， xo， yo， e(x， y):
-Gs， xo， yo， e (x， y)二G(x，， y，) (Eq7) s
〗 x，二2 [ (x-xo) cos e+(y-yo) sin e ] s
、y，=2 [-(x-xo) sin 3+(y-yo)cos 9 ]
其中s為分辨率尺度參數(shù)，xo， yo為空間位移參數(shù)，e為方向旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)。
多空間位移多分辨率尺度多方向性的高斯-正交函數(shù)基小波Gs， xo， yo， e (x， y)巻積積分
虹膜和皮層組織特征圖像I(x， y)用于產(chǎn)生并提取特征信息W(s， xo， yo， e):
W(s， xo， yo， 9) = / i* I(x， y) Gs， xo， yo， 9 (x， y)dxdy (Eq8)
根據(jù)信息理論，對任何分析信號(hào)即特征圖像，上述提取方法獲得的特征信息空間相關(guān)性長
度大于等于小波濾波器的頻率帶寬倒數(shù)，并且僅當(dāng)特征信息頻率相關(guān)性帶寬等于小波濾波
器的頻率帶寬時(shí)等號(hào)成立。
本發(fā)明的虹膜和皮層組織特征圖像的特征信息提取方法重要的特性是多空間位移多分辨 率尺度多方向性的高斯-正交函數(shù)基小波巻積積分虹膜和皮層組織特征圖像具備最優(yōu)的結(jié) 合空間/頻域局部化分析能力，提取特征圖像包含的信息熵最大化。4.產(chǎn)生虹膜和皮層組織特征信息的特征編碼模板；
所述的特征編碼模板(BioCode)產(chǎn)生的方法采用組合特征信息的波動(dòng)狀態(tài)量子化編碼 (IDCode)和特征信息的能量質(zhì)量量子化編碼(EnergyCode)。即可表達(dá)為 特征編碼模板(BioCode)=波動(dòng)狀態(tài)量子化編碼(IDCode) +能量質(zhì)量量子化編碼 (EnergyCode)。如圖5，所述的特征編碼模板(BioCode)產(chǎn)生的方法，具體包括以下步驟 4. 1規(guī)范化降采樣特征信息W(s， xo， yo， e)。
所述的規(guī)范化降采樣頻率小于等于特征信息獲得的頻率相關(guān)性帶寬，或等價(jià)的，規(guī)范化降
采樣空間長度大于等于特征信息獲得的空間相關(guān)性長度。
采用規(guī)范化降采樣的原因是考慮到
a. 特征信息本身包含的空間/頻域分辨率是受限性的，其具有帶通帶限特性。
b. 降低計(jì)算復(fù)雜度，易于實(shí)時(shí)處理。
c. 最大化特征編碼模板包含的編碼信息熵。
d. 規(guī)范化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編碼采樣排列能提高處理效率并提高穩(wěn)定性。 4. 2波動(dòng)狀態(tài)量子化編碼(IDCode)，
〔3/Ad y [W(s， xo， yo， 0)]〈0 0 其中n， mX)為偏微分階數(shù)。 即如果an+m/3nxamy [W(s， xo， yo， o)]》0編碼為二進(jìn)制邏輯1，否則編碼為二進(jìn)制邏輯0。 能量質(zhì)量量子化編碼(EnergyCode)
其中E為能量質(zhì)量控制閾值。 即，如果| W(s， xo， yo， e)l2》E編碼為二進(jìn)制邏輯l，否則編碼為二進(jìn)制邏輯0。 波動(dòng)狀態(tài)量子化編碼產(chǎn)生方法反映對相應(yīng)特征信息的波動(dòng)狀態(tài)的變化特性信息表達(dá)，
編碼i或o代表對特征信息的波動(dòng)狀態(tài)的偏微分極性即極大值/極小值兩種狀態(tài)的邏輯量化。
能量質(zhì)量量子化編碼產(chǎn)生方法反映對相應(yīng)特征信息的能量質(zhì)量的控制特性信息表達(dá)，
編碼i或o代表對特征信息的能量質(zhì)量的有效性即有效/無效兩種狀態(tài)的邏輯量化。
本發(fā)明的虹膜和皮層組織特征信息的特征編碼方法重要的特性是:波動(dòng)狀態(tài)量子化編碼方 法具有產(chǎn)生特征信息的最大化編碼信息熵，具備對如照明，聚焦，增益，對比度等成像條
件無依賴性或相關(guān)性，能量質(zhì)量量子化編碼對特征信息的能量質(zhì)量的有效性具有控制作 用。
(Eq10)5.統(tǒng)計(jì)虹膜和皮層組織的特征編碼模板間的概率測度； 所述的特征編碼模板間的概率測度的統(tǒng)計(jì)方法采用
MD(BioCodel， BioCode2)=MDstd+MDvalid+MDdb (Eqll)
MDstd=SameBits/ValidBits
MDvalid=-0. 05*log2(ValidBits/TotalBits)
MDdb=0. 01*logl0(db)
S證BitsH |AND(X0RCode， ANDCode) | |
ValidBits=||ANDCode||
X0RCode=X0R(IDCodel， IDCode2)
ANDCode=AND (E證gyCodel ， EnergyCode2)
BioCodel= IDCodel+EnergyCodel;
BioCode2= IDCode2+EnergyCode2;
其中
MD(BioCodel， BioCode2)為特征編碼模板間的概率測度； MDstd為特征編碼模板間的標(biāo)準(zhǔn)概率測度；
MDvalid為特征編碼模板間的邏輯有效的編碼位數(shù)量的偏置概率測度； MDdb為特征編碼模板的數(shù)量的偏置概率測度；
db為數(shù)據(jù)庫中特征編碼模板的數(shù)量；
SameBits為邏輯相同的編碼位數(shù)量；
ValidBits為邏輯有效的編碼位數(shù)量；
TotalBits為全部編碼位數(shù)量；
XORCode為邏輯異或(XOR)運(yùn)算；
ANDCode為邏輯與(AND)運(yùn)算；
I I I I為邏輯有效的編碼位數(shù)量累加運(yùn)算； 所述的邏輯有效的編碼位，即邏輯為l的編碼位；邏輯相同的編碼位，即邏輯同為l或O的 編碼位。
本發(fā)明的虹膜和皮層組織特征編碼模板間的概率測度的統(tǒng)計(jì)方法重要的特性是具備對成 像條件無依賴性或相關(guān)性，具有根據(jù)特征信息的能量質(zhì)量控制作用去除無效特征信息的邏 輯編碼位即僅統(tǒng)計(jì)邏輯有效的編碼位和偏置概率測度，提高特征編碼模板概率測度的精確 度和可靠性。6.根據(jù)預(yù)定的概率測度參考值，組合比對虹膜和皮層組織的概率測度，判定生物測定結(jié) 果。
所述的虹膜和皮層組織的概率測度組合比對方法采用兩組同時(shí)滿足或任何一組滿足預(yù)定 的概率測度參考值。
如果FAR1， FAR2分別為虹膜和皮層組織預(yù)定的概率測度參考值的錯(cuò)誤接受率精確度， 如果FRRl, FRR2分別為虹膜和皮層組織預(yù)定的概率測度參考值的錯(cuò)誤拒絕率精確度， 兩組同時(shí)滿足虹膜和皮層組織預(yù)定的概率測度參考值的組合比對的錯(cuò)誤接受率精確度為 FARboth，錯(cuò)誤拒絕率精確度為FRRboth，那么 FARboth=FARl*FAR2 (Eql2) FRRboth=l-(1-FRR1) *(1-FRR2)
任何一組滿足虹膜和皮層組織預(yù)定的概率測度參考值的組合比對的錯(cuò)誤接受率精確度為
FARany，錯(cuò)誤拒絕率精確度為FRRany，那么
FARany=l_ (1-FAR" * (卜FAR2) (Eql3)
FRRany=FRRl*FRR2
本發(fā)明的虹膜和皮層組織的概率測度組合比對方法重要的特性是:選擇由先驗(yàn)知識(shí)獲得的 預(yù)定的概率測度參考值，通過虹膜和皮層組織的概率測度組合比對方法，由此綜合提高生 物測定系統(tǒng)的精確度和可靠性。
在實(shí)際應(yīng)用時(shí),所有上述計(jì)算方法都能以數(shù)學(xué)離散化形式表達(dá)，并且能通過優(yōu)化整型 代碼實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。
盡管在本具體實(shí)施例的描述內(nèi)容中皮層生物組織限定為面部區(qū)域，但作為等價(jià)的推 廣，其它區(qū)域如手掌部皮層生物組織也可被具體實(shí)施例等效理解并采用。
本發(fā)明描述的具體實(shí)施例內(nèi)容，在技術(shù)特征與內(nèi)容要求下，可以在相同或等同理解的 范圍內(nèi)相互組合，修改及增減等操作以進(jìn)行具體實(shí)施例實(shí)施，如采用光路等價(jià)變換，具體 結(jié)構(gòu)等價(jià)變形，步驟等價(jià)替換等。
權(quán)利要求
1. 一種組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的光學(xué)成像裝置，由照明光源單元和成像單元構(gòu)成，其特征是照明光源單元和成像單元被配置為多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)，所述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)產(chǎn)生至少四種組合成像，包括近紫外光和正交偏振態(tài)組合成像，近紫外光和平行偏振態(tài)組合成像，近紅外光和正交偏振態(tài)組合成像，及近紅外光和平行偏振態(tài)組合成像；所述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)，包括照明光源單元由至少近紫外光，近紅外光光源，及起偏器構(gòu)成；成像單元由至少近紫外光，近紅外光成像光路，及檢偏器構(gòu)成；其中所述的照明光源單元和成像單元被組合配置為至少近紫外光的波長范圍為300-500nm，近紅外光的波長范圍為700-900nm，起偏器和檢偏器被組合配置為至少具有正交和平行的偏振態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的光學(xué)成像裝置， 其特征是所述的多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)，照明光源單元與成像單元被進(jìn)一步增加組合配 置包括:可見光波長范圍為500-700nm，起偏器和檢偏器被組合配置為45度的偏振態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的光學(xué)成像裝置， 其特征是所述的近紫外光成像光路由近紫外光學(xué)窄帶濾波器，成像透鏡，成像傳感器構(gòu)成； 所述的近紅外光成像光路由近紅外光學(xué)窄帶濾波器，成像透鏡，成像傳感器構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的光學(xué)成像裝置， 其特征是所述的照明光源單元與成像單元被配置同步的脈沖照明和成像； 所述的成像單元的成像光路由多組成像透鏡和成像傳感器組成陣列構(gòu)成， 并且成像傳感器采用百萬像素級(jí)分辨率的CMOS成像器件。'、
5. —種組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的生物組織活性檢測分析方法， 其特征是:包括以下步驟(1) 多光譜多偏振態(tài)組合光學(xué)成像系統(tǒng)產(chǎn)生虹膜和皮層生物組織的組合成像(2) 產(chǎn)生組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)；(3) 獲得組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)的歸一化比對值；(4) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的比對值參考范圍，確定虹膜和皮層生物組織的活性檢測分析結(jié)果。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的生物組織活性檢測分 析方法，其特征是所述的組合成像圖像的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)產(chǎn)生方法，包括亮度/對比度分析方 法，頻譜分析方法，方差統(tǒng)計(jì)分析方法；所述的生物組織活性特征檢測數(shù)據(jù)在組合成像圖像的全局和/或局部感興趣區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生。
7. —種組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的基于圖像分析測定方法， 其特征是:包括以下步驟(1) 定義虹膜和皮層組織圖像被測定分析區(qū)域；(2) 變換虹膜和皮層組織被測定分析區(qū)域?yàn)楹缒ず推咏M織特征圖像；(3) 提取虹膜和皮層組織特征圖像的特征信息；(4) 產(chǎn)生虹膜和皮層組織特征信息的特征編碼模板；(5) 統(tǒng)計(jì)虹膜和皮層組織的特征編碼模板間的概率測度；(6) 根據(jù)預(yù)定的概率測度參考值，組合比對虹膜和皮層組織的概率測度，判定生物測定結(jié)果。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的基于圖像分析測定方 法，其特征是所述的虹膜組織被測定分析區(qū)域定義為橢圓模型； 所述的皮層組織被測定分析區(qū)域定義為旋轉(zhuǎn)矩形模型。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的基于圖像分析測定方 法，其特征是所述的虹膜和皮層組織被測定分析區(qū)域變換為虹膜和皮層組織特征圖像的方法采用坐標(biāo) 空間規(guī)范化映射變換。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的基于圖像分析測定 方法，其特征是所述的虹膜和皮層組織圖像的特征信息提取方法采用多空間位移多分辨率尺度多方向性 的高斯-正交函數(shù)基小波巻積積分虹膜和皮層組織特征圖像。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的基于圖像分析測定 方法，其特征是所述的虹膜和皮層組織特征信息的特征編碼模板(BioCode)產(chǎn)生的方法采用組合特征信息 的波動(dòng)狀態(tài)量子化編碼(IDCode)和特征信息的能量質(zhì)量量子化編碼(EnergyCode)，特征編 碼模板(BioCode)=波動(dòng)狀態(tài)量子化編碼(IDCode) +能量質(zhì)量量子化編碼(EnergyCode)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的基于圖像分析測定 方法，其特征是所述的虹膜和皮層組織的特征編碼模板間的概率測度的統(tǒng)計(jì)方法采用 MD(BioCodel， BioCode2)=MDstd+MDvalid+MDdb MDstd=SameBits/ValidBits MDvalid=-0. 05*log2(ValidBits/TotalBits) MDdb二O. 01*logl0(db) SameBits=||AND(XORCode， ANDCode)|| ValidBitsH |ANDCode|| XORCode-XOR(IDCodel， IDCode2) ANDCode=AND(EnergyCode1， EnergyCode2) BioCodel= IDCodel+EnergyCodel; BioCode2= IDCode2+EnergyCode2;其中MD(BioCodel， BioCode2)為特征編碼模板間的概率測度； MDstd為特征編碼模板間的標(biāo)準(zhǔn)概率測度；MDvalid為特征編碼模板間的邏輯有效的編碼位數(shù)量的偏置概率測度； MDdb為特征編碼模板的數(shù)量的偏置概率測度；db為數(shù)據(jù)庫中特征編碼模板的數(shù)量；SameBits為邏輯相同的編碼位數(shù)量；ValidBits為邏輯有效的編碼位數(shù)量；TotalBits為全部編碼位數(shù)量；X0RCode為邏輯異或(X0R)運(yùn)算；ANDCode為邏輯與(AND)運(yùn)算；II I l為邏輯有效的編碼位數(shù)量累加運(yùn)算； 所述的邏輯有效的編碼位，即邏輯為l的編碼位；邏輯相同的編碼位，即邏輯同為1或0的 編碼位。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)采用的基于圖像分析測定 方法，其特征是所述的虹膜和皮層組織的概率測度組合比對方法采用兩組同時(shí)滿足或任何一組滿足預(yù)定 的概率測度參考值。
全文摘要
本發(fā)明提出并實(shí)現(xiàn)一種組合虹膜和皮層組織的生物測定系統(tǒng)，包括光學(xué)成像裝置，生物組織活性檢測分析及基于圖像分析測定方法。本發(fā)明的生物測定系統(tǒng)適用全部使用者，具有普遍人群適用性，滿足基于國家級(jí)的規(guī)模應(yīng)用；最可靠性的生物組織活性檢測分析，確保生物測定系統(tǒng)的本身的可靠性；基于圖像分析測定方法提高生物測定系統(tǒng)性能的精確度和可靠性。
文檔編號(hào)A61B5/117GK101411606SQ20071015625
公開日2009年4月22日 申請日期2007年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月15日
發(fā)明者倪蔚民, 城 金 申請人:倪蔚民