專利名稱：單圖像傳感器自適應雙眼虹膜同步采集系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及虹膜識別領域和光機電一體化領域，特別涉及用于雙眼虹膜同步自適應識別的傳感器，以及基于角點檢測的雙眼定位算法以及測量瞳距的自動聚焦控制，該系統(tǒng)適用于雙眼虹膜圖像采集與識別的設備。
背景技術：
虹膜識別是ー種高精度、非侵犯性、簡便易用的生物特征識別身份認證技術，被認為是最有前途的生物特征識別身份認證技術之一，有非常廣闊的市場應用前景。目前，國內外的雙眼虹膜識別終端普遍都是通過兩只虹膜攝像頭分別采集人眼圖像，意味著要使用兩只高成本的虹膜攝像頭(圖像傳感器+光學鏡頭)，電路結構復雜，終端體積龐大，這也是目前雙眼虹膜采集設備成本長期居高不下的主要原因；同時左右眼切換(異步)采集，流程復雜，用戶體驗性差。同時，為采集高清無損的虹膜圖像，被識別者的位置應處于鏡頭的景深范圍，這需要通過調焦來實現(xiàn)。虹膜攝像頭一般為兩種一種是定焦式，超聲波或紅外光將測距信號反饋給處理器，通過指示燈提示用戶靠近或遠離，這也是目前市場上普遍采用的調焦方式之一；另外一種是自動聚焦式，根據實時測量物距信號反饋給閉環(huán)控制模塊，驅動電機控制鏡頭移動實現(xiàn)自動聚焦。對于前者，用戶的舒適性要求不易滿足；而后者的某些算法導致攝像頭在聚焦位置附近震蕩，影響對焦速度。近年來對虹膜識別技術的改進涉及攝像頭、接ロ、聚焦方式等多個方面，但往往只關注某一點，不能有效解決現(xiàn)存的技術問題。公開號為CN101877061A的中國發(fā)明專利申請公開了ー種基于單攝像頭的雙眼虹膜圖像采集方法及裝置，其中左、右眼虹膜注冊時需通過管理員選擇次序，對左邊和右邊兩步依次完成采集；LED三色燈要與眉心正下方對準；使用紅外測距模塊實現(xiàn)測距功能。左右分別采集顯著影響識別速度，而測I距需依賴外部測距硬件模塊，成本較高。公告號為CN 201489550 U的中國實用新型專利公開了ー種單USB接ロ的雙眼虹膜圖像獲取及處理設備，其通過ー個USB接ロ與計算機連接實現(xiàn)圖像實時并行獲取及前期處理；該發(fā)明對于如何使用整幅雙眼圖像進行虹膜識別，未具體公開，概念模糊。公開號為CN 101770573 A的中國發(fā)明專利申請公開了一種用于虹膜識別的自動聚焦虹膜圖像成像裝置及其控制方法，其用單個攝像頭捕捉整個面部細節(jié)圖像，進行雙眼虹膜識別；使用查表法得到聚焦位置，并通過驅動板的液態(tài)光學透鏡改變介質上電壓的電荷張力使液態(tài)介質的界面形變，獲得不同光學屈光度來實現(xiàn)聚焦位置調節(jié)。對于大口徑成像裝置，液態(tài)光學透鏡的材質穩(wěn)定性較差，變形控制難度較大。公開號為CN101021901 A的中國發(fā)明專利申請公開了ー種雙眼虹膜的采集方法和裝置，其采用左右兩個攝像頭采集雙眼虹膜，采用紅外測距進行調焦提示來采集清晰圖像，因而成本也很高。

發(fā)明內容
本發(fā)明g在從根本上解決目前市場上雙眼虹膜采集設備成本高、體積大、使用流程復雜等技術問題。基于此，本發(fā)明采用單個攝像頭同時采集雙眼圖像，解決了大視野中對感興趣的人眼區(qū)域的自動定位和裁剪的問題，通過測量圖像瞳距計算物距來實現(xiàn)自動對焦控制，實現(xiàn)了低成本、自適應雙眼虹膜的采集。本發(fā)明對左右眼圖像進行同步實時處理，雙眼采集過程一歩完成，降低了使用流程的復雜度，使虹膜注冊和識別速度加快，大大提高了產品的性價比。具體而言，本發(fā)明一方面涉及ー種單攝像頭雙眼虹膜圖像采集方法，其特征在于包括如下步驟雙眼成像采用對近紅外光源敏感的單個圖像傳感器和與之配套的單個光學鏡頭，對人的雙眼區(qū)域同時成像；瞳孔定位采用形態(tài)學和角點檢測方法的算法實時檢測人眼的反射亮斑和眼角的位置，從而實現(xiàn)在成像圖像上進行雙瞳的實時查找和實時定位；圖像裁剪和虹膜識別將所述成像圖像實時裁剪為左右眼高清虹膜圖像，經過預處理等后續(xù)算法，實時完成雙眼虹膜識別。優(yōu)選地，在裁剪和虹膜識別步驟之前還包括自適應聚焦步驟計算成像圖像上的瞳距，通過特定的數學模型實時計算入與光學鏡頭之間的物距，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號送至步進電機，以驅動光學鏡頭的前后移動達到自適應聚焦，得到清晰的雙眼虹膜圖像；而所述圖像裁剪和虹膜識別步驟針對所得到的清晰的雙眼虹膜圖像進行。本發(fā)明另一方面涉及單攝像頭雙眼虹膜圖像采集裝置，包括單目雙眼虹膜攝像頭和數據采集系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述單目雙眼虹膜攝像頭包括鍍膜自動聚焦光學鏡頭、圖像傳感器、緊貼在所述光學鏡頭外側的冷光鏡、紅外燈、固定在紅外燈外側的濾光片、數據傳輸接口和指示燈。優(yōu)選地，所述鍍膜自動聚焦光學鏡頭包括鏡頭安裝座、鏡頭組、導向桿、微型步進電機及絲杠、絲杠螺母、電機安裝座、限位開關、限位開關安裝座，其中絲杠螺母把步進電機的旋轉運動轉化為直線運動，以帶動鏡頭組移動在兩個導向桿的導向下雙向移動以調焦；光電限位開關控制鏡頭組的極限行程；電機安裝座和限位開關安裝座用以安裝步進電機及限位開關板。優(yōu)選地，所述數據采集系統(tǒng)由兩個主要部分組成，ー個主要部分是由CMOS傳感器、USB接ロ芯片、12C接ロ存儲器和語音驅動器構成的USB接ロ及語音提示裝置，其中USB接ロ芯片與CMOS傳感器、語音驅動器、存儲器之間通過I2C總線接ロ ；另ー個主要部分是由控制CPU構成的步進電機驅動控制和LED燈驅動控制，其中控制CPU與步進電機驅動器、LED驅動器通過I/O ロ接ロ連接。本發(fā)明通過使用其橫向分辨率足夠對雙眼同時清晰成像的單個圖像傳感器，選取視場角和景深合適的光學鏡頭，在雙眼圖像中進行單眼區(qū)域的定位和裁剪，即可完成左右眼同步采集與識別的虹膜圖像智能分析，通過軟件算法測距，減免使用外部主動測距模塊，從而有效降低產品硬件成本，降低雙眼虹膜采集設備的電路設計復雜度，減小終端體積，カロ快虹膜注冊和認證速度。


圖I為單目雙眼虹膜攝像頭正面結構圖。圖2為單目雙眼虹膜采集系統(tǒng)框圖。圖3為光學成像模型示意圖。圖4為角點檢測算法流程圖。圖5為自動對焦鏡頭結構框圖。圖6為USB數據采集系統(tǒng)技術方案框圖。
具體實施例方式圖I是單目雙眼虹膜攝像頭正面結構圖，包括I-鍍膜自動聚焦光學鏡頭，2-百萬像素圖像傳感器(CMOS或(XD)，3-中心波長850nm的紅外燈，4-緊貼在鏡頭外側截止波長750nm的冷光鏡(透過近紅外光線，反射可見光線；拍攝時引導用戶將眼睛區(qū)域對準鏡頭)，5-固定在紅外燈外側截止波長750nm的濾光片(透過近紅外光線，吸收可見光線)，6_數據傳輸接ロ(USB或網ロ)及7-指示燈。圖像傳感器2選型的細節(jié)所成像的雙眼圖像經過瞳孔定位并裁剪后的單眼圖像須符合國際虹膜圖像標準(IS0/IEC 19794)，其橫向分辨率滿足能分割出虹膜國際標準的左右眼虹膜圖像(640x480)的最小尺寸。在拍攝時幀速滿足虹膜采集實時性。我們采用的光學鏡頭I的物距在300 700mm范圍可調,景深最高可達100mm。光學鏡頭視場角9與物距u的關系為
權利要求
1.單個攝像頭雙眼虹膜圖像采集方法，其特征在于包括如下步驟 雙眼成像采用對近紅外光源敏感的單個圖像傳感器和與之配套的單個光學鏡頭，對人的雙眼區(qū)域同時成像； 瞳孔定位采用形態(tài)學和角點檢測方法的算法實時檢測人眼的反射亮斑和眼角的位置，從而實現(xiàn)在成像圖像上進行雙瞳的實時查找和實時定位； 圖像裁剪和虹膜識別將所述成像圖像實時裁剪為左右眼高清虹膜圖像，經后續(xù)算法，實時完成雙眼虹膜識別。
2.如權利要求I所述的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集方法，其中在所述圖像裁剪和虹膜識別步驟之前還包括自適應聚焦步驟 計算成像圖像上的瞳距，通過特定的數學模型實時計算入與鏡頭之間的物距，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號送至步進電機，以驅動光學鏡頭的前后移動達到自適應聚焦，得到清晰的雙眼虹膜圖像； 而所述圖像裁剪和虹膜識別步驟針對所得到的清晰的雙眼虹膜圖像進行。
3.如權利要求2所述的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集方法，其中所述數學模型為 u=m=~kf 其中，U為物距，V為像距，Dp為人類瞳距值，μ為傳感器靶面的像元尺寸，k為角點檢測方法計算的雙瞳中心差距的像素數。
4.如權利要求I至3中任ー項所述的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集方法，其中所述瞳孔定位步驟包括如下步驟 步驟I.對圖像進行金字塔向下采樣，以加快計算速度； 步驟2.對圖像中每個像素點計算矩陣 其中，Ix，Iy，Ix Iy分別為像素點I (X，y)在X、y方向的偏導和ニ階混合偏導； 步驟3.對梯度矩陣做光滑濾波。對每個像素點的矩陣M，在鄰域bXb上取平均值 步驟4.對每個像素點，由屁計算角點判別式的值 R = Det(M)^kTr2(M) 步驟5.搜索感興趣的R值，對應的坐標即為瞳孔中心光斑對應位置。
5.如權利要求2或3所述的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集方法，其中所述自適應聚焦步驟具體包括如下步驟 數據采集系統(tǒng)將圖像傳感器記錄的雙眼虹膜圖像傳送給CPU ； 軟件算法根據雙瞳定位后的坐標測量瞳距并實時計算物距； 判斷當前物距是否滿足景深要求，若否，則CPU將判斷結果發(fā)送給步進電機驅動器，前后移動鏡頭使人眼獲得清晰成像，并驅動語音接ロ及LED指示燈告知用戶，當前距離遠或近；若是，則進行圖像裁剪和虹膜識別步驟。
6.實現(xiàn)如權利要求I至5中任一項所述的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集方法的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集裝置，其特征在于包括單目雙眼虹膜攝像頭和數據采集系統(tǒng)。
7.如權利要求6所述的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集裝置，其特征在于所述單目雙眼虹膜攝像頭包括鍍膜自動聚焦光學鏡頭(I)、圖像傳感器(2)、緊貼在所述光學鏡頭(I)外側的冷光鏡(4)、紅外燈(3)、固定在紅外燈外側的濾光片(5)、數據傳輸接口(6)和指示燈⑵。
8.如權利要求6或7所述的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集裝置，其中所述鍍膜自動聚焦光學鏡頭⑴包括鏡頭安裝座(11)、鏡頭組(12)、導向桿(13)、微型步進電機及絲杠(14)、絲杠螺母(15)、電機安裝座(16)、光電限位開關(17)、限位開關安裝座(18)，其中絲杠螺母(15)把步進電機(14)的旋轉運動轉化為直線運動，以帶動鏡頭組(12)在兩個導向桿(13)的導向下雙向移動以調焦；光電限位開關(17)控制鏡頭組(12)的極限行程；電機安裝座(16)和限位開關安裝座(18)用以安裝步進電機(14)及限位開關板(22)。
9.如權利要求6或7所述的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集裝置，其中所述數據采集系統(tǒng)由兩個主要部分組成，一個主要部分是由CMOS傳感器、USB接口芯片、I2C接口存儲器和語音驅動器構成的USB接口及語音提示裝置，其中USB接口芯片與CMOS傳感器、語音驅動器、存儲器之間通過I2C總線接口 ；另一個主要部分是由控制CPU構成的步進電機驅動控制和LED燈驅動控制裝置，其中控制CPU與步進電機驅動器、LED驅動器通過I/O 口接口連接。
10.如權利要求7所述的單攝像頭雙眼虹膜圖像采集裝置，其中所述紅外燈(3)的中心波長為850nm,所述濾光片(5)的截止波長為750nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于單攝像頭的雙眼虹膜圖像采集方法及裝置，其采用單個攝像頭實現(xiàn)雙眼區(qū)域圖像的采集，利用形態(tài)學和角點檢測的算法實時檢測人眼的反射亮斑和眼角的位置，從而實現(xiàn)雙瞳的實時定位，利用所測量的瞳孔間距實時計算人與鏡頭之間的物距，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號給步進電機以驅動光學鏡頭的前后移動從而達到自適應聚焦，得到清晰的雙眼虹膜圖像，將雙眼虹膜圖像實時裁剪為左右眼高清虹膜圖像，經過預處理等后續(xù)算法，實時地完成雙眼虹膜識別。所述方法和設備能夠有效地降低產品硬件成本，降低設備的電路設計復雜度，減小終端體積，加快虹膜注冊和認證速度。
文檔編號G03B17/12GK102855476SQ201110174198
公開日2013年1月2日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權日2011年6月27日
發(fā)明者王曉鵬 申請人:王曉鵬