專(zhuān)利名稱(chēng)：虹膜紋理歸一化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于眼睛虹膜識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種虹膜紋理歸一化處理方法。
背景技術(shù)：
身份識(shí)別在現(xiàn)代高速信息化的社會(huì)生活中有廣泛的需求。與人類(lèi)自身密切相關(guān)的生物特征如相貌、指紋、虹膜、聲音、步態(tài)和簽名等均有“人各有異，終生不變，隨身攜帶”等特點(diǎn)。其中虹膜尤為“不可改造，難以偽裝”，將成為未來(lái)身份識(shí)別的重要途徑。
虹膜位于人眼黑色瞳孔和白色鞏膜之間的環(huán)狀部分，其中呈現(xiàn)一種由里到外的放射狀結(jié)構(gòu)，包括許多相互交錯(cuò)的類(lèi)似于斑點(diǎn)、細(xì)紋、冠狀、隱窩等形狀的細(xì)微特征，稱(chēng)為虹膜紋理信息。由于虹膜具有獨(dú)特的生理特性，虹膜識(shí)別技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。
虹膜識(shí)別的全過(guò)程包括采樣，圖像預(yù)處理，虹膜歸一化，特征提取和編碼匹配五個(gè)步驟。采集得到的虹膜圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理，被變換為一定分辨率和灰度的標(biāo)準(zhǔn)虹膜圖像。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)虹膜圖像進(jìn)行歸一化處理，可以將環(huán)形的虹膜圖像展開(kāi)成固定分辨率的矩形圖像，矩形圖像中包含了全部可用的虹膜紋理信息。該矩形圖像中的虹膜紋理信息被進(jìn)一步編碼，以供匹配。由上述過(guò)程可見(jiàn)，虹膜歸一化是其中非常重要的環(huán)節(jié)。
眼睛虹膜是環(huán)形結(jié)構(gòu)，內(nèi)邊緣是虹膜與瞳孔的交界，外邊緣是虹膜與鞏膜的交界。眼科學(xué)研究表明，虹膜的內(nèi)外邊緣并不是正圓形，但可以采用正圓形對(duì)邊緣進(jìn)行擬合。利用瞳孔和虹膜接近圓形的特性和虹膜邊緣灰度的梯度變化，可以定位圖像中的虹膜位置，并確定其內(nèi)外圓心和半徑。所謂“虹膜歸一化”就是將環(huán)形的虹膜紋理圖像展開(kāi)成固定分辨率的矩形圖像。虹膜歸一化的過(guò)程就是在虹膜定位完成后，以?xún)?nèi)外圓圓心坐標(biāo)和半徑為參數(shù)，將笛卡爾坐標(biāo)系下虹膜的灰度圖像I(x，y)映射到雙無(wú)量綱的極坐標(biāo)系圖像I(r，θ)，可以表示如下I(x(r，θ)，y(r，θ))-I(r，θ) 其中r∈(0，1)，θ∈(0，2π)傳統(tǒng)的虹膜歸一化處理是基于“標(biāo)準(zhǔn)虹膜”的。所謂標(biāo)準(zhǔn)虹膜，就是假設(shè)虹膜的內(nèi)外邊緣是同心圓結(jié)構(gòu)，即認(rèn)為虹膜的內(nèi)外圓圓心完全重合，同時(shí)假設(shè)虹膜的伸縮是完全均勻的，各向同性的。利用標(biāo)準(zhǔn)虹膜的同心圓特性和均勻伸縮性，建立了如下虹膜歸一化的傳統(tǒng)算法。如圖1所示。設(shè)內(nèi)外圓圓心重合于一點(diǎn)O(x0，y0)，內(nèi)圓半徑為R0，外圓半徑為R1，以同心圓圓心作為極坐標(biāo)系統(tǒng)的原心。從圓心出發(fā)，做與水平線(xiàn)成a角的射線(xiàn)，它與虹膜內(nèi)外圓各有一個(gè)交點(diǎn)，分別記作A(R0，a)和B(R1，a)。該射線(xiàn)可以認(rèn)為是一條典型的放射狀虹膜紋理。虹膜歸一化算法所要做的就是，將射線(xiàn)上A，B兩點(diǎn)之間的笛卡爾坐標(biāo)系下的任意一點(diǎn)C(x，y)映射到極坐標(biāo)下的點(diǎn)C(r，a)x＝r×cosa+x0y＝r×sina+y0顯見(jiàn)，以上的映射關(guān)系可以推廣到整個(gè)虹膜區(qū)域，其中，θ∈(0，2π)，r∈[R0，R1]。接下來(lái)將虹膜外圓的半徑歸一化，即半徑變?yōu)?。則上式變形為x＝[r×(R1-R0)+R0]×cosθ+x0y＝[r×(R1-R0)+R0]×sinθ+y0其中，θ∈(0，2π)，r∈
。
由此可見(jiàn)，以上變換是一一映射關(guān)系，對(duì)虹膜紋理區(qū)域內(nèi)的各點(diǎn)進(jìn)行以上坐標(biāo)變換之后，則極坐標(biāo)系單位區(qū)域內(nèi)的任意點(diǎn)都可以在原笛卡爾坐標(biāo)系虹膜紋理區(qū)域內(nèi)找到對(duì)應(yīng)的像素。這種變換在極坐標(biāo)系下重建了虹膜紋理，并且該紋理的尺寸是統(tǒng)一的(極坐標(biāo)系下的單位區(qū)域面積)，不受笛卡爾坐標(biāo)系下原始圖像尺寸的約束。
在標(biāo)準(zhǔn)虹膜的前提下，即虹膜內(nèi)外圓心完全重合，瞳孔收縮到最小的情況下，以上歸一化理想模型具有良好的處理結(jié)果。但是當(dāng)虹膜內(nèi)外圓心存在比較大的偏差(當(dāng)虹膜圖片分辨率350*220，內(nèi)外圓心偏差3個(gè)像素以上)或者瞳孔擴(kuò)張時(shí)(即為非標(biāo)準(zhǔn)虹膜)，如果仍然采用傳統(tǒng)的歸一化算法，會(huì)導(dǎo)致虹膜邊緣部分紋理的丟失或?qū)⑼着c鞏膜區(qū)域誤認(rèn)為虹膜區(qū)域。這樣的問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響虹膜編碼的準(zhǔn)確性，甚至導(dǎo)致識(shí)別錯(cuò)誤。
這是因?yàn)?，傳統(tǒng)的虹膜歸一化算法忽略了兩個(gè)重要的問(wèn)題(1)采集過(guò)程中的眼球轉(zhuǎn)動(dòng)或先天的生理性原因造成了虹膜內(nèi)外圓心不重合；(2)由光照刺激造成的瞳孔收縮與擴(kuò)張并不是完全均勻的。
事實(shí)上，在采集得到的虹膜圖像中，虹膜內(nèi)外圓心不重合與瞳孔不均勻收縮擴(kuò)張的情況是非常多見(jiàn)的。
虹膜內(nèi)外圓心不重合的原因可以從以下兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析。第一，由眼睛的生理結(jié)構(gòu)決定的。眼科學(xué)研究表明，人眼的虹膜與瞳孔不是正圓形，而是橢圓形或近橢圓形。所以在用正圓形對(duì)虹膜邊緣進(jìn)行擬合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外圓心偏差。大量觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，由生理性原因造成的虹膜內(nèi)外圓心偏差一般都比較小，在350*220的分辨率下，生理原因造成的圓心偏差一般小于2個(gè)像素。第二，采集過(guò)程中，由于眼球轉(zhuǎn)動(dòng)造成的圓心偏差。由于眼球是生物活體，在拍攝過(guò)程中不可能始終保持固定不動(dòng)。由于微距成像的“桶形失真效應(yīng)”，當(dāng)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小角度時(shí)，虹膜圖像就會(huì)產(chǎn)生很大的畸變，從而導(dǎo)致內(nèi)外圓心的偏差。這樣的偏差一般比較嚴(yán)重，在虹膜圖像分辨率為350*220的情況下，多數(shù)圓心偏差將大于3個(gè)像素。
瞳孔不均勻的收縮擴(kuò)張是由虹膜的生理特點(diǎn)決定。眼科學(xué)研究表明，瞳孔的收縮和放大主要是虹膜的環(huán)狀肌纖維和放射狀肌纖維共同作用的結(jié)果。環(huán)狀肌纖維分布在虹膜內(nèi)邊緣附近，放射狀肌纖維分布在虹膜外邊緣附近。其中，環(huán)狀肌纖維是構(gòu)成虹膜紋理的主要部分。
當(dāng)瞳孔受到光照刺激進(jìn)行收縮或擴(kuò)張時(shí)，靠近虹膜內(nèi)邊緣的環(huán)狀肌纖維大幅度的伸縮，而外圍的放射狀肌纖維的伸縮幅度卻很小，表現(xiàn)在虹膜圖像上，此時(shí)虹膜內(nèi)邊緣的紋理會(huì)隨之明顯的壓縮或伸展，而虹膜外邊緣的紋理卻幾乎沒(méi)有變化。所以，瞳孔收縮擴(kuò)張并不是均勻的線(xiàn)性的，而是非線(xiàn)性的，不具有仿射不變性。
考慮到普遍存在的虹膜內(nèi)外圓心偏差和瞳孔縮放的不均勻性，針對(duì)傳統(tǒng)虹膜歸一化處理方法的不足，采用一種全新的虹膜歸一化處理方法是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)虹膜的虹膜紋理歸一化處理方法，本發(fā)明提出的虹膜紋理歸一化處理方法，具體步驟如下(1)采用高斯-拉普拉斯變換對(duì)虹膜邊緣進(jìn)行提取，以平滑掉虹膜紋理圖像采集中造成的噪聲；(2)采用Hough變換，來(lái)定位虹膜內(nèi)外圓的圓心與半徑；(3)計(jì)算虹膜內(nèi)外圓圓心的坐標(biāo)偏差，根據(jù)該偏差的范圍確定屬于生理性偏差或采樣偏差；(4)對(duì)圓心偏差進(jìn)行糾正采用不同的校正模型分別對(duì)生理性偏差和采樣偏差進(jìn)行糾正；(5)計(jì)算虹膜內(nèi)外邊緣半徑比，并以此作為眼睛瞳孔縮放程度的度量；(6)采用校正函數(shù)，以虹膜內(nèi)外邊緣半徑比為參數(shù)，進(jìn)行徑向的非線(xiàn)性采樣，對(duì)瞳孔不均勻縮放進(jìn)行校正；(7)將采樣紋理點(diǎn)展開(kāi)成矩形的虹膜紋理圖像。
下面對(duì)各個(gè)步驟作進(jìn)一步介紹。
1、采用高斯-拉普拉斯變換對(duì)虹膜邊緣進(jìn)行提取。
首先利用高斯-拉普拉斯算子檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)虹膜圖像的邊緣。考慮到采集時(shí)，虹膜反光造成的噪聲點(diǎn)(灰度與周?chē)c(diǎn)相差很大的點(diǎn))會(huì)對(duì)邊緣檢測(cè)有一定的影響，所以采用高斯拉普拉斯(LOG)算子。高斯-拉普拉斯算子把高斯平滑濾波器和拉普拉斯銳化濾波器結(jié)合了起來(lái)，先平滑掉噪聲，再進(jìn)行邊沿檢測(cè)?？紤]到虹膜是環(huán)形的，具有各向同性的特點(diǎn)，所以不宜采用平行邊緣算子或垂直邊緣算子，否則會(huì)丟失某一方向的邊緣信息。而高斯-拉普拉斯算子是各向同性的，更有利于邊緣的檢測(cè)。
具體地，Log算子可采用4×4、5×5，或6×6的模板等，例如5×5的模板可采用-2-4-4-4-2-4080-4-4824.8-24-4080-4-2-4-4-4-2.]]>2、采用Hough變換來(lái)定位虹膜內(nèi)外圓的圓心與半徑本發(fā)明采用的Hough變換可以是經(jīng)典的Hough變換，也可以采用區(qū)域優(yōu)先的快速Hough變換。所謂區(qū)域優(yōu)先的快速Hough變換是針對(duì)經(jīng)典Hough變換的存儲(chǔ)空間大、精度不夠的缺點(diǎn)而進(jìn)行的一種改進(jìn)。目標(biāo)圖像是經(jīng)過(guò)高斯-拉普拉斯變換后得到的二值圖像。
因?yàn)楹缒^(qū)域在圖像中所占的比例很大，目標(biāo)圓的數(shù)量較少，而且位置相對(duì)固定，所以虹膜內(nèi)外圓心和圓半徑R的搜索范圍可以大大縮小，進(jìn)而減小存儲(chǔ)量，提高運(yùn)算速度。區(qū)域優(yōu)先的快速Hough變換就是將搜索范圍根據(jù)具體的虹膜圖像確定，從而可對(duì)某一類(lèi)虹膜圖像進(jìn)行優(yōu)化。
3、根據(jù)虹膜內(nèi)外圓心偏差的范圍，確定其屬于生理性偏差或采樣偏差經(jīng)過(guò)Hough變換，我們得到了虹膜內(nèi)外圓心的半徑和圓心坐標(biāo)，并可計(jì)算得虹膜內(nèi)外圓心的坐標(biāo)偏差。
眼科學(xué)研究表明，人眼的虹膜與瞳孔不是正圓形，而是橢圓形或近橢圓形。所以在用Hough變換對(duì)虹膜邊緣進(jìn)行正圓形的擬合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外圓心偏差。大量觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，由生理性原因造成的虹膜內(nèi)外圓心偏差一般都比較小。而采集過(guò)程中，由于微距成像的“桶形失真效應(yīng)”，當(dāng)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小角度時(shí)，虹膜圖像就會(huì)產(chǎn)生很大的畸變，也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外圓心的偏差，這種偏差一般比較大?？梢栽O(shè)定一個(gè)閾值來(lái)判斷圓心偏差是屬于生理性的還是由于眼球轉(zhuǎn)動(dòng)造成的。當(dāng)虹膜內(nèi)外圓心偏差大于該閾值時(shí)，可以認(rèn)為是生理性偏差；當(dāng)虹膜內(nèi)外圓心偏差小于該閾值時(shí)，則認(rèn)為是采集時(shí)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)造成的偏差。閾值的設(shè)定與虹膜圖像的分辨率有關(guān)，虹膜圖像的分辨率越大，該閾值也就越大；反之，就越小。一般閾值為3-5個(gè)像素。
4、對(duì)圓心偏差進(jìn)行糾正當(dāng)虹膜內(nèi)外圓偏差小于所設(shè)定的閾值時(shí)，即認(rèn)為該偏差是由生理性因素引起的，應(yīng)采用以下校正模型進(jìn)行歸一化，稱(chēng)之為“第一校正模型”。
設(shè)虹膜的內(nèi)圓圓心為O1(x1，y1)，內(nèi)圓半徑為R1，外圓圓心為O2(x2，y2)，外圓半徑為R2，見(jiàn)圖3。以外圓圓心O2作為原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，內(nèi)外圓圓心的偏差可以具體分為4種情況1)x1＜x2，y1＜y2；2)x1＞x2，y1＞y2；3)x1＜x2，y1＞y2；4)＞x2，y1＜y2。不失一般性，以情況2)x1＞x2，y1＞y2為例，以下利用第一校正模型進(jìn)行歸一化。如3所示。內(nèi)外圓圓心連線(xiàn)與水平方向所成的角為a，以?xún)?nèi)圓圓心O1為極坐標(biāo)的原心，過(guò)O1引出一條射線(xiàn)，分別交內(nèi)外圓于點(diǎn)A，B，該射線(xiàn)與O1O2的連線(xiàn)所成的角為b。該射線(xiàn)可以認(rèn)為是一條典型的放射狀虹膜紋理。C是射線(xiàn)上A，B兩點(diǎn)之間極坐標(biāo)下的任何一點(diǎn)，則笛卡爾坐標(biāo)系下的任意一點(diǎn)C(x，y)都可以映射到極坐標(biāo)系下某一點(diǎn)C(r，θ)x＝r×cos(a+b)+X1y＝r×sin(a+b)+y1以上映射關(guān)系可以推廣到整個(gè)虹膜區(qū)域x＝r×cos(a+θ)+X1y＝r×sin(a+θ)+y1其中，a=arctg|y2-y1x2-x1|,]]>θ∈(0，2π)，r∈[R1，R2]。x1，y1為虹膜內(nèi)圓圓心的坐標(biāo)點(diǎn)。接下來(lái)將虹膜外圓的半徑歸一化，即半徑變?yōu)?。
x＝(r×(BO1-R1)+R1)×cos(a+θ)+X1(1)
y＝(r×(BO1-R1)+R1)×sin(a+θ)+y1(2)記∠B O1O2＝∠c，∠O2B O1＝∠d，∠B O2O1＝∠e，則有sindo1o2=sincBo2=sineBo1,---(3)]]>由(3)可得d=arcsin(o1o2×sincBo2)---(4)]]>又e＝π-c-d，則 sine＝sin(c+d) (5)由(3)(4)(5)可得Bo1=sin(c+d)×Bo2sinc=sin(c+d)×R2sinc---(6)]]>將(6)式代入(1)(2)可得x={r×[sin(c+d)×R2sinc_R1]+R1}×cos(a+θ)+X1]]>y={r×[sin(c+d)×R2sinc_R1]+R1}×sin(a+θ)+y1---(7)]]>其中θ∈(0，2π)，r∈
。
由以上的推導(dǎo)過(guò)程可見(jiàn)，第一修正模型利用了這樣的虹膜紋理特性當(dāng)虹膜內(nèi)外圓圓心存在偏差時(shí)，其放射狀紋理的延長(zhǎng)線(xiàn)仍然相交于虹膜內(nèi)圓圓心，即瞳孔中心。眼科學(xué)研究表明，瞳孔的收縮和放大主要是外圍的環(huán)狀肌纖維和放射狀肌纖維共同作用的結(jié)果，肌纖維分布方向的延長(zhǎng)線(xiàn)確實(shí)指向瞳孔中心。事實(shí)上，環(huán)狀肌纖維和放射狀肌纖維也正是虹膜紋理的主要組成部分，兩者所處的位置不同，放射狀肌纖維分布于虹膜內(nèi)邊緣，而環(huán)狀肌纖維分布于虹膜外邊緣。事實(shí)上，“虹膜紋理延長(zhǎng)線(xiàn)相交于瞳孔中心”的假設(shè)是具有生理學(xué)依據(jù)的。大量實(shí)驗(yàn)證明，如果虹膜內(nèi)外圓心偏差主要是由生理原因引起的，并且偏差不大，則采用第一修正模型可以排除內(nèi)圓心偏差的干擾，從而得到好的歸一化效果。
當(dāng)虹膜內(nèi)外圓偏差大于所設(shè)定的閾值時(shí)，即認(rèn)為該偏差是由于眼球轉(zhuǎn)動(dòng)引起的，應(yīng)采用以下校正模型進(jìn)行歸一化，稱(chēng)之為“第二校正模型”。
當(dāng)虹膜內(nèi)外圓心偏差由眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)引起，并且偏差較大時(shí)，由于“虹膜紋理延長(zhǎng)線(xiàn)交于瞳孔中心”的假設(shè)不再成立，所以第一修正模型的性能將急劇下降。針對(duì)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的圓心偏差，提出第二修正模型。效果如圖4所示，設(shè)虹膜的內(nèi)圓圓心為O1(x1，y1)，內(nèi)圓半徑為R1，外圓圓心為O2(x2，y2)，外圓半徑為R2，虹膜內(nèi)外圓的圓心偏差分為以下4種情況1)x1＜x2，y1＜y2；2)x1＞x2，y1＞y2；3)x1＜x2，y1＞y2；4)x1＞x2，y1＜y2。為比較第一校正模型和第二校正模型，仍然以情況2)x1＞x2，y1＞y2為例，說(shuō)明第二校正模型歸一化算法.
AB為第二修正模型的徑向采樣線(xiàn)，該采樣線(xiàn)應(yīng)該與某一條放射狀的虹膜紋理相重合。該徑向采樣線(xiàn)與虹膜的內(nèi)外圓分別交于A，B兩點(diǎn)。A點(diǎn)坐標(biāo)為(xA，yA)，B點(diǎn)坐標(biāo)為(xB，yB)，并且A O1與B O2所成的角是相等的，均為b.則A，B兩點(diǎn)坐標(biāo)為xA＝x1+R1×cosbyA＝y(tǒng)1+R1×sinbxB＝x2+R2×cosbyB＝y(tǒng)2+R2×sinb由此可得AB兩點(diǎn)之間的距離AB=(xA-xB)2+(yA-yB)2]]>(8)=(x2+R2×cosb-x1-R1×cosb)2+(y2+R2×sinb-y1-R1×sinb)2]]>設(shè)直線(xiàn)AB與水平線(xiàn)所成的角為a，則有a=arctgyB-yAxB-xA]]>綜上，線(xiàn)段AB上任意點(diǎn)的坐標(biāo)可表示如下x＝r×AB×cosa+x1y＝r×AB×sina+y1(9)其中0≤r≤1.以上映射關(guān)系是在線(xiàn)段A O1與水平線(xiàn)成角為b時(shí)推導(dǎo)出的，顯見(jiàn)可將其推廣到整個(gè)虹膜區(qū)域，即b∈(0，2π).
眼科學(xué)測(cè)量統(tǒng)計(jì)表明，成年人眼球平均半徑為23-24mm，瞳孔半徑為2-3mm(白光均勻照射，亮度1.0cd/m2)，虹膜平均半徑為11-12mm?？梢?jiàn)，瞳孔與虹膜的半徑遠(yuǎn)小于眼球半徑，同時(shí)考慮到虹膜外邊緣紋理比較稀疏，大部分紋理都集中在靠近瞳孔的區(qū)域，即具有有效虹膜紋理信息的虹膜區(qū)域半徑更小，所以這一紋理區(qū)域的曲率也非常小。
以上的第二校正模型正是利用了虹膜紋理區(qū)域曲率很小的性質(zhì)，將虹膜看作平面上的彈性橡皮膜，由此可知雖然在采集過(guò)程中眼球發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，但是在圖像中，虹膜紋理在虹膜內(nèi)外邊緣上的起止點(diǎn)是不會(huì)發(fā)生變化，起止點(diǎn)間的虹膜紋理只是沿內(nèi)外圓心的連線(xiàn)方向被壓縮或拉長(zhǎng)。此時(shí)，虹膜紋理的起止點(diǎn)應(yīng)滿(mǎn)足如下定義虹膜內(nèi)圓上的點(diǎn)到內(nèi)圓圓心連線(xiàn)與虹膜外圓上的點(diǎn)到外圓圓心連線(xiàn)平行，這樣兩個(gè)點(diǎn)構(gòu)成虹膜紋理的起止點(diǎn)。由此可見(jiàn)，只要找到虹膜內(nèi)外邊緣上的所有起止點(diǎn)，那么起止點(diǎn)的對(duì)應(yīng)連線(xiàn)就是虹膜紋理。
5、計(jì)算虹膜內(nèi)外邊緣半徑比因?yàn)槊看尾杉^(guò)程中，虹膜圖像的分辨率都是不同的，由于不具有可比性，所以不能用瞳孔直徑這樣的絕對(duì)尺度來(lái)衡量圖像中瞳孔的大小。眼科學(xué)的測(cè)量統(tǒng)計(jì)表明，成年人眼的虹膜直徑是一致的，個(gè)體之間的差異性非常小，所以可以采用瞳孔直徑與虹膜直徑之比作為衡量瞳孔縮放程度的量度。
虹膜圖像經(jīng)過(guò)Hough變換，可以得到虹膜的內(nèi)外圓直徑。其中，虹膜內(nèi)圓直徑就是瞳孔直徑，外圓直徑就是虹膜直徑，內(nèi)圓直徑與外圓直徑之比即可作為瞳孔縮放程度的量度。
6、對(duì)瞳孔不均勻縮放進(jìn)行校正對(duì)一個(gè)虹膜圖像序列，用快速Hough變換求出序列中每一幅圖像的瞳孔半徑R0與虹膜半徑R1，計(jì)算二者之比 將每幅圖像對(duì)應(yīng)的比值 記為Si，選擇虹膜紋理內(nèi)某一點(diǎn)為標(biāo)記點(diǎn)，該標(biāo)記點(diǎn)在每幅圖像中對(duì)應(yīng)的歸一化半徑為ri，所謂“歸一化半徑”，就是在雙無(wú)量綱的極坐標(biāo)系下，虹膜區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的半徑。顯見(jiàn)，當(dāng)瞳孔的縮放程度不同時(shí)，不同虹膜圖像中同一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的ri是不同的。
將Si按照從小到大的順序進(jìn)行排序，選擇Si最小的圖像作為紋理校正的標(biāo)準(zhǔn)圖像。因?yàn)镾i值最小的圖像，即瞳孔收縮到最小，此時(shí)虹膜紋理完全展開(kāi)，可用紋理的面積最大。該圖像的標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)的歸一化半徑記為r，設(shè)校正函數(shù)為F(Si)，則有ri＝F(Si)，ri是序列中每幅圖像標(biāo)記點(diǎn)的歸一化半徑.只要求得F(Si)的表達(dá)式，就可以實(shí)現(xiàn)紋理徑向畸變的校正.將ri＝F(Si)用如下多項(xiàng)式來(lái)擬合ri=(Σj=0+∞aj×Sij)×r=(a0+a1×Si+a2×Si2+a3×Si3+Λ+an×Sin+Λ)×r]]>顯見(jiàn)，以上校正函數(shù)是以圖像的瞳孔與虹膜半徑之比Si作為參數(shù)的，在這里，Si表征了瞳孔縮放的程度.實(shí)際上，在滿(mǎn)足一定的精度要求的情況下，以上多項(xiàng)式的高次項(xiàng)可以忽略.通過(guò)求解如下線(xiàn)性方程組，可以確定多項(xiàng)式的前n項(xiàng)的系數(shù)。r1r2r3Mrm=1S1S12S13ΛS1n-11S2S22S23ΛS2n-11S3S32S33ΛS3n-1ΛΛΛΛΛΛ1SmSm2Sm3ΛSmn-1×a0a1a2Λan-1×r---(10)]]>一般，n取3、4或5即可。
由此，可以用有限項(xiàng)多項(xiàng)式擬合出F(Si)表達(dá)式.則每幅圖像經(jīng)畸變校正后所得的標(biāo)記點(diǎn)半徑可表示為(即校正模型)Ri＝ri×(R1-R0)+R0＝F(Si)×r×(R1-R0)+R0(11)其中，Si是瞳孔與虹膜半徑之比，r是虹膜的歸一化半徑，滿(mǎn)足0≤r≤1。
以上是從虹膜紋理區(qū)域內(nèi)，任意選擇某一點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)的進(jìn)行校正的。事實(shí)上，考慮到虹膜紋理伸縮幅度是不均勻的，應(yīng)該將虹膜紋理沿半徑方向劃分為多個(gè)環(huán)形區(qū)域，在每一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)選擇一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，進(jìn)行以上校正，則每個(gè)環(huán)形的紋理區(qū)域都對(duì)應(yīng)一個(gè)Fj(Si)，從而得到更為準(zhǔn)確的分段校正模型。
Ri＝ri×(R1-R0)+R0＝Fj(Si)×r×(R1-R0)+R0(12)
其中，Si是瞳孔與虹膜半徑之比，F(xiàn)j(Si)是第j個(gè)環(huán)形虹膜區(qū)域的校正函數(shù)(該環(huán)形區(qū)域內(nèi)半徑rj，外半徑rj+1)，r是環(huán)形虹膜區(qū)域的歸一化半徑，滿(mǎn)足rj≤r≤rj+1。
7、展開(kāi)成矩形紋理圖像經(jīng)過(guò)以上圓心偏差校正和瞳孔不均勻縮放校正，可以得到一系列的虹膜紋理采樣點(diǎn)。在極坐標(biāo)系下，這些采樣點(diǎn)呈固定尺寸的矩形分布，并且與原來(lái)笛卡爾坐標(biāo)系下的圖像分辨率無(wú)關(guān)。
傳統(tǒng)的虹膜歸一化方法沒(méi)有考慮眼球轉(zhuǎn)動(dòng)或生理性因素造成的影響，也沒(méi)有對(duì)瞳孔不均勻縮放進(jìn)行校正，所以導(dǎo)致很多虹膜圖像不可用，即經(jīng)過(guò)歸一化的矩形紋理圖像仍然存在較大的畸變。
本發(fā)明提出的的虹膜歸一化方法對(duì)虹膜內(nèi)外圓心偏差和瞳孔不均勻縮放進(jìn)行了有效地校正，這使得大量存在圓心偏差和瞳孔不均勻縮放的虹膜圖像仍然可以被系統(tǒng)處理，從而極大的提高了虹膜圖像的可用性。
由于新的虹膜歸一化方法降低了對(duì)輸入圖像的要求，不需要被采集者的眼球嚴(yán)格固定或采用強(qiáng)光照射的方法來(lái)刺激瞳孔收縮，所以使得采集過(guò)程更簡(jiǎn)單也更容易被接受。被采集者不需要經(jīng)過(guò)任何專(zhuān)門(mén)的訓(xùn)練，采集過(guò)程中，只需保持眼睛的自然平視即可。經(jīng)過(guò)新的虹膜歸一化算法校正，一定范圍內(nèi)的眼球轉(zhuǎn)動(dòng)或瞳孔不均勻縮放不會(huì)對(duì)編碼和匹配的準(zhǔn)確性造成嚴(yán)重影響。
由于新的虹膜歸一化算法有效的避免了圓心偏差和瞳孔不均勻縮放造成的影響，所以為虹膜圖像質(zhì)量的自動(dòng)評(píng)價(jià)提供了可能，這對(duì)于虹膜圖像的自動(dòng)采集具有極為重要的意義。眼球轉(zhuǎn)動(dòng)和瞳孔不均勻收縮長(zhǎng)期以來(lái)一直是困擾虹膜圖像自動(dòng)采集的難題。如果在自動(dòng)采集階段進(jìn)行眼球轉(zhuǎn)動(dòng)和瞳孔不均勻縮放的判斷，由于Hough變換的復(fù)雜度很高，需要較長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間，這必然會(huì)影響自動(dòng)采集設(shè)備的反應(yīng)速度。而對(duì)于實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)而言，反應(yīng)速度慢是致命的弱點(diǎn)?，F(xiàn)在新的虹膜歸一化算法有效的解決了眼球轉(zhuǎn)動(dòng)和瞳孔不均勻縮放的問(wèn)題，圖像采集過(guò)程不需要再進(jìn)行類(lèi)似的處理，極大的提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，使得自動(dòng)采集成為可能。


圖1為基于“標(biāo)準(zhǔn)虹膜”的歸一化處理方法圖示。
圖2為本發(fā)明的虹膜紋理歸一化方法的處理流程圖示。
圖3為第一校正模型的坐標(biāo)圖示。
圖4為第二校正模型的坐標(biāo)圖示。
圖5為第一校正模型的采樣線(xiàn)圖示。
圖6為第二校正模型的采樣線(xiàn)圖示。
圖7為實(shí)施例中一個(gè)采集的原始虹膜紋理圖像。
圖8為圖7中圖像經(jīng)高斯-拉普斯變換后得到的邊緣點(diǎn)圖像。
圖9為對(duì)圖8圖像的優(yōu)先區(qū)域劃分圖示。
圖10為經(jīng)Hough變換得到的虹膜紋理圖像的內(nèi)外圓圓心及半徑圖示。
圖11為實(shí)施例中另一個(gè)采集的原始虹膜紋理圖像。
圖12為圖11中圖像經(jīng)高斯-拉普斯變換后得到的邊緣點(diǎn)圖像。
圖13為對(duì)圖11中圖像的優(yōu)先區(qū)域劃分圖示。
圖14為經(jīng)Hough變換得到的虹膜紋理圖像的內(nèi)外圓圓心及半徑圖示。
圖15和圖19為瞳孔縮放不同的兩個(gè)采集的原始虹膜紋理圖像。
圖16和圖20為對(duì)圖15和圖19經(jīng)高斯-拉普斯變換后得到的邊緣點(diǎn)圖像。
圖17和圖21為對(duì)圖16和圖20的優(yōu)先區(qū)域劃分圖示。
圖18和圖22為經(jīng)Hough變換得到的虹膜紋理圖像的內(nèi)外圓圓心及半徑圖示。
圖23為環(huán)形區(qū)劃分圖示。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一.內(nèi)外圓偏差校正選擇兩幅內(nèi)外圓偏差較大的虹膜圖像進(jìn)行處理。圖7、圖11為采集的兩個(gè)原始虹膜紋理圖像。
高斯-拉普拉斯變換的模板采用前述的5×5模板。
圖8和圖12分別利用高斯-拉普拉斯變換得到的邊緣點(diǎn)圖像。由圖明顯可見(jiàn)虹膜內(nèi)外圓邊緣。高斯-拉普拉斯變換模板要根據(jù)虹膜圖像的對(duì)比度，清晰度來(lái)選擇。
在邊緣點(diǎn)圖像中確定Hough變換的優(yōu)先檢測(cè)區(qū)域，見(jiàn)圖9和圖13所示，兩條線(xiàn)之間的區(qū)域，該優(yōu)先檢測(cè)區(qū)域從虹膜圖像高度的1/4處起，至圖像高度的3/4處止，該區(qū)域的面積為圖像整體面積的1/2。由圖可見(jiàn)，優(yōu)先檢測(cè)區(qū)域之內(nèi)虹膜的內(nèi)外邊緣比較明顯，而優(yōu)先區(qū)域之外則存在大量的干擾邊緣，如眼瞼邊緣，睫毛邊緣，在優(yōu)先區(qū)域內(nèi)進(jìn)行Hough變換可以有效的排除這些偽邊緣的干擾，極大的提高處理速度和準(zhǔn)確度。
優(yōu)先區(qū)域的選取與虹膜圖像的分辨率，虹膜有效面積的百分比由很大關(guān)系，一般根據(jù)具體圖像具體確定。
對(duì)優(yōu)先檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行Hough變換，確定虹膜內(nèi)外圓的半徑及圓心，從而可得內(nèi)外圓心的偏差值。見(jiàn)圖10和圖14所示。
前一幅圖中，虹膜內(nèi)外圓圓心偏差為3個(gè)像素，以5個(gè)像素作為閾值，可判斷該偏差為生理性偏差。該圖像應(yīng)采用第一校正模型。
后一幅圖中，虹膜內(nèi)外圓心偏差為10個(gè)像素，以5個(gè)像素作為閾值，可知該偏差為采樣偏差。該圖像應(yīng)采用第二校正模型。
對(duì)比以上兩幅圖像的處理結(jié)果，可見(jiàn)，虹膜內(nèi)外圓心的生理性偏差比較小，而采樣偏差比較大。
二.瞳孔縮放校正選擇兩幅瞳孔縮放幅度較大的虹膜圖像進(jìn)行處理。圖15和圖19為采集的原始虹膜紋理圖象。經(jīng)過(guò)如前述相同的處理。分別得到邊緣點(diǎn)圖像，見(jiàn)圖16和圖20，優(yōu)先區(qū)域劃分圖示，見(jiàn)圖17和圖2，以及經(jīng)Hough變換的結(jié)果，見(jiàn)圖18和圖22。
對(duì)于前一幅圖18，該虹膜內(nèi)外圓半徑比為0.321，(內(nèi)圓半徑52個(gè)像素，外圓半徑162個(gè)像素)，以虹膜內(nèi)外圓半徑比0.30為判斷閾值，可以判斷這個(gè)圖像是瞳孔放大的圖像。
對(duì)于第二幅圖22該虹膜內(nèi)外圓半徑比為0.271，(內(nèi)圓半徑46個(gè)像素，外圓半徑170個(gè)像素)，以虹膜內(nèi)外圓半徑比0.30為判斷閾值，該虹膜圖像是瞳孔收縮的圖像。
對(duì)比以上兩幅圖像的處理結(jié)果，可見(jiàn)，虹膜紋理在瞳孔縮放時(shí)呈現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性畸變。表現(xiàn)為靠近虹膜內(nèi)邊緣的紋理畸變幅度較大，而靠近外邊緣的紋理畸變幅度較小。
選擇虹膜區(qū)域的一系列特征點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該保持特征點(diǎn)在虹膜徑向方向上均勻分布，這樣才能保證各個(gè)特征點(diǎn)全面準(zhǔn)確地反映瞳孔縮放時(shí)徑向紋理的畸變情況。
如圖23所示，將虹膜區(qū)域沿徑向方向均勻的分成4個(gè)環(huán)形區(qū)域，每個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)取一個(gè)特征點(diǎn)，進(jìn)行虹膜紋理的徑向畸變校正。
采用以上的校正方法，可得到徑向紋理的畸變校正函數(shù)，該函數(shù)是一個(gè)分段函數(shù)，在虹膜的4個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)具有不同的表達(dá)式F1(S)＝1.18-S 0≤r≤0.25 (第一環(huán)形區(qū)域)F2(S)=1.18-S+12×S2+a]]>0.25≤r≤0.5 (第二環(huán)形區(qū)域)F3(S)1.18-S+S2+b 0.5≤r≤0.75 (第三環(huán)形區(qū)域)F4(S)=1.18-S+S2+12×S3+c]]>0.75≤r≤1 (第四環(huán)形區(qū)域)S是虹膜的內(nèi)外圓半徑比。為了保證歸一化采樣的連續(xù)性，應(yīng)該滿(mǎn)足以下三個(gè)等式1.18-S=1.18-S+12×S2+a]]>1.18-S+12×S2+a=1.18-S+S2+b]]>1.18-S+S2+b=1.18-S+S2+12×S3+c]]>由以上三個(gè)等式來(lái)確定a，b，c三個(gè)參數(shù)。
利用上述校正函數(shù)，對(duì)瞳孔縮放畸變進(jìn)行了有效校正。最后通過(guò)通常方法將紋理點(diǎn)展開(kāi)成矩形的虹膜紋理圖像，并以數(shù)據(jù)形式存放。
權(quán)利要求
1.一種眼睛虹膜紋理歸一化處理方法，其特征在于具體步驟如下(1)采用高斯-拉普拉斯變換對(duì)虹膜邊緣進(jìn)行提取，以平滑掉虹膜紋理圖像采集中造成的噪聲；(2)采用Hough變換，來(lái)定位虹膜內(nèi)外圓的圓心與半徑；(3)計(jì)算虹膜內(nèi)外圓圓心的坐標(biāo)偏差，根據(jù)該偏差的范圍確定屬于生理性偏差或采樣偏差；(4)對(duì)圓心偏差進(jìn)行糾正采用不同的校正模型分別對(duì)生理性偏差和采樣偏差進(jìn)行糾正；(5)計(jì)算虹膜內(nèi)外邊緣半徑比，并以此作為眼睛瞳孔縮放程度的度量；(6)采用校正函數(shù)，以虹膜內(nèi)外邊緣半徑比為參數(shù)，進(jìn)行徑向的非線(xiàn)性采樣，對(duì)瞳孔不均勻縮放進(jìn)行校正；(7)將采樣紋理點(diǎn)展開(kāi)成矩形的虹膜紋理圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說(shuō)的高斯-拉普拉斯變換算子取為4×4、5×5或6×6的模板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所采用的Hough變換為區(qū)域優(yōu)先的快速Hough變換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于虹膜內(nèi)外圓心偏差d＞閾值do時(shí)，判定其為生理性偏差；反之，判定其為采樣偏差；其中，閾值do取3-5個(gè)像素。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于對(duì)于生理性偏差，采用如下校正模型進(jìn)行歸一化處理x={r×[sin(c+d)×R2sinc_R1]+R1}×cos(a+θ)+X1]]>y={r×[sin(c+d)×R2sinc_R1]+R1}×sin(a+θ)+y1---(7)]]>其中θ∈(0，2π)，r∈
，R1為虹膜內(nèi)圓半徑，R2為虹膜外圓半徑，C＝∠BO1O2，d＝∠O2BO1，X1、y1為虹膜內(nèi)圓圓心坐標(biāo)點(diǎn)，x、y為虹膜紋理放射線(xiàn)上笛卞爾坐標(biāo)系下的任一點(diǎn)坐標(biāo)，r、θ為該點(diǎn)在極坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于對(duì)于采樣偏差，采用如下校正模型進(jìn)行歸一化處理x＝r×AB×cosa+x1y＝r×AB×sina+y1(9)AB=(xA-xB)2+(yA-yB)2]]>其中(8)=(x2+R2×cosb-x1-R1×cosb)2+(y2+R2×sinb-y1-R1×sinb)2]]>a=arctgyB-yAxB-xA]]>x1、y1為虹膜內(nèi)圓圓心O1的坐標(biāo)點(diǎn)，R1為內(nèi)圓半徑，x2、y2為虹膜外圓圓心O2坐標(biāo)點(diǎn)，R2為外圓半徑，r∈
，A、B為徑向采樣線(xiàn)與虹膜的內(nèi)、外圓的交點(diǎn)，b∈(0，2π)，b為AO1與水平線(xiàn)的夾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對(duì)瞳孔縮放進(jìn)行校正所采用的校正函數(shù)為 于是，每幅圖像經(jīng)畸變校正后的標(biāo)記點(diǎn)半徑Ri表示為Ri＝F(Si)×r×(R1-R0)+R0(11)其中，R0、R1為分別由Hough變換求得的序列中每幅虹膜圖像的瞳孔半徑和虹膜半徑，Si為每幅圖像對(duì)應(yīng)的R0/R1比值，r為{Si}中最小值所對(duì)應(yīng)圖像的標(biāo)記點(diǎn)的歸一化半徑，r∈
。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于校正函數(shù)可取有限項(xiàng)的多項(xiàng)式ri=(Σj=0naj×Sij)×r=(a0+a1×Si+a2×Si2+a3×Si3++an×Sin)×r---(10)]]>這里n取3、4或5。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于將虹膜紋理沿半徑方向劃為多個(gè)環(huán)形區(qū)域，在每一個(gè)環(huán)形區(qū)域選擇一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，進(jìn)行校正，則有分段校正模型Ri＝Fj(Si)×r×(R1-R0)+R0(12)其中，F(xiàn)j(Si)是第j個(gè)環(huán)形虹膜區(qū)域的校正函數(shù)，該環(huán)形區(qū)域的內(nèi)半徑為rj，外半徑為rj+1，r是環(huán)形虹膜區(qū)域的歸一化半徑。
全文摘要
本發(fā)明為一種虹膜紋理歸一化處理方法，主要包括采用Log算子對(duì)采樣的虹膜圖像進(jìn)行邊緣提取，采用Hough變換，定位虹膜內(nèi)外圓的圓心和半徑，并根據(jù)其坐標(biāo)偏差情況，采用不同的校正模型分別對(duì)生理性偏差和采樣偏差進(jìn)行糾正；根據(jù)瞳孔縮放情況，對(duì)不均勻縮放進(jìn)行校正。最后將采樣紋理點(diǎn)展開(kāi)成矩形虹膜紋理圖像。本發(fā)明方法大大提高了虹膜圖像的可靠性，也降低了對(duì)圖像采集的要求，為圖像的自動(dòng)采集提供了可能，并進(jìn)一步為虹膜識(shí)別技術(shù)實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
文檔編號(hào)G06K9/00GK1445714SQ0311589
公開(kāi)日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月19日
發(fā)明者施鵬飛, 宮雅卓, 邢磊 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)