CN100433043C - 自动跟踪无侵害虹膜图像采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动跟踪无侵害虹膜图像采集装置，涉及虹膜身份识别系统。光学分配器(207)将入射光线分配至广角成像器(300)和窄角成像器(200)。广角成像器(300)获取视野内至少包括用户面部信息的连续视频帧。指向平台(100)响应所述视频帧以捕捉、定位用户眼球(201)并跟踪，使窄角成像器(200)对准用户眼球。整个过程无需用户参与装置的定位与对准，自动调整采集装置以完成虹膜图像采集。

Description

自动跟踪无侵害虹膜图像采集装置

技术领域

本发明公开了一种自动跟踪无侵害虹膜图像采集装置，用于自动高速地采集人眼的虹膜图像，涉及虹膜身份识别系统。更确切的说属于生物特征识别及安全认证技术领域。

背景技术

虹膜图像的采集是虹膜身份识别系统的一个重要部分。虹膜图像采集装置采集到的虹膜图像的质量直接影响到虹膜身份识别系统的识别率；另一方面，从用户角度讲，虹膜图像采集装置的易用性和无侵害性影响用户对虹膜身份识别系统的接受度。

从实用的观点看，现有的虹膜图像采集装置有下述问题。

一类典型的已知虹膜采集装置采用一个用于将测试对象定位的侵害性装置(例如头靠)。这类虹膜图像采集装置通常还需要提供一个受控的光源照明环境，以排除外界光线干扰。这类系统的优点是不必过多地考虑光学系统的调整，采集到的图像亮度、对比度比较固定。但是这类系统有着显著的缺点：固定装置并不能与每个人的脸形准确匹配；采集装置工作时对人是侵害性的，定位装置与人有物理接触，严重减弱其用户接受度；对于固定装置的使用场合，这类系统不适合身高不同的人群，给用户带来不适。

另一类已知的虹膜图像采集装置是无侵害性的。用户与采集装置不会发生物理接触。现有的技术中，用户需要自主地通过一些辅助定位装置(如机械或光学瞄准装置)调整自己眼球位置使眼球位于图像采集装置的光学轴线上，以便使眼球在图像采集装置上形成聚焦图像；照明的光源一般为弥散光源，从而避免光源在眼睛上的反光影响成像质量。另一些已知虹膜图像采集装置采用偏振光学系统来避免环境光干扰。这类系统避免了上述侵害性采集装置采集过程中人与装置的物理接触。但是这类系统有着显著的缺点：需要用户参与光学调整，包括调整使用户自身的虹膜与光学系统轴线重合以及调整与装置的距离使得图像采集器可以采集到清晰的聚焦图像；这些缺点使得系统的易用性显著下降，用户不得不经过某些训练以适用该类系统；照明光源涉及复杂，成本高。

中国专利CN95195628.0公布了一种自动无侵害虹膜采集装置，通过偏转扫描反射镜搜索眼球以成像。这类系统的缺点是：由于相机指向固定，仅靠偏转扫描反射镜，识别和定位用户的范围非常有限。中国专利CN03802325.3公布了一种利用立体人脸识别的虹膜识别系统。该系统使用两个或更多个人脸识别相机，用于拍摄被验证者的两幅或更多幅脸部图像，利用立体人脸来估计距离完成虹膜采集。但是这类系统有着显著的缺点：系统使用两个或更多个人脸识别相机及一个以上的虹膜相机，过于复杂；需要人工完成虹膜与所述虹膜相机的光轴对准。

发明内容

本发明公开了一种自动跟踪无侵害虹膜图像采集装置，目的在于整体或部分的解决一个或多个上述问题或缺点，以提供至少以下描述的优点：

自动对工作范围内的用户进行捕捉，进而对用户眼球进行捕捉和定位，驱动采集装置对用户眼球跟踪，完成采集装置与被采集对象的对准。过程无需用户参与定位与对准，装置自动调整以配合完成虹膜图像采集；

简化照明的系统，无需配置上述已知虹膜采集系统的中采用的偏光系统或光源弥散处理装置。

为了整体或部分实现上述目的，本发明公开了一种虹膜图像采集装置，装置包含相对广角成像器、相对窄角成像器、光学分配器、指向平台装置和相应的指向控制装置。相对广角成像器视野范围相对大，用以获取至少包含用户脸部范围的连续视频帧。相对窄角成像器包含由马达驱动完成焦点调整的光学透镜装置。窄角成像器通过自动对焦模块驱动上述马达完成光学透镜装置的调整以获取用户眼球部位的聚焦图像。相对广角成像器和相对窄角成像器安装在指向平台装置上。指向控制装置包含一个图像处理装置，图像处理装置对所述连续视频帧处理，用于对用户眼球的捕捉和定位。指向控制装置包含响应所述图像处理装置的眼球位置信息的装置，通过马达驱动所述指向跟踪装置在空间直角坐标系中两个或三个旋转自由度上运动，调整指向使得相对窄角成像器的光学轴线指向用户眼球，完成图像采集。

为了整体或部分实现上述目的，本发明公开了一种虹膜图像采集装置，装置包含相对广角成像器、相对窄角成像器和照明光源。广角成像器和照明光源通过半反射透镜耦合到窄角成像器光学轴线上。广角成像器与窄角成像器采集的数字图像中心严格重合，因而无需对因广角成像器与窄角成像器的安装轴线不重合造成的图像中心偏移做出修正。照明光源在人眼图像中的瞳孔中心形成小于瞳孔的反射光斑，通过数字图像处理方法去除光斑，获得高质量的虹膜图像。

附图说明

结合附图说明阅读下列详细说明，可容易地理解本发明的宗旨，附图中有：

图1是包含本发明原理的装置的功能框图；

图2是包含本发明原理的指向跟踪装置结构图；

图3是包含本发明原理的一个自动跟踪无侵害虹膜图像采集装置的实施例。

具体实施方式

图1所示，一个自动跟踪无侵害虹膜图像采集装置包含：一个用以获取用户虹膜聚焦图像的窄角成像器200；一个例如视频摄像机那样的相对的广角成像器300；分配眼球201的反射光线至窄角成像器200和广角成像器300的光学分配器207；指向平台装置100和指向控制装置400。

窄角成像器200视野相对狭窄，所具有的光学部件允许获取前方远处的用户眼球201的高分辨率图像，因而不需要眼球201特别靠近窄角成像器200。广角成像器300具有相对宽广的工作视野，用以获取包含用户脸部或者是比用户脸部范围更广的连续视频帧。窄角成像器200和广角成像器300与指向平台100固定连接。指向平台装置100由指向控制装置400驱动，在空间直角坐标系中两个或三个旋转自由度上运动，以改变自身空间指向。窄角成像器200跟随指向平台100改变空间指向以使窄角成像器200的光轴213对准眼球201。

图2是包含本发明原理的指向跟踪装置结构图。窄角成像器200和广角成像器300与跟踪平台100固定连接。跟踪平台100通过转轴113与水平支架114连接。X轴驱动马达404安装在水平支架114上，马达404响应驱动器的控制信号通过轴116驱动跟踪平台100绕X轴旋转。水平支架114通过马达403及其轴与基座115连接，马达403响应驱动器的控制信号驱动水平支架114绕Z轴旋转。因而水平支架100可以响应的控制信号使窄角成像器200和广角成像器300指向空间的任意方向。

图3是包含本发明原理的一个自动跟踪无侵害虹膜图像采集装置的实施例。窄角成像器200包括透镜装置203，光源202，平面图像传感器206，半反射镜204，红外滤光镜205，图像对焦驱动装置209，对焦伺服装置210，变焦距驱动装置212，变焦距伺服装置211和图像后处理装置208。透镜装置203是一个可以由马达驱动变焦距和马达驱动调焦的远距摄像透镜，将人眼201反射的光线聚焦在平面图像传感器206上形成清晰的图像。红外滤光镜205安装在平面图像传感器206表面仅允许人眼201反射的光线中的近红外波段光通过。平面图像传感器206是一个高分辨率的图像传感器，例如CCD图像传感器和CMOS图像传感器，其对近红外波段光敏感。

光源202用以照明人的眼部，光源202是一个近红外光源，例如一个红外LED，光源202可以是一个电光源。通过放置在透镜装置203和平面图像传感器206之间的光轴上的半反射镜204，光源202发出的光线被反射到主光轴213上。适当配制，使光源202与半反射镜204的距离小于平面图像传感器206与半反射镜204的距离。这样当透镜装置203在平面图像传感器206上聚焦得到清晰图像的时候，一个点光源202发出的光线被透镜装置203折射形成平行于主光轴213的发散光束，照明人眼201。严格的说照射光束与成像器主光轴完全重合，因而只会在聚焦图像的瞳孔的中心处形成小的反射光斑。反射光斑通过图像后处理装置208去除。图像后处理装置首先通过边缘检测算法(例如Canny算子和Sobel算子)提取瞳孔边界，利用边界点通过Hough变化方法得到瞳孔园的参数模型。因为瞳孔内部不包含虹膜识别系统所需的纹理信息，因而图像后处理装置208去除抛弃瞳孔园内的图像信息以去除反射光斑。

图像对焦驱动装置209评价平面图像传感器206采集的图像清晰程度，以某种控制方式驱动对焦伺服装置210驱动马达改变透镜装置203的焦点位置，使平面图像传感器206采集到清晰虹膜图像。图像对焦驱动装置的控制方式包括：a)以FFT和梯度算子为图像清晰度评价函数，建立以搜索评价函数极值为目标的伺服驱动方式。b)基于离焦深度法(Depth FromDefocus，DFD)，建立散焦模型，计算合焦位置的驱动方式。作为进一步的改进，图像对焦驱动装置209还可以是一个包含图像传感器通过相位检测的确定合焦位置的装置。

图3所示，变焦距驱动装置212根据广角成像器的视频帧粗略的估计出用户与系统的距离，以提供给变焦距伺服装置211驱动透镜改变焦距。这样可以使用户距离系统过远时，虹膜的成像不止过小；使用户距离系统过近时，虹膜的成像不止无法成完整的像。这里的距离估计是非常粗略的，如果广角成像器300采用立体成像器，可以提高距离估计的精度。

图3所示，广角成像器300与窄角成像器200的光轴成45度夹角。广角成像器300通过一个放置在窄角成像器200的光轴的半反射镜207耦合到光轴213上。进一步说，眼球201反射的光线经过半反射镜207分配到广角成像器300与窄角成像器200。使得广角成像器300的光路和窄角成像器200的光路在光学分配器207前端重合，因而广角成像器300与窄角成像器200所获取的图像的中心严格重合。无需对因广角成像器300与窄角成像器200轴线不重合造成的图像偏移误差做出修正。

图3所示，广角成像器300具有相对宽广的工作视野，用以获取包含用户脸部或者是比用户脸部范围更广的连续视频帧。图像处理装置401用以处理所述视频帧，发现、确定帧内出现的用户，进一步确定用户眼球在帧内的位置。伺服驱动402响应图像处理装置401的位置信息，通过计算所述位置信息与图像中心的偏差来驱动马达403和马达404使平台100在x轴和z轴的旋转自由度上运动，以改变平台所载窄角成像器200的空间指向从而对准用户的眼球201。进一步讲，广角成像器300，图像处理装置401，伺服装置402，马达403及马达404和平台100构成一个闭环的控制系统实现对用户眼球的发现、定位和跟踪。

更详细的说，图像处理装置401是通过计算用户与背景的色度和亮度差而发现用户。以及与已知的人面部样板和眼、鼻和嘴的样板匹配。进而确定用户眼球的位置。

按照上面的介绍可以对本发明做出许多修改和变形。因此因当理解，在所列的权利要求范围之内，可以对本发明做出与上述不同的实践。

Claims (11)

1.一种自动的虹膜图像采集装置，其特征是包括：

相对窄角成像器，用于获取系统用户眼球的图像；

相对广角成像器，用于获取视野内至少包含用户面部范围图像的连续视频帧；

光学分配器，用于将用户眼球反射的光线分配至所述广角成像器和所述窄角成像器；

指向平台装置，承载所述窄角成像器和所述广角成像器，并且可以改变空间指向；

控制装置，对所述广角成像器获取的视频帧响应，根据用户眼球在所述视频帧中的位置驱动所述指向平台部件改变空间指向，使与所述平台部件连接的窄角成像器对准用户眼球。

2.按照权利要求1的装置，其中所述窄角成像器其特征是包括：

用于聚焦用户眼球反射光线以成像的透镜装置；

用于获取所述用户眼球的聚焦图像的平面图像传感器；

对所述用户眼球照明的光源；

将所述光源耦合到所述透镜装置主光轴上的光学装置；

允许近红外波段光线通过，阻挡可见光通过的滤光镜。

3.按照权利要求2的装置，其中所述的透镜装置包括由马达驱动的对焦机构。

4.按照权利要求2的装置，其中所述的透镜装置包括由马达驱动的变焦距机构。

5.按照权利要求2的装置，其中所述光学装置包括一个放置于所述透镜装置主光轴上的半反射镜，用于反射所述光源发生的光线，使所述光线与所述透镜装置的主光轴重合。

6.按照权利要求2的装置，其中所述光学装置包括一个放置于所述透镜装置主光轴上的棱镜，用于反射所述近光源发生的光线，使所述光线与所述透镜装置的主光轴重合。

7.按照权利要求2的装置，其中所述光源为近红外光源。

8.按照权利要求1的装置，其中所述光学分配器包括一个放置于所述窄角成像器主光轴上的半反射镜，用于将用户眼球反射的光线分配至所述广角成像器和所述窄角成像器，使得所述广角成像器的光路和所述窄角成像器的光路在所述光学分配器前端重合。

9.按照权利要求1的装置，其中所述光学分配器包括一个放置于所述窄角成像器主光轴上的棱镜，用于将用户眼球反射的光线分配至所述广角成像器和所述窄角成像器，使得所述广角成像器的光路和所述窄角成像器的光路在所述光学分配器前端重合。

10.按照权利要求1的装置，其中所述控制装置包括：

对所述广角成像器获取的包含用户面部及超过面部范围信息的连续视频帧处理，用于确定用户眼球在所述视频帧中的位置的图像处理装置；

对所述图像处理装置得到的眼球在视频帧中的位置做出响应，驱动所述指向平台装置及与所述指向平台装置连接的所述窄角成像器改变空间指向的伺服装置。

11.按照权利要求10的装置，其中所述伺服装置特征是由马达驱动所述指向平台装置在空间中两个或三个旋转自由度上运动。

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