CN101369311A - 一种采用主动视觉反馈的小型化虹膜识别模块 - Google Patents

Abstract

一种采用主动视觉反馈的小型化虹膜识别模块，该模块可以独立地完成人眼虹膜图像的采集和处理功能，可以作为一个具备独立虹膜识别功能的小型化模块嵌入或者连接到其他设备，如保险箱(柜)、锁具、金融保管箱、枪械保管盒、存包柜、ATM机、POS机、考勤机、门禁控制器、通道控制器、电梯控制器、电台、复印机、传真机、电话机、打印机、鼠标、电脑、家电、有线电视遥控器、玩具、数码相机、移动设备、汽车、摩托车、电动自行车等，使之升级为带虹膜识别和认证功能的产品。

Description

一种采用主动视觉反馈的小型化虹膜识别模块

技术领域

本发明属于生物特征识别以及信息安全技术领域，尤其涉及一种利用用户自反馈主动配合的小型化模块化虹膜识别设备。

背景技术

虹膜是人眼中介于黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状区域，呈现丰富的纹理。大量医学和计算机科学的研究表明，不同眼睛(包括人的左右眼和双胞胎的眼睛)的虹膜纹理是各不相同的，并且自胚胎形成后8个月就稳定不变，因而虹膜具有唯一性高、稳定性强的优点。另外，虹膜是一种外部可见的内部器官，因而又具有非侵犯性的优点。这些优点使得虹膜特别适合用于人的身份认证和识别，并被成功的应用于机场、海关、银行等场合的身份鉴定。

虹膜识别技术的第一步就是虹膜图像的获取，同时这也是比较困难的步骤，需要光、机、电技术的综合应用。由于虹膜的特殊性质：面积小(平均直径约11mm)，不同人种颜色差异大，一般摄像方法无法拍摄出可以用来识别的虹膜图像，尤其是对于东方人而言，虹膜颜色较深，采取普通的摄像方式难以得到清晰的虹膜图像。因此，虹膜识别必须采用放大率较大的镜头和主动红外光照明。

虹膜图像获取设备分为接触式和非接触式两种。最初的设备为接触式，主要包括主动照明，镜头及附件，以及成像芯片等，不一定带有反馈装置。接触式采集系统一般采用筒状的封闭腔体作为采集设备的外壳，以隔绝环境光线。在筒状腔体后端安装定焦摄像头，筒状腔体的内部安装有可见光或/和红外光源。在采集虹膜图像时，用户眼睛紧靠在腔体前端，主动触发摄像头的采集按钮成像。该接触式系统的优点是引导眼睛瞄准比较容易，光照设计比较简单，不容易受到外界环境光的影响。但是该采集设备存在先天的弱点，即每次采集都需要使用者与采集设备相接触，接触式采集同时带来了卫生方面的隐患。

为了解决接触式的问题，出现了非接触式的虹膜采集设备，由主动照明，反馈装置，镜头及附件，以及摄像头等构成，此时用户距离虹膜采集设备有一定距离，如25cm或者更远，设备通过测距模块或者图像分析判断有用户站到设备前，开始工作，或者设备就一直工作。设备在工作时，判断采集到的图像中是否有虹膜，并提示用户配合虹膜采集，获得满意图像后，对图像中的虹膜进行特征提取和比对，从而完成用户身份的识别。由于是远距离虹膜采集，而人眼虹膜的面积较小，采集装置必须采用放大率较大的镜头才能获得能够用于识别的虹膜图像，使得摄像机采集视角较小，用户必须使得眼睛位于一个特定的位置上，该位置位于摄像机的景深范围内，能清晰成像，而且处于有效照明范围内。用户在没有任何辅助对准方法的情况下配合设备采集虹膜图像是非常困难的。因此虹膜采集设备上出现了各种反馈装置的引导用户实现对准。

反馈装置通常使用的有听觉反馈或/和视觉反馈。听觉反馈指的是用户根据设备发出的语音提示调整自己的姿势和位置，如设备会提示“向前一点，向后一点，向左一点，向右一点”。听觉反馈是由设备根据当时采得的图像等信息对用户进行主动的提示。而视觉反馈是指用户根据自己看到的东西来调整自己的位置。人们在虹膜采集设备上添加了镜子等反馈设备，加以引导用户移动的指示灯等方式来帮助用户实现上下左右的对准。这种采用类似镜子的反馈设备辅助用户对准的反馈方式难以实现虹膜图像采集的“所见即所得”，因为用户直接根据镜面成像进行对准，而由于存在用户用眼习惯不同、左右眼的主副眼分工、摄像机和镜面的位置有差异等因素，会导致镜面成像和实际摄像机成像的差异，结果就出现用户自己认为对准了但实际上采集不到合适的图像的现象，导致虹膜识别效率的降低。目前市面上的虹膜识别产品全部是采用这种盲动式视觉反馈方法。

而本发明提出的主动视觉反馈方法是把摄像机采集到的真实内容用图像显示的形式反馈给用户，用户可以像照镜子一样来调整人眼和摄像机的相对位置，跟前面的被动视觉反馈不同，用户看到的就是采集的结果，从而实现真正的“所见即所得”，因此对准效果比采用盲动式视觉反馈的虹膜识别设备提高了许多。

由于虹膜识别过程的运算量很大，最早的虹膜识别设备生产商都将虹膜采集和虹膜识别分开进行，虹膜采集由专门的虹膜采集设备完成，而虹膜识别则放在中央服务器中进行，这样的做法导致了虹膜识别系统的部署具有一定的局限性。随着嵌入式系统的兴起，人们对虹膜识别设备的要求越来越高，具有运算独立性，体积小，接口丰富，易于安装和部署，具有网络化功能和数据安全性的虹膜识别专用模块是今后虹膜识别技术的发展方向。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种体积小巧，使用方便的采用主动视觉反馈的虹膜识别模块。

本发明的虹膜识别模块包括：

采集单元，所述采集单元包括至少一套光学镜头和图像采集芯片，用于采集用户的人眼虹膜图像；

照明单元，该照明单元由可以向外辐射能量的器件或设备构成，包括一个或多个照明部分，可以与采集单元直接结合成一体也可能与采集单元相对分离用于发出一定强度的光，以保证人眼虹膜采集的清晰度；

反馈单元，所述反馈单元为一可向用户显示图像的设备，该显示设备可显示用户虹膜的实际采集效果，以便于用户根据在显示区域实时反馈的眼睛成像效果主动地调整眼睛与小型化虹膜识别模块的相对位置；

处理单元，所述处理单元为用于对采集到的人眼虹膜图像进行处理、显示和传输控制的运算电路，包括对采集到的图像进行处理，提取虹膜特征，比对虹膜特征给出比对结果的模块；

存储单元，用于存储程序和数据的运算电路，包括用于存储注册人员的虹膜特征和相关信息，以及一些程序代码和临时变量；

接口控制单元，该接口控制单元由一系列可与外部电路或者设备相连接的接口电路组成，可根据在处理单元中完成的人眼虹膜特征识别结果向外部设备发出控制信号或输出识别结果和状态；

所述采集单元的输出端与处理单元的一输入端相连，将所采集的用户的人眼虹膜图像上传至处理单元；

所述处理单元的一输出端与反馈单元的输入端相连，处理单元将人眼虹膜图像以及其它提示信息传输至所述反馈单元；所述处理单元还与存储单元相连，用于程序调用和数据交换；所述处理单元还与接口控制单元相连，用于和外部设备交换控制信号。

所述接口控制单元的输出端与照明单元的输入端相连，实现对照明单元的控制。接口控制单元还可通过对外传输线与外部设备相连。

本发明的虹膜识别模块还可以包括测距单元，所述测距单元的输出端与处理单元的输入端相连，用于测量人眼虹膜和所述识别模块之间的距离，并将测量结果输至处理单元进行处理，根据测距单元测量的结果，可以进一步提示用户调整位置。

本发明的虹膜识别模块能够独立工作，因此用户可以考虑使用环境和设备成本的因素，灵活的组装成单目或双目虹膜识别设备。

采集单元由光学镜头(组)、附件(如红外滤光片)以及图像采集芯片(组)构成，可以包括电动部分也可不包括电动部分，可以使用定焦镜头也可以使用变焦镜头或者其他类型的镜头。照明单元由可以向外辐射能量的器件或设备构成，可能为一个或多个部分，可以与采集单元直接结合为一体也可以与采集单元相对分离。可以但不限于LED，灯泡等，也不仅限于红外，也可能为可见光，紫外线等。反馈单元包含由可向用户显示图像的器件或设备构成，可以为一个也可以为多个，可以为LCD，CRT，LED阵列，等离子显示器，投影显示，全息显示、电子纸显示器或者其他目前未上市的显示设备。反馈单元中可以包含语音反馈部分，也可包含指示灯反馈部分，但不仅限于这些反馈部分。测距单元，既可以为一个单独的物理单元，可以使用红外测距模块，超声测距模块，激光测距模块或其他类型的测距模块组成，也可由软件根据采集图像中的特征变化估算用户与设备间的距离。运算单元，可以采用市场上流行的嵌入式系统，使用的运算芯片可以为ARM，DSP，PowerPC或者其他未上市的芯片。存储单元，包括能够存储虹膜特征和程序的存储芯片，可以为SDRAM，FLASH，EPROM，固态硬盘或者其他未上市的存储芯片。接口控制单元，完成设备和其他设备的交互，输出控制信号，可以支持韦根协议，TCP/IP协议，HTTP协议，串口信号，开关量和其他各种控制信号，也可以使用I2C总线、SPI总线、SCI总线、ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线、Compact PCI总线、RS-232、RS-485、IEEE-488、USB总线、以太网、IEEE1394等多种类型总线与外部设备相连接。

本发明由于采用主动视觉反馈，虹膜识别设备的对准效果和易用性又前进了一大步。将虹膜识别的算法在嵌入式系统上实现，大大降低了虹膜识别系统的成本。本发明还可通过HTTP协议，使得该设备成为一个网络化的独立的虹膜识别系统，易于实现远程控制和根据不同的实际情况提出合适的解决方案。本发明还可以只对现场采集到的虹膜图像进行特征提取，然后将用户的虹膜特征通过网络传输到运算能力更加强大的中央服务器进行特征的集中比对，然后再将识别结果发送回采集设备，这样可以利用服务器的超强计算能力实现超大规模人群的虹膜识别系统。本发明还采用了加密芯片，对需要通过网络或者其他方式传输的各种数据进行加密后再传输，弥补了虹膜识别系统中其他方面的安全漏洞。

在本发明中，反馈单元同时可以发出可控的光线调节用户瞳孔大小。因为用户在使用设备时需要注视反馈单元，反馈单元的颜色和亮度的变化会直接刺激用户的眼睛使得用户的瞳孔的大小发生变化，因此本发明能够使用软件控制反馈单元发出不同亮度的可见光来主动调节用户的瞳孔大小。这样一方面可以使得在各种情况下虹膜不会发生剧烈的非线性变化，从而识别更为准确和稳定，另一方面也可以通过检测当前虹膜图像中瞳孔的大小是否根据我们的软件设置的顺序来发生变化，从而实现假眼检测功能来拒绝伪造的虹膜，比如塑料假眼的瞳孔大小就无法自动随光线调整。

本发明提出的采用主动视觉反馈的小型化虹膜识别模块，该模块可以独立地完成人眼虹膜图像的采集和处理功能，可以作为一个具备独立虹膜识别功能的小型化模块嵌入或者连接到其他设备，如保险箱(柜)、锁具、金融保管箱、枪械保管盒、存包柜、ATM机、POS机、考勤机、门禁控制器、通道控制器、电梯控制器、电台、复印机、传真机、电话机、打印机、鼠标、电脑、家电、有线电视遥控器、玩具、数码相机、移动设备、汽车、摩托车、电动自行车等，使之升级为带虹膜识别和认证功能的超新产品。配备该模块的各类设备可以广泛的应用于移动虹膜认证系统；膝上型电脑、PDA等其他移动设备的安全登录；网络、工作站、数据库的安全登录及安全操作；电子商务、网上银行、网上证券、POS系统的交易安全；家庭、办公室、汽车的门锁或门禁控制系统；PKI的增强安全保护；IC卡、射频卡的持卡人验证；可识别人身份的智能玩具；考勤签到管理系统；门禁识别管理；智能门锁控制系统；自动取款机ATM用户身份识别；小区业主或者俱乐部会员管理等应用系统。

附图说明

图1示出了采用主动视觉反馈的虹膜识别模块的方框示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的结构图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的单目虹膜识别模块的反馈单元的一个视图；

图4示出了根据本发明的一个实施例进行桌面型应用的示意图。

图5示出了根据本发明的一个实施例进行双目虹膜识别的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

图1为采用主动视觉反馈的虹膜识别模块的方框示意图，该模块主要包括：采集单元，该采集单元包括至少一套光学镜头和图像采集芯片，用于采集用户的虹膜信息；照明单元，其由可以向外辐射能量的器件或设备构成，包括一个或多个照明部分，可以与采集单元直接结合成一体也可能与采集单元相对分离；反馈单元，该反馈单元包含由可向用户显示图像设备，该显示设备的显示区域使用不同颜色的方框表示图像的清晰程度，以便于用户根据在显示区域的图像调整眼睛的上下左右位置和前后位置；处理单元，所述处理单元包括对采集到的图像进行处理，提取虹膜特征，比对虹膜特征给出比对结果的模块；存储单元，用于存储注册人员的虹膜特征和相关信息，以及一些程序代码和临时变量；接口控制单元，根据程序运行的结果向其他设备输出控制信号；测距单元，用于测量用户和模块之间的相对距离。

实施方案1：

参照附图1～3。图2是本发明第一实施例的结构示意图。整个采用主动视觉反馈的虹膜识别模块由液晶屏(反馈单元)1、成像镜头2、成像处理电路(CCD)3、红外滤光片4、测距单元5，、红外照明单元6，、反射三棱镜7、主电路板8，、外壳9和输出控制信号的传输线10等构成。在主电路板8上集成了处理单元、接口控制单元和存储单元，红外照明位于采集单元周围或旁边，用于照亮眼睛虹膜，由于照明单元有一定的发射角度，反馈单元有一定的观察角度，而采集单元也有一定的采集角度和景深范围，调整照明单元、采集单元、和反馈单元光轴，使得能在一块与设备有一定距离的一块空间(称为可识别的空间体积)内能满足下面要求：

1、用户在该范围内能清晰看到反馈单元反馈显示的内容，

2、照明单元能以合适的能量照亮用户的虹膜，

3、采集单元能清晰采集到用户虹膜图像，得到符合采集要求的图像。

设备使用照明单元对用户虹膜进行照明在拍摄用户虹膜图像的同时，在反馈装置上将直接把采集到的内容反馈给用户，指导用户进行定位。同时也可以采集更多的信息，如不仅显示用户的眼部，还同时显示用户的脸部，更进一步的方便用户对准。反馈装置上显示的图像可以是经过图像处理的图像，也可以没有经过图像处理得到的原始图像。

由于虹膜识别只能在可识别的空间体积完成，用户在使用主动视觉反馈装置后上下左右的未知非常容易对准，但前后位置在没有明确参照物的情况下难以确定，在本发明的系统中采用测距单元帮助用户定位这种情况。在测距模块反馈距离不合适时，会通过反馈装置(图像/指示灯/语音等)通知用户前后移动，也可将反馈装置显示的图像变模糊，使得用户主动的配合前后移动。多种方法结合使用以达到较好的易用性。

存储在存储单元的软件系统可以控制通过反馈单元发出的可见光的强度(比如控制液晶屏的亮度)，由于人眼对可见光敏感，瞳孔会根据可见光光照进行调节，可根据这一特性一方面可以在识别时调整瞳孔接近注册时的瞳孔大小，使得瞳孔变化引起虹膜纹理非线性变化的影响最小化。另一方面，也可以根据瞳孔的变化进行活体虹膜检测，避免假眼等虹膜伪造。反馈单元发出可见光的强度可以通过控制反馈单元中显示部分的亮度，或/和指示灯部分或/和其他部分来实现。

图2中，采集单元由定焦镜头，感红外CCD摄像头，红外滤光片组成。定焦镜头焦距为30mm，物距为30cm。CCD摄像头采用N制600线感红外摄像头，输出的视频信号直接传输到主电路板上的嵌入式芯片中进行处理。在采集单元的光路部分有一个于水平面成45度角的平面反射镜，把人眼的图像反射到光学镜头中，图像经光学镜头投射到CCD上，CCD完成图像的采集并将图像传送到后面的主电路板上的嵌入式芯片中。

反馈单元为2.2英寸的小型LCD显示器，分辨率为320×240，正对用户，而与水平方向成一定的角度。照明单元位于反馈单元下方，照明单元由红外LED阵列组成，LED灯的强度可以由软件进行控制，照明单元发出的红外照明光可照射到用户的眼睛。测距模块由红外测距模块组成，位于采集单元的下方。照明单元、反馈单元和采集单元的光轴相交于反馈单元前方20～30cm的地方。

具体工作流程如下：虹膜采集单元前没有用户时，通过测距单元判断前方无人，虹膜采集单元不工作。当有用户走到虹膜采集单元前，测距单元判断前方有人并通知处理单元，处理单元再控制照明单元发出红外光，同时控制虹膜采集单元开始工作。

虹膜采集单元根据测距单元的结果判断用户是否站在允许识别的范围内，如果是则开始采集图像，否则设备通过反馈单元提示用户前后移动(如在LCD上显示“请向前/向后移动”)。当用户在允许识别的范围内，处理单元将虹膜采集单元采集到的内容在反馈单元的LCD上显示出来，如图3所示，LCD的被分成上下两个区域，分别用于显示用户的眼睛和其他提示信息。用户可以看到屏幕的中显示的眼睛实际成像效果，可以根据显示的内容调整自己头部上下左右的位置，使得自己的眼睛完整出现在屏幕内方框区域。处理单元判断采集到虹膜图像质量，同时提取当前虹膜图像的特征，然后将特征与内存中数据库中的模板进行比较，得出识别结果，最后根据识别结果由控制单元向外部设备发出控制信号。虹膜识别完成后，在反馈单元的LCD上显示出识别结果。

实施方案2：

图4示出了本发明的另一个实施例的示意图。该实施例表示了使用本发明提出的虹膜识别模块与计算机相连接的桌面型应用。在该实施例中，虹膜识别模块通过USB接口线与电脑相连接，当注册用户需要使用电脑或者登陆系统的时候，可以先通过虹膜识别模块进行身份识别，虹膜识别模块将识别结果(注册用户的ID号等信息)传送到电脑，由电脑系统判断用户的身份合法性和登陆权限。

实施方案3：图5示出了本发明的另一个实施例的示意图。在该实施例中，将两套虹膜识别模块并排组合在一起，并且适当选择两条光路中心的距离，让这个距离等于普通用户的平均瞳距，在我们这个实施例中是65mm。这样就可以采集两只眼睛的虹膜信息，并且同时进行虹膜图像的处理和识别。如图5所示，两套虹膜识别模块的识别结果可以通过交换机相连，然后传输给其他外围设备使用。为了克服照明光源对虹膜图像的交叉干扰，特别是减轻戴眼镜用户的眼睛对照明光源的反射，可以将照明单元单独抽取出来，安排在两套虹膜识别设备的两侧。组合两套虹膜识别设备的后形成的双目虹膜识别装置，可以大大提高虹膜识别系统的易用性，同时采用双目虹膜识别可以增强虹膜识别系统的安全性。

在上述实施方案中，将定焦镜头改为变焦镜头，同时照明部分可以自动根据计算出来的用户位置进行角度旋转，测距模块的不同位置或者不同测距方法的组合，改变运算单元所使用的处理芯片，增减控制单元支持的控制信号等都可以组成新的实施方案。本领域技术人员还可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种采用主动视觉反馈的小型化虹膜识别模块，该模块可以独立地完成人眼虹膜图像的采集和处理功能，可以作为一个具备独立虹膜识别功能的小型化模块嵌入或者连接到其他设备，其特征在于，所述虹膜识别模块包括：

采集单元，所述采集单元包括至少一套光学镜头和图像采集芯片，用于采集用户的人眼虹膜图像；

存储单元，用于存储程序和数据的运算电路，包括用于存储注册人员的虹膜特征和相关信息，以及一些程序代码和临时变量；

照明单元，该照明单元由可以向外辐射能量的器件或设备构成，用于发出一定强度的光，以保证人眼虹膜采集的清晰度；

反馈单元，所述反馈单元为一可向用户显示图像的设备，该单元可显示用户虹膜的实际采集效果，以便于用户根据在显示区域实时反馈的眼睛成像效果主动地调整眼睛与小型化虹膜识别模块的相对位置；

处理单元，所述处理单元用于对采集到的人眼虹膜图像进行处理、提取虹膜特征、比对所存储的注册人员的虹膜特征给出识别结果、显示和传输控制；

接口控制单元，该接口控制单元由一系列可与外部电路或者设备相连接的接口电路组成，可根据在处理单元中完成的人眼虹膜特征识别结果向外部设备发出控制信号或输出识别结果和状态；

所述采集单元的输出端与处理单元的一输入端相连，将所采集的用户的人眼虹膜图像上传至处理单元；所述处理单元的一输出端与反馈单元的输入端相连，处理单元将人眼虹膜图像以及其它提示信息传输至所述反馈单元；所述处理单元与存储单元相连，用于程序调用和数据交换；所述处理单元还与接口控制单元相连；所述接口控制单元的输出端与照明单元的输入端相连，实现对照明单元的控制；接口控制单元通过对外传输线与外部设备相连用于和外部设备交换控制信号。

2.根据权利要求1所述的小型化虹膜识别模块，其特征在于，所述虹膜识别模块还进一步包括测距单元，所述测距单元的输出端与处理单元的输入端相连，用于测量人眼虹膜和所述识别模块之间的距离，并将测量结果输至处理单元进行处理，根据测距单元测量的结果，通过反馈单元提示用户调整眼睛与小型化模块的相对位置。

3.根据权利要求1或2所述的小型化虹膜识别模块，其特征在于，所述虹膜识别模块可作为一个具备独立功能的小型化模块嵌入或者连接到其它设备中，使被嵌入或被连接的设备升级为带虹膜识别和认证功能的产品，所述设备主要包括保险箱、锁具、金融保管箱、枪械保管盒、存包柜、ATM机、POS机、考勤机、门禁控制器、通道控制器、电梯控制器、电台、复印机、传真机、电话机、打印机、鼠标、电脑、家电、有线电视遥控器、玩具、数码相机、移动设备、汽车、摩托车、电动自行车。

4.根据权利要求1或2所述的小型化虹膜识别模块，其特征在于，其中采集单元还包括电动部分，使用定焦镜头、变焦镜头或者其他类型的镜头。

5.根据权利要求1或2所述的小型化虹膜识别模块，其特征在于，所述照明单元包括一个或多个照明部分，照明单元可以与采集单元直接结合成一体也可以与采集单元相对分离设置；

6.根据权利要求1或2所述的小型化虹膜识别模块，其特征在于，其中所述反馈单元除了显示虹膜采集的图像，还可显示虹膜处理的中间状态和结果以及其它提示信息。

7.根据权利要求6所述的小型化虹膜识别模块，其特征在于，所述反馈单元可发出不同亮度和颜色的可见光来主动调节用户的瞳孔大小，以判断虹膜的活体特性。

8.根据权利要求2所述的小型化虹膜识别模块，其特征在于，其中所述测距单元使用红外测距模块、超声测距模块、激光测距模块或其它类型的测距模块，或由软件根据采集图像中的特征变化估算用户与设备间的距离。

9.根据权利要求1或2所述的小型化虹膜识别模块，其特征在于，其中所述反馈单元中还包括声音反馈装置，用声音提示用户调整位置。

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