CN102572249A

CN102572249A - 一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统

Info

Publication number: CN102572249A
Application number: CN2012100586269A
Authority: CN
Inventors: 夏东
Original assignee: HUNAN CHUANGYUAN INTELLIGENT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HUNAN CHUANGYUAN INTELLIGENT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-07-11

Abstract

一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统，由主体部分和辅助系统组成，所述辅助系统包括红外灯照明系统以及外部驱动平台，所述主体部分为双模摄像机系统，所述双模摄像机系统包括光学器件部分和电子成像器件部分，所述光学器件部分由成像快门、分光镜、红外光学模块、可见光光学模块组成，所述电子成像器件部分由运动控制模块、自动对焦模块、图像处理模块、图像采集模块组成。本发明中人脸成像系统和虹膜成像系统由于具有相同的前端光学系统，因而二者的图像始终是同轴的，减少了对使用者的侵犯性。

Description

一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统

技术领域

本发明涉及身份认证领域，具体为一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统。

背景技术

生物特征识别技术是一种优秀的身份认证技术，并在不断地发展以及完善中。人脸识别以及虹膜识别是两种经常提及的生物特征识别技术，依赖于电子成像以及模式识别技术。人脸识别分为两个层面，第一个层面是对图像中的人脸进行检测以及定位，第二个层面是将定位的人脸与一个已知人脸库或事先得到的人脸进行对比，用于识别用户身份。虹膜识别是一种利用人单眼或双眼虹膜所具有的独一模式以及结构进行人员身份识别的技术，是生物特征识别未来发展的最重要方向。虹膜由于面积较小，因而在较大的图像中定位虹膜比较困难，一般情况下只有当人正面直视摄像机时能够获得较好定位。这对于使用者来说多少有一些侵犯性，一种更少侵犯性的虹膜识别技术采用一个摄像机对人脸进行成像，通过定位人脸来定位虹膜，利用人脸定位信息控制另外一个摄像机进行虹膜图像采集。但是此技术要求两个摄像头所采集的图像能够很好的配准，因而迫切需要提出满足这个要求的系统以及方法。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种用于人脸和虹膜的双模成像系统，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统，由主体部分和辅助系统组成，所述辅助系统包括红外灯照明系统以及外部驱动平台，其特征在于，所述主体部分为双模摄像机系统，所述双模摄像机系统包括光学器件部分和电子成像器件部分，所述光学器件部分由成像快门、分光镜、红外光学模块、可见光光学模块组成，光线通过成像快门后再经分光镜分成可见光和红外光两部分后分别进入可见光光学模块和红外光学模块；所述红外光学模块包含一个驱动平台、一个对焦单元和红外传感阵列，所述可见光光学模块包含一个驱动平台、一个对焦单元和可见光传感阵列，红外光在经过红外光学模块中的对焦单元后在红外传感阵列上成像，可见光在经过可见光光学模块中的对焦单元后在可见光传感阵列上成像；所述电子成像器件部分由运动控制模块、自动对焦模块、图像处理模块、图像采集模块组成；所述图像采集模块接收来自所述红外传感阵列和所述可见光传感阵列的信息，并将信息传递给所述图像处理模块，所述自动对焦模块将指令传送给所述运动控制模块，所述运动控制模块驱动所述红外光学模块和所述可见光光学模块中的对焦单元；所述成像快门和所述分光镜中间还连接有一个驱动平台。

本发明中，所述红外灯照明系统由快门控制器、红外灯和红外滤波片组成，所述快门控制器接收到来自双模摄像机系统的成像信号后激活所述红外灯进行照明，所述红外滤波片选通红外光，得到一束红外照明光。

本发明中，所述外部驱动平台包括驱动光学模块、一个驱动平台和反光镜片，所述驱动平台通过移动所述反光镜片将入射光线引导至双模摄像机系统内。

有益效果

本发明中人脸成像系统和虹膜成像系统由于具有相同的前端光学系统，因而二者的图像始终是同轴的，减少了对使用者的侵犯性。

说明书附图

图1为一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统的结构框图；

图2为一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统的双模摄像机系统对一个场景进行成像的过程；

图3为适用于本发明的场景构成；

图4为适用于本发明的红外成像过程；

图5为本发明的双模摄像机系统对经过红外灯曝光照明后的场景进行成像的过程；

图6为本发明的驱动成像距离分离器以及两个红外传感阵列示意图；

图7为本发明的驱动成像距离分离器以及单个红外传感阵列示意图；

图8为适用于本发明的虹膜图像获取流程框图；

图9描述了适用于本发明的具有可调输入光学系统的双模摄像头系统。

具体实施方式

下面举例对本发明进行详细阐述。

参见图1和图5，一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统的结构框图和本发明的双模摄像机系统对经过红外灯曝光照明后的场景进行成像的过程，一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统，由主体部分和辅助系统组成，所述辅助系统包括红外灯照明系统501以及外部驱动平台204，其特征在于，所述主体部分为双模摄像机系统100，所述双模摄像机系统100包括光学器件部分和电子成像器件部分118，所述光学器件部分由成像快门102、分光镜103、红外光学模块111、可见光光学模块109组成，光线通过成像快门102后再经分光镜103分成可见光和红外光两部分后分别进入可见光光学模块109和红外光学模块111；所述红外光学模块111包含一个驱动平台119、一个对焦单元112和红外传感阵列108，所述可见光光学模块109包含一个驱动平台120、一个对焦单元110和可见光传感阵列107，红外光在经过红外光学模块111中的对焦单元112后在红外传感阵列108上成像，可见光在经过可见光光学模块109中的对焦单元110后在可见光传感阵列107上成像；所述电子成像器件部分118由运动控制模块114、自动对焦模块115、图像处理模块116、图像采集模块117组成；所述图像采集模块117接收来自所述红外传感阵列108和所述可见光传感阵列107的信息，并将信息传递给所述图像处理模块116，所述自动对焦模块115将指令传送给所述运动控制模块114，所述运动控制模块114驱动所述红外光学模块111和所述可见光光学模块109中的对焦单元112、110；所述成像快门102和所述分光镜103中间还连接有一个驱动平台121。所述红外灯照明系统501由快门控制器502、红外灯503和红外滤波片504组成，所述快门控制器502接收到来自双模摄像机系统100的成像信号后激活所述红外灯503进行照明，所述红外滤波片504选通红外光，得到一束红外照明光。

再参见图9，其描述了适用于本发明的具有可调输入光学系统的双模摄像头系统，所述外部驱动平台204包括驱动光学模块901、一个驱动平台902和反光镜片903，所述驱动平902台通过移动所述反光镜片903将入射光线904引导至双模摄像机系统100内。

本发明提出的双模摄像机系统中人脸和虹膜的成像部分使用了共同的光学系统。系统首先在可见光图像中定位人脸位置，然后在人脸图像中定位虹膜区域，再对虹膜的局部区域进行红外成像，由于共用光学系统因而并不需要多摄像机之间的对准，也不要求光学系统具有快速缩放能力。本发明包含如下三大部分：主体部分为双模摄像机系统100，辅助系统包括外部的红外灯照明系统205以及外部驱动平台204，205也是图5中的501模块，而外部驱动平台204则包含图九中的901、902、903。如图1所示的双模摄像机系统100中包含光学器件部分和电子成像器件部分。在实际应用中，考虑到电子成像器件部分的尺寸、复杂度以及散热性，需要对电子成像系统进行单独封装以保证系统的稳定性。系统开始工作后，入射光101首先通过一个成像快门102进入系统，成像快门102是一个复合光学系统，具有外光圈，可调焦棱镜，延伸管，以及其他一些用于照相机或者摄像机的通用光学组件。入射光101通过成像快门沿入射方向矢量105，只有沿着入射方向矢量105的光线才能够最终在107和108上成像。入射光101中的可见光部分由分光镜103引导至光路104，然后红外部分则被引导至光路106。一个红外光学模块111中的红外传感器阵列108对红外光部分成像，而可见光光学模块109中的可见光传感器阵列107则对可见光部分成像。107，108可以是CCD，CID，光电二极管，CMOS三极管，或者其他的光电敏感器件，107和108的材料以及像素数目大小可以相同也可以不同。比如可见光传感阵列107可以是一个小面积的CMOS成像单元，而红外传感阵列108采用一个大面积制冷CMOS成像传感阵列。采用不同尺寸规格那是因为可见光传感阵列能够接收大范围的光子进行成像，而红外传感阵列只对虹膜的局部区域进行成像，因而得到的光子量较小。采用不同传感器的另一个原因是由于他们的结构和成像波段导致成像效率不同，同时还由于他们对于多变的光照环境具有不同的适应性导致的。

图1中，电子成像器件模块由图像采集模块117，图像处理模块116，自动对焦模块115，运动控制模块114构成。图像采集模块117获取来自传感阵列107，108的红外以及可见光图像，并将它们传递给图像处理模块116。图像处理模块116能够定位人脸在可见光图像中的位置，并进一步定位虹膜在可见光图像中的位置。然后图像处理器能够运用可见光图像中的虹膜位置找到红外图像中的虹膜图像。自动对焦模块115能够运行自动对焦算法并将控制指令传递给运动控制模块114以驱动对焦单元110、112对成像过程进行自动对焦。一个对焦单元包括一个焦距调整器或者其他的变焦设备。一个调整器可以是电磁器件，比如马达或者电磁线圈，也可以是静电设备，利用电磁场来驱动微小的镜片整列，精确跟踪单元也可以运用消费级的稳像设备来替代。这些器件具有光学设计中的自动对焦功能，综合了自动对焦算法和驱动对焦单元，本系统中的110、112具有相似的功能。

参见图2，一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统的双模摄像机系统对一个场景进行成像的过程，它是本发明实例中的双模摄像机系统100对红外灯照明系统205所照亮场景进行成像的示意图，红外灯照明系统发出的红外光线沿矢量206传播，场景201包括人脸203及其眼睛202，光传播矢量207是指光线传播的方向。光线沿着传播方向矢量进入双模摄像机系统100。外部驱动平台204能够利用双模摄像机系统100采集并分析图像后得到的位置控制信息，调整自身指向人脸203。虽然其他类型的驱动平台也可以使用，但是由于摄像机的尺寸以及质量大小限制，最好还是采用电驱动平台。红外灯照明系统205能够发射一束均匀的照明红外光至人眼区域202，以便红外传感器能够对虹膜区域进行主动光成像。外部驱动平台204能够对整个双模摄像机系统100进行PTZ控制（旋转、俯仰和变焦缩放）。双模摄像机系统100内部的驱动平台119，120，121同样能够改变成像区域的范围。如此，驱动平台能够控制整个双模摄像机系统，也能够控制整个成像系统的视场，进而掌控红外以及可见光的图像大小和范围。

图3为适用于本发明的场景构成，在该图中，双模摄像机系统100中的可见光传感器阵列107对环境场景201进行成像，获取可见光图像301，通过图像处理操作能够将可见光图像301中的人脸部分302分割出来，进一步得到人眼局部图像303以及304，并以此计算出虹膜的位置305、306以及间距307，虹膜间距307代表左右虹膜位置305和306之间的距离。对于图像处理操作中的人脸提取，并进一步得到人眼以及虹膜图像，都可以在经典的图像处理以及模式识别中找到方法，此处不再赘述。

图4为适用于本发明的红外成像过程，它显示了本发明中的虹膜图像401、402。在图2中，双模摄像机系统100对准人脸进行场景图像采集。在图3中，场景图像进一步处理得到人脸以及单眼或者双眼的局部图像，并计算位置。在图四中，通过红外传感阵列得到虹膜图像401和402，红外光学系统和可见光光学系统可以拥有不同的变焦，因而可见光图像着重于对整个场景进行成像，而红外传感阵列108则着重对虹膜局部继续成像。在得到虹膜的位置后，外部驱动平台204能够将双模摄像机系统100的红外传感阵列108对准虹膜的中心。也就是说，我们能够在不改变双模摄像机位置的情况下调整虹膜成像的区域。由于对虹膜以及人眼成像是在同一时刻得到的，因而双模摄像机系统100能够跟踪虹膜。光学目标的跟踪，自动对焦，稳像和普通光测量中的跟踪、定位处理算法相似。

图5为本发明的双模摄像机系统对经过红外灯曝光照明后的场景进行成像的过程，它显示了本发明中的双模摄像机系统100在红外光505的照明下进行图像采集的过程。红外灯照明系统501包含一个快门控制器502，红外灯503以及红外滤波片504。双模摄像机系统100也能够在确定了虹膜的位置并将红外传感阵列对准虹膜后触发红外灯503进行照明。如此便可以在获取虹膜图像的时候对虹膜区域进行照明。从双模摄像机系统100接到成像信号后，快门控制器502能够激活红外灯503进行照明。红外滤波片504选通红外光，得到一束照明红外光。红外灯照明系统501可以产生扩散光，也可以产生平行光，只要照明较为均匀，成像效果差异并不明显。

参见图6和图7，本发明的驱动成像距离分离器601以及两个红外传感阵列608（即108）示意图和本发明的驱动成像距离分离器701以及单个红外传感阵列108示意图，驱动成像距离分离器简称为成像距离分离器，可以选择其中一个驱动成像距离分离器放在摄像机系统的红外光学模块111之后，如果红外传感器阵列和可见光传感阵列能够不经过调整对虹膜图像401和402所对应的区域进行成像那当然也可以在光路106上不加装成像距离分离器。图六所示分离器将虹膜图像401和402所对应的图像块分开，以便使用两块像传感器整列构成的红外传感阵列108/608上分别对虹膜图像401和402所对应的图像区域进行成像，得到左右眼独立的两幅虹膜图像。也可以采用图7所示成像距离分离器，主要作用是将虹膜图像401和402所对应的图像块向中间靠拢以便在一块光电成像传感器阵列构成的红外传感阵列108上得到双眼的虹膜图像。输入光线的红外光部分606能够通过红外光学模块111并进入驱动成像距离分离器601，成像距离分离器是将一个子图像相对于另一个子图像进行移近或者移远的光学器件，子图像是图像的一部分，可通过驱动图像距离分离器调整子图像的运动量。这些光学系统和图像距离分离器相似。

一个光学滤波器能够将红外光反射到第二个光学路径606中，在通过红外光学模块111后，第二光学路径606中的光进入成像距离分离器，红外部分形成红外图像。在成像距离分离器内部，第一个镜片604能够引导部分红外光进入光学路径607，在光学路径607上还有另外一个镜片605以及红外传感阵列608。在这种模式下面，双眼的虹膜图像能够分开成像在608上。同时根据需要可以在光学路径606、607上面安装额外的光学系统602。图6中的成像距离分离器放置于路径中时可用于增加双眼虹膜子图像之间的间隔。

在图7中，第一个反射镜604和第二个反射镜605相对于图6进行了交换，这样，示例的成像距离分离器能够用于减少子图像之间的距离差，并采用一个红外传感阵列108进行成像。

图3和图4描述了两个虹膜401,402的定位以及虹膜区域的分割过程307。图6和图7所描述的成像距离分离器能够用在双模摄像机系统中。双模摄像机系统的第二个光路106能够通过图像距离分离器，因此右眼的虹膜图像401能够在传感器阵列上成像。第三个光学路径能够被设置来刚好让左眼的虹膜图像402在传感阵列上成像。在这种模式下，两只虹膜的图像能够同时得到。

图8为适用于本发明的虹膜图像获取流程框图，图中，在启动（步骤801）双模摄像机系统后能够得到一幅场景的图像（步骤802），通过分光镜将光线中的红外以及可见光部分进行分离（步骤803）。得到一个可见光图像（步骤804）以及红外图像（步骤805）。首先在可见光图像中通过定位人脸然后定位虹膜的位置（步骤806），并以此位置来分离出红外图像中的虹膜区域（步骤807），最后结束整个成像过程（步骤808）。

应该注意到图8所标出的过程简单来讲就是采集人脸图像然后定位虹膜区域，然后再进行虹膜图像采集。对发明的扩充还包括进行将红外照明灯与成像过程（步骤805）进行同步。以及在定位虹膜的位置（步骤806）后将双模摄像机系统对准虹膜的中心。另外一个扩展是利用驱动平台来对虹膜周围的范围进行定位，接下来利用一个红外灯或其它进行过矫正的光源对虹膜进行照明，然后得到一幅红外图像（步骤805）。在成像过程中还需对距离分离器进行设置以便同时对两个虹膜所在位置进行成像。

图9描述了适用于本发明的具有可调输入光学系统的双模摄像头系统，光学模块901包含一个能够移动光学器件的驱动平台902，反光镜片903即是可移动的光学器件。反光镜片能够将输入光904引导至与双模摄像头输入向量105平行的方向上。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统，由主体部分和辅助系统组成，所述辅助系统包括红外灯照明系统以及外部驱动平台，其特征在于，所述主体部分为双模摄像机系统，所述双模摄像机系统包括光学器件部分和电子成像器件部分，所述光学器件部分由成像快门、分光镜、红外光学模块、可见光光学模块组成，光线通过成像快门后再经分光镜分成可见光和红外光两部分后分别进入可见光光学模块和红外光学模块；所述红外光学模块包含一个驱动平台、一个对焦单元和红外传感阵列，所述可见光光学模块包含一个驱动平台、一个对焦单元和可见光传感阵列，红外光在经过红外光学模块中的对焦单元后在红外传感阵列上成像，可见光在经过可见光光学模块中的对焦单元后在可见光传感阵列上成像；所述电子成像器件部分由运动控制模块、自动对焦模块、图像处理模块、图像采集模块组成；所述图像采集模块接收来自所述红外传感阵列和所述可见光传感阵列的信息，并将信息传递给所述图像处理模块，所述自动对焦模块将指令传送给所述运动控制模块，所述运动控制模块驱动所述红外光学模块和所述可见光光学模块中的对焦单元；所述成像快门和所述分光镜中间还连接有一个驱动平台。

2.根据权利要求1所述的一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统，其特征在于，所述红外灯照明系统由快门控制器、红外灯和红外滤波片组成，所述快门控制器接收到来自双模摄像机系统的成像信号后激活所述红外灯进行照明，所述红外滤波片选通红外光，得到一束红外照明光。

3.根据权利要求1所述的一种用于人脸和虹膜的双模成像光学系统，其特征在于，所述外部驱动平台包括驱动光学模块、一个驱动平台和反光镜片，所述驱动平台通过移动所述反光镜片将入射光线引导至双模摄像机系统内。