CN103605954A - 一种基于单传感器及光谱控制的图像捕捉装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单传感器及及光谱控制的图像捕捉装置，包括外壳，照明器，物镜，准直镜，照明器开关控制模块，聚焦透镜，图像传感器，连接器及图像处理器；外壳为密闭式空腔结构，其内部空腔被分隔成照明空腔和图像捕捉空腔，所述图像捕捉空腔从左至右依次被隔板分隔成物镜空腔，聚焦空腔和传感器空腔；照明器设置于照明空腔内部，在物镜空腔内部设置有物镜和准直镜，聚焦空腔内部设置有聚焦透镜，传感器空腔内部设置有图像传感器，图像传感器的输出端经过连接器与所述图像处理器电连接。本发明可以使用多种光源，通过照明器开关控制模块改变选用的光源组合，可以扩展应用到不同的场合，满足自动虹膜识别系统的要求。

Description

一种基于单传感器及光谱控制的图像捕捉装置

技术领域

本发明涉及一种虹膜图像采集装置，特别涉及一种基于单传感器及光谱控制的图像捕捉装置。

背景技术

生物识别是用生物特征识别个人身份的一种技术。虹膜因其唯一性、稳定性和安全性，逐渐成为一个最有效的生物识别特征。由于高效可用和准确的虹膜识别算法的出现，基于虹膜的自动身份识别和验证系统在过去几年越来越受欢迎。虹膜识别过程大体上分为6步：采集虹膜图片；图片模式转换；虹膜内外边界的定位与分割；虹膜规范化；虹膜编码的特征提取；特征匹配。其中，第三步虹膜内外边界的定位与分割是最重要的一步，因为这一步的好坏将直接影响虹膜识别系统的噪声容量，并最终导致对虹膜识别系统应用领域的限制。

多数虹膜识别方法依靠理想虹膜图像来实现准确的识别，比如，人须直视镜头以得到低噪声的虹膜图像；再或者，采用大型复杂而昂贵的精密装置获取高质量的虹膜图像。但是，第一种虹膜识别系统的性能受到眼睑，睫毛，光照的变化,或平面外旋转等干扰的严重影响；第二种虹膜识别系统的价格太高，不利于系统的推广应用。对输入图像的约束必然导致在图像采集期间过程中对用户的约束,从而限制了该项技术的普及性和应用领域。

人眼的不同部位对同一种光谱的反射率是不一样的。比如，亚洲人的虹膜对近红外光的反射率比可见光的反射率高，但是巩膜刚好相反。这主要是由构成了人类虹膜色素的两个分子的光学性能造成的：褐黑真色素（超过90%）和黄红色素。真色素大部分在可见光谱辐射荧光，这样能捕获到更高级别的细节,但也得到更多的嘈杂的工件，包括镜面反射，漫反射和阴影。虹膜的光谱辐射就其色素沉积的水平在可见光谱中比近红外光谱变化更明显。相反，巩膜的光谱反射在可见光谱中比在近红外光中高得多。因此，传统的基于模板和边界的虹膜分割方法由于边缘检测或拟合刚性外形困难将可能失败。用不同的光谱照射人眼得到灰度值不同的两幅图像，再对这两幅图像进行直方图匹配，图像做差，差值二值化，区域分割四步处理，就可以快速精确地分割出虹膜部分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过控制照明器的开关来得到近红外光和可见光两种光谱下的虹膜图像的基于单传感器及光谱控制的图像捕捉装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于单传感器及光谱控制的图像捕捉装置，包括外壳，照明器，物镜，准直镜，照明器开关控制模块，聚焦透镜，图像传感器，连接器及图像处理器；

所述外壳为密闭式空腔结构，其内部空腔被分隔成位于上部的照明空腔和位于下部的图像捕捉空腔，所述图像捕捉空腔从左至右依次被隔板分隔成物镜空腔，聚焦空腔和传感器空腔，所述照明空腔中左侧的侧壁设置有出光孔，所述隔板上均设置有通光孔；

所述照明器设置于位于物镜空腔上部的照明空腔内部，所述物镜空腔的左侧设置有入光孔，在物镜空腔内部从左至右依次设置有物镜和准直镜，所述聚焦空腔内部设置有聚焦透镜，所述传感器空腔内部设置有图像传感器，所述物镜的焦点、准直镜的焦点、聚焦透镜的焦点位于同一直线上，照明器发出的光经过出光孔照射到虹膜上，虹膜反射的光线经过入光孔被物镜捕捉、经过准直镜变平行后、穿过通光孔经过聚焦透镜聚焦后进入图像传感器，所述图像传感器的输出端经过连接器与所述图像处理器电连接，图像传感器将光信号转化为电信号后将该电信号经过连接器传递给图像处理器，所述照明器开关控制模块的控制端与照明器连接，所述图像处理器的输出端与照明器开关控制模块的输入端连接。

本发明的有益效果是：本发明结构简单、轻便，可获得高质量的虹膜纹理图像；使用简单，不需要对使用者进行训练；应用范围广泛：可以使用多种光源，改变选用的光源组合，可以扩展应用到不同的场合。使用可见光谱和近红外光谱，使用者不会有任何不适感。算法计算量小，精确度高，能够快速精确的分割出虹膜。能检测出瞳孔在光强变化下的缩放变化，从而能有效的进行活体检测；装置成本低。。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述照明器为近红外光源。

进一步，所述照明器为中等红外线光源,远红外线光源、紫外线光源、x射线光源、伽马射线光源。

进一步，所述图像传感器为CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。

附图说明

图1为本发明装置结构图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、外壳，2、照明器，3、物镜，4、准直镜，5、照明器开关控制模块，6、聚焦透镜，7、图像传感器，8、连接器，9、图像处理器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明装置结构图。

实施例1

一种基于单传感器及及光谱控制的图像捕捉装置，包括外壳1，照明器2，物镜3，准直镜4，照明器开关控制模块5，聚焦透镜6，图像传感器7，连接器8及图像处理器9；

所述外壳1为密闭式空腔结构，其内部空腔被分隔成位于上部的照明空腔和位于下部的图像捕捉空腔，所述图像捕捉空腔从左至右依次被隔板分隔成物镜空腔，聚焦空腔和传感器空腔，所述照明空腔中左侧的侧壁设置有出光孔，所述隔板上均设置有通光孔；

所述照明器2设置于位于物镜空腔上部的照明空腔内部，所述物镜空腔的左侧设置有入光孔，在物镜空腔内部从左至右依次设置有物镜3和准直镜4，所述聚焦空腔内部设置有聚焦透镜6，所述传感器空腔内部设置有图像传感器7，所述物镜3的焦点、准直镜4的焦点、聚焦透镜6的焦点位于同一直线上，照明器发出的光经过出光孔照射到虹膜上，虹膜反射的光线经过入光孔被物镜3捕捉、经过准直镜4变平行后、穿过通光孔经过聚焦透镜6聚焦后进入图像传感器7，所述图像传感器7的输出端经过连接器8与所述图像处理器9电连接，图像传感器7将光信号转化为电信号后将该电信号经过连接器8传递给图像处理器9，所述照明器开关控制模块5的控制端与照明器2连接，所述图像处理器9的输出端与照明器开关控制模块的输入端连接。

所述照明器2为近红外光源。所述照明器或者为中等红外线光源,远红外线光源、紫外线光源、x射线光源、伽马射线光源。所述图像传感器为CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。

照明器2发出的光波波长为700～900nm，即近红外光波。当照明器关闭时，虹膜被可见光照亮，当照明器打开时，虹膜被近红外光波照亮。首先，照明器处于关闭状态，物镜3捕捉图像；准直镜4对准物镜传播过来的光束，使其变平行；平行光束通过空腔的通光孔，到达聚焦透镜6；聚焦透镜6将光线聚焦到图像传感器7表面；图像传感器7获取可见光下的图像，由连接器8交给图像处理器9；图像传感器7收到第一幅图像时，触发照明器开关控制模块5；照明器开关控制模块5被触发后，将点亮照明器2，重复上述流程，图像传感器7获取近红外光下的图像，并将该图像由连接器8传给图像处理器9；图像处理器9接收到第二幅图像后，不会再触发照明器开关控制模块5，而是将先后两次得到的图像进行对比度、亮度调整，图像做差，差值图像二值化，区域分割这些处理，最终获取虹膜边界、睫毛和斑点。

图像传感器9需要对可见光谱和近红外光谱都有足够的光谱响应，来保证捕捉到的两幅图像的背景区域如巩膜的灰度等级大致相等。但实际上，很难保证它们是完全相同的。然而大多数图像传感器通过自动增益控制（AGC），都基本能达到这个要求，它们的灵敏度微细调节后能满足条件。

该装置对移动状态下的虹膜（IOM）以及远距离虹膜（IID）系统（这两种系统得到的图像噪声多，变形严重）是非常适用的。在条件极端状况紧急的战场中使用的手持虹膜识别设备，快速准确得到虹膜信息是非常重要的。该装置对这样的设备同样有很大的优势。

一种利用如权利要求1所述的图像捕捉装置提取虹膜边界、睫毛及光斑的方法，包括以下步骤：

步骤1：将图像捕捉装置中的照明器2设置为近红外光源和可见光源时，利用图像捕捉装置中的图像传感器7采集人眼图像，得到可见光人眼图像和近红外人眼图像；

步骤2:分别对可见光人眼图像和近红外人眼图像做直方图匹配处理，得到可见光匹配图像和近红外光匹配图像；

步骤3：计算可见光匹配图像和近红外光匹配图像中相同位置的像素点的像素差值，得到差值图像；

步骤4：将差值图像进行二值化处理，得到二值图像；

步骤5：按照像素值的不同分割二值图像，得到虹膜区域图像、睫毛图像及光斑图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于单传感器及及光谱控制的图像捕捉装置，其特征在于：包括外壳（1），照明器（2），物镜（3），准直镜（4），照明器开关控制模块（5），聚焦透镜（6），图像传感器（7），连接器（8）及图像处理器（9）；

所述外壳（1）为密闭式空腔结构，其内部空腔被分隔成位于上部的照明空腔和位于下部的图像捕捉空腔，所述图像捕捉空腔从左至右依次被隔板分隔成物镜空腔，聚焦空腔和传感器空腔，所述照明空腔中左侧的侧壁设置有出光孔，所述隔板上均设置有通光孔；

所述照明器（2）设置于位于物镜空腔上部的照明空腔内部，所述物镜空腔的左侧设置有入光孔，在物镜空腔内部从左至右依次设置有物镜（3）和准直镜（4），所述聚焦空腔内部设置有聚焦透镜（6），所述传感器空腔内部设置有图像传感器（7），所述物镜（3）的焦点、准直镜（4）的焦点、聚焦透镜（6）的焦点位于同一直线上，照明器发出的光经过出光孔照射到虹膜上，虹膜反射的光线经过入光孔被物镜（3）捕捉、经过准直镜（4）变平行后、穿过通光孔经过聚焦透镜（6）聚焦后进入图像传感器（7），所述图像传感器（7）的输出端经过连接器（8）与所述图像处理器（9）电连接，图像传感器（7）将光信号转化为电信号后将该电信号经过连接器（8）传递给图像处理器（9），所述照明器开关控制模块（5）的控制端与照明器（2）连接，所述图像处理器（9）的输出端与照明器开关控制模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于单传感器及光谱控制的图像捕捉装置，其特征在于：所述照明器（2）为近红外光源。

3.根据权利要求1所述的基于单传感器及光谱控制的图像捕捉装置，其特征在于：所述照明器为中等红外线光源,远红外线光源、紫外线光源、x射线光源、伽马射线光源。

4.根据权利要求2所述的基于单传感器及光谱控制的图像捕捉装置，其特征在于：所述图像传感器为CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。

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