CN103605961A - 一种指纹和虹膜融合识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指纹和虹膜融合识别装置，主要由微控制器、红外测距单元、虹膜采集单元、指纹采集单元、灯光反馈单元、红外照明单元、活体检测单元、图像预处理单元、图像识别单元组成；将指纹和虹膜的特征矩阵进行融合后识别，而非单独进行识别，提高了识别的可靠性；针对活体检测，提出了一种更为易用可靠，不存在算法依赖性的方法，能够快速有效的进行活体检测；针对虹膜识别中容易出现的头部旋转导致的识别不准确情况提出了一种防止头部旋转的解决方案；针对自然光的影响，设计了一种去自然光的方法。本发明装置能够快速准确的利用虹膜和指纹进行融合识别，具备比二者独立应用情况下更高的可靠性，且利用人体工程学原理、人体生理学原理和光学原理解决了虹膜识别中较为棘手的活体检测、头部水平旋转和自然光问题，降低了识别误差，提高了可靠性。

Description

一种指纹和虹膜融合识别装置

技术领域

本发明公开了一种指纹和虹膜融合识别装置，属于生物特征识别领域。

背景技术

生物特征识别技术是指利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。在所有的生物特征中，指纹相对稳定，容易采集和识别，虹膜属于体内生物特征，不会受磨损，老化等影响，且在各种生物特征识别方法中虹膜识别是错误率最低的。

目前的已有的技术中，大部分只是单独针对指纹或虹膜信息进行识别，通过识别结果来判断是否是合法用户，并没有技术方法对此两种生物特征进行融合识别；其次，活体检测是一种判断虹膜识别对象是否为真实人眼的检测技术。目前已有的大部分技术，均未提出准确、有效、髙自适应的活体检测方案，因此给虹膜识别技术带来一定的安全隐患。一种虹膜活体检测方法（200910079803.X）中提出了一种利用机器学习进行活体检测的方法。该方法需要针对不同的设备，对模型进行训练，易用性、准确性较差；另外，虹膜识别过程中用户头部的旋转会对虹膜识别的可靠性造成较大影响，已有的技术并未提出有效的防止用户头部旋转的解决方案；此外，非封闭虹膜采集环境中的自然光对虹膜识别的可靠性也有较大影响，已有的技术并未提出有效的去除自然光的解决方案。

发明内容

本发明公开一种指纹和虹膜融合识别装置，该装置同时提取用户的虹膜和指纹信息，将指纹和虹膜的信息进行融合，作为一个整体统一训练、统一识别。实现了指纹和虹膜双重识别的应用，充分利用这两种生物特征识别技术的优势，有效提高了被保护系统的安全性。

本发明装置通过硬件和软件的结合，解决了虹膜识别过程中的活体检测、防止头部旋转旋转以及去自然光照等问题。

本发明提供指纹和虹膜融合识别装置的技术解决方案如下：

主要由微控制器、红外测距单元、虹膜采集单元、指纹采集单元、灯光反馈单元、红外照明单元、活体检测单元、图像预处理单元、图像识别单元及防止用户头部旋转的光学系统组成；

其中，红外照明单元与微控制器的CTL2控制口相连，为虹膜采集提供红外照明；指纹采集单元的数据输出口与微控制器的Vin1指纹数据输入口相连，用来采集用户的指纹图像，并激活后续的虹膜采集和识别过程；虹膜采集单元的数据输出口与微控制器的Vin2虹膜数据输入口相连，用来采集用户的虹膜图像；红外测距单元的模拟量输出口与微控制器的A/D转换模块的输入口相连，用来测量用户和本装置前置面板之间的距离；灯光反馈单元与微控制器的Vout1输出口相连，使用彩色发光二极管的不同颜色来向用户反馈距离的远近，以视觉反馈方式提醒用户靠近或者远离；活体检测单元与微控制器的CTL1控制口相连，用来改变绿色发光二极管光照强度，并根据不同光照强度下的瞳孔大小来检测人眼的真假；图像预处理单元的数据输入口与微控制器的Vout2数据输出口相连，用来对虹膜图像和指纹数据进行图像预处理运算；图像识别单元的数据输入口与图像预处理单元的数据输出口相连，用来进行特征提取、特征融合和识别比对等运算；图像识别单元的CTL控制口与上位机或者门禁控制系统相连，用来向上位机或者门禁控制系统传输识别结果。

所述的指纹和虹膜融合识别装置，其特征在于：

上述活体检测单元，如图4所示，活体检测单元由不同阻值的定值电阻分别与绿色发光二极管串联组成。进入活体检测阶段后，单片机通过控制口控制不同阻值的电阻在不同的时间接入电路，以改变电流大小，从而在不同的时刻改变发光二极管的光照强度。根据人体生理学知识，人眼在受到不同的光照强度刺激时，瞳孔大小会发生变化。同时人眼对绿色的光线最为敏感。本发明装置即利用这一点，对不同光照强度下的瞳孔大小进行检测，并根据检测结果来判断虹膜识别对象是否为真实人眼。

所述的防止用户头部旋转的光学系统，由图3所示的半透半反镜和辅助反光镜构成，用来防止用户头部的左右旋转，从而减小由此造成的识别误差。半透半反镜和辅助反光镜外观均为标准圆形，它们位于虹膜采集单元的前置面板。半透半反镜和辅助反光镜的相对位置分别与虹膜采集时被采集者的左眼和右眼的位置相对应，虹膜采集单元的镜头位于半透半反镜正后方。假设本发明装置的理想工作距离（用户与前置面板的距离）为R厘米，根据人体工程学原理计算，半透半反镜和辅助反光镜圆心的水平距离为应6-0.05R厘米，且半透半反镜和辅助反光镜连线的中心位于前置面板的中心。虹膜采集时，要求用户在R±0.5cm的情况下下可以分别从半透半反镜和辅助反光镜中同时看到自己的左眼和右眼。在这样的限制下，用户的头部的水平旋转就会受到限制，从而防止头部旋转对后续识别造成的误差。虹膜采集单元的镜头部分位于半透半反镜的正后方，因为半透半反镜的半透半反特性，当用户可以在半透半反镜中观察到自己的眼睛时，虹膜采集单元即可以透过半透半反镜采集到用户左眼的虹膜图像。

如防止用户头部旋转的光学系统所述，本发明装置去中除自然光的设计是通过将半透半反镜设置在虹膜采集单元的镜头前来实现的。半透半反镜可以将可见光光线截止并反射，同时使红外光光线通过。由于本发明装置是在开放的自然环境下进行虹膜采集，若不进行去自然光处理，采集环境下的自然光以及其他光源会对虹膜采集造成干扰，对采集到的虹膜图像质量产生较大的影响。

本发明装置的工作过程如下：

1、用户使用指纹采集单元采集指纹后，指纹采集单元将指纹数据通过微控制器的Vin1输入口传输给微控制器，微控制器将指纹数据通过Vout2口传输给图像预处理单元；

2、用户进入红外测距单元的工作范围，并将双眼对准采集设备的前置面板的半透半反镜和辅助反光镜；红外测距单元开始检测用户与发明装置前置面板间的距离，并将测得的模拟量通过输出口传输给微控制器的A/D转换模块；微控制器对A/D转换得到的数字量进行判断，如果距离过近，灯光反馈单元会显示红色；如果距离过远，灯光反馈单元会显示蓝色；如果距离满足采集要求，灯光反馈单元会显示绿色，此时微控制器开始接收虹膜采集单元采集到的虹膜图像，并将接收到的虹膜图像通过Vout2数据输出口传输给图像预处理单元；

3、图像预处理单元通过对不同光照强度下虹膜采集单元获得的虹膜图像进行检测处理，得到不同光照强度下的瞳孔直径，如果瞳孔直径不同的光照强度下没有发生明显改变（说明不是真实的人眼），则活体检测不通过；为了防止用户通过使用特殊手段来欺骗检测，本发明装置将不同光照强度下采集图像时的距离进行比较，如果距离改变较大，则活体检测不通过；同时，本发明装置需要对采集到的图像进行模糊程度的评价，当不同强度的图像模糊程度相差较大时，说明图像发生了虚焦，同样说明用户使用了欺骗手段，则活体检测不通过。如无以上不通过情况，则通过活体检测。

4、用户通过活体检测后，图像预处理单元将从微控制器接收到的指纹图像和虹膜图像进行图像预处理操作，并将预处理后的指纹图像和虹膜图像通过图像预处理单元的输出口传输给图像识别单元。

5、图像识别单元将从图像预处理单元接收到图像数据进行特征提取和特征融合，然后利用SVM回归方法进行决策，判断当前用户是否合法。

6、图像识别单元将识别结果通过图像识别单元的控制口将判断结果传输给上位机或者门禁控制系统，完成识别。

本发明的积极效果在于：

将指纹和虹膜的特征矩阵进行融合后识别，而非单独进行识别，提高了识别的可靠性；针对活体检测，提出了一种更为易用可靠，不存在算法依赖性的方法，能够快速有效的进行活体检测；针对虹膜识别中容易出现的头部旋转导致的识别不准确情况提出了一种防止头部旋转的解决方案；针对自然光的影响，设计了一种去自然光的方法。本发明装置能够快速准确的利用虹膜和指纹进行融合识别，具备比二者独立应用情况下更高的可靠性，且利用人体工程学原理、人体生理学原理和光学原理解决了虹膜识别中较为棘手的活体检测、头部水平旋转和自然光问题，降低了识别误差，提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明的逻辑结构框图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的外观图；

图4为本发明中活体检测单元的电路原理图

图中，1、指纹采集面板； 2、辅助反光镜； 3、红外测距单元发射接收装置； 4、灯光反馈发光二极管； 5、半透半反镜； 6、红外照明发光二极管； 7、活体检测照明发光二极管。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示：

本发明装置主要由微控制器、红外测距单元、虹膜采集单元、指纹采集单元、灯光反馈单元、红外照明单元、活体检测单元、图像预处理单元、图像识别单元组成。

在上述的元器件中：

微控制器使用STC12C5A60S2单片机，自带A/D转换电路；红外测距单元使用SHARP GP2D120红外测距单元，测距范围（4 ~ 30）cm；虹膜采集单元使用哲观90万像素解析度IR（透红外）镜头和度申公司生产的CBM130WM 130万像素黑白工业相机组成。指纹采集单元使用U.are.U 4000B指纹采集仪；灯光反馈单元使用5MM共阴 RGB 发光二极管和300Ω定值电阻组成；活体检测照明单元使用绿色发光二极管和200Ω、500Ω、900Ω、1300Ω定值电阻组成；图像预处理单元使用ARM9E-S处理器；红外照明单元的红外发光二极管参数如下：0.3w 波长940nm电压（IV）：1.1-1.4V  电流：100毫安 红外发光强度： 150 mW/sr；图像识别单元使用ARM9E-S处理器。

其连接关系如图2所示：

红外测距单元的数据引脚V0与微控制器的A/D转换模块的模拟量输入引脚Ain相连，将红外测距单元测得的电压模拟量传入微控制器；红外测距单元的VCC和GND分别与微控制器的VCC测和GND相连，用于给红外测距单元供电；红外测距单元用来测量用户和本发明装置前置面板之间的距离。

虹膜采集单元的数据输出Vout与微控制器的数据输入引脚Vin1[0..7]相连，将虹膜采集单元获得的虹膜图像数据传输给微控制器；虹膜采集单元的VCC和GND分别与电源的VCC和GND相连，用于给虹膜采集单元供电；虹膜采集单元用来采集用户的虹膜图像。

指纹采集单元的数据输出Vout与微控制器的引脚Vin2[0..7]相连，将指纹采集单元获得的指纹数据传输给微控制器；纹采集单元的VCC和GND分别与电源的VCC和GND相连，用于给指纹采集单元供电；指纹采集单元用来采集用户的指纹图像；

微控制器的引脚Vout1[0..2]分别与共阴极发光二极管的R、G、B阳极相连，用于控制共阴极发光二极管的颜色；微控制器的GND串联一200Ω定值电阻，并与共阴极发光二极管的阴极相连；微控制器分别接通R、G、B阳极时，二极管发出红、绿、蓝三种颜色；灯光反馈单元使用红绿蓝三种颜色来向用户反馈距离的远近，以视觉反馈方式提醒用户靠近或者远离。

红外照明单元的的VCC和GND分别与微控制器的CTL2和GND相连，用于给红外照明单元供电；红外照明单元为虹膜采集提供红外照明。

活体检测单元如图4所示，4个不同阻值的定值电阻各自与两个绿色发光二极管的阳极串联。微控制器的引脚CTL1[0..3]分别与活体检测单元中串联了不同电阻的4个阳极相连，不同的时刻接通CTL1[0..3]中不同的引脚，为发光二极管供电，从而改变电流大小，控制发光二极管的光照强度；微控制器的GND与活体检测单元的共阴极相连；活体检测单元用来检测被测对象是否为真实人眼。

图像预处理单元的数据输入引脚与微控制器的数据输出引脚Vout2[0..7]相连，将微控制器获得的虹膜图像和指纹图像传输给图像预处理单元；图像预处理单元的VCC和GND分别与电源的VCC和GND相连，用于给图像预处理单元供电；图像预处理单元用来对指纹图像和虹膜图像进行定位、归一化、增强等图像预处理运算。

图像识别单元的数据输入口与图像预处理单元的数据输出口相连，将预处理单元预处理完毕的指纹图像和虹膜图像传输给图像识别单元；图像识别单元的VCC和GND分别与电源的VCC和GND相连，用来给图像识别单元供电；图像识别单元的控制口CTL与上位机或者门禁控制系统相连，用来传输识别结果；图像识别单元用来进行虹膜和指纹特征提取、融合以及识别比对等运算，并向上位机或者门禁控制系统传输识别结果。

如图3外观图所示：

本发明装置外观由以下部分组成，指纹采集面板1、辅助反光镜2、红外测距单元发射接收装置3、灯光反馈发光二极管4、半透半反镜5、红外照明发光二极管6、活体检测照明发光二极管7。

在上述部件中,

半透半反镜5的截止波长为780±10nm，即波长小于780±10nm（自然光波长范围200nm-760nm）的光线完全截止并反射到人眼中被用户看到，其他波长范围内的光线透过半透半反镜5，被其后方的虹膜采集单元镜头捕捉；辅助反光镜2为常规平面反光镜。

其相对位置关系如下，

指纹采集面板1位于本发明装置的上置面板。半透半反镜5和辅助反光镜2位于本发明装置前置面板，外观均为标准圆形，直径均为1.3cm。半透半反镜5和辅助反光镜2的相对位置分别与虹膜采集时被采集者的左眼和右眼的位置相对应。根据所采用虹膜采集单元的各项参数，设定本发明装置的理想工作距离为12cm。根据人体工程学原理计算，半透半反镜5和辅助反光镜2圆心的水平距离为应6-0.05*12cm即5.4cm，且要求半透半反镜5和辅助反光镜2中心连线的中点位于前置面板的正中心。虹膜采集时，要求用户在14±0.5cm的情况下可以分别从半透半反镜5和辅助反光镜2中同时看到自己的左眼和右眼。虹膜采集单元的镜头部分位于半透半反镜5的正后方，因为半透半反镜5的半透半反特性，虹膜采集单元可以透过半透半反镜5采集到用户左眼的虹膜图像。灯光反馈发光二极管4位于本发明装置前置面板的正中心。红外测距单元发射接收装置3位于本发明装置前置面板，在灯光反馈发光二极管4的正上方2cm处。红外照明灯发光二极管6位于本发明装置的前置面板，对称分布在半透半反镜5的左右两边，与半透半反镜5的边缘相聚0.2cm。活体检测照明发光二极管7位于本发明装置的前置面板，对称分布在半透半反镜5的上下两边，与半透半反镜5的边缘相聚0.2cm。

Claims (1)

1.一种指纹和虹膜融合识别装置，其特征在于：主要由微控制器、红外测距单元、虹膜采集单元、指纹采集单元、灯光反馈单元、红外照明单元、活体检测单元、图像预处理单元、图像识别单元及防止用户头部旋转的光学系统组成；

其中，红外照明单元与微控制器的CTL2控制口相连，为虹膜采集提供红外照明；指纹采集单元的数据输出口与微控制器的Vin1指纹数据输入口相连，用来采集用户的指纹图像，并激活后续的虹膜采集和识别过程；虹膜采集单元的数据输出口与微控制器的Vin2虹膜数据输入口相连，用来采集用户的虹膜图像；红外测距单元的模拟量输出口与微控制器的A/D转换模块的输入口相连，用来测量用户和本装置前置面板之间的距离；灯光反馈单元与微控制器的Vout1输出口相连，使用彩色发光二极管的不同颜色来向用户反馈距离的远近，以视觉反馈方式提醒用户靠近或者远离；活体检测单元与微控制器的CTL1控制口相连，用来改变绿色发光二极管光照强度，并根据不同光照强度下的瞳孔大小来检测人眼的真假；图像预处理单元的数据输入口与微控制器的Vout2数据输出口相连，用来对虹膜图像和指纹数据进行图像预处理运算；图像识别单元的数据输入口与图像预处理单元的数据输出口相连，用来进行特征提取、特征融合和识别比对等运算；图像识别单元的CTL控制口与上位机或者门禁控制系统相连，用来向上位机或者门禁控制系统传输识别结果；

所述的防止用户头部旋转的光学系统由半透半反镜和辅助反光镜构成，位于虹膜采集单元的前置，半透半反镜和辅助反光镜的相对位置分别与虹膜采集时被采集者的左眼和右眼的位置相对应，虹膜采集单元的镜头位于半透半反镜正后方。

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