CN104268517A - 一种应用于虹膜识别系统的自动对焦方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于虹膜识别系统的自动对焦方法及系统，其方法包括：步骤1：设置一个焦距初始扫描范围和一个第一步长；步骤2：相机在当前扫描范围内以当前步长不断扫描，得到扫描图像；步骤3：对扫描图像进行处理，得到扫描图像的瞳孔；步骤4：以瞳孔的外边界作为内边界取圆环；步骤5：取圆环内的像素点做频率变化，得到其中高频成分，得到评分值；步骤6：判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，执行步骤7；否则，重置当前扫描范围值和当前步长，并执行步骤2；步骤7：判断虹膜识别系统是否关闭，如果是，执行步骤8；否则，执行步骤2；步骤8：虹膜识别结束，完成自动对焦过程。能快速得到最佳焦点，得到高质量的虹膜图像。

Description

一种应用于虹膜识别系统的自动对焦方法及系统

技术领域

本发明涉及一种自动对焦方法，尤其涉及一种应用于虹膜识别系统的自动对焦方法。

背景技术

生物识别是利用生物特征识别个人身份的一种技术。在所有的生物识别中，虹膜识别是最准确，最安全，最稳定又最健康最方便的。由于高效可用和准确的虹膜识别方法的出现，基于虹膜的自动身份识别和检验系统在过去几年越来越受欢迎。随着人们对虹膜识别系统的应用范围的不断扩大，对虹膜识别系统的要求也不断提高，越来越多的人们期待便携地移动式虹膜识别设备。

移动式虹膜识别设备使用时是非固定的，相机和用户人眼之间的相对位置利用目测很难确定，因此虹膜采集模块对自动对焦的要求更高，对焦速度必须够快，否则会影响移动虹膜识别设备的用户体验效果；同时对焦精度要高，便于获得高质量的虹膜图像，否则会影响虹膜识别的精度。

现有的自动对焦技术中，对焦速度慢，且被测物体和相机的相对位置不断发生变化特别是轻微变化的情况下，相机不会重新对焦，所以对焦效果不理想，下面列举几种现有的自动对焦方法：

1.先设定一张参考图片，设定动态阀值，调整光学元件的焦距，最后定焦；

2.设定预定的对焦参考位置，焦距调整机构在可调焦距范围内逐步调整焦距，捕获图片进行分析，获得最佳的聚焦位置，再控制传动机构将光学组件调整至最佳的聚焦位置；

3.先对环境进行扫描，预测焦点可能的位置，再依次确认焦点的具体位置；

4.先接收图像，判断聚焦程度，然后控制传动机构在预判断的聚焦区间进行扫描，利用图像分析处理系统判断最佳对焦图像后，控制传动机构将光学组件调整到最佳聚焦位置；

5.相对于变焦镜头的中心点位置向左或向右逐步比对，从而找到欲拍摄图像的最大评价值，任何控制传动系统机构将光学组件调整到最佳聚焦位置。

所有这些方法都有以下几个缺点：

1.初始焦距范围确定以后，焦距扫描范围保持不变，对焦精度低；

2.需要将扫描范围内的所有扫面点全部进行处理分析，才能得到最佳对焦点，对焦速度慢；

3.没有专门针对虹膜区域的清晰度来评价对焦效果。

在虹膜识别系统的使用中，对焦精度和对焦速度极大地影响系统的用户使用体验。上述缺点限制了带有高对焦精度、高对焦速度的具有自动对焦功能的移动式虹膜识别系统的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种能根据虹膜图像的质量，实时改变焦距扫描范围，同时具有高对焦精度和高对焦速度的适用于虹膜识别系统的自动对焦方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种适用于虹膜识别系统的自动对焦方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设置一个焦距初始扫描范围和一个第一步长，初始扫描范围为当前扫描范围值，第一步长为当前步长；

步骤2：相机在当前扫描范围内以当前步长不断扫描，得到扫描图像；

步骤3：对扫描图像进行Hough变换处理，确定扫描图像中的瞳孔位置，得到扫描图像的瞳孔；

步骤4：以瞳孔的外边界作为圆环的内边界设置一个圆环；

步骤5：取圆环内的像素点做频率变化，得到其中高频成分，利用高频成分对扫描图像的质量进行评分，得到评分值；

步骤6：判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，执行步骤7；否则，根据评分值重新设置当前扫描范围值和当前步长，并执行步骤2；

步骤7：判断虹膜识别系统是否关闭，如果是，执行步骤8；否则，执行步骤2；

步骤8：虹膜识别结束，完成自动对焦过程。

本发明的有益效果是：实时调整焦距扫描范围及扫描步长，在提高扫描精度的同时大大减少了对焦的时间开销；以虹膜区域的成像质量作为判断对焦效果好坏的标准，非常适用于虹膜识别系统；在相机开启直到虹膜识别结束的整个过程中，一直在进行对焦，即使在人眼与虹膜采集器的相对位置不断发生变化，也能快速得到最佳焦点，得到高质量的虹膜图像。

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，所述步骤5中评分值得计算方法是：计算高频成分占总频率域的比例值，以此比例值作为对焦效果的评分值。

采用上述进一步方案的有益效果是，虹膜区域中的内圆环的像素点的高频成分的比例，比例越高说明对焦效果越好，反之说明对焦效果不好。

进一步，所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤6.1：判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，执行步骤7；否则，执行步骤6.2；

步骤6.2：判断评分值是否小于设定的第二阈值，如果是，以小于初始扫描范围的第一焦距范围作为当前扫描范围，执行步骤2；否则，执行步骤6.3；

步骤6.3：以小于第一焦距范围的第二焦距范围作为当前扫描范围，执行步骤2。

进一步，当扫描范围发生变化后，扫描步长也相应改变，扫描范围大时，选用大步长进行扫描，扫描范围减小后，选用小步长进行扫描。

进一步，所述第一阈值小于第二阈值；所述初始焦距范围大于第一焦距范围，第一焦距范围大于第二焦距范围；每次改变扫描范围，是指以当前扫描点为中点，在其前后取相应的扫描长度的半长得到具体的扫描范围。

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种能根据虹膜图像的质量，实时改变焦距扫描范围，同时具有高对焦精度和高对焦速度的适用于虹膜识别系统的自动对焦系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种适用于虹膜识别系统的自动对焦系统，包括初始化模块、扫描模块、变换模块、圆环模块、评分模块、判断模块和结束模块；

所述初始化模块用于设置一个焦距初始扫描范围和一个第一步长，初始扫描范围为当前扫描范围值，第一步长为当前步长；

所述扫描模块用于控制相机在当前扫描范围内以当前步长不断扫描，得到扫描图像；

所述变换模块用于对扫描图像进行Hough变换处理，确定扫描图像中的瞳孔位置，得到扫描图像的瞳孔；

所述圆环模块用于以瞳孔的外边界作为圆环的内边界设置一个圆环；

所述评分模块用于取圆环内的像素点做频率变化，得到其中高频成分，利用高频成分对扫描图像的质量进行评分，得到评分值；

所述判断模块用于判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，触发结束模块；否则，根据评分值重新设置当前扫描范围值和当前步长，并触发扫描模块；

所述结束模块用于虹膜识别系统关闭时，虹膜识别结束，完成自动对焦过程。

本发明的有益效果是：实时调整焦距扫描范围及扫描步长，在提高扫描精度的同时大大减少了对焦的时间开销；以虹膜区域的成像质量作为判断对焦效果好坏的标准，非常适用于虹膜识别系统；在相机开启直到虹膜识别结束的整个过程中，一直在进行对焦，即使在人眼与虹膜采集器的相对位置不断发生变化，也能快速得到最佳焦点，得到高质量的虹膜图像。

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，所述评分模块中评分值得计算方法是：计算高频成分占总频率域的比例值，以此比例值作为对焦效果的评分值。

进一步，所述判断模块包括第一判断模块、第二判断模块和缩小范围模块；

所述第一判断模块用于判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，触发扫描模块；否则，触发第二判断模块；

所述第二判断模块用于判断评分值是否小于设定的第二阈值，如果是，以小于初始扫描范围的第一焦距范围作为当前扫描范围，触发扫描模块；否则，触发缩小范围模块；

所述缩小范围模块用于以小于第一焦距范围的第二焦距范围作为当前扫描范围，触发扫描模块。

进一步，当扫描范围发生变化后，扫描步长也相应改变，扫描范围大时，选用大步长进行扫描，扫描范围减小后，选用小步长进行扫描。

进一步，所述第一阈值小于第二阈值；所述初始焦距范围大于第一焦距范围，第一焦距范围大于第二焦距范围；每次改变扫描范围，是指以当前扫描点为中点，在其前后取相应的扫描长度的半长得到具体的扫描范围。

先通过Hough变换检测圆的方法，找出瞳孔外边界，即虹膜内边界；然后以虹膜内边界为内圆环，向虹膜区域内取外圆环，圆环的宽度根据图像的情况来确定；再对该圆环区域的像素点做频域变换，利用高频成分进行评分。

对焦过程从开启相机开始直到身份认证结束才结束，以适应手持式虹膜识别系统在使用时人眼与虹膜采集模块的相对位置不断变化的情况。对焦效果的优劣评价以虹膜区域的像素点的对焦效果为依据，虹膜区域的像素点清晰，则系统的对焦效果好；虹膜区域的像素点不清晰，则系统的对焦效果不好。

附图说明

图1为本发明所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦方法流程图；

图2为本发明所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦系统结构框图；

图3为本发明用于分析对焦效果优劣的虹膜区域的示意图；

图4为本发明扫描过程及调整扫描范围的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、初始化模块，2、扫描模块，3、变换模块，4、圆环模块，5、评分模块，6、判断模块，7、结束模块，61、第一判断模块，62、第二判断模块，63、缩小范围模块。

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，为本发明所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设置一个焦距初始扫描范围和一个第一步长，初始扫描范围为当前扫描范围值，第一步长为当前步长；

步骤2：相机在当前扫描范围内以当前步长不断扫描，得到扫描图像；

步骤3：对扫描图像进行Hough变换处理，确定扫描图像中的瞳孔位置，得到扫描图像的瞳孔；

步骤4：以瞳孔的外边界作为圆环的内边界设置一个圆环；

步骤5：取圆环内的像素点做频率变化，得到其中高频成分，利用高频成分对扫描图像的质量进行评分，得到评分值；

步骤6：判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，执行步骤9；否则，执行步骤7；

步骤7：判断评分值是否小于设定的第二阈值，如果是，以小于初始扫描范围的第一焦距范围作为当前扫描范围，执行步骤2；否则，执行步骤8；

步骤8：以小于第一焦距范围的第二焦距范围作为当前扫描范围，执行步骤2；

步骤9：判断虹膜识别系统是否关闭，如果是，执行步骤10；否则，执行步骤2；

步骤10：虹膜识别结束，完成自动对焦过程。。

所述步骤5中评分值得计算方法是：计算高频成分占总频率域的比例值，以此比例值作为对焦效果的评分值。

当扫描范围发生变化后，扫描步长也相应改变，扫描范围大时，选用大步长进行扫描，扫描范围减小后，选用小步长进行扫描。

所述第一阈值小于第二阈值；所述初始焦距范围大于第一焦距范围，第一焦距范围大于第二焦距范围；每次改变扫描范围，是指以当前扫描点为中点，在其前后取相应的扫描长度的半长得到具体的扫描范围。

如图2所示，为本发明所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦系统，包括初始化模块1、扫描模块2、变换模块3、圆环模块4、评分模块5、判断模块6和结束模块7；

所述初始化模块1用于设置一个焦距初始扫描范围和一个第一步长，初始扫描范围为当前扫描范围值，第一步长为当前步长；

所述扫描模块2用于控制相机在当前扫描范围内以当前步长不断扫描，得到扫描图像；

所述变换模块3用于对扫描图像进行Hough变换处理，确定扫描图像中的瞳孔位置，得到扫描图像的瞳孔；

所述圆环模块4用于以瞳孔的外边界作为圆环的内边界设置一个圆环；

所述评分模块5用于取圆环内的像素点做频率变化，得到其中高频成分，利用高频成分对扫描图像的质量进行评分，得到评分值；

所述判断模块6用于判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，触发结束模块7；否则，根据评分值重新设置当前扫描范围值和当前步长，并触发扫描模块2；

所述结束模块7用于虹膜识别系统关闭时，虹膜识别结束，完成自动对焦过程。

所述评分模块5中评分值得计算方法是：计算高频成分占总频率域的比例值，以此比例值作为对焦效果的评分值。

所述判断模块6包括第一判断模块61、第二判断模块62和缩小范围模块63；

所述第一判断模块61用于判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，触发结束模块7；否则，触发第二判断模块62；

所述第二判断模块62用于判断评分值是否小于设定的第二阈值，如果是，以小于初始扫描范围的第一焦距范围作为当前扫描范围，触发扫描模块2；否则，触发缩小范围模块63；

所述缩小范围模块63用于以小于第一焦距范围的第二焦距范围作为当前扫描范围，触发扫描模块2。

当扫描范围发生变化后，扫描步长也相应改变，扫描范围大时，选用大步长进行扫描，扫描范围减小后，选用小步长进行扫描。

所述第一阈值小于第二阈值；所述初始焦距范围大于第一焦距范围，第一焦距范围大于第二焦距范围；每次改变扫描范围，是指以当前扫描点为中点，在其前后取相应的扫描长度的半长得到具体的扫描范围。

先通过Hough变换检测圆的方法，找出瞳孔外边界，即虹膜内边界；然后以虹膜内边界为内圆环，向虹膜区域内取外圆环，圆环的宽度根据图像的情况来确定；再对该圆环区域的像素点做频域变换，利用高频成分进行评分。

对焦过程从开启相机开始直到身份认证结束才结束，以适应手持式虹膜识别系统在使用时人眼与虹膜采集模块的相对位置不断变化的情况。对焦效果的优劣评价以虹膜区域的像素点的对焦效果为依据，虹膜区域的像素点清晰，则系统的对焦效果好；虹膜区域的像素点不清晰，则系统的对焦效果不好。

在具体实施例中，参见图1，首先根据虹膜识别系统使用时，人眼与相机的平均距离来预估初始焦距扫描范围S1；然后在该范围内以第一扫描步长B1进行扫描；对扫描得到的图像做Hough变换检测圆，从而找到瞳孔的外边界，也即虹膜的内边界；根据图像中虹膜区域的大小，确定圆环的宽度α，α与虹膜区域大小成正比，α的具体取值要根据实际情况进行测试得到，以瞳孔外边界为内圆环，以α为圆环宽度在虹膜区域内取圆环，并求该圆环内的高频成分，本实施例中求高频成分的方法是FFT；求圆环内高频成分占所有频率成分的比值，以该比值作为对焦效果的评分值；将评分值与预先设置好的第一阈值，第二阈值进行比较，若评分值小于第一阈值，则扫描范围仍为初始扫描范围，扫描步长仍为第一扫描步长，若评分值大于第一阈值，小于第二阈值，则缩小扫描范围到第一焦距范围S2，减小扫描步长到第二扫描步长B2，若评分值大于第二阈值，则缩小扫描范围到第二焦距范围S3，减小扫描步长到第三扫描步长B3；重复上述对扫描图像做Hough变换找瞳孔边界到评分的过程；对焦过程直至虹膜识别结束才结束。

图3显示了在虹膜区域内圆环的示意图。4.1为虹膜外边界，4.2为方法中取的圆环的外边界，4.3为瞳孔的外边界，也是所取圆环的内边界，α是所取圆环的宽度。根据图像中虹膜区域的大小，确定圆环的宽度α，α与虹膜区域大小成正比，α的具体取值要根据实际情况进行测试得到。在本方法的测试系统中，虹膜图像的大小是256×256，α的取3-5个像素长度。

图4显示了扫描过程中调整扫描范围的示意图。图中高频成分比值曲线是理想情况(人眼与相机的相对位置保持不变)下，在线段AB范围内，不同位置点的高频成分比值分布曲线，曲线的顶点位置是理想焦点。扫描过程从扫描A点开始，以扫描步长B1往B方向扫描，AB为初始扫描范围的两个端点，线段AB的距离是S1，点C、E分别是第一阈值线与第二阈值线与高频成分比值曲线的交点。每扫描一次，就求一次扫描图像的高频成分的比值，当比值小于第一阈值，如扫描点在C点左边，扫描范围和扫描步长仍为初始扫描范围S1和第一步长B1；当比值大于第一阈值小于第二阈值，如扫面点为CD两点之间的D点，那么改变扫描范围到第一扫描范围S2，改变扫描步长到第二扫描步长B2。第一扫描范围的取法为，以当前扫面点D为中点，在D点的左右两边距离S2/2处，取端点A1,B1；当比值大于第二阈值时，如扫面点在F点，那么改变扫描范围到第二扫描范围S3，改变扫描步长到第三扫描步长B3。第二扫描范围的取法为，以当前扫面点F为中点，在F点的左右两边距离S3/2处，取端点A2,B2。扫描范围的距离取值只有S1，S2，S3三种，且S1>S2>S3,但是扫描范围的具体位置是随着扫描点位置的变化而变化的。当扫面点在点D时，比值在第一阈值和第二阈值之间，扫描范围为图示的A1B1，接下去以步长B2往右扫描，也就是说D点的下一个扫描点是(D+B2)点，此时若该点的比值仍在第一阈值和第二阈值之间，那么扫描范围和扫描步长仍是第一扫描范围S1和第二扫描步长B2，但是此时的扫描范围的具体位置是以扫描点(D+B2)为中点，(D+B2)的前后S2/2距离范围内为扫面点。扫描范围跟着扫面点不断变化，当下一个扫描点得到的比值大于前一个扫描点得到的比值时，扫描点向右移动；反之，当下一个扫描点得到的比值小于前一个扫描点得到的比值时，扫描点向左移动，从而该方法能快速将扫描范围定位在理想对焦点的附近。

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 (10)

1.一种适用于虹膜识别系统的自动对焦方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：设置一个焦距初始扫描范围和一个第一步长，初始扫描范围为当前扫描范围值，第一步长为当前步长；

步骤2：相机在当前扫描范围内以当前步长不断扫描，得到扫描图像；

步骤3：对扫描图像进行Hough变换处理，确定扫描图像中的瞳孔位置，得到扫描图像的瞳孔；

步骤4：以瞳孔的外边界作为圆环的内边界设置一个圆环；

步骤5：取圆环内的像素点做频率变化，得到其中高频成分，利用高频成分对扫描图像的质量进行评分，得到评分值；

步骤6：判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，执行步骤7；否则，根据评分值重新设置当前扫描范围值和当前步长，并执行步骤2；

步骤7：判断虹膜识别系统是否关闭，如果是，执行步骤8；否则，执行步骤2；

步骤8：虹膜识别结束，完成自动对焦过程。

2.根据权利要求1所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦方法，其特征在于，所述步骤5中评分值得计算方法是：计算高频成分占总频率域的比例值，以此比例值作为对焦效果的评分值。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦方法，其特征在于，所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤6.1：判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，执行步骤7；否则，执行步骤6.2；

步骤6.2：判断评分值是否小于设定的第二阈值，如果是，以小于初始扫描范围的第一焦距范围作为当前扫描范围，执行步骤2；否则，执行步骤6.3；

步骤6.3：以小于第一焦距范围的第二焦距范围作为当前扫描范围，执行步骤2。

4.根据权利要求3所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦方法，其特征在于，当扫描范围发生变化后，扫描步长也相应改变，扫描范围大时，选用大步长进行扫描，扫描范围减小后，选用小步长进行扫描。

5.根据权利要求4所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦方法，其特征在于，所述第一阈值小于第二阈值；所述初始焦距范围大于第一焦距范围，第一焦距范围大于第二焦距范围；每次改变扫描范围，是指以当前扫描点为中点，在其前后取相应的扫描长度的半长得到具体的扫描范围。

6.一种适用于虹膜识别系统的自动对焦系统，其特征在于，包括初始化模块、扫描模块、变换模块、圆环模块、评分模块、判断模块和结束模块；

所述初始化模块用于设置一个焦距初始扫描范围和一个第一步长，初始扫描范围为当前扫描范围值，第一步长为当前步长；

所述扫描模块用于控制相机在当前扫描范围内以当前步长不断扫描，得到扫描图像；

所述变换模块用于对扫描图像进行Hough变换处理，确定扫描图像中的瞳孔位置，得到扫描图像的瞳孔；

所述圆环模块用于以瞳孔的外边界作为圆环的内边界设置一个圆环；

所述评分模块用于取圆环内的像素点做频率变化，得到其中高频成分，利用高频成分对扫描图像的质量进行评分，得到评分值；

所述判断模块用于判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，触发结束模块；否则，根据评分值重新设置当前扫描范围值和当前步长，并触发扫描模块；

所述结束模块用于虹膜识别系统关闭时，虹膜识别结束，完成自动对焦过程。

7.根据权利要求6所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦系统，其特征在于，所述评分模块中评分值得计算方法是：计算高频成分占总频率域的比例值，以此比例值作为对焦效果的评分值。

8.根据权利要求6或7所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦系统，其特征在于，所述判断模块包括第一判断模块、第二判断模块和缩小范围模块；

所述第一判断模块用于判断评分值是否小于设定的第一阈值，如果是，触发结束模块；否则，触发第二判断模块；

所述第二判断模块用于判断评分值是否小于设定的第二阈值，如果是，以小于初始扫描范围的第一焦距范围作为当前扫描范围，触发扫描模块；否则，触发缩小范围模块；

所述缩小范围模块用于以小于第一焦距范围的第二焦距范围作为当前扫描范围，触发扫描模块。

9.根据权利要求8所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦系统，其特征在于，当扫描范围发生变化后，扫描步长也相应改变，扫描范围大时，选用大步长进行扫描，扫描范围减小后，选用小步长进行扫描。

10.根据权利要求9所述的一种适用于虹膜识别系统的自动对焦系统，其特征在于，所述第一阈值小于第二阈值；所述初始焦距范围大于第一焦距范围，第一焦距范围大于第二焦距范围；每次改变扫描范围，是指以当前扫描点为中点，在其前后取相应的扫描长度的半长得到具体的扫描范围。