CN104573667A - 一种提高移动终端的虹膜图像质量的虹膜识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高移动终端的虹膜图像质量的虹膜识别装置，包括红外光发射单元、图像采集单元、反馈模块、电源模块和图像处理单元，红外光发射单元沿红外光发射方向包括一组或者多组红外灯以及发散透镜，能够以第一发散角发出红外光，第一发散角大于图像采集单元的视场角；图像采集单元用于采集人眼的虹膜图像，能够将光信号转化成数字信号，形成数字图像，同时给红外光发射单元提供同步控制信号，控制红外光发射单元的工作；图像处理单元用于处理拍摄的人眼虹膜图像，并且根据处理结果对其他模块发送相应的控制信号；反馈模块用于提供人机交互的反馈信号；电源模块为红外光发射单元提供电源；其中红外光发射单元与图像采集单元间距至少为5mm。

Description

一种提高移动终端的虹膜图像质量的虹膜识别装置

技术领域

本发明涉及一种虹膜识别装置及其控制方法，特别涉及一种用于移动终端的虹膜识别装置及包含这种虹膜识别装置的移动终端。

背景技术

移动设备(诸如手机、平板电脑、笔记本电脑等)的个人信息安全和网络交互信息安全问题越发突出。为了保障信息安全，很多厂商已经在移动设备上集成了多种用于身份识别的装置。例如，移动设备已经成功集成了人脸识别或指纹识别装置用于身份识别。

虹膜是眼睛的一个组成部分，是瞳孔和巩膜之间的环状组织，每只眼睛的虹膜图案各不相同，且终身不变。因此，相比人脸识别和指纹识别技术，虹膜识别具有唯一性高、稳定性强、非侵犯性等优点，而且目前移动设备如手机、平板电脑、移动电脑上都已经有图像采集单元模组用于拍摄照片，完全可以用这些图像采集单元模组来实现虹膜识别。

但是，目前移动终端上配置的前置图像采集单元，主要用于自拍功能，只支持可见光成像，对红外光是通过滤光片去除的；而虹膜识别要求近红外成像，必须让红外光能够到达图像传感器芯片。因此，现有的移动终端前置图像采集单元无法直接支持虹膜识别，需要增加红外光发射单元灯，例如高亮度的红外LED灯，并且修改现有前置图像采集单元模组来支持虹膜识别。

增加红外光发射单元灯后，如果使用者佩戴眼镜使用虹膜识别功能，从拍摄的图像来看，照明灯在眼镜片上会形成光斑，当光斑点恰巧在虹膜区域时，就会遮挡住虹膜本身的纹理，从而影响虹膜图像的质量。由于手机的电池容量有限，一般安装在手机上的红外光发射单元灯都是采用低功率的LED，当拍摄戴眼镜使用者的虹膜时，由于眼镜片的对红外光的散射、反射和吸收，会让到达传感器芯片的红外光能量减少，使得信噪比降低，导致虹膜纹理不清晰，从而影响虹膜图像的质量。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于移动终端的虹膜识别装置，所述虹膜识别装置包括红外光发射单元、图像采集单元、反馈模块、电源模块和图像处理单元，其中，所述红外光发射单元沿红外光发射方向包括一组或者多组红外灯以及发散透镜，能够以第一发散角发出红外光，所述第一发散角大于所述图像采集单元的视场角；所述图像采集单元用于采集人眼的虹膜图像，能够将光信号转化成数字信号，形成数字图像，同时给红外光发射单元提供同步控制信号，控制红外光发射单元的工作；所述图像处理单元用于处理拍摄的人眼虹膜图像，并且根据处理结果对其他模块发送相应的控制信号；所述反馈模块用于提供人机交互的反馈信号；所述电源模块为所述红外光发射单元提供电源；其中所述红外光发射单元与所述图像采集单元间距至少为5mm。

优选地，当所述图像采集单元用于采集人的双目虹膜时，所述红外光发射单元与图像采集单元间距为5-10毫米。

优选地，当所述图像采集单元用于采集人的单目虹膜时，所述红外光发射单元与图像采集单元间距为30～40毫米。

优选地，所述发散透镜选自凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜，所述发散角度的半角为7度至30度。

优选地，所述红外光发射单元工作在多种模式下，其中低功耗模式用于人眼检测、眼镜检测、距离判断、自动对焦；中功耗模式用于拍摄裸眼的虹膜图像；高功耗模式用于拍摄佩戴眼镜时的虹膜图像。

优选地，当所述红外光发射单元工作高功耗模式的工作时间达到一定阈值时，切换到低功耗模式或者关闭。

优选地，所述图像采集单元是定焦模组或自动对焦模组。

优选地，当拍摄的图像有红眼现象时，控制调整光照强度使得使用者的瞳孔变小。

优选地，所述反馈信号选自声音、图像、视频以及振动中的一种或多种。

根据本发明的另一方面了，提供了一种包含上述虹膜识别装置的移动终端，所述移动终端选自智能电话、平板电脑、智能可穿戴设备、智能手表、智能眼镜、智能手环、智能门锁中的任意一种。

本发明的优点在于通过配置特定的红外光发射单元与虹膜图像采集单元之间的相对位置和发散透镜，可进行最佳红外光发射单元强度的调整，使得无论使用者是裸眼还是戴眼镜，都能够采集到清晰的虹膜图像，从而保证虹膜识别的准确性，更可以节省不必要的电流消耗，和普通的红外光发射单元方式相比，可以达到延长电池使用时间的效果。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1(a)示意性示出本发明用于移动终端的虹膜识别装置的功能模块系统框图；

图1(b)示意性示出本发明用于移动终端的虹膜识别装置的机构原理图；

图1(c)示意性示出本发明虹膜识别装置用于双眼识别的原理示意图；

图1(d)示意性示出本发明虹膜识别装置用于单眼识别的原理示意图；

图1(e)示意性示出本发明虹膜识别装置的红外光发射单元与图像采集单元的相对位置关系；

图2示意性示出本发明虹膜识别装置用于移动终端的虹膜识别装置的控制方法流程图；

图3(a)和图3(b)示意性示出了本发明虹膜识别装置中红外光发射单元和图像采集单元在手机终端上两种布置方式。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1(a)示出了根据本发明的用于移动终端的虹膜识别装置100的系统框图。如图1(a)所示，该虹膜识别装置100包括红外光发射单元101、图像采集单元102、图像处理单元103、反馈模块104和电源模块105。该虹膜识别装置100可以与移动终端集成为一体，移动终端包括但不限于智能手机、平板电脑、智能手表、智能眼镜、智能手环、智能门锁、智能可穿戴设备等。

红外光发射单元101用于发射红外光，如图1(c)所示，红外光发射单元101可以沿红外光发射的方向依次包括一组或者多组红外灯以及位于红外灯前方的发散透镜110。红外灯优选为红外LED。发散透镜110的设置使得红外光发射单元101能够以一定的发散角发出红外光。红外光的中心波长优选为850nm，其中发散角的半角为7度至30度。发散透镜110例如可以选自凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜等光学透镜。所述发散透镜110使得红外光发射单元101发出红外光线的发散角大于图像采集单元102的视场角。

根据本发明的一个实施例，红外光发射单元101可工作在不同的功耗模式下。其中，低功耗模式用于人眼检测、眼镜检测、距离判断、自动对焦；中功耗模式用于拍摄裸眼的虹膜图像；高功耗模式用于拍摄佩戴眼镜时的虹膜图像。当红外光发射单元101工作在低功耗模式时，红外光的强度不足以进行虹膜图像的采集，此时可以进行人眼检测、眼镜检测、位置检测等功能，并给出反馈信号提示用户调整位置。当调整的位置合适时，红外光发射单元101可切换为正常功耗模式。在正常功耗模式下时，根据用户是否佩戴眼镜调整红外闪光灯的亮度，从而拍摄到清晰的、无光斑遮挡的虹膜图像。

红外光发射单元101的上述不同工作模式可以根据实际使用的场合进行切换和选择。特别地，当红外光发射单元101长时间工作在高功耗模式下时，由于长时间照射红外光对人眼存在一定的安全隐患，同时高亮度的红外光发射单元101也是一个高功耗元器件。因此，还可以判断高功耗模式的工作时间是否达到一定阈值。如果时间过长以达到一定阈值，则虹膜识别装置100会重新进入红外光发射单元101的低功耗模式或者关闭。

图像采集单元102，用于采集人眼的虹膜图像，能够将光信号转化成数字信号，形成数字图像。根据本发明的一个实施例，图像采集单元102同时可以给红外光发射单元101提供同步控制信号，控制红外光发射单元101的工作，即保证在图像采集单元102在采集虹膜图像的同时红外光发射单元101正好发出红外光线，而在无需采集虹膜图像的时候关闭红外光发射单元101，从而降低设备的功耗。

根据本发明的一个实施例，所述图像采集单元102的等效焦距为2.5毫米～5毫米；光圈范围为2.0～2.8；镜头座直径Φ4毫米～Φ8毫米；光学总长度为3毫米～6毫米。所述图像采集单元102可以是定焦模组也可以是自动对焦模组。此外图像采集单元102也可以共用移动终端的图像采集单元。

根据本发明的一个实施例，所述图像采集单元102与红外光发射单元101之间的间距至少为5mm。根据一个实施例，当图像采集单元102用于采集人的双目虹膜时，红外光发射单元101与图像采集单元102之间的间距为5-10毫米，优选地，为5毫米。当图像采集单元102用于采集人的单目虹膜时，设置红外光发射单元101与图像采集单元102之间的间距为30～40毫米，优选地为35毫米。

图像处理单元103，用于处理拍摄的人眼虹膜图像，并且根据处理结果对其他模块发送相应的控制信号。所述图像处理单元102可以是单独的模块，也可以通过在内置于移动终端的图像处理单元来实现。

反馈模块104，为使用者提供用于人机交互的反馈信号，例如提供图像或者声音等，以提示使用者调整眼睛的位置以便图像采集。反馈信号例如包括声音、图像、视频以及振动等多种信号。反馈模块104也可以利用移动终端的功能将提示信息反馈给使用者，例如移动终端的显示屏或扬声器以及振动电机。

电源模块105，为红外光发射单元101提供电源。根据本发明的电源模块105可以具有多种供电模式。根据本发明的一个实施例，电源模块105通过升压恒流电路对移动终端的电池进行升压恒流，从而满足红外光发射单元101的用电需求。根据本发明的另一实施例，电源模块105还可以共用移动终端的电源。

图1(b)示意性的给出了使用者佩戴眼镜镜片107的情况下虹膜图像采集和处理的原理图，如图1(b)所示，红外光发射单元101发射的红外光线A1并入射到镜片107上形成一个光斑108，红外光线A1经镜片107反射后的红外光线A2进入了图像采集单元102，从而形成光斑并有可能遮挡住人眼106的虹膜图像。另外，红外光线A1经镜片107折射后在眼睛106的角膜上也会形成一个光斑109，光斑109位于瞳孔内。进一步红外光线A1经人眼106反射和镜片107的折射后形成红外光线A3，图像采集单元102采集的光线可能包括红外光线A3和红外光线A2，而红外光线A2则会影响虹膜图像的清晰图和虹膜识别结果，所以在实际应用中应尽量减少红外光线A2进入到图像采集单元102。

如图1(b)所示，当红外光发射单元101与图像采集单元102之间的距离D1增大时，红外光发射单元101与眼睛106之间连线与水平面之间的夹角δ(即发散角α的半角)也增大。当D1足够大时红外光线A2就无法进入到图像采集单元102。然而通常情况下，由于移动终端的前部面板的尺寸空间所限，不能无限加大红外光发射单元101与图像采集单元102之间的距离D1，距离过大也会影响使用者的移动终端的美观和使用者的使用体验效果。根据本发明的上述虹膜识别装置100，通过选择出合适的距离D1，并配合适当的发散角度δ，不仅可以提高虹膜识别的精度，还可以优化移动终端上红外光发射单元101和图像采集单元102的布置方式。

图1(c)为根据本发明另一实施例的红膜识别装置100用于双眼106识别的原理示意图。在双目识别的情况下，通常设置为用户的双眼连线的中心处对应于图像采集单元102的位置，以增强用户体验。根据本实施例，如图1(c)所示，采用一个红外光发射单元101，设置红外光发射单元101与图像采集单元102之间的间距D1为5-10毫米，优选地，为5毫米。红外光发射单元101的光线发射方向上还设置有透镜110，发散透镜110可以调节红外光发射单元101发出红外光线的发散角，且红外光发射单元101与眼睛106之间的夹角δ与D1以及镜头与人眼之间的物距有关，优选设置得尽量大。优选的，当D1为10mm，物距为150mm时，夹角δ大于5度。更优选地，所述夹角δ为7度至30度。图像采集单元102的视场角是FOV，调节红外光发射单元101的发散透镜110使得红外光发射单元101发出红外光线的发散角α大于图像采集单元102的视场角。优选的，α比FOV大10度。这样既能保证照明的效果也能避免能量的浪费。

图1(d)为根据本发明又一实施例的红膜识别装置100用于单眼识别的原理示意图。在单眼识别的情况下，通常设置为用户眼睛的虹膜中心处对应于图像采集单元102的位置。根据本实施例，如图1(c)所示，采用一个红外光发射单元101，设置红外光发射单元101与图像采集单元102之间的间距D1可以设置得比双目的情况更大，例如为30～40毫米，优选地为35毫米。红外光发射单元101的光线发射方向上还设置有透镜111，发散透镜111可以调节红外光发射单元101发出红外光线的发散角，且红外光发射单元101与眼睛106之间的夹角δ与D1以及镜头与人眼之间的物距有关，优选设置得尽量大。优选的，当D1为40mm，物距为150mm时，夹角δ大于15度。图像采集单元102的视场角是FOV，调节红外光发射单元101的发散透镜111使得红外光发射单元101发出红外光线的发散角α大于图像采集单元102的视场角，优选的，α比FOV大10度。

图1(e)示出了红外光发射单元101与图像采集单元102之间的位置关系，红外光发射单元101可以位于以图像采集单元102中心为圆心、半径为R的圆周上任意位置。优选地，将红外光发射单元101设置在图像采集单元102的正下方5毫米的位置。根据移动终端前部面板的常规设计，可以将红外光发射单元101设置在图像采集单元102的左边或者右边。

图2示出了本发明用于移动终端的虹膜识别装置100的控制方法的流程图200，并结合图1(a)对该流程图作出如下具体描述：

步骤201：使用者启动虹膜识别装置100并进入低功耗工作模式。具体地，通过图像处理单元103控制启动图像采集单元102，同时发送控制信号给电源模块105，让其进入低功耗的工作模式，此时，红外光发射单元101将以较低亮度发出红外光线。

步骤202：在低功耗的工作模式下，图像采集单元102采集人眼检测图像并计算出人眼位置。具体地，图像采集单元102采集到较暗的图像，该较暗图像虽然不满足虹膜识别要求，但满足人眼106检测所要求的脸部图像。同时进一步确定使用者的双眼106是否处于红外光发射单元101发射光线的范围之内。如果人眼106位于红外光线的范围内，由于人类的瞳距D2在65毫米左右，因此图像处理单元103也可通过脸部图像中双眼106之间以像素为单位的距离值估算出使用者离图像采集单元102的位置和距离。

步骤203：判断人眼106与图像采集单元102之间距离是否合适，即是否满足虹膜识别的要求。如果该距离满足要求，则进一步识别人眼是否戴有眼睛107(步骤205)；如果人眼与图像采集单元102之间的相对距离不合适，那么图像处理单元103会产生相应的反馈信号并提示使用者调整该距离(步骤204)，例如提示使用者靠近或者远离图像采集单元102以调节使用者与图像采集单元102之间的距离，也可以提示使用者向左或者向右平移，使得使用者的双眼106处于拍摄画面的中心位置以及红外光发射单元101照明区域的中心位置。

这些反馈信息都可以通过反馈模块104，该反馈模块104可以利用移动终端的功能将提示信息反馈给使用者，例如移动终端的显示屏或扬声器以及振动电机，同时返回步骤202进行重新检测。

另外，如果图像采集单元102具有自动对焦功能，那么图像采集单元102可以在红外光发射单元101的辅助下调节焦点并完成自动对焦。

步骤205：根据人眼周围光斑的分布情况，进一步可以分析和判断出使用者是否佩戴了眼镜107。如果使用者没有佩戴眼镜107，那么红外光发射单元101启动中功耗模式(步骤206)，拍摄虹膜图像后进行识别；如果使用者佩戴了眼镜107，那么就启动红外光发射单元101高功耗模式(步骤207)，增加一定的光强以补偿眼镜107片散射和吸收掉的红外光强，使得拍摄的虹膜图像更加清晰以便于虹膜识别。如果拍摄的图像有红眼现象，那么需要控制调整光照强度，例如控制移动终端的液晶屏亮度变亮，从而让使用者的瞳孔变小，从而减轻红眼现象。

步骤208：选择中功耗模式(步骤206)或高功耗模式(步骤207)后即可进行虹膜图像的采集并识别虹膜图像。图像处理单元103会对每一幅图像进行处理，并判断是否可以识别出虹膜(步骤211)，一旦虹膜图像清晰可识别则可获得虹膜识别结果，那么整个虹膜识别的整个流程就结束，然后图像处理单元103会关闭图像采集单元102，同时控制电源模块105不给红外光发射单元101供电。

根据本发明的一个实施例，由于长时间照射红外光对人眼存在一定的安全隐患，同时高亮度的红外光发射单元101也是一个高功耗元器件。因此工作在高功耗模式下，还可以判断高功耗模式的工作时间是否过长(步骤209)，如果时间过长，那么虹膜识别装置100会重新进入红外光发射单元101的低功耗模式(步骤201)，并重新引导使用者调节位置。

图3(a)和图3(b)示意性示出了本发明虹膜识别装置100中红外光发射单元101和图像采集单元102在手机终端上两种布置方式，其中图3(a)中红外光发射单元101和图像采集单元102上下布置，图3(b)中红外光发射单元101和图像采集单元102左右布置。当拍摄双目虹膜图像时，红外光发射单元101与图像采集单元102之间的距离为5～10毫米，优选采用5毫米；当拍摄单目虹膜图像时，红外光发射单元101与图像采集单元102之间的距离为30～40毫米，优选采用35毫米。

如上所述，本发明的优点在于通过配置特定的红外光发射单元与虹膜图像采集单元之间的相对位置和发散透镜，当需要进行虹膜识别时，先使红外光发射单元发出低强度的红外光，以进行眼睛检测和使用者交互，然后再进行最佳红外光发射单元强度的调整，使得无论使用者是裸眼还是戴眼镜，都能够采集到清晰的虹膜图像，从而保证虹膜识别的准确性。

在本发明中，由于采用的是分段式的光强控制，以及根据使用者是否佩戴眼睛进行光强调节的方式，从而可以节省不必要的电流消耗，和普通的红外光发射单元方式相比，可以达到延长电池使用时间的效果。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种提高移动终端的虹膜图像质量的虹膜识别装置，所述虹膜识别装置包括红外光发射单元、图像采集单元、反馈模块、电源模块和图像处理单元，其中，

所述红外光发射单元沿红外光发射方向包括一组或者多组红外灯以及发散透镜，能够以第一发散角发出红外光，所述第一发散角大于所述图像采集单元的视场角；

所述图像采集单元用于采集人眼的虹膜图像，能够将光信号转化成数字信号，形成数字图像，同时给红外光发射单元提供同步控制信号，控制红外光发射单元的工作；

所述图像处理单元用于处理拍摄的人眼虹膜图像，并且根据处理结果对其他模块发送相应的控制信号；

所述反馈模块用于提供人机交互的反馈信号；

所述电源模块为所述红外光发射单元提供电源；

其中所述红外光发射单元与所述图像采集单元间距至少为5mm。

2.如权利要求1所述的虹膜识别装置，其中当所述图像采集单元用于采集人的双目虹膜时，所述红外光发射单元与图像采集单元间距为5-10毫米。

3.如权利要求1所述的虹膜识别装置，其中当所述图像采集单元用于采集人的单目虹膜时，所述红外光发射单元与图像采集单元间距为30～40毫米。

4.如权利要求1所述的虹膜识别装置，其中所述发散透镜选自凸透镜、凹透镜、菲涅尔透镜，所述发散角度的半角为7度至30度。

5.如权利要求1所述的虹膜识别装置，其中所述红外光发射单元工作在多种模式下，其中低功耗模式用于人眼检测、眼镜检测、距离判断、自动对焦；中功耗模式用于拍摄裸眼的虹膜图像；高功耗模式用于拍摄佩戴眼镜时的虹膜图像。

6.如权利要求5所述的虹膜识别装置，其中当所述红外光发射单元工作高功耗模式的工作时间达到一定阈值时，切换到低功耗模式或者关闭。

7.如权利要求1所述的虹膜识别装置，其中所述图像采集单元是定焦模组或自动对焦模组。

8.如权利要求1所述的虹膜识别装置，其中当拍摄的图像有红眼现象时，控制调整光照强度使得使用者的瞳孔变小。

9.如权利要求1所述的虹膜识别装置，其中所述反馈信号选自声音、图像、视频以及振动中的一种或多种。

10.一种包含上述权利要求1至9中任一个的移动终端，所述移动终端选自智能电话、平板电脑、智能可穿戴设备、智能手表、智能眼镜、智能手环、智能门锁中的任意一种。