CN107343174A - 远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置及方法，属于安防设备领域。抓拍装置包括至少一个摄像头组，每个摄像头组中包含有若干对摄像头，每个摄像头对能独立形成双目视差且拍摄区域相同的摄像头对，一个摄像头大组是由不同的摄像头对组成，每对摄像头对分别具有不同的焦距；各摄像头组均与作为中央数据处理及控制设备的控制模块相连；一部用于拍摄移动目标防伪人脸虹膜的拍摄相机；以及一个与控制模块相连的变焦装置，变焦装置与拍摄相机配合，用于对拍摄相机的焦距进行调整。本发明相对于现有技术而言，通过由若干摄像头对组成的多对摄像头(分别对应远、中、近目标)，能够对整个监控区域内不同距离的移动目标进行检测，避免了因目标的距离太远，摄像头对目标信号提取太小，导致目标无法提取或提取不稳定，导致系统不可靠。
Description
技术领域
本发明属于安防设备领域，具体涉及一种远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置及方法。
背景技术
安全问题一直是社会公众关注的核心问题之一。利用监控系统辨识嫌疑人或犯罪分子是其重要功能，如利用所拍摄目标图像进行人工判读或与数据库中人脸、虹膜进行比对或，自动识别可疑、有前科或在逃人员，发挥安全预警、协助侦查的作用。若拍摄的目标图像不够清晰，则监控系统功能难以发挥。
当前在监控系统中所采用的照相、照相机镜头基本上都是定焦镜头。例如，在交通路口对汽车闯红灯的抓拍，就是采用了定焦镜头、对特定的车道、特定的距离的闯红灯汽车进行抓拍。但是，在许多场合，由于移动监控目标的位置、距离、方向都不一样，导致采用定焦镜头所摄取的监控画面中监控目标模糊不清。实际上，这样就大大削弱了监控系统的监控效果。要想解决问题，可以采用超高分辨率的照相机，但是这样不仅大大增加了系统的设备投入费用，而且还会大幅度地增加视频存储开销与网络传输的负荷。如果采用手动控制的电动变焦镜头，则可以把目标拉近，从而能够观察到清晰的目标。
申请号为201621226667.4的实用新型专利公开了一种移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置，其箱体内设有第一摄像头、第二摄像头、变焦装置和控制装置，其原理是通过两个摄像头形成双目视觉，测量摄像头与目标之间的距离，最后调整相应焦距拍摄得到目标图像。然而，由于目标距离较近(一般5米以内左右，3米左右最佳)，对距离较远(10米)的目标，由于人脸在背景中的图像信号太弱，难以捕捉到运动的人脸目标，导致整个系统不稳定。因此该方案在实际应用过程中，小范围(5米以内)是可靠的，有待于进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中捕捉移动目标防伪人脸虹膜距离远的缺陷，并提供一种远距离移动目标防伪人脸虹膜防拍装置。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置，其包括：
至少一个摄像头大组(简称摄像头组)，每个摄像头组中包含有若干对能独立形成双目视差且拍摄区域相同的摄像头对，每一个摄像头组中不同的摄像头对分别具有不同的焦距；所有摄像头组均与作为中央数据处理及控制设备的控制模块相连；
一部用于拍摄移动目标防伪人脸虹膜的拍摄相机；以及
一个与控制模块相连的变焦装置，变焦装置与拍摄相机配合，用于对拍摄相机的焦距进行调整。
本发明中，摄像头对是指由两个摄像头组成的摄像设备，为了保持双目视差测距的准确性，应选择两个相同型号的摄像头，并且焦距相同。
作为优选，所述的摄像头组有多个，分别朝向待监控区域的不同角度，可以通过遍历各个摄像头组，实现对移动目标的宽范围追踪。
作为优选，所述的摄像头组优选为3组，形成覆盖180°连续范围的监控区域。
作为优选，每组摄像头组中包含3对摄像头对，其焦距分别对应于待监控区域的远、中、近三个区域范围。
作为优选，所述的拍摄相机采用像素不低于1000万的单反相机。
作为优选，所述的拍摄相机的镜头焦距采用80～400mm。
作为优选，所述的摄像头对由两个相同的USB摄像头构成。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍方法，其步骤如下：
S1：依次获取各摄像头组中的摄像头的数字视频流图像，对所有摄像头对监控到的图像不断进行帧间差操作，当摄像头对中两个摄像头的监控图像差值均超过预设阈值时，即认为该组摄像头组检测到移动目标；
S2：依次利用检测到移动目标的摄像头组中的摄像头对，摄取移动目标的图像，并基于各摄像头对的定标参数，通过双目视差原理计算当前摄像头对与移动目标间的距离，若当前摄像头对无法获取距离参数，则切换至下一摄像头对，直至获得移动目标距离摄像头对的距离参数为止；
S3：基于S2中获得的距离参数，通过变焦装置对拍摄相机的焦距进行调整，然后由拍摄相机拍摄若干张移动目标人脸虹膜的清晰图像。
作为优选，根据拍摄相机测得的移动目标人脸图像，利用梯度算法计算图像的边缘值，判断移动目标人脸图像是否存在景深，若不存在人脸景深则判定该图像不是实际的人脸图像。
作为优选，所述的控制模块中预先存储有人体模型，帧间差操作过程中画面的变化区域与人体模型匹配时，即认为检测到了移动的人脸目标。
本发明相对于现有技术而言，通过由若干摄像头对组成的多个摄像头组，能够快速对整个监控区域内不同距离的移动目标进行检测，避免了因多次对焦测距造成的移动目标捕捉耗时长、速度慢等缺陷。本发明通过控制不同焦距的摄像头对进行对焦测距，即可准确获得移动目标距离摄像头的距离，并反馈控制拍摄相机获得清晰的人脸或虹膜图像，能够实现远距离(30m)、快速、准确的人脸虹膜拍摄。
附图说明
图1为本发明中远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置的结构示意图；
图中：摄像头组1、移动目标2、拍摄相机3、控制模块4、变焦装置5。
图2为本发明中摄像头组的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本实施例中，待抓拍的移动目标是人脸部的虹膜，由于人体眼部区域较小，因此其远距离抓拍难度极高，对于抓拍装置的对焦速度有着极高的要求。
该装置是通过若干组用于检测目标的摄像头组1以及一部能够清晰拍摄人脸虹膜的拍摄相机3实现的。为了满足防伪人脸虹膜识别对于图像的要求，用于拍摄移动目标防伪人脸虹膜的拍摄相机3采用像素不低于1000万的单反相机，目前市场上大部分单反相机均可以满足该要求。单反相机的镜头焦距可采用80～400mm，本实施例中相机镜头采用尼康AF-S NIKKOR 80-400mm f/4.5-5.6G ED VR。
如图1所示，摄像头组1一般设置多组，以扩大监测角度范围。当然如果监测区域比较小，也可以仅设置一组。本实施例中设有3组，分别朝向待监控区域的不同角度，形成覆盖180°连续范围的拍摄区域。该区域能够满足绝大部分场景下的监控需求。所有摄像头组1均与作为中央数据处理及控制设备的控制模块4相连，控制模块4可采用PC、MCU等实现，也可以通过远程通信连接至外部数据处理装置或者云平台。
每个摄像头组1中包含有若干对摄像头对，每对摄像头对中有两个摄像头，相隔一定间距(0.6mm左右)，对于拍摄到的同一目标，能够形成双目视差。根据视差原理，可以测量出运动物体距离摄像头的距离(视差就是从有一定距离的两个点上观察同一个目标所产生的方向差异)。
为了能够减少重复“拍摄—测距—变焦”这一过程，每一个摄像头组1中不同的摄像头对分别具有不同焦距(定焦)。例如，在一实施例中，如图2所示，每一个摄像头组1由3对PC摄像头对构成，摄像头对1、摄像头对2、摄像头对3采用可手动变焦调节功能的USB摄像头，分辨率在800万像素以上，焦距可以手动调节。当然，也可以采用其他摄像头来实现，但USB摄像头较为普遍，能够满足本装置的使用需求且成本较低。3对摄像头对覆盖远、中、近三种焦距，具体的焦距可以根据监视的远近要求进行设置，例如该实施例中监控区域是30米以内，因此可以设置焦距使3对摄像头对的清晰拍摄距离分别为3m、15m和30m。由此，当检测到移动目标时，可以通过3个摄像头对进行移动目标的拍摄测距，然后通过对图像进行分析，选出最适宜拍摄该移动目标的摄像头对，然后基于其双目视差得到的移动目标离摄像头的距离，调整拍摄相机3的焦距参数(变焦过程)，对移动目标进行抓拍。
拍摄相机3的焦距调整时通过变焦装置5来实现的。变焦装置5可以内置于拍摄相机3的变焦镜头中，直接接收控制模块4的控制信号，也可以采用外置设备。在一实施例中，变焦装置5可以采用步进电机来实现：步进电机的输出轴上连接丝杆和齿轮以及与其配套的步进电机驱动器，驱动器分别与控制模块4相连并接收控制模块4发出的信号，然后反馈控制步进电机，驱动器由220V电源进行供电。拍摄相机3的镜头外围通常由变焦环控制改变焦距，变焦环上环绕布设有齿状的凸起，通过齿轮与变焦环上的凸起进行匹配接触，通过齿轮转动带动变焦环转动，以调节拍摄相机的焦距，这样能够拍摄到清晰的运动目标图像。
基于上述抓拍装置，本发明还给出了远距离一种移动目标防伪人脸虹膜抓拍方法，其步骤如下：
第一步：遍历扫描所有第一个摄像头组中的摄像头的数字视频流图像，对摄像头组中的所有摄像头对监控到的图像不断进行帧间差操作，当摄像头对中两个摄像头的监控图像差值均超过预设阈值时，即认为该摄像头组检测到移动目标。
无移动目标时，在监控视频中的相邻的图像帧内容变化不大，当一个运动目标出现在监控画面中时，则引起图像帧发生较大变化，本装置的移动目标检测即是基于该原理。具体的检测过程为：通过USB接口接受来自所有摄像头对的数字视频流图像，对于接收到的序列图像，不断进行帧间差操作，当差值达到某一阈值时(根据实际的现场调试)，则可以发现监测目标的距离，此处要求摄像头对同时符合阈值条件，即可认为发现了移动目标。发现移动目标后，根据检测画面的变化范围，依据事先设定的人脸模型，检测出需要拍摄的目标物(例如，头部的区域的人脸或眼睛)。
若第一个摄像头组没有检测到移动目标，则通过程序循环切换到第二个摄像头组、第三个摄像头组(当仅有1组时直接实时监测第一个摄像头组的图像)，以便测得180度范围的监视场所。为了获得更大视角的监视现场，还可以增加摄像头组，控制程序上也需要作适当的调整，总之要根据实际监视的场景范围确定摄像头组的个数。
第二步：当某一个摄像头组检测到移动目标后，调用该组摄像头组中所有的摄像头对，通过双目视差原理进行移动目标的测距。此测距过程中，需要调用摄像头的定标参数，因此各摄像头在使用前需要预先进行定标，以满足后续双目视差测距的需求。定标可以通过拍摄同一个场景，两个摄像头提供具有一定视差图像，经预先做好的定标器(有预设尺寸的黑白方格板)标定，可以提取运动目标的距离信息，从而为实施拍摄相机自动变焦提供控制数据。
为了实现远距离、快速测量移动目标距离，测距过程可以采用如下方法：
依次利用检测到移动目标的摄像头组中的摄像头对，摄取移动目标的图像(假如在第一步帧间差操作时所获取的图像满足双目视差测距要求，也可以采用第一步中获取的图像)，并基于各摄像头对的定标参数，通过双目视差原理计算当前摄像头对与移动目标间的距离，若因为图像中移动目标过小、无法发现目标等原因导致当前摄像头对无法获取距离参数，则立即切换至下一摄像头对，直至获得移动目标距离摄像头对的距离参数为止。举例来说，第一个摄像头组中有3个摄像头对，这3个摄像头对的焦距分别为f1、f2、f3，设f3>f2>f1。若帧间差操作发现了移动目标，则先判断焦距为f3的摄像头对能否获得的运动目标并通过双目视差测得距离，若可以则将测得的距离发送给变焦装置5，以该测距结果作为后续单反相机拍照的变焦依据。若无法获取距离，则表明该摄像头对摄取的目标信号提取太小，导致目标无法提取或提取不稳定，因此立即切换至焦距为f2的摄像头对，然后再判断该摄像头对能否获得的运动目标并通过双目视差测得距离，若仍然无法获取则必然是焦距为f1的摄像头对能够测得距离。另外，如果拍摄区域的距离过远，3对摄像头对无法满足准确测距的要求，也可以进一步增设摄像头对的数量。
当然，该步骤中，也可以通过摄像头组中的所有摄像头对同时拍摄运动目标，然后将这些图像传输至计算机等数据处理装置，通过对逐个摄像头对的拍摄图像进行双目视差测距，判断是否能够测得移动目标距离摄像头的距离，若不行则切换至下一摄像头对获取的图像。
第三步：基于第二步中测得的距离参数，将其转换为变焦装置5需要对拍摄相机3进行调焦的参数。然后将这些参数发给变焦装置，通过变焦装置5对拍摄相机3的焦距进行调整，最后由拍摄相机3拍摄若干张移动目标人脸(特别是眼睛部位的虹膜)的清晰图像，图像存储后为虹膜图像识别提供信息。
另外，此过程中，还可以对其进行人脸防伪识别，做法为：根据拍摄相机3拍摄到的移动目标人脸图像，利用梯度算法计算图像的边缘值，判断移动目标人脸图像是否存在景深，若不存在则判定该图像不是实际的人脸图像。例如，单反相机抓拍5张图像，根据梯度算法，可以计算这5张图像的边缘值。若是人脸图像，这5张照片比较平滑，因为实际的人脸都有一定的景深，假如是假的人脸(举着人脸照片的牌子)没有景深这一特点，从而达到防伪的目的。
本装置可以用于对远距离(可达约30米)的人脸运动目标图像进行跟踪检测。根据视差原理，能自动检查出运动目标离摄像头的距离，并通过驱动步进电机的步进参数等方式，从而调节单反相机的焦距(变焦过程)，抓拍清晰的人脸虹膜图像。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，该装置可不仅仅用于拍摄防伪人脸虹膜识别图像，也可用于拍摄目标近照，作为其他用途。本发明的附图仅用于辅助说明，对部分细节结构进行了简化，应与说明书文字部分结合进行理解，不作为限制。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置，其特征在于，包括：
至少一个摄像头组(1)，每个摄像头组(1)中包含有若干对能独立形成双目视差且拍摄区域相同的摄像头对，每一个摄像头组(1)中不同的摄像头对分别具有不同的焦距；所有摄像头组(1)均与作为中央数据处理及控制设备的控制模块(4)相连；
一部用于拍摄移动目标防伪人脸虹膜的拍摄相机(3)；以及
一个与控制模块(4)相连的变焦装置(5)，变焦装置(5)与拍摄相机(3)配合，用于对拍摄相机(3)的焦距进行调整。
2.如权利要求1所述的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置，其特征在于，所述的摄像头组(1)有多个，分别朝向待监控区域的不同角度。
3.如权利要求1所述的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置，其特征在于，所述的摄像头组(1)优选为3组，形成覆盖180°连续范围的监控区域。
4.如权利要求1所述的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置，其特征在于，每组摄像头组(1)中包含3对摄像头对，其焦距分别对应于待监控区域的远、中、近三个区域范围。
5.如权利要求1所述的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置，其特征在于，所述的拍摄相机(3)采用像素不低于1000万的单反相机。
6.如权利要求1所述的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置，其特征在于，所述的拍摄相机(3)的镜头焦距采用80～400mm。
7.如权利要求1所述的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍装置，其特征在于，所述的摄像头对由两个相同的USB摄像头构成。
8.一种利用权利要求4所述装置的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍方法，其特征在于，步骤如下：
S1：依次获取各摄像头组(1)中的摄像头的数字视频流图像，对所有摄像头对监控到的图像不断进行帧间差操作，当摄像头对中两个摄像头的监控图像差值均超过预设阈值时，即认为该组摄像头组(1)检测到移动目标；
S2：依次利用检测到移动目标的摄像头组(1)中的摄像头对，摄取移动目标的图像，并基于各摄像头对的定标参数，通过双目视差原理计算当前摄像头对与移动目标间的距离，若当前摄像头对无法获取距离参数，则切换至下一摄像头对，直至获得移动目标距离摄像头对的距离参数为止；
S3：基于S2中获得的距离参数，通过变焦装置(5)对拍摄相机(3)的焦距进行调整，然后由拍摄相机(3)拍摄若干张移动目标人脸虹膜的清晰图像。
9.如权利要求7所述的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍方法，其特征在于，根据拍摄相机(3)测得的移动目标人脸图像，利用梯度算法计算图像的边缘值，判断移动目标人脸图像是否存在景深，若不存在人脸景深则判定该图像不是实际的人脸图像。
10.如权利要求7所述的远距离移动目标防伪人脸虹膜抓拍方法，其特征在于，所述的控制模块(4)中预先存储有人体模型，帧间差操作过程中画面的变化区域与人体模型匹配时，即认为检测到了移动的人脸目标。
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