CN108027509A - 倾斜偏移虹膜成像 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于对个体的虹膜成像的系统和方法。虹膜图像可以用附接到诸如一副眼镜的头戴式系统的离轴成像器来拍摄。在一些情况下，虹膜图像可以用于生物识别辨别和识别。

Description

倾斜偏移虹膜成像

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年5月20日提交的美国临时申请序列号62/164,257的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及用于生物辨别和识别的成像系统和方法。该成像系统和方法一般适用于一对一身份验证中的虹膜辨认和识别，但是也可以用于一对多的识别情况。具体而言，虹膜的离轴成像可以使用这些系统和方法来完成。

背景技术

生物测量学是通过其检测和记录个体的独特身体特征或者特点作为确定或确认身份的手段的过程。指纹、声音模式、面部模式、以及视网膜血管模式是目前使用的区分身体特征的几个例子。扫描人类虹膜也是众所周知的生物测量方法。

虹膜验证是一对一的过程，通过该过程，将来自个体的被称为“模板”的计算的生物测量码与先前存储的生物测量码进行比较，以确定该人是否是他或她所声称的人。另一方面，虹膜识别是一对一的过程，在该过程中，将来自个体的计算的生物测量模板与许多不同生物测量模板的数据库进行比较，其目的是确定来自已知种群的个体的身份。眼睛的虹膜具有对每一个人独一无二的可见模式，包括遗传上相同的个体(即，同卵双胞胎)。它还拥有具有足够的信息内容用于个体之间的区别的数据丰富的物理结构。使用虹膜模式作为唯一标识符的一个优点是它们只受到衰老的弱影响，以及因此可以在个体的一生中使用。

已经开发了几种技术来精确地成像虹膜以收集生物测量信息。这些技术中的许多需要个体的协调和/或从位于眼睛前方的相机来获取虹膜的图像(与虹膜“同轴”或者“同线”)。例如，当使用包括在可调旋转台上的相机和显示器的IriScan 2100(IriScan，Marlton，NJ)虹膜扫描仪时，目标必须站在相机前方约1英尺的位置并且调节旋转台直到他/她的眼睛的清晰图像可以在显示器的屏幕上看到。他/她然后必须慢慢地朝相机移动，保持眼睛集中在显示器的窗口中，直到相机捕捉到图像。为从虹膜图像导出的标准生物测量模板的虹膜码，然后通常与特定个体相关联的其他数据一起存储在数据库中，从而完成登记过程。之后，当需要对同一个人进行验证时，以与用于登记的相同的方式被获得眼睛的新图像，并且该新图像用于计算虹膜码，然后将该虹膜码与文件上的虹膜码比较。虽然这个过程对于某些应用是令人满意的，但是对虹膜的自对准以充分地聚焦它来进行成像的需要阻止其对某些其他访问控制活动足够快速。此外，如果在诸如眼镜或护目镜的头戴式系统中实施，这种类型的成像器将阻挡用户对现实世界的视线。

在Raguin等人的美国专利8,317,325中提供了用于虹膜成像的另一种系统。替代使用从单眼的信息，作为一种典型的已知虹膜辨别系统，该Raguin等人的系统使用来自人的左侧和右侧虹膜的信息来登记、识别、或者验证该人。另外，该系统包括处理器，该处理器使用双眼的图像来确定在两只眼睛之间延伸的虚拟线之间的头部倾斜角度并根据该角度旋转左右虹膜图像以基本去除头部倾斜(如果存在)。然而，像IriScan 2100一样，用户(或成像装置)必须沿着成像装置的轴平移以调整虹膜的焦点。

在Bazakos等人的美国8,064,647中描述的并且不需要虹膜的自对准的另一虹膜检测系统中，虹膜的多个区域被成像并经受能够勾勒出虹膜的分段算法。如果初始区域图像没有适当地取向或者聚焦不足，则拍摄附加图像，并处理这些图像以获得数字码。当虹膜远离相机时，由Bazakos等人公开的成像技术可能是有用的，但对于某些需要用户识别的应用也可能不够快。

在如Van Sant等人在美国6,320,610中所公开的另一个实例中，在自动取款机(ATM)系统中的倾斜框架上提供镜子，使得它可被调节以接收从虹膜反射的光并且然后将反射光引导到相机以生成虹膜图像。Van Sant等人的系统不需要用户的协作或虹膜的放置与相机同线，但是它可能仅在诸如ATM的较大的机电装置中有用。

因此，目前的虹膜辨别系统在其应用中通常受到限制，因为它们要么需要用户的实际协作和/或要求用户将他或她的眼睛放置为与成像装置同线几秒钟。如前所述，对于一些访问控制应用这可能是足够的，但对于其他并不足够快。另外，在一些识别系统中，例如，用于头戴式技术中的识别系统，虹膜与成像装置成同线(同轴)的要求可能是不可行的。

因此，具有能够快速并准确地成像虹膜的成像系统将是有用的。提供虹膜离轴成像的系统也是有益的。使用虹膜成像系统进行访问控制的方法也是有用的。

发明内容

这里描述的是用于虹膜成像的系统。该系统通常包括附接到光学装置的离轴(即，偏离眼睛或虹膜的中心)成像器。该离轴成像器通常包括透镜和成像器/相机本体。示例性的光学装置包括但不限于，诸如眼镜和护目镜的头戴式装置，以及装置包括一个或多个目镜的装置，诸如单片眼镜、双目镜、望远镜、显微镜、其他类型的观察镜、或任何其他的用于观看的复合光学系统(例如，数码SLR相机)。在一些情况下，离轴成像器能够在不附接到光学装置的情况下获得图像。例如，离轴成像器可以是数码相机。这里由数码相机拍摄的图片可被配置为包含与拍摄照面的人的身份相关的信息。

离轴成像器可以安装到一副眼镜的下边缘。为了获得清晰和/或准确的图像，离轴成像装置的透镜可以提供将焦平面的角度调节为平行于被成像对象的平面(例如，虹膜的平面)的倾斜度，以及偏移抵消。

离轴虹膜辨别工作已经进行，通常在“非协调虹膜辨别”的标题下。然而，在这种情况下，现有的研究主体集中在虹膜图像只是短暂获得时的辨别问题。这种情况与这里描述的系统和方法的上下文有很大的不同，其中成像器和虹膜之间的相对几何结构事先在相当程度上已知。

本文还描述了用于虹膜成像的方法。该方法通常包括提供具有附接到其上的离轴成像器的光学装置以及使用离轴成像器对个体的虹膜进行成像。虹膜图像可以用来获取来自个体的生物测量信息。包括在系统中的处理器可以用于使用虹膜算法处理生物测量信息，以将其转换成虹膜码，然后该虹膜码可以用于验证个体的身份。

附图说明

图1示出具有同轴相机的虹膜的成像。

图2是使用离轴相机的虹膜成像的示例性图示。

图3是使用离轴相机的虹膜成像的示例性图示，其中倾斜已施加到透镜。

图4是使用离轴相机的虹膜成像的示例性图示，其中偏移抵消已施加到透镜。

具体实施方式

本文描述的是用于虹膜成像的系统和方法。该系统和方法可以使用离轴成像器对虹膜成像并且随后提取生物测量信息作为以高准确度验证用户身份的手段。在一些变形中，离轴成像器的透镜被倾斜和/或偏移以适当定位用于虹膜成像的相机透镜。

如前所述，虹膜成像可以用作生物识别的有力手段。在眼睛虹膜中的肌肉纤维模式为每个人形成稳定和独特的模式。生物测量的精度通常取决于虹膜图像的分辨、聚焦、分段、以及提取的良好程度。当获得虹膜图像时，“虹膜上”的像素的数量、虹膜曝光、动态范围和焦点必须足够精确以产生捕捉虹膜组织结构的复杂性的高质量图像。

在许多现有系统中，如图1中所示，靠近目标的眼睛的相机(成像器)用于形成虹膜的图像，然后可以从虹膜的图像中提取识别特征。这里相机是靠近的且虹膜平面和焦平面彼此平行，但是需要非常短的焦距(f)使得成像非常困难，因为必要的孔径使得有效景深非常小。此外，相机位于眼睛正前方，如果在诸如护目镜或一副眼镜的头戴式系统中实施，则将会遮挡用户的视场。

如果相机或成像器位于离轴(即，偏离眼睛或虹膜的中心)，就如在头戴式系统中的情况，并且如图2中所示，在虹膜平面(其是平坦的)和焦平面不平行的情况下可能会产生问题。给定小景深的成像器，对于大的和可能不可接受的部分虹膜，结果将是模糊和失真的。

上述问题的一个解决方案是提供具有可将焦平面的角度调整为平行于虹膜平面的倾斜偏移透镜的相机，如图3中所示出的。参照图3，离轴相机或成像器(302)的透镜(300)倾斜(旋转)以将成像器的焦平面改变为平行于虹膜平面。通常，倾斜可以用来控制焦平面的取向。

为了进一步解释，相机透镜可以提供仅在单个平面上的锐聚焦(sharp focus)。因此，在图2中所示没有倾斜的场景下，虹膜图像是在平行于透镜/成像器(并垂直于透镜轴)的焦平面上拍摄的；在锐聚焦中的对象都在与相机相同的距离处，如平行于与透镜和成像器垂直的轴所测量的，而距相机不同距离处的其他对象是模糊的。如图3中所示，示出了采用包括透镜(300)和成像器/相机本体(302)的离轴成像器成像的眼睛(303)。成像器本体(302)附接在显示器(304)的下边缘附近或者附接到显示器(304)的下边缘。显示器可以是透明显示器，诸如一副眼镜的镜片。透镜(300)倾斜(例如，倾斜角度(ψ)，305)使得焦平面恢复为平行于虹膜平面(301)。位于此平面上的对象，虽然在距相机不同的距离处，可以被清晰地聚焦在成像器本体(302)上。因此，当试图从头戴式装置获取虹膜的准确图像时，具有能够倾斜或者能够安装在倾斜的位置的透镜的相机可能是有益的。

本文描述的离轴成像器可以包括配置有在大约2.0到大约8.5度(透镜角度相对于成像器平面)之间的范围内的倾斜(倾斜角)的透镜。例如，在典型眼镜上发现的一种类型的框架上，透镜倾斜量(透镜角度相对于成像器平面)可以是大约2.0度,大约2.5度,大约3.0度,大约3.5度,大约4.0度,大约4.5度,大约5.0度,大约5.5度,大约6.0度,大约6.5度,大约7.0度,大约8.0度,或者大约8.5度。可以理解的是，倾斜度可以是更小或更大，这取决于当应用Scheimpflug规则时使用的其他值，Scheimpflug规则是描述了当透镜平面不平行于图像平面时光学系统的焦平面的取向的已知几何规则。通常，离轴成像器包括具有固定倾斜度的透镜；然而，在一些情况下，离轴成像器可以具有配置有可调节倾斜的透镜。

除了倾斜之外，离轴成像器可以包括被配置为提供偏移抵消的透镜。参考图4，透镜偏移是指透镜(400)的位移(406，在405和402之间的测量值)，使得该位移同时被限制在透镜(400)的平面(401)，并且使得透镜的平面保持平行于成像器本体(403)的平面(404)。这种位移使得透镜(400)的焦平面(408)也平行于该透镜和成像器的平面(分别为401和404)。实际上，偏移抵消允许在不改变成像器(相机)角度的情况下调整在图像区域中的虹膜位置；实际上，成像器可以瞄准眼睛(407)，并且然后作为重新定向成像器本体(403)的替代方案而施加偏移抵消(406)或移动。偏移透镜也可以允许虹膜图像的不同部分被投射到图像平面上，类似于裁剪沿着图像边缘的区域。向透镜添加偏移功能将通常允许成像器的焦平面保持平行于虹膜平面同时仍然占据虹膜的整个高度，如图4中所示出的。这将允许虹膜中的垂直线完美地垂直于所得到的拍摄图像中，并且更一般地从所得到的图像中消除一个重要形式的失真。

本文描述的离轴成像器可以被配置成具有在大约1.0和大约2.5mm之间的范围内的(透镜)偏移。例如，在典型眼镜上发现的这种类型的框架上，偏移量可以是大约1.0mm，大约1.1mm，大约1.2mm，大约1.3mm，大约1.4mm，大约1.5mm，大约1.6mm，大约1.7mm，大约1.8mm，大约1.9mm，大约2.0mm，大约2.1mm，大约2.2mm，大约2.3mm，大约2.4mm或大约2.5mm。类似于倾斜，可以理解的是，偏移量可以是更小或者更大，这取决于当应用Scheimpflug规则时使用的其他值。离轴成像器通常还包括偏移抵消被固定的透镜；然而在一些情况下，离轴成像器可以具有被配置为具有可调整偏移量的透镜。

在一个变型中，头戴式系统是一对眼镜，其包括透明显示器(眼镜的一个透镜或者两个透镜)、上边缘(上框架)、下边缘(下框架)、以及附接或安装到在(处于静止位置的眼睛的)光轴下方约20mm的下边缘的成像器。到虹膜的深度(垂直于透明显示器测量的)的范围可以在15至30mm之间。这里，为了将离轴成像器的焦平面恢复成与虹膜平面平行(并且如果成像器具有1.62mm焦距的透镜并且从透镜到相机本体的距离为1.7mm)，透镜倾斜量可以在2.1和8.2度(透镜角度相对于成像器平面)之间，或者偏移抵消在1.1和2.3mm之间(如采用Scheimflug方程计算的)。因此，如果一副眼镜包括具有固定几何形状的成像器，即，透镜的固定倾斜角度和相机的固定偏移抵消，倾斜角度可以在大约2.1和大约8.2度之间固定，或者偏移抵消可以在大约1.1和大约2.3mm之间固定。利用倾斜和偏移两者的组合实施也是可能的。除了放置在用户的视场之外，虹膜成像系统通常被设定尺寸或以其他方式被配置为了最小化或不干扰用户的现实世界的视场。成像系统在每一侧上可以只有几毫米，例如，在每一侧上大约5.0到8.0毫米，以及几毫米深。在一些变型中，用于使虹膜成像的相机本体包括安装在柔性基板上或由柔性基板承载的多个芯片级相机，例如，柔性印刷电路板基板。柔性基板可以放置在砧座(anvil)上并且用灌封化合物灌注，以廉价地形成本质上的广角透透镜。例如，微型相机可以用层的方法来构建，使用晶片级技术。

一旦拍摄了虹膜的图像，可以提取与各种虹膜模式相关的数据并将其转换成数字虹膜码。假定相机将从下方和/或侧面观看虹膜，为头戴式装置生成的码将不必是旋转不变的。

一旦由虹膜成像系统获得了聚焦和居中的图像，数字化图像可以传递给处理器，以以任何合适的方式计算虹膜码，例如，由Daugman的美国专利号5,291,560定义的，或者通过各种分段方法，例如，由Bazakos等人的美国专利8,064,647定义的。然后将所计算出的虹膜码与对应于用户的虹膜码进行比较。如果码匹配，用户的身份被验证。验证或识别处理可以在远程位置执行，并且可以理解，在这些情况下虹膜码可以被安全地传输到头戴式装置和/或从头戴式装置传输。

当分析用户的虹膜图像时，分段方法可能是边缘检测和圆形拟合的有用并且相对直截了当的方法。在一些变型中，虹膜生物测量方法可以包括使用POSE^TM(即，霍尼韦尔国际公司—极坐标分段)技术，以实质上即刻将分析移动到极性域并且执行虹膜边界的一维分段，使用一个或更多的对称特性来检测虹膜的一个或多个非遮挡区域。使用这种方法，非对称区域可以对应于由睫毛、眼皮等部分覆盖的区域。

Claims (18)

1.一种用于对虹膜成像的系统，包括光学装置和附接到所述光学装置的离轴成像器，其中所述离轴成像器包括透镜和相机本体。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学装置包括头戴式装置。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述头戴式装置包括一副眼镜或者护目镜。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述头戴式装置包括一副眼镜以及透明显示器，所述一幅眼镜包括具有上边缘和下边缘的框架。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学装置包括目镜。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述目镜是单片眼镜或者双目镜。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述目镜被包含在望远镜、显微镜、或者用于观看的复合光学系统中。

8.根据权利要求4所述的系统，其中所述离轴成像器附接到所述框架的所述下边缘。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述离轴成像器的所述透镜具有范围从大约2.0到大约8.5度的倾斜。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述离轴成像器的所述透镜具有范围从大约1.0到大约2.5mm的偏移抵消。

11.一种用于对虹膜成像的方法，包括提供具有附接到其上的离轴成像器的光学装置和使用所述离轴成像器对个体的虹膜成像，其中所述离轴成像器包括透镜和相机本体。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括从所成像的虹膜获得生物测量信息以及处理所述生物测量信息以验证所述个体的身份。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述生物测量信息被转换为虹膜码。

14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括倾斜所述离轴成像器的所述透镜，以将所述相机本体的焦平面调整为平行于所述个体的虹膜的平面。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述透镜在大约2.0至大约5.8度之间倾斜。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在大约1.0至大约2.5mm之间偏移所述离轴成像器的所述透镜。

17.根据权利要求11所述的方法，其中对所述虹膜成像包括部分或者全部地对所述个体的所述虹膜成像。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述个体的一个或者两个虹膜被部分或者全部成像。