CN108401118B - 控制红外灯开灯时间的虹膜采集装置及方法 - Google Patents

控制红外灯开灯时间的虹膜采集装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种控制红外灯开灯时间的虹膜采集装置，包括图像传感器、摄像头模组、红外灯、微控制单元，所述微控制单元检测图像传感器发出的帧同步信号并计算图像传感器曝光时间，计算红外灯开灯时间，控制红外灯的开灯通断。本发明能够减小红外灯功耗，以及消除运动模糊；在交替打光方案中能够避免坏帧现象，保证每一帧图像均能获得亮度均匀的曝光。

Description

控制红外灯开灯时间的虹膜采集装置及方法
技术领域
本发明涉及图像采集领域，具体的涉及一种控制红外灯开灯时间的虹膜采集装置及方法。
背景技术
传统的虹膜采集装置的照明方式为持续照明方案或者固定频率脉冲照明方案，照明单元电流强度较低，图像传感器需要一定的积分时间积累电荷才能采集到符合亮度要求的虹膜图像，容易造成运动模糊现象，使成像清晰度较差，无法满足用户在移动过程中进行虹膜识别的应用场景，降低了用户体验效果。
另外在具备左右两组红外光源的虹膜识别设备上，通常采用左右红外光源交叉照明方案以减轻镜片反光问题，传统的以固定频率脉冲驱动红外光源的照明方案存在一定弊端，容易造成坏帧现象。原因是其左右红外光源的照明时序难以与图像传感器对每帧图像的曝光时间保持同步，导致左右光源交替时对应的图像帧的曝光时间内没有得到均匀的红外照明，从而在成像中呈现暗条纹，导致虹膜成像质量下降。
发明内容
针对以上出现的问题，本发明提供一种控制红外灯开灯时间的虹膜采集装置及方法，避免运动模糊和坏帧现象。
本发明的技术方案：一种控制红外灯开灯时间的虹膜采集装置，包括图像传感器、摄像头模组、红外灯、微控制单元，
所述微控制单元检测图像传感器发出的帧同步信号并计算图像传感器曝光时间，计算红外灯开灯时间，控制红外灯的开灯通断。
优选的，所述图像传感器可以设置为卷动快门或者全局快门性能的图像传感器。
优选的，虹膜采集装置的红外灯开灯时间，需要满足的条件为：
Figure BDA0001588150390000021
其中，Ton、Toff表示当前帧图像成像过程中红外灯开启、关闭的时间，
Figure BDA0001588150390000022
表示图像传感器的当前帧图像曝光过程中最后一行数据的起始曝光时间、第一行数据的终止曝光时间，其中
Figure BDA0001588150390000023
即最后一行数据的起始曝光时间不晚于第一行数据的终止曝光时间。
优选的，所述红外灯设置为左右两组，根据计算红外灯开灯时间的方法，计算每组红外灯开灯通断时序，控制左、右红外灯交替打光。
一种利用所述的虹膜采集装置计算红外灯开灯时间的方法，具体包括以下步骤：
S1：以帧同步信号为基准，初始化设置红外灯开灯时间的起始值和终止值；
S2：向红外灯发送开灯时间指令，控制红外灯的开灯通断；
S3：对当前采集的虹膜图像进行质量评价；
S4：判断是否符合图像质量要求，如果是，则终止计算过程，记录当前红外灯开灯时间的起始值和终止值，用于控制红外灯的开灯通断，否则进入步骤S5；
S5：统计红外灯开灯时间的调节范围；
S6：判断红外灯开灯时间的调节范围是否超过预设范围，如果是，则进入步骤S8，否则进入步骤S7；
S7：计算红外灯开灯时间的起始值和终止值，返回步骤S2；
S8：调节图像传感器曝光参数，返回步骤S1。
优选的，步骤S5中记载的统计红外灯开灯时间的调节范围的具体方法包括：记录上一次红外灯开灯时间的起始值为Ton0，终止值为Toff0，当前红外灯开灯时间的起始值为Ton1，终止值为Toff1，其中Ton0＜Ton1，Toff0＜Toff1，则红外灯开灯时间的调节范围记为[Ton0，Toff1]。
优选的，步骤S6中记载的预设范围，其中，所述预设范围设置为图像传感器对单帧图像的曝光时间。
优选的，步骤S7中记载的计算红外灯开灯时间，其中计算红外灯开灯时间的具体方法为：如果检测到图像上半部分呈现暗条纹，则减小红外灯开灯时间的起始值，使暗条纹向上移动直至移出图像上边界；如果检测到图像下半部分呈现暗条纹，则增大红外灯开灯时间的终止值，使暗条纹向下移动直至移出图像下边界；如果检测到图像亮度不符合要求，采用调节电流强度或曝光参数的方法改善图像亮度值
本发明的有益效果：1)本发明与传统的持续照明方案相比，降低了红外灯功耗，缓解了设备散热问题，避免因温升过度而产生的红外灯光衰现象，从而增强了虹膜识别系统稳定性；
2)本发明基于卷动快门性能的图像传感器的解决方案，在其基础上做出图像中所有行数据同时曝光的改进，近似为全局快门性能的曝光模式，有效的消除了运动模糊；
3)本发明能够真正意义上实现对多组红外灯的交替打光控制，避免出现镜片反光现象，即在摄像头两侧分别设置红外灯模组，左右红外灯模组依次照明，与传统的固定频率交替打光照明方案相比，可以有效的克服坏帧现象。
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示意性示出本发明虹膜采集装置结构图；
图2示意性示出本发明虹膜采集装置的红外灯开灯时间时序图；
图3a1～图3b4示意性示出本发明第一实施例的虹膜采集装置采集图像示意图；
图4示意性示出本发明虹膜采集装置的红外灯开灯模式与传统红外灯开灯模式对比图；
图5示意性示出本发明虹膜采集装置计算红外灯开灯时间的方法流程图；
图6示意性示出本发明虹膜采集装置的红外灯交替打光示意图；
图7示意性示出本发明虹膜采集装置的红外灯开灯模式与固定频率开灯模式的对比。
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所示为本发明虹膜采集装置结构图，如图1所示，本发明虹膜采集装置，包括图像传感器101、摄像头模组102、红外灯103、微控制单元104。
所述微控制单元104检测图像传感器101发出的帧同步信号，生成开关信号控制红外灯103的开启与关闭。
其中，所述图像传感器101可以设置为卷动快门或者全局快门性能的图像传感器，本发明采用卷动快门性能的图像传感器。
所述红外灯包括左右两组红外灯，所述红外灯的打光方式为交替打光，其中具体的为：根据所述计算红外灯开灯时间的方法，计算每组红外灯时序，控制左、右红外灯交替打光，能够保证在每一帧图像的所有行数据的曝光时间内均得到亮度均匀的红外光源照明，从而避免了拍摄图像中产生亮暗条纹的现象。
本发明虹膜采集装置的工作状态为：开启摄像头模组102采集虹膜序列，根据微控制单元104发出的开关信号驱动红外灯103对目标虹膜进行照明，图像传感器101上所有行的像素点在同一时段内进行电荷积累，完成曝光过程，之后以连续数据流(continuousstreaming)模式顺序输出当前帧虹膜图像数据，后续帧的采集过程依次类推，虹膜序列采集完成后关闭摄像头模组102、红外灯103。
图2所示为本发明虹膜采集装置的红外灯开灯时间时序图，如图2所示，Expo_row0表示图像传感器的第一行数据曝光时序，Expo_row1表示图像传感器的第二行数据曝光时序，依次类推，Expo_rowN表示图像传感器的最后一行数据曝光时序，IR_LED表示红外灯的开灯时序，t0表示图像传感器对每一帧图像一行数据的曝光时间，
以第一帧图像数据的曝光过程为例，红外灯在Ton时刻开启、Toff时刻关闭，在红外灯的开灯时间段T里，图像传感器的所有行数据同时积累电荷，并完成曝光，红外灯起始开灯时间不早于图像传感器的最后一行数据的起始曝光时间，红外灯终止开灯时间不超过图像传感器的第一行数据的终止曝光时间，对应关系如下：
Figure BDA0001588150390000051
式中，Ton、Toff表示当前帧图像成像过程中红外LED灯开启、关闭的时间，
Figure BDA0001588150390000052
表示图像传感器的当前帧图像曝光过程中最后一行数据的起始曝光时间、第一行数据的终止曝光时间，其中
Figure BDA0001588150390000053
即最后一行数据的起始曝光时间不晚于第一行数据的终止曝光时间。
如图2所示的红外灯的开灯方式，能够极大减弱成像中的运动模糊，使图像传感器对于每一行的像素点同时完成曝光，将卷动曝光模式的图像传感器的曝光模式转化成全局曝光模式，从而极大程度上减弱了成像中的运动模糊。
实施例1
在红外灯开灯时间满足公式(1)的条件下，能够极大减弱成像中的运动模糊。
图3a1～图3b4所示为本发明第一实施例的虹膜采集装置采集图像示意图，由远及近走近虹膜采集装置的虹膜序列，图3a为未采用本发明的计算红外灯开灯时间方法采集的图像，图3a1-3a3出现明显的运动模糊现象，直到测试人员到图3a4对应位置时停止移动，图像才变得清晰；图3b为采用本发明的计算红外灯开灯时间方法采集的图像，图3b1-3b4均较为清晰，运动模糊得以非常明显的减弱，虹膜纹理清晰度得以有效增强。
实施例2
在红外灯开灯时间满足公式(1)的条件下，能够实现能够提升红外灯的散热效果。
图4所示为本发明虹膜采集装置的红外灯开灯模式与传统红外灯开灯模式对比图，如图4所示，1：表示图像传感器卷动曝光模式；2：表示红外灯常亮模式；3：表示红外灯脉冲开灯模式；4：表示本发明红外灯开灯模式。
图像传感器对每帧图像的电荷积分时间之间存在一定的间隔，即空白时间，采用传统常亮的开灯模式，在图像传感器的积分时间和空白时间内均持续照明，造成在空白时间内的资源浪费；采用脉冲开灯模式在空白时间内也会照明，产生一定的资源浪费；而本发明的红外灯只在积分时间内的特定时间段内进行照明，满足图像传感器充分积累电荷的要求，其余时间处于关闭状态，使红外灯能够发散产生的热量，其中红外灯开启的时间记为τon，红外灯关闭的时间记为τoff，τon＜＜τoff，使红外灯能够发散掉开启状态中产生的热量，有效的避免因温度过高导致的光衰现象，保证红外灯在开启状态中持续发散出满足虹膜采集要求的红外光，提升连续采集图像过程中的虹膜成像质量。
图5所示为本发明虹膜采集装置计算红外灯开灯时间的方法流程图。
S1：以帧同步信号为基准，初始化设置红外灯开灯时间的起始值和终止值；
S2：向红外灯发送开灯时间指令，控制红外灯的开灯通断；
S3：对当前采集的虹膜图像进行质量评价；
其中，所述质量评价指标包括灰度均匀度、灰度等级等，通过算法处理模块得到上述指标的评价分数；
S4：判断是否符合图像质量要求，如果是，则终止计算过程，记录当前红外灯开灯时间的起始值和终止值，用于控制红外灯的开灯通断，否则进入步骤S5；
S5：统计红外灯开灯时间的调节范围；
所述统计红外灯开灯时间的调节范围具体的方法为：上一次红外灯开灯时间的起始值为Ton0，终止值为Toff0，本次红外灯开灯时间的起始值为Ton1，终止值为Toff1，其中Ton0＜Ton1，Toff0＜Toff1，则红外灯开灯时间的调节范围记为[Ton0，Toff1]；
S6：判断红外灯开灯时间的调节范围是否超过预设范围，如果是，则进入步骤S8，否则进入步骤S7；
其中，所述预设范围设置为图像传感器对单帧图像的曝光时间；
S7：计算红外灯开灯时间的起始值和终止值，返回步骤S2；
计算红外灯开灯时间的方法为：如果检测到图像上半部分呈现暗条纹，则减小红外灯开灯时间的起始值，使暗条纹向上移动直至移出图像上边界；如果检测到图像下半部分呈现暗条纹，则增大红外灯开灯时间的终止值，使暗条纹向下移动直至移出图像下边界；如果检测到图像的灰度等级不符合要求(图像过暗或者过亮)，采用调节电流强度或曝光参数的方法改善图像亮度值；
S8：调节图像传感器曝光参数，返回步骤S1；
如果红外灯开灯时间的调节范围超过预设范围，而采集的虹膜图像仍然不符合质量要求，则调节图像传感器曝光参数，增大图像传感器的第一行数据的终止曝光时间与最后一行数据的起始曝光时间的差值。
其中，需要注意的是：由于不同型号的CMOS图像传感器的曝光参数不同，为了解决这一问题，通过标定曝光参数的方法，使本发明控制红外灯开灯时间的方法能够适配不同型号的CMOS图像传感器。
实施例3
在红外灯开灯时间满足公式(1)的条件下，能够真正意义上实现左右两组红外灯交替打光方式，避免以固定频率脉冲照明方式出现的坏帧现象。
其中，所述红外灯交替打光方案为在虹膜采集装置的摄像头模组的左右两侧各设置一组红外灯，控制左右两组红外灯交替打光，传统的红外灯交替打光方案为红外灯以固定频率开启与关闭，容易造成拍摄图像中产生亮暗条纹现象；
本发明根据图5所示的红外灯开灯方法，根据计算红外灯开灯时间的方法来计算时序，即左、右两组红外灯开灯时间的起始值和终止值，能够保证在一帧图像的所有行数据的曝光时间内进行充分的照亮，从而避免了拍摄图像中产生亮暗条纹的现象，增强虹膜图像质量。
图6所示为本发明虹膜采集装置的红外灯交替打光示意图，1：表示左侧红外灯工作时序图；2：表示右侧红外灯工作时序图。
本发明红外灯交替打光方案能够取得良好的避免眼镜反光的效果，如图6所示，依次控制左、右两侧的红外灯开启与关闭，左侧红外灯开启对眼部区域照明时，采集的图像中左侧镜片易产生反光现象遮挡虹膜区域，右侧虹膜通常不受镜片反光遮挡，符合虹膜识别图像质量要求；右侧红外灯开启对眼部区域照明时，采集的图像中右侧镜片易产生反光现象遮挡虹膜区域，左侧虹膜通常不受镜片反光遮挡，符合虹膜识别图像质量要求。
图7所示为本发明虹膜采集装置的红外灯开灯方法与固定频率的红外灯开灯方法对比。1：表示本发明左侧红外灯曝光时序；2：表示本发明右侧红外灯曝光时序；3：表示固定频率左侧红外灯曝光时序；4：表示固定频率右侧红外灯曝光时序。
本发明与传统固定频率的红外灯开灯方法相比，本发明采用高强度电流，能够在短时间内保证图像传感器完成当前图像的电荷积累，而固定频率的红外灯开灯方法则采用一般强度的电流，需要在图像传感器的整个积分时间段内进行曝光才能完成电荷积累，否则会产生因曝光不充足而在成像上出现亮暗条纹现象；
本发明的红外灯开灯方法能够精确的对应每一帧图像的曝光时间，能够保证成像质量，而传统的固定频率的红外灯开灯方法容易出现坏帧现象，例如图7的第四帧数据处于左右红外灯交替的时段内，造成当前帧图像曝光不充足而出现亮暗条纹现象，第七帧也会出现同样的现象；
传统固定频率脉冲照明方法需要较长的电荷积累时间，容易造成运动模糊，而本发明缩短电荷积累时间能够实现降低运动模糊的效果。
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 (5)

1.一种控制红外灯开灯时间的虹膜采集装置，包括图像传感器、摄像头模组、红外灯、微控制单元，
所述微控制单元检测图像传感器发出的帧同步信号并计算图像传感器曝光时间，计算红外灯开灯时间，控制红外灯的开灯通断；
虹膜采集装置的红外灯开灯时间，需要满足的条件为：
Figure FDA0002480378320000011
其中，Ton、Toff表示当前帧图像成像过程中红外灯开启、关闭的时间，
Figure FDA0002480378320000012
表示图像传感器的当前帧图像曝光过程中最后一行数据的起始曝光时间、第一行数据的终止曝光时间，其中
Figure FDA0002480378320000013
即最后一行数据的起始曝光时间不晚于第一行数据的终止曝光时间。
2.根据权利要求1所述的虹膜采集装置，其特征在于，所述图像传感器可以设置为卷动快门或者全局快门性能的图像传感器。
3.根据权利要求1所述的虹膜采集装置，其特征在于，所述红外灯设置为左右两组，根据计算红外灯开灯时间的方法，计算每组红外灯开灯通断时序，控制左、右红外灯交替打光。
4.一种利用权利要求1所述的虹膜采集装置计算红外灯开灯时间的方法，具体包括以下步骤：
S1：以帧同步信号为基准，初始化设置红外灯开灯时间的起始值和终止值；
S2：向红外灯发送开灯时间指令，控制红外灯的开灯通断；
S3：对当前采集的虹膜图像进行质量评价；
S4：判断是否符合图像质量要求，如果是，则终止计算过程，记录当前红外灯开灯时间的起始值和终止值，用于控制红外灯的开灯通断，否则进入步骤S5；
S5：统计红外灯开灯时间的调节范围：记录上一次红外灯开灯时间的起始值为Ton0，终止值为Toff0，当前红外灯开灯时间的起始值为Ton1，终止值为Toff1，其中Ton0＜Ton1，Toff0＜Toff1，则红外灯开灯时间的调节范围记为[Ton0，Toff1]；
S6：判断红外灯开灯时间的调节范围是否超过预设范围，如果是，则进入步骤S8，否则进入步骤S7；
S7：计算红外灯开灯时间的起始值和终止值，返回步骤S2，其中，计算红外灯开灯时间，其中计算红外灯开灯时间的具体方法为：如果检测到图像上半部分呈现暗条纹，则减小红外灯开灯时间的起始值，使暗条纹向上移动直至移出图像上边界；如果检测到图像下半部分呈现暗条纹，则增大红外灯开灯时间的终止值，使暗条纹向下移动直至移出图像下边界；如果检测到图像亮度不符合要求，采用调节电流强度或曝光参数的方法改善图像亮度值；
S8：调节图像传感器曝光参数，返回步骤S1。
5.根据权利要求4所述的计算红外灯开灯时间的方法，其特征在于：步骤S6中记载的预设范围，其中，所述预设范围设置为图像传感器对单帧图像的曝光时间。
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