CN109670384A - 一种虹膜快速活体检测方法 - Google Patents

Abstract

一种虹膜快速活体检测方法，它涉及一种安全检测装置及方法，具体涉及一种虹膜快速活体检测方法的改进。它包含摄像设施、引导设施、活体检测设施、虹膜验证设施等。它采用辅助光源引导人眼扫视运动，通过分析获取的虹膜图像，判断人眼扫视运动的方向轨迹与引导光源方向轨迹的一致性，确定虹膜图像是否来自活体虹膜。它可以对虹膜图像进行分层次检测，能适应不同安全要求的应用环境，应用广泛，检测效果稳定，高效准确。

Description

一种虹膜快速活体检测方法

技术领域

本发明涉及一种安全检测装置及方法，具体涉及一种虹膜快速活体检测方法的改进。

背景技术

人眼对视野内突然出现的物体产生反应，以跳跃方式跟踪并迅速将物体(影像)投入视网膜中央凹处。在进行活体检测时，可人为地在指定视野范围内制造出可标记的刺激，主动引导人眼进行扫视运动，当扫视运动方向轨迹与引导的方向轨迹标记一致时，可判定为虹膜活体。

虹膜认证技术作为主要生物认证技术之一，已经开始规模化应用，在迅速发展的同时也面临越来越严重的安全威胁，而其中最为紧迫的安全威胁就是伪虹膜，而虹膜活体检测技术可检测大多数伪虹膜，是目前主要的虹膜防伪方法之一。

以往的虹膜活体检测方法均比较单一，应用环境比较苛刻，且比较复杂，实际应用效果不好，无法同时应对不同安全级别的检测需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种虹膜快速活体检测方法，它检测方法全面，能适应多种不同的应用环境，应用广泛，检测效果稳定，可以适应不同的安全应用需求，高效准确。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：它包含摄像设施、引导设施、活体检测设施、虹膜验证设施等。

摄像设施包含主光源和摄像模块，主光源：照射虹膜获得反射光进入摄像设施获得虹膜图片所使用的光源；摄像模块：负责拍摄虹膜图片的设施。摄像模块应有能力获得足够清晰的虹膜图像。

引导设施引导用户进入最佳成像范围的装置，通常包括测距、预览、提示三个部分；测距：引导用户进入摄像设施的最佳景深范围；预览：类镜面成像效果的设施，引导用户进入摄像设施的最佳平面范围；提示：通过灯光、影像、声音等方式提示用户已经进入最佳成像范围。

活体检测设施：按照虹膜活体检测方法实现活体检测的设施。辅助光源：用于引导引发人眼扫视运动的光源，建议采用人员舒适且高度敏感的光源，如波长550±50nm黄绿光；辅助光源布局应具有可标记方向性。在有屏幕的设施中，可在屏幕中呈现辅助光源效果。虹膜活体检测模块：实现虹膜活体检测功能的模块。

虹膜验证设施：验证输入虹膜图像是否与注册样本一致的模块，一般包括图像的预处理、分割、编码及比对等基本过程。图像预处理：对输入图像进行基本检测，包括人眼检测、图像质量判决、瞳孔(虹膜)粗定位等。图像分割：将瞳孔、虹膜、眼睑等进行准确定位分割，并归一化为统一的虹膜图像。虹膜编码：按照编码规则对归一化虹膜图像进行编码。编码对比：将当前编码与注册样本的编码进行对比，依据对比结果判断输入虹膜图像是否与注册样本一致。

虹膜快速活体检测方法如下，使用辅助光源引导引发人眼扫视运动，辅助光源布局：采用左右布局、方框布局或者圆周布局等可以引发明显眼球扫视方向变化的布局形式，整个检测过程包括两个周期过程，初始认证周期T0与跳光周期T1；初始认证周期T0：完成用户引导，并对输入虹膜图像进行虹膜验证处理，当首次通过验证处理后，完成初始认证周期；跳光周期T1：初始认证周期完成后，进入跳光周期；跳光为控制点亮不同方向的辅助光源并引导用户进行眼球扫视的过程；一个调光周期中包括多次跳光过程；跳光周期包括以下参数：每次跳光时长：250-1000ms之间的一个随机值，每次辅助光源方向跳动前设置；每次跳光方向：一个随机方向，每次辅助光源方向跳动前设置；如果可选择方向＞＝4，建议下一个跳光方向与当前方向不同，以引发明显的眼球扫视运动；跳光次数：一个次数上限，用于超时控制；活体检测：当存在眼球扫视符合，即判决为活体虹膜；设定多个检查层次，适应不同安全需求；不同检查层次有不同的眼球扫视符合检测方法。

检测层次设定实例：三个层次的检测层次实例。

第一层次检查：存在眼球扫视符合。在一个时间范围内(跳光周期T1)能检测到1次明显的瞳孔相对位移，且眼球扫视方向与引导光源一致。

第二层次检查：在跳光周期T1内能检测到2次以上眼球扫视符合。

第三层次检查：在跳光周期T1内，检测连续的(2次以上，可配置)的眼球扫视方向与引导光源一致现象。

检查方法：

1、从获取的一个调光周期连续n张带方向(及时间)标记图片中提取瞳孔中心(和或虹膜中心)、虹膜直径、普尔钦斑点中心(和或内眼角点)。计算斑点中心(和或内眼角点)与瞳孔中心(和或虹膜中心)的归一化相对位置，并转换为一个方向序列Γ1¹；

2、同时提取对应的方向标记，组成另一个序列Γ2；

3、第一层次检查：Γ1中不同位置存在方向变化的数据，则认为存在眼球扫视符合；

4、第二层次检查：Γ1，Γ2相同位置存在k1个以上方向一致数据，则认为存在眼球扫视符合，k1＞＝2；

5、第三层次检查：Γ1，Γ2相同位置存在连续k2个方向一致数据，则认为存在眼球扫视符合，k2＞＝2。

注1：普尔钦斑点或内眼角点，作为计算眼球位移的参考点(坐标原点)，瞳孔中心(或虹膜中心)作为跟踪眼球运动的计算点，使用虹膜直径归一化相对位移，在二维归一化坐标系中将相对位置转化为相对方向。

相对方向代表眼球中心相对于参考点的角度，为提升鲁棒性，可以进行梯度化的，例如：跳光方向为上下左右四个方向，阶梯化夹角规则为1：(-45度，-45度】，2：(45度，135度】，3：(135度，225度】，4：(225度，315度】。

个性化与自适应扩展：

个性化：在注册阶段建立每个个体引导方向与跟踪点相对位置的初始对应关系，在判决时可比对这种对应关系的一致性，获得更精准的判决结果。

自适应：在个性化基础上，在认证阶段使用自适应算法不断修正初始结果，以更精确地跟踪个体差异，形成更高效精确的差异化判决。

本发明引导用户眼球扫视的辅助光源可引导的方向数大于等于2。引导用户眼球扫视的辅助光源方向，每次是随机选择的。引导用户眼球扫视的辅助光源的延续时间是在一个范围内随机选择的，时间范围250ms到1000ms之间。引导用户眼球扫视的辅助光源布局和位置是有约束的，布局方式包括但不限于左右、圆形包围、方形包围等可引发明显眼球扫视方向变化的布局形式。本虹膜活体检测方法是分不同层次的，适用不同安全级别的应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的设施结构示意框图；

图2是本发明的设施布局结构示意图；

图3是本发明中虹膜认证过程流程图；

图4是本发明中虹膜认证模块处理过程流程图；

图5是本发明中方向序列Γ1的形成过程图；

图6是本发明中参考点和参考坐标系的变换过程图；

图7是本发明中参考坐标系变换后形成新的二维参考坐标系示意图；

图8是本发明中以虹膜为中心在参考坐标系中的标记方法示意图；

图9是本发明中方法检查流程图。

具体实施方式

参看图1-图9所示，本具体实施方式采用以下技术方案是：它包含摄像设施、引导设施、活体检测设施、虹膜验证设施等。

摄像设施包含主光源和摄像模块，主光源：照射虹膜获得反射光进入摄像设施获得虹膜图片所使用的光源；摄像模块：负责拍摄虹膜图片的设施。

引导设施引导用户进入最佳成像范围的装置，通常包括测距、预览、提示三个部分；测距：引导用户进入摄像设施的最佳景深范围；预览：类镜面成像效果的设施，引导用户进入摄像设施的最佳平面范围；提示：通过灯光、影像、声音等方式提示用户已经进入最佳成像范围。

活体检测设施：按照虹膜活体检测方法实现活体检测的设施。辅助光源：用于引导引发人眼扫视运动的光源，采用人员舒适且高度敏感的光源，例如波长550±50nm黄绿光。辅助光源布局应具有可标记方向性。在有屏幕的设施中，可在屏幕中呈现辅助光源效果。虹膜活体检测模块：实现虹膜活体检测功能的模块。

虹膜验证设施：验证输入虹膜图像是否与注册样本一致的模块，一般包括图像的预处理、分割、编码及比对等基本过程。图像预处理：对输入图像进行基本检测，包括人眼检测、图像质量判决、瞳孔(虹膜)粗定位等。图像分割：将瞳孔、虹膜、眼睑等进行准确定位分割，并归一化为统一的虹膜图像。虹膜编码：按照编码规则对归一化虹膜图像进行编码。编码对比：将当前编码与注册样本的编码进行对比，依据对比结果判断输入虹膜图像是否与注册样本一致。

所述的主要设施布局采用屏幕引导方式，引导区设置在屏幕中心部分；主光源采用810nm近红外光，置于屏幕正上方，摄像头设置在主光源右侧；辅助光源由屏幕提供，设置4个方向，左，上，右，下，标注为方向1，2，3，4；辅助光源使用条状绿光，测距模块为红外测距系统，设施布局参看图2。

所述的应用主流程如下：1、摄像设施获取用户虹膜图像；2、用户引导：引导设施引导用户进入最佳成像范围；3、初始认证：调用虹膜验证设施，完成初始认证周期T0；4、活体检测：进入跳光周期T1，调用活体检测设施完成活体检测过程；5、判决：如判决为活体，整个虹膜认证过程结束，认证成功；否则，认证失败。主流程流程图参看图3。

所述的引导过程如下：1.测距设施实时测距，当用户进入设定距离范围后，启动屏幕引导过程；2.摄像设施实时获取图像，传递给虹膜认证模块；3.虹膜认证模块进行图像预处理，对虹膜图像进行进行基本检测，包括人眼检测、图像质量判决、瞳孔(虹膜)粗定位等，如果通过预处理，则进行后续处理，否则重复2。

所述的初始认证过程T0如下：1、实时获取图像帧，传递给虹膜预处理模块；2、经过虹膜预处理的图像，开始图像分割过程；3、图像分割包括瞳孔定位与分割、虹膜定位与分割、眼睑分割、睫毛检测等；4、对分割图像进行归一化处理，获得归一化虹膜图像；5、对归一化图像进行编码；6、将编码结果与存储样本编码进行比对，比对成功，初始认证过程完成；否则，重复1；7、虹膜认证模块的处理过程如图4。

具体实施方式中应用说明为：采用普尔钦斑点与虹膜中心相对关系形成方向序列；使用第二层次检查模式；这里只举例说明一个T1周期(跳光周期)；跳光周期的设置为：跳光次数lightChangeNum＝5，跳光方向序列Γ2＝{1，3，4，3，2}，跳光时长序列＝{310ms，280ms，421ms，537ms，253ms}；方向序列Γ1的形成过程参看图5。

参考点与参考坐标系的确定过程如下：当人眼正视屏幕，图像处于屏幕引导区中心区域时，普尔钦斑点与虹膜中心并非重合，而是存在一定的偏差，查看图6；以标准距离(如25cm)人眼正视屏幕且居于中心位置的虹膜图像为标准样板，通过工程模式确定以下基本参数：标准虹膜直径Ds，在图像形成的二维坐标系中，普尔钦斑点与虹膜中心x轴和y轴的偏差Xs，Ys。对应用过程中获取的虹膜图像，先对当前图像进行旋转到水平位置，然后按照当前图像虹膜直径与标准虹膜直径比例，对当前图像进行缩放，将当前图像投放到标准样板。普尔钦斑点标准化：归一化后的图像普尔钦斑点，以标准偏差(Xs，Ys)进行平移变换。变换过程参看图6；

参考坐标系变换：归一化后的图像点，以标准化后的普尔钦斑点为新的坐标零点进行平移变换，形成新的二维参考坐标系。变换过程参看图7。

后续的方法描述将在参考坐标系中进行：在参考坐标系中，以虹膜中心位置，确定方向(方向1：(-45度，-45度】，方向2：(45度，135度】，方向3：(135度，225度】，方向4：(225度，315度】)。方向1标记方法参看图8。

本具体实施方式中方法检查流程：

1、完成初始认证周期T0后，启动T1周期；

2、设置T1初始参数，设置k1＝2；记录Γ2；设置符合次数标记k＝0；

3、获取1帧虹膜图像；

4、获取虹膜中心位置，虹膜直径，普尔钦斑点位置信息；

5、变换到参考坐标系，依据虹膜中心位置，获得方向标记，记录Γ1的第一个值Γ1.1；

6、对于第二层次检查，判断Γ1.1是否等于Γ2.1，如果相等，k++，重复4；否则直接重复4；

7、如果k大于等于k1，判断为活体，检查结束；否则重复4；

8、如果达到设置的跳光次数，检查结束，返回失败。

其中：Γ1.x指Γ1序列的第x个值，Γ2.x指Γ2序列的第x个值，lightChgTime.x指lightChgTime序列的第x个值。

方法检查流程参看图9。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：它包含摄像设施、引导设施、活体检测设施、虹膜验证设施等，摄像设施包含主光源和摄像模块，主光源：照射虹膜获得反射光进入摄像设施获得虹膜图片所使用的光源；摄像模块：负责拍摄虹膜图片的设施；引导设施引导用户进入最佳成像范围的装置，通常包括测距、预览、提示三个部分；活体检测设施：按照虹膜活体检测方法实现活体检测的设施；辅助光源：用于引导引发人眼扫视运动的光源，采用人员舒适且高度敏感的光源，如波长550±50nm的黄绿光；辅助光源布局应具有可标记方向性；虹膜验证设施：验证输入虹膜图像是否与注册样本一致的模块，一般包括图像的预处理、分割、编码及比对等基本过程；图像预处理：对输入图像进行基本检测，包括人眼检测、图像质量判决、瞳孔(虹膜)粗定位等；图像分割：将瞳孔、虹膜、眼睑等进行准确定位分割，并归一化为统一的虹膜图像；虹膜编码：按照编码规则对归一化虹膜图像进行编码；编码对比：将当前编码与注册样本的编码进行对比，依据对比结果判断输入虹膜图像是否与注册样本一致；

虹膜快速活体检测方法如下：使用辅助光源引导引发人眼扫视运动，辅助光源布局：采用左右布局、方框布局或者圆周布局等可以引发明显眼球扫视方向变化的布局形式，整个检测过程包括两个周期过程，初始认证周期T0与跳光周期T1；初始认证周期T0：完成用户引导，并对输入虹膜图像进行虹膜验证处理，当首次通过验证处理后，完成初始认证周期；跳光周期T1：初始认证周期完成后，进入跳光周期；跳光为控制点亮不同方向的辅助光源并引导用户进行眼球扫视的过程；一个调光周期中包括多次跳光过程；跳光周期包括以下参数：每次跳光时长：250-1000ms之间的一个随机值，每次辅助光源方向跳动前设置；每次跳光方向：一个随机方向，每次辅助光源方向跳动前设置；如果可选择方向＞＝4，建议下一个跳光方向与当前方向不同，以引发明显的眼球扫视运动；跳光次数：一个次数上限，用于超时控制；活体检测：当存在眼球扫视符合，即判决为活体虹膜；设定多个检查层次，适应不同安全需求；不同检查层次有不同的眼球扫视符合检测方法。

2.根据权利要求1所述的一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：检测层次设定实例：三个层次的检测层次实例；第一层次检查：存在眼球扫视符合，即在一个时间范围内(跳光周期T1)能检测到1次明显的瞳孔相对位移，且眼球扫视方向与引导光源一致；第二层次检查：在跳光周期T1内能检测到2次以上眼球扫视符合；第三层次检查：在跳光周期T1内，检测连续的(2次以上，可配置)的眼球扫视方向与引导光源一致现象。

3.根据权利要求1所述的一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：检查方法：1、从获取的一个跳光周期连续n张带方向(及时间)标记图片中提取瞳孔中心(和或虹膜中心)、虹膜直径、普尔钦斑点中心(和或内眼角点)；计算斑点中心(和或内眼角点)与瞳孔中心(和或虹膜中心)的归一化相对位置，并转换为一个方向序列Γ1¹；2、同时提取对应的方向标记，组成另一个序列Γ2；3、第一层次检查：Γ1，Γ2相同位置存在1个以上方向一致数据，则认为存在眼球扫视符合；4、第二层次检查：Γ1，Γ2相同位置存在k1个以上方向一致数据，则认为存在眼球扫视符合，k1＞＝2；5、第三层次检查：Γ1，Γ2相同位置存在连续k2个方向一致数据，则认为存在眼球扫视符合，k2＞＝2。

4.根据权利要求1所述的一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：所述的主要设施的选择和布局是有约束的，由摄像头与主光源组成的摄像设施应有能力获取清晰虹膜图像，引导设施具有引导用户进入最佳成像范围的能力，合理布局的辅助光源应有能力引导触发眼球扫视运动；在应用实例中：引导设施采用屏幕引导方式，引导区设置在屏幕中心部分；主光源采用810nm近红外光，置于屏幕正上方，摄像头设置在主光源右侧；辅助光源由屏幕提供，设置4个方向，左，上，右，下，标注为方向1，2，3，4；辅助光源使用条状绿光，测距模块为红外测距系统。

5.根据权利要求1所述的一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：所述的应用主流程如下：1、摄像设施获取用户虹膜图像；2、用户引导：引导设施引导用户进入最佳成像范围；3、初始认证：调用虹膜验证设施，完成初始认证周期T0；4、活体检测：进入跳光周期T1，调用活体检测设施完成活体检测过程；5、判决：如判决为活体，整个虹膜认证过程结束，认证成功；否则，认证失败。

6.根据权利要求1所述的一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：所述的引导过程如下：1.测距设施实时测距，当用户进入设定距离范围后，启动屏幕引导过程；2.摄像设施实时获取图像，传递给虹膜认证模块；3.虹膜认证模块进行图像预处理，对虹膜图像进行基本检测，包括人眼检测、图像质量判决、瞳孔(虹膜)粗定位等，如果通过预处理，则进行后续处理，否则重复过程2。

7.根据权利要求1所述的一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：所述的初始认证过程T0如下：1、实时获取图像帧，传递给虹膜预处理模块；2、经过虹膜预处理的图像，开始图像分割过程；3、图像分割包括瞳孔定位与分割、虹膜定位与分割、眼睑分割、睫毛检测等；4、对分割图像进行归一化处理，获得归一化虹膜图像；5、对归一化图像进行编码；6、将编码结果与存储样本编码进行比对，比对成功，初始认证过程完成；否则，重复1。

8.根据权利要求1所述的一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：在应用实例中应用说明为：采用普尔钦斑点与虹膜中心相对关系形成方向序列：使用第二层次检查模式；其中举例说明一个T1周期(跳光周期)；其跳光周期的设置为：跳光次数lightChangeNum＝5，跳光方向序列Γ2＝{1，3，4，3，2}，跳光时长序列＝{310ms，280ms，421ms，537ms，253ms}。

9.根据权利要求1所述的一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：在应用实例中，参考点与参考坐标系的确定过程如下：当人眼正视屏幕，图像处于屏幕引导区中心区域时，普尔钦斑点与虹膜中心并非重合，而是存在一定的偏差；以标准距离(如25cm)人眼正视屏幕且居于中心位置的虹膜图像为标准样板，通过工程模式确定以下基本参数：标准虹膜直径Ds，在图像形成的二维坐标系中，普尔钦斑点与虹膜中心x轴和y轴的偏差Xs，Ys；对应用过程中获取的虹膜图像，先对当前图像进行旋转到水平位置，然后按照当前图像虹膜直径与标准虹膜直径比例，对当前图像进行缩放，将当前图像投放到标准样板；普尔钦斑点标准化：归一化后的图像普尔钦斑点，以标准偏差(Xs，Ys)进行平移变换；参考坐标系变换：归一化后的图像点，以标准化后的普尔钦斑点为新的坐标零点进行平移变换，形成新的二维参考坐标系；后续的方法描述将在参考坐标系中进行：在参考坐标系中，以虹膜中心位置，确定方向(方向1：(-45度，-45度】，方向2：(45度，135度】，方向3：(135度，225度】，方向4：(225度，315度】)。

10.根据权利要求1所述的一种虹膜快速活体检测方法，其特征在于：在应用实例中方法检查流程：1、完成初始认证周期T0后，启动T1周期；2、设置T1初始参数，设置k1＝2；记录Γ2；设置符合次数标记k＝0；3、获取1帧虹膜图像；4、获取虹膜中心位置，虹膜直径，普尔钦斑点位置信息；5、变换到参考坐标系，依据虹膜中心位置，获得方向标记，记录Γ1的第一个值Γ1.1；6、对于第二层次检查，判断Γ1.1是否等于Γ2.1，如果相等，k++，重复4；否则直接重复4；7、如果k大于等于k1，判断为活体，检查结束；否则重复4；8、如果达到设置的跳光次数，检查结束，返回失败。