CN111310661A

CN111310661A - 一种虹膜智能3d信息采集测量设备

Info

Publication number: CN111310661A
Application number: CN202010095690.9A
Authority: CN
Inventors: 左忠斌; 左达宇
Original assignee: Tianmu Aishi Beijing Technology Co Ltd
Current assignee: Tianmu Aishi Beijing Technology Co Ltd
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: CN111310661B

Abstract

本发明实施例提供了一种虹膜3D信息采集测量设备，包括图像采集装置、旋转装置、X轨道、Y轨道；旋转装置驱动图像采集装置以向着虹膜方向上的点为圆心进行转动运动；且旋转装置位于图像采集装置后、背离虹膜的方向；X轨道与Y轨道用于承载图像采集装置，并且使得图像采集装置能够在它们上同时滑动，并且复合运动轨迹为曲线。首次提出通过转轴、二维导轨的配合，实现适合虹膜采集的相机凹形运动轨迹，且不增加设备体积。

Description

一种虹膜智能3D信息采集测量设备

技术领域

本发明涉及虹膜形貌测量技术领域，特别涉及3D形貌测量技术领域。

背景技术

目前在进行虹膜识别时，通常对人体眼睛进行拍照，采集虹膜图片，与在先采集的标准图片进行比对，从而判断是否能够通过身份验证。然而，这种比对均是采用平面图像的比对，这使得比对损失了实际存在一维数据(深度数据)。因此存在较大的误判率。

而且二维的图像采集只能描述虹膜的二维特征，这使得对于虹膜的测量过于简单，无法反映虹膜真实三维尺寸、形貌。

目前也有一些主动式三维形貌测量的方案，但均需要进行主动发光。例如结构光式、红外光式。这些方法应用于身体其他部位更为合适。如果进行虹膜形貌采集，必然会导致过亮的光进入眼睛。虽然目前均采用不可见光，但实际光的能量还是进入了眼底，长期使用会导致眼底病变。

虽然在前也提出了一些视觉测量的方案，采集物体不同角度的图片，并将这些图片匹配拼接形成3D模型。在采集不同角度图片时，可以待测物不同角度设置多个相机，也可以通过单个或多个相机旋转从不同角度采集图片。但这些方案均是针对较大物体(例如花瓶、手掌、躯体)设计的。虹膜具有目标较小、曲率相对较小的特点。也就是说，虹膜整体上更加扁平一些，宏观立体的特征不明显，无法直接使用测量较大物体的装置直接围绕采集。如果还是用类似结构去采集，会导致特征点较少，难以匹配成功，从而降低了合成的速度和精度。

而且在现有技术中，也曾提出使用包括旋转角度、目标物尺寸、物距的经验公式限定相机位置，从而兼顾合成速度和效果。然而在实际应用中发现：除非有精确量角装置，否则用户对角度并不敏感，难以准确确定角度；目标物尺寸难以准确确定，特别是某些应用场合目标物需要频繁更换，每次测量带来大量额外工作量，并且需要专业设备才能准确测量不规则目标物。测量的误差导致相机位置设定误差，从而会影响采集合成速度和效果；准确度和速度还需要进一步提高。尤其对于虹膜的采集，测量其尺寸和物距并不容易。

因此，目前急需解决以下技术问题：①能够同时提高虹膜3D模型合成速度和合成精度；②降低虹膜3D采集建模成本，不增加过多设备复杂程度和体积。③方便操作，无需使用专业设备，无需过多测量。④适合虹膜小尺寸、低曲率的特点的采集。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的虹膜3D信息采集设备。

本发明实施例的一方面提供了一种虹膜3D信息采集和/或测量设备及方法，包括图像采集装置、旋转装置、X轨道、Y轨道；

旋转装置驱动图像采集装置以向着虹膜方向上的点为圆心进行转动运动；且旋转装置位于图像采集装置后、背离虹膜的方向；

X轨道与Y轨道用于承载图像采集装置，并且使得图像采集装置能够在它们上同时滑动，并且复合运动轨迹为曲线。

在可选的实施例中，旋转装置包括电机、转臂，电机通过转臂与承载装置连接。

在可选的实施例中，图像采集装置和旋转装置间具有承载装置，图像采集装置设置于承载装置上。

在可选的实施例中，包括脸部定位装置。

在可选的实施例中，图像采集装置为红外式。

在可选的实施例中，图像采集装置前设置有滤光片。

在可选的实施例中，光源包括可见光和/或红外光。

在可选的实施例中，图像采集装置采集目标物时，相邻两个采集位置满足如下条件：

其中L为两个位置图像采集装置光心的直线距离；f为图像采集装置的焦距；d为图像采集装置感光元件的矩形长度；T为图像采集装置感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；δ为调整系数；

且δ<0.601，或δ<0.478，或δ<0.383，或δ<0.253，或δ<0.122。

本发明实施例的另一方面提供了一种使用上述任一所述的设备或方法进行虹膜识别的设备或方法。

本发明实施例的第三方面提供了一种使用上述任一所述的设备或方法进行医学处理的医疗设备。

发明点及技术效果

1、首次提出通过转轴、二维导轨的配合，实现适合虹膜采集的相机凹形运动轨迹。且不增加设备体积。

2、通过优化相机采集图片的位置，保证能够同时提高3D合成速度和合成精度；且优化位置时，无需测量角度，无需测量目标尺寸，适用性更强。

3、通过光源、图像采集设备滤光片的设计，避免了光斑干扰。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的虹膜3D信息采集设备的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的虹膜3D信息采集设备连接结构的示意图；

图3为本发明另一实施例中脸部支架的结构示意图。

附图标记与各部件之间的对应关系为：

1图像采集装置、2承载装置、3旋转装置、4X轨道、5Y轨道、6脸部支架。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

虹膜3D信息采集装置结构

为解决上述技术问题，本发明提供了一种虹膜3D信息采集设备，如图1、 2所示，包括图像采集装置1、承载装置2、旋转装置3、X轨道4、Y轨道5。

图像采集装置1固定于承载装置2上，承载装置2一端与旋转装置3连接，另一端固定有图像采集装置1。同时承载装置2与Y轨道5滑动连接，其可以在Y轨道5上滑动，从而带动图像采集装置1在Y方向运动。Y轨道5与X 轨道4正交，并且滑动连接，Y轨道5模块可以在X轨道4上滑动，从而使得 Y轨道5整体在X方向运动，从而使得其上的承载装置2以及承载装置2上的图像采集装置1可以在X方向运动。

旋转装置3包括电机、转轴和转臂。转臂一端连接转轴，连接方式为固定连接(从而驱动转臂转动)；转臂另一端连接承载装置2一端，连接方式为可转动连接。电机带动转轴转动，从而驱动转臂转动，转臂带动承载装置2转动，从而使得承载装置2在X轨道4和Y轨道5上进行复合运动，这种复合运动实际上是转动。但对于X轨道4而言，承载装置2只进行了X方向运动；对于Y 轨道5而言，承载装置2只进行了Y方向运动。但由于两个方向进行复合运动，因此整体而言，承载装置2的运动为绕圆心的转动运动，从而使得其上的图像采集装置1实现转动。而这种转动的驱动来自于旋转装置3的电机，并不是XY 轨道，轨道更多地是实现承载功能，即轨道为随动轨道。通过这样的结构，可以使得图像采集装置1运动轨迹为凹形，即近似以人体眼睛为圆心进行转动。也就是说，旋转装置3驱动图像采集装置1以向着虹膜方向上的某个点为圆心进行转动运动，且旋转装置3位于图像采集装置后、背离虹膜的方向。该点可以为虹膜，也可以根据需要选择头部某个点，或空间某个点，但整体上使得运动轨迹为凹形，从而能够拍摄虹膜不同角度的图像。在以往，如果要实现这样的效果，需要在人体附近设置转轴，才能实现。例如在人头部上方设置悬臂，悬臂转轴延伸线与人眼部重合。但这样的悬臂设置需要不仅本身体积巨大，而且需要巨大的配重，显然整体会大大增加设备体积和重量，以至于无法轻松移动该设备。而采用本发明的方案，其完全可以设置为桌面式，将整个设备随时随地搬运。

当然，在另一个实施例中，也可以不设置旋转装置，而是驱动承载装置在 X轨道、Y轨道上同时进行运动，只要保证两个方向的复合运动为转动即可。

图像采集装置可以通过支撑件与承载装置连接，从而在整体上在竖直方向立起，这样方便对人体眼睛进行采集。

图像采集装置可以为CCD、CMOS、相机、摄像机、工业相机、监视器、摄像头、手机、平板、笔记本、移动终端、可穿戴设备、智能眼镜、智能手表、智能手环以及带有图像采集功能所有设备。特别的，图像采集设备可以为红外波段。

同时在图像采集装置周边设置有光源，光源可以为圆环形照明光源。光源可以为LED光源，也可以为智能光源，即根据目标物及环境光的情况自动调整光源参数。通常情况下，光源位于图像采集装置的镜头周边分散式分布，例如光源为在镜头周边的环形LED灯。特别是可以在光源的光路上设置柔光装置，例如为柔光外壳。或者直接采用LED面光源，不仅光线比较柔和，而且发光更为均匀。更佳地，可以采用OLED光源，体积更小，光线更加柔和，并且具有柔性特性，可以贴附于弯曲的表面。光源可以包括两种，可见光源和红外光源。

但是由于眼部较为特殊，其本身就是光学结构，在使用光源进行补光时，光源的像会呈现在图像中。如果光源的像正好呈现在虹膜区域，那么图像上该区域就会出现亮斑，从而导致图像上虹膜信息丢失。为了避免出现这种情况，也需要对设备和眼部进行对准，使得光源的像呈现在瞳孔部分(瞳孔部分信息并不是重建虹膜3D模型所需要的)，或呈现在其他非虹膜区域。为了解决上述问题，一方面可以对光源进行改造，改变光源位置，防止出现干扰像。也可以对光源进行柔光，并且使得光照更加散布。

在另外一种实施例中，提供了另外一种避免光源干扰像的方案：在可见光源前端设置滤光片，滤除红外光；在红外图像采集设备接收前设置滤光片，滤除可见光。这样，可以使得“过亮”的可见光被滤除，不进入图像采集设备中，防止图像被光源的可见光像干扰。这也是本发明的发明点之一。

在另一种实施例中，可以设置脸部支架6，用于在采集时将人脸定位，从而实现图像采集装置与人脸的对准。支架可以为U型，U型下部放置下巴，两侧放置脸部转动和平移。U型下部具有立柱，U型固定部转动连接在立柱上，从而可以左右转动式地调整U型固定部的位置。U型固定部可在立柱上上下移动，从而可以在竖直方向调整固定部的高度。由此，可在使用前调整U型固定部与图像采集装置1对准。当然，除了U型，固定部也可以采用其他适合的形状，请参考图3，例如在U型固定部上端增加固定额头的部分，从而使得人头部在U型固定部处前后位置相对固定，方便准确测量。这也是本发明为了准确测量所采用的新的结构。

图像采集装置采集位置优化

根据大量实验，采集的间隔距离优选满足如下经验公式：

在进行3D采集时，相邻两个图像采集装置的位置，或图像采集装置相邻两个采集位置满足如下条件：

其中L为两个图像采集装置光心的直线距离；f为图像采集装置的焦距；d 为图像采集装置感光元件(CCD)的矩形长度；T为图像采集装置感光元件沿着光轴到目标物表面的距离；δ为调整系数，δ<0.601。

图像采集装置在两个位置中的任何一个位置时，感光元件沿着光轴到目标物表面的距离作为T。除了这种方法外，在另一种情况下，L为A_n、A_n+1两个图像采集装置光心的直线距离，与A_n、A_n+1两个图像采集装置相邻的A_n-1、A_n+2两个图像采集装置和A_n、A_n+1两个图像采集装置各自感光元件沿着光轴到目标物表面的距离分别为T_n-1、T_n、T_n+1、T_n+2，T＝(T_n-1+T_n+T_n+1+T_n+2)/4。当然可以不只限于相邻4个位置，也可以用更多的位置进行平均值计算。

L应当为两个图像采集装置光心的直线距离，但由于图像采集装置光心位置在某些情况下并不容易确定，因此在某些情况下也可以使用图像采集装置的感光元件中心、图像采集装置的几何中心、图像采集装置与云台(或平台、支架)连接的轴中心、镜头近端或远端表面的中心替代，经过试验发现由此带来的误差是在可接受的范围内的。

通常情况下，现有技术中均采用物体尺寸、视场角等参数作为推算相机位置的方式，并且两个相机之间的位置关系也采用角度表达。由于角度在实际使用过程中并不好测量，因此在实际使用时较为不便。并且，物体尺寸会随着测量物体的变化而改变。例如，在进行一个成年人头部3D信息采集后，再进行儿童头部采集时，就需要重新测量头部尺寸，重新推算。上述不方便的测量以及多次重新测量都会带来测量的误差，从而导致相机位置推算错误。而本方案根据大量实验数据，给出了相机位置需要满足的经验条件，不仅避免测量难以准确测量的角度，而且不需要直接测量物体大小尺寸。经验条件中d、f均为相机固定参数，在购买相机、镜头时，厂家即会给出相应参数，无需测量。而T 仅为一个直线距离，用传统测量方法，例如直尺、激光测距仪均可以很便捷的测量得到。因此，本发明的经验公式使得准备过程变得方便快捷，同时也提高了相机位置的排布准确度，使得相机能够设置在优化的位置中，从而在同时兼顾了3D合成精度和速度，具体实验数据参见下述。

利用本发明装置，进行实验，得到了如下实验结果：

从上述实验结果及大量实验经验可以得出，δ的值应当满足δ<0.601，此时已经能够合成部分3D模型，虽然有一部分无法自动合成，但是在要求不高的情况下也是可以接受的，并且可以通过手动或者更换算法的方式弥补无法合成的部分。特别是δ的值满足δ<0.478时，能够最佳地兼顾合成效果和合成时间的平衡；为了获得更好的合成效果可以选择δ<0.383，此时合成时间会上升，但合成质量更好。当然为了进一步提高合成效果，可以选择δ<0.253。但这里应当注意，以上范围仅仅是最佳实施例，并不构成对保护范围的限定。

并且从上述实验可以看出，对于相机拍照位置的确定，只需要获取相机参数(焦距f、CCD尺寸)、相机CCD与物体表面的距离T即可根据上述公式得到，这使得在进行设备设计和调试时变得容易。由于相机参数(焦距f、CCD 尺寸)在相机购买时就已经确定，并且是产品说明中就会标示的，很容易获得。因此根据上述公式很容易就能够计算得到相机位置，而不需要再进行繁琐的视场角测量和物体尺寸测量。特别是在一些场合中，需要更换相机镜头，那么本发明的方法直接更换镜头常规参数f计算即可得到相机位置；同理，在采集不同物体时，由于物体大小不同，对于物体尺寸的测量也较为繁琐。而使用本发明的方法，无需进行物体尺寸测量，能够更为便捷地确定相机位置。并且使用本发明确定的相机位置，能够兼顾合成时间和合成效果。因此，上述经验条件是本发明的发明点之一。

以上数据仅为验证该公式条件所做实验得到的，并不对发明构成限定。即使没有这些数据，也不影响该公式的客观性。本领域技术人员可以根据需要调整设备参数和步骤细节进行实验，得到其他数据也是符合该公式条件的。

本发明所述的相邻采集位置是指，在图像采集装置相对目标物移动时，移动轨迹上的发生采集动作的两个相邻位置。这通常对于图像采集装置运动容易理解。但对于目标物发生移动导致两者相对移动时，此时应当根据运动的相对性，将目标物的运动转化为目标物不动，而图像采集装置运动。此时再衡量图像采集装置在转化后的移动轨迹中发生采集动作的两个相邻位置。

应用

利用本发明上述装置和方法可以采集用户的虹膜图像，并最终合成虹膜3D 模型，从而获得用户虹膜的三维信息。由于每个人虹膜的三维信息都是独特的，因此可以将该数据作为标准数据，例如存储在银行数据库中。当用户需要进行身份认证时，再利用采集设备拍摄用户虹膜的图像，并进行3D虹膜建模，从而得到用户当前时刻虹膜的三维信息，称为实时数据。将实时数据与标准数据进行比对，如果两者相似度高于某一阈值(例如80％)，则认为虹膜识别通过，用户身份得以验证。

根据本发明采集构建的虹膜三维模型，可以进行相关部位的手术模拟和手术规划。可以在电脑上显示出相关部位的三维形貌，并在数据层面操作对病灶的处理方式，并最终呈现出来，从而评估手术效果。

本发明所述的转动运动，为在采集过程中前一位置采集平面和后一位置采集平面发生交叉而不是平行，或前一位置图像采集装置光轴和后一位置图像采集位置光轴发生交叉而不是平行。也就是说，图像采集装置的采集区域环绕或部分环绕目标物运动，均可以认为是两者相对转动。虽然本发明实施例中列举更多的为有轨道的转动运动，但是可以理解，只要图像采集设备的采集区域和目标物之间发生非平行的运动，均是转动范畴，均可以使用本发明的限定条件。本发明保护范围并不限定于实施例中的有轨道转动。

上述目标物体、目标物、及物体皆表示预获取三维信息的对象。可以为一实体物体，也可以为多个物体组成物。例如可以为头部、手部等。所述目标物的三维信息包括三维图像、三维点云、三维网格、局部三维特征、三维尺寸及一切带有目标物三维特征的参数。本发明里所谓的三维是指具有XYZ三个方向信息，特别是具有深度信息，与只有二维平面信息具有本质区别。也与一些称为三维、全景、全息、三维，但实际上只包括二维信息，特别是不包括深度信息的定义有本质区别。

本发明所说的采集区域是指图像采集装置(例如相机)能够拍摄的范围。

以上实施例获得的目标物多个区域的3D信息可以用于进行比对，例如用于身份的识别。首先利用本发明的方案获取人体面部和虹膜的3D信息，并将其存储在服务器中，作为标准数据。当使用时，例如需要进行身份认证进行支付、开门等操作时，可以用3D获取装置再次采集并获取人体面部和虹膜的3D 信息，将其与标准数据进行比对，比对成功则允许进行下一步动作。可以理解，这种比对也可以用于古董、艺术品等固定财产的鉴别，即先获取古董、艺术品多个区域的3D信息作为标准数据，在需要鉴定时，再次获取多个区域的3D信息，并与标准数据进行比对，鉴别真伪。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的基于本发明装置中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序 (例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims

1.一种虹膜3D信息采集和/或测量设备及方法，其特征在于：包括图像采集装置、旋转装置、X轨道、Y轨道；

2.如权利要求1所述的设备及方法，其特征在于：旋转装置包括电机、转臂，电机通过转臂与承载装置连接。

3.如权利要求1-2所述的设备及方法，其特征在于：图像采集装置和旋转装置间具有承载装置，图像采集装置设置于承载装置上。

4.如上述任一权利要求所述的设备及方法，其特征在于：包括脸部定位装置。

5.如上述任一权利要求所述的设备及方法，其特征在于：图像采集装置为红外式。

6.如上述上述任一权利要求所述的设备及方法，其特征在于：图像采集装置前设置有滤光片。

7.如上述任一权利要求所述的设备及方法，其特征在于：光源包括可见光和/或红外光。

8.如上述任一权利要求所述的设备及方法，其特征在于：

图像采集装置采集目标物时，相邻两个采集位置满足如下条件：

且δ<0.601，或δ<0.478，或δ<0.383，或δ<0.253，或δ<0.122。

9.一种使用权利要求1-8任一所述的设备或方法进行虹膜识别的设备或方法。

10.一种使用权利要求1-8任一所述的设备或方法进行医学处理的医疗设备。