CN112861607B - 一种远距离激光活体识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种远距离激光活体识别方法,包括以下步骤S1、心跳数据采集及处理设备、测量设备和显控设备上电和系统初始化,通过测量设备的成像设备监测视野中是否存在待识别活体目标,若存在进入步骤S2,若没有继续监测;S2、成像设备将活体的图像信息回传至显控设备,显控设备控制测量设备的激光测振仪瞄准活体目标,瞄准持续时间T,获得目标完整的心跳样本数据,并发送至心跳数据采集及处理设备;S3、心跳数据采集及处理设备将目标的心跳样本数据进行处理并与样本库数据进行比对,若比对成功,则通过显控设备显示目标的身份信息,若比对失败,则通过显控设备发出提示。检测距离远且无感,可在受检目标无察觉的情况下完成身份识别、匹配。

Description

一种远距离激光活体识别方法
技术领域
本发明属于光电子信息技术领域,更具体地,涉及一种远距离激光活体识别方法。
背景技术
传统以指纹、虹膜、静脉、人脸等作为输入特征的身份识别系统要求受检目标与检测设备保持较近的距离(通常在1-2米以内),且在姿态、动作、穿戴等方面要求一定的配合度,一旦目标超出检测范围或配合度不高,识别准确率将大大降低甚至难以完成识别。此外,指纹、虹膜、人脸等特征易于伪造,容易被犯罪分子和不良企图者利用,可有目的地骗过识别系统。
通过科技不断地发展,可采用激光多普勒速度计传感器采用非接触式的方式,对人体的心跳脉搏指标进行测量,例如申请号为201080063068.4的发明专利,公开了一种非接触式生物识别感测的系统和方法,通过关键生理参数的距外评估帮助现场评估受难者状态。通过进一步研究发现个体的心脏起搏信号在较长时期内具备独有的特征(即唯一性),所以可根据此特征进行身份识别。
发明内容
针对上述情况,提出了一种激光远程活体识别方法,该方法采用激光振动仪为信号发射源和采集装置,仪器发射激光束照射位于远处的生物体表面,通过对反射的多普勒信号的幅度、频移等进行检测,可提取出该生物特定的心脏起搏信号,可根据此特征进行身份识别。
一种远距离激光活体识别方法,包括以下步骤:
S1、心跳数据采集及处理设备、测量设备和显控设备上电和系统初始化,通过测量设备的成像设备监测视野中是否存在待识别活体目标,若存在进入步骤S2,若没有继续监测;
S2、所述成像设备将活体的图像信息回传至显控设备,显控设备控制测量设备的激光测振仪瞄准活体目标,瞄准持续时间T,获得目标完整的心跳样本数据,并发送至心跳数据采集及处理设备;
S3、心跳数据采集及处理设备将目标的心跳样本数据进行处理并与样本库数据进行比对,若比对成功,则通过显控设备显示目标的身份信息,若比对失败,则通过显控设备发出提示。
进一步地,步骤S1中,所述测量设备还包括用于调整成像设备和激光测振仪方位的云台,所述成像设备和激光测振仪安装于云台上。
具体地,所述云台为手动支架或伺服机构。
进一步具体地,所述成像设备包括红外和可见光镜头中的任一种。
更进一步地,所述心跳数据采集及处理设备包括数据采集模块、滤波与特征提取功能模块、样本匹配功能模块、心跳样本库功能模块和显示模块,
所述数据采集模块用于将激光测振仪接收的心振信号模拟量转换为数字量;
所述滤波与特征提取功能模块用于接收心振信号数字量,同时通过滤波、峰值检测、时域剪切分段、对齐与自动增益控制产生等长度的心振样本序列;
所述样本匹配功能模块用于将采集的样本特征向量与心跳样本库的样本特征向量进行匹配;
所述心跳样本库功能模块用于存储已采集到的活体目标心跳样本数据,同时关联相关目标的身份信息;
所述显示模块用于显示激光测振仪回传的图像信号,和活体目标心跳数据与样本库的匹配结果。
进一步具体地,所述滤波与特征提取功能模块产生等长度的心振样本序列的具体步骤如下:
a)首先采用高阶巴特沃斯带通滤波器滤除高频噪声和基底漂移噪声,通带频点fp1-fp2的范围在0.4-20Hz之间;
b)对信号进行小波变换进一步滤除噪声,采用自适应阈值调整小波系数,然后进行逆变换,变换阶数≤5;
c)以典型峰峰值点间隔时间为标准进行均匀剪切,获得等长的心跳样本序列集合;
d)对所有序列进行自动增益控制,确保所有序列的最大幅值在限定区间内;
e)采用K-means方法计算序列集合的质心,K=1,计算质心与所有序列的欧式距离,剔除10%-30%距离较远的异常序列,保留剩余序列;
f)采用主成分分析法取每个序列前20-30主成分分量作为样本的特征向量。
具体地,所述心跳样本库功能模块存储的数据同样采用a)-f)的步骤进行预处理后再存储。
进一步地,步骤a完成后还包括
a1)然后设计FIR陷波器进一步滤除50Hz工频干扰。
更进一步地,步骤a中根据实际设备状态及环境噪声对通带频点fp1-fp2的范围进行调整。
进一步地,所述样本匹配功能模块通过SVM分类器计算其类别属性;
所述SVM分类器采用“一对一投票法”进行设计,即从样本库中任选2个体的特征向量进行配对,构造一个SVM二分类器,假设样本库中共有N个人的特征向量,则需构造N(N-1)/2个SVM二分类器,将待匹配样本的特征向量输入N(N-1)/2个分类器中,每个分类器输出一个类别标示,得票最多且超过一定阈值Q的标示即为样本的真实身份,否则可判定该样本不存在于现有样本库中。
进一步地,步骤S2中,瞄准持续时间T为10-30s。
具体地,所述身份信息包括姓名、年龄和职业。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、检测距离远且无感(至少达到100米以外),可在受检目标无察觉的情况下完成身份识别、匹配。
2、伪造难度高,由于心脏起搏信号产生自体内,表征为皮肤表层有规律的微小振动,伪造难度极高。
3、通过本发明的滤波算法,有效地将待识别活体反射的微弱信号,进行滤波提取,提高了检测的可靠性和准确率,实测可达到95%以上的识别准确率,在某些特殊领域具备较高的实用性。
4、具备一定的穿透性,在穿戴衣物的情况下也可识别,不需要受检者裸露皮肤。
5、激光测振仪发出的激光功率低,对被识别目标无伤害。
附图说明
图1为本发明的原理组成图;
图2为本发明中各设备的连接关系图;
图3为本发明的实施流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,均属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-3所示,一种远距离激光活体识别方法,包括以下步骤:
S1、心跳数据采集及处理设备、测量设备和显控设备上电和系统初始化,通过测量设备的成像设备监测视野中是否存在待识别活体目标,若存在进入步骤S2,若没有继续监测;
S2、所述成像设备将活体的图像信息回传至显控设备,显控设备控制测量设备的激光测振仪瞄准活体目标,瞄准持续时间25s,获得目标完整的心跳样本数据,并发送至心跳数据采集及处理设备;
S3、心跳数据采集及处理设备将目标的心跳样本数据进行处理并与样本库数据进行比对,若比对成功,则通过显控设备显示目标的身份信息,若比对失败,则通过显控设备发出提示。
步骤S1中,所述测量设备还包括用于调整成像设备和激光测振仪方位的云台,所述成像设备和激光测振仪安装于云台上。
所述云台为手动支架或伺服机构,所述成像设备为红外,用于指示活体目标的实际方位。成像设备若监测到视野中存在活体目标,将远处活体的图像信息回传至显控设备,显控设备显示回传的图像信号,同时对云台发出对准控制指令,控制伺服机构转动,实现激光测振仪持续瞄准式照射。其中伺服机构可采购现有的成熟产品进行应用。
所述心跳数据采集及处理设备包括数据采集模块、滤波与特征提取功能模块、样本匹配功能模块、心跳样本库功能模块和显示模块,
所述数据采集模块用于将激光测振仪接收的心振信号模拟量转换为数字量;
所述滤波与特征提取功能模块用于接收心振信号数字量,同时通过滤波、峰值检测、时域剪切分段、对齐与自动增益控制产生等长度的心振样本序列;
所述样本匹配功能模块用于将采集的样本特征向量与心跳样本库的样本特征向量进行匹配;
所述心跳样本库功能模块用于存储已采集到的活体目标心跳样本数据,同时关联相关目标的身份信息;
所述显示模块用于显示激光测振仪回传的图像信号,和活体目标心跳数据与样本库的匹配结果,即该目标是否已存在于样本数据库中。
其中进行识别的具体步骤如下,成像设备将视野中存在活体目标成像后,成像信息传输至显控设备,激光测振仪发射光束信号,同时显控设备控制云台进行持续瞄准,由待识别活体(活体目标)反射的光束信号通过激光测振仪接收。激光测振仪采集到完整的心跳样本数据,将该振动信号(模拟信号)发送至数据采集模块,采集模块将振动信号转换成数字信号后发送至滤波与特征提取功能模块,进行滤波提取心振样本序列,样本匹配功能模块将该心振样本序列与心跳样本库功能模块中的数据进行比对后,通过显示模块显示目标的身份信息。
所述滤波与特征提取功能模块产生等长度的心振样本序列的具体步骤如下:
a)首先采用高阶巴特沃斯带通滤波器滤除高频噪声和基底漂移噪声,通带频点fp1-fp2的范围在0.4-20Hz之间,即心电图的频率范围,避免其他频率混入干扰;
a1)然后设计FIR陷波器进一步滤除50Hz工频干扰,即滤除220V供电电源的频率干扰;
b)对信号进行小波变换进一步滤除噪声,采用自适应阈值调整小波系数,然后进行逆变换,变换阶数为4,进一步滤除随机噪声和干扰;
c)以典型峰峰值点间隔时间为标准进行均匀剪切,获得等长的心跳样本序列集合,以获得单次心跳序列样本,便于后续匹配算法处理;
d)对所有序列进行自动增益控制,确保所有序列的最大幅值在限定区间内,进一步滤除失真样本;
e)采用K-means方法计算序列集合的质心,K=1,计算质心与所有序列的欧式距离,剔除10%-30%距离较远的异常序列,保留剩余序列,更进一步滤除失真样本;
f)采用主成分分析法取每个序列前25主成分分量作为样本的特征向量,提取最关键的特征信息,同时减少计算量,其中特征信息即一组向量,用于标记该身份的向量信息。
所述心跳样本库功能模块存储的数据同样采用a)-f)的步骤进行预处理后再存储。步骤a中根据实际设备状态及环境噪声对通带频点fp1-fp2的范围进行调整,例如检测环境中有雾等因素,可将通带频点fp1-fp2的范围调整为0-20Hz。
所述样本匹配功能模块通过SVM分类器计算其类别属性;
所述SVM分类器采用“一对一投票法”进行设计,即从样本库中任选2个体的特征向量进行配对,构造一个SVM二分类器,假设样本库中共有N个人的特征向量,则需构造N(N-1)/2个SVM二分类器,将待匹配样本的特征向量输入N(N-1)/2个分类器中,每个分类器输出一个类别标示,得票最多且超过一定阈值Q的标示即为样本的真实身份,否则可判定该样本不存在于现有样本库中,该分类方式应用成熟稳定。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于:
所述云台为手动支架,成像设备为可见光镜头,具备变焦放大功能,通过成像设备将视野中存在活体目标成像后,成像信息传输至显控设备,人工通过云台使激光测振仪对目标瞄准持续12s,获得活体的振动信号。
滤波和提取特征过程中,对信号进行小波变换进一步滤除噪声,采用自适应阈值调整小波系数,然后进行逆变换,变换阶数为5。
其余内容与实施例1相同。

Claims (6)

1.一种远距离激光活体识别方法,其特征在于包括以下步骤:
S1、心跳数据采集及处理设备、测量设备和显控设备上电和系统初始化,通过测量设备的成像设备监测视野中是否存在待识别活体目标,若存在进入步骤S2,若没有继续监测;
S2、所述成像设备将活体的图像信息回传至显控设备,显控设备控制测量设备的激光测振仪瞄准活体目标,瞄准持续时间T,获得目标完整的心跳样本数据,并发送至心跳数据采集及处理设备;
S3、心跳数据采集及处理设备将目标的心跳样本数据进行处理并与样本库数据进行比对,若比对成功,则通过显控设备显示目标的身份信息,若比对失败,则通过显控设备发出提示;
步骤S1中,所述测量设备还包括用于调整成像设备和激光测振仪方位的云台,所述成像设备和激光测振仪安装于云台上;
所述心跳数据采集及处理设备包括数据采集模块、滤波与特征提取功能模块、样本匹配功能模块、心跳样本库功能模块和显示模块,
所述数据采集模块用于将激光测振仪接收的心振信号模拟量转换为数字量;
所述滤波与特征提取功能模块用于接收心振信号数字量,同时通过滤波、峰值检测、时域剪切分段、对齐与自动增益控制产生等长度的心振样本序列;
所述样本匹配功能模块用于将采集的样本特征向量与心跳样本库的样本特征向量进行匹配;
所述心跳样本库功能模块用于存储已采集到的活体目标心跳样本数据,同时关联相关目标的身份信息;
所述显示模块用于显示激光测振仪回传的图像信号,和活体目标心跳数据与样本库的匹配结果;
所述滤波与特征提取功能模块产生等长度的心振样本序列的具体步骤如下:
a)首先采用高阶巴特沃斯带通滤波器滤除高频噪声和基底漂移噪声,通带频点fp1-fp2的范围在0.4-20Hz之间;
b)对信号进行小波变换进一步滤除噪声,采用自适应阈值调整小波系数,然后进行逆变换,变换阶数≤5;
c)以典型峰峰值点间隔时间为标准进行均匀剪切,获得等长的心跳样本序列集合;
d)对所有序列进行自动增益控制,确保所有序列的最大幅值在限定区间内;
e)采用K-means方法计算序列集合的质心,K=1,计算质心与所有序列的欧式距离,剔除10%-30%距离较远的异常序列,保留剩余序列;
f)采用主成分分析法取每个序列前20-30主成分分量作为样本的特征向量;
所述样本匹配功能模块通过SVM分类器计算其类别属性;
所述SVM分类器采用“一对一投票法”进行设计,即从样本库中任选2个体的特征向量进行配对,构造一个SVM二分类器,假设样本库中共有N个人的特征向量,则需构造N(N-1)/2个SVM二分类器,将待匹配样本的特征向量输入N(N-1)/2个分类器中,每个分类器输出一个类别标示,得票最多且超过一定阈值Q的标示即为样本的真实身份,否则可判定该样本不存在于现有样本库中。
2.根据权利要求1所述的远距离激光活体识别方法,其特征在于所述云台为手动支架或伺服机构。
3.根据权利要求1所述的远距离激光活体识别方法,其特征在于所述成像设备包括红外和可见光镜头中的任一种。
4.根据权利要求1所述的远距离激光活体识别方法,其特征在于步骤a完成后还包括
a1)然后设计FIR陷波器进一步滤除50Hz工频干扰。
5.根据权利要求1所述的远距离激光活体识别方法,其特征在于步骤S2中,瞄准持续时间T为10-30s。
6.根据权利要求1所述的远距离激光活体识别方法,其特征在于所述身份信息包括姓名、年龄和职业。
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