CN114612998B - 一种远距离虹膜采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远距离虹膜采集系统及采集方法，用以在远距离应用场景下，采集到符合要求的双眼图像，保证虹膜识别结果的准确性。所述系统包括单自由度云台和三个相机模组，云台包括云台平台和云台控制器，第一相机模组安装在云台平台正中间，第二相机模组和第三相机模组对称分布在第一相机模组的左右两侧；第一相机模组，用于采集人脸图像并发送给云台控制器；云台控制器，用于检测人脸图像中的人眼位置；根据人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量；根据云台控制量控制云台平台上下移动至相应位置；第二相机模组，用于在云台平台停止移动后，采集左眼图像；第三相机模组，用于在云台平台停止移动后，采集右眼图像。

Description

一种远距离虹膜采集系统及采集方法

技术领域

本发明属于图像采集技术领域，尤其涉及一种远距离虹膜采集系统及采集方法。

背景技术

虹膜采集指的是采集人体黑眼球里的某些视觉特征，是一项全新的关于人体生物的识别技术，它的功能相当于指纹识别，但是比指纹识别更加精确以及可靠稳定。在虹膜识别领域中，需要对人眼虹膜的特征信息进行采集。由于虹膜信息在850nm红外光的照射下最为明显，因此虹膜信息采集系统需要具有850nm红外光源，并且镜头上需要附带有850nm窄带滤光片。

为了提高虹膜识别的准确性，虹膜识别算法对采集的虹膜图像的要求为：(1)单眼图像分辨率为640*480，虹膜采样分辨率≥20pixel/mm；(2)虹膜图像为灰度图像，每个像素点位深度≥8位，即图像中每个像素点灰度量化级≥256级；(3)虹膜有效区域占比>60％，虹膜外边界的拟合圆到虹膜图像上边界、下边界、左边界和右边界的距离分别≥0.5ri、0.5ri、1.0ri和1.0ri，其中ri为虹膜半径。结合对图像的要求，可知眼部图像的最大有效分辨率为640*480，在此界限内虹膜部分占的分辨率越大越好。而在远距离应用时，为了降低成本和功耗，需要使用的相机镜头和感光芯片分辨率尽量低，红外光源光强度尽量小，这就要求镜头的焦距尽量长，拍摄到的视场尽量小。

因此，如何在远距离应用场景下，采集到符合要求的双眼图像，以保证虹膜识别结果准确性成为现有技术中亟待解决的技术问题之一。

发明内容

本发明实施例提供一种远距离虹膜采集系统及采集方法，用以在远距离应用场景下，采集到符合要求的双眼图像，保证虹膜识别结果的准确性。

第一方面，提供一种远距离虹膜采集系统，包括单自由度云台和三个相机模组，所述云台包括云台平台和云台控制器，所述相机模组安装在所述云台平台上，其中，第一相机模组安装在云台平台正中间，所述第二相机模组和所述第三相机模组对称分布在所述第一相机模组的左右两侧，所述第二相机模组和所述第三相机模组之间的距离为根据人眼瞳距确定出的；以及

所述第一相机模组，用于采集人脸图像并发送给所述云台控制器；

所述云台控制器，用于检测所述人脸图像中的人眼位置；根据所述人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量；根据所述云台控制量控制云台平台上下移动至相应位置，其中，所述云台控制器采用自适应摩擦补偿控制方法确定所述云台平台的运动控制参数；在所述云台平台移动过程中，根据所述运动控制参数控制所述云台平台移动；

所述第二相机模组，用于在所述云台平台停止移动后，采集左眼图像；

所述第三相机模组，用于在所述云台平台停止移动后，采集右眼图像。

在一种实施方式中，所述第二相机模组和所述第三相机模组的镜头焦距为按照以下公式确定出的：

f＝wl/W

其中：

f为第二相机模组或者所述第三相机模组的镜头焦距，W为所述第二相机模组或者所述第三相机模组所采集图像的宽度，w为第二相机模组或者所述第三相机模组感光芯片感光面的宽度，l为人眼到第二相机模组或者所述第三相机模组镜头的距离。

在一种实施方式中，所述第二相机模组或者所述第三相机模组的感光芯片分辨率为按照以下公式确定出的：

W_R＝W/W₁*640

其中，W_R为感光芯片在宽度方向上的最大像素点数，W₁表示人眼的宽度，W≥W₁。

在一种实施方式中，所述云台还包括云台电机，所述理想位置包括图像中心点位置；以及

所述云台控制器，具体用于根据人眼位置的高度与图像中心点位置的高度之差，确定所述云台电机的旋转角度。

在一种实施方式中，所述运动控制参数包括控制电压；以及

所述云台控制器，具体用于按照以下公式确定所述控制电压：

其中:U为控制电压；c为预设的正常数；r为指令转动角度，θ为平台的实际转动角度；a和b分别为根据云台机械特性和电机特性确定出的参数值；

为

预设的正常数；为大于0且有界的函数；/>

第二方面，提供一种应用于上述云距离虹膜采集系统中的虹膜采集方法，包括：

第一相机模组采集人脸图像并发送给所述云台控制器；

所述云台控制器检测所述人脸图像中的人眼位置；根据所述人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量；根据所述云台控制量控制云台平台上下移动至相应位置，其中，所述云台控制器采用自适应摩擦补偿控制方法确定所述云台平台的运动控制参数；在所述云台平台移动过程中，根据所述运动控制参数控制所述云台平台移动；

第二相机模组在所述云台平台停止移动后，采集左眼图像；

第三相机模组在所述云台平台停止移动后，采集右眼图像。

在一种实施方式中，所述第二相机模组和所述第三相机模组的镜头焦距为按照以下公式确定出的：

f＝wl/W

其中：

f为第二相机模组或者所述第三相机模组的镜头焦距，W为所述第二相机模组或者所述第三相机模组所采集图像的宽度，w为第二相机模组或者所述第三相机模组感光芯片感光面的宽度，l为人眼到第二相机模组或者所述第三相机模组镜头的距离。

在一种实施方式中，所述第二相机模组或者所述第三相机模组的感光芯片分辨率为按照以下公式确定出的：

W_R＝W/W₁*640

其中，W_R为感光芯片在宽度方向上的最大像素点数，W₁表示人眼的宽度，W≥W₁。

在一种实施方式中，所述理想位置包括图像中心点位置；以及根据所述人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量，具体包括：

根据人眼位置的高度与图像中心点位置的高度之差，确定所述云台电机的旋转角度。

在一种实施方式中，所述运动控制参数包括控制电压；以及所述控制电压为所述云台控制器按照以下公式确定出的：

其中：

U为控制电压；c为预设的正常数；r为指令转动角度，θ为平台的实际转动角度；a和b分别为根据云台机械特性和电机特性确定出的参数值；

为预设的正常数；为大于0且有界的函数；/>

本发明实施例提供的远距离虹膜采集系统及方法，通过在云台平台上安装三组相机模组，其中，位于云台正中间的相机模组用于采集人脸图像，根据人脸图像中的人眼位置和预设的理想位置，确定云台控制量，并据此调整云台平台的高度，在调整过程中，为了减少调整误差，采用自适应摩擦补偿控制方法确定云台平台的运动控制参数，以减小云台高度调整误差。将云台平台调整到合适高度后，再通过两外两个相机模组分别采集左眼图像和右眼图像，从而得到符合虹膜识别要求的虹膜图像，保证虹膜识别结果的准确性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明实施方式的远距离虹膜采集系统结构示意图；

图2为根据本发明实施方式的云台移动控制简化模型示意图；

图3为根据本发明实施方式的远距离虹膜采集方法实施流程示意图。

具体实施方式

为了能在远距离捕捉到符合要求的双眼图像，本发明实施例提供了一种在单自由度伺服云台上搭载三个相机模组的系统组成方案。如图1所示，其为本发明实施例提供的远距离虹膜采集系统结构示意图。其中，云台包括云台控制器和云台平台，第一相机模组安装在云台平台正中间，第二相机模组和第三相机模组对称分布在第一相机模组的左右两侧，分别拍摄一只眼睛的图像。第二相机模组和第三相机模组之间的距离为根据人眼瞳距确定出的。在一个实施例中，第二相机模组和第三相机模组之间的距离为人眼瞳距的中位数，例如，两者之间的距离可以为65mm。需要说明的是，具体实施时，第二相机模组和第三相机模组之间的距离可以根据实际需要进行设定，本发明实施例对此不进行限定。

具体实施时，为保证第二相机模组和第三相机模组采集图像的质量，本发明实施例中，可以按照以下公式确定第二相机模组和第三相机模组的镜头焦距：

f＝wl/W

其中：

f为第二相机模组或者所述第三相机模组的镜头焦距，W为所述第二相机模组或者所述第三相机模组所采集图像的宽度，w为第二相机模组或者所述第三相机模组感光芯片感光面的宽度，l为人眼到第二相机模组或者所述第三相机模组镜头的距离。

相应地，可以按照以下公式确定第二相机模组或者第三相机模组的感光芯片分辨率：

W_R＝W/W₁*640

其中，W_R为感光芯片在宽度方向上的最大像素点数，W₁表示人眼的宽度，W≥W₁。

其中，为了降低感光芯片的分辨率，W的取值越小越好。

对于第一相机模组，焦距的计算方法与第二相机模组和第三相机模组相同，为了拍摄到一整张人脸，W需要取得足够大。由于不需要通过第一相机模组采集高品质的虹膜图像，因此其感光芯片的分辨率不需要很高，可以保持与第二相机模组和第三相机模组一致即可。

在一个实施例中，以人眼到镜头的距离l为1m为例，人眼的宽度W₁取5cm，感光芯片选择的尺寸为1/3英寸，w为4.8mm，对于第二相机模组和第三相机模组，为了使感光芯片分辨率尽量小，具体实施时，需要拍摄的画幅的宽度等于人眼宽度，即W＝W₁，这样可以计算出第二相机模组和第三相机模组的镜头焦距f为96mm，第二相机模组和第三相机模组的感光芯片分辨率为640*480即可。对于第一相机模组，根据人脸的宽度取W为50cm，可以确定出第一相机模组镜头的焦距f为9.6mm，感光芯片分辨率与第二相机模组和第三相机模组保持一致。

根据本发明实施例，具体实施时，第一相机模组可以用于采集人脸图像并发送给云台控制器，云台控制器在接收到第一相机模组采集的人脸图像之后，检测其中的人眼位置，根据人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量，根据云台控制量控制云台平台上下移动至相应位置。在云台平台移动到相应位置之后，第二相机模组用于在云台平台停止移动后，采集左眼图像；第三相机模组，用于在云台平台停止移动后，采集右眼图像。

在一种实施方式中，人眼的理想位置可以为图像中心点，基于此，云台控制器可以根据人眼位置高度与图像中心点位置的高度之差，确定云台电机的旋转角度。

具体地，在进行虹膜识别时，被采集虹膜的人员面对远距离虹膜采集系统，第一相机模组正对人脸，拍摄到一整张人脸图像，并将拍摄到的人脸图像发送给云台控制器进行检测，以确定其中的人眼位置，根据确定出的人眼位置高度与人脸图像中心点位置的高度之差，确定云台控制量。云台的控制量为角度，该控制量的生成方法为：由第一相机模组拍摄到的图像中，人双眼所在位置的高度与图像中心点的高度之差，经过比例放大后得到的结果为云台的控制量，即云台电机需要旋转到的角度。云台可以看作单轴伺服系统，为了满足虹膜识别系统的快速响应性要求，执行机构选用带减速箱的直流无刷电机。角度传感器选用电位计，提供连续的角度反馈。

具体实施时，由于云台电机工作在低速区，且运动方向经常改变，其运动过程中的摩擦力具有非线性，可以用LuGre摩擦模型来进行表示。为了减少云台移动过程中，摩擦力的影响所带来的调整误差，本发明实施例中，基于LuGre摩擦模型，提供了一种自适应摩擦补偿控制方法，以克服云台电机低速往复运动过程中的爬行现象，降低云台高度调整误差。

如图2所示，其为云台移动控制简化模型示意图。其中，L为电机电枢绕组的电感，R_a为电枢绕组的电阻，K_m为力矩系数，K_e为反电动势系数，J为电机转轴上的总转动惯量。r为指令转动角度，θ为平台的实际转动角度，U为控制电压，M_d为电机提供的转矩，M_f为系统的摩擦力矩，F(s)为控制器的传递函数。

基于此，可以得到云台的动态方程为：

考虑LuGre摩擦模型，摩擦力矩M_f可描述为：

式中，σ₀为刚性摩擦系数，σ₁为摩擦阻尼系数，μ_b为粘性摩擦因数，M_c为库伦摩擦力矩，M_s为静摩擦力矩，为临界Stribeck速度；状态变量z用于表示接触面鬃毛的平均形变；为一大于0且有界的函数，/>的随着/>的增大而增大，符合Stribeck效应。

基于LuGre摩擦模型，进行自适应摩擦补偿控制器设计，可以得到：

令简化后得到：

式中的a和b仅与云台机械特性和电机特性有关，为已知参数，ε₀、ε₁和ε₂还与摩擦力矩相关，将其选择为未知的自适应参数。显然，a、ε₀、ε₁、ε₂都为正，b为负。

建立云台的误差方程为：

e＝θ-r

可以得到：

由于LuGre摩擦模型引入的状态变量z是未知且不可测的，所以设计两个状态观测器来估计z，状态观测器的方程为：

其中和/>为z的估计值，f₀和f₁为观测器的动态项。令/>则观测器的估计误差可以表示为：

分别用作为未知参数ε₀、ε₁、ε₂的估计值，构造控制率为：

其中c为一正的设计常数。将上式代入中，有：

其中分别为未知参数ε₀、ε₁、ε₂的估计误差。选择李雅普诺夫函数为：

其中α₀、α₁、α₂都为正的设计常数。对上式求导，可得：

选择自适应更新率为： 可以得到：

因为恒大于零，所以/>根据Lyapunov稳定性定理可知，设计的控制器是全局渐近稳定的。

本发明实施例提供的远距离虹膜采集系统中，通过在云台平台上安装三组相机模组，其中，位于云台正中间的相机模组用于采集人脸图像，根据人脸图像中的人眼位置和预设的理想位置，确定云台控制量，并据此调整云台平台的高度，在调整过程中，为了减少调整误差，采用自适应摩擦补偿控制方法确定云台平台的运动控制参数，以减小云台高度调整误差。将云台平台调整到合适高度后，再通过两外两个相机模组分别采集左眼图像和右眼图像，从而得到符合虹膜识别要求的虹膜图像，保证虹膜识别结果的准确性。

基于相同的技术构思，本发明实施例还提供了一种远距离虹膜采集方法，如图3所示，包括以下步骤：

S31、第一相机模组采集人脸图像并发送给所述云台控制器。

S32、云台控制器检测人脸图像中的人眼位置。

S33、根据人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量。

S34、根据所述云台控制量控制云台平台上下移动至相应位置。

其中，所述云台控制器采用自适应摩擦补偿控制方法确定所述云台平台的运动控制参数；在所述云台平台移动过程中，根据所述运动控制参数控制所述云台平台移动；

S35、第二相机模组在云台平台停止移动后，采集左眼图像。

S36、第三相机模组在云台平台停止移动后，采集右眼图像。

在一种实施方式中，所述第二相机模组和所述第三相机模组的镜头焦距为按照以下公式确定出的：

f＝wl/W

其中：

f为第二相机模组或者所述第三相机模组的镜头焦距，W为所述第二相机模组或者所述第三相机模组所采集图像的宽度，w为第二相机模组或者所述第三相机模组感光芯片感光面的宽度，l为人眼到第二相机模组或者所述第三相机模组镜头的距离。

在一种实施方式中，所述第二相机模组或者所述第三相机模组的感光芯片分辨率为按照以下公式确定出的：

W_R＝W/W₁*640

其中，W_R为感光芯片在宽度方向上的最大像素点数，W₁表示人眼的宽度，W≥W₁。

在一种实施方式中，所述理想位置包括图像中心点位置；以及根据所述人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量，具体包括：

根据人眼位置的高度与图像中心点位置的高度之差，确定所述云台电机的旋转角度。

在一种实施方式中，所述运动控制参数包括控制电压；以及所述控制电压为所述云台控制器按照以下公式确定出的：

其中：

U为控制电压；c为预设的正常数；r为指令转动角度，θ为平台的实际转动角度；a和b分别为根据云台机械特性和电机特性确定出的参数值；

α₀、α₁、α₂为预设的正常数；/>为大于0且有界的函数；/>

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种远距离虹膜采集系统，其特征在于，包括单自由度云台和三个相机模组，所述云台包括云台平台、云台控制器和云台电机，所述相机模组安装在所述云台平台上，其中，第一相机模组安装在云台平台正中间，第二相机模组和第三相机模组对称分布在所述第一相机模组的左右两侧，所述第二相机模组和所述第三相机模组之间的距离为根据人眼瞳距确定出的；以及

所述第一相机模组，用于采集人脸图像并发送给所述云台控制器；

所述云台控制器，用于检测所述人脸图像中的人眼位置；根据所述人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量，所述理想位置包括图像中心点位置，所述云台控制器具体用于根据人眼位置的高度与图像中心点位置的高度之差，确定所述云台电机的旋转角度；根据所述云台控制量控制云台平台上下移动至相应位置，其中，所述云台控制器采用自适应摩擦补偿控制方法确定所述云台平台的运动控制参数，所述运动控制参数包括控制电压；以及所述云台控制器，具体用于按照以下公式确定所述控制电压：

其中:U为控制电压；c为预设的正常数；r为指令转动角度，θ为平台的实际转动角度；a和b分别为根据云台机械特性和电机特性确定出的参数值；ε₀、ε₁和ε₂为自适应参数；为ε₀、ε₁、ε₂的估计值；e为云台的误差方程，e＝θ-r；z为状态变量，/>和/>为z的估计值；

α₀、α₁、α₂为预设的正常数；/>为大于0且有界的函数，f₀和f₁为观测器的动态项；在所述云台平台移动过程中，根据所述运动控制参数控制所述云台平台移动；

所述第二相机模组，用于在所述云台平台停止移动后，采集左眼图像；

所述第三相机模组，用于在所述云台平台停止移动后，采集右眼图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二相机模组和所述第三相机模组的镜头焦距为按照以下公式确定出的：

f＝wl/W

其中：

f为第二相机模组或者所述第三相机模组的镜头焦距，W为所述第二相机模组或者所述第三相机模组所采集图像的宽度，w为第二相机模组或者所述第三相机模组感光芯片感光面的宽度，l为人眼到第二相机模组或者所述第三相机模组镜头的距离。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二相机模组或者所述第三相机模组的感光芯片分辨率为按照以下公式确定出的：

W_R＝W/W₁*640

其中，W_R为感光芯片在宽度方向上的最大像素点数，W₁表示人眼的宽度，W≥W₁。

4.一种远距离虹膜采集方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1、2或3所述的远距离虹膜采集系统中，所述方法包括：

第一相机模组采集人脸图像并发送给所述云台控制器；

所述云台控制器检测所述人脸图像中的人眼位置；根据所述人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量；根据所述云台控制量控制云台平台上下移动至相应位置，其中，所述云台控制器采用自适应摩擦补偿控制方法确定所述云台平台的运动控制参数；在所述云台平台移动过程中，根据所述运动控制参数控制所述云台平台移动；

第二相机模组在所述云台平台停止移动后，采集左眼图像；

第三相机模组在所述云台平台停止移动后，采集右眼图像。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二相机模组和所述第三相机模组的镜头焦距为按照以下公式确定出的：

f＝wl/W

其中：

f为第二相机模组或者所述第三相机模组的镜头焦距，W为所述第二相机模组或者所述第三相机模组所采集图像的宽度，w为第二相机模组或者所述第三相机模组感光芯片感光面的宽度，l为人眼到第二相机模组或者所述第三相机模组镜头的距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二相机模组或者所述第三相机模组的感光芯片分辨率为按照以下公式确定出的：

W_R＝W/W₁*640

其中，W_R为感光芯片在宽度方向上的最大像素点数，W₁表示人眼的宽度，W≥W₁。

7.根据权利要求4、5或6所述的方法，其特征在于，所述理想位置包括图像中心点位置；以及根据所述人眼位置与预设的理想位置，确定云台控制量，具体包括：

根据人眼位置的高度与图像中心点位置的高度之差，确定所述云台电机的旋转角度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述运动控制参数包括控制电压；以及所述控制电压为所述云台控制器按照以下公式确定出的：

其中：

U为控制电压；c为预设的正常数；r为指令转动角度，θ为平台的实际转动角度；a和b分别为根据云台机械特性和电机特性确定出的参数值；

α₀、α₁、α₂为预设的正常数；/>为大于0且有界的函数；/>