CN1255756C - 校正旋转的虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种虹膜识别方法,这属于一种生物测定技术。根据本发明的校正旋转虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法,虹膜图像是利用图像获取设备获取的。通过分析Canny边缘检测器的像素差和图像,检测输入虹膜图像的虹膜内外边界,从而从用户眼睛图像中更准确地检测出虹膜边界。这样,将具有不同失真的虹膜图像处理成正确的虹膜图像,从而其优势在于明显降低误接收率和误拒绝率。
Description
技术领域
本发明涉及校正旋转的虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法。更具体地,本发明涉及校正旋转的虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法,其中虹膜图像是由使用红外照明器的图像获取设备获取的,虹膜的内外边界的检测是通过分析输入虹膜图像的Canny边缘探测器的像素差和图像来完成,从而使虹膜的边界更准确地从用户眼睛图像中被检测出来,并且如果图像获取设备获取的眼睛图像中的虹膜已经相对于虹膜的中心线旋转一个任意的角度,则将旋转的虹膜图像校正到正常的虹膜图像,并且如果由于获取倾斜的虹膜图像造成在极坐标中转换的虹膜图像的下部弯曲成不规则的形状,则虹膜图像规格化为预定的大小,从而将不同失真的虹膜图像处理成正确的虹膜图像。
背景技术
虹膜识别系统是通过区分每个人自己独特的虹膜图案识别个人身份的仪器。虹膜识别系统在个人识别方面的准确率高于其它的生物测定方法,如声音或指纹,并且具有高度的安全性。虹膜是眼睛瞳孔与白巩膜之间的区域。虹膜识别方法是一项根据分析每个人与其它人不同的自身虹膜图案得到的信息识别个人身份的技术。
一般地,虹膜识别系统的核心技术是使用图像获取设备获取更准确的眼睛图像以及从输入的眼睛图像上有效地获取虹膜的唯一特征信息。
但是,在非接触型人虹膜识别系统中,虹膜图像是从离开其一定距离处摄取的,实际获取的虹膜图像可能具有不同的失真。即,获取完全的眼睛图像是不可能的,因为眼睛不能指向摄像机的前面,而是定位在偏离摄像机一个小的角度上。这样,获取到的是相对虹膜中心线旋转一个任意角度的眼睛图像的信息。
因此,为了解决图像获取过程中产生的上述问题,必须准确地从用户眼睛图像中检测虹膜内/外边界,并将从眼睛图像中提取的虹膜图像规格化。但是,传统的虹膜识别方法的问题在于,不能准确地检测虹膜的内/外边界,因为在检测边界时,在定义瞳孔的任意中心后将标准值手工分配给各个图像,或者将整个图像的平均值作为标准值。
而且,根据在传统虹膜识别系统中,由于虹膜图像没有经过规格化过程或者没有考虑旋转图像的校正,如果眼睛没有指向摄像机的前面,而是定位在偏离摄像机一个小的角度上,则获取的是不完全的眼睛图像,或者由于用户的运动,例如他/她的头部倾斜,获取的是旋转的虹膜图像。因此,很多情况下,即使是同一用户的虹膜图像,这个虹膜图像也可以被错误地识别为其它用户。
发明内容
为了解决上述问题提出本发明。本发明的一个目的是提供一种非接触型人虹膜识别方法,通过从图像获取设备获取的用户眼睛图像中检测虹膜图像并将虹膜图像转换成极坐标下的虹膜图像进行预处理,其中用户虹膜的内外边界的检测是通过分析Canny边缘探测器的像素差和图像来完成。
本发明的另一个目的是提供一种人虹膜识别方法,其中如果获取的眼睛图像中虹膜已经相对于虹膜的中心线旋转一个任意的角度,即,获取到旋转的虹膜图像时,将旋转的虹膜图像校正成正常的虹膜图像,并且如果转换到极坐标下的虹膜图像的下部弯曲成不规则形状,即获取到倾斜的虹膜图像时,将虹膜图像规格化为预定的大小,从而将具有不同失真的虹膜图像处理成正确虹膜图像的数据,由此明显降低误接收率和误拒绝率。
为了达到本发明的目的,本发明提供一种校正旋转虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法,通过利用红外照明器采用图像获取设备获取用户眼睛图像,从获取的用户眼睛图像中提取虹膜图像,以及将提取的虹膜图像转换成极坐标下的虹膜图像,用于执行预处理过程。预处理过程包括以下步骤:利用Canny边缘检测器从获取的用户眼睛图像中检测虹膜的内边界;在从内边界向上、向下、向左和向右移动的同时,将虹膜检测的内边界在起始坐标(x,y)下的图像信息的像素值与图像信息的其它像素值对比,在对比像素的差值中找出最大值,并检测虹膜的外边界;以及提取存在于内、外边界之间的虹膜区域,并将提取的虹膜区域转换成极坐标下的虹膜图像。
如果获取的眼睛图像已经倾斜,则该方法还包括如下步骤:将极坐标下的转换的虹膜图像规格化,使其具有预定的大小。
如果获取的眼睛图像中的虹膜已经相对于虹膜的中心线旋转到一个任意的角度,则该方法还包括以下步骤:通过相对于极坐标下一个阵列的转换的虹膜图像移动一个任意的角度,临时产生多个阵列的虹膜图像;执行小波变换,用以产生与已经临时产生的多个阵列的虹膜图像对应的虹膜的特征向量;将通过小波变换产生的各个特征向量与先前注册的特征向量进行对比,得到相似性;以及将与得到的相似性中的最大相似性对应的特征向量接收为用户的特征向量
附图说明
图1是本发明虹膜图像规格化过程的程序的流程图;
图2a表示使用Canny边缘检测器检测瞳孔边界的结果;
图2b表示瞳孔的中心坐标和直径;
图2c表示本发明用于获得虹膜外边界的半径和中心的虹膜图像;
图3(a)到(d)表示倾斜虹膜图像规格化过程的程序;
图4(a)和(b)表示从倾斜用户头部得到的旋转虹膜图像;
图5(a)和(b)表示图4(a)和(b)所示的旋转虹膜图像的校正过程的程序。
具体实施方式
下面参考附图,特别是图1,详细描述本发明校正旋转虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法。
图1是本发明虹膜图像规格化过程的程序的流程图。参看图1,在步骤110,利用红外照明器以及可见光拒波滤波器,通过图像获取设备获取眼睛图像。此时,反射光被聚集在眼睛的瞳孔中,从而不丢失虹膜图像的信息。在步骤120,为了从获取的眼睛图像中仅提取虹膜区,检测虹膜的内外边界,并且设定检测到的内外边界的中心。步骤120的执行是通过本发明利用Canny检测器的像素差和图像来检测虹膜的内外边界的方法。这将在下面具体解释。
图2a表示使用Canny边缘检测器得到的瞳孔边界的检测结果,即虹膜的内边界。参看图2a,可以注意到,使用Canny边缘检测器仅检测到瞳孔边界。即,如图2a所示,使用Canny边缘检测器检测虹膜的内边界,Canny边缘检测器是一种边界检测滤波器。Canny边缘检测器利用Gaussian滤波来光滑获取的图像,并利用Sobel算子检测边界。Gaussian滤波过程可以表示为以下的方程1,所用的Sobel算子可以表示为以下的方程2:
[方程1]
IG(x,y)=G(x,y)×I(x,y)
[方程2]
Sx=I[i-1][j+1]+2I[i][j+1]+I[i+1][j+1]
-I[i-1][j-1]-2I[i][j-1]-I[i+1][j-1]
Sy=I[i+1][j+1]+2I[i+1][j]+I[i+1][j-1]
-I[i-1][j+1]-2I[i-1][j]-I[i-1][j-1]
当采用利用Canny边缘检测器的边界检测方法时,即使由于用户的眼睛没有指向摄像机的前面而是定位在偏离摄像机一个小角度上,而没有得到正常的眼睛图像,也能正确检测虹膜的内边界,即瞳孔边界,也容易地得到瞳孔的中心坐标和半径。图2b表示瞳孔的中心坐标和半径。参看图2b,瞳孔的半径是d/2,瞳孔的中心坐标(x+d/2,y+d/2)。
另一方面,图像中的虹膜外边界的检测是通过从瞳孔边界,即虹膜内边界,向上、向下、向左和向右移动的同时对比像素值,并找出像素值差的最大值来完成的。检测的最大值是Max{I(x,y)-I(x-1,y)},Max{I(x,y)-I(x+1,y)},Max{I(x,y)-I(x,y-1)},以及Max{I(x,y)-I(x,y+1)},其中I(x,y)是图像在点(x,y)的像素值。在检测图像中虹膜的外边界时从虹膜内边界向上、向下、向左和向右移动的同时得到像素值差的原因是使内外中心互不相同。即,当获取到倾斜虹膜图像时,由于瞳孔位于图像中稍微靠上、靠下、靠左或靠右,内外中心应设定成互不相同。
图2c表示本发明在获得虹膜外边界的半径和中心时的虹膜图像。当由于眼睛没有指向摄像机的前面而是定位在偏离摄像机一个小角度上而造成获取的眼睛图像不完全时,需要一个设定内/外边界中心的过程。首先,分别计算从内边界到外边界的左、右、上和下部分的距离RL、RR、RU和RD,以及内边界即瞳孔边界的半径RI。接着,使用上述计算的数值找出图像的上、下、左和右的对分点,从而得到外边界的中心。
在步骤130,仅在从内边界到外边界距离的预定部分上检测虹膜图案。在步骤140,检测的虹膜图案被转换到极坐标下的虹膜图像。在步骤150,将转换到极坐标下的虹膜图像规格化,得到在宽度和高度上具有预定大小的图像。
将提取的虹膜图案转换到极坐标下的虹膜图像可以表示为下面的方程3:
[方程3]
I(x(r,θ),y(r,θ)) I(r,θ)
式中,θ增大了0.8度,r是利用第二余弦规则由虹膜的外中心CO和内中心CI、外边界的半径RO以及θ值计算的。使用R和θ提取虹膜内外边界之间的虹膜图案。为了避免虹膜特征随瞳孔大小的变化而变化,当虹膜内外边界之间的虹膜图像分成60个片段并且θ以0.8度增大得到450个数据时,虹膜图像最终规格化27000个分割的虹膜图像(θ×r=450×60)。
图3(a)表示倾斜的虹膜图像,图3(b)倾斜的虹膜图像转换到极坐标下的虹膜图像。从图3(b)可以看出,转换到极坐标下的虹膜图像的下部弯曲成不规则形状。另外,图3(c)表示宽度为M个像素和高度为N个像素的虹膜图像,这是从虹膜图案的不规则图像规格化得到的。下面,参考图3(a)到(c)描述倾斜虹膜图像的规格化过程。在与图3(a)虹膜内外边界之间距离对应的部分中,仅仅提取与虹膜内外边界之间距离x%对应的部分上存在的虹膜图案,以便消除照明器的干扰并获取大量的虹膜图案。即,当检测虹膜的内外边界时,提取虹膜图案并接着将其转换到极坐标下。但是,当照明器的反射光聚集在虹膜时,在从虹膜内边界(瞳孔边界)到外边界的区域中,仅与离开内边界60%距离的部分上存在的虹膜图案可以被提取并转换到极坐标下。本发明此实施例中选择的数值60%是由实验确定的,在这个范围中,可以提取最大量的虹膜图案,同时排除聚集在虹膜上的反射光。
在图3(b)中,倾斜虹膜图像转换到极坐标下的虹膜图像。如图3(b)所示,当虹膜图像转换到极坐标时,转换到极坐标下的虹膜图案图像的下部弯曲成不规则形状。这样,必须将不规则的虹膜图案图像规格化。在图3(c)中,将虹膜图案的不规则图像规格化,得到宽度为M个像素和高度为N个像素的虹膜图像。
作为参考,用两个因素评价虹膜识别系统的性能:误接收率(FAR)和误拒绝率(FRR)。FAR表示虹膜识别系统将未注册人(impostor)误识别为注册人(enrollee)并允许未注册人进入的概率;FRR表示虹膜识别系统将注册人误识别为未注册人而拒绝注册人进入的概率。与使用检测虹膜边界的传统方法的虹膜识别系统相比,在本发明中,当预处理的执行是使用检测虹膜边界并将倾斜的虹膜图像规格化的方法时,FAR从5.5%降低到2.83%,FRR从5.0%减小到2.0%。
最后,在步骤160,如果获取的眼睛图像中的虹膜已经相对于虹膜的中心线旋转了一个任意的角度,为了校正旋转的虹膜图像,移动并对比虹膜图像信息的像素阵列。
图4(a)到(b)表示从倾斜的用户头部得到的旋转的虹膜图像。在获取虹膜图像时,用户头部可以朝左或朝右稍微倾斜,此时如果获取虹膜图像,得到如图4(a)所示的旋转的虹膜图像。即,如果在步骤110获取的眼睛图像相对于眼睛的中心线旋转了一个任意的角度,就需要校正旋转图像的过程。图4(a)表示相对于眼睛中心线顺时针或逆时针旋转15度的虹膜图像。当旋转的虹膜图像转换到极坐标的虹膜图像时,与正常虹膜图像相比,转换图像的虹膜图案向左或向右移动,如图4(b)所示。
图5(a)和(b)表示校正图4(a)和(b)所示旋转虹膜图像的过程的程序。将从倾斜的用户头部得到的旋转虹膜图像校正的过程,将通过对比和移动虹膜图像信息的阵列,在下面参考图5(a)和(b)进行描述。
参看图5(a),在从倾斜的用户头部得到的旋转虹膜图像中,通过在极坐标中相对于转换的虹膜图像的Array(0)移动一个任意的角度,临时产生多个虹膜图像的阵列Array(n)。即,在极坐标中以转换的虹膜图像的Array(0)为基础,向左或向右移动Array(0)的列,临时产生从Array(0)到Array(-10)以及从Array(0)到Array(10)的20个阵列的图像信息。
为了产生与临时产生的多个虹膜图像阵列对应的虹膜特征向量,执行小波变换。小波变换产生的各个特征向量与先前注册的特征向量对比,得到相似性。在得到的相似性中与最大相似性对应的特征向量被认为是用户的特征向量。
换言之,通过如上所述产生旋转图像的阵列Array(n)图像信息以及如图5(b)所示对于各个阵列的图像信息执行小波变换,接着产生与临时产生的多个阵列Array(n)虹膜图像对应的虹膜的特征向量fT(n)。从而产生了从fT(0)到fT(10)以及从fT(0)到fT(-10)的特征向量fT(n)。各个产生的特征向量fT(n)与每个注册人的特征向量fR进行对比,并得到相似性Sn。在得到的相似性Sn中,与最大相似性对应的特征向量fT(n)被认为是得到的结果,其中旋转效应被校正,并且此结果被接收为用户虹膜的特征向量。
如上所述,根据本发明校正旋转虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法,其一个优点是,通过利用Canny边缘检测器的像素差和图像检测虹膜的内外边界,可以从用户眼睛图像中更准确地检测出虹膜的边界。
并且,根据本发明非接触型人虹膜识别方法,如果图像获取设备获取的眼睛图像中的虹膜已经相对于虹膜的中心线旋转一个任意的角度,则将旋转的虹膜图像校正成正常的虹膜图像。
否则,如果由于获取倾斜的虹膜图像造成转换到极坐标下的虹膜图像的下部弯曲并由此具有不规则的形状,则将虹膜图像规格化到预定的大小。这样,另一个优点是,将具有不同失真的虹膜图像处理成正确虹膜图像的数据,从而明显降低误接收率和误拒绝率。
应该注意到,上面的描述仅仅是本发明校正旋转虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法的代表性实施例,因此本发明并不限于上述的实施例。本领域的一般技术人员,在不偏离权利要求限定的本发明技术精神和范围的条件下,可以做出不同的修改和变化。
Claims (2)
1.一种校正旋转虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法,通过利用红外照明器采用图像获取设备获取用户眼睛图像,从所述获取的用户眼睛图像中提取虹膜图像,以及将所述提取的虹膜图像转换成极坐标下的虹膜图像,用于执行预处理过程,其特征在于:
所述预处理过程包括以下步骤:
利用Canny边缘检测器从所述获取的用户眼睛图像中检测虹膜的内边界;
在从所述的内边界向上、向下、向左和向右移动的同时,将所述虹膜的所述检测内边界在起始坐标(x,y)下的图像信息的像素值与图像信息的其它像素值对比,在所述对比像素的差值中找出最大值,并检测所述虹膜的外边界;
提取存在于所述内和外边界之间的虹膜区域,并将所述提取的虹膜区域转换成所述极坐标下的所述虹膜图像;
如果所述获取的眼睛图像已经倾斜,将所述极坐标下的所述转换的虹膜图像规格化,使其具有预定的大小;以及
如果所述获取的眼睛图像中的所述虹膜已经相对于所述虹膜的中心线旋转到一个任意的角度,移动并对比虹膜图像信息的像素阵列以便校正旋转的虹膜图像。
2.如权利要求1所述的校正旋转虹膜图像的非接触型人虹膜识别方法,其中如果所述获取的眼睛图像中的所述虹膜已经相对于所述虹膜的中心线旋转到一个任意的角度,则所述方法还包括以下步骤:
通过相对于所述极坐标下一个阵列的所述转换的虹膜图像移动一个任意的角度,临时产生多个阵列的所述虹膜图像;
执行小波变换,用以产生与已经临时产生的所述多个阵列的所述虹膜图像对应的所述虹膜的特征向量;
将通过所述小波变换产生的所述各个特征向量与先前注册的特征向量进行对比,得到相似性;以及
将与所述得到的相似性中的最大相似性对应的特征向量接收为所述用户的特征向量。
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