CN206400569U - 一种虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，包括镜头、波长为700～900nm的红外虹膜补光灯，并且当红外虹膜补光灯的旋转角度g满足g满足(其中，0≤θ≤3°；其中，H为镜头表面与面部的垂直距离，L为红外虹膜补光灯与被照射眼睛的水平偏移距离)时，可有效避免眼镜反光产生的光斑造成的对虹膜成像的不利影响，同时达到了对面部光照均匀的特点，提高了虹膜识别装置的识别效果和效率，也提高了用户体验性。

Description

一种虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统

技术领域

本实用新型属于生物识别技术领域，具体涉及一种虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统。

背景技术

虹膜识别是一种基于人眼虹膜区域细节特征的生物识别技术，因其具有高精确度和唯一性越来越受到信息安全领域的关注。

自20世纪90年代出现最初可用的虹膜识别系统以来，虹膜识别装置发展迅速，已广泛应用于金融、国防、司法及日常生活等领域，而人们对于市面上虹膜识别装置的关注点也从功能和性能指标要求转移到用户体验性要求，要求虹膜装置识别距离越来越远，识别速度越来越快，适应用户范围越来越广，其中在大部分虹膜识别装置体验时需要用户摘下眼镜的主要原因是因为眼镜镜片会对补光光源发射的光线进行反射，而反射的光线汇聚成像到虹膜识别装置内，导致获取的虹膜区域图像存在大量光斑，这些光斑极有可能遮挡虹膜区域纹理信息，使得从获取的虹膜图像中无法得到足够的虹膜信息进行识别。

目前公知的面部、虹膜测试成像装置包括带通光学滤波器，CMOS摄像机(含光学成像透镜组，传感器)，远光轴脉冲照明光源、眼睛位置跟踪与定位单元，其中所述的眼睛位置跟踪与定位单元由广角CMOS摄像机与近光轴照明光源组成。

来自外围环境的可见光、近红外补光光源在眼睛处反射，反射光进入光学滤光器件，光学滤光器件反射可见光用于眼睛视觉反馈，透射近红外光线至光学成像透镜组后物理聚焦成像至CMOS摄像机。但是由于远光轴脉冲照明光源的不同角度导致在面部不同区域的照度不一样，严重时出现一部分脸部较暗，难以满足面部和虹膜识别的要求。

为了解决上述问题，专利申请号为201510053696.9的中国专利申请，公开了一种防眼镜反光干扰的虹膜识别装置，其主要通过镜头与眼镜中心的距离、眼镜镜片的曲率半径及镜头的视场角确定补光光源的入射角范围的方式实现经眼镜镜片反射后的光线入射到镜头内后不会对虹膜成像造成不利影响，以提高识别效率和用户的体验性。尽管，在申请文件中声称其具有结构简单的特性，但从其确定夹角的公式及具体实施方式中公开的内容中，可见其涉及的参数较多，并且受眼镜镜片本身的参数的制约，因此，在确定夹角的过程中需要获知较多的参数，尤其是不同的眼镜镜片的曲率半径，且在同一眼镜镜片的情况下仍旧需要选择镜片两个面产生的两个夹角中取舍，并且选取较大的值，前后面的曲率半径中也同样需要取舍，选取其中数值较小的，由此可见，其确定夹角的参数不仅多，而且在同一参数的情况下仍旧需要选取特定的取值，显然繁琐，且容易降低其精确度和可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决虹膜识别过程中，眼镜反光和面部照度不均带来的识别干扰导致无法满足需要、甚至无法识别及现有技术精度和可靠性差的问题。

为达上述目的，本实用新型提供了一种虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，包括镜头、红外虹膜补光灯，所述红外虹膜补光灯的旋转角度g满足其中，H为镜头表面与面部的垂直距离，L为红外虹膜补光灯与被照射眼睛的水平偏移距离，θ为角度门限值。

其中，所述红外虹膜补光灯包括脉冲交替照射左眼的位于所述镜头右侧或右上侧或右下侧的右红外虹膜补光灯、脉冲交替照射右眼的位于所述镜头左侧或左下侧或左上侧的左红外虹膜补光灯。

所述右红外虹膜补光灯和所述左红外虹膜补光灯的交替照射时间间隔t为：0<t≤1.5s。

所述红外虹膜补光灯的波长范围是：700～900nm。

所述红外虹膜补光灯的波长范围是：760～850nm。

所述红外虹膜补光灯的波长是：810nm。

所述θ的取值为0≤θ≤3°。

本实用新型的有益效果是：通过使用旋转至最佳角度的的红外虹膜补光灯，避免眼镜在虹膜区域反光而造成对虹膜成像的影响，同时在该角度下光源基本均匀覆盖面部，达到了面部光照均匀的特点，提高了虹膜识别装置的识别效果和效率，也提高了用户体验性。

附图说明

图1为人脸、虹膜综合识别装置中虹膜识别装置的光路原理示意图。

图2为本实用新型具体实施方式1的虹膜成像装置光学光路图。

图3为本实用新型具体实施方式1的虹膜成像装置裸视下为光学仿真结果示意图。

图4为本实用新型具体实施方式1的虹膜成像装置戴眼镜情况下的仿真结果示意图。

图5是本实用新型具体实施方式2的虹膜成像装置光学光路图。

附图标记说明：1、3，红外人脸补光灯；2、右红外虹膜补光灯；4、左红外虹膜补光灯；5，5a、5b，红外测距系统；6a、6b、6c、6d为系统指示灯；7、红外虹膜摄像系统；8、红外人脸摄像系统；9、可见光人脸摄像系统；10a10b、10c、10d、10e，红外滤光器件；11、12，人眼；13、眼镜。

具体实施方式

图1为一含人脸、虹膜综合识别的装置，其中虹膜识别装置的光路示意图如图所示。由图中可见，该虹膜识别装置中包括波段在700～900nm的红外人脸补光灯1和3，其对应大角度视场角(通常在90°左右)，主要用于人脸测试和识别；

波段在700～900nm的红外虹膜补光灯即右红外虹膜补光灯2和左红外虹膜补光灯4，其对应小角度视场角，主要用于虹膜测试与识别，其最佳识别波长在810nm；

红外测距系统5a、5b，主要用于确定眼睛位置和定位测试、识别距离；

系统指示灯6a、6b、6c、6d，主要用于识别，测试状态的指示；

红外虹膜摄像系统7，红外人脸摄像系统8、可见光人脸摄像系统9、红外滤光器件10a，10b、10c、10d、10e，人眼11和12，13、眼镜。因环境中可见光充足，因此可见光摄像系统9不采用补光灯。

图1中所示H₁和H₂是不同的识别距离，即镜头表面与面部的不同的垂直距离。

其中红外虹膜补光灯的旋转角度与识别距离和两眼位置有关，红外虹膜补光灯的旋转角度g满足：中心角度值为其中，H为镜头表面与面部的垂直距离，L为红外虹膜补光灯与照射眼睛的水平平行偏移距离，角度门限值θ根据实际应用需求确定，优选的0≤θ≤3°。

红外补光灯发射的红外光线经人面部反射(含眼镜反射)后到达不同的镜头，经镜头透镜组的汇聚后到达相应的传感器，从而完成成像的过程。因为红外人脸补光灯的发光角度较大，不会引起图像照度不均和眼镜光斑的问题，因此重点研究虹膜补光灯的角度问题。

设计中采用两盏红外虹膜补光即右红外虹膜补光灯2、左红外虹膜补光灯4灯脉冲式交替照明，即左侧灯(即位于镜头左侧或左下方或左上方的左红外虹膜补光灯4)照射右侧眼睛，右侧灯(即位于镜头右侧或右下方或右上方的右红外虹膜补光灯2)照射左侧眼睛，交替时间为0～1.5秒(最佳取值为范围0.5～1.0s，交替时间t的长短根据目标所在识别距离、识别范围能否发生虹膜识别程序触发目标认证，一旦虹膜识别程序触发目标认证，数据库就会进行数据的提取、比对、处理等一系列工作，这一系列工作在目标不同的情况下，需要的时间也不同，根据大批数据测试统计可知其最佳取值范围为0.5～1.0s，而最佳的取值点为0.5s)，由于红外虹膜补光灯视场角比较窄，只能照射部分区域，目前虹膜识别距离H约为20cm～45cm根据视场角θ可计算出光斑半径大小为S＝Htanθ，其中H为镜头表面与人脸的垂直距离，S为光斑半径，因此当要求S≥62mm(人脸平均半径)时可保证面部光照度均匀。

结合Tracepro软件可知，在不同识别距离下光斑移动距离和光源偏移角度的关系如表1所示。

表1 光源偏移角度和光斑移动距离的关系

人类眼球从外可近似看做一椭圆结构，其长轴和短轴大小约为30mm和12mm(仅指瞳孔、虹膜、巩膜区域)，其中虹膜区域的直径大小约为11mm。不同识别距离对应在面部的光斑大小不一，根据虹膜镜头的景深值，可确定识别距离的区间范围，此时需根据用户需求和实用场合确定最佳识别距离。根据表1可知，确定最佳识别距离后可推测出最佳偏移角度θ值。与眼球大小对比，此偏移角度θ小于等于3°时，光斑移动距离均小于眼睛长轴大小30mm，即在不同识别距离(20cm～45cm)时均可保证光斑移动范围在眼睛附近。此时，照射在眼睛附近的光照度相对较强，且光能量利用率高。即当光源旋转角度当0≤θ≤3°时，光照度相比较强，且光能量利用率高，此时光斑大小S≥62mm，面部光照度均匀。

根据表1可知光源偏移角度和光斑移动距离之间的关系，一般而言，现阶段虹膜识别的距离约在20～45mm，其中根据人类视觉体验，最佳识别距离一般在30～35cm。在最佳识别距离范围内，当光源偏移角度θ＝3°时，最大偏移距离为18.34mm。此时，若起始光源位置在眼睛中心区域，光源经3°旋转，光源中心位于眼角附近，不易造成光能量的浪费和眼镜的反光，同时不影响虹膜区域的识别。

下面结合具体实施方式对虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统做进一步详细说明

具体实施方式一：

如图2所示，红外虹膜补光灯(以下简称虹膜补光灯)的视场角为±10°，虹膜补光灯即右虹膜补光灯2和左虹膜补光灯4的间距为93.157mm，左虹膜补光灯4与虹膜摄像系统7的间距为29.081mm，H为350mm，两只人眼11、12的间距为58.33mm，两只人眼11和12的长度和宽度为30mm和12mm，左虹膜补光灯4与虹膜摄像系统7有8.089mm的高度差。

图2为本实用新型具体实施方式1的光学光路图，具体是打开左虹膜补光灯4照射右侧眼镜13的情况的光学光路图。

由于红外光源左右对称放置即左虹膜补光灯4和右虹膜补光灯2左右对称放置，因此只分析一边的情况即可。

图2中识别距离为H＝350mm，虹膜补光灯4与右侧眼镜11的水平相对位置L＝74.39mm，按照红外虹膜补光灯旋转角度公式优选的0≤θ≤3°；可知g的取值范围为9°≤g≤15°，其中中心角度值g_M为12°。此外，根据光路图可知，此时无光线进入虹膜镜头。

在Soldworks中建立三维模型，导入光学仿真软件Tracepro中进行仿真。根据不断仿真对比，得出最佳仿真角度为12°。图3为裸视下情况下的光学仿真结果。

根据仿真结果，由图3可知，此时光源照射中心偏离虹膜中心区域，且由红外虹膜补光灯与虹膜摄像系统存在8.089mm的高度差可知，光源照射中心偏离虹膜中心区域8.089mm。

图4中所示位置光照度最强，即光斑位置。由图4可知，光斑区域远离眼睛区域，不影响虹膜部分的识别。

由此可见，当红外虹膜补光灯的旋转角度g满足：时，(中心角度值为H为镜头表面与面部的垂直距离，L为红外虹膜补光灯与照射眼睛的水平平行偏移距离，优选的0≤θ≤3°)，可以有效避免眼镜反光产生的光斑对虹膜识别装置采集眼睛虹膜区域的信息的干扰，同时，在光斑半径S≥62mm(人脸平均半径)时，可保证面部光照度均匀。

具体实施方式二：

红外虹膜补光灯2和4(即右虹膜补光灯2和左虹膜补光灯4)间距为168mm，右红外虹膜补光灯2与虹膜摄像系统7的间距为77.64mm，H为350mm，虹膜补光灯2与左侧眼睛12的水平相对位置L为113.72mm，两只人眼11和12的间距为58.33mm，两只人眼11和12的长度和宽度均为30mm和12mm，按照红外虹膜补光灯旋转角度公式优选的0≤θ≤3°；可求得g的取值范围为15≤g≤21°，其中中心角度值g_M为18°。

结合光的反射定理，做光路图。由图5可知，g在15～21°范围内时，无光线进入到虹膜镜头。利用三维软件进行光学建模，添加光源导入光学仿真软件进行仿真，仿真结果如下：

根据不断仿真对比，得出最佳仿真角度为19°。结合仿真模型可知，眼睛区域的光照度比较均匀，存在两个亮斑，光斑大小约为2mm，其所在位置在眼睛区域外，因此不影响虹膜的识别。

具体实测，虹膜信息清晰，识别效果优良。

综上，当红外虹膜补光灯的旋转角度g满足：时，(中心角度值为H为镜头表面与面部的垂直距离，L为红外虹膜补光灯与照射眼睛的水平平行偏移距离，优选的0≤θ≤3°)，可以有效避免眼镜反光产生的光斑对虹膜识别装置采集眼睛虹膜区域的信息的干扰，同时，在光斑半径S≥62mm(人脸平均半径)时，可保证面部光照度均匀。

而具体应用在虹膜识别设备中时，则是通过脉冲交替照射左眼的位于镜头右侧或右下方或右上方的右红外虹膜补光灯、脉冲交替照射右眼的位于镜头左侧或左下方或左上方的左红外虹膜补光灯，以时间间隔t：0<t≤1.5s，其中最佳间隔为0.5～1.0s，为间隔时长，实现对两只人眼的脉冲式交替照射，可确保眼镜反光产生的光斑远离虹膜识别区域，有效避免眼镜反光产生的光斑对虹膜识别信息的采集的不利影响，同时在在光斑半径S≥62mm(人脸平均半径)时，可保证面部光照度均匀，从而实现整个人脸的光照度均匀，提高了识别效率，改善了使用体验。

以上各实施例中，提及的红外虹膜补光灯的波长范围在700～900nm，由于，虹膜识别的可靠性与捕获的图像的对比度，取决于眼睛的颜色和光源的波长的对比度，而虹膜识别的典型波长约为760至850nm，可以适应大多数不同颜色的眼镜的识别，又因在波长为810nm时，可以使所有的眼睛颜色达到良好的效果，为此优选810nm的红外虹膜补光灯进行虹膜识别的补光灯为最佳选择。

Claims (9)

1.一种虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，包括镜头、红外虹膜补光灯，其特征在于：所述红外虹膜补光灯的旋转角度g满足其中，H为镜头表面与面部的垂直距离，L为红外虹膜补光灯与被照射眼睛的水平偏移距离，θ°为角度门限值。

2.如权利要求1所述的虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，其特征在于：所述红外虹膜补光灯包括脉冲交替照射左眼的位于所述镜头右侧或右上侧或右下侧的右红外虹膜补光灯、脉冲交替照射右眼的位于所述镜头左侧或左下侧或左上侧的左红外虹膜补光灯。

3.如权利要求2所述的虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，其特征在于：所述右红外虹膜补光灯和所述左红外虹膜补光灯的交替照射时间间隔t为：0<t≤1.5s。

4.如权利要求3所述的虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，其特征在于：所述时间间隔t的取值为0.5～1.0s。

5.如权利要求4所述的虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，其特征在于：所述时间间隔t的取值为0.5s。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，其特征在于：所述红外虹膜补光灯的波长范围是：700～900nm。

7.如权利要求6所述的虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，其特征在于：所述红外虹膜补光灯的波长范围是：760～850nm。

8.如权利要求6所述的虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，其特征在于：所述红外虹膜补光灯的波长是：810nm。

9.如权利要求1或2或3或4或5所述的虹膜识别装置中防眼镜干扰的系统，其特征在于：所述的θ°取值：0≤θ°≤3°。