采用主动视觉反馈的双目虹膜采集设备

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技术领域\n本发明专利属光学器件技术领域和电器设备领域，尤其涉及一种利用用户自反馈主动配合的虹膜采集设备。\n背景技术\n虹膜识别技术是当今一种常用的身份识别技术，其工作的第一步就是虹膜图像的获取，同时也是比较困难的步骤，需要光、机、电技术的综合应用。由于虹膜的特殊性质：面积小(平均直径约11mm)，不同人种颜色差异大，一般摄像方法无法拍摄出可以用来识别的虹膜图像。虹膜识别必须采用放大率较大的镜头和主动照明。西方人虹膜颜色较浅，在可见光照明就可以，而东方人的虹膜颜色较深，必须采用红外光照明才能得到清晰的图像。\n虹膜图象获取设备分为接触式和非接触式两种。最初的设备为接触式，主要包括主动照明，镜头及附件，以及成像芯片等，不一定带有反馈装置。接触式采集系统一般采用筒状的封闭腔体作为采集设备的外壳，以隔绝环境光线。在筒状腔体后端安装定焦摄像头，筒状腔体的内部安装有可见光或/和红外光源。在采集虹膜图像时，用户眼睛紧靠在腔体前端，主动触发摄像头的采集按钮成像。该接触式系统的优点是引导眼睛瞄准比较容易，光照设计比较简单，不容易受到外界环境光的影响。但是该采集设备存在先天的弱点，即每次采集都需要使用者与采集设备相接触，接触式采集同时带来了卫生方面的隐患。\n为了解决接触式的问题，出现了非接触式的虹膜采集设备，由主动照明，反馈装置，镜头及附件，以及摄像头等构成，此时用户距离虹膜采集设备有一定距离，如25cm或者更远，设备通过测距模块或者图像分析判断有用户站到设备前时，开始工作，或者设备就一直工作。设备在工作时，判断采集到的图像中是否有虹膜，并提示用户配合虹膜采集，获得满意图像后，对图像中的虹膜进行特征提取和比对，从而完成用户身份的识别。而虹膜采集设备从最初的采集单只眼睛的设备发展为同时采集两只眼睛的设备。由于是远距离虹膜采集，而人眼虹膜的面积较小，采集装置必须采用放大率较大的镜头才能获得能够用于识别的虹膜图像，使得摄像机采集视角较小，用户必须使得眼睛位于一个特定的位置上，该位置位于摄像机的景深范围内，能清晰成像，而且处于有效照明范围内。用户在没有任何辅助对准方法的情况下配合设备采集虹膜图像是非常困难的。因此虹膜采集设备上出现了各种反馈装置，引导用户实现对准。\n反馈装置通常使用的有听觉反馈或/和视觉反馈。听觉反馈指的是用户根据设备发出的语音提示调整自己的姿势和位置，如设备会提示“向前一点，向后一点，向左一点，向右一点”。听觉反馈是由设备根据当时采得的图像等信息对用户进行主动的提示。而视觉反馈是用户根据自己看到的东西来调整自己的位置。人们在虹膜采集设备上添加了镜子等反馈设备，以各种方式来帮助用户实现上下左右的对准，如松下的虹膜识别设备要求用户在虹膜识别设备的反光镜内同时看到自己的两只眼睛，然后通过语音提示用户前后左右移动，设备上也有引导用户移动的指示灯。LG的虹膜识别设备如LG3000(单目设备)要求用户注视镜面，使得能在镜面的黑线框中看到自己的虹膜，而LG4000(双目虹膜识别设备)则要求用户在镜面中看到自己的双眼，并使得镜面后面透射出来的一个光点位于自己镜中双眼的眉心位置。市面其他公司的产品，如Iritech，OKI等，均采用类似设计。这种采用类似镜子的反馈设备辅助用户对准的我们称其为被动的视觉反馈，因为用户直接根据反射的自己的像进行对准，而用户有不同的用眼习惯，不同的主副眼，会导致用户自己认为对准了但实际上采集不到合适的图像的现象。目前市面上的虹膜识别产品全部是采用这种被动视觉反馈方法的设备。\n主动的反馈把摄像机采集到的内容用图像的形式反馈给用户，用户可以像照镜子一样来调整自身的位置，跟前面的被动视觉反馈不同，用户看到的就是采集的结果，减轻了用眼习惯等等的影响，对准效果比采用被动方式视觉反馈的虹膜识别设备提高了许多。但是现有的主动调节方式都是针对单眼的虹膜识别技术，用户用一只眼睛对准，很可能会歪着头而不自觉，而且因为各人的眼睛的两个眼角生理上就可能与水平形成各种夹角，根据一只眼睛的图像无法判别是否是歪着头，从而造成对准困难信息不准确等问题。\n发明内容\n为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种采用主动视觉反馈的双目虹膜采集设备，该设备包括：\n采集单元  包括至少一套光学镜头和图象采集芯片，其输出信号传输到计算机主机，用于采集用户的虹膜信息；\n照明单元  由红外LED阵列组成，其强度可控，用于对用户的双目进行照射；\n测距单元  由至少一组测距模块组成，测量用户的双目与采集设备之间的距离，用于判断用户是否站在允许识别的范围内，如果是，则采集单元开始工作，并将采集到的用户双目图像显示在反馈单元上，否则反馈单元上将显示提示信息，提示用户前后移动，引导用户进入允许识别的有效范围之内；\n反馈单元  主要由正对用户双目的LCD显示器组成，其显示屏被分为上、下显示区，在所述计算机主机的显卡的驱动下，所述下显示区显示用户左、右目和相应的脸部，所述上显示区显示额外的内容或提示文字，引导用户进行双目的上、下、左、右位置的调整和前后位置的移动；所述显示屏显示内容的颜色和亮度可变，使用户的瞳孔大小与注册时的基本一致，以提高虹膜识别的准确性，并可用于活体检测，避免假眼。\n所述照明单元、反馈单元和采集单元的光轴相交于反馈单元前方20～30cm。\n采集单元由光学镜头(组)、附件(如红外滤光片)以及图像采集芯片(组)构成，可以包括电动部分也可不包括电动部分，可以使用定焦镜头也可以使用变焦镜头或者其他类型的镜头。照明单元由可以向外辐射能量的器件或设备构成，可能为一个或多个部分，可能与采集单元直接结合也可能与采集单元相对分离。可以但不限于LED，灯泡等，也不仅限于红外，也可能为可见光，紫外线等。反馈单元包含由可向用户显示图像的器件或设备构成，可以为一个也可以为多个，可以为LCD，CRT，LED阵列，等离子显示器，投影显示，全息显示或者其他目前未上市的显示设备。反馈单元中可以包含语音反馈部分，也可包含指示灯反馈部分，但不仅限于这些反馈部分。测距单元，但可以为一个单独的物理单元，可以使用红外测距模块，超声测距模块，激光测距模块或其他类型的测距模块组成，也可由软件根据采集图像中的特征变化估算用户与设备间的距离。\n本发明由于采用主动视觉反馈的双目虹膜识别系统，对准效果和易用性又前进了一大步，相对于采用主动视觉反馈的单目系统有如下改进：可以同时支持双目识别，比单目系统使用更方便，速度更快；双目系统可以避免用户用眼习惯的影响，因为同时使用两只眼睛基本能保持平视，从而避免了不自觉的歪头等问题。而且可以根据两只眼睛的眼角来校正图像的角度，从而大大提高识别的准确性和识别速度。由于同时反馈两只眼睛，甚至人脸信息，有助于用户进行对准。因为人的眼睛尺寸比较小，因此专用于采集虹膜图像的摄像机采集的范围相对较小，如单眼系统自反馈系统中，仅仅利用该范围进行对准时用户可能感觉不方便，而更多的信息对于对准提示作用更大。\n相对目前所有的双目设备，本发明有如下改进：现有的双目设备都是采用类似镜子的反馈设备进行对准，会导致用户自己认为对准了但实际上采集不到合适的图像的现象。而本发明的设备直接反馈采集系统采集到的两只眼睛，甚至人脸信息给用户，有助于用户进行对准，对准速度是现有双目设备的3到5倍以上。在本发明中，我们的反馈单元同时可以发出可控的光线调节用户瞳孔大小。反馈单元不光可以提示用户眼睛的位置，因为用户在使用设备时注视反馈单元，反馈单元的光线和亮度的变化会直接刺激用户使得用户的瞳孔发生变化，软件的控制下发出不同亮度的可见光来主动调节用户的瞳孔大小。一方面可以使得识别更为准确，另一方面也可以用于假眼检测来拒绝伪造的虹膜，比如假眼的瞳孔大小就无法自动随光线调整。\n附图说明\n图1示出了根据本发明的一个实施例的采用主动视觉反馈的双目虹膜采集设备的示意图；\n图2示出了根据本发明的一个实施例的反馈单元的视图；\n图3示出了根据本发明的一个实施例的反馈单元的另一个视图；\n图4示出了根据本发明的一个实施例的反馈单元的另一个视图；\n图5示出了根据本发明的另一个实施例的采用主动视觉反馈的双目虹膜采集设备的示意图；\n图6示出了根据本发明的另一个实施例的反馈单元的视图；\n图7示出了本发明的另一个实施例的采用主动视觉反馈的双目虹膜采集设备的示意图。\n具体实施方式\n下面将参考附图，详细说明本发明的优选实施方式。\n实施方案1：\n图1是本发明第一实施例的示意图。参考图1，照明单元1位于采集单元2周围或旁边，用于照亮眼睛虹膜3，由于照明单元1有一定的发射角度，反馈单元4有一定的观察角度，而采集单元2也有一定的采集角度和景深范围，调整照明单元1、采集单元2、和反馈单元4光轴，使得能在一个与设备有一定距离的空间(称为可识别的空间体积)内能满足下面要求：\n1、用户在该范围内能清晰看到反馈单元4反馈显示的内容，\n2、照明单元1能以合适的能量照亮用户的虹膜3，\n3、采集单元2能清晰采集到用户虹膜图像，得到符合采集要求的图像。\n设备使用照明单元1对用户虹膜3进行照明在拍摄用户虹膜图像的同时，在反馈单元4上将直接把采集到的内容反馈给用户，指导用户进行定位。同时也可以采集更多的信息，如不仅显示用户的眼部，还同时显示用户的脸部，更进一步的方便用户对准。反馈单元4上显示的图像可以是没有经过图像处理的原始图像，也可以是经过图像处理得到的图像。同时反馈单元4可能发出声音提示用户。\n由于虹膜识别只能在可识别的空间体积完成，用户在使用主动视觉反馈装置后上下左右的位置非常容易对准，但前后位置在没有明确参照物的情况下难以确定，在我们的系统中采用测距单元帮助用户定位这种情况。在测距单元5反馈距离不合适时，会通过反馈单元4(图像/指示灯/语音等)通知用户前后移动，也可将反馈单元4显示的图像变模糊，使得用户主动的配合前后移动。多种方法结合使用以达到较好的易用性。\n软件可以控制通过反馈单元4发出的可见光的强度，由于人眼对可见光敏感，瞳孔会根据可见光光照进行调节，可根据这一特性一方面可以在识别时调整瞳孔接近注册时的瞳孔大小，减小瞳孔变化引起虹膜纹理非线性变化的影响。另一方面，也可以根据瞳孔的变化进行活体虹膜检测，避免假眼等虹膜伪造。反馈单元4发出可见光的强度可以通过控制反馈单元4中显示部分的亮度，或/和指示灯部分或/和其他部分来实现。\n图1中，采集单元2位于反馈单元4下方，采集单元2由定焦镜头，感红外CCD摄像头，红外滤光片组成。定焦镜头焦距为30mm，物距为30cm。CCD摄像头采用N制600线感红外摄像头，输出的视频信号通过视频采集卡传输到计算机主机。反馈单元4为小型LCD显示器，分辨率为640×480，正对用户。LCD显示器由计算机主机通过一个单独的显卡驱动。照明单元1位于反馈单元4两侧，照明单元1由红外LED阵列组成，LED灯的强度可以由软件进行控制，照明单元1发出的红外照明光可照射到用户的眼睛。测距单元5由红外测距模块组成，位于采集单元2的下方。照明单元1、反馈单元4和采集单元2的光轴相交于反馈单元4前方20～30cm的地方。\n具体工作流程如下：.虹膜采集装置前没有用户时，通过测距单元5判断前方无人，虹膜采集装置不工作。当有用户走到虹膜采集装置前，测距模块判断前方有人，虹膜采集装置开始工作，虹膜采集装置控制照明单元1发出红外光，虹膜采集装置根据红外测距单元5的结果判断用户是否站在允许识别的范围内，如果是则开始采集图像，否则主机通过反馈单元4提示用户前后移动(如在LCD上显示“请向前/向后移动”)。当用户在允许识别的范围内，主机将虹膜采集装置采集到的内容在反馈单元4的LCD上显示出来，如图2所示，LCD的下部分被分成两个区域，分别用于显示用户的左眼和右眼，LCD的上方还可以用于显示用户的脸部或其他提示文字。用户可以看到屏幕的下部分观察到自己的两只眼睛及脸部的对应部分，用户可以根据屏幕显示的内容调整自己上下左右的位置，使得自己的眼睛完整出现在屏幕内。主机判断采集到虹膜图像质量，同时控制红外照明的光强，使得照明最为合适。\n这里，用户正视反馈单元4的LCD屏幕，采集单元2从反馈单元4的下方采集用户的虹膜图像。照明单元1从两侧进行照明。LCD屏幕示例如图2-4所示，用户如看到类似图2会自动向左移动，如果看到图3会自动往右上移动，看到类似图4会自动转头。同时算法也可根据双眼眼角进行角度校正。\n同时主机也控制反馈单元4的LCD上半部分的显示内容的颜色和亮度，使得用户的瞳孔大小发生变化，进行活体检测。并在此过程中根据采集到用户的虹膜图像完成用户身份的确认。\n由于同时可以得到两只眼睛的图像，用户一般可以保持平视，即使发生用户扭头的现象，算法也可根据两只眼睛的眼角来校正图像的角度，从而大大提高识别的准确性和识别速度。虹膜识别完成后，在反馈单元4的LCD上显示出识别结果。\n实施方案2：\n图5示出了本发明的另一个实施例的示意图。如图5所示，采集单元2正对用户双眼，采集单元2由定焦镜头，感红外CCD摄像头，红外滤光片和半透半反镜6组成。定焦镜头焦距为30mm，物距为30cm。CCD摄像头采用N制600线感红外摄像头，输出的视频信号通过视频采集卡传输到主机。半透半反镜6可透过红外光，而反射所有的可见光。用户眼睛的图像可以通过半透半反镜6被采集到，而反馈单元4显示的内容不会影响采集的图像。反馈单元4为小型CRT显示器，分辨率为640×480，与用户观察方向成90度角。反馈单元4的显示内容通过半透半反镜6反射给用户。照明单元1位于采集单元2两侧，照明单元1由红外LED阵列组成，照明强度不可调节。照明单元1发出的红外照明光可照射到用户的眼睛，测距单元5由红外测距模块组成，位于采集单元2的下方(未示出)。照明单元1、反馈单元4和采集单元2的光轴相交于反馈单元4前方20～30cm的地方。\n具体工作流程如下：虹膜采集装置前没有用户时，通过测距单元5判断前方无人，虹膜采集装置不工作。当有用户走到虹膜采集装置前，测距单元5判断前方有人，虹膜采集装置开始工作。虹膜采集装置控制照明单元1发出红外光，照亮用户双眼。虹膜采集装置根据红外测距单元5的结果判断用户是否站在允许识别的范围内，如果是则开始采集图像，否则主机通过反馈单元4提示用户前后移动(如在CRT上显示“请向前/向后移动”)。当用户在允许识别的范围内，主机将虹膜采集装置将采集到的内容在反馈单元4的CRT上显示出来，用户可以看到屏幕的中间正对双眼的位置观察到自己的两只眼睛及脸部的对应部分，用户可以根据屏幕显示的内容调整自己上下左右的位置，使得自己的眼睛完整出现在屏幕内。同时主机也控制反馈单元4的CRT上其他部分的显示内容的颜色和亮度，使得用户的瞳孔大小发生变化，进行活体检测。并在此过程中根据采集到用户的虹膜图像完成用户身份的确认。虹膜识别完成后，在反馈单元4的CRT上显示出识别结果。\n这里，用户正视采集单元2的镜头，同时从半透半反镜中观察到采集单元2得到的用户的虹膜图像。照明单元1从两侧进行照明。这时候用户看到的图像类似图6所示。\n实施方案3：\n图7示出了本发明的另一个实施例的示意图。在该实施例中，只需一套光学镜头和图象采集芯片就可以采集两只眼睛的虹膜信息。如图7所示，采集单元2由定焦镜头，感红外CMOS摄像头，红外滤光片，反光镜7和半透半反镜6组成，通过采集单元2中的半透半反镜6可透过红外光，而反射所有的可见光。用户眼睛的图像投影至反光镜7，通过控制反光镜7的旋转使得采集单元2实现分时的采集用户双眼，在反光镜7的快速旋转下，系统采集速度可达每只眼睛每秒5～10帧。\n反馈单元4为小型CRT显示器，分辨率为640×480，与用户观察方向成90度角。反馈单元4的显示内容通过半透半反镜6反射给用户。照明单元1位于采集单元2两侧，照明单元1由红外LED阵列组成，照明强度可调节。照明单元1发出的红外照明光可照射到用户的眼睛，本实施例中不存在物理上的测距模块，而通过算法估计用户与采集装置间的距离。照明单元1、反馈单元4和采集单元2的光轴相交于反馈单元4前方30～40cm的地方。\n具体工作流程如下：虹膜采集装置前没有用户时，通过采集图像判断前方无人，虹膜采集装置不工作。当有用户走到虹膜采集装置前，通过图像判断前方有人，虹膜采集装置开始工作。虹膜采集装置控制照明单元1发出红外光，照亮用户双眼。虹膜采集装置根据红外测距单元5的结果判断用户是否站在允许识别的范围内，如果是则开始对采集的图像进行质量判断和分析，否则主机通过反馈单元4提示用户前后移动(如在CRT上显示“请向前/向后移动”)。当用户在允许识别的范围内，主机将虹膜采集装置采集到的内容在反馈单元4的CRT上显示出来，用户可以看到屏幕的中间正对双眼的位置观察到自己的两只眼睛及脸部的对应部分，用户可以根据屏幕显示的内容调整自己上下左右的位置，使得自己的眼睛完整出现在屏幕内。主机同时控制红外照明单元1的光强，使得照明最为合适。同时主机也控制反馈单元4的CRT上其他部分的显示内容的颜色和亮度，使得用户的瞳孔大小发生变化，进行活体检测。并在此过程中根据采集到用户的虹膜图像完成用户身份的确认。虹膜识别完成后，在反馈单元4的CRT上显示出识别结果。\n这里，用户从半透半反镜6中观察到采集单元2得到的自己的虹膜图像。照明单元1从两侧进行照明。这时候用户看到的图像也类似图6所示。\n在上述几种实施方案中，将定焦镜头改为变焦镜头，同时照明部分可以自动根据计算出来的用户位置进行角度旋转，测距模块的不同位置或者不同测距方法的组合等，都可以组成新的实施方案。本领域技术人员还可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。