智能虹膜圖像采集終端設(shè)計(jì)方案

O 引言

虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的可見(jiàn)的環(huán)狀組織，在一定頻率的近紅外光下，可呈現(xiàn)出豐富的紋理信息，如斑點(diǎn)條紋、細(xì)紋、冠狀、隱窩等生理細(xì)節(jié)特征。人眼虹膜的可見(jiàn)生物組織結(jié)構(gòu)依賴(lài)于嬰兒胚胎期中胚層的初始條件，在人群中的分布可能是隨機(jī)的或是混沌的，但一出生就終生穩(wěn)定，而且每個(gè)人的虹膜紋理絕對(duì)地不同。統(tǒng)計(jì)表明，虹膜紋理有幾百個(gè)自由度，即使是同樣的基因型，其虹膜的表現(xiàn)型表達(dá)是不相關(guān)的。正因?yàn)槿搜酆缒お?dú)特的紋理圖像適合用于自動(dòng)身份識(shí)別，所以其具有高效、準(zhǔn)確、不可復(fù)制等特點(diǎn)。基本原理主要是通過(guò)對(duì)比虹膜紋理圖像特征之間的相似性來(lái)確定人體的身份，其核心是經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量的多種算法，使用模式識(shí)別、圖像處理等方法對(duì)人眼的虹膜紋理特征進(jìn)行描述和匹配(如早期應(yīng)用Gabor小波對(duì)虹膜紋理編碼，用漢民距離對(duì)虹膜模版進(jìn)行匹配)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的人體身份鑒別。

1 虹膜識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成

虹膜識(shí)別系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，其中軟件系統(tǒng)即虹膜信息處理系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)虹膜圖像處理、用戶登記、用戶識(shí)別、虹膜圖像存儲(chǔ)管理、虹膜特征存儲(chǔ)管理等功能。構(gòu)成框圖如圖1所示。硬件系統(tǒng)包括虹膜圖像采集系統(tǒng)以及支持虹膜信息處理系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境。

目前市場(chǎng)上較成熟的計(jì)算機(jī)核心算法有英國(guó)劍橋大學(xué)的Daugman技術(shù)、英國(guó)巴斯大學(xué)的MJRLIN技術(shù)以及中國(guó)科學(xué)院的技術(shù)。本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用英國(guó)巴斯大學(xué)的MIRLIN技術(shù)。

2 受限條件下的虹膜紋理圖像采集技術(shù)分析

國(guó)際人眼安全標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)要求虹膜圖像采集裝置為實(shí)時(shí)自動(dòng)無(wú)侵害的虹膜光學(xué)成像裝置。目前世界上主流的虹膜鏡頭采用640×480像素以上的CMOS逐行掃描攝像頭，其中在人眼虹膜直徑范圍內(nèi)要求至少有100個(gè)像素采集點(diǎn)以上，盡可能地保留原始虹膜圖像的特征。根據(jù)ISO／IEC 19794-6圖像標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)確保黑暗環(huán)境下拍攝的需要，光源選擇波長(zhǎng)為720～900nm的近紅外光源，輻照功率0．5mW／cm2，對(duì)眼睛無(wú)傷害。攝像頭的傳輸速率設(shè)為251幀／s，保證視頻流的實(shí)時(shí)傳輸。拍攝過(guò)程中，中央處理模塊對(duì)每幀圖像作實(shí)時(shí)分析，直至該幀圖像滿足判別標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)該數(shù)據(jù)幀被傳輸?shù)胶缒ぷR(shí)別處理器核心模塊做相應(yīng)的判別處理。整體硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。

在共計(jì)352730次試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)際系統(tǒng)虹膜圖像采集成功與否的幾個(gè)重要限制因子包括人機(jī)的交互配合、光強(qiáng)度等系統(tǒng)外界限制。因此系統(tǒng)的適用性設(shè)計(jì)十分重要。為達(dá)到全自動(dòng)智能化虹膜采集，通過(guò)數(shù)萬(wàn)次的實(shí)驗(yàn)，我們總結(jié)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)有如下幾方面的考慮：

2．1 距離感應(yīng)

首先，攝像頭模塊須外置用戶距離感應(yīng)傳感器用以監(jiān)測(cè)個(gè)體的存在。傳感器的選型可為接觸式(如讀卡器或密碼開(kāi)關(guān)模塊等)和非接觸式模塊(如紅外感應(yīng)或雙肩探頭模塊等)，考慮到系統(tǒng)今后的兼容性，與CPU的接口設(shè)計(jì)建議使用GPIO連接。

2．2 人機(jī)交互

攝像頭內(nèi)置應(yīng)用軟件可以使用多國(guó)語(yǔ)言指導(dǎo)用戶作相應(yīng)的上機(jī)操作。根據(jù)內(nèi)嵌的距離感應(yīng)傳感器模塊將用戶的距離反饋到中央處理器，然后以語(yǔ)音輸出的形式指導(dǎo)用戶調(diào)整頭部位置直至進(jìn)入合適的成像區(qū)域。或者使用視覺(jué)上的多色指示燈也可以滿足這個(gè)效果。

2．3 可調(diào)成像深度

攝像頭的成像深度是另外一個(gè)限制條件。為減少該限制因子的影響，提高系統(tǒng)的使用性能，攝像頭應(yīng)該有一定范圍的成像深度。在這個(gè)范圍內(nèi)，光學(xué)鏡頭可以自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距實(shí)時(shí)成像。本試驗(yàn)系統(tǒng)的成像深度在22～36cm范圍內(nèi)均可正常成像。減小了系統(tǒng)對(duì)用戶操作的限制。

2．4 頭部?jī)A斜檢測(cè)

攝像頭同時(shí)需要具有“頭部?jī)A斜檢測(cè)”功能模塊，來(lái)檢測(cè)用戶的頭部是否傾斜超過(guò)一定范圍導(dǎo)致無(wú)法正常進(jìn)行后續(xù)的匹配判別。消除用戶因頭部位置不當(dāng)導(dǎo)致認(rèn)證失敗的限制，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2．5 眼鏡／墨鏡檢測(cè)

眼鏡鏡片會(huì)對(duì)攝像頭入射的閃光燈進(jìn)行反射，從而導(dǎo)致采集的虹膜圖像有強(qiáng)烈的反射亮斑。如果該亮斑位于虹膜區(qū)域內(nèi)，將導(dǎo)致匹配誤差。因此攝像頭需要有特制的偏光性能，消除反光，同時(shí)使色彩更鮮艷，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度以及圖像特征的提取。圖3為實(shí)驗(yàn)中佩戴眼鏡所采集的未偏光與偏光后虹膜成像效果的對(duì)比。

2．6 高度可調(diào)

不同用戶高矮差異是制約虹膜采集系統(tǒng)的另外一個(gè)限制因素。本系統(tǒng)使用滑道工業(yè)設(shè)計(jì)允許攝像頭升降(如圖4所示)，從而達(dá)到普適性。

2．7 其他限制因素

本研究的所有虹膜采集方式均是靜態(tài)或半靜態(tài)的，即要求用戶在采集虹膜的過(guò)程中保持相對(duì)靜止的狀態(tài)。這對(duì)人體在行進(jìn)中的動(dòng)態(tài)圖像采集存在一定的技術(shù)困難。在行動(dòng)中實(shí)時(shí)采集虹膜圖像方面美國(guó)有較成熟的技術(shù)，但產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)比較昂貴，廣泛應(yīng)用還有待改進(jìn)。采用先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)還要大大降低硬件成本，才有望實(shí)現(xiàn)在我國(guó)廣泛應(yīng)用。

本文針對(duì)目前虹膜識(shí)別系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中遇到的幾點(diǎn)限制因素進(jìn)行了相應(yīng)的分析以及提出了解決方案。對(duì)現(xiàn)有虹膜識(shí)別終端系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)和自動(dòng)化開(kāi)發(fā)具有廣泛的指導(dǎo)意義。生物識(shí)別技術(shù)有很多種類(lèi)，而逐步應(yīng)用的虹膜識(shí)別技術(shù)其應(yīng)用前景十分明顯。中國(guó)目前在電子和信息產(chǎn)品領(lǐng)域的制造實(shí)力在全球處于領(lǐng)先地位。中國(guó)生物識(shí)別技術(shù)制造企業(yè)在虹膜識(shí)別產(chǎn)品的生產(chǎn)方面也正在趕超世界先進(jìn)。2007信息安全技術(shù)《虹膜識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)要求》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布并實(shí)施，對(duì)虹膜識(shí)別技術(shù)在我國(guó)身份認(rèn)證領(lǐng)域的快速推廣應(yīng)用提供了有力的保證。虹膜識(shí)別技術(shù)因其獨(dú)有的特點(diǎn)，在中國(guó)這個(gè)占世界人口十分之一大國(guó)里，將為解決人體身份鑒別起到至關(guān)重要的作用，應(yīng)用前景不可估量。