虹膜識(shí)別應(yīng)用中圖像采集的工作原理

虹膜識(shí)別在全球的使用率正在趕超指紋和人臉識(shí)別等其他流行的生物識(shí)別應(yīng)用。虹膜識(shí)別是一種高精度技術(shù)，因?yàn)槿祟惖暮缒D案不會(huì)隨著年齡的增長而改變，而且更難偽造。然而，虹膜的合格圖像也比人臉或指紋更難捕捉。

一般而言，虹膜生物識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)施由三個(gè)主要部分組成：圖像采集設(shè)備(虹膜相機(jī));用于模板創(chuàng)建、注冊(cè)和匹配的生物識(shí)別軟件;以及常用于護(hù)照檢查、機(jī)場(chǎng)自助服務(wù)亭、門禁和執(zhí)法應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)。本文重點(diǎn)介紹圖像采集設(shè)備的設(shè)計(jì)。讓我們來看看虹膜識(shí)別捕獲設(shè)備設(shè)計(jì)中面臨的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

目標(biāo)距離

相機(jī)與拍攝對(duì)象眼睛之間的距離越大，捕獲設(shè)備就越復(fù)雜和昂貴。因此，虹膜相機(jī)根據(jù)其捕獲范圍分為幾類。其中，10-30 厘米是最常見的范圍。圖像傳感器特性和系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù) (MTF) 對(duì)于進(jìn)一步將相機(jī)細(xì)分為注冊(cè)和/或驗(yàn)證手段至關(guān)重要。前者需要更高的 MTF。

各種眼睛顏色

由于圖像對(duì)比度用于提取虹膜圖案，因此捕獲光波長必須支持廣泛的顏色范圍。因此，在選擇傳感器的光譜響應(yīng)和照明波長時(shí)必須考慮功耗、符合 IEC-62471 的眼睛安全輻射以及脈沖光與相機(jī)積分時(shí)間的同步。

運(yùn)動(dòng)模糊

該設(shè)備必須容忍一定程度的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，而這正是設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的捕獲體積發(fā)揮重要作用的地方，特別是相機(jī)的景深。鏡頭的光圈、捕獲期間輻射的光量、光波長和鏡頭的特性決定了相機(jī)保持對(duì)焦的目標(biāo)距離上下深度。

匹配性和互操作性

良好的虹膜圖像采集指標(biāo)會(huì)比較使用同一臺(tái)相機(jī)拍攝的同一主體的圖像，并計(jì)算成功匹配的圖像百分比。這個(gè)概念稱為匹配度。當(dāng)使用不同供應(yīng)商的相機(jī)拍攝的同一主體的圖像匹配時(shí)，這個(gè)概念稱為互操作性。

匹配圖像的百分比是被測(cè)相機(jī)與同一系統(tǒng)中的其他虹膜相機(jī)協(xié)同工作的成功指標(biāo)。同時(shí)，圖像之間的漢明距離是用于測(cè)量匹配能力的指標(biāo)。漢明距離的范圍從 0 到 1。越接近 0，圖像越相似。相機(jī)的圖像增強(qiáng)設(shè)置經(jīng)過調(diào)整，以設(shè)置最佳條件，使捕獲的圖像獲得高匹配度和互操作性分?jǐn)?shù)。

虹膜識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

有兩項(xiàng) ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了虹膜圖像質(zhì)量和虹膜圖像信息交換的要求：ISO/IEC29794-6 和 ISO_IEC_19794-6。目前尚無官方的虹膜相機(jī)選擇生物識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)然，虹膜識(shí)別的一個(gè)關(guān)鍵組件是生物識(shí)別軟件，該軟件具有從虹膜圖像中提取獨(dú)特圖案以創(chuàng)建虹膜模板的算法。虹膜模板是用于登記和匹配的工具。目前，模板創(chuàng)建是專有的，這意味著使用一種生物識(shí)別軟件創(chuàng)建的模板文件只能由該軟件包進(jìn)行編碼和解碼，而該軟件包是擁有該軟件的公司獨(dú)有的。

虹膜圖像質(zhì)量分級(jí)、模板創(chuàng)建、注冊(cè)和匹配的算法開發(fā)本身就是一個(gè)完整的領(lǐng)域。一些公司同時(shí)生產(chǎn)圖像采集設(shè)備和生物識(shí)別軟件，而另一些公司只生產(chǎn)其中一種。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以與多種第三方生物識(shí)別軟件產(chǎn)品配合使用的圖像采集設(shè)備和門禁嵌入式平臺(tái)的機(jī)會(huì)不斷擴(kuò)大。

虹膜相機(jī)對(duì)注冊(cè)和驗(yàn)證(匹配)的要求不同。前面提到的 ISO 標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)適用于注冊(cè)相機(jī);但是，驗(yàn)證相機(jī)不需要遵循這些標(biāo)準(zhǔn)。旨在開發(fā)一款能夠同時(shí)完成注冊(cè)和驗(yàn)證的低成本注冊(cè)相機(jī)，為虹膜識(shí)別解決方案集成商提供了一種替代方案，因?yàn)樗麄兛梢允褂煤缒は鄼C(jī)和來自不同供應(yīng)商的軟件平臺(tái)來構(gòu)建解決方案。

對(duì)于尋求為小型工廠或?qū)W校提供門禁控制的小型集成商來說，這將是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。同時(shí)，對(duì)于政府或軍隊(duì)等大型集成商來說，這將是一個(gè)可行的采購策略。

采集設(shè)備的主要任務(wù)是在實(shí)時(shí)視頻流中定位人員的虹膜，并將其傳送給生物識(shí)別軟件進(jìn)行分割，然后軟件會(huì)創(chuàng)建虹膜模板以供注冊(cè)或驗(yàn)證。因此，除了捕獲體積規(guī)格外，采集設(shè)備的板載處理還必須在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行一系列任務(wù)，這些任務(wù)可以由 Arm 處理器、FPGA 或嵌入式 Linux 板執(zhí)行。這就是一些獨(dú)立系統(tǒng)在訪問控制應(yīng)用中的運(yùn)作方式。

基于 FPGA 的解決方案

以下是基于 FPGA 解決方案所涉及的虹膜識(shí)別任務(wù)的示例。

焦點(diǎn)評(píng)估

這決定了哪些幀值得處理，而丟棄其余幀。

虹膜定位

有多種技術(shù)可以完成這項(xiàng)任務(wù)。一種流行的方法是使用圓形邊緣檢測(cè)器來定位圖像中虹膜的坐標(biāo)。

圖像裁剪用于分割

一旦確定了虹膜的坐標(biāo)，就會(huì)從全幀中裁剪出相應(yīng)眼睛的圖像，并將其傳送到生物識(shí)別軟件進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)估和隨后的模板創(chuàng)建。

并行計(jì)算、視頻管道控制和功耗是分析圖像的重要考慮因素。一些虹膜相機(jī)使用多相機(jī)解決方案，其中一個(gè)相機(jī)觀察面部以在捕獲范圍內(nèi)定位眼睛，然后觸發(fā)另一個(gè)圖像傳感器進(jìn)行虹膜捕獲。相比之下，其他相機(jī)僅使用一個(gè)傳感器進(jìn)行虹膜捕獲。

這些選擇取決于設(shè)計(jì)人員想要針對(duì)的設(shè)計(jì)權(quán)衡和相機(jī)類別以及其他設(shè)計(jì)考慮因素，例如距離范圍、注冊(cè)與驗(yàn)證和軟件開發(fā)工具包 (SDK) 集成。

在最近舉辦的一次全國生物識(shí)別集會(huì)上，整個(gè)交易時(shí)間(從一個(gè)人站在虹膜相機(jī)前到創(chuàng)建兩個(gè)虹膜模板)被設(shè)定為不超過 8 秒，最終目標(biāo)是不超過 5 秒。有一些外部因素會(huì)影響交易時(shí)間，其中一些因素不受系統(tǒng)控制，包括眼睛遮擋、凝視旋轉(zhuǎn)、人的身高和眼部疾病。因此，如果可能的話，采集設(shè)備應(yīng)該非常快速地分析圖像，以便生物識(shí)別軟件不會(huì)被無用的樣本所淹沒。

虹膜識(shí)別板設(shè)計(jì)

采集設(shè)備是虹膜識(shí)別過程的基礎(chǔ)。因此，隨著虹膜識(shí)別行業(yè)在生物識(shí)別領(lǐng)域的發(fā)展，需要準(zhǔn)確且更便宜的采集設(shè)備來搜索虹膜坐標(biāo)并應(yīng)用機(jī)載圖像增強(qiáng)技術(shù)的機(jī)會(huì)也隨之增加。

但與此同時(shí)，虹膜生物識(shí)別軟件的穩(wěn)健性對(duì)于虹膜圖像的分級(jí)、分割和匹配至關(guān)重要。在整個(gè)開發(fā)過程中，具有多個(gè)分級(jí)參數(shù)的虹膜生物識(shí)別軟件包至關(guān)重要，可以對(duì)獲取的圖像進(jìn)行分析和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最高的圖像質(zhì)量等級(jí)、一致的虹膜擴(kuò)張、一致的聚焦和高對(duì)比度。

速度是無可替代的。相機(jī)定位虹膜坐標(biāo)并將虹膜圖像傳送給生物識(shí)別軟件進(jìn)行分割的速度與捕獲圖像的質(zhì)量同樣重要。