虹膜識別在全球的使用率正在趕超指紋和人臉識別等其他流行的生物識別應(yīng)用。虹膜識別是一種高精度技術(shù)，因?yàn)槿祟惖暮缒D案不會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，虹膜生物識別系統(tǒng)的實(shí)施由三個主要部分組成：圖像采集設(shè)備(虹膜相機(jī));用于模板創(chuàng)建、注冊和匹配的生物識別軟件;以及常用于護(hù)照檢查、機(jī)場自助服務(wù)亭、門禁和執(zhí)法應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫管理平臺。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) 對于進(jìn)一步將相機(jī)細(xì)分為注冊和/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)積分時間的同步。
運(yùn)動模糊
該設(shè)備必須容忍一定程度的目標(biāo)運(yùn)動，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)會比較使用同一臺相機(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，這個概念稱為互操作性。
匹配圖像的百分比是被測相機(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，圖像之間的漢明距離是用于測量匹配能力的指標(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)選擇生物識別標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)然，虹膜識別的一個關(guān)鍵組件是生物識別軟件，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、模板創(chuàng)建、注冊和匹配的算法開發(fā)本身就是一個完整的領(lǐng)域。一些公司同時生產(chǎn)圖像采集設(shè)備和生物識別軟件，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的機(jī)會不斷擴(kuò)大。
虹膜相機(jī)對注冊和驗(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)一款能夠同時完成注冊和驗(yàn)證的低成本注冊相機(jī)，為虹膜識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)商的軟件平臺來構(gòu)建解決方案。
對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，這將是一個經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。同時，對于政府或軍隊(duì)等大型集成商來說，這將是一個可行的采購策略。
采集設(shè)備的主要任務(wù)是在實(shí)時視頻流中定位人員的虹膜，并將其傳送給生物識別軟件進(jìn)行分割，然后軟件會創(chuàng)建虹膜模板以供注冊或驗(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別任務(wù)的示例。
焦點(diǎn)評估
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)，就會從全幀中裁剪出相應(yīng)眼睛的圖像，并將其傳送到生物識別軟件進(jìn)行圖像質(zhì)量評估和隨后的模板創(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別集會上，整個交易時間(從一個人站在虹膜相機(jī)前到創(chuàng)建兩個虹膜模板)被設(shè)定為不超過 8 秒，最終目標(biāo)是不超過 5 秒。有一些外部因素會影響交易時間，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，以便生物識別軟件不會被無用的樣本所淹沒。
虹膜識別板設(shè)計(jì)
采集設(shè)備是虹膜識別過程的基礎(chǔ)。因此，隨著虹膜識別行業(yè)在生物識別領(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)會也隨之增加。
但與此同時，虹膜生物識別軟件的穩(wěn)健性對于虹膜圖像的分級、分割和匹配至關(guān)重要。在整個開發(fā)過程中，具有多個分級參數(shù)的虹膜生物識別軟件包至關(guān)重要，可以對獲取的圖像進(jìn)行分析和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最高的圖像質(zhì)量等級、一致的虹膜擴(kuò)張、一致的聚焦和高對比度。
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別軟件進(jìn)行分割的速度與捕獲圖像的質(zhì)量同樣重要。
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