智能虹膜圖像采集終端如何來設(shè)計(jì)
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引言
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對(duì)比虹膜紋理圖像特征之間的相似性來確定人體的身份,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。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。
目前市場上較成熟的計(jì)算機(jī)核心算法有英國劍橋大學(xué)的Daugman技術(shù)、英國巴斯大學(xué)的MJRLIN技術(shù)以及中國科學(xué)院的技術(shù)。本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用英國巴斯大學(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,光源選擇波長為720~900nm的近紅外光源,輻照功率《0.5mW/cm2,對(duì)眼睛無傷害。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1所示。
圖1 全自動(dòng)虹膜識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)
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,通過數(shù)萬次的實(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語言指導(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?;蛘呤褂靡曈X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 頭部傾斜檢測
攝像頭同時(shí)需要具有“頭部傾斜檢測”功能模塊,來檢測用戶的頭部是否傾斜超過一定范圍導(dǎo)致無法正常進(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
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2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。
圖2 佩戴眼鏡所采集的未偏光(a)與偏光后(b)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3所示),從而達(dá)到普適性。
圖3 高度可調(diào)攝像頭設(shè)計(jì)
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,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),在中國這個(gè)占世界人口十分之一大國里,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。