专利名称：近距离数字化证件信息采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种结合图像采集和图像处理技术的设备，具体来说，涉及一种体积小、速度快、成像质量好、人性化程度高的近距离数字化证件信息采集系统。
背景技术：
在现代社会中，由于照相、影印等技术的高速发展，图像的采集已经进入了数字采集的时代。但对部分图片特别是过去通过胶卷照相所得的图像，这些照片往往没有了底片， 而且往往有着非同寻常的纪念价值和悠久的年代，以及现在有着广泛应用需求的证件照等，有对其进行数字化采集及再处理的需要。而目前对这类图像的采集方法，大多集中在使用数码相机或者扫描仪等设备，当需要采集图像的数量比较多时，这些采集的方法的速度就会显得比较慢，而且，使用上的人性化也远远不如。目前市面上的图像数字化采集设备主要有两种，即拍摄式的数字化采集设备和扫描式的数字化采集设备。基于拍摄方式数字化采集图像的设备，由于镜头的焦距和拍摄范围等因素使得设备体积较大(主要体现在高度上)，无法实现设备的小型化。过多的占用原本不多的办公空间，而且造成设备不便于携带。其次，由于受拍摄光源及镜头的影响，成像质量难以保证，必须辅以较多的人工核对，影响工作效率的提高。再次，此类设备的自动化程度不高，必须要对准照片进行拍摄，以免产生倾斜现象，并且还要对其切割等操作，人性化程度比较低。而采用扫描获取图像的方式虽然能够实现小型化、高准确率，但扫描证件时间较长，难以提高工作效率。同时由于有机械运动扫描部件，容易造成设备损坏，可靠性较低。此外，工作噪声也无法避免。
发明内容
针对以上的不足，本发明提供了一种体积小、速度快、成像质量好、人性化程度高的近距离数字化证件信息采集系统，它包括用于采集证件图像信息的图像采集模块；用于为证件采集过程中提供照明的光源组；用于对获取的证件图像信息进行数字化处理的图像处理模块，所述图像采集模块包括鱼眼镜头，以及驱动所述鱼眼镜头动作的CMOS图像采集
ο所述鱼眼镜头的焦距为1.65mm、可视角为171°。所述光源组采用方向性相对较弱，发光颜色接近白光的LED灯。所述图像处理模块包括图像获取单元、畸变校正单元、色彩校正单元、倾斜校正单兀。
所述图像获取单元采用Directa10W开发图像采集模块。所述图像获取单元的图像获取可以采用从预览视频流中捕获数据帧方式，也可以使用静态引脚捕获数据帧的方式。所述畸变校正单元采用基于广角镜头的桶形失真校正方法。所述色彩校正单元采用基于完美反射法偏色校正方法。它还包括图像切割单元和倒置校正单元。所述倾斜校正单元的具体操作流程为a)拷贝一份原图像并对其按指定的缩放因子实施缩小操作，缩放因子的确定可以按证件照占整个成像区域的比例而确定；b)将缩小之后的图像从RGB色彩空间转换成YCbCr色差空间，转换公式如式
'Y _“0.2990.5870.114"—K
Cb=-0.1687-0.33130.5*GCr0.5-0.4187-0.0813B其中Y表示图像亮度，Cb表示蓝色色差，Cr表示红色色差；c)使用对Sobel梯度算法对上述亮度分量实施Sobel边缘检测，得到一个较粗糙的轮廓描述信息；d)对上述步骤的粗糙轮廓图像进行细化处理操作，得到只有一个像素宽度的细边缘轮廓信息；e)将得到细轮廓图像后使用Hough变换求得证件四条边框的直线参数，并进而求得倾斜的角度；f)最后，根据求得的倾斜角度对原图像进行反方向旋转，所述倒置校正单元的具体操作流程为a)对原始图像进行缩小操作；b)将该图像的RGB色彩空间转换为HIS色彩空间，检测出人脸的肤色；c)根据人脸肤色约束条件将图像转换为二值图像，0. 003 < H < 0. 1740. 040 < S < 0. 3520. 352 < I < 1其中，H为色度，S为饱和度，I为亮度；d)利用9X9的模板对二值图像进行中值滤波操作，得到一幅只剩下人脸部分的
二值图像；e)根据人脸二值图将缩小的图像的人脸部分图像切割出来；f)利用RGB边缘提取法，得到人脸的边缘二值图像；g)通过圆的几何性质在边缘图像的人眼区域中的两个圆确定圆心，即人眼中心， 然后凭人眼中心位置判断图像是否倒置。本发明的有益效果本发明的图像采集模块采用鱼眼镜头，能够保证近距离拍摄大范围景物，从而大幅度减小镜头与被摄物之间的距离，大大降低了证件信息采集设备的高度和采集设备成本；另外，光源组采用方向性相对较弱，发光颜色接近白光的LED灯，该设计能够使捕获的图像不会因为光源的方向性问题而产生人为的亮点，也不会因为光源的色温过于偏离正常范围而导致色彩过度失真，以获得更高质量的证件图像及执行效率，从而达到提高图像质量的目的，极大提高信息提取的正确率；再有，利用倾斜与倒置校正以及切割单元，给用户以更高的使用自由度，同时令图像切割更加精确；最后，在同类系统中率先引入MVC软件系统架构和设计理念，降低设计难度与各软件模块的耦合性，修改其中某个模块不会对其他模块造成大的影响，甚至可以不用改动其他模块，从而保证了系统的高可扩展性与通用性。
图1为本发明近距离数字化证件信息采集系统的功能框架图；图2为本发明图像处理模块的工作流程图；图3本发明的桶形畸变校正单元工作流程图；图4为本发明的桶形失真校正单元所采用的同心圆；图5为本发明的色彩校正单元的工作流程图；图6为本发明的倾斜校正、图像切割和倒置校正的工作流程图；图7为本发明获取的证件照原始图像示意图；图8为本发明桶形失真校正后的证件图像示意图；图9为本发明按一定缩放因子缩小后的证件图像示意图；图10为本发明增强对比度后的缩小的证件图像示意图；图11为本发明边缘检测并细化的二值图像示意图；图12为本发明清除孤立点后的二值图像示意图；图13为本发明倾斜校正并切割后的证件图像示意图；图14为本发明对人脸部分图像进行边缘检测的二值图像示意图；图15为本发明倒置校正后的证件图像示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步阐述。如图1所示，本发明的近距离数字化证件信息采集系统包括图像采集模块、光源组和图像处理模块，图像采集模块用于采集证件图像信息，光源组用于为证件采集过程中提供照明，图像处理模块用于对获取的证件图像信息进行数字化处理。其中，所述图像采集模块包括鱼眼镜头，以及驱动所述鱼眼镜头动作的CMOS图像采集器，所述光源组采用方向性相对较弱，发光颜色接近白光的LED灯，所述图像处理模块包括图像获取单元、畸变校正单元、色彩校正单元、倾斜校正单元、图像切割单元和倒置校正单元。下面对各模块单元进行详细阐述一、图像采集模块1. 1鱼眼镜头在本发明的系统中采用了焦距为1.65mm、可视角为171°的微距鱼眼镜头，使得证件在镜头前方约45mm处可以得到完整取景，加上镜头高度，将总厚度控制在60mm左右， 使其成为目前市面上同类设备中最薄的，从而有效的减小了仪器的体积，使产品更为便携， 甚至可以装配到通用PC机的机箱中，但由于鱼眼镜头将带来桶形失真，此问题将后面处理模块中进行补偿，以复原图像。1. 2CM0S图像采集器本模块是将证件数字化的必不可少的模块，本发明采用了清晰度较高的CMOS传感器，以降低设备的功耗及成本。二、光源组本模块的主要作用是为图像采集提供照明光源。考虑到LED色温范围比较广，而且色温的高低对图像的成像质量有着直接的影响，因而在该证件信息采集系统中，特意挑选了方向性相对较弱，发光颜色接近白光的LED灯设计了两个LED光源组。从系统实际拍摄的效果来看，这种设计能够使捕获的图像不会因为光源的方向性问题而产生人为的亮点， 也不会因为光源的色温过于偏离正常范围而导致色彩过度失真。三、图像处理模块图像处理模块的主要功能是将图像采集模块捕获到的图像进行畸变校正、色彩校正、倾斜校正、图像分割和倒置校正等处理，然后输出图像。该模块包括图像获取单元、畸变校正单元、色彩校正单元、倾斜校正单元、图像切割单元和倒置校正单元，图像处理模块工作流程如图2所示，整个系统对图像的处理起始于对获取的一帧图像进行畸变补偿进行图像复原，然后利用偏色校正以去除由于灯光色温引起的色彩失真，紧接着进行倾斜检测实现倾斜矫正并切割，然后对图像进行倒置检测并校正。3. 1图像获取单元为捕获一帧图像，本发明的图像获取单元采用Directa10W开发图像采集模块，说明如下CGraph类主要是实现一些对所有与Filter Graph相关的应用中所必需的操作的封装，通常作为其他针对特定领域应用的Filter Graph类的父类。如本系统中与采集应用相关的CCaptureGraph即是继承于该类。在本系统中，帧数据的获取采用的是Directaiow自身提供的SampleGrabber Filte (对应的类ID为CL SID_SampIeGrabber) 0使用这个Filter时需要对其回调机制进行设置，其中设置的回调参数中就有具有ISampleGrabber接口的类。本系统中实现的 CSampleGrabberCB 类即为一例。CCaptureGraph类继承于CGraph类，以实现特定于采集应用的FilterGraph工作类的封装。其工作原理是利用Directaiow中的ICaptureBuilderf接口提供的智能连接功能Rendei^tream进行Filter间互连。智能连接意即客户只需要根据不同的应用场景，添加所需要的 Source Filter^ Transform Filter 和 Rendering Filter，系统便会自动实现连接。本发明设计了两种图像获取方式，任由用户选择(1)从预览视频流中捕获数据帧，适合系统负载较重的情况；(2)使用静态引脚捕获数据帧，类似照像机的快门，适合系统负载较轻的情况，可获取更高质量的证件图像。3. 2畸变校正单元本模块的作用是将桶形失真了的图像还原为正常的图像，由于本发明的系统采用了超宽视角、微距的鱼眼镜头以缩小设备体积，故在解决设备体积过大问题的同时，也带来一个新的问题——桶形失真，本发明采集到的原始图像如图7所示。图像的畸变给特征提取、参数计算带来困难，甚至导致失败，故我们必须对捕获的图像先进行校正，以恢复图像。 根据桶形失真具有圆对称的特点，本发明采用三次样条曲线对鱼眼镜头的桶形畸变规律进行拟合失真模型，从而对失真图像进行校正，桶形失真校正的工作流程如图3所示基于广角镜头的桶形失真校正方法具体流程为1)制作同心圆模板，获取模板实测图像数据首先是制作同心圆模板这些同心圆的间距是按事先指定的比例放置的，具体的比例只是用于确定后述中一组理想半径值，本发明选取同心圆模板之间圆环的间距相同， 如图4所示，即同心圆的半径成奇数倍增长，同心圆半径值为Rtk= (r0,3r0,L, (2n-l)r0), 其中A为同心圆模板的最小半径值，η为同心圆的圆个数(一般取15个左右，这里取11 个)，ri，r2, L，rn为同心圆模板的实测值，Γι为实测最小半径值，rn为实测最大半径值。然后经过同心圆模板的圆心添加一个“十字架”，接着设计一个简单的图像采集程序，比如在Windows平台上，可以利用Directalow进行开发，该采集程序在采集数据时能够在相应的图像显示窗口中心显示一个虚拟的“十字架”。把广角镜头安装到图像传感器上利用上述采集程序进行同心圆模板成像数据采集。本具体实施例中采用的广角镜头焦距为 1.65mm的，视角约为171°。在保证镜头与物平面平行的情况下，令采集程序显示的虚拟 “十字架”与同心圆模板上的“十字架”重合，此时可以认为镜头光轴中心近似通过同心圆圆心，并且实现了“对准”。对得到的图像进行滤波和二值化，然后进行圆拟合和圆检测，获取同心圆模板的实测半径Rsk = (ri; r2，L，rn)，本实施例中的测得的数据一组为Rsk = [38. 00,112. 13， 175. 13，225. 00，263. 75，293. 50，316. 25，333. 67，348.12，359.70，369.69]；2)利用模板实测图像数据进行样条曲线建模首先定义不同采样半径位置的压缩K^t为实测半径值与理想半径值的比值，不同采样半径位置的逆压缩比S' rk为理想半径值与实测半径值的比值Srk = (Srl, Sr2，L，Srn) = Rs/Rt = (Γι/γ0, r2/r0, L，rn/(2n-l)r0)S' rk=(S' rl, S' r2，L，' rn) = Rt/Rs接下来是畸变规律的三次样条曲线拟合，它包括如下三个步骤2. 1)以实测半径为横轴，压缩比为纵轴构成坐标系，构建桶形及变规律曲线$ =
f (r)，这样$ = f (r)必然经过点), L，)，可得到三次样条系数矩阵A。以理想半径为横轴，逆压缩比为纵轴构成坐标系，构建桶形及变规律曲线S' F = f ω，这样s' F = f 必然经过点㈨乂’^^^^丄，^“-^，&；！，得到三次样条系数矩阵A'。2. 2)为了使拟合后的三次样条直线满足整个定义域0彡r彡max(r)，当Γ(ι较小的时候，修正rQ = T1 = 0，则、=S' = 1，则修正后的两条三次样条曲线分别通过(0， D ,(r2,Sr2),u(rn^rn) (0,1), (r2, Sr2),…，(rn, Sj 和(0，1)，( )^), L，((2 -1)γ。,Λ\ )。2. 3)用两组三次样条曲线拟合桶形畸变规律前向样条曲线Srk对应于$ = f(r),Srk = ak (r-rk) 3+bk (r-rk) 2+ck (r-rk) +dk
其中彡r彡rk+1,1彡k彡n，且巧=0， 、bk、ck、dk为三次样条系数矩阵A的行系数值；后向样条曲线S' rk对应于S' F = f' (r)，S' rk = a' k(r-Qk-Dr1W i(r-(2k-\)rl)2+c ' HDr1Hd' k 其中 Ok-Dr1 彡 r 彡 Ok+l)ri，l 彡 k 彡 n，且k = 1 时令 Qk-Dr1 = 0，a' k、b' k、c' k、d' k 为三次样条系数矩阵A'的行系数值。三次样条的确定需要用到光滑条件，即相连曲线在断点处具有相同的一阶导数和二阶导数，此外第一条三次样条曲线和最后一条三次样条曲线需要增加两个约束条件才能确定下来。在我们的发明中，使用了令边界条件中二次导数均为O的方法，即自然样条 (Natural Spline)来拟合失真曲线。3)利用样条曲线建模参数制作畸变补偿映射表通过样条曲线对失真曲线进行建模后，可以得到一组刻画桶形失真的模型参数， 为了实现对失真图像进行高效、实时复原，可以进一步根据得到的模型参数将其制作成一张畸变补偿映射表，它包含如下2个步骤3. 1)利用前向投影原理Porward Projection)求得目标图像的大小设失真图像的大小为MXN(宽X高)，则图像的中心为Ov n0)= (M+l) X (N+1V2，过该中心以水平向右直线为χ轴，垂直向下方向为y轴，建立一个坐标系。 值得注意的是，这里的点坐标(m，n)表示y轴分量为m，x轴为n，下同。则不同像素(m，η) 到图像中心的距离为r = ^{m-m0f +{n-n0f该点与χ轴之间的夹角
权利要求
1.一种近距离数字化证件信息采集系统，它包括用于采集证件图像信息的图像采集模块；用于为证件采集过程中提供照明的光源组；用于对获取的证件图像信息进行数字化处理的图像处理模块，其特征在于，所述图像采集模块包括鱼眼镜头，以及驱动所述鱼眼镜头动作的CMOS图像采集器。
2.根据权利要求1所述的近距离数字化证件信息采集系统，其特征在于，所述鱼眼镜头的焦距为1. 65mm、可视角为171°。
3.根据权利要求1所述的近距离数字化证件信息采集系统，其特征在于，所述光源组采用方向性相对较弱，发光颜色接近白光的LED灯。
4.根据权利要求1所述的近距离数字化证件信息采集系统，其特征在于，所述图像处理模块包括图像获取单元、畸变校正单元、色彩校正单元、倾斜校正单元。
5.根据权利要求4所述的近距离数字化证件信息采集系统，其特征在于，所述图像获取单元采用Directalow开发图像采集模块。
6.根据权利要求5所述的近距离数字化证件信息采集系统，其特征在于，所述图像获取单元的图像获取可以采用从预览视频流中捕获数据帧方式，也可以使用静态引脚捕获数据帧的方式。
7.根据权利要求4所述的近距离数字化证件信息采集系统，其特征在于，所述畸变校正单元采用基于广角镜头的桶形失真校正方法。
8.根据权利要求4所述的近距离数字化证件信息采集系统，其特征在于，所述色彩校正单元采用基于完美反射法偏色校正方法。
9.根据权利要求4所述的近距离数字化证件信息采集系统，其特征在于，它还包括图像切割单元和倒置校正单元。
10.根据权利要求9所述的近距离数字化证件信息采集系统，其特征在于，所述倾斜校正单元的具体操作流程为a)拷贝一份原图像并对其按指定的缩放因子实施缩小操作，缩放因子的确定可以按证件照占整个成像区域的比例而确定；b)将缩小之后的图像从RGB色彩空间转换成YCbCr色差空间，转换公式如式
全文摘要
本发明公开了一种体积小、速度快、成像质量好、人性化程度高的近距离数字化证件信息采集系统，它包括图像采集模块、光源组和图像处理模块，图像采集模块用于采集证件图像信息，光源组用于为证件采集过程中提供照明，图像处理模块用于对获取的证件图像信息进行数字化处理。其中，所述图像采集模块包括焦距为1.65mm、可视角为171°的鱼眼镜头，以及驱动所述鱼眼镜头动作的CMOS图像采集器，所述光源组采用方向性相对较弱，发光颜色接近白光的LED灯，所述图像处理模块包括图像获取单元、畸变校正单元、色彩校正单元、倾斜校正单元、图像切割单元和倒置校正单元。
文档编号H04N9/04GK102509093SQ20111031743
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者朱雄泳, 林继东, 董富德, 谭洪舟 申请人:谭洪舟