扫描式自动变焦虹膜图像采集系统及采集方法

专利名称：扫描式自动变焦虹膜图像采集系统及采集方法
技术领域：
本发明属于生物特征识别及安全认证技术领域，特别涉及非接触的扫描 式自动变焦虹膜图像采集系统及采集方法。
背景技术：
生物特征识别(Biometrics)是以人体固有的各种生理和形态特征作为 识别介质，从而达到唯一识别个人身份，进行个人身份认证的新兴研究学科。 与传统的身份鉴定手段相比，基于生物特征识别的身份鉴定技术具有不易遗 忘或丢失、防伪性能好、随身携带等优点。虹膜识别是生物特征识别中最主要的研究内容之一。与指紋、人脸等生 物特征相比较，虹膜具有天然的被保护特性、唯一性、高稳定性和高防伪性 等优点，具有很高的准确率。相对于人脸等其他生物特征识别技术，虹膜识别对图像采集的要求较 高。虹膜的直径只有1厘米左右，为了很好的识别，需要采集到其中的清晰 紋理细节。因此高质量虹膜图像的采集技术是虹膜识别技术的一个重要方 面，是虹膜识别技术实用化的关键之一。现有的虹膜图像采集装置主要分为两类， 一类是接触式的采集装置，另 一类是非接触式的采集装置。接触式的虹膜采集装置，用户在使用时,眼睛需要固定在采集装置的某 个部件上。这种采集方式的优点是可以很好的将用户的眼球定位在合适的 位置，从而采集到清晰的，光照理想的虹膜图像。但这种采集方式也存在明 显的缺点接触釆集的方式，会严重减弱用户的接受度。
非接触式的虹膜采集装置，又分为固定焦距采集装置和可变焦距采集装 置。对于固定焦距采集装置，需要有提示系统来提示用户前后移动头部，当 用户眼睛位于合适位置时，采集装置采集到清晰的虹膜图像。对于可变焦距 采集装置，不需要用户前后移动头部，由采集装置自动的改变焦距，使得摄 像头聚焦在用户虹膜上，采集到清晰的虹膜图像。固定焦距采集装置，结构 简单，成本较低，但对用户要求较高，人机友好性差。可变焦距采集装置， 一般具有变焦电机和聚焦电机，通过图像清晰度评估等专门算法，判断是否 已经对焦准确，然后通过专门的控制系统，控制变焦电机和聚焦电机转动。 这样反复多次之后，达到精确聚焦。因此它的结构复杂，成本较高，但优点 是人机友好性较高。另外，对于固定焦距采集装置，用户有时需要反复的前 后移动头部来对准位置，而可变焦距采集装置，又有时需要来回的调整焦距 来使得摄像头聚焦在用户的眼睛上，因此这两种采集方法都存在有时采集时 间过长的问题。发明内容本发明的技术解决问题提供一种扫描式自动变焦虹膜图像采集系统及 采集方法，以克服现有可变焦距虹膜采集装置结构复杂，成本较高，并且有 时采集时间过长的缺陷。本发明的技术解决方案 一种扫描式自动变焦虹膜图像采集系统，其特 点在于包括图像采集单元和控制单元，所述的图像采集单元包括摄像头、 冷镜、光源、可变焦光学镜头组和图像采集卡，所述的控制单元包括光源控 制电路、变焦电机控制电路、变焦电机、计算机；冷镜、可变焦光学镜头组 和摄像头依次顺序连接，并且它们的中心輪线位于同一条直线上；光源位于 冷镜的周围，在采集时用来照亮被采集者的眼睛部位；变焦电机连接可变焦 镜头组，用于调节可变焦镜头组的成像距离在最远和最近位置之间移动，使 整个可变焦光学镜头组的焦距发生改变；摄像头通过图像采集卡与计算机连
接，通过图像采集卡接收摄像头采集的图像实时的传输给计算机,计算机通过图像清晰度判断算法，判断接收到的哪幅图像是清晰的虹膜图像；计算机 通过光源控制电路控制光源的开和关；变焦电机控制电路连接变焦电机和计 算机，计算机控制变焦电机控制电路，使变焦电机的转动。 扫描式自动变焦虹膜图像采集方法，步骤如下 (1 )虹膜图像采集过程启动后，计算机通过光源控制电路，启动近红 外光源，照亮被采集者的虹膜；(2) 计算机通过变焦电机控制电路，启动变焦电机往某个方向连续转 动，从而带动可变焦镜头组焦距改变，使得可变焦镜头组的成像距离从最远 开始向最近连续变化，或者从最近向最远连续变化；(3) 在启动变焦电机转动的同时，计算机控制图像采集卡，连续接收 摄像头传输的每一帧图像信息；(4) 当可变焦镜头组的成像距离变化到最近或最远时，关闭近红外光 源，变焦电机停止转动，图像采集卡停止接收摄像头传输的图像信息；(5) 计算机通过清晰度判断算法，判断接收到的一系列图像中哪幅图 像最清晰，即认为这幅图像就是可变焦镜头组的清晰成像平面与被采集者眼 睛所在的位置平面重合时采集到的图像，也就是最终得到的清晰虹膜图像。本发明的原理本发明提出的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统采用扫 描式的自动变焦方法来采集虹膜图像，被采集者将要采集的眼睛对准冷镜 (从冷镜中能看到要采集的那只眼睛位于冷镜的中央，即表示对准了)，眼 睛距离冷镜的距离只要位于可变焦镜头组的最远成像距离(大约30cm)到 最近成像距离(大约8cm)之间即可；计算机启动整个采集程序，通过光源 控制电路启动光源照明被采集者的虹膜；通过变焦电机控銜电路启动变焦电 机往某个方向连续转动，从而带动可变焦镜头组，使得镜头组的成像距离从 最远开始向最近连续变化(或者从最近向最远连续变化)，因此总有一个时 刻，可变焦镜头组的清晰成像平面与被采集者眼睛所在的位置平面重合，这
个时候摄像头采集到的图像即为清晰的虹膜图像；同时，计算机通过图像采 集卡接收摄像头采集的一 系列图像；当可变焦镜头组的成像距离变化到最近 (或最远)时，采集过程结束，光源关闭，变焦电机停止转动，图像采集卡 停止接收摄像头传来的图像；计算机通过图像清晰度判断算法，判断接收到 的一 系列图像中哪幅图像最清晰，即可认为这幅图像就是可变焦镜头组的清 晰成像平面与被采集者眼睛所在的位置平面重合时，采集到的图像，也就是 最终得到的清晰虹膜图像。如果是这一 系列图像中的第 一幅或者最后 一幅图 像最清晰，即认为被釆集者距离镜头的距离太远或者太近，这时计算机会提 醒被釆集者向前或向后移动头部，再次采集。 本发明与现有技术相比的优点在于
(1) 本发明相对于传统的非接触式可变焦距虹膜采集方法，最突出的 不同是传统的非接触式可变焦距虹膜采集方法，基本是每采集一幅图像就 判断一下图像的清晰度，确定是否已经对焦准确，如果对焦不准确，则调整 调焦镜头和聚焦镜头的焦距，然后再采集图像，判断清晰度。如此反复，最 后精确对焦，然后再采集到清晰的虹膜图像。而本发明提出的扫描式自动变 焦虹膜图像采集方法，可变焦镜头组的清晰成像位置在釆集开始时位于最远 处(大约位于冷镜前30cm)或最近处(大约位于冷镜前8cm),当采集开 始后，变焦电机连续往某个方向转动，从而使得可变焦镜头组的成像位置由 最远连续向最近变化(或由最近连续向最远变化)，当成像位置到达最近(或 最远)时，采集过程结束。这时，计算机再在采集到的一系列闺像中查找清 晰度最高的图像作为最终的虹膜采集图像。这种采集方法，只要被釆集者的 眼睛到可变焦镜头组的距离在镜头组的变焦范围内(例如在8cm到30cm 之间，随着可变焦镜头组参数的不同会有所改变)，就能采集到清晰的虹膜 图像。
(2) 本发明由于采用成像距离从最远到最近(或从最近到最远)的连 续扫描式自动变焦图像采集方法，降低了变焦控制电路的复杂度，降低了对
变焦电机和可变焦镜头组精度的要求，因此可以降低整个采集系统的成本。 同时， 一次扫描就可以完成虹膜图像的采集，因此采集时间非常迅速， 一般 小于1.5秒，采用更快速的变焦电机和每秒采集帧数更高的摄像头及图像采 集卡，可以进一步缩短采集时间。


图1为本发明扫描式自动变焦虹膜图像采集系统的结构示意图； 图2为本发明实施例中采集的 一 个序列图像中的 一 部分。
具体实施方式
如图1所示，本发明由光源3、冷镜2、可变焦光学镜头组4和摄像头 6是采集系统的光学部件；冷镜2、可变焦光学镜头组4和摄像头6依次连 接，并且它们的中心轴线位于同一条直线上；光源3位于冷镜2的周围，可 以是一个或多个光源，在采集时用来照亮被采集者的眼睛部位；光源3用来 照明用户的虹膜，采用近红外光源， 一般为半导体发光二极管或者卣灯等； 冷镜2反射可见光，波长大概400nm到700nm,透过近红外光，波长大概 700nm到900nm，计算机控制近红外光源只在采集虹膜图像时发光，以节 省功耗和延长光源的使用寿命；冷镜2 —般采用平面镜，也可以采用凹面镜， 这样可以对被采集者的眼睛成放大的虚像；可变焦镜头组4由固定镜头a、 c和位于固定镜头a、 c之间的移动镜头b组成，移动镜头b与变焦电机11 连接，在变焦电机11的带动下，可以前后移动；当移动镜头b前后移动时， 整个可变焦光学镜头组4的焦距发生改变，成像距离也相应的发生改变；当 移动镜头b从最后面的位置移动到最前面的位置r可变焦光学镜头组4的成 像距离相应的从A点所在平面位置，距冷镜2大约30cm移动到B点所在 平面位置，距冷镜2大约8cm,选用不同的可变焦光学镜头组，可以调整成 像距离的最远和最近位置；摄像头6釆用1/3"的CCD摄像头，视频输出 制式为PAL制式，也可以选用不同尺寸感光面积和不同视频输出制式的CCD摄像头；摄像头6通过國像采集卡9,与计算机8连接;'采集控射按 钮7通过导线与计算机8连接，当采集时人工按动此按钮，能通知计算机启 动整个釆集程序；计算机8通过光源控制电路5,可以控制光源3的开和关； 计算机8通过变焦电机控制电路10，可以控制变焦电机11的正转和反转； 光源3、冷镜2、可变焦镜头组4、光源控制电路5、摄像头6、采集控制按 钮7、变焦电机控制电路10和变焦电机11,集中起来，装于一大小适中的 塑料盒内，构成虹膜图像釆集头12。本发明中的光源控制电路5可以采用筒单和公知的控制电路，由串行通 讯模块(即串口 )和三极管组成，通过串行线与计算机连接。当开始采集虹膜图像或结束采集时，串行通讯模块接收计算机的指令，然后通过三极管控 制光源的亮和灭。变焦电机控制电路10可以由串行通讯模块和普遍的PWM电机控制电 路模块组成，通过串行线与计算机连接。当开始采集虹膜图像时，串行通讯 模块接收计算机的指令，然后通过PWM电机控制电路模块控制变焦电机正 传或反转；当采集结束时，控制变焦电机停止传动。本发明的扫描式自动变焦虹膜图像采集方法，过程如下1. 被采集者站立或坐于虹膜图像采集头12前，将要采集的眼睛1对 准冷镜2，从冷镜中能看到要采集的那只眼睛位于冷镜的中央，即表示眼睛 对准了采集装置；2. 被采集者大致估计眼睛到冷镜2的距离，只要位于8cm到30cm之 间即可，如果超出这个范围，则进行相应的移动，因为8cm到30cm的范 围相对较大，被采集者很容易使自己的眼睛位于这个范围内；3. 被采集者在确定眼睛对准，位置合适的情况下，按下采集控制按钮 7,计算机启动整个采集程序；4. 计算机8通过光源控制电路5启动光源3照明被采集者的眼睛1;5. 同时，计算机8通过变焦控制电路10启动变焦电机11往某个方向
连续转动，,.乂人而,带动可变焦镜头组4中的移动镜头b往前或往后移动，使得 可变焦镜头组4的成像距离从最远开始向最近连续变化或者从最近向最远 连续变化，因此总有一个时刻，可变焦镜头组的清晰成像平面与被釆集者眼 睛所在的位置平面重合，此时摄像头采集到的图像即为清晰的虹膜图像；6. 同时计算机8通过图像采集卡9接收摄像头6采集的一系列图像；7. 当可变焦镜头组4的成像距离变化到最近或最远时，釆集过程结 束，计算机8发出控制指令，光源3关闭，变焦电机11停止转动，图像采 集卡9停止接收摄像头6传来的图像；8. 计算机8通过图像清晰度判断算法，判断接收到的一系列图像中哪 幅图像最清晰，即可认为这幅图像就是可变焦镜头组的清晰成像平面与被采 集者眼睛所在的位置平面重合时采集到的图像，也就是最终得到的清晰虹膜 图像；9. 如果是这一系列图像中的第一幅或者最后一幅图像最清晰，即认为 被采集者的眼睛1距离冷镜2的距离太远或者太近，这时计算机8会提醒被 采集者向前或向后移动头部，再次采集。图2所示为扫描式自动变焦虹膜图像采集系统在一次采集过程中采集 到的一系列图像中的一部分图像。可以看出，随着序列号n的增加，图像的 清晰度开始的时候慢慢变高，然后又慢慢变低。这表明可变焦镜头组的成像 平面开始的时候偏离被采集者眼睛所在平面位置比较远，随着镜头组成像距 离由远变近或由近边远，可变焦镜头组的成像平面越来越接近被采集者眼睛 所在平面位置。当两者基本重合时，镜头组清晰对焦，这时候采集到的图像 清晰度达到最高。随后，镜头组的成像平面继续移动，慢慢偏离被采集者眼 睛所在平面位置，所以采集到的图像又变得模糊。计算机通过图像清晰度判 断算法，在这一序列图像中找出清晰度最高的图像，即图2d,为最终需要 的清晰虹膜图像。实践证明，本实施例的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统由于采用成像
距离从最远到最近或从最近到最远的连续扫描式自动变焦图像采集方法，降 低了变焦控制电路的复杂度，降低了对变焦电机和可变焦镜头组精度的要 求，因此可以降低整个采集系统的成本。同时， 一次扫描就可以完成虹膜图 像的采集，因此采集时间非常迅速， 一般小于1.5秒，采用更快速的变焦电 机和每秒采集帧数更高的摄像头及图像采集卡，可以进一步缩短采集时间。 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如通过改变可变焦 镜头组来改变采集系统的清晰成像范围，不使用采集控制按钮而使用鼠标来 控制采集的开始，或者使用测距模块来检测是否有用户，从而自动的开始虹 膜图像釆集等。上述的实施例和优点仅仅是示例性的，并不对本发明构成限制。本发明 可以容易地应用于其它类型的装置。本发明的说明书是用于进行说明，不限 制权利要求的范围。对于本领域的技术人员，很显然可以有很多的替换、改 进和变化，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求 的保护范围内。
权利要求
1、一种扫描式自动变焦虹膜图像采集系统，其特征在于包括图像采集单元和控制单元，所述的图像采集单元包括摄像头、冷镜、光源、可变焦光学镜头组和图像采集卡，所述的控制单元包括光源控制电路、变焦电机控制电路、变焦电机、计算机；冷镜、可变焦光学镜头组和摄像头依次顺序连接，并且它们的中心轴线位于同一条直线上；光源位于冷镜的周围，在采集时用来照亮被采集者的眼睛部位；变焦电机连接可变焦镜头组，用于调节可变焦镜头组的成像距离在最远和最近位置之间移动，使整个可变焦光学镜头组的焦距发生改变；摄像头通过图像采集卡与计算机连接，通过图像采集卡接收摄像头采集的图像实时的传输给计算机，计算机通过图像清晰度判断算法，判断接收到的哪幅图像是清晰的虹膜图像；计算机通过光源控制电路控制光源的开和关；变焦电机控制电路连接变焦电机和计算机，计算机控制变焦电机控制电路，使变焦电机的转动。
2、 根据权利要求1所述的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统，其特征 在于所述的光源采用近红外光，用来照明用户的虹膜。
3、 根据权利要求1所述的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统，其特征 在于所述的冷镜反射可见光，透过近红外光。
4、 根据权利要求1所述的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统，其特征 在于所述的摄像头采用CCD摄像头。
5、 根据权利要求1所述的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统，其特征 在于所述的冷镜采用平面镜，或采用凹面镜，以对被釆集者的眼睛成放大 的虛像。
6、 根据权利要求1所述的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统，其特征 在于所述的可变焦光学镜头组由两个固定镜头和位于两个固定镜头之间的 移动镜头组成。
7、 根据权利要求1所述的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统,其特征 在于所述的光源、冷镜、可变焦镜头组、光源控制电路、摄像头、变焦电 机控制电路和变焦电机集中起来，装入塑料盒内，构成虹膜图像采集头。
8、 根据权利要求1所述的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统，其特征 在于所述的计算机控制近红外光源只在采集虹膜图像时发光，以节省功耗 和延长光源的使用寿命。
9、 根据权利要求1所述的扫描式自动变焦虹膜图像采集系统，其特征 在于所述的光源为一个或多个。
10、 扫描式自动变焦虹膜图像采集方法，其特征在于步骤如下(1 )虹膜图像采集过程启动后，计算机通过光源控制电路，启动近红 外光源，照亮被采集者的虹膜；(2) 计算机通过变焦电机控制电路，启动变焦电机往某个方向连续转 动，从而带动可变焦镜头组焦距改变，使得可变焦镜头组的成像距离从最远 开始向最近连续变化，或者从最近向最远连续变化；(3) 在启动变焦电机转动的同时，计算机控制图像采集卡，连续接收 摄像头传输的每 一 帧图像信息；(4) 当可变焦镜头组的成像距离变化到最近或最远时，关闭近红外光 源，变焦电机停止转动，图像釆集卡停止接收摄像头传输的图像信息；(5) 计算机通过清晰度判断算法，判断接收到的一系列图像中哪幅图 像最清晰，即认为这幅图像就是可变焦镜头组的清晰成像平面与被采集者眼 睛所在的位置平面重合时釆集到的图像，也就是最终得到的清晰虹膜图像。
全文摘要
扫描式自动变焦虹膜图像采集系统及采集方法，包括图像采集单元和控制单元，图像采集单元包括摄像头、冷镜、光源、可变焦光学镜头组和图像采集卡；控制单元包括光源控制电路、变焦电机控制电路、变焦电机、计算机；冷镜、可变焦光学镜头组和摄像头依次顺序连接，并且它们的中心轴线位于同一条直线上；光源位于冷镜的周围，在采集时用来照亮被采集者的眼睛部位；变焦电机连接可变焦镜头组，用于调节可变焦镜头组的成像距离在最远和最近位置之间移动；通过图像采集卡接收摄像头采集的图像实时的传输给计算机；计算机通过光源控制电路控制光源的开和关；变焦电机控制电路连接变焦电机和计算机，计算机控制变焦电机控制电路，使变焦电机的转动。本发明具有结构简单，成本低，并且采集时间短的优点。
文档编号A61B5/117GK101116609SQ20071012110
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者鹏 姚, 庄镇泉, 斌 李 申请人:中国科学技术大学