专利名称：单图像传感器自适应双眼虹膜同步采集系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及虹膜识别领域和光机电一体化领域，特别涉及用于双眼虹膜同步自适应识别的传感器，以及基于角点检测的双眼定位算法和测量瞳距的自动聚焦控制，该系统适用于双眼虹膜图像采集与识别的设备。
背景技术：
虹膜识别是一种高精度、非侵犯性、简便易用的生物特征识别身份认证技术，被认为是最有前途的生物特征识别身份认证技术之一，有非常广阔的市场应用前景。目前，国内外的双眼虹膜识别终端普遍都是通过两只虹膜摄像头分别采集人眼图像，意味着要使用两只高成本的虹膜摄像头(图像传感器+光学镜头)，结构复杂，终端体积庞大，这也是目前双眼虹膜采集设备成本长期居高不下的主要原因；同时左右眼切换(异步)采集，流程复杂，用户体验性差。同时，为采集高清无损的虹膜图像，被识别者的位置应处于镜头的景深范围，这需要通过调焦来实现。虹膜摄像头一般为两种一种是定焦式，超声波或红外光将测距信号反馈给处理器，通过指示灯提示用户靠近或远离，这也是目前市场上普遍采用的采集方式之一；另外一种是自动聚焦式，根据实时测量物距信号反馈给闭环控制模块，驱动电机控制镜头移动实现自动聚焦。对于前者，用户的舒适性要求不易满足；而后者的某些算法导致摄像头在聚焦位置附近震荡，影响对焦速度。近年来对虹膜识别技术的改进涉及摄像头、接口、聚焦、图像处理等多个方面，但往往只关注某一点，不能有效解决现存的技术问题。公开号为CN101877061A的中国发明专利申请公开了一种基于单摄像头的双眼虹膜图像采集方法及装置，其中左、右眼虹膜注册时需通过管理员选择次序，对左边和右边两步依次完成采集；LED三色灯要与眉心正下方对准；使用主动红外测距模块实现测距功能。左右分别采集显著影响识别速度，而测距需依赖外部主动测距硬件模块，成本较高。公开号为CN 201489550 U的中国实用新型专利公开了一种单USB接口的双眼虹膜图像获取及处理设备，其通过一个USB接口与计算机连接实现图像实时并行获取及前期处理；该发明对于如何使用整幅双眼图像进行虹膜识别，未具体公开，概念模糊。公开号为CN 101770573A的中国发明专利申请公开了一种用于虹膜识别的自动聚焦虹膜图像成像装置及其控制方法，其用单个摄像头捕捉整个面部细节图像，进行双眼虹膜识别；使用查表法得到聚焦位置，并通过驱动板的液态光学透镜改变介质上电压的电荷张力使液态介质的界面形变，获得不同光学屈光度来实现聚焦位置调节。对于大口径成像装置，液态光学透镜的材质稳定性较差，变形控制难度较大。公开号为 CN101021901 A的中国发明专利申请公开了一种双眼虹膜的采集方法和装置，其采用左右两个摄像头采集双眼虹膜，采用红外测距进行调焦提示来采集清晰图像，因而成本很高。
发明内容本实用新型旨在从根本上解决目前市场上双眼虹膜采集设备成本高、体积大、使用流程复杂等技术问题。基于此，本实用新型采用单个摄像头同时采集双眼图像，解决了大视野中对感兴趣的人眼区域的自动定位和裁剪的问题，通过测量图像瞳距计算物距来实现自动对焦控制，实现了低成本、自适应双眼虹膜的识别。本实用新型对左右眼图像进行同步实时处理，双眼采集过程一步完成，降低了使用流程的复杂度，使虹膜注册和识别速度加快，大大提高了产品的性价比。具体而言，本实用新型涉及一种单摄像头双眼虹膜图像采集装置，包括单目双眼虹膜摄像头和数据采集系统，其特征在于所述单目双眼虹膜摄像头能够对人的双眼区域同时成像，所述数据采集系统采用形态学和角点检测方法的算法实时检测人眼的反射亮斑和眼角的位置，从而实现在成像图像上进行双瞳的实时查找和实时定位，并将所述成像图像实时裁剪为左右眼高清虹膜图像，经过后续算法，实时完成双眼虹膜识别。优选地，所述数据采集系统还能计算成像图像上的瞳距，通过特定的数学模型实时计算人与光学镜头之间的物距，作为闭环控制系统的反馈信号送至步进电机，以驱动光学镜头的前后移动达到自适应聚焦，得到清晰的双眼虹膜图像。本实用新型通过使用其横向分辨率足够对双眼同时清晰成像的单个图像传感器， 选取视场角和景深合适的光学镜头，在双眼图像中进行单眼区域的定位和裁剪，即可完成左右眼同步采集与识别的虹膜图像智能分析，通过软件算法测距，减免使用外部主动测距模块，从而有效降低产品硬件成本，降低双眼虹膜采集设备的电路设计复杂度，减小终端体积，加快虹膜注册和认证速度。
图1为单目双眼虹膜摄像头正面结构图。图2为单目双眼虹膜采集系统框图。图3为光学成像模型示意图。图4为角点检测算法流程图。图5为自动对焦镜头结构框图。图6为USB数据采集系统技术方案框图。
具体实施方式
图1是单目双眼虹膜摄像头正面结构图，包括1-镀膜自动聚焦光学镜头，2-百万像素图像传感器(CMOS或(XD)，3-中心波长850nm的红外灯，4-紧贴在摄像头外侧截止波长750nm的冷光镜(透过近红外光线，反射可见光线；拍摄时引导用户对准镜头)，5-固定在红外灯外侧波长750nm的滤光片(透过近红外光线，吸收可见光线)，6_数据传输接口 (USB或网口)及7-指示灯。图像传感器2选型的细节所成像的双眼图像经过瞳孔定位并裁剪后的单眼图像须符合国际虹膜图像标准(IS0/IEC 19794)，其横向分辨率满足能分割出虹膜国际标准的左右眼虹膜图像(640x480)的最小尺寸。在拍摄时帧速满足虹膜采集实时性。我们采用的光学镜头1的物距在300 700mm范围可调，景深最高可达100mm。光
学镜头视场角θ与物距u的关系为 τ /2tg(0/2)=——
4[0019]其中，L为人双眼宽度。图2是单目双眼虹膜采集系统框图。参见图1，进行虹膜采集时，用户站在镜头1 前任一位置，在水平的冷光镜4中调整左眼和右眼位置，即在冷光镜4中央看到自己鼻梁以对准，CMOS传感器2将每帧图像通过数据传输接口(USB或网口)6传送给处理器，对整幅图像进行角点检测，定位瞳孔中心的坐标。算法实时测出每一帧图像的瞳距，反馈物距信号给步进电机，驱动镜头移动使用户双眼成像在最佳聚焦像平面。最后以瞳孔定位的坐标为中心点，分别裁剪出640女480大小的左右眼图像，存入图像缓存用于虹膜图像处理与识别。图3是为光学成像模型示意图。瞳孔测距原理人类瞳孔的中心距离都是可测的， 经过我们的反复测试，这个中心距离对每个人自身来说是个固定值，即使不同性别不同种族，瞳距也在特定的范围58 65mm之内。瞳距在镜头中的成像随着人与镜头的物距而改变，呈现反相关的关系(参见图3)。0为成像镜。人离镜头越近，瞳距值越大，反之，则瞳距值越小。
权利要求1.单摄像头双眼虹膜图像采集装置，包括单目双眼虹膜摄像头和数据采集系统，其特征在于所述单目双眼虹膜摄像头包括镀膜自动聚焦光学镜头(1)、图像传感器O)、紧贴在所述光学镜头(1)外侧的冷光镜G)、红外灯(3)、固定在红外灯外侧的滤光片(5)、数据传输接口 (6)和指示灯(7)。
2.根据权利要求1所述的单摄像头双眼虹膜图像采集装置，其特征是所述镀膜自动聚焦光学镜头(1)包括镜头安装座(11)、镜头组(12)、导向杆(13)、微型步进电机及丝杠 (14)、丝杠螺母(15)、电机安装座(16)、光电限位开关(17)、限位开关安装座(18)，其中丝杠螺母(1 把步进电机(14)的旋转运动转化为直线运动，以带动镜头组(1 在两个导向杆(13)的导向下双向移动以调焦；光电限位开关(17)控制镜头组(12)的极限行程；电机安装座(16)和限位开关安装座(18)用以安装步进电机(14)及限位开关板02)。
3.根据权利要求1所述的单摄像头双眼虹膜图像采集装置，其特征是其中所述数据采集系统由两个主要部分组成，一个主要部分是由CMOS传感器、USB接口芯片、I2C接口存储器和语音驱动器构成的USB接口及语音提示装置，其中USB接口芯片与CMOS传感器、语音驱动器、存储器之间通过I2C总线接口 ；另一个主要部分是由控制CPU构成的步进电机驱动控制、LED灯驱动控制和距离测量装置，其中控制CPU与步进电机驱动器、LED驱动器通过 I/O 口接口连接。
4.根据权利要求1所述的单摄像头双眼虹膜图像采集装置，其特征是其中所述图像传感器( 为分辨率在百万像素以上的CMOS或(XD。
5.根据权利要求1所述的单摄像头双眼虹膜图像采集装置，其特征是其中所述镀膜自动聚焦光学镜头(1)为能滤除740nm以下可见光的百万像素光学镜头。
6.根据权利要求1所述的单摄像头双眼虹膜图像采集装置，其特征是其中所述镀膜自动聚焦光学镜头(1)的物距在300 700mm范围可调，景深最高可达100mm。
7.根据权利要求1所述的单摄像头双眼虹膜图像采集装置，其特征是其中所述红外灯 (3)的中心波长为750 850nm，所述滤光片(5)的截止波长为750nm。
专利摘要本实用新型涉及一种基于单个摄像头的双眼虹膜图像采集装置，其采用单个摄像头实现双眼区域图像的采集，利用形态学和角点检测的算法实时检测人眼的反射亮斑和眼角的位置，从而实现双瞳的实时定位，利用所测量的瞳孔间距实时计算人与光学镜头之间的物距，作为闭环控制系统的反馈信号给步进电机以驱动光学镜头的前后移动从而达到自适应聚焦，得到清晰的双眼虹膜图像，将双眼虹膜图像实时裁剪为左右眼高清虹膜图像，经过预处理等后续算法，实时地完成双眼虹膜识别。所述方法和设备能够有效地降低产品硬件成本，降低设备的电路设计复杂度，减小终端体积，加快虹膜注册和认证速度。
文档编号H04N5/232GK202196428SQ201120219130
公开日2012年4月18日 申请日期2011年6月27日 优先权日2011年6月27日
发明者王晓鹏 申请人:王晓鹏