智能虹膜圖像采集終端系統設計

虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的可見(jiàn)的環(huán)狀組織，在一定頻率的近紅外光下，可呈現出豐富的紋理信息，如斑點(diǎn)條紋、細紋、冠狀、隱窩等生理細節特征。人眼虹膜的可見(jiàn)生物組織結構依賴(lài)于嬰兒胚胎期中胚層的初始條件，在人群中的分布可能是隨機的或是混沌的，但一出生就終生穩定，而且每個(gè)人的虹膜紋理絕對地不同。統計表明，虹膜紋理有幾百個(gè)自由度，即使是同樣的基因型，其虹膜的表現型表達是不相關(guān)的。正因為人眼虹膜獨特的紋理圖像適合用于自動(dòng)身份識別，所以其具有高效、準確、不可復制等特點(diǎn)?；驹碇饕峭ㄟ^(guò)對比虹膜紋理圖像特征之間的相似性來(lái)確定人體的身份，其核心是經(jīng)計算機進(jìn)行大量的多種算法，使用模式識別、圖像處理等方法對人眼的虹膜紋理特征進(jìn)行描述和匹配(如早期應用Gabor小波對虹膜紋理編碼，用漢民距離對虹膜模版進(jìn)行匹配)，從而實(shí)現自動(dòng)的人體身份鑒別。

1 虹膜識別系統的構成

虹膜識別系統由軟件系統和硬件系統組成，其中軟件系統即虹膜信息處理系統，用以實(shí)現虹膜圖像處理、用戶(hù)登記、用戶(hù)識別、虹膜圖像存儲管理、虹膜特征存儲管理等功能。構成框圖如圖1所示。硬件系統包括虹膜圖像采集系統以及支持虹膜信息處理系統運行的硬件環(huán)境。

目前市場(chǎng)上較成熟的計算機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)驗系統采用英國巴斯大學(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

國際人眼安全標準協(xié)會(huì )要求虹膜圖像采集裝置為實(shí)時(shí)自動(dòng)無(wú)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ISO／IEC 19794-6圖像標準，同時(shí)確保黑暗環(huán)境下拍攝的需要，光源選擇波長(cháng)為720～900nm的近紅外光源，輻照功率＜0．5mW／cm2，對眼睛無(wú)傷害。攝像頭的傳輸速率設為251幀／s，保證視頻流的實(shí)時(shí)傳輸。拍攝過(guò)程中，中央處理模塊對每幀圖像作實(shí)時(shí)分析，直至該幀圖像滿(mǎn)足判別標準，同時(shí)該數據幀被傳輸到虹膜識別處理器核心模塊做相應的判別處理。整體硬件設計架構如圖2所示。

在共計352730次試驗中我們發(fā)現，實(shí)際系統虹膜圖像采集成功與否的幾個(gè)重要限制因子包括人機的交互配合、光強度等系統外界限制。因此系統的適用性設計十分重要。為達到全自動(dòng)智能化虹膜采集，通過(guò)數萬(wàn)次的實(shí)驗，我們總結出系統設計有如下幾方面的考慮：

2．1 距離感應

首先，攝像頭模塊須外置用戶(hù)距離感應傳感器用以監測個(gè)體的存在。傳感器的選型可為接觸式(如讀卡器或密碼開(kāi)關(guān)模塊等)和非接觸式模塊(如紅外感應或雙肩探頭模塊等)，考慮到系統今后的兼容性，與CPU的接口設計建議使用GPIO連接。

2．2 人機交互

攝像頭內置應用軟件可以使用多國語(yǔ)言指導用戶(hù)作相應的上機操作。根據內嵌的距離感應傳感器模塊將用戶(hù)的距離反饋到中央處理器，然后以語(yǔ)音輸出的形式指導用戶(hù)調整頭部位置直至進(jìn)入合適的成像區域?；蛘呤褂靡曈X(jué)上的多色指示燈也可以滿(mǎn)足這個(gè)效果。

2．3 可調成像深度

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，提高系統的使用性能，攝像頭應該有一定范圍的成像深度。在這個(gè)范圍內，光學(xué)鏡頭可以自動(dòng)調節焦距實(shí)時(shí)成像。本試驗系統的成像深度在22～36cm范圍內均可正常成像。減小了系統對用戶(hù)操作的限制。

2．4 頭部?jì)A斜檢測

攝像頭同時(shí)需要具有“頭部?jì)A斜檢測”功能模塊，來(lái)檢測用戶(hù)的頭部是否傾斜超過(guò)一定范圍導致無(wú)法正常進(jìn)行后續的匹配判別。消除用戶(hù)因頭部位置不當導致認證失敗的限制，確保系統的穩定性。

2．5 眼鏡／墨鏡檢測

眼鏡鏡片會(huì )對攝像頭入射的閃光燈進(jìn)行反射，從而導致采集的虹膜圖像有強烈的反射亮斑。如果該亮斑位于虹膜區域內，將導致匹配誤差。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，增強圖像的對比度以及圖像特征的提取。圖3為實(shí)驗中佩戴眼鏡所采集的未偏光與偏光后虹膜成像效果的對比。

2．6 高度可調

不同用戶(hù)高矮差異是制約虹膜采集系統的另外一個(gè)限制因素。本系統使用滑道工業(yè)設計允許攝像頭升降(如圖4所示)，從而達到普適性。

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(hù)在采集虹膜的過(guò)程中保持相對靜止的狀態(tài)。這對人體在行進(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)格相對比較昂貴，廣泛應用還有待改進(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)現在我國廣泛應用。

本文針對目前虹膜識別系統實(shí)際應用過(guò)程中遇到的幾點(diǎn)限制因素進(jìn)行了相應的分析以及提出了解決方案。對現有虹膜識別終端系統的工業(yè)設計和自動(dòng)化開(kāi)發(fā)具有廣泛的指導意義。生物識別技術(shù)有很多種類(lèi)，而逐步應用的虹膜識別技術(shù)其應用前景十分明顯。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。中國生物識別技術(shù)制造企業(yè)在虹膜識別產(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)《虹膜識別系統技術(shù)要求》國家標準發(fā)布并實(shí)施，對虹膜識別技術(shù)在我國身份認證領(lǐng)域的快速推廣應用提供了有力的保證。虹膜識別技術(shù)因其獨有的特點(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，應用前景不可估量。