虹膜識(shí)別終端系統(tǒng)限制因素分析及解決方案

　　O 引言

　　虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的可見的環(huán)狀組織，在一定頻率的近紅外光下，可呈現(xiàn)出豐富的紋理信息，如斑點(diǎn)條紋、細(xì)紋、冠狀、隱窩等生理細(xì)節(jié)特征。人眼虹膜的可見生物組織結(jié)構(gòu)依賴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(jī)的或是混沌的，但一出生就終生穩(wěn)定，而且每個(gè)人的虹膜紋理絕對(duì)地不同。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。構(gòu)成框圖如圖1所示。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2所示。

　　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。或者使用視覺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。