一種生物特徵成像的方法與設備的製作方法

2023-09-15 08:25:55

一種生物特徵成像的方法與設備的製作方法
【專利摘要】本發明的目的是提供一種生物特徵成像設備，其中該設備包括：光學鏡頭部件，用於對感興趣區域的生物特徵進行光學成像(包括靜態圖像和動態圖像)；圖像傳感器，用於將所述生物特徵的光學圖像轉換成電子圖像(包括靜態圖像和動態圖像)；以及微電機控制器，用於獲取、傳遞、或分析電子圖像的圖像質量信息，並根據電子圖像的圖像質量信息實時分析圖像的清晰度，實時反饋該信息從而調節光學鏡頭部件以實現對感興趣區域的生物特徵進行自動對焦控制。
【專利說明】一種生物特徵成像的方法與設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學【技術領域】，尤其涉及一種對生物特徵進行成像的技術。
【背景技術】
[0002]虹膜識別是一種新興的生物識別技術，在身份識別領域應用不斷擴大。安全便捷的身份識別是開展面向移動終端業務服務的難點。目前用移動終端作為身份確認的手段主要依賴密碼和卡，存在難記憶、易被竊取，安全性低等問題。在眾多身份識別技術中，虹膜識別的安全性和精確度最高，具有個體唯一、不需要記憶、不能被竊取，安全級別高等優點。
[0003]在現有技術中，虹膜成像設計一般採用定焦設計，用戶需要主動配合來尋找合適的虹膜成像位置，導致需要附加額外的硬體設備如測距傳感器、三色指示燈等；也有些虹膜成像系統採用步進電機或者直流電機來驅動鏡頭的前後移動實現虹膜自動對焦和成像，但仍然需要測距傳感器來測量距離，並且步進電機或者直流電機的體積大，功耗大。這些均導致虹膜成像系統的體積大大增加，識別速度拉長，用戶體驗差，無法微型化集成應用到需求量更廣的移動終端。

【發明內容】

[0004]本公開的目的在於提供一種生物特徵成像方法和設備以及包含該設備的移動終端，從而減輕或消除上面提及的一個或者多個問題。
[0005]根據本公開的一個方面，提供了一種生物特徵成像設備，其中該設備包括:
光學鏡頭部件，用於對感興趣區域的生物特徵進行光學成像；
圖像傳感器，用於將包含所述生物特徵的光學圖像轉換成電子圖像；
微電機，用於調節所述光學鏡頭部件；以及
微電機控制器，用於獲取所述電子圖像的圖像質量信息，根據所述電子圖像的圖像質量信息控制微電機調節所述光學鏡頭部件以實現對所述感興趣區域的生物特徵進行自動對焦控制。
[0006]根據本公開的另一方面，還提供了一種移動終端，其中該移動終端包括如上所述的生物特徵成像設備。
[0007]根據本公開的又一方面，還提供了一種生物特徵成像方法，其中該方法包括以下步驟:
獲取通過光學鏡頭部件捕獲的感興趣區域的生物特徵的圖像；
獲取所述圖像的圖像質量信息；以及
根據所述圖像的圖像質量信息控制微電機調節所述光學鏡頭部件以實現對所述感興趣區域的生物特徵進行自動對焦控制。
[0008]與現有技術相比，本公開能夠根據生物特徵的電子圖像的圖像質量信息對該生物特徵進行自動對焦控制，避免了傳統地通過測量成像設備與被攝體之間的物理距離進行自動對焦，從而不需要配置測距所需的硬體，例如測距傳感器。另外，本公開採用微型電機以替代步進電機或者直流電機來調節光學鏡頭部件。這些都為生物特徵成像設備的小型化提供了可能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
圖1示出根據本公開一個方面的生物特徵成像設備示意圖；
圖2示出根據本公開另一方面的生物特徵成像設備示意圖；
圖3示出根據本公開一個方面的生物特徵成像方法流程圖；
圖4示出根據本公開實施例的音圈電機的示意圖；
圖5示出根據本公開實施例的微機電系統致動器的示意圖；
圖6示出根據本公開實施例的雙眼分割定位成左右眼兩個單獨的單眼虹膜圖像的示意圖。
[0010]附圖中相同或相似的附圖標記代表相同或相似的部件。
【具體實施方式】
[0011]本領域的技術人員應當明白本發明可以以脫離這些具體細節的其它實現方式來實現。而且為了不模糊本發明，在當前的說明中省略了已知的功能和結構的並非必要的細節。
[0012]下面結合附圖對本公開作進一步詳細描述。
[0013]圖1示出根據本公開一個方面的生物特徵成像設備示意圖。如圖1所示，生物特徵成像設備100包括光學鏡頭部件110，圖像傳感器120，微電機140以及微電機控制器130。
[0014]光學鏡頭部件110用於對感興趣區域13的生物特徵12進行光學成像。
[0015]具體地，光學鏡頭部件110可以是光學鏡頭組，其實現在一個固定成像焦平面的生物特徵信息的成像。光學鏡頭組的材料可以採用全玻璃鏡頭、全塑料鏡頭、玻璃與塑料鏡頭相結合或者液體鏡頭等混合材料。在本文中，將虹膜作為生物特徵的實例來描述本公開的實施例，但本領域技術人員應當理解，生物特徵還包括視網膜、眼紋、唇紋、面部以及靜脈等。感興趣區域13指代光學鏡頭部件成像能夠保持聚焦清晰的區域，即光學鏡頭部件能夠對位於感興趣區域中的生物特徵進行清晰成像。感興趣區域13的大小根據光學鏡頭部件的景深確定，景深是指成像系統能夠保持聚焦清晰的最近和最遠的距離之差。它決定了用戶可以距離生物特徵成像設備的遠近的冗餘度範圍，或者是生物特徵識別的使用範圍。另夕卜，光學成像原理是本領域公知的技術，為了簡潔起見，在此不再贅述。
[0016]圖像傳感器120用於將從光學鏡頭部件110獲取的生物特徵的光學圖像轉換成電子圖像。
[0017]具體地，圖像傳感器120可以包括電荷耦合元件(CXD)和金屬氧化物半導體元件(CMOS)等感光元件，並利用感光元件將生物特徵的光學成像轉換成電子信號以獲得相應的電子圖像。在一個實施例中，電子圖像包括靜態圖像和動態圖像格式，動態圖像是由多幀靜態圖像按照時間順序排列組合在一起的靜態圖像流，也稱視頻格式。電子圖像可以被存儲成預定的圖像格式，包括但不限於BMP，JPEG、TIFF、RAW、GIF和PNG等。電子圖像的信息也可以以二進位比特的表徵形式保存在緩存或者內存中，比如每個圖像像素使用8比特，10比特，12比特，或者24比特的二進位信息來代表，這些信息會作為後續生物圖像分析、識別等的基本處理"[目息。
[0018]本領域技術人員應當理解，上述將光學圖像轉換成電子圖像的方式僅為舉例，其他現有的或今後可能出現轉換方式如可適用於本發明，也應包含在本發明保護範圍以內，並在此以引用方式包含於此。
[0019]微電機控制器130用於獲取、傳遞、或分析圖像傳感器120轉換的電子圖像(包括靜態圖像和動態圖像)的圖像(或視頻)質量特徵信息，然後，根據所述電子圖像的圖像、視頻質量信息實時分析圖像的生物特徵或清晰度並利用微電機140調節光學鏡頭部件110的成像組件特性以實現對所述感興趣區域的生物特徵進行自動對焦控制。
[0020]具體地，微電機控制器130例如可以從圖像傳感器120獲取電子圖像，並對該電子圖像進行評估以獲得該電子圖像的圖像質量特徵信息，例如圖像的清晰度、或生物特徵。在對電子圖像質量進行評估時，可以對電子圖像整體進行評估，以獲得該電子圖像的整體圖像質量信息；也可以首先識別出電子圖像中所包含的生物特徵(例如虹膜)圖像，然後評估該生物特徵圖像以獲得該生物特徵的圖像質量信息，並將其作為所述電子圖像的圖像質量信息。所述圖像質量信息包括但不限於圖像的清晰度、對比度、平均灰度、圖像信息熵、瞳孔間距、瞳孔直徑、虹膜直徑、水平眼角寬度等。
[0021]例如，針對圖像傳感器120所採集得到的任一幀電子圖像，微電機控制器130可以快速定位到所感興趣的生物特徵區域，比如人眼的虹膜區域。以虹膜為例，所述微電機控制器130能夠對人的雙眼區域同時成像，針對每一幀採集的圖像，採用圖像處理的算法實時計算出人左右眼的瞳孔中心位置，從而實現在整幅成像圖像上雙眼虹膜的實時查找和實時定位，並將所述成像圖 像裁剪為左眼或右眼的單眼虹膜圖像，如圖6所示，圖像解析度一般為640 X 480。這樣圖像分割後所得到的左右眼的單眼的虹膜圖像，可以作為所述生物特徵成像設備100採集影像清晰度評估的一個分析對象。然後的，針對任意一個單眼或雙眼的虹膜進行圖像分析其圖像質量函數ImageQualityMetrics,該函數的計算可以通過多種能量傳遞函數/^'實現，包括但不限於離散餘弦變換(DCT)，快速傅立葉變換(FFT)或者小波變換(Wavelet)等。計算得到的圖像質量信息可以是一組圖像質量數組，也可以是單一圖像質量參數，包括但不限於圖像的清晰度、對比度、平均灰度、圖像信息熵、瞳孔間距、瞳孔直徑、虹膜直徑等。
[0022]需要指出的是，以上從電子圖像中識別生物特徵的圖像處理算法例如參見中國專利申請CN102855476A中的圖像處理過程，該專利申請將作為本說明書的一部分全文引用於此。然而，本領域技術人員應當理解，上述圖像處理的方式僅為舉例，其他現有的或今後可能出現圖像處理方式如可適用於本發明，也應包含在本發明保護範圍以內，並在此以引用方式包含於此。
[0023]可替換地，微電機控制器130也可以將電子圖像發送給第三方圖像質量評估設備(比如計算機、處理器、伺服器等未示出)，該第三方圖像質量評估設備接收該電子圖像並對其進行評估以獲得圖像質量信息，然後將該圖像質量信息反饋給微電機控制器130。
[0024]在獲得電子圖像的圖像質量信息後，微電機控制器130例如可以對電子圖像的圖像質量信息以及圖像生物特徵信息進行分析，並據此控制微電機140移動光學鏡頭部件110或光學鏡頭部件110中光學透鏡的位置，或改變光學鏡頭部件110的光學特性，如光學曲率半徑。這樣，例如多次重複上述過程從而實現對感興趣區域的生物特徵的自動對焦。具體實現過程將在下文中詳細描述。
[0025]微電機140用於調節光學鏡頭部件110,例如移動光學鏡頭部件110或光學鏡頭部件110中光學透鏡的位置，或者例如通過改變光學鏡頭部件110中光學透鏡的形狀而改變光學鏡頭部件110的光學特性，如光學曲率半徑。
[0026]這裡，微電機140可以是如圖4所示的音圈電機(VCM)，它是一種將電能轉化為機械能的裝置，具體地，VCM的操作包括是電流通過電磁(線圈)。這將產生排斥永磁體的電磁場，從而實現垂直地移動光學透鏡夾持器使光學透鏡遠離圖像傳感器。VCM由彈簧提供的恢復力使光學透鏡接近圖像傳感器；而其餘的光學透鏡的位置是無限遠對焦。
[0027]當考慮保證成像質量的情況下將生物特徵成像設備100集成在更薄的移動終端(如手機)時，VCM會成為實現此目的的障礙。具體地，若要將VCM做的更小，則需要更小的線圈，磁體和彈簧。由於磁力是與體積成正比的，所以更小的線圈和磁體需要更多的電流才能產生足夠的致動力，這將使移動終端的功耗和過熱的問題更加嚴重。此外，較小的彈簧較為脆弱，加劇了衝程遲滯、鏡頭傾斜以及可靠性的問題。由於VCM遭受衝程遲滯的問題，所以將使針對感興趣的生物特徵區域(比如虹膜)的自動對焦成像過程變得緩慢，這樣的問題在視頻捕獲時變得尤為突出。另外，VCM的高功耗將迅速消耗電池並且產生的熱量也將降低生物特徵成像設備的光學性能和成像質量。
[0028]為解決以上問題，微電機140還可以採用如圖5所示的微機電系統致動器(MEMSActuators),其結構包括一個以娃晶圓為基礎的微機電機械執行器(由可垂直移動的外殼結構組件、提供恢復應力的彈簧和控制外殼結構組件的靜電梳狀驅動器組成)，採用半導體工藝來製造，有機械和電子特性。梳狀驅動器是一對導電結構，當施加直流電壓時，靜電荷所產生的吸引力使梳狀驅動器被拉到一起。通過將光學透鏡放置在中心位置，基於生物特徵的圖象處理算法會在極短的時間內運算結合精確的位置感知定位算法，矽微機電系統自動對焦致動器可以控制光學鏡片組中其中任何一片鏡片或多片鏡片的位置移動，而其他的鏡片可以固定在其最佳位置保持不動，從而實現高效的自動對焦。
[0029]相較於VCM，微機電系統致動器能夠將VCM裡面所需要的三個部件(線圈，磁體和彈簧)整合成為一個單一組件，解決了 VCM三個組件之間的複雜物理連接，體積做到更小，減小了它們之間的物理慣性應力影響，從而能夠更加快速的對焦，比普通VCM對焦的控制速度能夠快2-4倍。同時採用半導體工藝來製造，特別是光刻技術，所以功耗能夠控制到更小。
[0030]由於能夠根據生物特徵的電子圖像的圖像質量信息對該生物特徵進行自動對焦控制，本公開的生物特徵成像設備避免了傳統地通過測量成像設備與被攝體之間的物理距離進行自動對焦，從而不需要配置測距所需的硬體，例如測距傳感器。另外，該生物特徵成像設備採用微型電機以替代步進電機或者直流電機來調節光學鏡頭部件。這些都為生物特徵成像設備的小型化提供了可能。
[0031]可選地，生物特徵成像設備100的各個裝置之間是持續不斷工作的。具體地，光學鏡頭部件110對感興趣區域的生物特徵進行光學成像；隨後，圖像傳感器120將所述生物特徵的光學圖像轉換成電子圖像；接著，微電機控制器130獲取電子圖像的圖像質量信息，並根據電子圖像的圖像質量信息分析從而調節光學鏡頭部件。在此，本領域技術人員應理解「持續」是指各裝置分別按照設定的或實時調整的工作模式要求進行對感興趣區域的生物特徵的光學成像、將光學圖像轉換成電子圖像，並根據電子圖像的圖像質量信息分析調節光學鏡頭部件直到實現對所述生物特徵的期望對焦。
[0032]在一個實施例中，微電機控制器130根據電子圖像的圖像質量信息獲得移動光學鏡頭部件110的步長，並按照所述步長調節光學鏡頭部件110的位置從而移動光學鏡頭部件110的固定成像焦平面以實現自動對焦。具體地，這裡的步長包括光學鏡頭部件110移動的方向(如面向生物特徵方向向前或向後)和距離。
[0033]例如，在獲得電子圖像的圖像質量信息後，微電機控制器130將該圖像質量信息與整個光學成像系統(即光學鏡頭部件110)的經驗查找表進行對比查找，並據此得到當前的光學成像系統的位移狀態，從而通過查找表得到實現清晰聚焦成像狀態所需要改變的位移數量信息，即步長。然後，微電機控制器130按照該步長控制並迅速調節所述光學鏡頭部件的成像焦平面的位置以實現對所述感興趣區域的生物特徵進行自動對焦控制。
[0034]再如，在獲得一幀電子圖像的圖像質量信息後，微電機控制器130可以先按照預定的步長朝著一個方向控制並迅速調節所述光學鏡頭部件的成像焦平面的位置來獲得另一幀電子圖像，並採用與前面相同的方法獲得該另一幀電子圖像的圖像質量信息。接著，微電機控制器130將前後兩幀電子圖像的圖像質量信息進行比較，如果調節後的幀圖像質量比調節前的幀圖像質量有提高，說明微電機控制器130對焦正確，並繼續超這個方向移動預定的步長，否則朝著反方向移動，多次重複直到獲得滿足要求的圖像質量信息。
[0035]為了使生物特徵成像設備100更加小型化，移動光學鏡頭部件110的空間以及光學鏡頭部件110本身將變得更小。在此情況下，通過移動光學鏡頭部件或光學鏡頭部件中的光學透鏡來實現自動對焦將變得更加困難。為解決此問題，在一個實施例中，生物特徵成像設備100中的光學鏡頭部件110採用液體鏡頭來實現，並且其微電機控制器130根據電子圖像的圖像質量信息來驅動微電機140改變該液體鏡頭的形狀，從而調節光學鏡頭部件110的光學特性，如光學曲率半徑，以實現自動對焦。例如，在獲得電子圖像的圖像質量信息後，微電機控制器130將該圖像質量信息與整個光學成像系統(即光學鏡頭部件110)的經驗查找表進行對比查找，並據此得到當前的光學成像系統的光學曲率狀態，從而通過查找表得到實現清晰聚焦成像狀態所需要改變的光學曲率半徑。然後，微電機控制器130按照該光學曲率半徑驅動微電機140改變該液體鏡頭的形狀，從而使光學鏡頭部件110具有該相應的光學特性。
[0036]如本領域技術人員所知，改變光學鏡頭形狀以調節其光學特性所需的力遠小於移動光學鏡頭位置所需的力，這將節省微電機的功耗。對於可攜式設備而言，設備功耗是衡量其適用性的重要指標，而低功耗的生物特徵成像設備將滿足這方面的要求，從而適於單獨作為可攜式設備或集成到其他可攜式設備，如智慧型電話等。
[0037]可選地，在一個實施例中，微電機控制器130可以從電子圖像中確定生物特徵的具有相對客觀恆定數值的特定物理屬性，獲取該特定物理屬性在電子圖像中的屬性值作為所述電子圖像的圖像質量信息，然後根據屬性值調節所述光學鏡頭部件以實現對所述感興趣區域的生物特徵進行自動對焦控制。
[0038]具體地，微電機控制器130首先可以通過前述的圖像分析算法定位電子圖像中生物特徵，並根據該生物特徵例如在生物特徵特定屬性列表中查詢與該生物特徵相對應的具有相對客觀恆定數值的特定物理屬性。這裡所說的「相對客觀恆定數值」是指生物特徵的特定物理屬性的數值在客觀世界中變化很小，其不隨著生物特徵的宿主的不同而發生較大變化。例如，當電子圖像中的生物特徵為人類雙眼虹膜(即電子圖像中包括人的雙眼)時，可以查詢獲得與雙眼虹膜對應的特定屬性為瞳孔間距P (如圖1所示)，因為正常人瞳孔間距P變化很小，可視為恆定。
[0039]在確定生物特徵的特定物理屬性後，由於生物特徵成像設備100的光電傳遞函數已知，微電機控制器130可以計算該特定物理屬性在電子圖像中的屬性值。例如，微電機控制器130可以計算人的瞳孔間距在電子圖像中的像素距離值
[0040]接著，微電機控制器130可以基於計算獲得特定物理屬性在電子圖像中的屬性值，如瞳孔間距的像素距離值計算感興趣區域13的生物特徵與生物特徵成像設備100之間的物距隊如人眼虹膜平面12到光學鏡頭部件110或者圖像傳感器120的距離。例如，光學鏡頭部件110的光學特性參數已知，其光學視場角11已知，而且人瞳孔間距P基本恆定，其變化對於計算物距D影響很小，因此，物距D和人瞳孔間距的像素距離值//可視為成反比關係，即分析計算得到的人瞳孔間距的像素距離值//越大，人眼離成像設備100的距離約小(近)；分析計算得到的人瞳孔間距的像素距離值//越小，人眼離成像設備100的距離約大(遠)；因此可通過如前所述的傳遞函數/H十算出物距久即
D =F (/)
而且這個傳遞函數A針對不同的成人變化很小，因此可以視為經驗函數恆定不變，對成年人普遍適用。
[0041]然後，微電機控制器130可以根據計算獲得的物距D和光學鏡頭部件110當前的成像焦距/ (1來比較從而有目的地調節所述光學鏡頭部件110以實現自動對焦。例如，微電機控制器130可以計算物距D和成像焦距/ d之差Z a= D- /d)，此Z就是使光學鏡頭部件110能夠對感興趣區域的生物特徵進行清晰成像所需要移動的對焦向量，因此移動光學鏡頭部件110的步長即為Z。在此情況下，微電機控制器130可以按照該步長Z驅動微電機將光學鏡頭部件110移動到指定位置從而完成自動對焦。可替換地，例如，當光學鏡頭部件Iio的光學鏡頭組中包含液體鏡頭時,微電機控制器130可以通過驅動微電機140改變液體鏡頭的形狀來調整該液體鏡頭的光學曲率半徑以使得改變後的光學鏡頭部件110新的成像焦距/ d的值趨近於物距隊從而完成自動對焦。
[0042]可選地，如圖2所示，生物特徵成像設備100還可以包括一個或多個照明部件150，用於在對感興趣區域中的生物特徵進行光學成像時對感興趣區域進行照明，以增強採集圖像的亮度。
[0043]照明部件150例如可以是發光二極體(LED)，也可以是其他種類的照明器件，並且照明部件150可以採用可見光或近紅外光進行照明。照明部件150在生物特徵成像設備100上的位置可以距離光學鏡頭部件110等間距放置，也可以圍繞光學鏡頭部件110 360度任意放置，間距任意。
[0044]照明部件150所發出的光的中心光譜可以根據具體待成像的生物特徵進行設定。例如，若生物特徵為虹膜，則採用的近紅外光的中心光譜範圍包括700nm至950nm。
[0045]進一步地，當對人體虹膜進行成像時，由於不同人種的虹膜特徵(例如顏色)不盡相同，為了實現對不同人種的虹膜進行清晰成像，可以採用不同中心光譜的照明部件對其進行照明。例如，生物特徵成像設備100包括三個發射近紅外光的LED燈，每個LED燈發射的近紅外光的中心光譜分別為780nm和850nm和940nm,以便對不同人種深淺不同的虹膜進行更好的成像照明。
[0046]在一個實施例中，生物特徵成像設備100可以對單眼虹膜進行成像，也可以對雙眼虹膜同時進行成像。
[0047]例如，若對單眼虹膜進行清晰成像以用於虹膜識別，則光學鏡頭部件110在眼睛水平方向的光學解析度需大於等於640像素，垂直方向的光學解析度需大於等於480像素。相應地，圖像傳感器120的圖像解析度需大於或等於光學鏡頭部件的光學解析度。
[0048]若需對雙眼虹膜進行一次清晰成像以用於雙眼虹膜識別，則光學鏡頭部件110在雙眼水平方向的光學解析度需大於等於1500像素，垂直方向的光學解析度需大於等於480像素，從而保證每隻單眼的圖像的光學解析度。相應地，圖像傳感器120的圖像解析度需大於或等於光學鏡頭部件的光學解析度。
[0049]可選地，生物特徵成像設備100還包括濾光片(未示出)，其位於待成像生物特徵和光學鏡頭部件之間，以過濾該生物特徵進入光學鏡頭部件110的光，從而能夠降低外界環境對生物特徵成像的影響，特別是室外環境太陽光、雜散光、燈光和黑暗環境。
[0050]圖3示出根據本公開一個方面的生物特徵成像方法流程圖。現參照圖1和圖3描述該生物特徵成像方法的處理過程。
[0051]在步驟310，生物特徵成像設備100獲取通過光學鏡頭部件捕獲的感興趣區域的生物特徵的圖像。
[0052]例如，生物特徵成像設備100可以利用光學鏡頭部件，如光學鏡頭組對感興趣區域的生物特徵進行光學成像。光學鏡頭組的材料可以採用全玻璃鏡頭、全塑料鏡頭、玻璃與塑料鏡頭相結合或者液體鏡頭等混合材料。在本文中，將虹膜作為生物特徵的實例來描述本公開的實施例，但本領域技術人員應當理解，生物特徵還包括視網膜、眼紋、唇紋、面部以及靜脈等。感興趣區域指代成像能夠保持聚焦清晰的區域，即生物特徵成像設備100能夠對位於感興趣區域中的生物特徵進行清晰成像。可選地，在對感興趣區域的生物特徵進行光學成像時，可以採用可見光或近紅外光對被攝對象進行照明，以便獲得更高的光學成像質量。
[0053]隨後，生物特徵成像設備100可以利用電荷耦合元件(CXD)和金屬氧化物半導體元件(CMOS)等感光元件將生物特徵的光學成像轉換成電子信號以獲得相應的電子圖像，該電子圖像即為要獲取的生物特徵的圖像。在一個實施例中，電子圖像包括靜態圖像和動態圖像格式，動態圖像是由多幀靜態圖像按照時間順序排列組合在一起的靜態圖像流，也稱視頻格式。電子圖像可以被存儲成預定的圖像格式，包括但不限於BMP，JPEG、TIFF、RAW、GIF和PNG等。電子圖像的信息也可以以二進位比特的表徵形式保存在緩存或者內存中，比如每個圖像像素使用8比特，10比特，12比特，或者24比特的二進位信息來代表，這些信息會作為後續生物圖像分析、識別等的基本處理信息。
[0054]本領域技術人員應當理解，上述將光學圖像轉換成電子圖像的方式僅為舉例，其他現有的或今後可能出現轉換方式如可適用於本發明，也應包含在本發明保護範圍以內，並在此以引用方式包含於此。[0055]本領域技術人員應當理解，上述獲取感興趣區域的生物特徵的圖像的方式僅為舉例，其他現有的或今後可能出現轉換方式如可適用於本發明，也應包含在本發明保護範圍以內，並在此以引用方式包含於此。
[0056]在步驟320中，生物特徵成像設備100獲取在步驟310中獲取的生物特徵的圖像(包括靜態圖像和動態圖像)的圖像(或視頻)質量信息。例如，生物特徵成像設備100可以對電子圖像整體進行評估，以獲得該電子圖像的整體圖像質量信息；也可以首先識別出電子圖像中所包含的生物特徵(例如虹膜)圖像，然後評估該生物特徵圖像以獲得該生物特徵的圖像質量信息，並將其作為所述電子圖像的圖像質量信息。所述圖像質量信息包括但不限於圖像的清晰度、對比度、平均灰度、圖像信息熵等。
[0057]例如，針對所述獲得的任一幀電子圖像，生物特徵成像設備100可以快速定位到所感興趣的生物特徵區域，比如人眼的虹膜區域。以虹膜為例，生物特徵成像設備100能夠對人的雙眼區域同時成像，針對每一幀採集的圖像，採用圖像處理的算法實時計算出人左右眼的瞳孔中心位置，從而實現在整幅成像圖像上雙眼虹膜的實時查找和實時定位，並將所述成像圖像裁剪為左眼或右眼的單眼虹膜圖像，如圖6所示，圖像解析度一般為640X 480。這樣圖像分割後所得到的左右眼的單眼的虹膜圖像，可以作為所述生物特徵成像設備100採集影像清晰度評估的一個分析對象。然後的，針對任意一個單眼或雙眼的虹膜進行圖像分析其圖像質量函數ImageQualityMetrics,該函數的計算可以通過多種能量傳遞函數實現，包括但不限於離散餘弦變換(DCT)，快速傅立葉變換(FFT)或者小波變換(Wavelet)等。計算得到的圖像質量可以是一組圖像質量數組，也可以是單一圖像質量參數，包括但不限於圖像的清晰度、對比度、平均灰度、圖像信息熵、瞳孔間距等。
[0058]在步驟330，生物特徵成像設備100根據所述電子圖像的圖像(或視頻)質量信息並利用微電機設備調節光學鏡頭部件特性以實現對所述感興趣區域的生物特徵進行自動對焦控制。
[0059]例如，在獲得電子圖像的圖像質量信息後，生物特徵成像設備100例如可以對電子圖像的圖像質量信息進行分析，並據此驅動微電機產生電磁力來移動光學鏡頭部件的位置或改變光學鏡頭部件的光學特性，如光學曲率半徑，從而實現對感興趣區域的生物特徵的自動對焦。具體實現過程將在下文中詳細描述。
[0060]這裡的微電機可以是如圖4所示的音圈電機(VCM)，它是一種將電能轉化為機械能的裝置，具體地，VCM的操作包括是電流通過電磁(線圈)。這將產生排斥永磁體的電磁場，從而實現垂直地移動光學透鏡夾持器使光學透鏡遠離圖像傳感器。VCM由彈簧提供的恢復力使光學透鏡接近圖像傳感器；而其餘的光學透鏡的位置是無限遠對焦。
[0061]當考慮保證成像質量的情況下將生物特徵成像設備100集成在更薄的移動終端(如手機)時，VCM會成為實現此目的的障礙。具體地，若要將VCM做的更小，則需要更小的線圈，磁體和彈簧。由於磁力是與體積成正比的，所以更小的線圈和磁體需要更多的電流才能產生足夠的致動力，這將使移動終端的功耗和過熱的問題更加嚴重。此外，較小的彈簧較為脆弱，加劇了衝程遲滯、鏡頭傾斜以及可靠性的問題。由於VCM遭受衝程遲滯的問題，所以將使自動對焦過程變得緩慢，這樣的問題在視頻捕獲時變得尤為突出。另外，VCM的高功耗將迅速消耗電池並且產生的熱量也將降低生物特徵成像設備的光學性能和成像質量。
[0062]為解決以上問題，微電機還可以採用如圖5所示的微機電系統致動器(MEMSActuators),其結構包括一個以娃晶圓為基礎的微機電機械執行器(由可垂直移動的外殼結構組件、提供恢復應力的彈簧和控制外殼結構組件的靜電梳狀驅動器組成)，採用半導體工藝來製造，有機械和電子特性。梳狀驅動器是一對導電結構，當施加直流電壓時，靜電荷所產生的吸引力使梳狀驅動器被拉到一起。通過將光學透鏡放置在中心位置，基於生物特徵的圖象處理算法會在極短的時間內運算結合精確的位置感知定位算法，矽微機電系統自動對焦致動器可以控制光學鏡片組中其中任何一片鏡片或多片鏡片的位置移動，而其他的鏡片可以固定在其最佳位置保持不動，從而實現高效的自動對焦。
[0063]相較於VCM,微機電系統致動器能夠將VCM裡面所需要的三個部件(線圈，磁體和彈簧)整合成為一個單一組件，解決了 VCM三個組件之間的複雜物理連接，體積做到更小，減小了它們之間的物理慣性應力影響，從而能夠更加快速的對焦，比普通VCM對焦的控制速度能夠快2-4倍。同時採用半導體工藝來製造，特別是光刻技術，所以功耗能夠控制到更小。
[0064]由於能夠根據生物特徵的電子圖像的圖像質量信息對該生物特徵進行自動對焦控制，本公開的生物特徵成像設備避免了傳統地通過測量成像設備與被攝體之間的物理距離進行自動對焦，從而不需要配置測距所需的硬體，例如測距傳感器。另外，該生物特徵成像設備採用微型電機以替代步進電機或者直流電機來調節光學鏡頭部件。這些都為生物特徵成像設備的小型化提供了可能。
[0065]在一個實施例中，生物特徵成像設備100根據電子圖像的圖像質量信息獲得移動光學鏡頭部件的步長，並按照所述步長調節光學鏡頭部件的位置從而移動光學鏡頭部件的固定成像焦平面以實現自動對焦。這裡的步長包括光學鏡頭部件移動的方向(如面向生物特徵方向向前或向後)和距離。
[0066]例如，在獲得電子圖像的圖像質量信息後，生物特徵成像設備100將該圖像質量信息與整個光學成像系統的經驗查找表進行對比查找，並據此得到當前的光學成像系統的位移狀態，從而通過查找表得到實現清晰聚焦成像狀態所需要改變的位移數量信息，即步長。然後，生物特徵成像設備100按照該步長控制並迅速調節光學鏡頭部件的成像焦平面的位置以實現對所述感興趣區域的生物特徵進行自動對焦控制。
[0067]再如，在獲得一幀電子圖像的圖像質量信息後，生物特徵成像設備100可以先按照預定的步長朝著一個方向控制並迅速調節所述光學鏡頭部件的成像焦平面的位置來獲得另一幀電子圖像，並採用與前面相同的方法獲得該另一幀電子圖像的圖像質量信息。接著，生物特徵成像設備100將前後兩幀電子圖像的圖像質量信息進行比較，如果調節後的幀圖像質量比調節前的幀圖像質量有提高，說明生物特徵成像設備100對焦正確，並繼續超這個方向移動預定的步長，否則朝著反方向移動，直到獲得滿足要求的圖像質量信息。
[0068]為了使生物特徵成像設備100更加小型化，移動光學鏡頭部件的空間變得更小。在此情況下，通過移動光學鏡頭部件來實現自動對焦將變得更加困難。
[0069]為解決此問題，在一個實施例中，生物特徵成像設備100中的光學鏡頭部件採用液體鏡頭來實現，並且根據電子圖像的圖像質量信息來驅動微電機改變該液體鏡頭的形狀，從而調節光學鏡頭部件的光學特性，如光學曲率半徑，以實現自動對焦。例如，在獲得電子圖像的圖像質量信息後，生物特徵成像設備100將該圖像質量信息與整個光學成像系統的經驗查找表進行對比查找，並據此得到當前的光學成像系統的光學曲率狀態，從而通過查找表得到實現清晰聚焦成像狀態所需要改變的光學曲率半徑。然後，生物特徵成像設備100按照該光學曲率半徑驅動微電機改變該液體鏡頭的形狀，從而使光學鏡頭部件具有該相應的光學特性。
[0070]如本領域技術人員所知，改變光學鏡頭形狀以調節其光學特性所需的力遠小於移動光學鏡頭位置所需的力，這將節省微電機的功耗。對於可攜式設備而言，設備功耗是衡量其適用性的重要指標，而低功耗的生物特徵成像設備將滿足這方面的要求，從而適於單獨作為可攜式設備或集成到其他可攜式設備，如智慧型電話等。
[0071]可選地，在一個實施例中，生物特徵成像設備100可以從包含生物特徵的圖像中確定生物特徵的具有相對客觀恆定數值的特定物理屬性，獲取該特定物理屬性在圖像中的屬性值作為所述圖像的圖像質量信息，然後根據屬性值調節光學鏡頭部件以實現對所述感興趣區域的生物特徵進行自動對焦控制。
[0072]具體地，生物特徵成像設備100首先可以通過前述的圖像分析算法定位電子圖像中生物特徵，並根據該生物特徵例如在生物特徵特定屬性列表中查詢與該生物特徵相對應的具有相對客觀恆定數值的特定物理屬性。這裡所說的「相對客觀恆定數值」是指生物特徵的特定物理屬性的數值在客觀世界中變化很小，其不隨著生物特徵的宿主的不同而發生較大變化。例如，當圖像中的生物特徵為人類雙眼虹膜(即圖像中包括人的雙眼)時，可以查詢獲得與雙眼虹膜對應的特定屬性為瞳孔間距P (如圖1所示)，因為正常人瞳孔間距P變化很小，可視為恆定。
[0073]在確定生物特徵的特定物理屬性後，由於生物特徵成像設備100的光電傳遞函數已知，生物特徵成像設備100可以計算該特定物理屬性在電子圖像中的屬性值。例如，生物特徵成像設備100可以計算人的瞳孔間距在電子圖像中的像素距離值/7 \
[0074]接著，生物特徵成像設備100可以基於計算獲得特定物理屬性在電子圖像中的屬性值，如瞳孔間距的像素距離·值P ^計算感興趣區域的生物特徵與生物特徵成像設備100之間的物距久如人眼虹膜平面到光學鏡頭部件的距離。例如，光學鏡頭部件的光學特性參數已知，其光學視場角已知，而且人瞳孔間距P基本恆定，其變化對於計算物距D影響很小，因此，物距D和人瞳孔間距的像素距離值/7 7可視為成反比關係，並可通過如前所述的能量傳遞函數/H十算出物距久即
D = F (P，)
然後，生物特徵成像設備100可以根據計算獲得的物距D和光學鏡頭部件當前的成像焦距/ d來調節光學鏡頭部件以實現自動對焦。例如，生物特徵成像設備100可以計算物距D和成像焦距/ d之差z(= D- / ,)，此Z就是使光學鏡頭部件能夠對感興趣區域的生物特徵進行清晰成像所需要移動的對焦向量，因此移動光學鏡頭部件的步長即為Z。在此情況下，生物特徵成像設備100可以按照該步長Z驅動微電機將光學鏡頭部件移動到指定位置從而完成自動對焦。可替換地，例如，當光學鏡頭部件的光學鏡頭組中包含液體鏡頭時，生物特徵成像設備100可以通過驅動微電機改變液體鏡頭的形狀來調整該液體鏡頭的光學曲率半徑以使得光學鏡頭部件的成像焦距/ d的值趨近於物距久從而完成自動對焦。
[0075]由於具有體積小、識別速度快等優點，因此上述生物特徵成像設備可以集成到諸如智慧型手機、平板電腦、超級本、筆記本電腦、智能穿戴式設備等移動終端中，從而提供各種便利的應用。[0076]對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此夕卜，顯然「包括」 一詞不排除其他單元或步驟，單數不排除複數。裝置權利要求中陳述的多個單元或裝置也可以由一個單元或裝置通過軟體或者硬體來實現。第一，第二等詞語用來表示名稱，而並不表示任何特定的順序。
【權利要求】
1.一種生物特徵成像設備(100)，包括: 光學鏡頭部件(110)，用於對感興趣區域(13)的生物特徵(12)進行光學成像； 圖像傳感器(120)，用於將包含所述生物特徵(12)的光學圖像轉換成電子圖像； 微電機(140 )，用於調節所述光學鏡頭部件(110 );以及 微電機控制器(130)，用於獲取所述電子圖像的圖像質量信息，根據所述電子圖像的圖像質量信息控制微電機(140)調節所述光學鏡頭部件(110)以實現對所述感興趣區域(13)的生物特徵(12)進行自動對焦控制。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述微電機是音圈電機或微機電系統致動器，所述微電機進一步用於利用其產生的電磁力調節所述光學鏡頭部件(110)從而實現對所述感興趣區域(13)的生物特徵(12)進行自動對焦控制。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其中所述微電機控制器(130)進一步用於根據所述電子圖像的圖像質量信息獲得移動所述光學鏡頭部件(110)的步長，並按照所述步長調節所述光學鏡頭部件(110)的位置以實現自動對焦。
4.根據權利要求1或2所述的設備，其中所述光學鏡頭部件(110)包括液體鏡頭，所述微電機控制器(130)進一步用於根據所述電子圖像的圖像質量信息改變所述液體鏡頭的形狀來調節所述光學鏡頭部件(HO)的光學特性以實現自動對焦。
5.根據權利要求1或2所述的設備，其中所述微電機控制器進一步用於從所述電子圖像中確定所述生物特徵的具有相對客觀恆定數值的特定物理屬性，獲取所述特定物理屬性在所述電子圖像中的屬性值作為所述電子圖像的圖像質量信息，根據所述屬性值調節所述光學鏡頭部件(110)以實現對所述感興趣區域(13)的生物特徵(12)進行自動對焦控制。
6.根據權利要求5所述的設備，其中所述微電機控制器進一步用於基於所述屬性值計算所述感興趣區域的生物特徵與所述生物特徵成像設備(100)之間的物距，根據所述物距和所述光學鏡頭部件(110)當前的成像焦距來調節所述光學鏡頭部件(110)以實現自動對焦。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述微電機控制器進一步用於計算所述物距與所述成像焦距之差以獲得(110)移動所述光學鏡頭部件(110)的步長，並按照所述步長移動所述光學鏡頭部件(110)的位置以實現自動對焦。
8.根據權利要求6所述的設備，其中所述光學鏡頭部件(110)包括液體鏡頭，所述微電機控制器進一步用於根據所述物距和所述成像焦距改變所述液體鏡頭的形狀來調節所述光學鏡頭部件(HO)的光學特性以實現自動對焦。
9.根據權利要求5-8中任一項所述的設備，其中當所述生物特徵包括雙眼虹膜時，所述微電機控制器進一步用於從所述電子圖像中確定所述雙眼虹膜的瞳孔間距為所述特定物理屬性。
10.根據權利要求1或2所述的設備，其中當所述生物特徵包括雙眼虹膜時，所述光學鏡頭部件(110)在雙眼水平方向的光學解析度大於等於1500像素，垂直方向的光學解析度大於等於480像素，並且所述圖像傳感器(120)的解析度大於或等於所述光學鏡頭部件(110)的光學解析度。
11.根據權利要求1或2所述的設備，其中當所述生物特徵包括單眼虹膜時，所述光學鏡頭部件(110)在眼睛水平方向的光學解析度大於等於640像素，垂直方向的光學解析度大於等於480像素，並且所述圖像傳感器(120)的解析度大於或等於所述光學鏡頭部件(110)的光學解析度。
12.根據權利要求1至11中任一項所述的設備，該設備還包括: 至少一個照明部件(150)，用於對所述感興趣區域進行照明，其中所述至少一個照明部件(150)採用可見光和/或近紅外光照明。
13.根據權利要求12所述的設備，其中當所述生物特徵包括虹膜時，所述近紅外光中心光譜範圍包括700nm至950nm。
14.根據權利要求13所述的設備，其中所述至少一個照明部件(150)採用不同中心光譜的近紅外光來分別對不同特徵的虹膜進行照明。
15.根據權利要求1至14中任一項所述的設備，該設備還包括濾光片以用於過濾進入所述光學鏡頭部件(110)的光。
16.根據權利要求1至15中任一項所述的設備，其中所述生物特徵包括以下至少一項:虹膜，視網膜、眼紋、唇紋、面部和靜脈。
17.—種移動終端，所述移動終端包括如權利要求1至16中任一項所述的生物特徵成像設備。
18.—種生物特徵成像方法，包括: 獲取通過光學鏡頭部件捕獲的感興趣區域的生物特徵的圖像(310); 獲取所述圖像的圖像質量信息(320);以及 根據所述圖像的圖像質量信息控制微電機調節光學鏡頭部件以實現對所述感興趣區域(13 )的生物特徵(12 )進行自動對焦控制(330 )。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述微電機是音圈電機或微機電系統致動器，所述自動對焦步驟包括利用所述微電機產生的電磁力調節所述光學鏡頭部件。
20.根據權利要求18或19所述的方法，其中所述自動對焦步驟包括將根據所述圖像的圖像質量信息獲得移動所述光學鏡頭部件的步長，並按照所述步長調節所述光學鏡頭部件的位置以實現自動對焦。
21.根據權利要求18或19所述的方法，其中所述光學鏡頭部件包括液體鏡頭，所述自動對焦步驟包括根據所述圖像的圖像質量信息改變所述液體鏡頭的形狀來調節所述光學鏡頭部件的光學特性以實現自動對焦。
22.根據權利要求18或19所述的方法，其中所述獲取圖像質量信息的步驟(320)包括:從所述圖像中確定所述生物特徵的具有相對客觀恆定數值的特定物理屬性，獲取所述特定物理屬性在所述圖像中的屬性值作為所述圖像的圖像質量信息。
23.根據權利要求22所述的方法，其中所述調節光學鏡頭部件的步驟(330)包括:基於所述屬性值計算所述感興趣區域的生物特徵與所述光學鏡頭部件之間的物距，根據所述物距和所述光學鏡頭部件當前的成像焦距來調節所述光學鏡頭部件以實現自動對焦。
24.根據權利要求23所述的方法，其中所述根據所述物距和所述成像焦距來調節所述光學鏡頭部件的步驟包括:計算所述物距與所述成像焦距之差以獲得移動所述光學鏡頭部件的步長，並按照所述步長移動所述光學鏡頭部件的位置以實現自動對焦。
25.根據權利要求23 所述的方法，其中所述光學鏡頭部件包括液體鏡頭，所述根據所述物距和所述成像焦距來調節所述光學鏡頭部件的步驟包括:根據所述物距和所述成像焦距改變所述液體鏡頭的形狀來調節所述光學鏡頭部件的光學特性以實現自動對焦。
26.根據權利要求22-25中任一項所述的方法，其中當所述生物特徵包括雙眼虹膜時，所述確定所述生物特徵的特定物理屬性的步驟包括:從所述圖像中確定所述雙眼虹膜的瞳孔間距為所述特定物理屬性。
27.根據權利要求18至26中任一項所述的方法，該方法還包括採用可見光和/或近紅外光對所述感興趣 區域進行照明。
【文檔編號】G06K9/20GK103593647SQ201310494298
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】王曉鵬, 徐鶴菲 申請人:王曉鵬