基於虹膜和人臉的多模態生物特徵身份識別系統的製作方法

2023-06-01 12:52:51 1

專利名稱：基於虹膜和人臉的多模態生物特徵身份識別系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物特徵識別及模式識別技術領域，特別涉及將虹膜和人臉兩種生物特徵結合起來的多模態、非接觸式身份識別系統。
背景技術：
目前，某些單生物特徵的身份識別技術，例如指紋、虹膜、人臉、手形，已經在一些專用領域投入了實際的應用，而且表現出生物特徵識別的巨大優越性；但是尚由各種不同原因，阻礙著這些全新的身份識別技術的推廣。例如指紋識別，會由於多次採集、汗液和灰塵在接觸面上形成殘留，導致採集到的指紋圖像留有以前的影響，這是接觸式採集的固有缺點之一。現有的指紋採集器，無論是光學、電容或是電感式的，都存在這種問題。另外，部分人的指紋因為表層皮膚的脫落，造成採集到的指紋含有不同的斷紋，由此產生不同的偽特徵點，使得現有的指紋識別技術總有一定的錯誤率，雖然絕對百分比數字很小，但是因為巨大的識別基數，導致相當可觀的影響。2004年國際指紋識別競賽(FVC2004Fingerprint Verification Competition，http://bias.csr.unibo.it/fvc2004)的結果顯示目前的指紋識別算法依然有2％的錯誤率。再比如虹膜識別，2004年國際模式識別會議的邀請論文生物特徵識別所面臨的機遇和挑戰(BiometricsA Grand Challenge，Proceedings of International Conferenceon Pattern Recognition，Cambridge，UK，Aug.2004)指出，雖然虹膜識別的錯誤率極低，而且是一種非接觸式的生物特徵識別，但因為它對採集的圖像有較高的要求，使得現有採集設備須設定較為苛刻的採集條件，造成較高的採集失敗率或註冊失敗率，人機友好性差。

發明內容
本發明提出一種多模態生物特徵身份識別系統，將虹膜和人的另一種生物特徵--人臉結合起來共同識別人的身份，以降低系統的註冊失敗率和識別錯誤率，提高人機友好性。
本發明基於虹膜和人臉的多模態生物特徵身份識別系統，包括，生物特徵採集單元將接收到的原始圖像信號，通過視頻信號線送到生物特徵識別單元，生物特徵資料庫單元為生物特徵識別單元提供待比較的特徵模板；其特徵在於所述生物特徵採集單元，包括虹膜採集攝像頭、人臉採集攝像頭和主動成像光源模塊；虹膜採集攝像頭和人臉採集攝像頭分別通過視頻信號線與生物特徵識別單元的多通道圖像採集卡的視頻輸入端相連；主動成像光源模塊包括紅外發光管、直流電源、控制電路、聚光罩和散射透光板；所述聚光罩為漏鬥形，內表面拋光，紅外發光管位於漏鬥形聚光罩後端，散射透光板位於漏鬥形聚光罩的前端，面向被採集人；所述散射透光板採用透明材質，其內外表面的旋轉磨砂方向相反；虹膜採集攝像頭從聚光罩中間穿過，使得虹膜採集攝像頭的中心線與聚光罩的中心軸線重合；所述控制電路包括模擬開關晶片和邏輯門電路，來自生物特徵識別單元的選通信號作為邏輯門電路的輸入，邏輯門電路的輸出和模擬開關晶片的控制端相連，模擬開關晶片的輸出端控制紅外發光管的導通和截止；
所述生物特徵識別單元，由識別模塊、多通道圖像採集卡和微處理器構成多通道圖像採集卡通過視頻信號線和多生物特徵採集單元的攝像頭的視頻輸出端相連接，傳輸採集到的圖像；識別模塊利用微處理器對採集到的虹膜圖像和人臉圖像首先進行低通濾波，然後根據定位結果從原始圖像中分割出虹膜部分，再對它進行光照和大小歸一化，經過特徵提取的處理後生成此虹膜的特徵模板；對人臉圖像首先利用小波變換後的低頻子圖完成人臉圖像中眼睛的標定，以定位人臉，再進行光照和大小的歸一化，之後根據灰度值建立此臉相的準三維模型作為特徵模板；最後將生成的虹膜圖像和人臉圖像的特徵模板和原先資料庫中保存的模板進行匹配，將虹膜和人臉各自的匹配結果利用數據融合的方法計算識別結果；所述生物特徵資料庫單元，根據索引查詢和遍歷式搜索的方式提供已經註冊的虹膜和人臉的特徵模板數據；並且將虹膜的特徵模板疊加於人臉的特徵模板，生成融合特徵模板，用於數據交換和傳輸。
與現有技術相比較，本發明利用人體的多種生物特徵為媒介來識別人的身份，由於採用的生物特徵採集單元利用人臉部器官的幾何信息進行結構設計，並和近紅外主動光源及控制電路相互配合，可以同時採集虹膜和人臉；使用者只需按照採集單元的提示輸入虹膜，而人臉的採集由採集單元自動完成，不必在輸入了虹膜之後，再輸入人臉；由於本發明採用的生物特徵識別單元，對於歸一化之後的人臉，根據灰度值建立此臉相的準三維模型作為特徵模板，利用模板匹配來提高人臉識別的速度；利用多模態生物特徵的豐富信息量，降低對虹膜圖像採集質量的要求，也就降低了虹膜的註冊失敗率，還彌補了人臉識別率低的不足。
由於本發明採用生物特徵資料庫單元，該單元不存儲原始採集到的生物特徵圖像，只存儲用來匹配的虹膜和人臉特徵模板數據；而且還將虹膜生成的特徵模板疊加在人臉模板中生成數據融合模板，用於數據交換和傳輸；保護了生物特徵數據的隱私權，還增強了身份識別系統自身的安全性。
本發明基於虹膜和人臉的多模態生物特徵身份識別系統由於利用生物特徵採集單元從兩個獨立的採集通道同時採集被識別者的虹膜和人臉兩種生物特徵，經過生物特徵識別單元的處理後，達到身份鑑別的目的；本發明兼有虹膜識別的錯誤率低和人臉識別的人機友好的優點。


圖1是本發明多模態生物特徵身份識別系統的檢測原理示意圖。
圖2是多模態生物特徵身份識別系統的機殼表面各主要部件配置示意圖。
圖3是多模態生物特徵採集模塊的結構示意圖。
圖4是主動近紅外光源及控制電路示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖通過實施例對本發明作進一步的具體說明。
實施例1圖1是本發明多模態生物特徵身份識別系統的檢測原理示意圖本實施例基於虹膜和人臉的多模態生物特徵身份識別系統可分為三部分生物特徵採集單元(S)、生物特徵識別單元(R)和生物特徵資料庫單元(M)。在生物特徵採集單元(S)中，由對著人眼虹膜(i)的虹膜採集攝像頭(1)獲得虹膜圖像(7)，由對著人面部(h)的人臉採集攝像頭獲得人臉圖像(22)；生物特徵識別單元(R)對從生物特徵採集單元(S)中得到的虹膜圖像(7)和人臉圖像(22)依次進行定位(a)、歸一化(b)、特徵提取(c)的處理，並和生物特徵資料庫單元(M)的資料庫(f)中檢索到的相應模板(g)進行匹配(d)，最後輸出匹配的結果(e)。
圖2給出了本實施例基於虹膜和人臉的多模態生物特徵身份識別系統中機殼表面各主要部件的配置示意圖採集支撐平臺(8)包括手扶支撐面板(16)和傾斜面板(4)，手扶支撐面板高92cm，寬100cm，長36.5cm，傾斜面板的寬度和手扶面板相同，坡長24cm，傾角θ＝35.6°±0.5°，誤差±2mm；傾斜面板的坡度和人俯視時頸椎的自然彎曲角度相符，使得採集時人的面部與傾斜面板平行；手扶支撐面板的高度、寬度以及傾斜面板的坡度的設計使得不同身高的使用者，只需調整手掌在手扶支撐面板上的位置，就可以較為自然、舒適的輸入人臉和虹膜圖像；虹膜採集攝像頭(1)、人臉採集攝像頭(2)、散射透光板(5)和提示燈(18)位於作為人機互動界面的液晶顯示器(3)的左側；人臉採集攝像頭(2)位於虹膜採集攝像頭(1)的右下側；虹膜採集攝像頭(1)和人臉採集攝像頭(2)的中心，在水平方向上的距離為40mm、垂直方向上的距離為55mm，誤差±1mm；按鍵(17)位於手扶支撐面板(16)的右側。
圖3給出了本實施例系統多模態生物特徵採集模塊的結構示意圖由轉接環(10)連接自動光圈鏡頭(6)和攝像頭(9)構成虹膜採集攝像頭(1)；主動成像光源模塊包括紅外發光管(12)、控制電路基板(13)、聚光罩(11)、散射透光板(5)及圖4中的直流電源(W)；在本實施例中紅外發光管(12)以虹膜採集攝像頭(1)為中心成內外兩圈均勻分布在控制電路的基板(13)上，漏鬥形聚光罩(11)使得紅外發光管(12)發出的紅外光經多次反射後從散射透光板(5)折射而出，散射透光板(5)為圓環形，內外表面的旋轉磨砂方向相反以增強散射；在本實施例中將控制電路基板(13)鑲嵌固定在聚光罩(11)後端，散射透光板(5)鑲嵌固定於聚光罩的前端，聚光罩(11)的前端半徑為40毫米，後端半徑為64毫米；虹膜採集攝像頭(1)從聚光罩(11)的中間穿過，本實施例中自動光圈鏡頭(6)的前部緊密嵌入散射透光板(5)的內環，控制電路基板(13)的中心開孔讓攝像頭(9)的後部緊密嵌入，使得虹膜採集攝像頭(1)的中心線與聚光罩(11)的中心軸線重合，然後一起緊密固定於傾斜面板(4)上的虹膜採集孔位----即圖2中虹膜採集攝像頭(1)和散射透光板(5)的位置；人臉採集攝像頭(2)固定於傾斜面板(4)上的人臉採集孔位----即圖2中人臉採集攝像頭(2)的位置；支撐架(15)環繞在採集模塊的四周，以增加模塊的牢固性。
圖4給出了本實施例系統中的主動近紅外光源及控制電路示意圖所述控制電路包括紅外發光管(12)、限流電阻(19)、直流電源(W)、模擬開關晶片(20)和邏輯門電路(21)，紅外發光管(12)和限流電阻(19)串連成對後並聯在控制電路基板(13)的直流電源(W)負極和兩個模擬開關晶片(20)的輸出端之間；本實施例中採用32對紅外發光管和限流電阻，圖中用省略號表示未畫出的部分；直流電源(W)的正極和兩個模擬開關晶片(20)的輸入相連接；地址線(A1)和(A0)通過邏輯門電路(21)產生選通信號接入模擬開關晶片(20)的控制端來控制其導通和截止。本實施例中採用的紅外發光管型號為TSAL6200，限流電阻為750Ω，模擬開關晶片為ADG787，邏輯門電路為74HC04，直流電源為DC+5V3A。
安裝時，將多模態生物特徵採集模塊用視頻信號線與多通道圖像採集卡的視頻輸入端相連；按鍵(17)和提示燈(18)連接到生物特徵識別單元的串口；將手扶支撐面板(16)和傾斜面板(4)按圖2安裝在一起，組成採集支撐平臺(8)；利用研華(IPC 8408G)機箱(14)作為容器，將該機箱牢固安裝在傾斜面板(4)的背面，該機箱可採取沿傾斜的導軌放入識別系統，傾斜角度和傾斜面板相同，要保證完全放入後機箱和識別系統後擋板的間隙大於5cm；然後按照普通應用軟、硬體的安裝流程安裝生物特徵識別單元和生物特徵資料庫單元。
該系統的使用操作過程如下被識別者站立於識別系統正前方，微俯身、面向人臉採集攝像頭(2)，不同身高的人可以調整俯按在手扶支撐面板(16)上的手的位置，使得自己可以較為舒適地保持左眼正對虹膜採集攝像頭(1)的自動光圈鏡頭(6)、距離14～18cm，這時在鏡頭中可以看到多個紫紅色的同心圓，那是方位的提示器，提示被識別者緩慢地調整頭部的位置使得在這些同心圓的正中可以看到自己的眼睛；虹膜採集攝像頭(1)(其中攝像頭(9)的靈敏度＞＝0.001流明)、人臉採集攝像頭(2)、主動成像光源模塊和傾斜面板(4)及研華(IPC 8408G)機箱(14)固定在一起；當左眼正前方的提示燈(18)變綠時，觸動右手邊的按鍵(17)，確認一次採集，同時保持自己的姿勢大於1秒；生物特徵採集單元(S)將從人眼虹膜(i)和人面部(h)採集到的虹膜圖像(7)和人臉圖像(22)通過視頻信號線傳輸給生物特徵識別單元(R)中的多通道高速黑白圖像採集卡，存儲在緩存中；當採集到合格的虹膜圖像時，生物特徵採集單元(S)可以保證採集到的人臉圖像也是合格的，使用者不必重複人臉的採集過程；如果生物特徵識別單元(R)檢測到採集到的虹膜不合格時，則在傾斜面板(4)上右邊的作為人機互動界面的液晶顯示器(3)上提示被識別者重新採集，否則提示識別者採集成功，識別進程自動開始；如果被識別者中明了自己的身份，則識別結果可在1秒之內得到，並在人機互動界面上顯示出來。
本實施例中虹膜和人臉的採集通道相互獨立，生物特徵識別單元(R)按照先虹膜後人臉的順序來處理對於虹膜圖像，先利用高斯低通濾波器對圖像進行濾波，再根據圖像的灰度分布圖，進行二維投影，然後利用投票算法計算虹膜的參數；根據計算出的虹膜參數從原始的虹膜圖像中分割出圓環狀的虹膜部分，然後利用坐標變換將它映射成規定大小的矩形，完成尺度的歸一化；再利用灰度均衡的方法，完成光照的歸一化處理；對於歸一化之後的虹膜，利用高斯一維復小波提取虹膜紋理的相位特徵；然後對它進行循環差分編碼，由編碼值得到虹膜的特徵模板；對於人臉圖像，利用小波變換後的低頻圖像，根據人眼的位置完成人臉的定位；根據定位的參數從原始圖像中分割出人臉；然後用雙線性插值的方法完成大小的歸一化，再計算出背景模板來完成光照的歸一化；對於歸一化之後的人臉，利用小尺度的平滑模板進行卷積處理後，根據各個元素的灰度值建立準三維的人臉特徵模板；然後生物特徵識別單元根據塔式分層融合算法進行匹配將被識別者申明的身份作為索引，分別將虹膜和人臉的待匹配模板和資料庫中的相應模板進行匹配，分別計算虹膜的匹配百分數和表示人臉匹配百分數的嚙合度；在本實施例中，對於虹膜特徵模板，分別計算模板的對應部分的碼值的匹配百分數，對於人臉特徵模板，將待匹配模板以模為256來計算它的補，然後將它的補和匹配模板疊加計算兩個模板的嚙合度；如果虹膜的匹配百分數超過某個閾值PirisH，則不再計算人臉的匹配程度，直接輸出結果是匹配的；如果虹膜的匹配百分數低於某個閾值PirisL，也不再計算人臉的匹配程度，直接輸出結果是不匹配的。當虹膜的匹配百分數在PirisL和PirisH之間時，如果人臉的嚙合度大於某個閾值PfaceH，則輸出結果是匹配的；如果人臉的嚙合度小於某個閾值PfaceL，則輸出結果是不匹配的；如果此時人臉的嚙合度也在閾值PfaceL和PfaceH之間，則虹膜的匹配百分數及人臉的嚙合度組成的向量和權值向量求內積，根據此內積的值是大於還是小於或等於某個閾值P，分別輸出最後的識別結果是匹配的還是不匹配。
生物特徵資料庫單元(M)管理識別系統的生物特徵數據在本實施例中，生物特徵採集單元得到的原始虹膜和人臉圖像，經過生物特徵識別單元處理後生成的特徵模板，保存在系統的資料庫中，原始圖像和其它中間結果並不保存；而且該單元在進行數據傳輸和交換時，利用數字水印的技術將虹膜特徵模板疊加於人臉特徵模板生成融合特徵模板；增強了對生物特徵數據的隱私權的保護，提高了識別系統自身的安全性。
權利要求
1.一種基於虹膜和人臉的多模態生物特徵身份識別系統，包括，生物特徵採集單元將接收到的原始圖像信號，通過視頻信號線送到生物特徵識別單元，生物特徵資料庫單元為生物特徵識別單元提供待比較的特徵模板；其特徵在於所述生物特徵採集單元，包括虹膜採集攝像頭、人臉採集攝像頭和主動成像光源模塊；虹膜採集攝像頭和人臉採集攝像頭分別通過視頻信號線與生物特徵識別單元的多通道圖像採集卡的視頻輸入端相連；主動成像光源模塊包括紅外發光管、直流電源、控制電路、聚光罩和散射透光板；所述聚光罩為漏鬥形，內表面拋光，紅外發光管位於漏鬥形聚光罩後端，散射透光板位於漏鬥形聚光罩的前端，面向被採集人；所述散射透光板採用透明材質，其內外表面的旋轉磨砂方向相反；虹膜採集攝像頭從聚光罩中間穿過，使得虹膜採集攝像頭的中心線與聚光罩的中心軸線重合；所述控制電路包括模擬開關晶片和邏輯門電路，來自生物特徵識別單元的選通信號作為邏輯門電路的輸入，邏輯門電路的輸出和模擬開關晶片的控制端相連，模擬開關晶片的輸出端控制紅外發光管的導通和截止；所述生物特徵識別單元，由識別模塊、多通道圖像採集卡和微處理器構成多通道圖像採集卡通過視頻信號線和多生物特徵採集單元的攝像頭的視頻輸出端相連接，傳輸採集到的圖像；識別模塊利用微處理器對採集到的虹膜圖像和人臉圖像首先進行低通濾波，然後根據定位結果從原始圖像中分割出虹膜部分，再對它進行光照和大小歸一化，經過特徵提取的處理後生成此虹膜的特徵模板；對人臉圖像首先利用小波變換後的低頻子圖完成人臉圖像中眼睛的標定，以定位人臉，再進行光照和大小的歸一化，之後根據灰度值建立此臉相的準三維模型作為特徵模板；最後將生成的虹膜圖像和人臉圖像的特徵模板和原先資料庫中保存的模板進行匹配，將虹膜和人臉各自的匹配結果利用數據融合的方法計算識別結果；所述生物特徵資料庫單元，根據索引查詢和遍歷式搜索的方式提供已經註冊的虹膜和人臉的特徵模板數據；並且將虹膜的特徵模板疊加於人臉的特徵模板，生成融合特徵模板，用於數據交換和傳輸。
全文摘要
本發明基於虹膜和人臉的多模態生物特徵身份識別系統，特徵是其生物特徵採集單元利用兩個獨立的採集通道同時採集虹膜和人臉圖像，其採集支撐平臺可使不同身高的使用者自然、舒適地輸入人臉和虹膜圖像；生物特徵識別單元利用圖像處理和小波變換技術得到特徵模板，分別計算虹膜特徵模板的匹配百分數和人臉特徵模板的嚙合度，利用統計數據融合的方法計算最終的識別結果；生物特徵資料庫單元只存儲最後生成的特徵模板，並將虹膜特徵模板疊加於人臉模板，以保護生物特徵數據的隱私權，增強識別系統自身的安全性。本發明將生物特徵、模式識別、數據融合和計算機技術相結合來實現識別人身份的目的，兼有虹膜識別的錯誤率低和人臉識別的人機友好的優點。
文檔編號G06K9/00GK1932840SQ200510094438
公開日2007年3月21日 申請日期2005年9月16日 優先權日2005年9月16日
發明者莊鎮泉, 葉學義, 李斌 申請人:中國科學技術大學