本发明专利技术公开了一种远距离虹膜成像装置及方法，该装置包括：用于深度成像的光学系统I、获取光场数据的光学系统II；集成一体化近红外光源；数据传输模块；缓存单元；控制输入设备；显示设备；逻辑控制单元；处理单元。本发明专利技术还公开了利用上述装置进行远距离虹膜成像的方法。本发明专利技术通过构建透镜阵列和多传感器光学系统获取光场数据，利用头部姿态估计、人脸检测和人眼检测技术实现智能人机交互方式，结合图像增强、拼接、重对焦等图像处理方法共同实现远距离大景深虹膜成像。本发明专利技术提高了虹膜识别技术的实用性，拓展了虹膜识别系统的应用范围，对虹膜生物特征识别的研究和应用发展具有重要推动作用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学工程、生物特征识别、图像处理和计算机视觉等
，尤其涉及一种，用于实现大景深、高质量、多目标虹膜智能成像。
技术介绍
生物特征识别中的虹膜识别具有唯一性好、准确率高、稳定性强的优点，具有广阔的市场应有前景。其中，虹膜成像是虹膜识别的基础，直接制约识别过程的准确性和效率。目前商业应用较为成熟的虹膜识别专利产品(如CN1416779A、CN1282048A、CN1752990A、CN1439998A、JP2001215109A等)大多采用低像素和短焦距的镜头，并加入语音、显示器指示等提示装置通过限制用户距离和姿势来获取虹膜图像，这种需要用户 主动配合的近距离采集方式限制了虹膜识别的应用推广，而远距离虹膜成像在降低用户配合度、增加易用性方面具有绝对优势，为此，部分研究机构对远距离虹膜成像装置开展相关研究(如 US7627147B2、US2009/0046899AU US2003/0219247AU KR100869998B、CN101520838A、CN101499129B、CN101814130A等)，设计开发基于摄像机阵列和基于旋转云台这两种人机交互形式的虹膜成像装置。在远距离虹膜成像情况下，由于人的虹膜尺寸很小(IOmm左右)，为了保证虹膜识别所需要的图像分辨率(至少需要150像素)和用来增强虹膜纹理对比度的近红外光源的通光量，需要光学系统的通光孔径较大，而通光孔径与光圈成反比，孔径增大势必引起光圈减小，进而引起景深变小，景深小容易造成图像离焦模糊，降低图像质量，最终影响识别率的提高。因此，景深问题是远距离虹膜成像的难点。目前主要有两种扩大虹膜图像景深的方法，一种是调整变焦镜头自动对焦(如KR100869998B、CN101814130A等)，主要有通过判断人眼位置和基于清晰度评价函数两种自动对焦方式；另一种是利用图像处理算法恢复离焦虹膜图像来提高景深(如US2009/0046249A1、US2007/0216798A1等)，主要有通过增设白适应光学波前编码元件并进行图像后处理和仅从算法层面进行离焦虹膜图像复原两种形式。但是，上述两种增大景深的方法都有各自的弊端。对于自动对焦方式而言，由于系统延迟(机械云台的运转和自动对焦时间造成)的存在，虹膜图像离焦现象仍会发生。而对于图像处理方式而言，普遍存在景深扩大范围较小的问题。而光场相机从基础的光学成像角度增大景深，具有景深可控范围大的优点，应用于远距离虹膜成像领域可解决关键的景深问题。光场定义为光福射在空间各个位置各个方向的传播。Adelson首次将光场理论应用于计算机视觉，并提出全光场相机的概念，在提取图像深度信息方面更加简单可靠。Levoy提出光场渲染理论，对四维光场进行参数化表示并设计获取四维光场的装置(如W09849667A2)，进一步促进了光场相机的发展。四维光场数据的获取方式有多种(如CN101430426A、CN102026011A等)，其中，利用四维光场数据完成图像重聚焦、扩大图像景深的实现方式(如US2010/0026852A1、US7949252B1等)，主要有两种一种是Adelson提出的全光场相机和在此基础上Ng提出的基于微透镜阵列的便携式光场相机,后者与Adelson设计相比光程更短，提高了便携性；另一种是Georgeiv提出的基于集成成像的采用透镜-棱镜组合结构的光场相机，可外接在普通相机镜头上，移植性更强。然而，现有光场相机技术直接应用于远距离虹膜成像领域还存在一些问题，首先是算法计算量大，影响实时系统成像速度；其次是重对焦点需人工指定，不能满足虹膜成像系统实际需求。为此，需结合头部姿态估计、人脸检测和人眼检测技术实现光场相机在远距离虹膜成像领域的智能化应用。其中，基于深度图像的方法(如US2007/0216894A1、CN202171447U等)由于其对光照不敏感、算法时间复杂度低而逐渐成为头部姿势估计的主流方法；Viola的Adaboost算法在实时人脸检测系统中应用较为广泛；融合多种信息的人眼检测方法相比基于形状、表观的方法能够取得更为鲁棒的定位效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种远距离大景深智能虹膜成像装置和方法，降低用户配合度，提高虹膜成像质量。 为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种远距离虹膜成像装置，其特征在于，该装置包括一用于深度成像的光学系统I 101;—获取光场数据的光学系统II102 ;一为光场虹膜成像和深度成像提供光照的集成一体化近红外光源103 ;—数据传输模块104 逻辑控制单元108 ;—处理单元109，其中所述集成一体化近红外光源103与所述逻辑控制单元108连接，用于在所述逻辑控制单元108的控制下，发射近红外结构光，或，当满足下一步的虹膜图像采集条件时，接受所述逻辑控制单元108的控制，将近红外结构光切换为发射近红外面光源，为被测目标提供光源；所述光学系统I 101通过所述数据传输模块104与所述逻辑控制单元108连接，用于在所述集成一体化近红外光源103发射近红外结构光时，将采集到的深度图像数据通过所述数据传输模块104传输给所述逻辑控制单元108 ；所述光学系统II102通过所述数据传输模块104与所述逻辑控制单元108连接，用于在所述集成一体化近红外光源103发射近红外面光源时，将采集到的光场图像数据通过所述数据传输模块104传输给所述逻辑控制单元108 ；所述逻辑控制单元108通过所述数据传输模块104与所述处理单元109连接，用于对接收到的光场图像数据进行基本图像处理，并将处理后的光场图像数据和接收到的深度图像数据传输至所述处理单元109 ；所述处理单元109用于根据接收到的深度图像数据，获取其中的头部深度信息，进行头部姿态估计，并将处理结果通过所述数据传输模块104传输给所述逻辑控制单元108，用于判断是否进行下一步的虹膜图像采集，以及根据接收到的处理后的光场图像数据进行人脸检测、人眼定位和重对焦成像处理。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种利用所述的远距离虹膜成像装置进行远距离虹膜成像的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤1，当被测目标进入观测场景范围内时，逻辑控制单元108驱动集成一体化近红外光源103发射近红外结构光；步骤2，近红外结构光束在被测目标表面发生形变，光学系统I 101接收到包含形变光线的图像数据，该图像数据经所述逻辑控制单元108传输到处理单元109，处理单元109首先计算得到被测目标表面深度信息，生成相应的深度图像，接着根据所生成的该深度图像对头部姿态进行估计；步骤3，若头部姿态估计结果满足虹膜成像条件，即被测目标面部正对远距离虹膜成像装置时，所述逻辑控制单元108驱动所述集成一体化近红外光源103切换为近红外面光源；步骤4，将经光学系统II中的成像镜头201、像方远心光路202、平板阵列203、微透镜阵列组204采集得到的光场图像数据传输到光学系统II中的CMOS图像传感器阵列205 ；步骤5，所述逻辑控制单元108将所述CMOS图像传感器阵列205获取到的光场图像数据进行图像去噪、畸变校正和图像增强处理，并根据所述CMOS图像传感器阵列205中 传感器之间的相对机械位置关系，对相邻传感器采集到的光场本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种远距离虹膜成像装置，其特征在于，该装置包括：一用于深度成像的光学系统I？101；一获取光场数据的光学系统II102；一为光场虹膜成像和深度成像提供光照的集成一体化近红外光源103；一数据传输模块104；一逻辑控制单元108；一处理单元109，其中：所述集成一体化近红外光源103与所述逻辑控制单元108连接，用于在所述逻辑控制单元108的控制下，发射近红外结构光，或，当满足下一步的虹膜图像采集条件时，接受所述逻辑控制单元108的控制，将近红外结构光切换为发射近红外面光源，为被测目标提供光源；所述光学系统I？101通过所述数据传输模块104与所述逻辑控制单元108连接，用于在所述集成一体化近红外光源103发射近红外结构光时，将采集到的深度图像数据通过所述数据传输模块104传输给所述逻辑控制单元108；所述光学系统II102通过所述数据传输模块104与所述逻辑控制单元108连接，用于在所述集成一体化近红外光源103发射近红外面光源时，将采集到的光场图像数据通过所述数据传输模块104传输给所述逻辑控制单元108；所述逻辑控制单元108通过所述数据传输模块104与所述处理单元109连接，用于对接收到的光场图像数据进行基本图像处理，并将处理后的光场图像数据和接收到的深度图像数据传输至所述处理单元109；所述处理单元109用于根据接收到的深度图像数据，获取其中的头部深度信息，进行头部姿态估计，并将处理结果通过所述数据传输模块104传输给所述逻辑控制单元108，用于判断是否进行下一步的虹膜图像采集，以及根据接收到的处理后的光场图像数据进行人脸检测、人眼定位和重对焦成像处理。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谭铁牛，孙哲南，侯广琦，秦娅楠，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
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