專利名稱：一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及身份認證領(lǐng)域，具體為一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
生物特征識別技術(shù)是一種優(yōu)秀的身份認證技術(shù)，并在不斷地發(fā)展以及完善中。人臉識別以及虹膜識別是兩種經(jīng)常提及的生物特征識別技術(shù)，依賴于電子成像以及模式識別技術(shù)。人臉識別分為兩個層面，第一個層面是對圖像中的人臉進行檢測以及定位，第二個層面是將定位的人臉與一個已知人臉庫或事先得到的人臉進行對比，用于識別用戶身份。虹膜識別是一種利用人單眼或雙眼虹膜所具有的獨一模式以及結(jié)構(gòu)進行人員身份識別的技術(shù)，是生物特征識別未來發(fā)展的最重要方向。虹膜由于面積較小，因而在較大的圖像中定位虹膜比較困難，一般情況下只有當人正面直視攝像機時能夠獲得較好定位。這對于使用者來說多少有一些侵犯性，一種更少侵犯性的虹膜識別技術(shù)采用一個攝像機對人臉進行成像，通過定位人臉來定位虹膜，利用人臉定位信息控制另外一個攝像機進行虹膜圖像采集。但是此技術(shù)要求兩個攝像頭所采集的圖像能夠很好的配準，因而迫切需要提出滿足這個要求的系統(tǒng)以及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種用于人臉和虹膜的雙模成像系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中的缺點。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)，由主體部分和輔助系統(tǒng)組成，所述輔助系統(tǒng)包括紅外燈照明系統(tǒng)以及外部驅(qū)動平臺，其特征在于，所述主體部分為雙模攝像機系統(tǒng)，所述雙模攝像機系統(tǒng)包括光學器件部分和電子成像器件部分，所述光學器件部分由成像快門、分光鏡、紅外光學模塊、可見光光學模塊組成，光線通過成像快門后再經(jīng)分光鏡分成可見光和紅外光兩部分后分別進入可見光光學模塊和紅外光學模塊；所述紅外光學模塊包含一個驅(qū)動平臺、一個對焦單元和紅外傳感陣列，所述可見光光學模塊包含一個驅(qū)動平臺、一個對焦單元和可見光傳感陣列，紅外光在經(jīng)過紅外光學模塊中的對焦單元后在紅外傳感陣列上成像，可見光在經(jīng)過可見光光學模塊中的對焦單元后在可見光傳感陣列上成像；所述電子成像器件部分由運動控制模塊、自動對焦模塊、圖像處理模塊、圖像采集模塊組成；所述圖像采集模塊接收來自所述紅外傳感陣列和所述可見光傳感陣列的信息，并將信息傳遞給所述圖像處理模塊，所述自動對焦模塊將指令傳送給所述運動控制模塊，所述運動控制模塊驅(qū)動所述紅外光學模塊和所述可見光光學模塊中的對焦單元；所述成像快門和所述分光鏡中間還連接有一個驅(qū)動平臺。本發(fā)明中，所述紅外燈照明系統(tǒng)由快門控制器、紅外燈和紅外濾波片組成，所述快門控制器接收到來自雙模攝像機系統(tǒng)的成像信號后激活所述紅外燈進行照明，所述紅外濾波片選通紅外光，得到一束紅外照明光。
本發(fā)明中，所述外部驅(qū)動平臺包括驅(qū)動光學模塊、一個驅(qū)動平臺和反光鏡片，所述驅(qū)動平臺通過移動所述反光鏡片將入射光線引導至雙模攝像機系統(tǒng)內(nèi)。有益效果
本發(fā)明中人臉成像系統(tǒng)和虹膜成像系統(tǒng)由于具有相同的前端光學系統(tǒng)，因而二者的圖像始終是同軸的，減少了對使用者的侵犯性。說明書附圖


圖1為一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)的雙模攝像機系統(tǒng)對一個場景進行成像的過程；
圖3為適用于本發(fā)明的場景構(gòu)成；圖4為適用于本發(fā)明的紅外成像過程；
圖5為本發(fā)明的雙模攝像機系統(tǒng)對經(jīng)過紅外燈曝光照明后的場景進行成像的過程；圖6為本發(fā)明的驅(qū)動成像距離分離器以及兩個紅外傳感陣列示意圖；圖7為本發(fā)明的驅(qū)動成像距離分離器以及單個紅外傳感陣列示意圖；圖8為適用于本發(fā)明的虹膜圖像獲取流程框圖；圖9描述了適用于本發(fā)明的具有可調(diào)輸入光學系統(tǒng)的雙模攝像頭系統(tǒng)。
具體實施例方式下面舉例對本發(fā)明進行詳細闡述。參見圖1和圖5，一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和本發(fā)明的雙模攝像機系統(tǒng)對經(jīng)過紅外燈曝光照明后的場景進行成像的過程，一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)，由主體部分和輔助系統(tǒng)組成，所述輔助系統(tǒng)包括紅外燈照明系統(tǒng)501以及外部驅(qū)動平臺204，其特征在于，所述主體部分為雙模攝像機系統(tǒng)100，所述雙模攝像機系統(tǒng)100包括光學器件部分和電子成像器件部分118，所述光學器件部分由成像快門102、分光鏡103、紅外光學模塊111、可見光光學模塊109組成，光線通過成像快門102后再經(jīng)分光鏡103分成可見光和紅外光兩部分后分別進入可見光光學模塊109和紅外光學模塊111 ；所述紅外光學模塊111包含一個驅(qū)動平臺119、一個對焦單元112和紅外傳感陣列108，所述可見光光學模塊109包含一個驅(qū)動平臺120、一個對焦單元110和可見光傳感陣列107，紅外光在經(jīng)過紅外光學模塊111中的對焦單元112后在紅外傳感陣列108上成像，可見光在經(jīng)過可見光光學模塊109中的對焦單元110后在可見光傳感陣列107上成像；所述電子成像器件部分118由運動控制模塊114、自動對焦模塊115、圖像處理模塊116、圖像采集模塊117組成；所述圖像采集模塊117接收來自所述紅外傳感陣列108和所述可見光傳感陣列107的信息，并將信息傳遞給所述圖像處理模塊116，所述自動對焦模塊115將指令傳送給所述運動控制模塊114，所述運動控制模塊114驅(qū)動所述紅外光學模塊111和所述可見光光學模塊109中的對焦單元112、110 ；所述成像快門102和所述分光鏡103中間還連接有一個驅(qū)動平臺121。所述紅外燈照明系統(tǒng)501由快門控制器502、紅外燈503和紅外濾波片504組成，所述快門控制器502接收到來自雙模攝像機系統(tǒng)100的成像信號后激活所述紅外燈503進行照明，所述紅外濾波片504選通紅外光，得到一束紅外照明光。再參見圖9，其描述了適用于本發(fā)明的具有可調(diào)輸入光學系統(tǒng)的雙模攝像頭系統(tǒng)，所述外部驅(qū)動平臺204包括驅(qū)動光學模塊901、一個驅(qū)動平臺902和反光鏡片903，所述驅(qū)動平902臺通過移動所述反光鏡片903將入射光線904引導至雙模攝像機系統(tǒng)100內(nèi)。本發(fā)明提出的雙模攝像機系統(tǒng)中人臉和虹膜的成像部分使用了共同的光學系統(tǒng)。系統(tǒng)首先在可見光圖像中定位人臉位置，然后在人臉圖像中定位虹膜區(qū)域，再對虹膜的局部區(qū)域進行紅外成像，由于共用光學系統(tǒng)因而并不需要多攝像機之間的對準，也不要求光學系統(tǒng)具有快速縮放能力。本發(fā)明包含如下三大部分主體部分為雙模攝像機系統(tǒng)100，輔助系統(tǒng)包括外部的紅外燈照明系統(tǒng)205以及外部驅(qū)動平臺204，205也是圖5中的501模塊，而外部驅(qū)動平臺204則包含圖九中的901、902、903。如圖1所示的雙模攝像機系統(tǒng)100中包含光學器件部分和電子成像器件部分。在實際應用中，考慮到電子成像器件部分的尺寸、復雜度以及散熱性，需要對電子成像系統(tǒng)進行單獨封裝以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)開始工作后，入射光101首先通過一個成像快門102進入系統(tǒng)，成像快門102是一個復合光學系統(tǒng)，具有外光圈，可調(diào)焦棱鏡，延伸管，以及其他一些用于照相機或者攝像機的通用光學組件。入射光101通過成像快門沿入射方向矢量105，只有沿著入射方向矢量105的光線才能夠最終在107和108上成像。入射光101中的可見光部分由分光鏡103引導至光路104，然后紅外部分則被引導至光路106。一個紅外光學模塊111中的紅外傳感器陣列108對紅外光部分成像，而可見光光學模塊109中的可見光傳感器陣列107則對可見光部分成像。107，108可以是(XD，CID，光電二極管，CMOS三極管，或者其他的光電敏感器件，107和108的材料以及像素數(shù)目大小可以相同也可以不同。比如可見光傳感陣列107可以是一個小面積的CMOS成像單元，而紅外傳感陣列108采用一個大面積制冷CMOS成像傳感陣列。采用不同尺寸規(guī)格那是因為可見光傳感陣列能夠接收大范圍的光子進行成像，而紅外傳感陣列只對虹膜的局部區(qū)域進行成像，因而得到的光子量較小。采用不同傳感器的另一個原因是由于他們的結(jié)構(gòu)和成像波段導致成像效率不同，同時還由于他們對于多變的光照環(huán)境具有不同的適應性導致的。圖1中，電子成像器件模塊由圖像采集模塊117，圖像處理模塊116，自動對焦模塊115，運動控制模塊114構(gòu)成。圖像采集模塊117獲取來自傳感陣列107，108的紅外以及可見光圖像，并將它們傳遞給圖像處理模塊116。圖像處理模塊116能夠定位人臉在可見光圖像中的位置，并進一步定位虹膜在可見光圖像中的位置。然后圖像處理器能夠運用可見光圖像中的虹膜位置找到紅外圖像中的虹膜圖像。自動對焦模塊115能夠運行自動對焦算法并將控制指令傳遞給運動控制模塊114以驅(qū)動對焦單元110、112對成像過程進行自動對焦。一個對焦單元包括一個焦距調(diào)整器或者其他的變焦設(shè)備。一個調(diào)整器可以是電磁器件，比如馬達或者電磁線圈，也可以是靜電設(shè)備，利用電磁場來驅(qū)動微小的鏡片整列，精確跟蹤單元也可以運用消費級的穩(wěn)像設(shè)備來替代。這些器件具有光學設(shè)計中的自動對焦功能，綜合了自動對焦算法和驅(qū)動對焦單元，本系統(tǒng)中的110、112具有相似的功能。參見圖2，一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)的雙模攝像機系統(tǒng)對一個場景進行成像的過程，它是本發(fā)明實例中的雙模攝像機系統(tǒng)100對紅外燈照明系統(tǒng)205所照亮場景進行成像的示意圖，紅外燈照明系統(tǒng)發(fā)出的紅外光線沿矢量206傳播，場景201包括人臉203及其眼睛202，光傳播矢量207是指光線傳播的方向。光線沿著傳播方向矢量進入雙模攝像機系統(tǒng)100。外部驅(qū)動平臺204能夠利用雙模攝像機系統(tǒng)100采集并分析圖像后得到的位置控制信息，調(diào)整自身指向人臉203。雖然其他類型的驅(qū)動平臺也可以使用，但是由于攝像機的尺寸以及質(zhì)量大小限制，最好還是采用電驅(qū)動平臺。紅外燈照明系統(tǒng)205能夠發(fā)射一束均勻的照明紅外光至人眼區(qū)域202，以便紅外傳感器能夠?qū)缒^(qū)域進行主動光成像。外部驅(qū)動平臺204能夠?qū)φ麄€雙模攝像機系統(tǒng)100進行PTZ控制(旋轉(zhuǎn)、俯仰和變焦縮放)。雙模攝像機系統(tǒng)100內(nèi)部的驅(qū)動平臺119，120，121同樣能夠改變成像區(qū)域的范圍。如此，驅(qū)動平臺能夠控制整個雙模攝像機系統(tǒng)，也能夠控制整個成像系統(tǒng)的視場，進而掌控紅外以及可見光的圖像大小和范圍。圖3為適用于本發(fā)明的場景構(gòu)成，在該圖中，雙模攝像機系統(tǒng)100中的可見光傳感器陣列107對環(huán)境場景201進行成像，獲取可見光圖像301，通過圖像處理操作能夠?qū)⒖梢姽鈭D像301中的人臉部分302分割出來，進一步得到人眼局部圖像303以及304，并以此計算出虹膜的位置305、306以及間距307，虹膜間距307代表左右虹膜位置305和306之間的距離。對于圖像處理操作中的人臉提取，并進一步得到人眼以及虹膜圖像，都可以在經(jīng)典的圖像處理以及模式識別中找到方法，此處不再贅述。圖4為適用于本發(fā)明的紅外成像過程，它顯示了本發(fā)明中的虹膜圖像401、402。在圖2中，雙模攝像機系統(tǒng)100對準人臉進行場景圖像采集。在圖3中，場景圖像進一步處理得到人臉以及單眼或者雙眼的局部圖像，并計算位置。在圖四中，通過紅外傳感陣列得到虹膜圖像401和402，紅外光學系統(tǒng)和可見光光學系統(tǒng)可以擁有不同的變焦，因而可見光圖像著重于對整個場景進行成像，而紅外傳感陣列108則著重對虹膜局部繼續(xù)成像。在得到虹膜的位置后，外部驅(qū)動平臺204能夠?qū)㈦p模攝像機系統(tǒng)100的紅外傳感陣列108對準虹膜的中心。也就是說，我們能夠在不改變雙模攝像機位置的情況下調(diào)整虹膜成像的區(qū)域。由于對虹膜以及人眼成像是在同一時刻得到的，因而雙模攝像機系統(tǒng)100能夠跟蹤虹膜。光學目標的跟蹤，自動對焦，穩(wěn)像和普通光測量中的跟蹤、定位處理算法相似。圖5為本發(fā)明的雙模攝像機系統(tǒng)對經(jīng)過紅外燈曝光照明后的場景進行成像的過程，它顯示了本發(fā)明中的雙模攝像機系統(tǒng)100在紅外光505的照明下進行圖像采集的過程。紅外燈照明系統(tǒng)501包含一個快門控制器502，紅外燈503以及紅外濾波片504。雙模攝像機系統(tǒng)100也能夠在確定了虹膜的位置并將紅外傳感陣列對準虹膜后觸發(fā)紅外燈503進行照明。如此便可以在獲取虹膜圖像的時候?qū)缒^(qū)域進行照明。從雙模攝像機系統(tǒng)100接到成像信號后，快門控制器502能夠激活紅外燈503進行照明。紅外濾波片504選通紅外光，得到一束照明紅外光。紅外燈照明系統(tǒng)501可以產(chǎn)生擴散光，也可以產(chǎn)生平行光，只要照明較為均勻，成像效果差異并不明顯。參見圖6和圖7，本發(fā)明的驅(qū)動成像距離分離器601以及兩個紅外傳感陣列608(即108)示意圖和本發(fā)明的驅(qū)動成像距離分離器701以及單個紅外傳感陣列108示意圖，驅(qū)動成像距離分離器簡稱為成像距離分離器，可以選擇其中一個驅(qū)動成像距離分離器放在攝像機系統(tǒng)的紅外光學模塊111之后，如果紅外傳感器陣列和可見光傳感陣列能夠不經(jīng)過調(diào)整對虹膜圖像401和402所對應的區(qū)域進行成像那當然也可以在光路106上不加裝成像距離分離器。圖六所示分離器將虹膜圖像401和402所對應的圖像塊分開，以便使用兩塊像傳感器整列構(gòu)成的紅外傳感陣列108/608上分別對虹膜圖像401和402所對應的圖像區(qū)域進行成像，得到左右眼獨立的兩幅虹膜圖像。也可以采用圖7所示成像距離分離器，主要作用是將虹膜圖像401和402所對應的圖像塊向中間靠攏以便在一塊光電成像傳感器陣列構(gòu)成的紅外傳感陣列108上得到雙眼的虹膜圖像。輸入光線的紅外光部分606能夠通過紅外光學模塊111并進入驅(qū)動成像距離分離器601，成像距離分離器是將一個子圖像相對于另一個子圖像進行移近或者移遠的光學器件，子圖像是圖像的一部分，可通過驅(qū)動圖像距離分離器調(diào)整子圖像的運動量。這些光學系統(tǒng)和圖像距離分離器相似。一個光學濾波器能夠?qū)⒓t外光反射到第二個光學路徑606中，在通過紅外光學模塊111后，第二光學路徑606中的光進入成像距離分離器，紅外部分形成紅外圖像。在成像距離分離器內(nèi)部，第一個鏡片604能夠引導部分紅外光進入光學路徑607，在光學路徑607上還有另外一個鏡片605以及紅外傳感陣列608。在這種模式下面，雙眼的虹膜圖像能夠分開成像在608上。同時根據(jù)需要可以在光學路徑606、607上面安裝額外的光學系統(tǒng)602。圖6中的成像距離分離器放置于路徑中時可用于增加雙眼虹膜子圖像之間的間隔。在圖7中，第一個反射鏡604和第二個反射鏡605相對于圖6進行了交換，這樣，示例的成像距離分離器能夠用于減少子圖像之間的距離差，并采用一個紅外傳感陣列108進行成像。圖3和圖4描述了兩個虹膜401，402的定位以及虹膜區(qū)域的分割過程307。圖6和圖7所描述的成像距離分離器能夠用在雙模攝像機系統(tǒng)中。雙模攝像機系統(tǒng)的第二個光路106能夠通過圖像距離分離器，因此右眼的虹膜圖像401能夠在傳感器陣列上成像。第三個光學路徑能夠被設(shè)置來剛好讓左眼的虹膜圖像402在傳感陣列上成像。在這種模式下，兩只虹膜的圖像能夠同時得到。圖8為適用于本發(fā)明的虹膜圖像獲取流程框圖，圖中，在啟動(步驟801)雙模攝像機系統(tǒng)后能夠得到一幅場景的圖像(步驟802)，通過分光鏡將光線中的紅外以及可見光部分進行分離(步驟803)。得到一個可見光圖像(步驟804)以及紅外圖像(步驟805)。首先在可見光圖像中通過定位人臉然后定位虹膜的位置(步驟806)，并以此位置來分離出紅外圖像中的虹膜區(qū)域(步驟807)，最后結(jié)束整個成像過程(步驟808)。應該注意到圖8所標出的過程簡單來講就是采集人臉圖像然后定位虹膜區(qū)域，然后再進行虹膜圖像采集。對發(fā)明的擴充還包括進行將紅外照明燈與成像過程(步驟805)進行同步。以及在定位虹膜的位置(步驟806)后將雙模攝像機系統(tǒng)對準虹膜的中心。另外一個擴展是利用驅(qū)動平臺來對虹膜周圍的范圍進行定位，接下來利用一個紅外燈或其它進行過矯正的光源對虹膜進行照明，然后得到一幅紅外圖像(步驟805 )。在成像過程中還需對距離分離器進行設(shè)置以便同時對兩個虹膜所在位置進行成像。圖9描述了適用于本發(fā)明的具有可調(diào)輸入光學系統(tǒng)的雙模攝像頭系統(tǒng)，光學模塊901包含一個能夠移動光學器件的驅(qū)動平臺902，反光鏡片903即是可移動的光學器件。反光鏡片能夠?qū)⑤斎牍?04引導至與雙模攝像頭輸入向量105平行的方向上。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點，本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)，由主體部分和輔助系統(tǒng)組成，所述輔助系統(tǒng)包括紅外燈照明系統(tǒng)以及外部驅(qū)動平臺，其特征在于，所述主體部分為雙模攝像機系統(tǒng)，所述雙模攝像機系統(tǒng)包括光學器件部分和電子成像器件部分，所述光學器件部分由成像快門、分光鏡、紅外光學模塊、可見光光學模塊組成，光線通過成像快門后再經(jīng)分光鏡分成可見光和紅外光兩部分后分別進入可見光光學模塊和紅外光學模塊；所述紅外光學模塊包含一個驅(qū)動平臺、一個對焦單元和紅外傳感陣列，所述可見光光學模塊包含一個驅(qū)動平臺、一個對焦單元和可見光傳感陣列，紅外光在經(jīng)過紅外光學模塊中的對焦單元后在紅外傳感陣列上成像，可見光在經(jīng)過可見光光學模塊中的對焦單元后在可見光傳感陣列上成像；所述電子成像器件部分由運動控制模塊、自動對焦模塊、圖像處理模塊、圖像采集模塊組成；所述圖像采集模塊接收來自所述紅外傳感陣列和所述可見光傳感陣列的信息，并將信息傳遞給所述圖像處理模塊，所述自動對焦模塊將指令傳送給所述運動控制模塊，所述運動控制模塊驅(qū)動所述紅外光學模塊和所述可見光光學模塊中的對焦單元；所述成像快門和所述分光鏡中間還連接有一個驅(qū)動平臺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外燈照明系統(tǒng)由快門控制器、紅外燈和紅外濾波片組成，所述快門控制器接收到來自雙模攝像機系統(tǒng)的成像信號后激活所述紅外燈進行照明，所述紅外濾波片選通紅外光，得到一束紅外照明光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)，其特征在于，所述外部驅(qū)動平臺包括驅(qū)動光學模塊、一個驅(qū)動平臺和反光鏡片，所述驅(qū)動平臺通過移動所述反光鏡片將入射光線引導至雙模攝像機系統(tǒng)內(nèi)。
全文摘要
一種用于人臉和虹膜的雙模成像光學系統(tǒng)，由主體部分和輔助系統(tǒng)組成，所述輔助系統(tǒng)包括紅外燈照明系統(tǒng)以及外部驅(qū)動平臺，所述主體部分為雙模攝像機系統(tǒng)，所述雙模攝像機系統(tǒng)包括光學器件部分和電子成像器件部分，所述光學器件部分由成像快門、分光鏡、紅外光學模塊、可見光光學模塊組成，所述電子成像器件部分由運動控制模塊、自動對焦模塊、圖像處理模塊、圖像采集模塊組成。本發(fā)明中人臉成像系統(tǒng)和虹膜成像系統(tǒng)由于具有相同的前端光學系統(tǒng)，因而二者的圖像始終是同軸的，減少了對使用者的侵犯性。
文檔編號G06K9/00GK102572249SQ20121005862
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者夏東 申請人:湖南創(chuàng)遠智能科技有限公司