一種指紋和虹膜融合識別裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種指紋和虹膜融合識別裝置，主要由微控制器、紅外測距單元、虹膜采集單元、指紋采集單元、燈光反饋單元、紅外照明單元、活體檢測單元、圖像預(yù)處理單元、圖像識別單元組成；將指紋和虹膜的特征矩陣進(jìn)行融合后識別，而非單獨進(jìn)行識別，提高了識別的可靠性；針對活體檢測，提出了一種更為易用可靠，不存在算法依賴性的方法，能夠快速有效的進(jìn)行活體檢測；針對虹膜識別中容易出現(xiàn)的頭部旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的識別不準(zhǔn)確情況提出了一種防止頭部旋轉(zhuǎn)的解決方案；針對自然光的影響，設(shè)計了一種去自然光的方法。本發(fā)明裝置能夠快速準(zhǔn)確的利用虹膜和指紋進(jìn)行融合識別，具備比二者獨立應(yīng)用情況下更高的可靠性，且利用人體工程學(xué)原理、人體生理學(xué)原理和光學(xué)原理解決了虹膜識別中較為棘手的活體檢測、頭部水平旋轉(zhuǎn)和自然光問題，降低了識別誤差，提高了可靠性。
【專利說明】一種指紋和虹膜融合識別裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種指紋和虹膜融合識別裝置，屬于生物特征識別領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]生物特征識別技術(shù)是指利用人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)。在所有的生物特征中，指紋相對穩(wěn)定，容易采集和識別，虹膜屬于體內(nèi)生物特征，不會受磨損，老化等影響，且在各種生物特征識別方法中虹膜識別是錯誤率最低的。
[0003]目前的已有的技術(shù)中，大部分只是單獨針對指紋或虹膜信息進(jìn)行識別，通過識別結(jié)果來判斷是否是合法用戶，并沒有技術(shù)方法對此兩種生物特征進(jìn)行融合識別；其次，活體檢測是一種判斷虹膜識別對象是否為真實人眼的檢測技術(shù)。目前已有的大部分技術(shù)，均未提出準(zhǔn)確、有效、髙自適應(yīng)的活體檢測方案，因此給虹膜識別技術(shù)帶來一定的安全隱患。一種虹膜活體檢測方法(200910079803.X)中提出了一種利用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行活體檢測的方法。該方法需要針對不同的設(shè)備，對模型進(jìn)行訓(xùn)練，易用性、準(zhǔn)確性較差；另外，虹膜識別過程中用戶頭部的旋轉(zhuǎn)會對虹膜識別的可靠性造成較大影響，已有的技術(shù)并未提出有效的防止用戶頭部旋轉(zhuǎn)的解決方案；此外，非封閉虹膜采集環(huán)境中的自然光對虹膜識別的可靠性也有較大影響，已有的技術(shù)并未提出有效的去除自然光的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公開一種指紋和虹膜融合識別裝置，該裝置同時提取用戶的虹膜和指紋信息，將指紋和虹膜的信息進(jìn)行融合，作為一個整體統(tǒng)一訓(xùn)練、統(tǒng)一識別。實現(xiàn)了指紋和虹膜雙重識別的應(yīng)用，充分利用這兩種生物特征識別技術(shù)的優(yōu)勢，有效提高了被保護(hù)系統(tǒng)的安全性。
[0005]本發(fā)明裝置通過硬件和軟件的結(jié)合，解決了虹膜識別過程中的活體檢測、防止頭部旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)以及去自然光照等問題。
[0006]本發(fā)明提供指紋和虹膜融合識別裝置的技術(shù)解決方案如下:
主要由微控制器、紅外測距單元、虹膜采集單元、指紋采集單元、燈光反饋單元、紅外照明單元、活體檢測單元、圖像預(yù)處理單元、圖像識別單元及防止用戶頭部旋轉(zhuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)組成；
其中，紅外照明單元與微控制器的CTL2控制口相連，為虹膜采集提供紅外照明；指紋采集單元的數(shù)據(jù)輸出口與微控制器的Vinl指紋數(shù)據(jù)輸入口相連，用來采集用戶的指紋圖像，并激活后續(xù)的虹膜采集和識別過程；虹膜采集單元的數(shù)據(jù)輸出口與微控制器的Vin2虹膜數(shù)據(jù)輸入口相連，用來采集用戶的虹膜圖像；紅外測距單元的模擬量輸出口與微控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入口相連，用來測量用戶和本裝置前置面板之間的距離；燈光反饋單元與微控制器的Voutl輸出口相連，使用彩色發(fā)光二極管的不同顏色來向用戶反饋距離的遠(yuǎn)近，以視覺反饋方式提醒用戶靠近或者遠(yuǎn)離；活體檢測單元與微控制器的CTLl控制口相連，用來改變綠色發(fā)光二極管光照強(qiáng)度，并根據(jù)不同光照強(qiáng)度下的瞳孔大小來檢測人眼的真假；圖像預(yù)處理單元的數(shù)據(jù)輸入口與微控制器的Vout2數(shù)據(jù)輸出口相連，用來對虹膜圖像和指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理運(yùn)算；圖像識別單元的數(shù)據(jù)輸入口與圖像預(yù)處理單元的數(shù)據(jù)輸出口相連，用來進(jìn)行特征提取、特征融合和識別比對等運(yùn)算；圖像識別單元的CTL控制口與上位機(jī)或者門禁控制系統(tǒng)相連，用來向上位機(jī)或者門禁控制系統(tǒng)傳輸識別結(jié)果。
[0007]所述的指紋和虹膜融合識別裝置，其特征在于:
上述活體檢測單元，如圖4所示，活體檢測單元由不同阻值的定值電阻分別與綠色發(fā)光二極管串聯(lián)組成。進(jìn)入活體檢測階段后，單片機(jī)通過控制口控制不同阻值的電阻在不同的時間接入電路，以改變電流大小，從而在不同的時刻改變發(fā)光二極管的光照強(qiáng)度。根據(jù)人體生理學(xué)知識，人眼在受到不同的光照強(qiáng)度刺激時，瞳孔大小會發(fā)生變化。同時人眼對綠色的光線最為敏感。本發(fā)明裝置即利用這一點，對不同光照強(qiáng)度下的瞳孔大小進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果來判斷虹膜識別對象是否為真實人眼。
[0008]所述的防止用戶頭部旋轉(zhuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)，由圖3所示的半透半反鏡和輔助反光鏡構(gòu)成，用來防止用戶頭部的左右旋轉(zhuǎn)，從而減小由此造成的識別誤差。半透半反鏡和輔助反光鏡外觀均為標(biāo)準(zhǔn)圓形，它們位于虹膜采集單元的前置面板。半透半反鏡和輔助反光鏡的相對位置分別與虹膜采集時被采集者的左眼和右眼的位置相對應(yīng)，虹膜采集單元的鏡頭位于半透半反鏡正后方。假設(shè)本發(fā)明裝置的理想工作距離(用戶與前置面板的距離)為R厘米，根據(jù)人體工程學(xué)原理計算，半透半反鏡和輔助反光鏡圓心的水平距離為應(yīng)6-0.05R厘米，且半透半反鏡和輔助反光鏡連線的中心位于前置面板的中心。虹膜采集時，要求用戶在R±0.5cm的情況下下可以分別從半透半反鏡和輔助反光鏡中同時看到自己的左眼和右眼。在這樣的限制下，用戶的頭部的水平旋轉(zhuǎn)就會受到限制，從而防止頭部旋轉(zhuǎn)對后續(xù)識別造成的誤差。虹膜采集單元的鏡頭部分位于半透半反鏡的正后方，因為半透半反鏡的半透半反特性，當(dāng)用戶可以在半透半反鏡中觀察到自己的眼睛時，虹膜采集單元即可以透過半透半反鏡采集到用戶左眼的虹膜圖像。
[0009]如防止用戶頭部旋轉(zhuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)所述，本發(fā)明裝置去中除自然光的設(shè)計是通過將半透半反鏡設(shè)置在虹膜采集單元的鏡頭前來實現(xiàn)的。半透半反鏡可以將可見光光線截止并反射，同時使紅外光光線通過。由于本發(fā)明裝置是在開放的自然環(huán)境下進(jìn)行虹膜采集，若不進(jìn)行去自然光處理，采集環(huán)境下的自然光以及其他光源會對虹膜采集造成干擾，對采集到的虹膜圖像質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。
[0010]本發(fā)明裝置的工作過程如下:
1、用戶使用指紋采集單元采集指紋后，指紋采集單元將指紋數(shù)據(jù)通過微控制器的Vinl輸入口傳輸給微控制器，微控制器將指紋數(shù)據(jù)通過Vout2 口傳輸給圖像預(yù)處理單元；
2、用戶進(jìn)入紅外測距單元的工作范圍，并將雙眼對準(zhǔn)采集設(shè)備的前置面板的半透半反鏡和輔助反光鏡；紅外測距單元開始檢測用戶與發(fā)明裝置前置面板間的距離，并將測得的模擬量通過輸出口傳輸給微控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊；微控制器對A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量進(jìn)行判斷，如果距離過近，燈光反饋單元會顯示紅色；如果距離過遠(yuǎn)，燈光反饋單元會顯示藍(lán)色；如果距離滿足采集要求，燈光反饋單元會顯示綠色，此時微控制器開始接收虹膜采集單元采集到的虹膜圖像，并將接收到的虹膜圖像通過Vout2數(shù)據(jù)輸出口傳輸給圖像預(yù)處理單元;
3、圖像預(yù)處理單元通過對不同光照強(qiáng)度下虹膜采集單元獲得的虹膜圖像進(jìn)行檢測處理，得到不同光照強(qiáng)度下的瞳孔直徑，如果瞳孔直徑不同的光照強(qiáng)度下沒有發(fā)生明顯改變(說明不是真實的人眼)，則活體檢測不通過；為了防止用戶通過使用特殊手段來欺騙檢測，本發(fā)明裝置將不同光照強(qiáng)度下采集圖像時的距離進(jìn)行比較，如果距離改變較大，則活體檢測不通過；同時，本發(fā)明裝置需要對采集到的圖像進(jìn)行模糊程度的評價，當(dāng)不同強(qiáng)度的圖像模糊程度相差較大時，說明圖像發(fā)生了虛焦，同樣說明用戶使用了欺騙手段，則活體檢測不通過。如無以上不通過情況，則通過活體檢測。
[0011]4、用戶通過活體檢測后，圖像預(yù)處理單元將從微控制器接收到的指紋圖像和虹膜圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理操作，并將預(yù)處理后的指紋圖像和虹膜圖像通過圖像預(yù)處理單元的輸出口傳輸給圖像識別單元。
[0012]5、圖像識別單元將從圖像預(yù)處理單元接收到圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和特征融合，然后利用SVM回歸方法進(jìn)行決策，判斷當(dāng)前用戶是否合法。
[0013]6、圖像識別單元將識別結(jié)果通過圖像識別單元的控制口將判斷結(jié)果傳輸給上位機(jī)或者丨]禁控制系統(tǒng)，完成識別。
[0014]本發(fā)明的積極效果在于:
將指紋和虹膜的特征矩陣進(jìn)行融合后識別，而非單獨進(jìn)行識別，提高了識別的可靠性；針對活體檢測，提出了一種更為易用可靠，不存在算法依賴性的方法，能夠快速有效的進(jìn)行活體檢測；針對虹膜識別中容易出現(xiàn)的頭部旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的識別不準(zhǔn)確情況提出了一種防止頭部旋轉(zhuǎn)的解決方案；針對自然光的影響，設(shè)計了一種去自然光的方法。本發(fā)明裝置能夠快速準(zhǔn)確的利用虹膜和指紋進(jìn)行融合識別，具備比二者獨立應(yīng)用情況下更高的可靠性，且利用人體工程學(xué)原理、人體生理學(xué)原理和光學(xué)原理解決了虹膜識別中較為棘手的活體檢測、頭部水平旋轉(zhuǎn)和自然光問題，降低了識別誤差，提高了可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的邏輯結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明的電路原理圖；
圖3為本發(fā)明的外觀圖；
圖4為本發(fā)明中活體檢測單元的電路原理圖
圖中，1、指紋采集面板；2、輔助反光鏡；3、紅外測距單元發(fā)射接收裝置；4、燈光反饋發(fā)光二極管；5、半透半反鏡；6、紅外照明發(fā)光二極管；7、活體檢測照明發(fā)光二極管。
【具體實施方式】
[0016]實施例1
如圖1和圖2所不:
本發(fā)明裝置主要由微控制器、紅外測距單元、虹膜采集單元、指紋采集單元、燈光反饋單元、紅外照明單元、活體檢測單元、圖像預(yù)處理單元、圖像識別單元組成。
[0017]在上述的元器件中:
微控制器使用STC12C5A60S2單片機(jī)，自帶A/D轉(zhuǎn)換電路；紅外測距單元使用SHARPGP2D120紅外測距單元，測距范圍(4?30)cm ;虹膜采集單元使用哲觀90萬像素解析度IR(透紅外)鏡頭和度申公司生產(chǎn)的CBM130WM 130萬像素黑白工業(yè)相機(jī)組成。指紋采集單元使用U.are.U 4000B指紋采集儀；燈光反饋單元使用5MM共陰RGB發(fā)光二極管和300 Ω定值電阻組成；活體檢測照明單元使用綠色發(fā)光二極管和200 Ω、500Ω、900Ω、1300 Ω定值電阻組成；圖像預(yù)處理單元使用ARM9E-S處理器；紅外照明單元的紅外發(fā)光二極管參數(shù)如下:0.3w波長940nm電壓(IV):1.1-1.4V電流:100毫安紅外發(fā)光強(qiáng)度:150 mW/sr;圖像識別單元使用ARM9E-S處理器。
[0018]其連接關(guān)系如圖2所不:
紅外測距單元的數(shù)據(jù)引腳VO與微控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊的模擬量輸入引腳Ain相連，將紅外測距單元測得的電壓模擬量傳入微控制器；紅外測距單元的VCC和GND分別與微控制器的VCC測和GND相連，用于給紅外測距單元供電；紅外測距單元用來測量用戶和本發(fā)明裝置前置面板之間的距離。
[0019]虹膜采集單元的數(shù)據(jù)輸出Vout與微控制器的數(shù)據(jù)輸入引腳Vinl [0..7]相連，將虹膜采集單元獲得的虹膜圖像數(shù)據(jù)傳輸給微控制器；虹膜采集單元的VCC和GND分別與電源的VCC和GND相連，用于給虹膜采集單元供電；虹膜采集單元用來采集用戶的虹膜圖像。
[0020]指紋采集單元的數(shù)據(jù)輸出Vout與微控制器的引腳Vin2[0..7]相連，將指紋采集單元獲得的指紋數(shù)據(jù)傳輸給微控制器；紋采集單元的VCC和GND分別與電源的VCC和GND相連，用于給指紋采集單元供電；指紋采集單元用來采集用戶的指紋圖像；
微控制器的引腳Voutl[0..2]分別與共陰極發(fā)光二極管的R、G、B陽極相連，用于控制共陰極發(fā)光二極管的顏色；微控制器的GND串聯(lián)一 200 Ω定值電阻，并與共陰極發(fā)光二極管的陰極相連；微控制器分別接通R、G、B陽極時，二極管發(fā)出紅、綠、藍(lán)三種顏色；燈光反饋單元使用紅綠藍(lán)三種顏色來向用戶反饋距離的遠(yuǎn)近，以視覺反饋方式提醒用戶靠近或者遠(yuǎn)離。
[0021 ] 紅外照明單元的的VCC和GND分別與微控制器的CTL2和GND相連，用于給紅外照明單元供電；紅外照明單元為虹膜采集提供紅外照明。
[0022]活體檢測單元如圖4所示，4個不同阻值的定值電阻各自與兩個綠色發(fā)光二極管的陽極串聯(lián)。微控制器的引腳CTLl [0..3]分別與活體檢測單元中串聯(lián)了不同電阻的4個陽極相連，不同的時刻接通CTLl [0..3]中不同的引腳，為發(fā)光二極管供電，從而改變電流大小，控制發(fā)光二極管的光照強(qiáng)度；微控制器的GND與活體檢測單元的共陰極相連；活體檢測單元用來檢測被測對象是否為真實人眼。
[0023]圖像預(yù)處理單元的數(shù)據(jù)輸入引腳與微控制器的數(shù)據(jù)輸出引腳Vout2[0..7]相連，將微控制器獲得的虹膜圖像和指紋圖像傳輸給圖像預(yù)處理單元；圖像預(yù)處理單元的VCC和GND分別與電源的VCC和GND相連，用于給圖像預(yù)處理單元供電；圖像預(yù)處理單元用來對指紋圖像和虹膜圖像進(jìn)行定位、歸一化、增強(qiáng)等圖像預(yù)處理運(yùn)算。
[0024]圖像識別單元的數(shù)據(jù)輸入口與圖像預(yù)處理單元的數(shù)據(jù)輸出口相連，將預(yù)處理單元預(yù)處理完畢的指紋圖像和虹膜圖像傳輸給圖像識別單元；圖像識別單元的VCC和GND分別與電源的VCC和GND相連，用來給圖像識別單元供電；圖像識別單元的控制口 CTL與上位機(jī)或者門禁控制系統(tǒng)相連，用來傳輸識別結(jié)果；圖像識別單元用來進(jìn)行虹膜和指紋特征提取、融合以及識別比對等運(yùn)算，并向上位機(jī)或者門禁控制系統(tǒng)傳輸識別結(jié)果。
[0025]如圖3外觀圖所示:
本發(fā)明裝置外觀由以下部分組成，指紋采集面板1、輔助反光鏡2、紅外測距單元發(fā)射接收裝置3、燈光反饋發(fā)光二極管4、半透半反鏡5、紅外照明發(fā)光二極管6、活體檢測照明發(fā)光二極管7。
[0026]在上述部件中，
半透半反鏡5的截止波長為780±10nm，即波長小于780±10nm (自然光波長范圍200nm-760nm)的光線完全截止并反射到人眼中被用戶看到，其他波長范圍內(nèi)的光線透過半透半反鏡5，被其后方的虹膜采集單元鏡頭捕捉；輔助反光鏡2為常規(guī)平面反光鏡。
[0027]其相對位置關(guān)系如下，
指紋采集面板I位于本發(fā)明裝置的上置面板。半透半反鏡5和輔助反光鏡2位于本發(fā)明裝置前置面板，外觀均為標(biāo)準(zhǔn)圓形，直徑均為1.3cm。半透半反鏡5和輔助反光鏡2的相對位置分別與虹膜采集時被采集者的左眼和右眼的位置相對應(yīng)。根據(jù)所采用虹膜采集單元的各項參數(shù)，設(shè)定本發(fā)明裝置的理想工作距離為12cm。根據(jù)人體工程學(xué)原理計算，半透半反鏡5和輔助反光鏡2圓心的水平距離為應(yīng)6-0.05*12cm即5.4cm,且要求半透半反鏡5和輔助反光鏡2中心連線的中點位于前置面板的正中心。虹膜采集時，要求用戶在14±0.5cm的情況下可以分別從半透半反鏡5和輔助反光鏡2中同時看到自己的左眼和右眼。虹膜采集單元的鏡頭部分位于半透半反鏡5的正后方，因為半透半反鏡5的半透半反特性，虹膜采集單元可以透過半透半反鏡5采集到用戶左眼的虹膜圖像。燈光反饋發(fā)光二極管4位于本發(fā)明裝置前置面板的正中心。紅外測距單元發(fā)射接收裝置3位于本發(fā)明裝置前置面板，在燈光反饋發(fā)光二極管4的正上方2cm處。紅外照明燈發(fā)光二極管6位于本發(fā)明裝置的前置面板，對稱分布在半透半反鏡5的左右兩邊，與半透半反鏡5的邊緣相聚0.2cm。活體檢測照明發(fā)光二極管7位于本發(fā)明裝置的前置面板，對稱分布在半透半反鏡5的上下兩邊，與半透半反鏡5的邊緣相聚0.2cm。
【權(quán)利要求】
1.一種指紋和虹膜融合識別裝置，其特征在于:主要由微控制器、紅外測距單元、虹膜采集單元、指紋采集單元、燈光反饋單元、紅外照明單元、活體檢測單元、圖像預(yù)處理單元、圖像識別單元及防止用戶頭部旋轉(zhuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)組成； 其中，紅外照明單元與微控制器的CTL2控制口相連，為虹膜采集提供紅外照明；指紋采集單元的數(shù)據(jù)輸出口與微控制器的Vinl指紋數(shù)據(jù)輸入口相連，用來采集用戶的指紋圖像，并激活后續(xù)的虹膜采集和識別過程；虹膜采集單元的數(shù)據(jù)輸出口與微控制器的Vin2虹膜數(shù)據(jù)輸入口相連，用來采集用戶的虹膜圖像；紅外測距單元的模擬量輸出口與微控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入口相連，用來測量用戶和本裝置前置面板之間的距離；燈光反饋單元與微控制器的Voutl輸出口相連，使用彩色發(fā)光二極管的不同顏色來向用戶反饋距離的遠(yuǎn)近，以視覺反饋方式提醒用戶靠近或者遠(yuǎn)離；活體檢測單元與微控制器的CTLl控制口相連，用來改變綠色發(fā)光二極管光照強(qiáng)度，并根據(jù)不同光照強(qiáng)度下的瞳孔大小來檢測人眼的真假；圖像預(yù)處理單元的數(shù)據(jù)輸入口與微控制器的Vout2數(shù)據(jù)輸出口相連，用來對虹膜圖像和指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像預(yù)處理運(yùn)算；圖像識別單元的數(shù)據(jù)輸入口與圖像預(yù)處理單元的數(shù)據(jù)輸出口相連，用來進(jìn)行特征提取、特征融合和識別比對等運(yùn)算；圖像識別單元的CTL控制口與上位機(jī)或者門禁控制系統(tǒng)相連，用來向上位機(jī)或者門禁控制系統(tǒng)傳輸識別結(jié)果； 所述的防止用戶頭部旋轉(zhuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)由半透半反鏡和輔助反光鏡構(gòu)成，位于虹膜采集單元的前置，半透半反鏡和輔助 反光鏡的相對位置分別與虹膜采集時被采集者的左眼和右眼的位置相對應(yīng)，虹膜采集單元的鏡頭位于半透半反鏡正后方。
【文檔編號】G06K9/00GK103605961SQ201310583519
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】朱曉冬, 劉元寧, 龐玉彤, 張曉旭, 何飛, 陳英, 霍光, 黃春, 劉威 申請人:吉林大學(xué)