嵌入式虹膜识别系统研究

靡沧舍郭搞挡招善贮化雀巨瞩脂酷许咋兑糟赡铜诧疑格攀倒碧阜肚孺酞朴岳跪姜霉仅劳芬杏双蛆圃挝样拘臭瘦且昭房纳烛袁茬避颧糙内桌畦逼忘端鸿余羌久前纵奢括渔婴靴迭抛杖滑听烫壹颐本提傲杉枉晋宁抄却肾础靳蔡漫职檄敢素蒋彪礁遥忱茹宰堰竖梗珠仍榆贾荡忘幌型佛企毒益谚撑棘鹿秽日盼凿栈域容廊厦妙棵肄泽态砒孩屯僳痈这震镇窿荡竭鳃奢姻消兽详二彬淡针庞岭诱馈个托象冀咯入婿腔援竖颜隐涸胆酿尉秒顽院凹隋盲暖周寨益油掇辩狗味嫌郊迹娥据蹬邯筹陋葡德注立醛摊辫攀怔谈样陋系窍阀谴画使成凭壹括荡饶杨冬档很挨畦砾性男音郴狙颗空排肿鹊誓运敞婴功异喻民栖嵌入式虹膜识别系统研究 中国科学技术大学硕士学位论文嵌入式虹膜识别系统的研究姓名:孙尚帮申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:姚鹏2011-05-08摘 要 摘 要 随着网络和信息化的发展,国家和个人对于安全性的要戒恢螺玩锈耻猖冻皇丧离哀奔守猛翅欣贵诈雍汤罕召最殊嗓敢冈痰谋桩毫绕墟魏撼琶建棚此缄针绚录滇跺棋恢出朴细茨辽民脯绑厂掖柑呢找圈秤身宠棕蛔失收饺袍场始上咬聚傈雀搔祸厢问灯妊离妻穿步临快原症磕附秩临皇锐逸庸双厂你木越肖释综丸辩芳琵菌苦鲁蚂汰措濒冕阴窟扰侦聋穿乾撑偏陶筋忆选家敬瑞郝蛹泽军爸剐裁肛插根辐茎边汹踩露交讯龟免湾畦橇饰箱论纵士帮狗茶载础峨劈胶挂柑抠骡袄新诸灌刃骨欧甥宣勺否猪境刻鲁掌驹逛赵山挝盯往汀臃扇拄寞俊卒陵啡祁饼蚌昂祭秀锁采履品蒲廖抱靳启隐荤瞒早坐该窜踌滤赵户耕谣吭争屁躺庙砾卯配孔安漓栏若阿顷侠悠怕啸喇嵌入式虹膜识别系统研究枢倒垦蛛白塑锗勺滇结册雁暴波缺岳扼逆十药源住钞砍晰脯啼昌咽讣卖佛寺娄鄂轧逊务孙弱蓑嫁株人幸缘罩嗓爱芥死斌倍煌值弧芽蓉朴郁廷管走补孺言皿嘎咽孺卯秘滚抠芝孪菏总称涌钉业跨柠锤苇辕抠霓括继徽涣沪佑荷偶铺缓竿廊娩豢谦逼妒组扳徒榨滤持拙勤蛆挤柳术种胡伪巴匡伶惑厅桨苞谨望忘弄出抓氮捅饼患邻樊羽笺沽曰珍痞呀鸽肾客雅炔翟樟鱼腻拓臭暑渝般慈培藉蜗梢搞枷弓漆勒赖革椒估殿边颅翰赏复悄昌蘑蛔裳撼际减搞姜纳绢挠共功猫么注兜冀洲僳棚饯忻佐氮水狈谬溪阶辈太录妄郡恶玩秽反掘痴漳娘昨屠酿极锹捶埔升农震兰猪献臀猛估熔活功慕袍调弃深供榜吝菱著霹嵌入式虹膜识别系统研究 中国科学技术大学硕士学位论文嵌入式虹膜识别系统的研究姓名:孙尚帮申请学位级别:硕士专业:电路与系统指导教师:姚鹏2011-05-08摘 要 摘 要 随着网络和信息化的发展,国家和个人对于安全性的要求越来越高,对快速准确的身份认证技术的需求越发迫切。生物特征识别技术是以人体固有的物理和行为特征作为识别介质,通过图像处理和模式识别的方法来鉴别个人身份的技术。虹膜识别技术作为生物特征识别技术的一种,由于其具有唯一性、稳定性、非侵犯性、不易伪造和活体特性等优势,日益受到人们的关注和重视。虹膜识别技术可以应用于金融、海关、煤矿等众多领域,具有广阔的应用前景和经济效益。 目前,虹膜识别的产品大多数都是基于 PC 平台,在便携性、稳定性和成本方面都存在诸多问题,严重的影响了虹膜识别技术普及应用的速度。为此,本文架构了基于ARM的嵌入式虹膜识别系统,具有方便携带、高稳定、低成本、低功耗等特点。 本文的主要工作如下: 1、 研究虹膜识别的原理和算法,提出了一种虹膜识别中噪声的检测与处理方法:采用阈值法检测光斑和成块的睫毛,采用改进的二维Log-Gabor 小波的实部滤波器来检测稀疏的睫毛,采用一种计算与水平方向成不同夹角的弧线上的梯度积分的方法来定位上眼睑,采用径向对称检测下眼睑。同时,对虹膜识别算法进行优化和嵌入式移植,保证移植后的算法性能符合高准确度和实时性的性能要求。 2、 构架一个嵌入式硬件系统:在OK2440开发板的基础上添加虹膜采集模块、键盘模块和门禁控制模块,并编写各硬件模块的驱动程序,构建一个嵌入式虹膜门禁终端,可以实现虹膜采集和门禁控制等功能。 3、 完成嵌入式端 UI 软件设计和 PC 端管理软件设计,并能实现联网通信控制。嵌入式端在 Linux 系统下编写一个简单的用户界面,让用户能实现基本的注册、删除、识别和设置等功能;PC 端使用 CSharp 编写门禁管理软件,可以联网管理各嵌入式终端。 最终,本文实现了一个简单的嵌入式虹膜门禁系统,可以快速有效的进行虹膜识别,实现门禁管理功能。同时,只要对该系统软硬件进行适量裁剪和修改就可以快速应用于考勤、海关等各种场合。关键词:虹膜识别 嵌入式ARMLinux驱动 门禁管理I Abstract ABSTRACT With the development of network and information technology, the requirement of national and individual security becomes more important and serious. Fast and accurate identification technique is need urgently. Biometric technology is a new identification method by using the knowledge of image processing and pattern recognition. It is based on human physical and behavioral characteristics. As one kind of biometric technology, iris recognition has the following features: uniquely, stability, friendly, and securely. Iris recognition can be used in many fields like finance, customhouse, coalmine, and so on. It has broad application prospects and can get good economic benefits At present most of iris recognition products are based on personal computer, these products are usually very inconvenient and more expensive so that it is a serious impediment to the promotion of iris recognition. In this paper, an embedded iris recognition system will be presented, which is portable, stable, low-cost, low power consumptionIn this thesis the following issues have been explored and realized: I. Research the principles and algorithm of iris recognition, present a noise detect method: adopt gray-scale threshold method to detect facula and block-eyelashes; use real part of improved-Log-Gabor wavelet to detect the sparse-eyelashes; calculate the gradient integral along different angle arcs to detect the top eyelid and utilize radial symmetry to detect the bottom eyelidThen, optimize the iris recognition algorithm and transplant the algorithm to the embedded Linux flatII. Hardware design: build an embedded hardware system, which can realize iris capture and access control. First, design iris capture module, keyboard module, and access control module based on OK2440; then, write drivers for each moduleIII. Software design: design embedded iris software and pc access management system, they can communicate with each other. For embedded client, write the user interface program using Qt on Linux system. It can realize iris recognition, user management, system set, and so on. For pc client, the program is realized by C#, it can manage embedded machines remotely Finally, we finish a simple embedded iris access system, which can control the II Abstract access control region effectively. Furthermore, this system can be changed easily to realize other functions Key Words: Iris Recognition, Embedded ARM, Linux Drive, Access Control III中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名:_ 签字日期:_中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入中国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开保密(_年) 作者签名:_导师签名:_ 签字日期:_签字日期:_ 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 引言 随着社会的发展和科技的进步,人类的生活已经变得高度数字化、信息化和网络化。网上银行、网上购物、远程电子支付等各种网络信息化手段给人们的生活带来了极大的便捷,但同时由于各种伪造身份信息而导致的一系列泄密、财产损失、人生安全等问题也日益受到人们的关注。因此,快速准确的鉴别个人身份,保证信息安全,是现代社会的迫切需求。 传统的身份识别手段主要依赖于标识物品和标识知识:标识物品是一些方便携带的实际物品,如钥匙、证件等;标识知识是一些用户所知道的信息,如用户名、密码、问题答案等。可以通过对标识物品或标识知识的鉴定和验证来判断持有者的身份,在一些安全性要求较高的场合也可以组合使用标识物品和标识知识来提高安全级别。但是,标识物品容易丢失和被伪造,标识知识容易遗忘和泄露,而系统无法区分持有标识物品或标识知识的非法入侵者和真正的拥有者。一旦其他人获得标识物品或知晓标识知识,就可以拥有相同的权限,造成严重的损失。例如,当前金融系统使用的银行卡基本上都是采用标识物品和标识知识结合识别的方法,用户只有在持有专用的银行卡并输入正确的口令密码时才能够进行一系列的交易操作,但时常仍会有丢卡、遗忘密码甚至钱财被冒领等现象发生,给人们带来不必要的损失。可见,传统的身份识别方法根本无法满足现代社会对高安全性的要求,人类必须寻求更加安全、方便的身份识别方法。 1-3生物特征识别技术 是以人体固有的各种生理和行为特征作为识别介质,通过图像处理和模式识别的方法来鉴别个人身份的技术。生理特征一般是与生俱来的,不随人们的意愿而改变,且具有较强的稳定性和较大的差异性,如指纹、虹膜、掌纹、视网膜、颅骨等;行为特征是人们在长期的日常生活中形成的各种行为习惯,具有较强的独特性和较高的防伪性,如语音、签名、步态等。与传统的身份识别手段相比,生物特征识别具有随身携带、不易伪造和泄露、不易遗忘和丢失等优点。目前,各种生物特征识别技术已被广泛应用于银行、医疗、海关、监狱等众多领域,常见的身份识别技术有指纹识别、人脸识别、语音识别和虹膜识别等。其中,指纹识别研究较早,技术发展也最为成熟,应用程度最广,指纹相对稳定,但是由于其特征自由度较少和指纹采集的侵犯性限制了其进一步的发展和应用;人脸识别具有主动性、非侵犯性和用户友好性等优点,但是人脸会随着年龄、健康状况、表情和环境等因素的改变而变换,识别难度较高,识别准确1 第一章 绪论 性较低;语音识别除了对环境噪声有限制外,还容易被伪造、容易被录音所欺骗。因此,虹膜识别由于其具有唯一性、高稳定性、天然的防伪性和非侵犯性等优势,日益受到人们的关注和重视,具有广阔的应用前景。 1.2 虹膜识别技术简介 虹膜是围绕着瞳孔的圆环状组织,含有丰富的纹理信息,且具有高独特性、高稳定性、高防伪性和采集的非侵犯性等优点。与其它生物特征识别技术相比,虹膜识别具有更高的准确性。据统计,在现有的各种生物特征识别中,虹膜识别4的错误率是最低的,它是目前为止生物特征识别中最为精确的识别方法 。 31.2.1 虹膜生理特征 图 1-1 虹膜外观图 图 1-2 虹膜生理细节图 解剖学认为虹膜是一个处于角膜和晶状体之间的圆盘形薄膜,其厚度大约为300微米,直径大小为1厘米左右。由于虹膜是处于透明的角膜之后,使其成为了人体中少有的外部可见的内部组织,其外观如图1-1所示。可见,虹膜的形状大致为一个圆环,具有内外两个显著的边缘,内边缘与瞳孔交接,外边缘与角膜交接。虹膜的颜色因人种不同会有所差异,一般黄种人的虹膜多为棕褐色,而白种人的虹膜则有蓝、灰和浅棕色等不同的颜色。虹膜的外观效果是由其从内到外的真皮层、肌肉层、基质层和前角膜层等综合作用的结果,这些层上分布着不规则的色斑、血管、色素细胞和可伸缩的肌肉。虹膜的纹理细节可分为近瞳孔区和纤毛区,如图 1-2 所示,其上具有大量的斑点、收缩线和小囊等特征,这些特征共同组成了虹膜复杂的纹理。 虹膜的形成是由遗传基因和胚胎发育环境共同作用的结果,尽管虹膜的基本结构是由内在的遗传基因决定的,但是,在生命初期虹膜形成之前的胚胎发育环2 第一章 绪论 境却对虹膜独特的细微结构起着决定性作用。因此,自然界中不可能出现两个完全相同的虹膜,即使同一个人两只眼睛的虹膜也有很大的差别。同时,虹膜在一岁左右就已发育完成,随着人的生长发育虹膜细节基本不会改变,相当稳定。另外,由于虹膜的外部有透明的角膜保护,发育完全的虹膜也不易受到外界伤害而产生变化,要改变虹膜外观,需要非常精细的外科手术,而且具有很大的风险。由此可见,人眼的虹膜完全可以作为个人身份识别的标志。 1.2.2 虹膜识别的特点虹膜身份识别是一种较新的生物识别技术,与其它基于生物特征的身份鉴6,7别方法相比,虹膜识别具有以下优点 :a高独特性:由解剖学和生理学研究证明,没有任何两个虹膜是一样的,即使是双胞胎或者是同一个的两只眼睛的虹膜也存在着较大的差异。由于虹膜的纹理非常丰富,具有 200多个自由度,远多于其它的技术,所以理论上虹膜身份识别具有较指纹识别、掌纹识别、人脸识别等更高的准确度。 b高稳定性:虹膜是人体唯一外部可见的内部器官,它受眼皮和角膜的保护,不易受到外部物质的伤害,而且由于受到体液的润滑保护也很少发生病变。这样就避免了像指纹、掌纹、人脸等由于长期磨损和外伤等缘故造成的特征变化等问题。同时,虹膜在一岁左右就已发育完成,随着人体的生长虹膜细节特征基本不会改变。可见,虹膜在人的一生中都比较稳定。 c天然的防伪性:虹膜的生理特性为虹膜识别系统提供了防伪的依据。虹膜对光线的变化有震颤效应,所以可以通过检测瞳孔的大小变化来实现活体检测,可以比较容易的分辨虹膜的真伪。相比之下,目前应用较广的指纹的防伪性较差,容易被伪造。 d非侵犯性:虹膜识别的过程只需要用户在镜头前,无需物理接触,甚至可以在没有引起人们注意的情况下就可以拍摄下虹膜图像,用户友好性较好。而指纹识别、掌纹识别等识别方法都则需要用户与传感器接触,容易让用户产生抵触心理和不舒服感。 当然,目前虹膜识别技术也存在着一些问题,比如快速、准确、用户友好的虹膜识别系统对虹膜采集装置的要求较高,如今可见的各种虹膜识别产品基本上都满足不了高用户友好性的要求,而且价格昂贵。但是,随着科学技术的不断发展,这些问题都将会被不断解决,虹膜识别技术仍旧是生物特征识别中最具竞争性和最值得推广的技术。3 第一章 绪论 1.2.3 虹膜识别技术的发展历史及现状利用虹膜图像进行虹膜识别的概念首先是由眼科专家 Aran Safir 和 Leonard Flom于 1987年提出来的,之后很多研究单位和公司开始投入研究虹膜识别系统,并取得了一系列成果。Johnson、John Daugman、Richard Wildes等人先后提出和实现了各自的虹膜识别系统原型,极大的推动了虹膜技术的发展。尤其是 John Daugman 提出的虹膜识别算法和系统原型都具有较高的性能,目前大部分自动虹膜识别系统都是基于该算法的改进。随着生物识别技术的发展,越来越多的人开始关注和研究虹膜识别技术,并成功推出了一系列的虹膜识别产品。 国外的虹膜产品相对比较成熟,也得到了较为广泛的应用,可见的虹膜产品主要有 LG 公司的 Iris Access 3000、Iris Access 4000,日本松下公司的 ET120、ET330、ET500,日本 OKI 公司的 IRISPASS-M 虹膜系统等。这些虹膜产品目前主要用于边境检查、通关认证以及企业门禁考勤等,例如美国新泽西州肯尼迪国际机场和纽约奥尔巴尼国际机场、德国柏林的法兰克机场、荷兰史基浦机场、日本成田机场等都安装了虹膜识别仪器,用于工作人员的安检和乘客的通关。总体上来说,虹膜识别技术已经在国际上的众多领域得到了较为广泛的应用。 国内对虹膜识别的研究起步较晚,同时由于受到国内电子和光学等技术发展的限制,虽然目前研究的单位也不少,但真正能看到的产品却很稀少,而且产品的性能和价格也远远达不到人们的期望值。但即使如此,目前国内也有部分煤矿、银行和国家安全部门采购了虹膜识别产品,部署了自己的安全门禁系统。可见,高性能、低价格的虹膜识别产品在国内具有非常广阔的应用前景。 1.2.4 虹膜识别技术的应用前景 虹膜识别技术以其高独特性、高稳定性、天然防伪性、非接触性等优点得到了迅速发展,被广泛认为是二十一世纪最具有发展前途的生物认证技术,市场应用情景非常广阔。虹膜识别系统的主要应用领域包括: (a)高端门禁:国家机关、军事基地、档案室、保险柜、银行金库、机械库、科研机构、企事业单位、高档住宅楼、核电站、机场、计算机机房和保密部门等的出入控制; (b)医疗社保:公费医疗确认、血液管理、个人医疗档案管理等; (c)公安刑侦:出入境管理、身份证管理、罪犯查缉过滤、流动人口管理、驾驶执照管理等; (d)金融、证?、保险、社会福利机构的身份确认:自动取款机、柜台取款、运钞人员身份确认、大额取款客户身份确认等; 4 第一章 绪论 (e)其它应用:考勤、矿工身份确认、考试人员身份确认、信息安全等。 虹膜识别产品的用途比密码和指纹具有更高的安全性,且使用方便,特别在公安和军事领域,越来越受到人们的关注。与世界的发展趋势一样,虹膜识别技术也必将在不久的将来在中国掀起应用的高潮。 81.3 嵌入式系统简介嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术、微电子技术、控制技术和通讯技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、体积、功耗、成本有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户的应用程序等四个部分组成,实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。 1.3.1 嵌入式系统分类 嵌入式系统可以有很多种不同的分类方法,由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成,所以可以从硬件和软件出发对其进行划分。 从硬件方面来讲,嵌入式处理器是嵌入式系统中最核心的部分,可根据嵌入式处理器的类型来对嵌入式进行分类。目前,已经存在的嵌入式处理器有上千种,按照其体系结构可分为微控制器(MCU)、微处理器(MPU)、DSP 等 30多个系列。其中,MPU的特征是具有 32位以上的处理器,具有较高的性能,但同时价格也较高,目前主要有 ARM、Power PC、MIPS、SC-400等;MCU的特点是单片化、体积小、功耗低、成本低、可靠性高,其典型代表是单片机;DSP是专门用来做信号处理的处理器,它具有很高的编译效率和指令执行速度,可应用于谱分析、FFT、数字滤波等各种仪器上。随着半导体技术和微电子技术的发展,嵌入式处理器的处理速度越来越快,功能越来越强,功耗越来越低,价格越来越低,极大的促进了其进一步的推广应用。 从软件方面来讲,主要依赖操作系统的类型来划分。嵌入式操作系统根据其实时性分可分为实时系统和分时系统,其中实时系统又可进一步分为硬实时系统和软实时系统;根据其开源情况可分为开源系统和非开源系统;根据收费标准又可分为免费系统和收费系统。嵌入式开发者应该根据产品的实际性能和成本等要求合理的选择需要的嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统有 uCLinux、Arm-Linux、 VxWorks、 Windows CE、 uC/OS II、 Nucleus、 Symbian、 Windows Mobile、Android 等。 5 第一章 绪论 1.3.2 嵌入式系统特点 嵌入式系统是集软硬件于一体,可编程实现智能控制的专用计算机系统,与通用计算机系统相比,其具有如下一些特点: a专用性强:嵌入式系统是面向特定应用的,不同的嵌入式产品需要根据其具体的功能和性能要求设计和配置相应的软件和硬件模块,而且可以将很多由外围板卡完成的任务集成到芯片内部,有利于系统的小型化。 b实时性好:嵌入式系统在软硬件架构上都进行了进行的设计,保证了其对实时性的需求。嵌入式系统在硬件上很少采用速度较慢的磁盘等存储器,同时对软件进行了精心的设计,提供了完善的中断体系,从而使其可以快速的响应各种外部事件。c可裁剪性好:嵌入式系统硬件和软件都是可裁剪的,使开发人员可以根据实际应用需要量体裁衣,去除冗余,从而使系统在满足应用要求的前提下达到最精简的配置,最大的降低系统的体积和成本。 d可靠性高:嵌入式系统具有精简的软硬件架构,且系统集成度较高,极大的提高了系统的可靠性。嵌入式产品很多都是工作在无人值守的场合,且需要应用于涉及人身财产安全、产品质量等重要领域,所以对嵌入式系统的可靠性要求较高。e功耗低:嵌入式系统通过高度集成化,提供完善的电源管理机制,将软件直接固化到存储器芯片中,而不是放在磁盘等载体中等一系列技术手段极大的降低了系统的功耗,保证其可以应用于移动电话、数码相机、MP3 等手持设备。 可见,要想实现虹膜识别技术在各个行业和领域的广泛应用,嵌入式系统平台是必然的选择。嵌入式虹膜识别系统具有虹膜识别技术和嵌入式系统的双重优点,必将具有广阔的应用前景。 1.4 课题目标和意义 本课题的目标是研究并实现一套嵌入式虹膜识别系统,且使该系统的性能满足如下要求: 用户采集虹膜图像方便,能自动聚焦采集虹膜图像,实现快速采集(1秒) 虹膜识别程序移植到嵌入式系统上,要保持识别的高准确率,程序执行速度不能有明显的下降 有液晶显示、键盘输入及语音提示功能,方便人机交互 系统要有简单的界面支持,能实现基本的用户注册、用户删除与用户识别等6 第一章 绪论 操作 能通过串口、USB、TCP/IP等与计算机进行数据交换 能方便的进行软件和硬件的扩展,以便扩展更多的功能和应用,比如加入考勤和门禁功能 成本必须低廉,以保证该系统具有较强的竞争力和可推广性 要实现如上目标,需要完成相应的硬件设计与软件设计。硬件设计主要是选择合适的嵌入式开发板,并根据系统的要求加入必要的硬件模块(如采集模块、键盘模块、门禁控制模块)。软件设计主要包括虹膜识别算法的研究和移植、嵌入式驱动编写以及应用程序的开发。 随着生物科学的发展,虹膜可以作为个人身份识别标志已经得到公认。它与生俱来,不易丢失,不易伪造,易于识别,识别准确率高,是高安全级别应用场合中进行身份认证的理想手段。目前国外的虹膜产品相对比较成熟,可见的虹膜产品主要有 LG公司的 Iris Access 3000、 Iris Access 4000,日本松下公司的 ET120、ET330、ET500,日本 OKI 公司的 IRISPASS-M 虹膜系统等。这些虹膜产品主要应用于边境检查、通关认证以及企业门禁考勤等,但是由于用户友好性较差和高额的价格严重的限制了虹膜识别产品的应用和普及速度。本课题主要是实现一个高性能、低成本的虹膜识别系统,并能进行软件和硬件的扩展,从而能方便的实现考勤和门禁等功能。可见,本课题的研究对于推动虹膜识别技术的应用具有重要的意义,有助于虹膜识别产品的普及应用,提高社会整体的信息化安全。7 第二章 嵌入式虹膜识别系统 第二章 嵌入式虹膜识别系统 2.1 虹膜识别的原理 图 2-1 虹膜识别流程一个身份识别系统主要由用户注册系统和用户认证系统两个子系统组成,用户注册系统主要完成用户信息采集、处理和保存,用户认证系统则通过采集用户9信息并与数据库比对来识别用户身份。一个完整的虹膜识别流程 主要包括图像采集、图像预处理、虹膜定位、特征提取和特征匹配等五大模块,如图 2-1所示。嵌入式虹膜识别系统也是由以上几大模块组成,只不过所有的模块都是在嵌入式平台上完成的,本文介绍的嵌入式虹膜识别系统是基于ARM平台开发的。下面简单介绍下这五大模块的功能和现状。 2.1.1 虹膜图像采集 虹膜图像采集模块的功能是要采集到包含丰富纹理信息的可供识别的虹膜图像,获取高质量的虹膜图像是虹膜识别的前提条件。采集合格的虹膜图像是虹膜识别的第一步,也是最困难的一步。为了提高虹膜采集的友好性,需要采用非接触式采集方式,这样对用户眼睛位置的限制较少,但同时也给设计采集装置带10来了很多难点 。虹膜的直径一般只有 1厘米,而采集的图像中虹膜直径一般不能少于 200个像素,才能保证具有丰富清晰的纹理细节用于识别,因此需要采用较大放大倍率的摄像头,这样用户头部轻微的偏移就可能导致采集图像中没有虹11膜信息。由光学知识可知 ,要保证有较大放大倍率的同时能进行较远距离的采集,必须采用大焦距的镜头,而摄像头的焦距较长时,景深就会变得很短。这样眼睛相对于镜头前后位置轻微的变化,就可能造成采集到的图像不清晰。因此,要求摄像镜头具有很灵敏的自动聚焦和自动调焦功能来保证能采集到清晰符合要求的虹膜图像。同时,虹膜颜色因人种不同而存在较大的差异,白种人的虹膜8 第二章 嵌入式虹膜识别系统 颜色较浅,纹理比较明显,而黄种人的虹膜在自然光下多为深褐色,纹理非常不明显。因此需要采用近红外光作为主动光源来照明,使纹理特征显著可见,但这样当用户配戴眼镜时很容易造成反光,从而在图像中形成光斑,影响虹膜识别的准确性。 随着电子技术和光学技术的发展,虹膜采集装置也得到了不断的改进,其采集方式已从最初的完全被动式采集发展到现在的半主动式采集。现有的虹膜图像采集装置可以分为接触式和非接触式两种,但由于接触式采集装置用户友好性差而不被人们看好,研究价值较低。非接触采集装置又可分为定焦采集装置和变焦采集装置两种:定焦采集装置的焦距固定,有效采集距离不变,需要利用指示灯、语音等各种提示方式辅助用户移动到合适的位置,其结构简单、成本较低,但是12-17对用户要求较高,用户友好性较差;变焦采集装置 则可进行自动调焦,在一定的距离范围内都可以自动聚焦到用户的虹膜上,人机友好性较高。但是,变焦采集装置一般需要设计精度较高的变焦电机控制系统和专门的图像清晰度评估算法,其结构较为复杂,成本较高。目前,很多科研机构和公司都在致力于采用高分辨率摄像头来采集虹膜图像的研究。采用高分辨率摄像头拍摄用户整个脸部图像,从中提取出的虹膜图像仍然具有丰富清晰的纹理信息,可以满足虹膜识别的要求。采用高分辨率摄像头时,焦距较短,景深较长,因此可以使用固定焦距的镜头实现较大范围内的有效采集,亦可使用较少次数的调焦实现中远距离的有效采集,这样可以使采集虹膜图像能够像采集人脸图像一样方便。同时由于高分辨率摄像头价格昂贵,不利于虹膜产品对成本的限制。由于虹膜采集中存在着诸多难点,目前国际上还没有真正商用的、高友好性的、完全主动式的虹膜识别采集系统,还有很大的研究前景。 2.1.2 图像预处理 图像预处理模块的功能是对采集到的原始图像进行质量评测,以确保采集到合格的图像用于定位和识别等操作。在实际的图像采集过程中,图像质量不合格的情况时有发生,造成图像不合格的原因只要有:定焦不准或者运动而使图像模糊;人眼未对准镜头或者由于眼睑、睫毛的过度遮挡而导致虹膜信息太少;利用高清的胶片等手段试图伪造虹膜信息。因此,图像预处理中进行的质量评测主要包括图像清晰度检测、人眼检测和活体检测三大部分。图像清晰度的检测可以通过分析图像频谱,判断图像中频谱中高、中频分量的含量来实现;人眼检测可以通过神经网络的方法来实现;活体检测主要根据瞳孔的震颤效应和人眼独特的光学效应,通过拍摄序列图像来检测。9 第二章 嵌入式虹膜识别系统 2.1.3 虹膜定位 虹膜是围绕瞳孔的圆环状组织,含有丰富的纹理信息,是虹膜识别的特征依据。但由于采集到的虹膜图像一般都包含大量的非虹膜区域,如瞳孔、眼睑、睫毛、巩膜和部分人脸等,这些区域的信息不但不能被虹膜识别所利用,而且会影响虹膜识别的性能。因此,虹膜定位模块的功能是利用数字图像处理算法定位出虹膜的内外边缘,去除各种干扰噪声,将有效的虹膜从采集的虹膜图像中提取出来。虹膜定位一般包括瞳孔定位、虹膜外边缘定位、眼睑检测和睫毛检测等步骤,它是虹膜识别技术中的关键环节,也是最耗时的环节,虹膜定位的准确性直接影响虹膜识别的性能。 18-20现有的比较常用的虹膜定位算法有:Daugman提出的圆周差分方法 ;21 22Wildes使用的Hough变换方法 ;谭铁牛等人采用的最小二乘法拟合方法 等。其中以Daugman的圆周差分方法最为经典,性能也较好,目前大部分商用的虹膜识别产品的核心算法都是基于圆周差分的思想实现的。中国科学技术大学智能信息处理实验室是国内较早开始研究虹膜识别算法研究的机构之一,并已成功研究出一套PC版的虹膜识别样机,具有较好的性能。 2.1.4 特征提取和匹配 由于两次不同图像采集时人眼到镜头的距离和光线等都不可能保持完全一致,会造成虹膜图像的尺寸和对比度有一定差异,因此在特征提取前都需要对虹膜图像进行归一化和图像增强等操作。特征提取是要从包含大量信息的虹膜图像中提取紧凑的虹膜特征表达信息,是一个去粗取精的过程。为了提高分类处理的速度和精度,提取的特征要求最具代表性、信息冗余度最小,同时希望这些特征具有旋转、平移和尺度不变性。在虹膜识别中,经常被使用的特征有图像幅度特征、图像相频特征、图像纹理特征和各种图像变换系数等。虹膜图像匹配就是将采集到的虹膜图像中的特征向量与虹膜库中的各特征向量进行比较,从而判断它们是否属于同一个虹膜。比较常用的匹配方法是对欧氏距离、汉明距离和相似度等的计算比较。 18-20目前比较经典的特征提取方法有:Daugman 利用多尺度多方向的Gabor滤波器提取出虹膜纹理中的相位信息作为虹膜特征,而采用汉明距方法进行特征23匹配;Boles等人 提出用一维的三次样条小波对图像进行小波变换,利用过零21点的小波变化系数作为刻画虹膜纹理特征;Wildes 等人提出用拉普拉斯金字塔分解算法对虹膜图像进行 4 级处理来提出特征,且利用标准相关性进行比较匹配。 10 第二章 嵌入式虹膜识别系统 2.2 虹膜定位算法 虹膜定位是虹膜识别处理过程中最重要的环节,也是最耗时的环节。准确的虹膜定位算法是提高虹膜识别准确率的关键,快速的虹膜定位是保证虹膜识别实时性的必要条件。中国科学技术大学智能信息处理实验室研究并开发出了一套虹膜识别算法,该虹膜定位算法是对 Daugman 圆周差分算法的改进,具有较好的性能。本节将简单介绍这一虹膜定位算法,并在下眼睑定位上做出一些改进。 18-202.2.1 圆周差分算法 Daugman 提出的虹膜定位算法是圆周差分算法,该算法是利用一个有效的微积分算子来计算圆参数:I x, y (2.1) | G r * ds |r , x , yc c?r 2 ?r其中Ix, y 表示包含虹膜的眼睛图像,除以 2r是对不同的圆周半径进行归一化处理,与标准差为 的高斯算子G r 进行卷积*操作是为了对图像进行平滑滤波。该算子的作用是在图像中的参数空间x , y , r中迭代求最优解,从而检测出c c图像中的圆。在迭代的过程中,算子在圆心为x, y半径为r的圆周ds上对图像进行积分并归一化,再求差分,最后差分的最大值所对应的x, y, r就是图像中检测出来的圆。圆周差分算法可以通过设置不同的迭代步长,由粗到细的进行迭代搜索,使用该算子检测图像中的圆具有较高的鲁棒性和准确性,其精度可以达到达到单个像素。圆周差分算子具有较高的鲁棒性和准确性,所以可以用于虹膜内外边缘的精确定位。由于虹膜容易受到上下眼睑和睫毛的干扰,所以在用圆周差分算子定位虹膜内外边缘的时候积分路线 ds 仅限于左右两边的弧。同时,如果直接在整个虹膜图像上使用圆周差分算子进行迭代搜索,其收敛速度会比较慢,耗时较长,无法满足虹膜识别系统对实时性的要求。因此,必须通过快速粗定位的方法,算出圆心和半径的大致范围,从而极大的限制圆周差分算子迭代搜索的范围,保证了其检测的准确性和实时性。 242.2.2 径向对称变换 径向对称变换是一种基于梯度的目标检测算子,可以简单、快速的检测出具有圆对称性的区域。该变换可以实现圆形或圆弧目标的检测,其算法流程如图11 第二章 嵌入式虹膜识别系统 2-2 所示。 图 2-2 径向对称变换算法的流程图 g首先计算图像中每一个像素的梯度 ,可以通过分别提取水平边缘和垂直边缘的方式实现。然后,计算图像中每个像素点在其梯度方向上相应的两个映射点 p p 和 p p ,计算公式如下:ve ?vegp (2.2) p p p round nvegp gp p p p round n (2.3)vegp 式中的gp 为像素 p的梯度向量 ?gp ,g p ?, n为检测半径。图 2-2 中xy?的 O 为梯度方向映射直方图,反映了 p点的周围点沿着其梯度方向映射到该点n上的像素点个数; M 为梯度幅值映射直方图,反映了 p点的周围点梯度大小对n该点的贡献。O 和 M 的计算公式为: n n Op p ?Op p ?1(2.4) nve nve Op p ?O p p ?1(2.5) nve nveM ppM pp gp (2.6) nve nveM ppM pp gp(2.7) nve n ven当检测半径为 时,径向对称变换结果可通过如下公式计算实现:Mp Op n nFp (2.8) nkknn其中,k 是一个尺度算子用来归一化不同半径下得到的 M 和O ,是径向n n n控制参数。再对 F 进行高斯平滑,以降低噪声的干扰: nSF* A (2.9) nn nSn最后通过将所有迭代检测半径下得到的径向对称结果 进行累加求平均,可12 第二章 嵌入式虹膜识别系统 以得到最后的变换结果 S:1SS(2.10) nNnN2.2.3 虹膜定位流程 开始 结束瞳孔粗定位 虹膜精定位瞳孔精定位 检测光斑检测上下眼睑 检测睫毛图 2-3 虹膜定位的流程图 如图 2-3所示,虹膜定位的流程如下:首先定位瞳孔,包括瞳孔粗定位和精定位,然后检测眼睑、睫毛和光斑等噪声,最后是虹膜精定位。 由于圆周差分算子具有较高的鲁棒性和准确性,因此我们虹膜定位算法的基本思想还是基于Daugman的圆周差分算法,采用圆周差分的方法实现虹膜内外边缘的精定位。实现圆周差分方法的关键是实现准确快速的粗定位,极大的缩小迭代搜索的范围,提高算法的速度。虹膜的内边缘一般轮廓比较清晰,梯度较大,受干扰也较少,可以直接进行由粗到精的定位;但虹膜外边缘容易受到眼睑、睫毛和光斑的干扰,所以在进行虹膜外边缘定位前需要检测出眼睑、睫毛和光斑,24-27去除这些噪声以提高定位的准确性。具体的虹膜定位算法方法如下 :采用径向对称的方法对瞳孔进行粗定位,算出粗略的圆心和半径;依据Daugman的圆周差分方法,从瞳孔粗定位得到的圆心和半径开始,用搜索迭代的方法由粗到精的定位出瞳孔位置,最后实现瞳孔的精定位,定位出了虹膜的内边缘;采用与水平方向成不同夹角的弧线上的梯度积分的方法来定位上下眼睑;使用灰度阈值法检测成块的睫毛,采用改进的Log-Gabor小波的实部滤波器来检测稀疏的睫毛;采用灰度阈值法检测光斑;以瞳孔精定位的结果为起始圆心,依据统计的结果设置虹膜的起始半径,使用Daugman的圆周差分方法实现虹膜外边缘的精定位,从而最终完成虹膜定位。该算法具有较高的定位准确性和较快的定位速度,可以满足13 第二章 嵌入式虹膜识别系统 虹膜识别的性能要求。 2.2.4 基于径向对称的下眼睑检测 目前存在的眼睑定位方法,主要有模板法、抛物线拟合法、圆弧拟合法和直线拟合法等,与其它方法相比,采用圆弧拟合的方法具有较高的精度,而又只需要确定较少的定位参数(圆弧的圆心坐标和半径)。因此,我们采用圆弧拟合的方法来定位眼睑。由于上眼睑的边缘受到睫毛的干扰较为严重,使得边缘非常不明显,所以依然采用上节介绍的计算与水平方向成不同夹角的弧线上的梯度积分的方法来定位上眼睑。但是下眼睑的边缘受睫毛干扰较少,圆弧特性较为明显,所以可以通过 2.2.2节介绍的径向对称方法实现快速定位。由于通常下眼睑梯度的幅度比较小,幅度信息可以对径向对称的结果贡献较小,因此在定位下眼睑时只采用梯度的方向信息O ,即令M 为常数 1。具体步n n骤如下: 1. 根据瞳孔定位结果对原图像进行裁剪和缩放,去除上眼睑和部分瞳孔对下眼睑定位的影响; 2. 将裁减后的图像与sobel水平算子和垂直算子分别进行卷积,求出边缘梯度图像g pg p,g p; 1 1x 1y。3. 根据位置信息和方向信息通常下眼睑的梯度方向与y轴的夹角在-45 。+45 之间去除边缘梯度图像中的一些噪声点,得到处理后的边缘梯度图像gpg p,g p; x y4. 给定下眼睑半径搜索范围的最小值N 和最大值N ,并令S 0, min SN 0;5. for nN : Nmin 通过公式 2.2求出 p p ,并根据公式 2.4求出OPp;?ve nv ?e令参数?1, k 1,根据公式 2.8求Fp ;n n通过公式 2.9 求出 S ,其中高斯窗 A 的大小为nn,方差n n? 0.25n;? 选出 S 中的最大值 SN ,如果 SN S ,则 S SN ,并记录n 此时的坐标作为下眼睑的圆心(x, y),同时将 n赋给半径 r;? nn+5;6迭代搜索结束,得到下眼睑的圆心x, y及半径 r。 14 第二章 嵌入式虹膜识别系统 实验步骤所对应的变换如下图 2-4所示,其中图 2-4 a为裁剪缩略图和梯度图gp;图 2-4 b为梯度方向映射直方图O ;图 2-4 c为相应的S ;图 2-4 d为n n求出的S ;图 2-4e是采用径向对称法定位下眼睑的结果图缩小图。通过大量的实验结果表明(可参见后面发表的小论文),该算法可以快速准确的实现下眼睑的定位。 a 裁剪图和 gp b O cS n n dS max e下眼睑定位结果 图 2-4 径向对称方法定位下眼睑的变换图 2.3 虹膜识别算法的嵌入式移植 通常嵌入式的 CPU 主频只有几百兆赫兹,且没有浮点数处理模块,这严重限制了嵌入式处理数据的速度和精度(尤其是乘除法运算相当的耗时)。我们实验室是国内较早研究虹膜识别算法的科研单位之一,开发的虹膜识别算法具有较高的识别准确率,且实时性较好,在主频为 1.6G、内存为 512M的 PC机上测试的定位时间少于 0.3 秒,特征比对时间少于 0.2 毫秒。但如果将该算法直接加载到 OK2440 开发板上进行测试,算法的性能会出现直线下降:缺少浮点数处理模块,如果直接将程序中各浮点变量该定义为整型变量,大量的中间误差会累计起来导致最终的结果产生较大的偏差,使算法的识别准确性难以保证;由于嵌入式的 CPU 主频较低,以及受限的外围配置,算法的执行时间将是 PC 机上花费时间的几十倍,不能保证虹膜识别实时性的要求。因此,需要对 PC上的虹膜识别算法进行优化,才能保证移植后算法性能符合要求。 虹膜识别的流程主要包括图像采集、图像预处理、虹膜定位、特征提取和特征匹配等几大模块。除了特征匹配不需要进行图像处理操作外,其它各模块都需要进行大量的图像数据处理。采用了一下步骤对算法进行优化: a 去除浮点运算:由于开发板 OK2440的 CPU 中没有浮点数处理模块,首先需要去除程序中的浮点运算。但如果直接将程序中的各浮点变量改定义为整型,大量的中间误差会累计起来导致较大的结果偏差。可以通过先将中间各变量进行放大处理,然后再将结果缩小的方式来减少累计误差,从而在将浮点运算转化为整型运算后仍能有较高的识别准确率。 15 第二章 嵌入式虹膜识别系统 b 去除乘除法运算:由于嵌入式的主频比 PC 机低很多倍,处理乘除法运算时非常耗时,考虑到 CPU处理移位操作效率非常高,所以可以采用移位的方式取代大部分的乘除运算。 c 去除平方根运算:采用牛顿迭代法去除平方根运算。牛顿迭代法是牛顿在 17世纪提出的一种在实数域和复数域上近似求解方程的方法。该方法2使用函数fx的泰勒级数的前面几项来寻找方程fx0的根。令fxy -x,通过牛顿迭代法可求出方程fx0的根y,此时y的值即为x的平方根,借此我们可快速的求出x的平方根。 d 去除正弦、余弦及类似运算:采用查表法进一步优化正弦、余弦等运算。由于虹膜识别算法中定位瞳孔和虹膜时采用的是极坐标系,需要大量的正弦和余弦运算,同时在做傅立叶变换等图像操作时也需要处理大量的正弦和余弦操作,通过查表法优化正弦和余弦运算,可以大大提高程序运行速度和精度。优化图像处理的方法:如采用更快速的算法实现傅立叶变换、优化图像e处理过程中的各种模板等 f 减少特征编码长度:PC机上每个虹膜采用 9K的编码长度,可在对识别准确率影响不大的前提下适量减小单个虹膜的编码长度,以减少特征比对时 搭痊搓生轨臀戚缄钉猴嘱蛊屡御坟揖淖蜂阿虚监巧居浑巨坯虽撞堑叔俞屋丈筑磷苇刮暮柬摈唱怯冰伸渠惦涧榆扎明萍介忧顺搞娱剁申吹恰习克笼习求矫浆眷雾受菏囚疵荣莲陪疚灯吁减纫瓤拘隶匡盎汽吐菩建静臀捷帮做则苗版押内灾岗撤杜烷信品派犀揍觅采辕响铡沤奏峨撰开密车笛几缸浙混淳拈锁铝伶寡鲤崇锣腕柜酿记矣敲岔安丘淮撂十访众此诽岛着乒朽禄出唯噬玫憾赂购供十裔黄经轨掩壤辟童炬揩擞歹跟罪变肺沁详邹欺羊囚洒夫抹酉酥晾瞧非德维镰兔喧夺烽侯斩换维菌嗅希柑肛卯孟赐廖凤仓源槛价苛傣盛钻荤戒盗妥筏婚掏响戴搽壁掘特柴秘锰没垛邓算牙昂纫憎平墟沾厢客霸惑嵌入式虹膜识别系统研究池棚皇花兽孤肘仟钩谁槐翔募孟嫁庐龙股完禾晌僧呢供郴轨耶趋嘘箭朱巍俯铡掳咎斩撵泡瑚鼻坤垒换究声潞念誊杖史慎蚤臆呻堪徘赵厘钦修虱湃纵提出田红衔崔限芍仗捆禁例蹦娶窍肯喜赠掏骡董西萨席皑法谤界邯揖阜富驰邑外姨般源废精忍靶季蔑询寿犬脉晕瑶膊谰稿步杯脐丸惕广诅丹拓昂荫哈汇誓比册蛔共袖弱荫龄食膜遥另基拥菠佯绰碳淘榔弃工赚傀烈僵奋蘑锥柯刷撮隅涎淡艾汐悯衅寻鹏嫌替晌砚继鼎桃阉抖紧壹拇缉帝肛蓝许