長波段紅外線對虹膜圖像采集工作的影響分析*

齊志坤 姜 囡 徐浩森 李云鵬

（中國刑事警察學(xué)院公安信息技術(shù)與情報學(xué)院，遼寧 沈陽110854）

前言

虹膜識別技術(shù)因為其自生所特有的防偽性和防欺騙性，可以被廣泛的應(yīng)用于監(jiān)所管理、出入境查辨、網(wǎng)絡(luò)信息安全、以及公安信息技術(shù)識別等領(lǐng)域［1］。因其快速精準的特性成為繼指紋、人臉后第三個可見的研究熱點［2］。虹膜識別技術(shù)的識別準確率與虹膜采集圖像的質(zhì)量密切相關(guān)［3］。虹膜采集作為虹膜識別技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，開展虹膜采集研究具有重要實踐意義。

虹膜是位于黑瞳孔周圍和白色鞏膜邊界之間所圍成的圓形環(huán)狀部分，具有錯綜復(fù)雜的紋理結(jié)構(gòu)特點，如細絲、斑點和隱窩等。虹膜由于角膜的保護，紋理結(jié)構(gòu)幾乎終身不變，具有長久可靠的穩(wěn)定性。同時活體的虹膜面積大小受到瞳孔伸縮擴長的影響，因此其防欺騙性極高［4］。虹膜圖像的采集在本質(zhì)上是通過光學(xué)器材把虹膜紋理固定在顯像材料上，所以光是重要的影響因素。針對不同的客體，選用不同波長的光使得虹膜客體在成像器材上得到清晰不一的圖像結(jié)果。

目前國人虹膜紋理相對較為集中，且虹膜紋理及其背景在圖像上對比度低，虹膜圖像采集需要采用特定波長的長紅外線光。嚴春格等人利用一種基于LC-KSVD 字典學(xué)習(xí)的變化的光照系統(tǒng)方法來探究圖像采集效果［5］，這種方法在面積極小的虹膜紋理上具有局限性。目前未有系統(tǒng)地探究在采集虹膜圖像輔助光的選擇。通過將配光波長作為控制變量進行研究。引入Brenner 評價算法分別對七組不同紅外光下的虹膜圖像質(zhì)量比較分析。

1 虹膜圖像采集中干擾因素分析

虹膜屬于小目標，圖像采集獲取困難，采集過程不僅容易受到光照、焦距、距離和視角因素的影響，在一定情況下還會對虹膜的圖像采集產(chǎn)生干擾。產(chǎn)生干擾的因素主要包括：光的衍射現(xiàn)象、紅外配光對虹膜采集的影響。

1.1 光的衍射現(xiàn)象

1.1.1 光的衍射原理

根據(jù)光學(xué)衍射理論，照明光源發(fā)出波長為λ 的光，通過口徑為D的鏡頭，并且當波長為λ的光與口徑D的空間距離大小數(shù)量，當近乎于同一個數(shù)量級的時候，就會產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象，那么點光源在虹膜紋理圖像采集器的圖像傳感器上所形成的圖像不再是一個小光點，而是一個光斑，稱這個光斑為艾里斑，如圖1所示。

圖1 艾里斑形成原理示意圖

根據(jù)光的衍射公式

艾里斑的大小和輔助采集紅外線光的波長λ以及鏡頭的通光孔口徑D存在關(guān)系。兩個物體相距過近時，光的衍射作用所形成的艾里斑會互相重疊壓縮而對圖像的識別有一定的干擾作用。對于本身具有面積很小，細節(jié)特征細微特點的虹膜紋理，選擇合適的通光口徑進行虹膜紋理圖像采集尤為重要。

1.1.2 光的衍射影響下攝影參數(shù)設(shè)定

為獲取更為清晰的虹膜紋理圖像，以減少攝影參數(shù)的調(diào)整。根據(jù)文獻［6］虹膜采集系統(tǒng)，其焦距為9nm，拍攝距離為50mm。紅外數(shù)碼相機是運用數(shù)字技術(shù)將影像轉(zhuǎn)換為磁信號記錄在影像存儲器的磁盤［7］。將鏡頭焦距設(shè)定為50mm，固定光圈進行拍攝所得到的成像結(jié)果進行比較［8］。利用虹膜圖像結(jié)果進行預(yù)實驗比較，判斷在此參數(shù)設(shè)定的情況下，物距在120mm 時虹膜圖像成像效果最好?；诤缒D像采集設(shè)備獲取可使用景深的基礎(chǔ)，調(diào)整圖像采集器材中最大的光圈，將其設(shè)置為固定變量。把光的波長作為唯一的可變變量進行比對。

1.2 紅外配光對虹膜采集的影響

紅外反射攝影技術(shù)是用紅外光線照射物體不同的拍攝物質(zhì)，對應(yīng)于其表面所組成的物質(zhì)成分不同，對于光的吸收和反射的性質(zhì)便會不同，從而產(chǎn)生亮度差的攝影手段。紅外反射攝影的對象表面成分多樣，表面上的成分對于紅外光線反射的情況不同而在圖像紀錄中形成亮度差，這種亮度差會隨著照射光的波長變化而變化。紅外攝影需要將虹膜圖像中的細窩、紋理等圖像特征突顯出來。在虹膜采集過程中，通過利用YZ-SPL13F 警用多波段光源，調(diào)整選擇固定波長的光進行拍攝紀錄并對拍攝所獲得的虹膜圖像效果評價。

2 基于紅外攝影的虹膜采集及分析

為了探究虹膜圖像采集時，不同波長的紅外光對于虹膜紋理顯現(xiàn)的影響，采用控制變量的方法進行研究。設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 研究方案流程圖

2.1 紅外配光攝影進行虹膜采集

在虹膜采集中，為削弱成像因素的干擾，獲得清晰完整的圖像，可采用反射攝影方法。根據(jù)物證攝影，清晰地表現(xiàn)虹膜的細節(jié)特征,人眼的虹膜需與虹膜圖像采集器材光軸互相垂直。通過調(diào)整采集器材鏡頭正對被采集者的瞳孔中心部位，使得反射光線可以沿著采集鏡頭進入被采集者的眼部。如圖3所示。

圖3 虹膜采集設(shè)備示意圖

調(diào)整輔助光波段的大小，將輔助紅外光線的波長以每30nm 為標準進行上升調(diào)整，并按照每一波長的紅外光照射下，所得到的虹膜成像圖片進行分組，虹膜采集結(jié)果如圖4所示。

圖4 各紅外光波段配光下拍攝的虹膜圖像

通過對紅外數(shù)碼相機的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)節(jié)采集，進行紅外反射攝影中，波段為820nm 的紅外光線為輔助光，所得到的虹膜圖像反映相對清晰，虹膜相關(guān)細節(jié)缺損，反差一般；波段為850nm 的紅外光線為輔助光，所得到的虹膜圖像反映清晰完整，虹膜相關(guān)細節(jié)特征反映明顯，反差清晰；波段為880nm 的紅外光線為輔助光，所得到的虹膜圖像反映相對清晰，虹膜相關(guān)細節(jié)特征反映模糊；波段為910nm 或940nm 的紅外光線為輔助光，所得到的虹膜圖像反映相對不清晰，虹膜相關(guān)細節(jié)特征反映不明顯；波段為970nm 的紅外光線為輔助用光，虹膜圖像反映不清晰，虹膜相關(guān)細節(jié)反映較差；波段為1000nm 的紅外光線為輔助用光，虹膜圖像反映模糊，且細節(jié)較差。

2.2 Brenner算法圖像評價比對

為了排除人眼主觀因素的影響，引入一種基于虹膜圖像本身的紋理特征的評價算法得到實現(xiàn)。對于虹膜識別系統(tǒng)的各個階段，虹膜評價標準也會各不相同，因此需要統(tǒng)一的標準來定義虹膜圖像識別能力的評價標準。Brenner 算法是按照一定方法把圖像預(yù)先切割成60 個像素的集合區(qū)域。清晰圖像比起離焦圖像邊緣更加銳利清晰，有更大的梯度值。利用梯度函數(shù)獲得x方向和y方向的相鄰像素的灰度值之差的平方和作為每個像素點的梯度值，對所有像素梯度值累加作為清晰度評價函數(shù)值F，把清晰度評價函數(shù)值F作為圖像評價標準，其公式為：

通過橫坐標表示所評價虹膜圖像中分割的60 個像素簇，利用Brenner 函數(shù)算法進行評價，當紅外光波長為820nm，虹膜圖像清晰度函數(shù)值為4.51×107；當紅外光波長為850nm，虹膜圖像清晰度函數(shù)值為4.90×107；當紅外光波長為880nm，虹膜圖像清晰度函數(shù)值為2.41×107；當紅外光波長為910nm，虹膜圖像清晰度函數(shù)值為2.29×107；當紅外光波長為940nm，虹膜圖像清晰度函數(shù)值為2.65×107；當紅外光波長為970nm，虹膜圖像清晰度函數(shù)值為2.17×107；當紅外光波長為1000nm，虹膜圖像清晰度函數(shù)值為2.24×107。

基于七組虹膜圖像評價結(jié)果，對不同紅外光配光下所得到的虹膜圖像比對結(jié)果（見圖5）。

圖5 虹膜圖像評價結(jié)果比較

對圖5 虹膜圖像評價結(jié)果進行統(tǒng)計分析得出，波長為λ=850nm 的光線作為虹膜采集的輔助用光，在進行虹膜圖像采集時效果會更好。

3 結(jié)論

針對目前虹膜采集中對于紅外輔助攝影用光波長選擇，基于紅外反射攝影的方法進行探究，引入圖像評價算法Brenner函數(shù)對采集到的圖像進行評價。為虹膜采集時輔助用光波長的選擇提出有效建議。在長波段（800～1000nm）的紅外光中，選擇波長λ=850nm 時候作為輔助用光，所獲取的虹膜拍攝照片虹膜的邊界輪廓清晰，紋線細節(jié)特征更加明顯，為當前虹膜采集領(lǐng)域關(guān)于紅外用光的選擇提供參考。