專利名稱：針對虹膜圖像捕捉的時頻域多階段自動對焦方法
技術領域：
本發明涉及生物特征識別領域的虹膜識別和圖像采集，是一種用于無侵害虹膜自動對焦識別系統的虹膜圖像自動對焦方法。
背景技術：
隨著信息化社會的高度發展，生物特征識別技術的應用領域越來越廣泛。利用人的生物特征識別個人身份將成為今后幾年信息產業的重要革新。其中，虹膜識別是目前生物識別技術中易操作、精度高、有廣泛市場前景的技術。在虹膜圖像采集系統中，自動對焦方法用于調整光學系統元件，使得人眼部的反射光線同過該光學系統在圖像傳感器(如CCD圖像傳感器)上形成清晰的聚焦圖像，完成虹膜圖像的采集。自動對焦方法的優劣直接影響虹膜圖像采集的耗時及采集到的圖像的清晰度，進而影響虹膜身份識別系統的識別率。
已知的虹膜圖像攝取系統是采用小光圈，短焦距的相對大景深光學鏡頭的圖像采集裝置，其光學焦點無法調整。好處是機構簡單，成本低。但是這類系統的一個缺點是對被拍攝者的要求高。需要被拍攝者與圖像采集裝置保持嚴格的距離，也就是說，被拍攝者需要自主調整物距一邊使自己的眼球處于光學裝置的景深范圍內，這使得該類圖像采集裝置的工作距離和工作范圍都很小。此外由于采用小光圈鏡頭，這類系統對光照要求苛刻，拍攝到的虹膜圖像質量也不高。因此這類系統難以應用于高速、自動的高質量虹膜圖像采集場合。
為解決這個問題，另一類已知虹膜圖像采集裝置采用了具有基于圖像處理的自動對焦功能的虹膜相機。基于圖像處理的自動對焦核心在于圖像清晰度評價，通過圖像清晰度評價函數判斷焦點位置，驅動執行結構調整光學系統的焦點，形成一個自動對焦的閉環控制系統。已知自動對焦方法采用的圖像清晰度評價函數主要是單純的基于空域算子(如梯度算子)，基于頻域算子和基于圖像熵算子等。空域算子方法計算簡單，但作用于虹膜圖像時單調性差、波動大，不能在遠離準焦點時提供可靠的搜索方向參考；頻域算子方法精度較高，但計算量大，實時性差，造成被攝人等待時間過長；而基于熵的方法在峰值兩邊單調性較差并有第二峰值點。沒有方法嘗試多種方法的聯合。
虹膜圖像不同于普通的物體圖像，其對紋理清晰度要求很高；采用長焦鏡頭，往往在很小的景深范圍內才能有較清晰的可供評價的圖像。因此，采用常用的圖像清晰度評價方法，不利于在較大的范圍內進行準焦點搜索和搜索方向判斷。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，根據虹膜圖像的特點和虹膜自動對焦識別系統的要求，提供一種結合頻域和時域的多階段虹膜圖像清晰度評價方法，并給出優化的焦點搜索方案和控制策略。實現針對虹膜圖像捕捉的時頻域多階段的自動對焦。
本發明將虹膜自動對焦流程分為兩個階段不指定鏡頭初始位置的準焦點鄰域搜索為粗搜索階段，包括搜索方向和準焦點鄰域的確定；在準焦點鄰域搜索和確定準焦點為細搜索階段。結合時頻域的多階段虹膜圖像自動對焦方法，其特征在于它包含以下步驟(1)下采樣FFT低頻系數圖像清晰度評價方法粗搜索階段采用新穎的下采樣FFT低頻系數方法。將拍攝到的分辨率較高的虹膜圖像進行下采樣，縮小至原圖的1/10左右，再對小圖作快速傅立葉變換(FFT)，取其變換系數的低頻分量的模相加，作為評價圖像清晰度的指標。此指標值越大，低頻交流分量越豐富，攝得圖像越接近焦點。本方法的可行性在于長焦鏡頭攝取的圖像景深很小，在距離準焦點較遠處拍攝的圖像高度散焦，幾乎都為大塊色斑，沒有細節信息，此時高頻信息不能作為評價依據，而應使用低頻系數判斷當前位置和焦點的關系。靠近焦點，光斑的散焦半徑將減小，低頻交流系數值也相應增大，這種穩定的單調遞增關系為搜索方向的確定提供可靠的保證。并且，本方法在準焦點兩側評價值下降緩慢，峰的橫向范圍很大，可供在較大的范圍內進行有效搜索。
(2)梯度評價方法使用下采樣FFT低頻系數法確定了準焦點鄰域后，本發明采用梯度方法進行細對焦，進一步確定準焦點位置。梯度算子常用于圖像邊緣檢測中，從一幅圖像中提取出灰度值突變的邊緣。虹膜圖像清晰度越高，其紋理細節越豐富，象素點間灰度值變化也就越明顯，整幅圖像梯度值的絕對值和越大。
為計算簡單，加快搜索速度，采用一階梯度算子對拍攝圖像進行邊緣提取，包括水平和垂直兩個方向，即每個象素點的梯度值由它的水平梯度和垂直梯度的絕對值相加得到。整幅圖像所有象素點的梯度值(右、下邊緣計為零)相加，得到梯度評價方法的指標。梯度方法對于準焦點敏感度高，能很好的反映細節信息的多少。
(3)優化的搜索策略本發明將下采樣FFT低頻系數法和梯度評價方法分階段實施于對焦過程的不同階段，對應每個階段采用不同的搜索策略，即二級搜索策略。鏡頭從任意位置開始搜索，進入全程搜索粗對焦狀態，使用計算量小的下采樣FFT低頻系數作為評價方法，只采樣少量圖像幀，進行快速搜索。由于下采樣FFT低頻系數法在準焦點兩側單調性好，鏡頭很快就可以伸縮至準焦點鄰域內，大大減小了下一步驟的搜索范圍。細搜索階段采用計算量相對較大而敏感度高的梯度方法進行慢速搜索，在準焦鄰域之內取梯度方法值最大的一幀作為準焦點圖像幀。
全程快速搜索階段采用盲人爬山方法，即為了靠近評價值最大的峰點，首先試探的向一個方向驅動鏡頭對焦，若焦點改變后所在位置的評價值大于之前，則繼續向此方向搜索，若焦點改變后的評價值小于之前，則反向搜索焦點鄰域，一直到評價值開始下降的位置停止粗搜索。盲人爬山方法對于評價值曲線的波動很敏感，一個局部最大點會導致粗搜索流程的中止，因此須采用抗擾動的方法提高評價方法的魯棒性當連續兩幀的評價值都為單調變化時，才給出判斷(同向、反向或停下)，否則認為是擾動不予考慮。粗對焦階段結束時，將當前位置與反向到達峰頂前的位置作為準焦點鄰域的邊界。
本發明具有顯著的有益效果。本發明根據虹膜自動對焦識別系統的設計要求，提出一種快速而準確的圖像清晰度評價方法及其分階段應用時的優化搜索策略，將準焦的判斷交由CPU進行處理，減輕被攝人的疲勞和拍攝人的工作量。步驟(1)利用下采樣后小圖的頻域低頻系數作為粗對焦的評價標準，其單調性好且變化緩慢，是一種理想的全程評價方法。步驟(2)在步驟(1)確定的準焦鄰域內小步長搜索準焦點，采用的梯度方法對紋理細節敏感度高，能準確定位準焦點。步驟(3)針對兩個階段的特點，在粗對焦階段使用改進的盲人爬山法快速確定搜索方向，在細對焦階段慢速定位準焦點。與現有技術相比，本發明結合了傳統圖像清晰度評價方法的優點，同時根據虹膜圖像的特點加以創新，具有簡單、快速、魯棒性高的特點。
圖1是本發明中圖像清晰度評價方法分階段實施的搜索流程框圖；圖2是本發明中下采樣FFT低頻系數方法和梯度方法的全程曲線比較圖；圖3是本發明中下采樣FFT低頻系數方法的實施流程框圖；具體實施方式
下面結合附圖對本發明作詳細說明。
一種本發明所述的結合頻域和時域的多階段虹膜自動對焦方法流程，見圖1。具體實施過程中，長焦鏡頭與CCD傳感器相連，將拍攝的圖像通過圖像采集卡輸入PC進行清晰度評價；PC根據評價結果向步進電機發出行動指令，驅動變焦機構運動。圖像采集卡幀率為30，圖像分辨率320×240。它包含以下步驟(1)全程粗對焦對理想全程評價方法的要求是峰的橫向范圍要大，以便在更大范圍內進行實時搜索；峰兩側的曲線波動盡可能小，以省略濾波的步驟。下采樣FFT低頻系數評價方法可以很好的滿足這個條件，見圖2(a)，橫向范圍寬的曲線為鏡頭全程慢速對焦，應用下采樣FFT低頻系數方法得到的評價曲線，橫向范圍窄的為使用全局梯度方法得到的全程評價曲線。為達到實時要求，粗對焦階段電機須高速轉動，這樣進一步減小了峰頂兩側的曲線波動，見圖2(b)。
下采樣FFT低頻系數方法的計算流程框圖見圖3。設采集到的原始圖像為IM1×M1，下采樣后圖像為SM2×N2，經過二維FFT變換后得到的頻域圖為FM2×N2，評價值為C。計算公式如下S=I(floor(M2M1:M2M1:M1)+1,floor(N22N1:N2N1:N1)+1)---(1)]]>F(k,l)=Σm=0M-1Σn=0N-1S(n,m)e-j2πNkne-j2πMlm---(2)]]>C＝|F(1，0)|+|F(0，1)| (3)(2)準焦鄰域內的細對焦在精確定位準焦點階段，各幀圖像已較為清晰，其區別已經不是光斑的大小了，這時低頻分量不能夠指示清晰度。由圖2可以看到，全局梯度方法在準焦鄰域敏感度很高，且計算簡單，其公式為C=ΣiΣj(|I(i+1,j)-I(i,j)|+|I(i,j+1)-I(i,j)|)---(4)]]>(3)清晰度評價方法的分階段實施由于圖像采集卡的幀率有限，而使用長焦鏡頭攝取虹膜圖像的景深很小，要精確找到準焦點，在不能提高幀率的情況下，須以降低步進電機速度為代價。全程使用慢速搜索，是實時搜索所不能容忍的。本發明將各具特點的清晰度評價方法分階段實施，采用二級焦點搜索策略，見圖1。全程搜索階段采用計算量小的下采樣FFT低頻系數評價方法和抗擾動的盲人爬山方法，進行快速搜索，找到準焦鄰域后在很小的鄰域內實行精確定位；細搜索階段采用對細節敏感度高的全局梯度評價方法，進行慢速搜索，搜索完鄰域后取評價值最大的一幀作為準焦幀，即對焦過程結束，返回待對焦狀態，同時準焦幀可作為后續處理(如虹膜識別)的輸入。
本發明經過實測，不同被攝者在位于距鏡頭0.5米2.5米的區域內都可以得到清晰的虹膜圖像。由于鏡頭初始位置及被攝人與鏡頭距離的不同，整個對焦過程耗費的時間也相異。經多次實測，一般只需1.5秒左右即可準確對焦，滿足實時對焦的要求，減輕被攝人的疲勞，證明本發明評價方法和搜索策略的有效性和實時性。
權利要求
1.一種針對虹膜圖像捕捉的時頻域多階段自動對焦方法，其特征在于它包含以下步驟(1)采用下采樣FFT低頻系數評價方法對采集到的虹膜圖像進行全程清晰度評價，此方法為確定焦點鄰域的粗對焦提供了評價標準；(2)在焦點鄰域內使用全局梯度方法精確定位焦點，實現細對焦；(3)下采樣FFT低頻系數方法和全局梯度方法分階段實施粗對焦階段采用改進的盲人爬山方法判斷搜索方向和確定焦點鄰域邊界，細對焦階段搜索焦點鄰域后取評價值最大的位置為焦點。
2.根據權利1所述的結合頻域和時域的多階段虹膜圖像自動對焦方法，其特征在于步驟(1)中，下采樣FFT低頻系數方法對原始圖像進行下采樣后，作快速傅立葉變換，取其低頻系數F(0，1)和F(1，0)的絕對值和作為評價值。
3.根據權利1所述的結合頻域和時域的多階段虹膜圖像自動對焦方法，其特征在于步驟(3)中，改進的盲人爬山方法在連續兩幀的評價值都為單調變化時，才給出前進、后退或停下的判斷，否則認為是波動不予考慮。
全文摘要
本發明公開了一種結合頻域和時域的多階段虹膜圖像自動對焦方法。方法的核心在于圖像的清晰度評價。通過圖像清晰度評價函數判斷焦點位置，驅動執行結構調整光學系統的焦點，形成一個自動對焦的閉環控制系統。自動對焦過程分為兩個階段在粗對焦階段，采用下采樣FFT低頻系數評價方法確定搜索方向和焦點鄰域；在細對焦階段，采用全局梯度和的評價方法準確定位焦點。優化的控制策略使用改進的盲人爬山法將圖像評價方法分階段實施，采用不同的搜索速度，進一步提高了本發明的實時性。本發明克服了傳統單一評價方法的不足，可實現快速而準確的對焦。
文檔編號G06K9/00GK1892401SQ20061004057
公開日2007年1月10日 申請日期2006年5月25日 優先權日2006年5月25日
發明者都思丹, 李楊, 李華, 王榮昌, 羅浩, 薛衛, 葉迎憲, 趙康僆, 朱歡歡, 嚴惠瓊, 劉紅星 申請人:南京大學