虹膜紋理歸一化算法研究

穆偉斌 金 成 陳大同

（齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院 黑龍江 161006）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，如何快速、有效、安全的進(jìn)行身份自動識別成為了研究的熱點(diǎn)之一。而人體本身就具有很多唯一性的固有生理特征，如：指紋、聲音、面部、虹膜等。其中虹膜識別因其具有高識別率、強(qiáng)安全性、特征唯一等特點(diǎn)，被廣泛的用于各級各類安全識別系統(tǒng)中。但是在虹膜采集的過程中，受采集距離、采集設(shè)備、光線、焦距、人眼轉(zhuǎn)動、瞳孔發(fā)散收縮等外界或自身生理運(yùn)動等因素的影響，采集到的虹膜圖像尺寸不一且具有位移和干擾。為了使圖像更好的進(jìn)行識別比對，一般識別系統(tǒng)都需對采集圖像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和歸一化處理。虹膜歸一化的目的就是把采集到的原始虹膜圖像調(diào)整到相同的尺寸和對應(yīng)位置，已達(dá)到消除平移、旋轉(zhuǎn)和瞳孔收縮等因素對虹膜識別干擾的目的。[1]

1 虹膜歸一化問題的提出

在取得虹膜圖像時(shí)，大多數(shù)情況下虹膜內(nèi)外邊緣的圓心是不重合的，主要是因?yàn)椋海?）人體生理結(jié)構(gòu)因素。醫(yī)學(xué)研究表明，人眼的虹膜并非規(guī)則的圓形，多數(shù)為橢圓形或近似于橢圓形的不規(guī)則多邊形。因此在進(jìn)行邊緣擬合時(shí)，虹膜內(nèi)外邊緣的圓心會有一定偏差。（2）在取得虹膜圖像時(shí)，人眼轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生圓心偏差。虹膜采集時(shí)攝像裝備本身的原因會造成一定的“桶形失真”，而人眼在采集圖像時(shí)不可能隨時(shí)均保持在同一位置，眼球即使轉(zhuǎn)動了一個(gè)很小的角度，在還原失真時(shí)就會產(chǎn)生一個(gè)較大的畸變。因此需要進(jìn)行虹膜歸一化處理。[2]

進(jìn)行虹膜識別的有效區(qū)域是虹膜內(nèi)圓與外圓圈所組成的圓環(huán)形區(qū)域，歸一化處理就是要將平面直角坐標(biāo)系中的圓環(huán)變換成極坐標(biāo)系中的矩形，其長寬固定為常數(shù)，如圖1。

圖1 虹膜歸一化原理圖

由圖可見，歸一化后矩形的底邊為虹膜的內(nèi)圓，頂邊為虹膜的外圓。寬度代表虹膜內(nèi)外圓之間差值，公式中用r代表。長度表示圓環(huán)旋轉(zhuǎn)的角度，公式中用θ代表。

2 傳統(tǒng)變換公式驗(yàn)證歸一化的可行性

現(xiàn)有的虹膜歸一化模型就是利用虹膜的極坐標(biāo)特性，將直角坐標(biāo)系下的圖像轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系上，模型如圖2所示[3]，其公式為：

設(shè)虹膜內(nèi)圓圓心位置為I(Ix,Iy)，半徑為Ri；外圓圓心位置為O(Ox,Oy)，半徑為R0，則按照兩個(gè)圓心的相對位置，可以歸納為下面幾種情況：

圖2 虹膜歸一化模型

以（2）中的情況為例，其余幾種情況可以進(jìn)行類似推導(dǎo)。由圖2所示，以內(nèi)圓圓心為中心，做與水平為θ角的射線，射線與內(nèi)外圓相交，交點(diǎn)分別為B(xi,yi)和A(x0,y0)。則有：

由圖2可知，若虹膜內(nèi)外圓為同心圓則無論θ角如何變化，線段AB的值應(yīng)是固定不變的，但多數(shù)情況并非如此，AB的值隨著θ角的變化而改變。AB間任意一點(diǎn)可由A(xi(θ),yi(θ))和B(x0(θ),y0(θ))的線性組合來代表：

式中(xi(θ),yi(θ))為內(nèi)圓邊緣任一點(diǎn)坐標(biāo)，(x0(θ),y0(θ))為外圓邊緣任一點(diǎn)坐標(biāo)，（x(r,θ)，y(r,θ)）為內(nèi)外圓間任一點(diǎn)坐標(biāo)，(xi0(θ),yi0(θ))、(xo0(θ),yo0(θ))為虹膜內(nèi)外圓的圓心，r∈[0,1],θ∈[0,π]，由此將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)。

3 算法的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

改進(jìn)的算法和模型如下：

圖3 內(nèi)外圓不同心矯正模型圖從內(nèi)圓圓心到外圓的公式為：

其中ox為外圓圓心和內(nèi)圓圓心的水平距離，豎直間距離用oy表示。外圓半徑用ri表示，θ為以內(nèi)圓為中心環(huán)繞外圓的角度。內(nèi)外圓不同心矯正模型見圖3。圖中r'=r?rp，rp為內(nèi)圓即人眼瞳孔的半徑。

實(shí)驗(yàn)中采用 320×280的虹膜原始圖像，進(jìn)行歸一化處理前，先定義提取后的圖像尺寸為 20×240，即在歸一化時(shí)共采集240個(gè)半徑數(shù)，每個(gè)半徑掃描20個(gè)點(diǎn)。虹膜的邊界較難區(qū)分，在掃描時(shí)較難將邊界完全正確的進(jìn)行表示，故邊界點(diǎn)暫不進(jìn)行考慮，初始定義時(shí)將r定義22。最后將第1個(gè)點(diǎn)與第22個(gè)點(diǎn)放棄。

因?yàn)閮蛇吔绲木嚯x是變化的，徑行取值大小不一，但間隔的比例是一致的，故將單位1除以每個(gè)半徑掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù)22，接著再乘以r'，得到r'，內(nèi)圓圓心到歸一化采集點(diǎn)的距離為r=rmat+rp。

圖4 實(shí)現(xiàn)歸一化的流程圖

圖5 原始圖像和歸一化后的圖像對比

4 結(jié)論

為解決在虹膜識別的過程中，采集圖像大小不一、圖像位移、眼球轉(zhuǎn)動等現(xiàn)象對虹膜識別的干擾，在虹膜定位圖像的基礎(chǔ)上一般先將虹膜采集圖像進(jìn)行歸一化處理。本文對原有的虹膜歸一化算法進(jìn)行了改進(jìn)，研究將直角坐標(biāo)系下的大小不一的虹膜采集成像變換為大小一致的極坐標(biāo)，并在插值運(yùn)算過程中運(yùn)用雙線性插值算法，對虹膜歸一化圖像進(jìn)行矯正，從而得到了較為理想的歸一化虹膜圖像。

[1]劉釗，吳海波.虹膜紋理歸一化[J].長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，16（2）：99-101.

[2]宮雅卓，譚南虹，施鵬飛.虹膜紋理歸一化的圓心偏差校正算法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（4）：578-582.

[3]王才名，劉安芝.一種新的虹膜歸一化算法[J].電腦知識與技術(shù)，2007（1）：201.