2.1 虹膜图像采集

虹膜图像的采集对象是包含虹膜的人眼图像，采集目的有两个，一是将虹膜图像数字化后快速传输到操作后台以供识别；二是将采集的大量虹膜图像传输到计算机中存储并建立虹膜图像库供算法研究使用。采集系统利用红外光源、CCD图像传感器及相应的专用USB控制芯片、辅助硬件设施，将虹膜图像由模拟信号转化为数字信号，供计算机处理。虹膜采集基本原理如图2.1所示。现有虹膜图像采集设备的采集距离可达到12cm左右，而且通过独有的自定位识别镜设计，用户可以轻松地对人眼进行有效定位，使采集到的图像包含虹膜有效区域。

图2.1 虹膜采集基本原理

由于需要商业保密，各研究机构和公司都无一例外地不公布自身的图像获取技术。现有典型的虹膜采集系统主要有两个：Daugman虹膜图像采集系统和Wildes图像采集系统。

2.1.1 Daugman虹膜图像采集系统

Daugman虹膜图像采集系统原理如图2.2所示，Daugman设计的虹膜图像采集系统使用330mm的透镜，采集距离为15～46cm，采集的虹膜图像直径为100～200像素。Daugman借助LED点光源为标准视频照相机照明，Daugman虹膜图像采集系统通过一个与摄像机同步工作的微型液晶显示器为被采集者提供实时的视频反馈，这使得被采集者根据微型液晶显示器的反馈调整眼睛位置。在采集过程中，系统连续采集图像，一旦采集的序列虹膜图像满足识别质量要求，系统将自动进入下一步处理。这个图像采集装置的优点是简单、小巧，缺点是点光源由于角膜的镜面反射可能会在虹膜区形成亮的光斑，从而影响虹膜图像的质量。为了避免光斑对虹膜图像采集质量的影响，该系统将点光源放置在眼睛下方，从而将光斑的位置限制在虹膜下方的某一范围内，因此，在Daugman的虹膜定位算法中，将上、下四分之一圆周区域去除。

图2.2 Daugman虹膜图像采集系统原理

2.1.2 Wildes图像采集系统

Wildes图像采集系统原理如图2.3所示。该系统使用80mm的透镜，采集距离在20cm左右，采集的虹膜图像直径约为256像素。为了避免点光源由于角膜的反射在虹膜上形成发射光斑，Wildes图像采集系统利用散射片和圆形偏光器等光学器件来避免光斑的影响。同时，Wildes图像采集系统采用一个刻线辅助被采集者定位，在摄像机镜头的中心，设置一个被采集者可以观察到的矩形轮廓，悬在这个轮廓前方的是个小一些的次轮廓，两个轮廓形状相同。这些轮廓的相对尺寸和位置是可选的，从而使得当被采集者的眼睛处于正确位置时两个矩形轮廓能够叠加。被采集者的位置变化，两个矩形轮廓的相对不匹配就为被采集者提供了当前位置精度的反馈。一旦采集者完成位置匹配，就可实现图像采集了。该系统在设计上比Daugman虹膜图像采集系统复杂，但也有以下优点：首先，点光源处匹配的圆形偏光器和摄像机基本消除了发射光斑，从而能采集到质量更高的虹膜图像；其次，摄像机的低亮度与散射光源的使用不会给眼睛带来不适感。

图2.3 Wildes图像采集系统原理

此外，以上两个系统都只采集8bit的虹膜灰度图像。为了不使被操作者感到不适，采集设备都采用了相对较低的光强，两个系统都采用视频采集速率采集图像。

对以上两个典型的虹膜图像采集系统进行分析，在设计虹膜图像采集装置时，应满足以下几点要求：

（1）保证采集到的人眼图像具有较高的分辨率和对比度，通常的做法是加入辅助照明或红外线LED照明。

（2）提供交互性较好的方法辅助用户判断眼睛是否在正确的采集位置。

（3）不使用令使用者不适的照明就能获得较高质量的虹膜图像。

针对以上虹膜采集装置设计的要求，一些虹膜采集设备开发公司推出了一系列产品，日本的松下公司、韩国的LG公司、OKI公司和美国的Iridian公司都研制了交互性好、操作简便的虹膜图像采集装置，松下公司生产的虹膜采集装置和照明LED如图2.4所示。但是这些产品价格昂贵，而北京中科虹霸科技有限公司采用中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室的专利技术，推出了完全自主知识产权的国产虹膜采集装置，打破了国外公司垄断的局面。同时，为了节约成本，开展有针对性的研究，诸多研究机构都研发出了自己的虹膜图像采集装置。目前，虹膜图像采集装置研制过程中需要解决的3个主要问题包括：提高虹膜图像采集的质量、降低采集装置的成本、提高装置的易用性。

图2.4 松下公司生产的虹膜采集装置和照明LED