动物虹膜识别设备的制作方法

本发明属于光学工程、生物特征识别、图像处理以及计算机或机器视觉等技术领域，尤其涉及虹膜自动识别设备，特别地用于实现对犬只等动物虹膜的高质量自动虹膜成像。

背景技术：

随着国民生活水平的不断提高，目前城市养宠物，例如养犬的居民越来越普遍。然而，长期以来，由于宠物例如犬只管理缺乏有效的监管手段，随之而来的‘犬患’和‘犬害’也日益严重，给监管部门、宠物主人及居民生活都带了一定的压力。一方面，宠物走失和遗弃现象大量增加，流浪犬惊扰甚至攻击市民，存在传播致命狂犬病等传染性疾病的巨大风险。不文明养犬、非法养犬、非法买卖、不按时检疫和注射疫苗、产生纠纷后逃避责任等现象屡见不鲜，从而使得犬只监管成为困扰城市卫生、安全、交通秩序与环境管理的一大难题，严重威胁了社会公众利益和城市建设。犬类引起的纠纷时见报道，并存在处理不当诱发冲突的风险，成为了影响和谐社会建设的潜在因素。另一方面，宠物的走失或被盗给主人及其家庭带来了巨大的心灵创伤，特别是小孩和孤寡老人，长时间内都难以摆脱其阴影。部分主人不惜花费大量时间和金钱寻找走失宠物，但是例如流浪犬救助机构以及相关城管部门面对宠物走失，却因为缺乏有效信息核对及宠物身份识别等管理手段而无法及时寻找宠物或者通知宠物主人。

上述问题的重要解决途径是建立宠物信息管理系统。宠物信息管理系统的建立首先需要实现宠物例如犬只身份的识别。通过一定技术手段，实现宠物唯一性的身份信息录入，作为宠物例如犬只终身的标志，并通过设备进行高可靠性识别，解决辨别宠物身份以及主人是谁的难题。当前，最常见的宠物之一犬只的身份识别主要通过无线射频电子标签实现，将电子芯片注射到犬只皮下。但这一方法存在给犬只带来巨大痛苦和伤害的风险，因而受到绝大部分犬主的抵制。虽然犬只注射电子标签的方法在国内已经推行了十多年，但是受到的阻力异常大，因此，推及其它宠物也是如此，迫切需要开发一种针对宠物安全无伤害、并且能够高效、准确地进行身份识别的技术。

生物特征识别技术是指利用人或动物的生理特征或行为特征，实现身份鉴定。它具有安全性好、无伤害的优点，非常符合宠物例如犬只身份识别的要求。目前，针对人的生物特征识别技术主要包括脸部识别、指纹识别、静脉识别、虹膜识别、掌纹识别、声纹识别、步态识别等。这其中虹膜识别技术具有极高的准确率、防伪性、稳定性，同时是一种非接触式识别。因此，如果能够将虹膜识别技术应用于宠物识别，识别将会更加安全可靠，且不会对宠物带来伤害，具有很大的发展潜力。

但是仅将用于人眼的虹膜识别设备简单用在动物身上效果并不理想，这主要因为识别对象的不同所导致。一方面，对于宠物例如犬只的识别距离不能太近，太近对使用人的人身安全有不确定性威胁，而且犬只容易紧张，影响识别效果，所以需要实现远距离清晰成像。同时，不同种类的宠物眼睛位置各异，即使在犬只范围内，也有相当部分犬只的两只眼睛分居头部两侧，所以采用双眼识别比较困难，因而应该设计成单眼成像，成像视场不能太大。但要求获取清晰虹膜图像，所以视场又不能太小，这就需要设计远距离合适视场高分辨成像光学系统。另一方面，宠物例如犬只的眼睛与人的眼睛在几何形态上有较大差别，采用目前的虹膜识别设备进行图像采集，会出现“亮瞳”现象，影响识别效果。

中国发明专利cn105354562a公开了一种基于虹膜识别的动物管理系统并提出了一种虹膜手持机。系统包括通过无线通信的方式进行实时连接和数据交换的虹膜采集手持机和云端服务器。虹膜手持机采集动物的虹膜图像信息，虹膜手持机将采集的虹膜图像信息发送到云端服务器，云端服务器对采集的虹膜图像信息与其存储的虹膜图像信息进行匹配，云端服务器将匹配结果发送到虹膜识别手持机。所述虹膜手持机包括采集模块、处理器及无线通信模块，照明模块以及输入输出模块。具体地，手持机包括手柄和安装在手柄一端的虹膜采集装置；其中，所述虹膜采集装置包括：固定安装在所述手柄一端的外壳、设置在所述外壳的前表面上的采集模块、设置在所述外壳中处理器及无线通信模块。但是该虹膜手持机拍摄动物例如犬只的虹膜图像效果也不理想，特别是经常出现“亮瞳”的现象，大大降低了识别效率。同时该专利也没有对动物虹膜形态及采集、识别过程的特点进行针对性设计，在对宠物虹膜进行识别时并不方便。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种动物虹膜识别设备，其包括外壳(1)、虹膜相机(2)、光源(3)、控制处理板(4)、连接件(5)、第二外壳(9)；其中虹膜相机(2)设置在外壳(1)中，其镜头面向识别对象；光源(3)设置在第二外壳(9)中，光源(3)具体为面光源，其发光面朝向识别对象；外壳(1)与第二外壳(9)之间设置有连接件(5)，所述连接件(5)的设置使得外壳(1)中虹膜相机(2)的光轴与第二外壳(9)中光源的发光面之间的角度能够调整。此外，设备还包括与连接件(5)相连的限位件(6)，使得当光源(3)打开到最大角度时，光源(3)的发光面与虹膜相机(2)光轴之间的夹角θ为使得能够获得高质量虹膜图像的补光角度。

最佳地，上述夹角θ、光源(3)面阵中心与虹膜相机(2)光轴的距离d、成像距离l之间的关系为：cotθ＝d/l。优选成像距离为70-100cm，当光源(3)打开到最大角度时，光源(3)的发光面与相机(2)光轴之间的夹角为76°-83°，光源(3)面阵中心与虹膜相机(2)光轴的距离范围为120-130mm。

虹膜相机(2)的光学系统设计可以满足以下条件：有效成像区域为50-70mm，物面分辨率优于100μm，虹膜图像中虹膜直径像素个数大于150。

优选地，设备还具有评估模块，其用于对所获取的虹膜图像质量进行评估；当评估虹膜图像质量高于阈值时进行后续识别操作；如果评估的虹膜图像质量低于该阈值，则重复获取动物虹膜图像，直到虹膜图像质量高于该阈值为止。该阈值可以通过如下方法计算：选择大量符合识别要求的动物虹膜图像；对这些虹膜图像的质量进行评估获得评估值；计算这些图像评估值的平均值作为该阈值；该阈值预先存储在动物虹膜识别设备当中。其中，反映虹膜图像质量的评估值还包括对虹膜信息丰富程度的计算，其中虹膜信息的丰富程度为虹膜纹理区域的平均能量之和。

动物虹膜识别设备还包括用于与外部上位机进行数据传输的无线通信模块，以及对虹膜相机(2)采集的虹膜图像进行处理、编码以生成虹膜信息的图像处理模块。

当设备还包括如下的存储模块时，设备可不依赖于上位机进行工作，存储模块可以对一些识别对象的虹膜比对基础数据和/或虹膜识别结果进行存储，从而能够在不与上位机网络连接的情况下，在动物虹膜识别设备内部实现虹膜图像处理后的虹膜数据比对及识别。

进一步设备还可以包括显示屏和/或发声模块，用以显示识别相关信息，或者用于进行声音提示。

此外，本发明还提供一种动物虹膜识别方法，具体包括如下步骤：步骤1：打开光源(3)进行补光；步骤2：通过虹膜相机(2)获取识别对象的虹膜图像；其中，光源(3)是面阵光源，光源(3)的发光面与虹膜相机(2)光轴之间的夹角θ、光源(3)面阵中心与虹膜相机(2)光轴的距离d、成像距离l之间的关系为：cotθ＝d/l。

优选成像距离为70-100cm，光源(3)面阵中心与虹膜相机(2)光轴的距离范围为120-130mm，光源(3)的发光面与相机(2)光轴之间的夹角为76°-83°。该识别方法中，虹膜相机(2)的光学系统设计可以满足以下条件：有效成像区域为50-70mm，物面分辨率优于100μm，虹膜图像中虹膜直径像素个数大于150。

优选地，上述动物虹膜识别方法还包括对所获取的虹膜图像质量进行评估的步骤，当评估虹膜图像质量高于阈值时进行后续识别操作；如果评估的虹膜图像质量低于该阈值，则重复获取动物虹膜图像，直到虹膜图像质量高于该阈值为止。该阈值通过如下方法计算：选择大量符合识别要求的动物虹膜图像；对这些虹膜图像的质量进行评估获得评估值；计算这些图像评估值的平均值作为该阈值；该阈值预先存储在动物虹膜识别设备当中。其中，反映虹膜图像质量的评估值包括对虹膜信息丰富程度的计算，其中虹膜信息的丰富程度为虹膜纹理区域的平均能量之和。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于针对宠物类动物进行特别的采集流程设计，同时设备具有远距离合适视场高分辨成像光学系统，并对成像距离、有效成像区域、物面分辨率以及虹膜图像中虹膜直径像素个数等参数进行针对性优化设计，奠定了获取高质量动物虹膜图像的基础。特别是对单侧红外照明补光进行针对性改进，进一步能够有效避免“亮瞳”现象的发生，大大提高了动物虹膜采集的效率、方便性和图像质量。

附图说明

图1：动物虹膜识别设备硬件框架图；

图2：动物虹膜识别设备工作流程图；

图3：“亮瞳”现象示意图；

图4：红外led面阵设计说明图；

图5：动物虹膜识别设备获取的清晰图像；

图6：动物虹膜识别设备主视图；

图7：红外led面阵光源示意图；

图8：动物虹膜识别设备内部结构示意图；

图9：动物虹膜识别设备顶视图；

图10：连接件与限位件示意图；

图11：限位结构放大图。

说明书附图标记：1-外壳、2-虹膜相机、3-光源、4-控制处理板、5-连接件、6-限位件、7-开关、8-指示灯、9-第二外壳、11-外壳上部、12-外壳下部、13-手握部、14-电源、15-网络通信模块、21-镜头、61-限位件斜面、91-表面、111-眼睛、211-光轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

动物虹膜识别设备硬件主要包括电源14、控制处理板4、虹膜相机2以及光源3，光源3采用红外led面阵光源，具体硬件框架如图1所示。电源14同时给红外led面阵光源、虹膜相机2及内部控制处理板4供电。红外led面阵光源对识别目标进行红外补光。虹膜相机2负责采集目标虹膜图像。控制处理板4负责与外部上位机通信、数据交互，控制虹膜相机2以及控制红外led面阵光源等。上位机主要将用户想进行的操作命令传递给设备，例如采集虹膜图像、停止采集、进行虹膜识别、停止识别等，同时显示采集的虹膜图像以供人眼判断是否可用、实时显示采集视频以调整设备或者动物姿态获取更好图像、实时显示识别视频、显示识别结果等。识别过程中上位机还能够与后台数据库进行交互、进行数据匹配。设备的控制处理板4与外部上位机通过网络通信模块15例如通过无线通信模块与上位机进行数据传输。控制处理板4可以搭载图像处理模块，对虹膜相机采集的虹膜图像进行处理、编码以生成输出至上位机的数据。在一些实施例中，控制处理板4也可以具有存储模块，对识别对象的虹膜比对基础数据、采集的虹膜图像和/或识别结果进行存储，从而可以在不与上位机网络连接的情况下在动物虹膜识别设备内部实现虹膜图像处理后的虹膜数据比对及识别，可以保证在因网络连接不畅等无法与上位机连接的情况下，仍能够单独进行虹膜识别。也就是说，可以将上位机的上述全部或者部分功能集成到设备当中。进一步，为了能够对识别的结果进行反馈，动物虹膜识别设备还可以具有显示屏，用以显示获取的虹膜图像、识别结果是否匹配等识别相关信息，也可以通过蜂鸣器或者发声模块对虹膜图像是否匹配进行提示。

动物虹膜识别设备的基本工作流程如图2所示。上位机或者操作人员通过设备开关给控制处理板发送开始的命令，然后设备初始化各硬件部件。如果初始化不成功，则例如通过上位机、或者设备的显示屏和/或发声模块等方式提示初始化设备失败并结束所有操作。硬件初始化成功后打开红外led面阵光源进行补光，接着虹膜相机开始采集虹膜图像。一旦采集到动物虹膜图像，图像处理模块便对图像进行处理，包括对虹膜图像进行虹膜分割、特征编码等操作。随后评估模块对所获取图像的质量进行评估。动物虹膜识别设备预先存储有用于评估模块使用的阈值，该阈值通过如下方法计算：选择大量符合识别要求的宠物例如犬只虹膜图像；对这些虹膜图像的质量进行评估获得评估值；计算这些图像评估值的平均值作为该阈值并预先存储在动物虹膜识别设备当中。因此，当评估模块对新获取的虹膜图像质量进行评估的评估值低于该阈值时，则认为该获取的虹膜图像质量不高，不能用于后续识别并需要重新获取动物虹膜图像，否则基于现图像进行后续操作。优选地，上述计算阈值时使用的虹膜图像质量评估值计算方法与实际工作流程中新获取的虹膜图像质量评估值计算方法相同。另外为了更好地评价虹膜图像质量，虹膜图像质量评估值包括对虹膜信息丰富程度的计算，具体地，虹膜信息的丰富程度采用虹膜纹理区域的平均能量之和作为评估，因此，平均能量之和越高，虹膜纹理信息越丰富。当新采集的虹膜图像质量评估值高于阈值时，控制板将虹膜图像信息发送至上位机进行比对识别，或者控制板将虹膜图像信息直接与存储器中存储的基础虹膜图像信息进行比对识别。

平均能量的定义如下：

对于一个灰度图像中感兴趣的区域f(x,y)，通常可以表示为f(x,y)＝m(x,y)+σ(x,y)×w(x,y)。其中m(x,y)为感兴趣区域的局部均值，σ(x,y)为感兴趣区域的标准差，m(x,y)为一个具有零均值单位方差的高斯白噪声函数。m(x,y)反映了该区域的平均亮度，σ²(x,y)反映了该区域的细节信号的平均能量。σ²(x,y)超出一定阈值，认为该区域为纹理区域。对所有纹理区域计算σ²(x,y)之和，就能评估这些纹理区域的细节丰富程度。平均能量之和越大，认为感兴趣区域——虹膜区域的纹理信息越丰富。

对于一般宠物例如犬只而言，识别距离不能太近，太近对使用人的人身安全有不确定性威胁，而且犬只容易紧张，影响识别效果。基于对大量犬只虹膜图像获取的情况进行分析，对虹膜识别设备进行如下优化，虹膜相机的光学系统设计优选满足以下条件：成像距离为70-100cm，有效成像区域为50-70mm，物面分辨率优于100μm，虹膜图像中虹膜直径像素个数大于150。即便如此，获取的虹膜图像仍然存在如图3所示“亮瞳”现象，一旦出现“亮瞳”现象将严重影响识别效果，甚至完全不能识别。因此本发明创造性地提出通过优化红外led面阵光源的方式来解决该技术问题。参见说明书附图4为红外led面阵光源设计说明图，l为成像距离，d为红外led面阵光源的中心到虹膜相机光轴的距离。θ为红外led面阵光源面与上述光轴之间的夹角。示例光学成像系统设计方案如下：成像距离：80cm、单眼成像、成像区域：物方水平方向65mm、物方分辨率优于100μm、相机像素分辨率1296×966、像素大小：3.75μm×3.75μm。

(1)焦距计算：根据物像公式计算

m是放大倍率为0.0747，l为物距距离为-800mm，得到系统焦距为55.65mm，实际选用50mm焦距镜头。

(2)景深计算：根据景深公式计算

f数为8，最大可容忍弥散斑σ为7.47um，计算得到景深为30.6mm。

基于以上设计参数，进行如下实验：设光源3的发光面与虹膜相机2光轴之间的夹角为θ、光源3面阵中心与虹膜相机2光轴的距离为d、成像距离为l，三者之间的关系确定如下：首先根据应用需求及光学系统设计考虑，确定成像距离l，不断调整光源3面阵中心与虹膜相机2光轴的距离d，每次调整d后，重新调整夹角θ，使其满足cotθ＝d/l。针对每一组(l，d，θ)，对大量不同品种、体型、年龄等动物(动物类型确定)进行测试，观察是否出现“亮瞳”效应，选择没有“亮瞳”效应的(l，d，θ)，作为最终的设计参数。

经过实验，红外led面阵光源补光如满足以下条件则可以有效避免“亮瞳”现象的出现：采用单侧红外照明补光，在成像距离为70-100cm时，光源面阵平面与光轴的夹角范围为76°-83°，光源面阵中心与光轴的距离范围为120-130mm。参见附图5，采用优化设计的光学成像系统获取的犬只虹膜图像，能够明显减少亮瞳现象对虹膜识别产生的影响。

至此完整的光学成像系统设计将获得如下技术效果：1.通过对光学成像系统的成像距离70-100cm的限定，成像距离合适，能够保障使用者人身安全，而且也不容易使宠物例如犬只紧张，达到较好的识别效果。2.通过对光学成像系统的有效成像区域大小为50-70mm的限定，能够容纳几乎所有种类犬只的眼睛大小，而又几乎只能容纳绝大多数的犬只的单只眼睛，达到单眼识别的效果。3.通过对光学成像系统的物面分辨率和图像分辨率(虹膜直径像素个数大于150)的限定，能够达到较优虹膜识别效果。4.采用单侧红外照明补光，在成像距离为70-100cm时，光源面阵平面与光轴的夹角范围为76°-83°，光源面阵中心与光轴的距离范围为120-130mm时，能够有效避免“亮瞳”现象。

为了能够准确实现以上系统设计，动物虹膜识别设备结构主视图参见图6。图7为红外led面阵光源示意图，图8为动物虹膜识别设备内部结构示意图，图9为动物虹膜识别设备顶视图，图10为连接件与限位件示意图，图11为限位结构放大图。参见以上附图，以下对动物虹膜识别设备具体结构进行说明。

动物虹膜识别设备主要包括外壳1、虹膜相机2、光源3、控制处理板4、连接件5、限位件6、开关7、指示灯8。外壳1分为外壳上部11和外壳下部12，外壳上部11设计有手握部13从而方便操作人员操作，也使得设备整体更加便携。外壳下部12设计有方便连接三脚架等支撑部件的接口。虹膜相机2设置在外壳1内，镜头21例如具有50mm焦距，其从外壳的一端(外壳前侧)露出用于获取虹膜图像。镜头21的外侧可以增加滤光片或者保护罩。控制处理板4可以选择设置在外壳1内，例如安装在外壳下部12一侧，其具体可以搭载用于对虹膜图像进行分割编码等处理的图像处理模块、与上位机或其它外部设备连接的无线通信模块、用于对所获取的虹膜图像质量进行评估的评估模块、用于存储基础虹膜图像数据的存储部、控制虹膜相机2和光源3的控制模块等。外壳1内部与虹膜相机2相反的后侧还可以容纳有电池。配合电池充电的接口或者其他数据接口也可安装在外壳1的与装有相机2相反的那一侧(背侧)上。设备还可以具有显示器，其也可以设在外壳1的背侧上，当然也可以选择设置在外壳1的其它侧面，显示器与控制处理板4相连并受控制模块驱动。优选地，显示器还可以设置于光源3的背面。设备选择性的可以具有发声模块用于进行声音提示，蜂鸣或声音出口也可设置在外壳1上。指示灯8示例性地设置在外壳1的上侧，用于指示虹膜识别设备的工作状态。其可以是具有三种颜色的led灯，例如红色、黄色和绿色。其中红色例如指示初始化失败，黄色指示设备处在采集-处理-评估的工作流程中，绿色指示采集完毕获得可以使用的虹膜图像。

此外，动物虹膜采集设备还具有专门设计的光源3，具体为红外led面阵光源，其可以以脉冲形式发射波长为850nm的红外光。光源3安装在第二外壳9当中，并通过连接件5与外壳1相连，该连接件5使得光源3的光发射面相对于相机2光轴的角度可以调整。在本实施例中，连接件5包括一可转动的枢轴以及与枢轴配套的连接件外壳，枢轴与光源3所在的第二外壳9固定连接，连接件外壳与外壳1固定连接。基于该设计，在动物虹膜采集设备不工作时，可以将光源3通过枢轴折叠在外壳1的一侧，减小体积的同时也方便携带。当使用动物虹膜采集设备时，将光源3通过枢轴打开，并使发光面朝向识别对象。特别地，设备还可以包括位于外壳1或连接件外壳上的限位件6，例如但不限于设计成与相机2光轴成固定角度的斜面61，参见图11。如此，光源3在沿枢轴打开到极限时，与该限位件6的斜面61对应设计的第二外壳9一侧的表面91将与斜面61抵接，并通过斜面61限制光源3的转动。表面91和斜面61的设计使得当光源3打开到最大角度时，光源3的发光面与相机2光轴之间的夹角为76°-83°，且光源面阵中心与光轴的距离范围为120-130mm，如此可以快速便捷地调整发光面的角度到最佳值，可以快速有效地避免“亮瞳”的情况发生。当然，上述通过限位件的限位面进行限位仅仅是一个示例，也可以采用其它限位方式。

与以上实施例不同，可以选择性地将控制处理板4、相关模块以及电源设置在面光源3的背面，即在光源3的背面设置外壳以容纳上述部件，如此将减少虹膜相机2及容纳虹膜相机2的外壳1的体积，从而使得设备更加便携。除此之外，当动物虹膜采集设备具有显示器时，也可以将显示器设置在光源3的背面。

上面所述的只是用图解说明本发明一种动物虹膜识别设备的实施方式，由于对相同技术领域的普通技术人员来说很容易在此基础上进行若干修改和改动，因此本说明书并非是要将本发明一种动物虹膜识别设备局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。