專利名稱：虹膜圖像的去模糊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)等技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種虹膜圖像的去模糊方法。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人們對(duì)于身份認(rèn)證的可靠性的要求越來(lái)越高。由于生物特征的各種優(yōu)點(diǎn)，近期研究者們提出了很多的基于生物特征的認(rèn)證方法。其中，虹膜識(shí)別因其本身的高唯一性、強(qiáng)穩(wěn)定性、非侵犯性等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于人的身份認(rèn)證和識(shí)別，并且已經(jīng)有了很多非常成功的應(yīng)用，特別是在大規(guī)模以及高精度要求的情況下?；诤缒さ纳矸菡J(rèn)證系統(tǒng)通過(guò)對(duì)虹膜成像裝置獲取到虹膜圖像，再對(duì)其進(jìn)行分析，完成對(duì)用戶身份的認(rèn)證或識(shí)別。虹膜成像裝置在獲取虹膜圖像的時(shí)候，不可避免地會(huì)采集到一些不清晰的圖片，如圖2(b)、圖2(c)和圖2(d)所示。對(duì)于模糊的虹膜圖像，其中的紋理細(xì)節(jié)信息會(huì)在一定程度上有所損失。而這一問(wèn)題導(dǎo)致了虹膜識(shí)別的錯(cuò)誤拒絕率升高。 虹膜成像裝置在獲取虹膜圖像的時(shí)候，為了采集到清晰的虹膜圖片會(huì)對(duì)用戶提出一些比較苛刻的要求。用戶為了通過(guò)虹膜識(shí)別系統(tǒng)，需要使拍出的虹膜圖像足夠清晰，不得不去盡量地配合虹膜識(shí)別系統(tǒng)。這種對(duì)用戶配合的嚴(yán)格要求，在一定程度上限制了虹膜識(shí)別的應(yīng)用范圍，造成了虹膜識(shí)別中最大的瓶頸。在虹膜成像裝置中，有限的景深是造成這一問(wèn)題的主要原因。過(guò)淺的景深使得用戶和相機(jī)之間的距離只能在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化，否則的話捕獲到的虹膜紋理將會(huì)變得模糊不清，使得識(shí)別效果變得不理想，這種模糊被稱為離焦模糊。受現(xiàn)階段硬件設(shè)配和虹膜特殊性的限制，為了增加系統(tǒng)的景深，現(xiàn)行的系統(tǒng)往往會(huì)使用較大的光圈值。然而，當(dāng)使用大光圈值時(shí)，捕獲到的圖像會(huì)變暗，我們只能通過(guò)增加相機(jī)的曝光時(shí)間來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。這樣， 在拍攝照片過(guò)程中，如果用戶不能保證完全的靜止，將會(huì)十分容易拍攝到運(yùn)動(dòng)模糊的圖像。德國(guó)Robert Bosch GmbH 公司的 Liu 等人在其專利 U. S. Pat No. 2010/0201798AI 中提出了一種虹膜圖像去模糊方法。該方法通過(guò)深度傳感器來(lái)獲得人與相機(jī)的距離，估計(jì)離焦情況下的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，再進(jìn)行模糊虹膜圖像的修復(fù)。雖然上述虹膜去模糊方法取得了不錯(cuò)的恢復(fù)效果，但是它仍然存在很多缺陷。首先，它需要對(duì)模糊的成因進(jìn)行假設(shè)，即在其系統(tǒng)中只能出現(xiàn)離焦模糊，這使得該方法都只能處理這一種情況下的模糊虹膜圖像。當(dāng)虹膜圖像中還存在運(yùn)動(dòng)模糊時(shí)，此方法將會(huì)失效。其次，在這種假設(shè)下，使用了給定的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的形式。僅通過(guò)距離傳感器得到的信息去估計(jì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的參數(shù)，這使得點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)不能夠十分準(zhǔn)確地反映真實(shí)模糊情況。另外，在這一方法中需要添加額外的硬件(深度感知器)來(lái)獲得人與相機(jī)間的距離信息，使得不是所有的虹膜識(shí)別系統(tǒng)都能夠應(yīng)用此方法。最后，由于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)估計(jì)和圖像噪聲建模的不準(zhǔn)確， 使得圖像去模糊的效果不是十分理想。綜上所述，現(xiàn)有的虹膜圖像去模糊方法仍存在一定的改進(jìn)余地，如何同時(shí)處理離焦模糊和運(yùn)動(dòng)模糊圖像，以及如何獲得準(zhǔn)確的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)仍然是一個(gè)亟待解決的難題。如果能夠增強(qiáng)模糊的虹膜圖像中的細(xì)節(jié)信息、修復(fù)模糊的虹膜圖像，就可以在一定程度上放寬對(duì)用戶的要求，提高虹膜識(shí)別的可靠性和準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種虹膜圖像的去模糊方法，以準(zhǔn)確、魯棒地實(shí)現(xiàn)模糊虹膜圖像的修復(fù)。(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種虹膜圖像的去模糊方法，該方法包括步驟 Si、分析輸入的虹膜圖像，判斷該虹膜圖像的模糊屬于離焦模糊或運(yùn)動(dòng)模糊，再根據(jù)該判斷結(jié)果初始化得到一點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；步驟S2、對(duì)輸入虹膜圖像的梯度進(jìn)行選取，使得在選取出的梯度圖上能夠更有效地估計(jì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，再基于所選擇的梯度信息，將所述已初始化的該點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)一步修正；步驟S3、基于所述修正后的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，對(duì)模糊的虹膜圖像進(jìn)行修復(fù)。所述步驟Sl包括步驟S11、在一組人工離焦模糊的虹膜圖像上，計(jì)算其聚焦程度值，并訓(xùn)練得到聚焦程度值和離焦點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟S12、在一組人工運(yùn)動(dòng)模糊的虹膜圖像上，計(jì)算光斑的長(zhǎng)度信息，并訓(xùn)練得到光斑的長(zhǎng)度信息和運(yùn)動(dòng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟S13、根據(jù)輸入的虹膜圖像中兩場(chǎng)成像的差異程度，判斷該虹膜圖像的模糊屬于離焦模糊或運(yùn)動(dòng)模糊，當(dāng)兩場(chǎng)成像的差異較大時(shí)，判斷其是運(yùn)動(dòng)模糊， 反之判斷其是離焦模糊；步驟S14、當(dāng)步驟S13中判斷為離焦模糊的情況下，對(duì)虹膜圖像進(jìn)行進(jìn)一步的分割，得到虹膜的有效區(qū)域，并在此區(qū)域上計(jì)算聚焦程度值；步驟S15、當(dāng)步驟 S13中判斷為運(yùn)動(dòng)模糊的情況下，在瞳孔內(nèi)以其中的光斑為中心，抽取一個(gè)子區(qū)域，對(duì)其頻譜進(jìn)行方向?yàn)V波，得到光斑的方向作為運(yùn)動(dòng)的方向信息，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向上的光斑長(zhǎng)度，獲得光斑的長(zhǎng)度信息；步驟S16、根據(jù)步驟S13的判斷結(jié)果，并根據(jù)步驟S14或者步驟S15得到的聚焦程度值、或者方向及長(zhǎng)度信息，對(duì)所輸入的模糊虹膜圖像的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行初始化。在步驟S13之后，還包括以下步驟抽取模糊虹膜圖像兩場(chǎng)中的任一場(chǎng)，再差值到原模糊虹膜圖像的大小，得到單場(chǎng)的模糊虹膜圖像，用于后續(xù)的操作，接著，在單場(chǎng)的模糊虹膜圖像上進(jìn)行虹膜的定位，得到用于擬合虹膜內(nèi)外邊界的兩個(gè)圓的參數(shù)，以備步驟S14 和S15中使用；步驟S14中所述離焦模糊的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)具有如下形式
權(quán)利要求
1.一種虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，該方法包括步驟Si、分析輸入的虹膜圖像，判斷該虹膜圖像的模糊屬于離焦模糊或運(yùn)動(dòng)模糊，再根據(jù)該判斷結(jié)果初始化得到一點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；步驟S2、對(duì)輸入虹膜圖像的梯度進(jìn)行選取，使得在選取出的梯度圖上能夠更有效地估計(jì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，再基于所選擇的梯度信息，將所述已初始化的該點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)一步修正； 步驟S3、基于所述修正后的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，對(duì)模糊的虹膜圖像進(jìn)行修復(fù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，所述步驟Sl包括 步驟S11、在一組人工離焦模糊的虹膜圖像上，計(jì)算其聚焦程度值，并訓(xùn)練得到聚焦程度值和離焦點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟S12、在一組人工運(yùn)動(dòng)模糊的虹膜圖像上，計(jì)算光斑的長(zhǎng)度信息，并訓(xùn)練得到光斑的長(zhǎng)度信息和運(yùn)動(dòng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟S13、根據(jù)輸入的虹膜圖像中兩場(chǎng)成像的差異程度，判斷該虹膜圖像的模糊屬于離焦模糊或運(yùn)動(dòng)模糊，當(dāng)兩場(chǎng)成像的差異較大時(shí)，判斷其是運(yùn)動(dòng)模糊，反之判斷其是離焦模糊；步驟S14、當(dāng)步驟S13中判斷為離焦模糊的情況下，對(duì)虹膜圖像進(jìn)行進(jìn)一步的分割，得到虹膜的有效區(qū)域，并在此區(qū)域上計(jì)算聚焦程度值；步驟S15、當(dāng)步驟S13中判斷為運(yùn)動(dòng)模糊的情況下，在瞳孔內(nèi)以其中的光斑為中心，抽取一個(gè)子區(qū)域，對(duì)其頻譜進(jìn)行方向?yàn)V波，得到光斑的方向作為運(yùn)動(dòng)的方向信息，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向上的光斑長(zhǎng)度，獲得光斑的長(zhǎng)度信息；步驟S16、根據(jù)步驟S13的判斷結(jié)果，并根據(jù)步驟S14或者步驟S15得到的聚焦程度值、 或者方向及長(zhǎng)度信息，對(duì)所輸入的模糊虹膜圖像的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行初始化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，在步驟S13之后，還包括以下步驟抽取模糊虹膜圖像兩場(chǎng)中的任一場(chǎng)，再差值到原模糊虹膜圖像的大小，得到單場(chǎng)的模糊虹膜圖像，用于后續(xù)的操作，接著，在單場(chǎng)的模糊虹膜圖像上進(jìn)行虹膜的定位，得到用于擬合虹膜內(nèi)外邊界的兩個(gè)圓的參數(shù)，以備步驟S14和S15 中使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，步驟S14中所述離焦模糊的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)具有如下形式
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于， 步驟S15中所述離焦模糊的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)具有如下形式
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，在步驟S16中，根據(jù)步驟Sll和步驟S12訓(xùn)練得到的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)所輸入模糊的虹膜圖像的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行初始化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，所述步驟S2包括 步驟S21、根據(jù)上次循環(huán)中的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(首次循環(huán)中，使用初始點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù))，由單場(chǎng)的模糊虹膜圖像，對(duì)潛在的清晰虹膜圖像進(jìn)行估計(jì)；步驟S22、對(duì)估計(jì)出的清晰虹膜圖像，計(jì)算其梯度圖，并選擇出對(duì)于優(yōu)化點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)有效的區(qū)域；步驟S23、根據(jù)步驟S22中選擇出的清晰虹膜圖像中有效梯度圖區(qū)域，選擇出單場(chǎng)模糊虹膜圖像對(duì)應(yīng)梯度圖的有效區(qū)域；步驟S24、根據(jù)步驟S22和S23中選擇出的梯度信息、已知的單場(chǎng)模糊虹膜圖像和本次循環(huán)中估計(jì)出的清晰虹膜圖像，對(duì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行修正；步驟S25、基于新的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，重復(fù)步驟S21到S24，迭代地修正點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，使其能夠準(zhǔn)確地反映真實(shí)的模糊原因。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，步驟S21和步驟SM中采用的噪聲模型，不僅對(duì)圖像的像素值進(jìn)行了約束，而且同時(shí)對(duì)圖像的一階和二階偏微分進(jìn)行約束；步驟S21的能量函數(shù)可寫成如下形式
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，步驟S22中針對(duì)估計(jì)出的清晰虹膜圖像，其梯度選擇包括三個(gè)步驟過(guò)飽和區(qū)域檢測(cè) S221、睫毛以及眼皮區(qū)域檢測(cè)S222和梯度圖強(qiáng)度的閾值化S223。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，步驟S23中為了選擇單場(chǎng)模糊虹膜圖像對(duì)應(yīng)梯度圖的有效區(qū)域，將步驟S22中估計(jì)出的清晰虹膜圖像的梯度信息和上次循環(huán)中的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行卷積，選擇結(jié)果中大于給定閾值的區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，步驟S24中采用初始的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)作為約束，根據(jù)步驟S22和S23選擇的梯度信息更新點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，能量函數(shù)可寫成如下形式
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虹膜圖像的去模糊方法，其特征在于，在所述步驟S3中 使用修正過(guò)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，對(duì)潛在的清晰虹膜圖像進(jìn)行估計(jì)，并將此次估計(jì)出的清晰圖像作為去模糊結(jié)果，完成對(duì)模糊虹膜圖像的修復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虹膜圖像的去模糊方法，包括步驟S1，分析輸入的虹膜圖像，判斷該虹膜圖像的模糊屬于離焦模糊或運(yùn)動(dòng)模糊，再根據(jù)該判斷結(jié)果初始化得到一點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；步驟S2，對(duì)輸入虹膜圖像的梯度進(jìn)行選取，使得在選取出的梯度圖上能夠更有效地估計(jì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，再基于所選擇的梯度信息，將所述已初始化的該點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)一步修正；步驟S3、基于所述修正后的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，對(duì)模糊的虹膜圖像進(jìn)行修復(fù)。本發(fā)明可以有效減小模糊虹膜圖像對(duì)系統(tǒng)識(shí)別性能的不利影響，并且可以廣泛應(yīng)用于虹膜識(shí)別系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)的魯棒性和可靠性得到提高，放寬對(duì)使用者的要求。
文檔編號(hào)G06T5/00GK102542535SQ20111036665
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者劉京, 孫哲南, 譚鐵牛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所