基于虹膜识别技术的城市轨道交通信息采集系统的设计

丁睿

摘 要：身份信息识别在城市轨道交通中具有重要地位，其信息采集系统更是轨道交通运行的基础，但是传统身份识别很容易出现错误，身份证、钥匙以及卡片容易仿造及丢失，口令以及密码也很容易被遗忘，因此具有很大的局限性。文章主要针对此类问题提出了新型虹膜识别轨道交通信息采集系统，从而实现了信息的采集录入以及后期身份的注册及证明。在进行系统硬件电路的设计中，系统主要采用了ARM嵌入式微处理器，并采用虹膜传感器，从而对虹膜信息进行有效采集。该软件的开发平台使用了Windows CE。在高铁、地铁、轻轨以及海关安检等领域的身份鉴别中都能够发挥巨大的作用。

关键词：虹膜识别；城市轨道交通；ARM；Windows CE操作系统

引言

身份识别在现代社会已经成为各行业领域中关注的焦点，社会在发展，而身份的真实性是保证行业运行安全的基础，而城市交通中，为了保证系统安全稳定的运行，更需要进行准确的身份识别，其不仅关系到对乘客的身份鉴别，更关系到整体车辆、机组及工作人员的安全。而传统的身份识别方式正面临着安全性能的挑战，因而容易丢失，另外账户以及口令容易出现遗忘，卡片等信息容易出现仿造等一系列安全隐患。而这些问题都可以通过人体这种生物特性予以避免，而虹膜特征具有稳定、永久、唯一、安全的特性。并且在所有生理特征中，虹膜特征最为可靠稳定。其错误率是各种生物特征识别中最低的。所以，虹膜识别将广泛应用于地铁、高铁、海关机场安检等领域。

文章主要在信息采集系统中增添了一种新型技术，即将虹膜识别技术应用其中，通过对该种采集系统的设计，进行现场身份信息采集和数据录入分析，可便于工作人员携带，随时随地检查乘客身份。

1 原理分析

1.1 识别技术

人眼睛结构主要由三部分构成，即巩膜、虹膜以及瞳孔。虹膜是瞳孔与巩膜间的环形可视部分， 其表面包含了丰富的信息， 如腺窝以及色素斑和皱褶，在人体中结构最为独特。虹膜的生理特征受到遗传基因的控制，因而在生物身份标识识别中，虹膜最为可靠。虹膜识别的步骤主要有四步，首先对虹膜图像进行有效提取，并进行预处理，其次提取其纹理特征，最后对虹膜进行分类。

1.2 获取图像

利用面部虹膜组合成像装置，该系统准确，对眼睛位置进行追踪定位，同时最快速高效的获得高质量目标图像，即虹膜纹理图。

1.3 识别算法

提取虹膜特征前，需要对各类不稳定因素，即对采集信息造成不利的各类因素进行预处理，预处理主要有三个部分：即对虹膜进行定位，对虹膜进行归一化，最后增强图像。（如图1）

图1 虹膜识别流程框图

1.3.1 虹膜定位

对图像进行两次二值化处理，粗定位虹膜的内外边缘，然后使用圆形边缘检测器对虹膜的内外边缘进行精确定位。主要定位算法有：Daunman的圆周差分方法、Wildes等采用的Hough变换的方法和梯度最优算法[3]。Wildes的梯度最优算法，能更好的提取虹膜图像。

1.3.2 虹膜图像归一化

由于瞳孔随光照的变化会影响虹膜大小。虹膜归一化可将虹膜区域的大小调整到固定的尺寸，减少由于瞳孔缩放所造成的影响。

1.3.3 图像增强

对虹膜图像展开时，可以采用Bresenham直线算法对原始图像扫描线上的点进行插值。对展开后的虹膜图像进行局部的直方图均衡化，从而实现图像的增强[3]，减少非均匀光照的影响。

1.3.4 虹膜特征提取与匹配

采用Daunman的二维Gabor复小波所具有的较好的方向和频率选择性来进行虹膜图像的纹理特征提取，Daunman采用汉明距的方法来进行特征匹配。

汉明距方法如下式：

式中，N为编码长度[2]。

2 系统组成

传感器在信号采集系统中具有重要的作用，主要对虹膜相关信息进行准确定位，定位完全后进行采集；而采集后的图像需要进行处理，处理系统的作用是预处理虹膜图像信息，并针对有用信息进行提取；最后数据分析系统用于创建用户模板，对其信息进行存储、注册与用户身份识别，如图2所示。

图2 系统组成原理框图

3 硬件设计

虹膜信息采集系统的硬件包括：虹膜采集模块（选用OV7110作为图像传感器，输出Y分量-灰度值，采集虹膜纹理）、虹膜识别模块（图像处理部分采用ADSP-BF533型DSP）、嵌入式核心处理器（采用了三星公司S3C2410处理器）、存储单元、用户接口单元和通信接口单元（串行口、以太网口及USB接口，扩展出的USB接口用于外接鼠标，并支持WinCE的USB同步功能）。

系統硬件组成框图如图3所示：

图3 硬件组成框图

4 虹膜信息采集系统软件设计

软件设计主要包括：操作系统的选择（选用WindowsCE作为底层操作系统，其图形用户界面相当出色）及内核的定制与移植（使用开发工具Platform Builder）、Bootloader移植（可以初始化硬件设备、建立内存空间映射图）、SPI驱动程序设计和应用程序开发。通过上述功能对虹膜信息进行提取，并设置同信息相互关联的用户姓名以及ID信息，方便存储管理，也方便进行身份识别。

5 结束语

文章介绍的虹膜信息采集系统，可对人体虹膜信息以及身份信息进行采集识别，并且在实践测试中取得了较为可靠的功能水平。不但在操作上更为简便，便于携带，重要的是其不会对人体产生伤害，可以满足地铁、高铁、海关机场安检等公共交通信息系统的身份鉴别。

参考文献

[1]田捷，杨鑫.生物特征识别理论与应用[M].清华大学出版社，2009，3.

[2]刘铁根.嵌入式图像检测技术[M].机械工业出版社，2008，3.

[3]黄俊洲.基于超分辨率的虹膜图像增强[D].中国科学院自动化研究所硕士论文，2003.