CN113011391B - 一种用于人脸识别活体检测的光学***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于人脸识别活体检测的光学***，包括分光棱镜，所述分光棱镜的入射端端面上设置有分光膜，所述分光棱镜的第一出射端端面上设置有红外窄带滤光膜，所述分光棱镜的第二出射端端面上设置有可见光带通滤光膜，所述分光膜前设置有采集可见光与中波红外的双波段采光镜头组，所述红外窄带滤光膜前设置有二氧化碳探测处理器，所述可见光带通滤光膜前设置有可见光探测处理器，所述分光膜将可见光反射向可见光带通滤光膜，且将红外透过向红外窄带滤光膜；还公开一种检测方法，采用二氧化碳作为活体检测标准进行检测。本发明能够有效对抗人脸识别欺骗手段，大大提高用户人脸识别安全性。
Description
技术领域
本发明涉及人脸识别技术与光学技术领域，具体涉及一种用于人脸识别活体检测的光学***及方法
背景技术
人脸识别是一种生物识别技术，通常利用摄像头(可见光或近红外波段范围)对人脸部特征进行身份识别。在识别过程中，摄像头会采集人脸图像或视频，对其进行检测分析，并利用相关软件算法等手段判断被识别物体身份。人脸识别技术目前已经广泛被应用于安防、金融等领域。随着智能手机的普及，人脸识别在支付领域的应用数量急剧增加。
然而随之而来的利用人脸识别缺陷与不足进行假冒欺骗手段技术也层出不穷。目前比较有代表性的技术有打印人脸照片、录制相关视频等手段。针对摄像头采集到的照片或者视频是否为活体目前技术主要采取随机要求用户做出点头、扭头、张嘴等动作，根据采集到的数据判断对象是否完成相关要求来确定是否为活体。该方法针对照片伪造的情况适用性较好，然而对于录制视频的欺骗方法识别度较低。伪装者有较大可能经过多次尝试(或特殊情况甚至仅一次便可)成功欺骗***，对用户造成损失。为了应对这些欺骗方法，采用热成像或者高光谱人脸识别与可见光人脸识别对比技术，虽然在一定程度上可以对抗采取拍照或者录制视频方式的欺骗技术，但对于3D人脸面具的欺骗手段可靠性不强。尤其是对于带有加热***的3D人脸面具，可充分模仿出人脸的红外信号，从而通过判断以达到冒充用户的目的。
因此现有技术中人脸识别活体技术还是存在较大的识别缺陷，识别可靠性、安全性大大降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于人脸识别活体检测的光学***及方法，能够有效对抗人脸识别欺骗手段，大大提高用户人脸识别安全性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于人脸识别活体检测的光学***，包括分光棱镜，所述分光棱镜的入射端端面上设置有分光膜，所述分光棱镜的第一出射端端面上设置有红外窄带滤光膜，所述分光棱镜的第二出射端端面上设置有可见光带通滤光膜，所述分光膜前设置有采集可见光与中波红外的双波段采光镜头组，所述红外窄带滤光膜前设置有二氧化碳探测处理器，所述可见光带通滤光膜前设置有可见光探测处理器，所述分光膜将可见光反射向可见光带通滤光膜，且将红外光透过向红外窄带滤光膜。
进一步地，所述双波段采光镜头组的镜片材料为氟化镁、氟化钙、氟化钡、氟化锂、蓝宝石、多光谱硫化锌及硒化锌中的一种。
进一步地，所述分光棱镜的材质与双波段采光镜头组的镜片材料一致。
进一步地，所述红外窄带滤光膜的中心波长为4.3微米。
进一步地，所述镜片表面镀制有双波段增透膜，所述双波段增透膜的第一波段的波长为400-700nm，所述双波段增透膜的第二波段的波长为4.3μm。
进一步地，所述双波段增透膜的膜系设计从外表面到基底依次为：ZnS1.74nm、YbF377.35nm、ZnS 8.17nm、YbF3132.46nm以及ZnS 10nm。
进一步地，所述分光膜的膜系设计从外表面到基底依次为：ZnS 51.74nm、YbF396.59nm、ZnS 48.87nm、YbF386.99nm、ZnS 45.03nm、YbF388.81nm、ZnS 48.09nm、YbF393.03nm、ZnS 45.71nm、YbF391.76nm、ZnS 46.10nm、YbF3106.32nm、ZnS 51.22nm、YbF3154.01nm、ZnS 56.85nm、YbF3119.87nm、ZnS 54.13nm、YbF3145.10nm、ZnS 61.59nm、YbF3126.96nm、ZnS 55.54nm、YbF3157.25nm、ZnS 59.02nm、YbF3496.88nm、ZnS 11.16nm、YbF3190.55nm、ZnS 42.52nm以及YbF376.80nm。
一种用于人脸识别活体检测的方法，包括上述任意一项所述的光学***，检测方法包括以下步骤：
步骤1)通过双波段采光镜头组将目标人脸部的可见光及红外光同时采集并导向分光棱镜；
步骤2)分光棱镜通过分光膜将可见光导向可见光带通滤光膜并采用可见光探测处理器捕捉处理；分光棱镜通过分光膜将红外光导向红外窄带滤光膜进行过滤，仅能将二氧化碳特征红外信号透过并采用二氧化碳探测处理器捕捉处理；
步骤3)可见光探测处理器通过转化器转化为可见光图像；二氧化碳探测处理器通过转化器转化为二氧化碳特征图像；
步骤4)通过可见光图像进行人脸识别并通过二氧化碳特征图像配合进行活体识别，得到识别结果。
进一步地，将可见光图像和特征图像进行重合，并通过连续的二氧化碳特征图像进行动作分析，判断是否为目标呼吸所产生的二氧化碳信号特征。
进一步地，目标呼吸所产生的二氧化碳信号特征包括二氧化碳的起始位置、二氧化碳的流向、二氧化碳的速度以及二氧化碳的频率。
本发明的有益效果：
通过有效的光路设计，在目前人脸识别通用的可见光波段视觉成像用***模块基础之上，额外增加一个二氧化碳气体探测成像用***模块，通过可见光波段成像用***模块负责采集人面部的细节信息可以进行判断是否为用户，同时，二氧化碳气体探测成像用***模块则能够对用户通过口、鼻呼出的二氧化碳气体进行成像分析可以进行判断该目标是否为活体，两者的配合能够有效的进行人脸识别及活体检测。通过检测可以有效对抗目前主流的诸如拍照、录制视频甚至3D人脸面具等人脸识别欺骗手段，有效保证用户人脸识别安全性。
附图说明
图1是本发明的光学***结构示意图；
图2是本发明的图像重叠示意图；
图3是本发明的重叠后的额图像呼吸动态示意图；
图4是本发明呼出位置偏移的示意图；
图5是本发明呼出方向偏移的示意图；
图6是本发明的光学设备结构示意图；
图7是本发明的转接套与立杆之间的第一视角示意图；
图8是本发明的转接套与立杆之间的第二视角示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的用于人脸识别活体检测的光学***的一实施例，包括分光棱镜1，分光棱镜的入射端端面上设置有分光膜B1，分光棱镜的第一出射端端面上设置有红外窄带滤光膜B3，分光棱镜的第二出射端端面上设置有带通滤光膜B2，分光膜前设置有采集可见光与红外的双波段采光镜头组2，红外窄带滤光膜前设置有二氧化碳探测处理器3，带通滤光膜前设置有可见光探测处理器4，分光膜将可见光反射向带通滤光膜，且将红外光透过向红外窄带滤光膜，红外窄带滤光膜的中心波长为4.3μm，以便于有效过滤，只能够检测到二氧化碳特征峰，得到二氧化碳对应的图像。
在使用时，双波段采光镜头组采集可见光与中波红外信号，分光棱镜的分光膜为镀制的特定角度入射情况下可见光范围或更广范围内反射及中波或更广范围内透过的膜，分光棱镜将可见光反射向带通滤光膜，带通滤光膜过滤后由可见光探测处理器接收处理并通过转化器转化为可见光图像，通过可见光图像能够有效的识别出是否有用户；分光棱镜还将红外光透射向红外窄带滤光膜，红外窄带滤光膜只将二氧化碳红外信号透过，其余红外信号过滤，随后由二氧化碳探测处理器接收处理并通过转化器转化为二氧化碳特征图像；当具有用户时，二氧化碳特征图像能够配合进行活体识别，用户在呼吸时产生的二氧化碳特征是现有欺骗手段中无法模拟的，解决了目前通用技术条件下伪装者可以通过拍摄照片或者录制视频甚至自加热3D人脸面具等方式欺骗人脸识别***，使用户财产受到损失等问题。
其中，双波段采光镜头组的镜片材料为氟化镁、氟化钙、氟化钡、氟化锂、蓝宝石、多光谱硫化锌及硒化锌中的一种或者多种，优选采用蓝宝石，效果最佳，并且分光棱镜的材质与双波段采光镜头组的镜片材料一致，也选用蓝宝石。还在双波段采光镜头组镜片表面镀制有双波段增透膜，双波段增透膜的第一波段的波长为400-700nm，双波段增透膜的第二波段的波长为4.3μm，实现双波段都增透的效果；具体的，双波段增透膜的膜系设计从外表面到基底依次为：ZnS 1.74nm、YbF377.35nm、ZnS 8.17nm、YbF3132.46nm以及ZnS 10nm，通过选材、层数以及厚度的设计，有效的实现双波段增透效果，减小可见光与红外反射损失。并且上述分光膜的膜系设计从外表面到基底依次为：ZnS 51.74nm、YbF396.59nm、ZnS48.87nm、YbF386.99nm、ZnS 45.03nm、YbF388.81nm、ZnS 48.09nm、YbF393.03nm、ZnS45.71nm、YbF391.76nm、ZnS 46.10nm、YbF3106.32nm、ZnS 51.22nm、YbF3154.01nm、ZnS56.85nm、YbF3119.87nm、ZnS54.13nm、YbF3145.10nm、ZnS 61.59nm、YbF3126.96nm、ZnS55.54nm、YbF3157.25nm、ZnS 59.02nm、YbF3496.88nm、ZnS 11.16nm、YbF3190.55nm、ZnS42.52nm以及YbF376.80nm，通过选材、层数以及厚度的设计，有效的实现双波段增透效果，进一步减小可见光与红外反射损失。通过上述的膜系设计，能够大大提高检测识别的精度和稳定性，提高使用体验感受。
本申请还公开了一种用于人脸识别活体检测的方法，采用了上述的光学***，检测时，通过双波段采光镜头组将目标人脸部的可见光及红外光同时采集并导向分光棱镜；分光棱镜通过分光膜将可见光导向可见光带通滤光膜并采用可见光探测处理器捕捉处理；分光棱镜通过分光膜将红外光导向红外窄带滤光膜进行过滤，仅能将二氧化碳特征红外信号透过并采用二氧化碳探测处理器捕捉处理；可见光探测处理器通过转化器转化为可见光图像；二氧化碳探测处理器通过转化器转化为二氧化碳特征图像；由于现有欺骗手段中还无法模拟人呼吸呼出二氧化碳的情况，因此通过可见光图像进行人脸识别并通过二氧化碳特征图像配合进行活体识别，从而有效的得到准确的识别结果。
在活体检测识别过程中，可以将可见光图像和特征图像进行重合，参照图2所示，由于光学***是单镜头双光路分光结构，所以可见光/红外的图像在相同的取景框内基本是重合的。通过连续的二氧化碳特征图像进行动作分析，参照图3所示，用户呼吸具有间断性，通过间断的检测到二氧化碳判断是否符合用户目标呼吸所产生的二氧化碳信号特征，如果符合，则为活体，如果不符合，则可能存在欺骗手段，需要再次检测。参照图4所示，通过图像的重合分析，对用户呼出的二氧化碳起始位置进行判断，如果图像处理过程中发生了轻微偏移，也可以通过微调，微调后确认为二氧化碳起始位置与用户人脸的鼻孔位置重合，则为活体，当二氧化碳起始位置超出了微调的范围，则可以认定二氧化碳起始位置并未从鼻孔中呼出，存在外接二氧化碳的欺骗情况发生。参照图5所示，二氧化碳呼出的方向也能够作为判断的依据，通过可见光图像中人脸的识别，可以判断呼气时二氧化碳的走向，而当出现二氧化碳起始位置虽然为用户人脸的鼻孔位置，但方向却不一致时，存在外接二氧化碳的欺骗情况发生。
在检测过程中，还可以进行通过对用户目标发出随机动作指令，如用鼻连续呼吸2次、3次或用口向前方、上方、下方、左方或右方呼气，通过随机指令能够真实的反应是否为活体还是欺骗手段。在呼气捕捉二氧化碳信号的同时，还可以根据对应指令中用户目标脸部器官需要作出的配合变化进行判断，例如用口向上呼气，在二氧化碳特征图像中，二氧化碳气流走向向上，且可见光图像的人脸的嘴部有向上呼气的动作，向上呼气需要下嘴唇配合实现；用口向下呼气也如此，向下呼气需要上嘴唇配合实现，双重判定，结果更为准确。当需要再次检测时，可以采用上述随机指令的方式进行验证。当然也可以在初次检测时即采用随机指令的方式进行检测。
其次，通过二氧化碳特征图像可以得到二氧化碳的扩散范围和扩散速度，通过扩散速度和范围可以判断是否满足活体正常呼气产生的二氧化碳流动特征，当扩散范围十分狭窄且速度较快，可能存在外部接二氧化碳罐体等的方式欺骗***，外部二氧化碳可能存在压力过大而导致出气过快，可以有效辨别。
也可以通过二氧化碳呼出的频率进行判断，当外接二氧化碳持续出气时，有悖于活体呼吸的正常间隔时间，从而可以有效辨别。
参照图6至图8所示，还公开了一种用于人脸识别活体检测的光学设备，包括识别壳体5，识别壳体内设置有上述的光学***，在识别壳体表面设置有显示屏，通过显示屏可以进行用户交互，提高使用便捷度。
由于在初次安装锁固光学设备时，其安装角度固定，而在调试时，时常需要调节识别壳体的角度位置，而识别壳体一般只能够上下转动调节，而左右的水平调节需要将固定结构解锁，这样的操作费时费力，且调节的角度范围无法固定，大大提高操作难度，因此还对固定结构进行有效改进，在识别壳体背部设置有立柱支架6，立柱支架包括连接板7和转接套8，连接板和转接套之间设置有铰链9，铰链上设置有锁紧部10，转接套内设置有止转环11，转接套套设在立杆12上并通过锁紧螺钉固定，转接套的止转环与立杆的端部抵接，且止转环端面与立杆端部上分别设置有配合止转的多个止转槽和13多个止转凸部14，锁紧螺钉一端穿过止转环与立杆端部内的螺纹部15连接固定。当需要调节水平方向上的角度时，先将锁紧螺钉旋松，然后向上将转接套抬起，使得止转槽移动与止转凸部分离，分离后转动转接套，在合适角度下将转接套放下，止转槽再次与止转凸部配合止转，随后将锁紧螺钉锁固即可，锁紧螺钉能够在轴向将转接套固定，而在周向上则由止转槽和止转凸部配合固定，大大提高操作便捷度。且操作调节均在外部，阻挡受限小，操作顺畅，减小操作难度。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (6)
1.一种用于人脸识别活体检测的光学***，其特征在于，包括分光棱镜，所述分光棱镜的入射端端面上设置有分光膜，所述分光棱镜的第一出射端端面上设置有红外窄带滤光膜，所述分光棱镜的第二出射端端面上设置有可见光带通滤光膜，所述分光膜前设置有采集可见光与中波红外的双波段采光镜头组，所述红外窄带滤光膜前设置有二氧化碳探测处理器，所述可见光带通滤光膜前设置有可见光探测处理器，所述分光膜将可见光反射向可见光带通滤光膜，且将红外光透过向红外窄带滤光膜；
所述红外窄带滤光膜的中心波长为4.3微米；
检测方法包括以下步骤：
步骤1）通过双波段采光镜头组将目标人脸部的可见光及红外光同时采集并导向分光棱镜；
步骤2）分光棱镜通过分光膜将可见光导向可见光带通滤光膜并采用可见光探测处理器捕捉处理；分光棱镜通过分光膜将红外光导向红外窄带滤光膜进行过滤，仅能将二氧化碳特征红外信号透过并采用二氧化碳探测处理器捕捉处理；
步骤3）可见光探测处理器通过转化器转化为可见光图像；二氧化碳探测处理器通过转化器转化为二氧化碳特征图像；
步骤4）通过可见光图像进行人脸识别并通过二氧化碳特征图像配合进行活体识别，得到识别结果；
将可见光图像和特征图像进行重合，并通过连续的二氧化碳特征图像进行动作分析，判断是否为目标呼吸所产生的二氧化碳信号特征；
目标呼吸所产生的二氧化碳信号特征包括二氧化碳的起始位置、二氧化碳的流向、二氧化碳的速度以及二氧化碳的频率。
2.如权利要求1所述的用于人脸识别活体检测的光学***，其特征在于，所述双波段采光镜头组的镜片材料为氟化镁、氟化钙、氟化钡、氟化锂、蓝宝石、多光谱硫化锌及硒化锌中的一种。
3.如权利要求1所述的用于人脸识别活体检测的光学***，其特征在于，所述分光棱镜的材质与双波段采光镜头组的镜片材料一致。
4.如权利要求2所述的用于人脸识别活体检测的光学***，其特征在于，所述镜片表面镀制有双波段增透膜，所述双波段增透膜的第一波段的波长为400-700nm，所述双波段增透膜的第二波段的波长为4.3μm。
5.如权利要求4所述的用于人脸识别活体检测的光学***，其特征在于，所述双波段增透膜的膜系设计从外表面到基底依次为：ZnS 1.74nm、YbF3 77.35nm、ZnS 8.17nm、YbF3132.46nm以及ZnS 10nm。
6.如权利要求1所述的用于人脸识别活体检测的光学***，其特征在于，所述分光膜的膜系设计从外表面到基底依次为：ZnS 51.74nm、YbF3 96.59nm、ZnS 48.87nm、YbF386.99nm、ZnS 45.03nm、YbF3 88.81nm、ZnS 48.09nm、YbF3 93.03nm、ZnS 45.71nm、YbF391.76nm、ZnS 46.10nm、YbF3 106.32nm、ZnS 51.22nm、YbF3 154.01nm、ZnS 56.85nm、YbF3119.87nm、ZnS 54.13nm、YbF3 145.10nm、ZnS 61.59nm、YbF3 126.96nm、ZnS 55.54nm、YbF3157.25nm、ZnS 59.02nm、YbF3 496.88nm、ZnS 11.16nm、YbF3 190.55nm、ZnS 42.52nm以及YbF3 76.80nm。
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