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        虹膜識(shí)別在家畜過(guò)境控制中的應(yīng)用

        2010-03-26 01:47:28楊旭磊
        電子設(shè)計(jì)工程 2010年1期
        關(guān)鍵詞:過(guò)境虹膜家畜

        楊旭磊

        (東南大學(xué) 物流管理工程系,江蘇 南京210096)

        虹膜具有終生不變性和差異性,自然界不存在完全相同的兩個(gè)虹膜。虹膜識(shí)別[1-4]的唯一性、穩(wěn)定性以及高度準(zhǔn)確性和隱蔽性等特點(diǎn),使其成為一種很有前景的生物識(shí)別方法。

        本文依據(jù)大型動(dòng)物虹膜識(shí)別這一身份惟一性驗(yàn)證,將大型動(dòng)物虹膜識(shí)別技術(shù)(以牛的虹膜識(shí)別為例)引入家畜過(guò)境控制,為家畜進(jìn)行“身份認(rèn)證”,初步構(gòu)建基于虹膜識(shí)別的家畜健康安全信息溯源系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)大型動(dòng)物個(gè)體溯源,并借鑒人眼虹膜識(shí)別相關(guān)技術(shù),初步探索牛的虹膜識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)。

        1 家畜過(guò)境控制管理

        家畜過(guò)境控制包含引發(fā)肉食品安全問(wèn)題的因素,在國(guó)際經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中尤為重要。因此家畜本身攜帶的傳染性疾病成為過(guò)境控制的關(guān)鍵。在出境控制中需要獲取以下信息:1)飼養(yǎng)地點(diǎn)。了解家畜的原產(chǎn)地、品類特質(zhì)、生理表象等信息;2)飼養(yǎng)時(shí)間。了解家畜的生理年齡、健康表征以及預(yù)期可飼養(yǎng)存活時(shí)間;3)飼料情況。飼料是推斷家畜健康情況的重要依據(jù),不同飼料影響家畜的生理狀況、食用口感等重要特征;4)生理信息。包括年齡、體重、體溫等,不同的生理信息標(biāo)志家畜不同的成長(zhǎng)階段和健康狀況。

        在入境控制中需獲取以下信息:1)運(yùn)往地區(qū)。家畜能否適應(yīng)入境目的地的自然環(huán)境是考量其是否能在該地再次被飼養(yǎng)并屠宰銷售的重要依據(jù);2)生理信息。主要是對(duì)家畜健康情況的再次檢測(cè)確認(rèn),以及檢疫是否攜帶有傳染病。

        2 虹膜識(shí)別技術(shù)在家畜過(guò)境控制中的應(yīng)用

        基于虹膜識(shí)別技術(shù)初步建立家畜健康安全信息溯源系統(tǒng),圖1為系統(tǒng)的總體運(yùn)行模式。

        圖1 家畜健康安全信息溯源系統(tǒng)模式

        家畜健康安全信息溯源系統(tǒng)識(shí)別和追蹤家畜從其養(yǎng)殖、屠宰、分割、加工等過(guò)程到消費(fèi)者的整個(gè)供應(yīng)鏈的信息,并記錄上述過(guò)程中的關(guān)鍵安全信息?;诤缒ぷR(shí)別的可溯源系統(tǒng)主要應(yīng)用大型動(dòng)物虹膜的可識(shí)別性對(duì)大型動(dòng)物進(jìn)行身份認(rèn)證,將虹膜信息轉(zhuǎn)化為編碼記錄在供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)。

        在飼養(yǎng)階段,采集大型動(dòng)物的虹膜圖像并對(duì)其處理,得到虹膜圖像編碼并錄入虹膜信息數(shù)據(jù)庫(kù);在飼養(yǎng)場(chǎng)至機(jī)場(chǎng)的這段供應(yīng)鏈上,屠宰、加工、包裝、配送等環(huán)節(jié)的信息也應(yīng)錄入虹膜信息數(shù)據(jù)庫(kù);如果是活體運(yùn)輸,應(yīng)與虹膜信息數(shù)據(jù)庫(kù)保持該活體虹膜信息的實(shí)時(shí)更新。用戶(飼養(yǎng)人員,機(jī)場(chǎng)人員、加工廠人員等)只需對(duì)出現(xiàn)安全問(wèn)題的活體掃描虹膜,在虹膜信息數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索查找匹配,即可實(shí)現(xiàn)家畜安全信息溯源。

        相關(guān)人員借助虹膜識(shí)別模塊可完成圖1中的每一個(gè)環(huán)節(jié),如圖2所示[5]。此模塊可以實(shí)現(xiàn)虹膜信息注冊(cè)、信息查詢和大型動(dòng)物個(gè)體溯源3個(gè)功能。

        圖2 個(gè)體虹膜識(shí)別模塊

        3 牛的虹膜識(shí)別

        牛的虹膜與人的虹膜極為類似,具有相同的穩(wěn)定性等生物特性。人眼虹膜識(shí)別技術(shù)已較為成熟,這對(duì)牛眼虹膜識(shí)別技術(shù)具有重要的借鑒意義。依照人眼虹膜識(shí)別研究,虹膜識(shí)別技術(shù)一般分為圖像采集、品質(zhì)評(píng)價(jià)、預(yù)處理、特征提取、編碼、特征匹配等階段。參考人眼虹膜識(shí)別步驟,牛的虹膜識(shí)別步驟如圖3所示。

        圖3 牛的虹膜識(shí)別步驟

        3.1 圖像采集

        牛眼過(guò)大的眼球轉(zhuǎn)動(dòng)、牛頭部的偏轉(zhuǎn),以及牛眼睫毛對(duì)虹膜的覆蓋都會(huì)影響圖像質(zhì)量,一般是采集大量圖像,再?gòu)闹羞x取質(zhì)量較高的圖像。而牛眼中間凸出較嚴(yán)重,有很強(qiáng)的聚光性,導(dǎo)致圖像中牛眼中間的光斑很大。趙林度等[5]認(rèn)為中央光斑覆蓋的是整個(gè)瞳孔區(qū)域和小部分虹膜區(qū)域。在人眼虹膜識(shí)別中,只選取部分虹膜區(qū)域就可實(shí)現(xiàn)特征提取和匹配,少部分虹膜的缺失不會(huì)影響虹膜的識(shí)別率,因此可將中央光斑部分近似看作瞳孔區(qū)域。

        3.2 圖像預(yù)處理

        采集圖像并篩選出優(yōu)質(zhì)圖像,在實(shí)際獲取的圖像中,虹膜只占一部分區(qū)域,在分析處理虹膜紋理之前,要將虹膜區(qū)域從圖像中分割出來(lái),即定位虹膜的中心和內(nèi)、外邊緣并對(duì)虹膜圖像的大小進(jìn)行歸一化處理,從而糾正圖像的漂移、旋轉(zhuǎn)及比例放縮?!捌啤笔怯捎跓o(wú)法保證虹膜圓心精確位于圖像的中心造成的;“旋轉(zhuǎn)”是由頭的傾斜或眼球的旋轉(zhuǎn)造成的;“比例放縮”是由于拍攝距離的遠(yuǎn)近不同造成的[6]。

        3.3 特征提取

        特征提取是分析預(yù)處理后的數(shù)據(jù)過(guò)程,即將大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成若干特征的過(guò)程。虹膜具有比較明顯的空間特征,例如虹膜特征差異是從虹膜整體形狀到細(xì)小紋理特征都能體現(xiàn)出來(lái)。提取虹膜的紋理特征識(shí)別時(shí),主要提取虹膜的紋理幅度和相位信息,其中相位信息尤為重要,因?yàn)榉刃畔⒉町惒幻黠@,且受到諸多因素(如圖像的對(duì)比度、拍攝圖像時(shí)的光照強(qiáng)度等)影響。

        3.4 關(guān)鍵算法研究

        基于Gabor變換的虹膜識(shí)別算法的具體實(shí)現(xiàn)如下:首先求取虹膜內(nèi)外邊界的灰度閾值,利用圓探測(cè)法求最大值來(lái)獲得虹膜內(nèi)外邊界圓的參數(shù),并利用坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)歸一化。一般地,瞳孔的中心和虹膜是不同心的,其半徑是虹膜半徑的0.1~0.8倍。因此,決定瞳孔圓周的3個(gè)參數(shù)必須與虹膜的圓周分開(kāi)估算。Daugman博士[2]提出一個(gè)能夠精確檢測(cè)虹膜內(nèi)外邊緣的微積分算子,定義如下:

        式(1)用于圖像,通過(guò)不斷增大半徑r,沿著以半徑r和中心坐標(biāo)(x0,y0)的圓弧ds進(jìn)行輪廓積分,接著對(duì)線積分求偏導(dǎo),然后與均值 r0,方差 σ的高斯函數(shù)Gσ(r)卷積,選擇適當(dāng)?shù)摩疫M(jìn)行平滑濾波,從而實(shí)現(xiàn)查找瞳孔邊緣和虹膜外邊緣的功能。

        利用極坐標(biāo)系中的二維連續(xù)Gabor復(fù)小波變換得到特征點(diǎn)的復(fù)小波系數(shù),由此得到特征點(diǎn)的幅值信息的二比特編碼。再以Hamming距離為判據(jù)依據(jù)進(jìn)行判別,具體實(shí)現(xiàn)時(shí)利用虹膜編碼的偽碼完成對(duì)睫毛等干擾的糾偏[7-8]。

        4 結(jié)論

        將虹膜識(shí)別技術(shù)應(yīng)用與家畜過(guò)境控制中,初步建立了應(yīng)用模型,并介紹虹膜識(shí)別中的關(guān)鍵算法。大型動(dòng)物的虹膜識(shí)別技術(shù)尚處于萌芽階段,將該技術(shù)應(yīng)用于家畜過(guò)境控制等領(lǐng)域具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。該研究成果對(duì)家畜過(guò)境健康安全控制管理具有一定的參考價(jià)值。

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        [2] John Daugman.Biometric personal identification system based on iris analysis:USP,5291560[P].1994.

        [3] Masahiko Suzaki,Osamu Yamakita,Yuji Kuno,et al.A horse identification system using biometrics[J].Systems and Computers,2001,32(14):12-23.

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        [5] 孔 強(qiáng),趙林度.虹膜識(shí)別在肉類食品安全追溯系統(tǒng)中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009,3(1):155-160.

        [6] 李六爭(zhēng).虹膜識(shí)別算法的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2008.

        [7] 江 帆,高 濤,劉金安,等.基于獨(dú)立分量分析和徑向基網(wǎng)絡(luò)的人臉識(shí)別方法[J].電子設(shè)計(jì)工程,2008,16(10):64-66.

        [8] 左 玲,劉兆揚(yáng).并行遺傳算法和小波變換的混合多用戶檢測(cè)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2008,16(9):14-15.

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