楊旭磊
(東南大學 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虹膜。虹膜識別[1-4]的唯一性、穩(wěn)定性以及高度準確性和隱蔽性等特點,使其成為一種很有前景的生物識別方法。
本文依據大型動物虹膜識別這一身份惟一性驗證,將大型動物虹膜識別技術(以牛的虹膜識別為例)引入家畜過境控制,為家畜進行“身份認證”,初步構建基于虹膜識別的家畜健康安全信息溯源系統(tǒng),實現大型動物個體溯源,并借鑒人眼虹膜識別相關技術,初步探索牛的虹膜識別的關鍵技術。
家畜過境控制包含引發(fā)肉食品安全問題的因素,在國際經濟貿易中尤為重要。因此家畜本身攜帶的傳染性疾病成為過境控制的關鍵。在出境控制中需要獲取以下信息:1)飼養(yǎng)地點。了解家畜的原產地、品類特質、生理表象等信息;2)飼養(yǎng)時間。了解家畜的生理年齡、健康表征以及預期可飼養(yǎng)存活時間;3)飼料情況。飼料是推斷家畜健康情況的重要依據,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,不同的生理信息標志家畜不同的成長階段和健康狀況。
在入境控制中需獲取以下信息:1)運往地區(qū)。家畜能否適應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;2)生理信息。主要是對家畜健康情況的再次檢測確認,以及檢疫是否攜帶有傳染病。
基于虹膜識別技術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)識別和追蹤家畜從其養(yǎng)殖、屠宰、分割、加工等過程到消費者的整個供應鏈的信息,并記錄上述過程中的關鍵安全信息。基于虹膜識別的可溯源系統(tǒng)主要應用大型動物虹膜的可識別性對大型動物進行身份認證,將虹膜信息轉化為編碼記錄在供應鏈的各個環(huán)節(jié)。
在飼養(yǎng)階段,采集大型動物的虹膜圖像并對其處理,得到虹膜圖像編碼并錄入虹膜信息數據庫;在飼養(yǎng)場至機場的這段供應鏈上,屠宰、加工、包裝、配送等環(huán)節(jié)的信息也應錄入虹膜信息數據庫;如果是活體運輸,應與虹膜信息數據庫保持該活體虹膜信息的實時更新。用戶(飼養(yǎng)人員,機場人員、加工廠人員等)只需對出現安全問題的活體掃描虹膜,在虹膜信息數據庫中進行檢索查找匹配,即可實現家畜安全信息溯源。
相關人員借助虹膜識別模塊可完成圖1中的每一個環(huán)節(jié),如圖2所示[5]。此模塊可以實現虹膜信息注冊、信息查詢和大型動物個體溯源3個功能。
圖2 個體虹膜識別模塊
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。人眼虹膜識別技術已較為成熟,這對牛眼虹膜識別技術具有重要的借鑒意義。依照人眼虹膜識別研究,虹膜識別技術一般分為圖像采集、品質評價、預處理、特征提取、編碼、特征匹配等階段。參考人眼虹膜識別步驟,牛的虹膜識別步驟如圖3所示。
圖3 牛的虹膜識別步驟
牛眼過大的眼球轉動、牛頭部的偏轉,以及牛眼睫毛對虹膜的覆蓋都會影響圖像質量,一般是采集大量圖像,再從中選取質量較高的圖像。而牛眼中間凸出較嚴重,有很強的聚光性,導致圖像中牛眼中間的光斑很大。趙林度等[5]認為中央光斑覆蓋的是整個瞳孔區(qū)域和小部分虹膜區(qū)域。在人眼虹膜識別中,只選取部分虹膜區(qū)域就可實現特征提取和匹配,少部分虹膜的缺失不會影響虹膜的識別率,因此可將中央光斑部分近似看作瞳孔區(qū)域。
采集圖像并篩選出優(yōu)質圖像,在實際獲取的圖像中,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,即定位虹膜的中心和內、外邊緣并對虹膜圖像的大小進行歸一化處理,從而糾正圖像的漂移、旋轉及比例放縮?!捌啤笔怯捎跓o法保證虹膜圓心精確位于圖像的中心造成的;“旋轉”是由頭的傾斜或眼球的旋轉造成的;“比例放縮”是由于拍攝距離的遠近不同造成的[6]。
特征提取是分析預處理后的數據過程,即將大量數據轉換成若干特征的過程。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小紋理特征都能體現出來。提取虹膜的紋理特征識別時,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,因為幅度信息差異不明顯,且受到諸多因素(如圖像的對比度、拍攝圖像時的光照強度等)影響。
基于Gabor變換的虹膜識別算法的具體實現如下:首先求取虹膜內外邊界的灰度閾值,利用圓探測法求最大值來獲得虹膜內外邊界圓的參數,并利用坐標變換實現歸一化。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個參數必須與虹膜的圓周分開估算。Daugman博士[2]提出一個能夠精確檢測虹膜內外邊緣的微積分算子,定義如下:
式(1)用于圖像,通過不斷增大半徑r,沿著以半徑r和中心坐標(x0,y0)的圓弧ds進行輪廓積分,接著對線積分求偏導,然后與均值 r0,方差 σ的高斯函數Gσ(r)卷積,選擇適當的σ進行平滑濾波,從而實現查找瞳孔邊緣和虹膜外邊緣的功能。
利用極坐標系中的二維連續(xù)Gabor復小波變換得到特征點的復小波系數,由此得到特征點的幅值信息的二比特編碼。再以Hamming距離為判據依據進行判別,具體實現時利用虹膜編碼的偽碼完成對睫毛等干擾的糾偏[7-8]。
將虹膜識別技術應用與家畜過境控制中,初步建立了應用模型,并介紹虹膜識別中的關鍵算法。大型動物的虹膜識別技術尚處于萌芽階段,將該技術應用于家畜過境控制等領域具有很大的現實意義。該研究成果對家畜過境健康安全控制管理具有一定的參考價值。
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