一种基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置的制作方法

1.本发明涉及虹膜识别技术和汽车领域，具体涉及一种基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置。


背景技术：

2.随着经济社会的发展和生活水平的提高，汽车作为一种便捷的交通工具，正在加速普及，汽车保有量和人均拥有量逐年增加。但是汽车在高速公路上行驶、通过海关、进入停车场甚至驶入住宅小区时，都需要缴纳一定费用，而人工收费时间长，极易造成车辆拥堵。近几年，国内正在高速公路网收费站不断推进不停车收费系统(electronic toll collection，简称etc)以代替人工收费。 etc通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站etc车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的。随着图像处理技术的发展与应用，车牌识别、指纹识别、人脸支付等全新的车辆缴费通行方式也开始逐渐普及。
3.在享受着便利的同时，各种车辆缴费支付问题也随之而来。etc电子标签支付，安全性差，如果没有及时取出支付卡，极易被不法分子盗刷，同时无法对车主身份进行确认；使用成本高，办理流程繁琐。车牌识别并不能保证当前的人车一致，如果不设置二次支付确认，车辆被偷、车牌被伪造时账户余额极易被盗。指纹识别需要驾驶员停车，进行身体接触支付，影响通行效率，体验差。人脸识别支付也存在安全风险。因此，就需要一种新的车辆缴费技术或装置以解决当前面临的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是基于远距离虹膜识别技术解决当前车辆关卡通行缴费支付时安全性低、无法对驾驶员身份进行验证、信息不一致、不够便捷、成本高、技术推广难度大等问题，降低使用成本，可以行进中识别，可以多人识别，余额不足时可自动信用支付或同车人代付，降低支付失败率，提高通行效率，推动关卡通行领域的技术升级。
5.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
6.一种基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，包括：
7.场景相机，用于监测工作区域内车辆情况，计算车辆姿态信息，对车牌进行检测与识别；
8.虹膜采集单元，用于对驾驶员或车内其他乘坐人员的虹膜快速自动对焦与成像，通过与后台虹膜数据库进行对比完成身份验证；
9.自适应光源，为光源角度和亮度可控的光源，用于为虹膜成像提供补光；
10.所述的场景相机、虹膜采集单元以及自适应光源模块装在一个转台上；
11.源启动和功率调整，以及虹膜采集单元抓拍，对车牌识别及车辆信息查询结果和驾驶员身份信息进行二次核对，然后根据信息比对结果通过缴费系统完成缴费以及支付完
成后打开拦杆机；
12.所述缴费系统，用于根据身份自动从关联账户依据账户优先级完成扣款或是通过信用支付。
13.本发明具有如下特点：
14.1.安全可靠。虹膜支付是当前最安全的一种的生物特征支付方式之一。
15.2.便捷。无需预存费用，基于驾驶员账户直接进行云支付，方便快捷，账户余额不足时还能信用支付或他人代付。
16.3.成本低。不需要如etc每个车安装etc电子标签，避免前期投入。
17.4.信息融合。车牌识别和虹膜识别相融合，实现更高安全程度的信息融合身份识别。
18.5.支付可视化。车辆缴费过程全程可视化，方便交通管理部门监管和追溯。
19.6.远距离。最远识别距离可至10m。
20.7.行进中识别。解决虹膜静态识别问题，实现车辆低速运行、不停车状态下即可完成识别。
21.8.适应复杂条件。利用近红外的穿透、基于偏振成像技术，无需摇下车窗、摘掉眼镜，也可完成身份验证。
22.本发明主要面向车辆关卡通行的场景，相比车牌识别支付、车辆驾驶员人脸支付、etc电子标签支付通行等方式，可显著提升账户支付的安全性和可靠，可动态识别，无需等待，可信用支付，改善缴费交互体验，满足复杂条件下身份验证要求，提高车流通量，全程支付可视化，监管方便，在etc、海关通行、住宅小区、停车场等领域应用前场广阔，同时扩展虹膜识别技术的应用范围。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置的示意图。
25.图2是基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置安装结构的示意图。
26.图3是基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置虹膜采集单元的示意图。
27.图4是基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置液体透镜原理的示意图。
28.图5是基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置应用案例示意图。
具体实施方式
29.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.由于虹膜识别技术作为一种更安全、更可靠的生物特征识别技术，在移动支付、金融管理领域有着越来越广泛的应用。因此，将移动支付和虹膜识别技术应用到车辆关卡通行缴费领域，大大提高金融账户安全，提高车辆通行效率，实现安全、便捷服务。从而本发明
的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，极大地提高了安全性、可靠性、便捷性，同时降低了使用成本。
31.如图1所示，一种基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，包括：
32.场景相机，控制系统，虹膜采集单元，自适应光源、缴费系统、通信系统和二维转台。
33.场景相机，可以使用自带红外补光灯的监控摄像头，集成到装置内。
34.虹膜采集单元，用于对驾驶员或车内其他乘坐人员的虹膜快速自动对焦与成像，通过与后台虹膜数据库进行对比完成身份验证；
35.自适应光源模块，为光源角度和亮度可控的光源，用于为成像提供补光；
36.所述的场景相机、虹膜采集单元以及自适应光源模块装在一个二维转台上，可以是集成一个装置外壳中，如图2所示；
37.控制系统，用于根据所述场景相机的检测结果自动控制所述二维转台调整角度、光源启动和功率调整，以及虹膜采集单元抓拍，对车牌识别及车辆信息查询结果和驾驶员身份信息进行二次核对，然后根据信息比对结果通过缴费系统完成缴费；
38.所述缴费系统，用于根据身份自动从关联账户依据账户优先级完成扣款，支付完成后打开拦杆机。
39.为使装置的结构更加紧凑，所述场景相机可以独立安装，非集成安装，也可以通过网线连接到装置的rj45接口。场景相机可使用普通监控摄像头，对规定好的工作区域进行实时监测，当检测到有车辆驶入后即开始对车牌进行识别，并作为触发信号使虹膜采集单元开始工作，相比etc，不需要每个车辆都安装 etc电子标签，识别通过后直接进行云支付，方便、快捷。
40.当前高速公路上，etc车辆缴费原理是靠车载etc电子标签通过某一波段被收费站内的etc设备感应到，然后完成针对该车辆的从充值卡里自动扣费。但是这样就需要开通etc功能的车辆都要购买并安装etc电子标签，费时费力，成本高。场景相机的使用就可以避免etc电子标签的安装，在同样实现对车辆的检测时，也可对车牌进行识别，并使整个过程都在可视化监管范围下。
41.其他场景中的车辆缴费方式也都存在账户支付不够安全、通行效率低问题，所以本发明创造性的将当前流行的移动支付和更安全的虹膜识别相结合的技术应用到车辆缴费通行领域，以解决相关的技术问题。
42.需要说明的，本发明的技术手段也可以进行技术拆分应用，如单独将虹膜识别应用于身份验证通行的领域。
43.另外，本发明通过对车辆车牌识别与车辆信息查询结果和驾驶员身份信息进行二次核对，最大限度保证支付安全；若信息不一致，将向原车主推送警示信息，如包括在某某时间、某某地点、某某人驾驶该车辆进行了etc支付。而且上传到交通管理系统同，这样交通管理系统可以对异常驾驶员信息进行查验，确认是否无证驾驶、非法驾驶。
44.其中，所述的自适应光源安装于二维转台上，控制系统可根据场景相机反馈的成车辆位姿信息，控制二维转台转动，使辅助光照亮指定区域进行成像。
45.该管理装置通过与个人信用系统关联，如果余额不够，信用分数高的人可以先使用后扣款，车内同乘人员也可以通过虹膜识别进行支付。
46.本发明使用远距离非接触虹膜识别技术，相比人脸识别更安全、更可靠，无需像指纹识别进行接触，优势更大，无需专门的etc卡、通行卡，节约成本，可与驾驶员身份绑定。
47.本发明的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置可以整体安装于拦杆机的一侧，多路装置可共用一个数据处理平台，同时工作时，并发独立运行。
48.本发明中的虹膜识别距离1-10米，可以多人同时检测识别；可判断车辆是否违规超载。近红外光下成像，不受环境变化影响，白天、黑夜、雨雾条件下都可正常识别。成像具有穿透力，可以在摇下车窗和车窗遮挡两种状态下进行识别，不受玻璃类型、颜色影响。通过液体透镜使虹膜成像景深极大扩展，可以快速调焦，可实现车辆静止和车辆移动两种模式下对车内人员的识别。
49.本发明中虹膜采集单采用偏振成像技术，可以去除车窗和驾驶员眼镜的反光，可在佩戴眼镜状态下进行识别。
50.所述虹膜采集单元3为本发明的关键硬件，如图3所示，包括虹膜相机3.1、液体透镜3.2、高分辨率的成像镜头3.3和偏振片3.4。液体透镜3.2通过标准螺纹安装在所述的虹膜相机3.1和所述的高分辨率成像镜头3.3之间，利用电湿润原理实现变焦，响应速度快、寿命长，屈光度可达。偏振片3.4置于高分辨率的成像镜头3.3的前端。
51.虹膜相机3.1为专用iris工业相机，像素＝》1200万，像元尺寸》3.0*3.0um，对850nm波段近红外光的敏感度》15％，传感器靶面≥2/3”，是虹膜成像的主要部件，直接决定虹膜图像的尺寸。
52.液体透镜3.2安装在相机和镜头之间，屈光度-10dpt～10dpt，响应时间7ms，标准c口外壳，铝壳，导热散热性能好。该液体透镜基于电湿润(ewod)原理，通过改变液体的曲率来改变焦距，两侧有第一保护玻璃1以及第二保护玻璃2，保护玻璃之间为两个液体腔，即第一液体腔1及第二液体腔2，工作时，液体腔的外圆圆环不发生改变，通过驱动电流的增加或减少控制音圈的管筒挤压弹性薄膜，使光学液体流入或流出，实现液体透镜焦距变化。通过使用液体透镜可以快速对焦，实现景深景深极大扩展，可以更好满足车辆行驶过程中的动态识别。
53.成像镜头3.3为电动变焦镜头，使用rs232通信线基于非标协议控制变焦电机和调焦电机的运动实现调焦，1～10m距离只需变焦几次，配合液体透镜即可实现全覆盖。
54.本发明的示意图只是对安装方式进行示意，同时镜头根据需要也可以是定焦镜头。
55.偏振片3.4由螺纹固定在电动变焦镜头(成像镜头3.3)的前端，因为在自然条件和光源补光情况下，车窗玻璃、人戴的眼镜都极易引起反光，这会掩盖虹膜信息，造成特征提取失败甚至无法定位到虹膜，但是使用偏振片就可以很好消除反光造成的影响。偏振片由特殊材料制作而成，它上面有一个特殊的方向(透振方向)，只有振动方向与透振方向平行的光波才能透过偏振片。偏振片一般由起偏器和检偏器组成，通过起偏器之后的光称为偏振光。
56.作为一个可选的实施例，所述的自适应光源4安装在虹膜采集单元的下方，为虹膜成像提供足够补光；波段850nm，为由大功率led近红外灯珠组成的面光源；由于要满足10m补光要求，最大功率工作时发热量很大，所以光源背面安装有被动散热器和主动散热风扇，散热风扇的转速可以根据安装在灯珠板上的温度传感器自动调节。基于直流调速器，当温
度高时，增大电流，转速加快，加大散热；当温度低时，减小电流，转速减慢，低于温度阈值时，散热风扇进入等待状态，以此实现节能。
57.其中，所述自适应光源配有控制器，亮度调节划分为0～255级，控制器通过rsr232与数据处理平台连接。当场景相机检测到有车辆驶入时，在检测车牌的同时，会估算车辆的距离、方位，然后控制系统根据距离自动控制光源亮度，实现不同距离都能补光均匀。
58.车辆由远及近行驶的过程中，相对于虹膜相机坐标系，车辆驾驶员的虹膜坐标是在不断变化的，所以就需要虹膜采集单元和自适应光源的角度进行适当调整，以适应人眼部位置。因此，虹膜采集单元和自适应光源安装在二自由度可控的转台7上，转台体积小，结构紧凑，可以绕x轴和y轴方向转动，使用伺服电机和编码器进行精确控制，控制系统只需要将相应的角度通过rs232转台控制线发送至转台控制器，转台两个方向可同步转动，并运行到目标位置。转动的俯仰角和方位角又场景相机检测结果计算得到，具体需要根据场景相机的安装位置确定。
59.控制系统2包括控制二维转台角度调整、对虹膜相机的触发控制、液体透镜的电流调整、对场景相机检测结果的监测、控制光源的亮度、控制散热风扇的转速、控制变焦镜头电机运动、根据反馈的角度控制转台的转动、控制拦杆机的打开/关闭，身份验证结束后会自动进入缴费系统。
60.缴费系统5的使用需要联网，是统一开发的一个后台结算系统，会根据驾驶员身份下绑定的支付账户依据优先级(如支付宝/微信/储蓄卡)自动免密完成扣款缴费。如果名下没有相应账户(极端情况)，则会缴费失败，拦杆机无法正常打开，拦杆机上的红色警报灯会发出提示。此时虹膜验证继续进行，可由同车人员再次进行虹膜验证进行二次缴费。
61.该缴费系统可以与个人信用系统绑定，当账户余额不足时，如果个人信用良好，可以享受先通行后缴费的服务，避免余额不足，车辆无法通行的问题。缴费成功后，控制系统自动控制拦杆机打开，同时会将当前交易信息打包通过通信系统发送至后台交通管理数据平台进行记录和显示。
62.通信系统6主要负责交易数据的传输，交易数据信息包括有车辆，驾驶员，同乘人员以及支付信息，如支付帐户，或是信息卡帐户等，同时系统会保存交易的可视化数据，供后续的管理和后期追溯。特别是对于非法车辆、违法犯罪人员，还可通过后台向交通警察发出报警提醒。
63.另外，本发明的通行管理装置外壳上可以装有高清电子显示屏，可以显示车牌、虹膜识别结果和图像，包括车辆注册人信息、当前车辆缴费人信息以及此次的行程、缴费金额信息。同时，缴费失败时，会有相应交易失败原因错误提示，方便车辆人员调整缴费方式，提升交互体验。
64.本发明场景相机对车牌的识别由于可以与虹膜验证结果相比对，确认是否人车一致，实现驾驶员信息的二次检查，提高安全性。如果人车不一致，还可以通过短信根据原车主的预留信息向其发出警示短信。这样不仅完全避免了支付的不安全问题，而且也进一步确保了车辆的安全。
65.当一辆车缴费通行之后，装置会自动进行下一个车辆的识别缴费，实现对前排多个车辆的快速扣费通行服务。这样当第一辆车通行后，拦杆机不落下，第二辆车可以紧随通行，这将能大大提高车辆的通行效率，避免长时间排队或车道拥堵问题。
66.图5为本发明的一个具体案例示意图，一辆载有4人的车辆104正从装有本发明的车道经过。需要说明的是，由于不同场景，本发明装置的安装、应用方式基本类似，所以不能把该图作为本发明应用的限制。本发明可以应用于 etc、海关通关、停车场、住宅小区等多种场景。同样，适用的车辆包含普通小型汽车，但并限于此，对其他的车辆同样适用。
67.本发明的关卡通行管理装置101安装在可调支架103上，可调支架可在竖杆上可以上下调节，通过螺钉固定；装置的角度后续可根据情况调整；拦杆102 开始时阻挡车辆前行。当车辆104从远慢慢靠近拦杆机时，关卡通行管理装置101的场景摄像头会检测到当前车道有车辆驶入，然后自动启动车牌检测和识别功能，根据识别出的车牌号从后台车辆登记管理数据库中检索出该车辆信息；同时将车辆的距离、高度等信息发送至控制系统，控制系统经过计算分析，得出二维转台的偏转角度和光源的亮度值，并控制其运动到目标位置或达到目标值；然后出发虹膜相机开始采集虹膜，同时控制变焦镜头和液体透镜达到预设位置，使虹膜图像清晰，视场大小合适。
68.对于车辆中有多人105，在不摇下车窗时，会对主驾驶和副驾驶座位人员同时进行虹膜采集。这样在主驾驶员身份验证异常时，可以利用副驾驶员身份缴费通行，避免较长时间等待或影响后面的车辆通行。如果摇下车窗，也可以同时对后排的乘坐人员进行识别，并且无需摘掉眼睛，依据设定的身份支付优先级，完成此次车辆缴费，只需一人成功即可通行，支付失败风险大大降低。
69.身份验证后，缴费系统会根据该身份下绑定的账户，在后台与银行或第三方金融机构自动完成付款结算；如果账户余额都不足，还可根据个人征信系统的个人信用数据，实行先交后付，信用支付的服务。支付成功后，控制系统控制拦杆机102打开，对当前车辆放行；同时，通过通信系统将此次交易数据上传后台交通管理大数据平台。场景相机使整个过程都处于透明、公开、可视化的环境之下，同时对车辆相关的一些违法犯罪也可以起到一定震慑作用，有助于场景还原和问题追溯。
70.本发明使用远距离非接触虹膜识别技术，相比人脸识别更安全、更可靠，无需像指纹识别进行接触，优势更大，无需专门的etc卡、通行卡，节约成本，可与驾驶员身份绑定。
71.本发明主要面向车辆关卡通行的场景，相比车牌识别支付、车辆驾驶员人脸支付、etc电子标签支付通行等方式，可显著提升账户支付的安全性和可靠，可动态识别，无需等待，可信用支付，改善缴费交互体验，满足复杂条件下身份验证要求，提高车流通量，全程支付可视化，监管方便，在etc、海关通行、住宅小区、停车场等领域应用前场广阔，同时扩展虹膜识别技术的应用范围。
72.以上所述的具体实施方式，对于本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等效替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于，包括：场景相机，用于监测工作区域内车辆情况，计算车辆姿态信息，对车牌进行检测与识别；虹膜采集单元，用于对驾驶员或车内其他乘坐人员的虹膜快速自动对焦与成像，通过与后台虹膜数据库进行对比完成身份验证；自适应光源，为光源角度和亮度可控的光源，用于为虹膜成像提供补光；所述的场景相机、虹膜采集单元以及自适应光源模块装在一个转台上；控制系统，用于根据所述场景相机的检测结果自动控制所述转台调整角度、光源启动和功率调整，以及虹膜采集单元抓拍，对车牌识别及车辆信息查询结果和驾驶员身份信息进行二次核对，然后根据信息比对结果通过缴费系统完成缴费以及支付完成后打开拦杆机；所述缴费系统，用于根据身份自动从关联账户依据账户优先级完成扣款或通过信用支付。2.根据权利要求1所述的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于，包括有通信系统，用于将交易信息上传后台交通管理平台，所述交易信息包括车辆、驾驶员、支付信息。3.根据权利要求1或2所述的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于，所述虹膜采集单元包括虹膜相机、液体透镜、高分辨率的成像镜头和偏振片，所述液体透镜通过螺纹安装在所述虹膜相机和所述高分辨率的成像镜头之间，利用电湿润原理实现变焦。通过所述液体透镜使虹膜成像景深进行扩展，可快速调焦，实现车辆静止和车辆移动两种模式下对车内人员的识别，所述偏振片置于高分辨率的成像镜头的前端；所述成像镜头为电动变焦镜头，使用rs232通信线基于非标协议控制变焦电机和调焦电机的运动实现调焦，所述偏振片用于去除车窗和驾驶员眼镜的反光，实现在佩戴眼镜状态下进行识别。4.根据权利要求3所述的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于，所述的虹膜采集单元的虹膜识别距离为1-10米，可多人同时检测识别，判断车辆是否违规超载。5.根据权利要求4所述的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于.所述的虹膜采集单元的成像具有穿透力，能在摇下车窗和车窗遮挡两种状态下进行识别，不受玻璃类型、颜色影响。6.根据权利要求1或5所述的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于，所述缴费系统与个人信用系统关联，如果余额不够，信用分数高的人可先使用后扣款，车内同乘人员也可通过虹膜识别进行支付。7.根据权利要求6所述的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于，所述自适应光源采用不受环境变化影响的近红外光源。8.根据权利要求1或7所述的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于，所述自适应光源配有控制器，亮度调节划分为0～255级，控制器通过rs232与数据处理平台连接；当场景相机检测到有车辆驶入时，在检测车牌的同时，会估算车辆的距离、方位，然后控制系统根据距离自动控制光源亮度，实现不同距离都能补光均匀。9.根据权利要求1或7所述的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于，所述场景相机使用自带红外补光灯的监控摄像头，所述转台为二转台。
10.根据权利要求1或7所述的基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，其特征在于，在对车辆车牌识别与车辆信息查询结果和驾驶员身份信息进行二次核对，若信息不一致，向原车主推送警示信息，包括在某某时间、某某地点、某某人驾驶该车辆进行etc支付；或上传到交通管理系统，对异常驾驶员信息进行查验，确认是否无证驾驶、非法驾驶。

技术总结
本发明公开了一种基于远距离虹膜识别的关卡通行管理装置，包括场景感知相机、虹膜采集单元、自适应光源、控制系统、缴费系统；当场景相机检测到有车辆驶入时，识别车牌并获取车辆信息，控制系统打开自适应光源，同时调整光源角度和亮度；控制系统控制虹膜采集单元采集车辆内人员虹膜，在线与后台虹膜数据库比对验证，确认驾驶员信息后将该驾驶员信息发送到缴费系统；缴费系统自动检索与目标身份绑定的支付账户，根据优先级自动完成扣款缴费或信用支付；缴费完成后控制系统控制打开拦杆机放行。本发明关卡通行缴费支付更安全、可靠，可有效去除玻璃或镜面反光，不需要摇下车窗或摘掉眼镜，识别距离远，可在行进过程中可完成识别，无需停车等待。需停车等待。需停车等待。


技术研发人员：孙哲南 张堃博 谭铁牛 申振腾
受保护的技术使用者：天津中科智能识别产业技术研究院有限公司
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2022/3/8