窄带滤光片在人脸识别中的应用

窄带滤光片在人脸识别中的应用 上海兆九光电技术有限公司 汤兆胜博士

人脸识别技术是对人的脸部特征信息进行识别，它是一种生物识别技术。用图像采集装置采集含有人脸的图像或视频流，并根据图像自动检测和跟踪人脸，并对人脸进行特征定位、提取，通过比对辨识达到识别不同人身份的目的。人脸识别的运算是非常巨大的，而初始图像质量的好坏以及算法优劣对识别效率有决定性的影响。这里，我们主要针对人脸识别系统中的图像采集装置所用到的窄带滤光片进行分析，目的是帮助使用者更好地了解窄带滤光片的作用和使用方法，以便正确选择窄带滤光片的技术指标。 由于人脸识别的计算量很大，目前都是基于黑白灰度图像进行识别的。其图像采集的结构示意图如图1所示。

图1 人脸识别图像采集示意图 1. 光源特点

人脸识别的图像采集装置中，光源一般采用高功率的红外二极管，波长以850nm和940nm居多。为提高识别效率以及提高光的利用率，从光源选择开始就要考虑到整体设计。虽然市面上购买的LED标称值都是850nm或940nm，但在测量具体的LED产品中心波长时发现还是有不少偏差的。以850nm的LED为例，其实际中心波长有835nm的，也有865nm的。由于人脸识别系统中采用的光源为多颗大功率LED阵列，如果各个LED的中心波长不一致，所有LED的光谱在叠加之后， 综合的光谱带宽会展宽。单个850nm的LED带宽在50nm左右，如果由于中心波长不一致，多个LED叠加后的光谱带宽将会变成很宽。这对后续的窄带滤光片带宽的选择、能量利用率以及信噪比的提高都是十分不利的。所以要求在选择LED光源时，中心波长要一致。另外，LED光源随着工作温度的升高，其中心波长是向长波漂移的，每升高10℃，LED的中心波长向长波漂移1nm左右。而且随着工作温度的升高，LED的发光效率快速下降，当升高到85℃左右时，LED的输出效率降到50%左右。因此要求LED光源的散热效果良好。还有，在选择LED发光管的发散角时，以较小的发散角为好，这样可以提高光源的能量利用率。

2. 接收器特点

在人脸识别系统中，接收器基本上采用CCD图像传感器。CCD具有体积小、重量轻、失真度小、功耗低、可低压驱动、抗冲击、抗振动、抗电磁干扰强的优点，因此被广泛应用于各种图像采集系统。在人脸识别系统中的CCD基本上是硅衬底的，其光谱响应范围为400nm~1100nm，该范围也就是窄带滤光片要考虑的光谱范围。

3. 窄带滤光片选择与注意事项

窄带滤光片主要是用来隔离干扰光，透过信号光，充分突显有用信息，减小干扰信息，为后续的图像处理和识别奠定基础。在目前，人脸识别主要应用在各种场合的考勤和门禁系统。有的是安装在室内光线较暗的地方，有的是安装在较为明亮的地方。不同场合下，干扰光的强度是不同的，因此对窄带滤光片的要求也不同。

我们发现，人们经常用隔离可见光透过红外光的红外玻璃作为干扰光隔离滤光片，当然也能收到一定效果。但是，普通的红外玻璃只是隔离了可见和紫外部分的光，并没有隔离红外光。而在实际的干扰光中，从可见到红外都是存在的，因为太阳光的光谱很宽，并且漫反射或散射的太阳光是主要的干扰源。因此，想得到良好的抗干扰效果，必须采用窄带滤光片。吸收型的红外玻璃与窄带滤光片在透过率性能上的比较如图2所示。从图中可以看出，不管是哪种牌号的红外玻璃都只隔离了可见光，对红外光没有任何阻挡效果，而窄带滤光片对信号光谱范围之外的所有干扰光的隔离都是很有效的。

图2 3mm厚的红外玻璃与0.55mm厚的干涉窄带滤光片曲线比较 4. 窄带滤光片带宽的确定 窄带滤光片的带宽不是越窄越好，也不是越宽越好，要根据所处的环境及采用的光源共同决定。850nm的红外LED其带宽在50nm左右，选择窄带滤光片时要考虑到光能量的利用率，所以不能把窄带滤光片的带宽定得太窄，对于LED光源，15nm以下的带宽就不大合适。一方面因为太窄的带宽将LED很大一部分较强的信号光拒之门外，另一方面因为太窄的带宽使滤光片的有效使用角度变得很小，有可能导致所拍的图像中间亮边缘暗的现象。经过实践检验，发现将LED的发光强度可利用的门槛设在70%左右时，所拍摄的图像仍具有相当好的对比度，因此，窄带滤光片的带宽可以选在30nm左右，见图3中的阴影部分。对抗干扰要求稍高的，可选择20nm带宽的。从目前用户的反馈来看，兆九光电生产的两种主打850nm窄带滤光片，一种是30nm带宽的，另一种是20nm带宽的，后者选用的人比较多。

图3 850nm LED的光谱分布 5. 窄带滤光片中心波长的确定

从理论上说，窄带滤光片与选用的LED中心波长重合是最好的。但是，我们在前面提到过两个因素，一个是入射角度效应，另一个是LED本身的发热问题，这两个因素对窄带滤光片的中心波长选择会产生细微调整。首先来看角度效应，在实际摄像过程中，从人脸上反射过来的光到达滤光片总有一定的角度范围，比如在±10°以内，这样入射到滤光片的光线不但有0°的，也有0~10°之间的，当窄带滤光片在遇到带角度的光线入射时，窄带滤光片的中心波长将向短波方向移动，例如对0°入射时中心波长为850nm的窄带滤光片，当入射角是10°时，中心波长就移到了847nm。再来看热效应，当LED的温度升高10℃时，LED的中心波长将向长波方向移动1nm。这两个影响因素促使我们在确定窄带滤光片的中心波长时，应该考虑到使用过程中的变动因素。所以，事先应将窄带滤光片的中心波长定在比LED的中心波长大5nm左右。这样，兼顾了0°到10°左右时的入射情况，同时，也考虑了温升导致LED中心波长上移的情况。

6. 截止范围的确定

窄带滤光片的截止范围主要是根据接收器本身的响应范围和接收器所处环境中的干扰源波长范围决定的。接收器CCD的响应范围为400~1100nm。在人脸识别场合，干扰源主要是漫反射或散射的太阳光和周边的人造光源，跨越的波长范围很广，从紫外一直延伸到近红外。综合这两者原因，人脸识别用的窄带滤光片的截止范围可以确定为400~1100nm。

7. 截止深度的确定 理论上讲，在截止范围内的透过率越低越好，但考虑到制作成本和实际需要，截止深度要选择在合理的数值。人脸识别系统中，当窄带滤光片的截止透过率小于1%时，干扰光的隔离效果已能明显体现。兆九光电生产的用于人脸识别的窄带滤光片，其截止透过率均在0.5%以下，使用效果很好。对于环境中干扰光强度特别大的应用场合，我们可以提供具有更高截止深度的产品满足客户需求。

8. 峰值透过率的确定

一般大家都会认为窄带滤光片的峰值透过率越高越好，大多数情况下这是正确的，但是在人脸识别应用中，情况并非总是如此。当人脸识别装置处在太阳光直射的环境下时，干扰光的强度非常大，与信号光相同波长的干扰光也很强，这个干扰光是无法通过窄带滤光片去除的。这时要提高抗干扰能力需要进一步增加LED光的入射强度，使信号光的强度比干扰光的强度大数倍以上。增加LED光源的强度从实现方法上比较简单，只要增加LED的个数就行，但是当LED光的能量强到一定值时，再加上来自与LED同波长的干扰光的能量，CCD接收器的响应很容易就饱和了，使图像失真严重，即使通过软件的办法降低曝光量，也未必能解决这个问题。这时，就需要窄带滤光片在滤除截止区域的干扰光的同时，对信号光波段要起到一定的衰减作用，根据实际情况会要求窄带滤光片的峰值透过率为40%，或者60%，或者其他数值。

为加深印象，举一个例子说明。假设人脸识别装置所处的环境中有很强的400~1200nm范围内的干扰光，设在每一个波长下的强度均为5（任意的数值，为了说明方便），也就是说在850nm附近的强度也是5，用了窄带滤光片之后，在850nm附近的通带之外的干扰光会被截住，对成像影响不大，但在850nm附近的光，是畅通无阻的。因此，850nm附近的干扰光要进入到成像系统与LED发出的光一起参与成像。如果LED发出的光强度是5，那么信号强度与噪声强度相当，这个图像质量就很差。于是，我们增加LED的个数，使其光强提高到15，这时，信号与噪声的比例成了3：1，比先前的1：1要好很多了。可是，这样进入到CCD的光强总和就到了20，假设CCD在接收到15的强度时就要饱和，显然这时已经饱和了。为了让CCD能正常显示高保真图像，我们可以让窄带滤光片的峰值透过率选在50%，这样进入到CCD的总能量为10，低于饱和值。

9. 滤光片厚度的选择

考虑到成本因素，目前人脸识别系统中用的CCD接收器以及对应的透镜组基本上是现成的，属通用型的，被广泛用在网络摄像头或手机摄像头上。而这种通用型的摄像头的调焦范围都比较小，如果在CCD前方放置一片滤光片，就会引入多余的光程差，使成像模糊，当这个光程差比较小时，通过微调焦距还能使图像清晰，但当滤光片的厚度较大时，引入的光程差也较大，通过微调焦距有可能调不过来，导致图像模糊。因此，很多人都将滤光片放置在CCD摄像头的镜头前方，而不是放在CCD传感器的前方，因为这样放置相当于滤光片没有干预成像光路。但是，放在镜头前方的滤光片尺寸大，安装不方便，又不美观，所以许多人都希望能把滤光片的面积变小，又能放置在CCD传感器前方，内置在摄像头内，既节约了滤光片的成本，又不影响外观。要想把滤光片置于摄像头之内，要求滤光片的厚度很薄，经过实践用0.55mm或0.7mm厚的滤光片是合适的。

兆九光电为了实现超薄设计，利用全介质硬膜镀膜技术成功实现了在0.2mm以上的玻璃基片上镀制窄带滤光片的技术，并获得两项国家级的创新基金项目支持。

10. 在需要拍摄大角度视野时应注意的事项

如果需要拍摄大角度的视野，窄带滤光片需要放置在离CCD或CMOS最近的地方，也就是需要内置在摄像头内部。如果直接把滤光片放置在摄像头镜头的前方，拍摄的角度一般在20°以内。

11. 有大角度的干扰光存在时应注意的事项