JP2013200565A - ストロボ式画像キャプチャを提供するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イメージ・システムが目などの物体の正確な画像を物体を損傷せずにキャプチャすることを可能にするシーンに照射するための方法および装置を提供することを課題とする。
【解決手段】ストロボ式画像キャプチャのための方法および装置が、信号対雑音比を向上させ、動きのぶれを減少させ、照明感知可能物体の解析に使用されるセンサ・システム内の物体の損傷を回避するために、１つまたは複数のカメラと同期されたストロボ式照明を含む。
【選択図】図１

Description

本出願は、一般には、物体が照明感知可能である、物体センサ・システムで使用する画像キャプチャに関する。より詳細には、本発明の一実施形態は、バイオメトリック・センサ・システムで使用するビデオ画像を提供するためのストロボ式ビデオ・キャプチャに関する。

本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００５年４月１１日に出願した米国仮出願第６０／６７０２０３号の優先権を主張するものである。さらに、本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００６年１月１９日に出願した同時係属の米国出願第１１／３３４９６８号、表題「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｓｔｒｏｂｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｃａｐｔｕｒｅ」、Ｌｏｌａｃｏｎｏ他、整理番号第１８７０３−６８８号の優先権を主張するものである。さらに、本出願は、参照により本明細書にやはり組み込まれている同時係属の米国出願、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ Ｉｒｉｓ Ｂｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｍｉｎｉｍａｌｌｙ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｓｅｔｔｉｎｇｓ」、Ａｍａｎｔｅａ他、整理番号第１８７０３−６４０号に関する。

本発明は、米国政府の支援を受けて、契約番号ＮＭＡ４０１−０２−９−２００１−００４１のもと行われたものである。米国政府は、本発明において、ある特定の権利を有する。

物体の監視または検査で使用されるイメージング・システムは、カメラおよび十分な照明を使用して物体の正確な画像を生成するように設計されている。一部の場合では、有用な画像を生成できるほど十分な照明は、イメージングされている物体の損傷を引き起こし、または別のやり方でそれを変更するのに十分な照明であり得る。過度な照明によって損傷を受けることがあるこうした１つの物体は、人間の目である。

人間の目が監視されるバイオメトリック・センシング技術は、人の識別および行動解析の際に有用になっている。たとえば、虹彩認識は識別のためのよく知られている技術であり、瞳孔測定、すなわち外部刺激への瞳孔の反応の測定は、たとえば睡眠不足、薬物乱用またはアルコール中毒の検出など、行動の解析に使用することができる。虹彩認識または瞳孔測定を使用して正確なバイオメトリック・センシングを容易にするために、人間の目の画像は、解析のために正確にかつ明確にキャプチャされなければならない。

市販の既製品ビデオ・カメラは一般に、３０Ｈｚのフレーム・レートに対応する３３ｍｓのフレーム周期で実行される。しばしば眼球運動は、その時間尺度で生じる。目の画像内の動きのぶれを回避するために、各フレームの露光時間は、多くのカメラで見られる電子シャッター能力を使用して減少されることがある。しかし、シャッター速度を１０倍減少させると、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）も１０倍減少し、他のすべてのパラメータは一定に保持される。物体の放射照度に制約がない場合は、Ｓ／Ｎの減少は、シーン放射照度（Ｗ／ｍ^２）を増加させることにより補償することができる。しかし、目をイメージングする場合は、安全性についての考慮から、放射照度についての厳しい制約がある。

したがって、イメージング・システムが目などの物体の正確な画像を物体を損傷せずにキャプチャすることを可能にするシーンに照射するための方法および装置が、当技術分野において求められている。

本発明は、照明感知可能な物体のストロボ式画像キャプチャ、たとえばバイオメトリック・アプリケーションのための被験者の目の画像を提供するための方法および装置である。このシステムは、イメージングされている物体が物体を照らすために使用される放射からの損傷を受けやすい、いずれの状況において使用してもよい。本発明の一実施形態では、少なくとも１つのストロボ式照明源が制御され、少なくとも１つのカメラが、ストロボ式照明源と同期される。カメラは、物体の画像（たとえばビデオ）をキャプチャする。カメラが物体、たとえば目の虹彩および／または瞳孔の画像をキャプチャする間、物体は、少なくとも一部ストロボ式照明源からの光子によって照明される。一実施形態では、被験者の目のキャプチャされた画像は、虹彩認識あるいは瞳孔測定のために使用してもよい。本発明の第１の実施形態では、画像は、識別のための虹彩に関する一意の情報を抽出するために処理される。第２の実施形態では、ストロボ式照明源は、瞳孔反応を刺激するために使用され、その反応は、ビデオ・カメラを使用してキャプチャされる。刺激に対する瞳孔の反応は、被験者に関する行動情報を提供するために解析される。第３の実施形態では、被験者に関する行動情報を提供するために、瞳孔の衝動性運動を解析することができる。

本発明の教示は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することによって容易に理解することができる。

本発明によるストロボ式ビデオ・キャプチャのための装置の例示的な一実施形態を示すブロック図である。 本発明の一実施形態で使用される照明制御装置のブロック図である。 瞳孔測定を実施するための本発明の一実施形態のブロック図である。 衝動性運動中の目のストロボ画像（４Ａ）と従来の照明を使用した画像（４Ｂ）との差を示す図である。 最大の許容可能ピーク順電流を１０Ｈｚのパルス・レートの一般的なＬＥＤアレイのデューティ・サイクルの関数として示すチャートである。 図５からのデータの解析を示すチャートである。

理解を促すために、可能であれば、同一の参照符号が諸図に共通の同一の要素を示すために使用されている。

本発明について、主にビデオ・キャプチャ・システムに同期されたストロボ式照明で虹彩画像のビデオ・キャプチャを提供するための方法および装置の一般的な文脈内で主に述べる。しかし、本発明は、過度な照明からの損傷を受けやすい任意の物体の照明を制御するために使用してもよい。

本発明の例示的な一実施形態は、ビデオ・カメラと同期されるストロボ式照明を生成することができる発光ダイオード（ＬＥＤ）／レーザ・ダイオード・アレイのための照明制御装置である。ビデオ・フレームの開始に関しての照明源（ストロボ）の期間、強度および位置は、特定のアプリケーションの性能を最適化するように調整することができる。ストロボ期間の間、光の強度は、十分なＳ／Ｎが維持されるように増加され、平均放射照度は、物体の安全な露光のため閾値限界値未満にとどまる。この能力の必要性は、人間の目のバイオメトリクスにおける作業、すなわち（ａ）虹彩認識、および（ｂ）責務に対する適性の調査のための瞳孔測定および衝動性運動解析から生じる。虹彩認識は、識別のためのよく知られている技術である。瞳孔測定は、瞳孔の外部刺激に対する反応の測定であり、光レベルへの自律圧縮／拡大の反応を指すこともある。衝動性運動は、目がある点から別の点へと急に動く眼球運動である。瞳孔応答および衝撃性運動の両方が、薬物、アルコールおよび睡眠不足による影響を受ける。こうした測定は、潜在的に危険な機器のオペレータをリアルタイムに検査するために使用され、それによって、より立ち入ったテストを実施する必要性が減少しまた取り除かれ得る。

図１は、本発明によるストロボ式ビデオ・キャプチャのための装置１００の例示的な一実施形態を示している。装置１００は、少なくとも１つのカメラ１０４と、少なくとも１つの照明源１０６と、照明制御装置１０８と、画像プロセッサ１２０とを含む。以下に論じるように、照明制御装置１０８および画像プロセッサ１２０は、単一のサブシステムへと組み合わされてもよい。動作において、照明制御装置１０８は、カメラ１０４に同期を提供し、またはそこからの同期を受け付ける。照明制御装置１０８は、カメラ１０４に同期される照明源１０６のための制御信号を生成する。照明源１０６は、物体、たとえば被験者１０２に照射し、被験者１０２から反射された光子が、カメラ１０４によってキャプチャされる。被験者１０２は、カメラ／光源の組合せの近くに位置してもよく、あるいはカメラ／光源の組合せから非常に離れた距離に位置してもよい。

カメラ１０４または照明制御装置１０８のいずれかは、タイミング信号（すなわちタイムキーパ）の送信元であってもよい。カメラ１０４は、制御装置１０８に同期信号を供給してもよく、または制御装置１０８は、カメラ１０４に同期を提供してもよい。様々なカメラ１０４が使用されてもよい。ＲＳ−１７０（ＥＩＡ−１７０、エレクトロニクス産業連合、アーリントン（ＶＡ））など、何らかの規格のアナログ・カメラ１０４は、外部同期信号の入力を備えていない。これらのカメラ１０４については、照明制御装置１０８は、ＲＳ−１７０信号を入力として受け付け、その信号から同期信号を導出しなければならない。他のカメラ１０４、具体的にはカメラ・リンク・インターフェースを使用するデジタル・カメラ１０４は、トリガ信号を直接に、あるいはシステムを制御するコンピュータ内のデジタル・フレーム・グラバ・カードを介して受け付けることができる。様々なカメラ１０４を扱うことができるシステムを有することを望むことが、マイクロコントローラ・ベースの照明制御装置１０８の使用につながっている。

照明制御装置１０８は、マイクロコントローラ１１２と、サポート回路１１４と、メモリ１１６とを含む。マイクロコントローラは、たとえばＺＷｏｒｌｄ ＲＣＭ ２１００を含めて、使用可能な多くのマイクロコントローラのうちの１つであり得る。サポート回路１１４は、電源、クロック回路、レジスタ、バッファなど、よく知られているサポート回路を含む。さらに、サポート回路は、同期ストリッパ、信号バッファ、フレーム・グラバなど、ビデオ信号を同期信号に変換することを容易にするための回路を含んでもよい。一実施形態では、ビデオ信号は、制御装置１０８がビデオ画像から同期信号を直接生成することを可能にする経路１００上で供給される。メモリ１１６は、ランダム・アクセス・メモリ、読取り専用メモリまたはその任意の組合せを含んでもよい。メモリ１１６は、同期信号の生成を容易にするマイクロコントローラのための命令（制御ソフトウェア１１８）を格納する。

画像プロセッサ１２０は、照明制御装置１０８と同様に、ビデオ・カメラ１０４に結合される。画像プロセッサ１２０は、少なくとも１つの中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）１２２と、サポート回路１２４と、メモリ１２６とを含む。ＣＰＵ １２２は、市販されている多くのマイクロプロセッサのうちの１つであり得る。サポート回路１２４は、電源、クロック回路、キャッシュ、入出力回路など、よく知られている回路を含む。メモリ１２６は、ランダム・アクセス・メモリ、読取り専用メモリ、ディスク・ドライブ、取外し可能メモリ、光メモリ、ネットワーク・ストレージまたはその任意の組合せを含んでもよい。メモリ１２６は、オペレーティング・システム１２８および画像処理ソフトウェア１３０を格納する。画像プロセッサは、画像処理ソフトウェアを実行するときに、被験者の目のキャプチャされた画像を解析するための画像プロセッサとして働く汎用パーソナル・コンピュータまたはサーバであり得る。画像処理ソフトウェア１３０は、虹彩認識技術、瞳孔測定技術、衝動性運動解析技術など使用して像を解析してもよい。

照明制御装置１０８は画像プロセッサ１２０と別々に示されているが、本発明の別の実施形態では、画像プロセッサ１２０のＣＰＵ １２２は、照明制御装置マイクロコントローラ１１２の機能を実施してもよい。あるいは、照明制御装置は、画像プロセッサ１２０内の回路カードであってもよい。

図２は、本発明による照明制御装置１０８の例示的な一実施形態を示している。マイクロコントローラ２０４への入力２０２は、図２の図の左上にある。使用可能であれば、カメラ１０４からのアナログビデオ２０６をアナログ同期ストリッパ・チップ２０８によって処理して、新しいフレーム２１０、偶数フィールド２１２および奇数フィールド２１４に対応するデジタル信号を生成することができる。これらは、適用例によって異なり得る追加のデジタル信号２１６と共にマイクロコントローラ２０４に入力される。追加のデジタル信号の一例は、デジタル・カメラからのフレーム・トリガの先頭である。この実施例では、ＲＳ−２３２ポート２１８を介したマイクロコントローラ２０４への動作パラメータ、たとえばフレームの開始に対するストロボの時間遅延の入力が備えられている。

電源入力２２０は、マイクロコントローラ２０４と、バッファリングおよび調節電子機器２２２の両方に結合される。バッファリングおよび調節電子機器２２２は、マイクロコントローラ２０４によって出力されたトランジスタ・トランジスタ論理（Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ Ｌｏｇｉｃ：ＴＴＬ）レベルを取り、カメラ１０４および照明源１０６に適したレベルにそれを変換する。この実施例では、トリガおよびストロボは、オンボードのトリムポットを介して調整可能なパルス幅を有するトリガ・パルスおよびストロボを生成するワンショットでバッファリングされる。トリガおよびストロボは、調整可能なアナログ遅延をも有する。一実施形態では、トリガおよびストロボの幅は、マイクロコントローラ２０４上の負荷を減少させ、マイクロコントローラ・コードを単純化するためにアナログ・ハードウェア内で設定されてもよい。ストロボ出力は、オープンコレクタ、外部光源から照明源１０６に電源を切り換える高電力電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）として実装される。瞳孔測定を実施するための実施形態では、２つの照明源、すなわち１つの連続的光源および１つのストロボ式光源が使用される。連続的照明出力は、同じタイプのＦＥＴ出力を使用するが、しかし、この場合、マイクロコントローラは、その周波数およびパルス幅がオンボード・トリムポットを介して設定されるオシレータをイネーブルする。この実施例では、照明制御装置１０８は、表１に示されたカメラ・トリガ２２４とストロボ照明２２６と連続照明２２８とデジタル（ＴＴＬ）ＯＵＴ２３０とを含めて、出力を提供する。この例示的な回路は、瞳孔測定で使用する２つの光源（白色およびＩＲ）を制御する。白色光源は連続的光源であり、ＩＲ光源はストロボ式であることも、プログラム制御の下で連続的であることもある。

表２は、照明制御装置１０８の例示的な適用例のための擬似コードを示している。制御装置１０８はまず初期化され、次いでループがある。ループの先頭で、制御装置１０８は、新しいフレームが開始しようとしていることを示す、同期ストリッパからの信号を待つ。次いで、フレーム・グラバ（図示せず）がトリガされる。制御装置１０８は、適切なときを待ち、次いで、光源１０６をトリガする。カメラによって現在生成されているフレームにはストロボ式光源の効果が見え、フレーム・グラバはフレームをキャプチャする。

この高レベルの説明では、カメラおよびフレーム・グラバに特有の複数のタイミング詳細を省略している。本発明の例示的な実施形態は、特定のカメラおよびフレーム・グラバ仕様を精査し、タイミング図を構築することによって、それらのタイミング詳細を含むように設計することができる。図２に示されたマイクロコントローラ手法への利点は、プログラム制御下の遅延時間が変更され得るだけでなく、ＲＳ−２３２ポートを介してマイクロコントローラへのディレクティブを使用して２つのケース間で切り換えることも容易であることである。複雑な問題の一例として、一部のフレーム・グラバがトリガ時に現在のフレームをキャプチャし得ないだけでなく、次のフレーム上のグラブの開始を待つこともあることを考慮されたい。この場合、表３の擬似コードがより適切である。

表３は、リアルアイムの適用例のための擬似コードを示している。ループがフレーム時間より短い時間で実行されない場合、ストロボとキャプチャされたフレームとの間の同期が失われることがある。一実施形態では、低オーバヘッドおよびリアルタイム能力を有するマイクロコントローラが、照明制御装置を動作させるために使用される。

本発明の例示的な実施形態には、多くの適用例がある。１つの適用例は、衝動性運動の解析である。衝動性運動は、目が突然その関心領域を変更するときに生じる。衝動性運動は、あまり反射的ではない。その動きは意識的に開始されることがあるが、開始されるとその動きは、神経系内の割込み不可能な低レベルのサブルーチンの下で有効に制御され、それは、本質的に無意識なものとなる。実験として、読者は、その視覚視野の左側の物体を凝視し、次いで右側の物体に固視点を突然移動し、次いでそれを移動して戻すことがある。いくつかの反復の後に、開始後の動きを停止しようとするが、その動きの停止は、低レベルの神経制御の下にあるので本質的に不可能である。別の適用例は、瞳孔測定である。瞳孔測定は、光の刺激に対する瞳孔の反応の測定である。一部の人々は瞳孔の拡大に対してある程度の制御を有しているが、これもまた、本質的に無意識な反応である。この効果を見るのは容易である。抑制された照明の下で、鏡を覗き込み、瞳孔直径に留意し、次いで瞳孔を見ながら明るい明かりをつけ、約１０秒後、瞳孔を見続けながら明かりを消す。

衝撃性運動および瞳孔反応の解析は、神経系の状態に関するデータを提供し、神経系が薬物（合法または非合法）、疾病、アルコール、および疲労を含めて一般的な生理学的状態によって劣化しているかどうか関する推論を可能にすることができる。こうした解析は、困難なまたは潜在的に危険な職業における責務への適正の決定に関して興味深いものであり、それは、被験者の反射神経の尺度である。

図３は、衝動性運動の解析および／または瞳孔測定の実施のための例示的な装置３００を示している。示された実施形態では、被験者は、照明制御装置１０８のうちの１つを介してその両方が作動される２つの照明器１０６Ａおよび１０６Ｂの中心を通って被験者１０２がカメラ１０４を凝視するように、カメラ／光源の組合せの近くにいる。照明器１０６Ａおよび１０６Ｂは、発光ダイオードの環状アレイである。カメラ１０４は、環を通って被験者１０２の目に焦点を合わせる。一実施形態では、被験者１０２のより近くの照明器１０６Ｂは、瞳孔測定のために大きい視野にわたって白色光のフラッシュを供給することができ、または衝動性運動のために固視点として視野の端で点光源刺激をフラッシュすることができる。カメラにより近い照明器１０６Ａは、近赤外線（ＩＲ）の同期されたストロボを供給し、カメラは、可視光線を拒絶するようにフィルタリングされ、したがって、画像のコントラストおよび明るさは、可視光線刺激の影響を受けない。

図４Ａおよび４Ｂは、衝動性運動の間の目のストロボ式画像（４Ａ）と、従来の照明を使用した画像（４Ｂ）との差を示している。ストロボ式照明を使用して得られた画像（図４Ａ）の品質を従来の画像（図４Ｂ）と比較されたい。両方の画像において、まつ毛の詳細が明らかに見え、画像は焦点が合っており、両方の画像はよい解像度を提供している。従来の画像（図４Ｂ）では、瞳孔の端は、（たとえば約１０画素など）不適切にぼやけている。ストロボ式画像（図４Ａ）では、それらは、（たとえば約１画素の範囲内など）瞳孔の位置および半径の測定を可能にできるほど鮮明である。図４Ａのケースでは、ストロボは、約６ミリ秒の継続時間、フレーム時間のおおよそ２０％であり、それは、見えるぼけの減少と一致している。

キャプチャされた画像は、カメラ１０４から画像プロセッサ１２０に結合される。画像プロセッサ１２０は、画像を処理し、刺激に対する瞳孔の動きおよび／または刺激への反応を解析するために、画像プロセッサ・ソフトウェア（図１の１３０）を実行する。本発明を使用して鮮明な瞳孔画像をキャプチャすると、瞳孔の動きおよび／または反応解析の技術がより高い精度で動作することが可能となる。

図１に示される本発明のストロボ式画像キャプチャのための別の適用例では、被験者１０２は、カメラ１０４から離れた位置におり、照明源１０６および画像プロセッサ１２０は、バイオメトリック虹彩認識を実施するために被験者の目の画像を処理する。照明制御装置１０８は、被験者１０２の照明露光の量を最適化するために使用される。

虹彩認識は、最も信頼性の高い使用可能なバイオメトリック認証技術のうちの１つである。最も新しい虹彩認識システムは、ケンブリッジ大学のＪｏｈｎ Ｄａｕｇｍａｎによって開発されたアルゴリズムを利用している（ｒｅｌｙ ｏｎ）。これらのアルゴリズムは、虹彩コード、個人の虹彩に一意の２進列を生成するためにウェーブレット分解を使用して虹彩の画像を解析する。２つの虹彩画像からのコードは、２つのコード間のハミング距離（対応しないビットの数）を測定することによって比較され、低いハミング距離は、一致と解釈される。Ｉｒｉｄｉａｎ，Ｉｎｃ社からのＤａｕｇｍａｎアルゴリズムの市販バージョンが使用されてもよい。

ほとんどの市販の虹彩認識システムは、認識システム内のカメラが虹彩コードを正確に生成できるほど十分に高品質の虹彩画像を得るために、被験者が空間的なキャプチャ・ボリューム内に定義された時間長の間、位置することを必要とする。現在の市販システムは、被験者が、キャプチャ・ボリューム内に自分を位置付け、画像キャプチャ・プロセスの間そこにとどまるほど十分に協力的であることを前提としている。一般的な市販システムのキャプチャ・ボリュームは、１．５ｃｍ×１．５ｃｍ×１０ｃｍ、すなわち２０ｃｍ^３より少し大きく、被験者がそのキャプチャ・ボリューム内で静止したままであることを必要とする。それとは異なり、本発明の例示的な実施形態は、遙かに大きいキャプチャ・ボリューム内で移動する被験者の虹彩画像のキャプチャを可能にする。

キャプチャ・ボリュームの拡大は、カメラの画素数を増加させ、カメラの数を増加させ、被写界深度を増加させ、または３つすべてを行うことによって達成することができる。キャプチャ・ボリュームをおおよそ３０ｃｍ×６０ｃｍ×１０ｃｍ、すなわち１８，０００ｃｍ^３に拡大するために、複数の高解像度カメラを使用してもよい。しかし、画素は、それが不適切にぼやける場合には有用ではない。上記に論じたように、衝撃性運動は、従来の画像では、虹彩を横断して約２００画素を有する画像内に約１０画素程度のぼけをもらすことがある。正常な歩行によって引き起こされる横方向の動きによって、類似の大きさのぼけが生じることがある。

ぼけは、光子の収集の効率を犠牲にしてカメラのシャッター時間を短縮することによって減少され得る。ぼけを１０倍減少するには、カメラ・センサによって収集される光子の数を１０倍減少させることを要する。Ｓ／Ｎを維持するには、被験者への入射光子の数を１０倍増加させる必要がある。これは、照明器の数にその照明の強度を掛けた積を１０倍増加させることによって遂行されてもよい。この手法は、以下の複数の実際的な問題を提示する：照明器は一般に、最大の連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：ＣＷ）出力で既に作動しており、照明器の数を１０倍増加させると、システムのフットプリントがかなり増加し、被験者への放射照度を１０倍増加させると、場合によっては閾値限界値（ＴＬＶ（登録商標）の安全性の限界が押し上げられることがある。ＴＬＶは、米国産業衛生専門家会議（ＡＣＧＩＨ（登録商標）：Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｈｙｇｉｅｎｉｓｔｓ）よって公表されている。より一般的なケースでは、虹彩以外の物体について、ＴＬＶは、光子損傷への物体の感度の何らかの適切な尺度に取って換わられる。

光源をストロボする（ｓｔｒｏｂｅ）ことによって、これらの問題のうちの２つを緩和することができ、すなわち、照明器のピーク電力出力はＣＷ限度を超えて増加されることができ、短パルスの列のピーク電力のＴＬＶ（登録商標）はＣＷ限度より高くなる。ストロボ式光源をストロボのまわりのカメラのシャッターと組み合わせることによって、追加の利点、すなわち周囲光の効果の減少を得ることができる。１０％のデューティ・サイクルでは、周囲光は事実上、１０倍減少される。制御された照明がストロボ中にＣＷ値を超えて優に１０倍増加され得る場合、周囲光に関する雑音について、Ｓ／Ｎの優に１０倍の向上が得られる。実際には、照明器のデューティ・サイクルは単にＸ倍で減少され得ず、照明器の出力は、一定の積分光束を維持するために、同じ倍率で増加され得ない。この効果は、図５に示されている。

図５は、最大の許容可能ピーク順電流を１０Ｈｚのパルス・レートの一般的なＬＥＤアレイのデューティ・サイクルの関数として示すチャート５００である。図５に示されるように、１％のデューティ・サイクルによって、連続的なケースより〜１００倍大きい最大許容可能ピーク順電流がもたらされる。

図６は、図５からのデータの解析を示すチャート１０００である。図６は、以下の２つのケースについて、１００％のデューティ・サイクルに正規化されたパルス当たりエネルギーの計算の結果を示している：（１）最大ＣＷ順電流で動作するＬＥＤアレイを備えたシャッター式照明、および（２）最大パルス順電流で動作するＬＥＤアレイを備えたストロボ式照明。ストロボ式対シャッター式のエネルギー／パルスの比は、常に１より大きい。１０％のデューティ・サイクルでは、比は約２．５である。これらの結果の詳細は、ＬＥＤの仕様に応じて変化するが、しかし、一般的傾向は常に同じであり、ストロボ式照明は、シャッター式より高い最大エネルギー／パルスを提供する。この解析では、駆動電流が変化する間、順方向電圧降下は一定のままであり、光出力は駆動電流に比例すると仮定されている。これらの仮定からの予想偏差は、ＬＥＤの通常の動作範囲内で小さい。

虹彩認識システムでは、健康上の主な懸念は、人間の目の過度のＩＲ照射である。本発明によって、虹彩認識システムは、光源のＩＲ照射を特定の環境に適合し、潜在的な目の損傷を回避するようにカスタマイズすることができる。近ＩＲでは、光子は、光イオン化または光化学の危険（青色光の危険）となるのに十分なエネルギーを有するのではなく、主な危険は熱である。危険の程度は、組織の単位面積当たりの吸収されたエネルギー量、エネルギーが吸収される時間、およびエネルギーが吸収される面積によって決まる。近ＩＲ（すなわち７６０〜１４００ｎｍ）の目への安全性は、目の光学要素によって複雑化される。網膜は近ＩＲに反応を示さないが、目のレンズは依然として、ＩＲ照明の近くに焦点を合わせ得る。したがって、照明の２つの異なる側面、すなわち光源の放射輝度（Ｗ／ｍ^２−ｓｒ）、および角膜／レンズの放射照度（Ｗ／ｍ^２）に対処すべきである。レンズ／角膜の放射輝度によって、レンズ／角膜への熱効果が決まる。光源の放射輝度によって、網膜上に光源の焦点を合わせることにより目のレンズがもたらし得る網膜の最大放射輝度が決まる。次いで、結果として生じる網膜の放射輝度によって、網膜での熱効果が決まる。結果として生じる危険を評価するために使用されるモデルの詳細については、ＡＣＧＩＨ ＴＬＶ（登録商標）の付録およびＢＥＩの小冊子、ならびに他の安全に関するテキストにおいて見られる。

角膜／レンズへの損傷を回避するために、１０００秒より大きい継続時間のＩＲ照射（７７０ｎｍ＜λ＜３０００ｎｍ）の放射照度ＴＬＶ（登録商標）は、１０ｍＷ／ｃｍ^２である。１０００秒未満の露光では、ＴＬＶ（登録商標）は、ｔ^−３／４として露光時間に依存する。

網膜への損傷を回避するために、１０秒より大きい継続時間のＩＲ照射（７７０ｎｍ＜λ＜１４００ｎｍ）の放射輝度ＴＬＶ（登録商標）は、０．６／αＲ ｍＷ／ｃｍ^２−ｓｒであり、ただしＲは、波長に依存する網膜の熱危険度関数であり、７７０ｎｍの１．０から、１０５０ｎｍと１４００ｎｍの間の０．０２の範囲であり、αは、目の光源の視角である。１０秒未満の露光では、放射輝度ＴＬＶ（登録商標）は、ｔ^−１／４として露光時間に依存する。

期間Ｔについてデューティ・サイクルＤを有する周波数ｆでパルス化された光源など、反復する露光では、ＴＬＶ（登録商標）はより複雑である。継続時間τ＝Ｄ／ｆの狭い間隔のパルスの列への露光は、同じ継続時間の単一のパルスより大きい危険を提示する。このシナリオは、ＡＣＧＩＨとＩＥＣの両方に、パルス・レーザ光源の網膜への熱の危険に関する勧告があるにもかかわらず、非レーザ光源については慎重に対処されていない。

本発明の例示的な実施形態は、光源からのＩＲ照射を以下の基準、すなわち単一パルス、平均および時間合計の３つすべてを満たすように制御する。単一パルス基準は、パルス列内のあらゆるパルスがその期間のパルスのＴＬＶ（登録商標）より小さくなければならないということである。平均の基準は、パルス列内のパルスの平均が、列の継続時間のパルスのＴＬＶ（登録商標）より小さくなければならないということである。時間合計の基準は、時間Ｔの間に適用された一定のパルス・パターンについて、Ｔtotを形成し、その継続時間のパルスのＴＬＶ（登録商標）を計算するために、パルスの時間の合計の和を求める。

これらの３つの基準は、非レーザ源の網膜と角膜／レンズの両方のＴＬＶ（登録商標）についての単一パルスＴＬＶ（登録商標）の合理的で保守的な外挿である。３つ基準のうちの最後は、より容易に理解できる形で再び述べることができる。長さＴ_０のパルスが安全である場合、そのパルスを期間Ｔ_１＞Ｔ_０にわたって分散されたより短いパルスの群に分割することも安全である。この基準は、パルス間にいくらかの回復が予期されるので保守的である。

網膜と角膜／レンズの両方のＴＬＶ（登録商標）について、照射線量率がそれを超えて一定である露光時間、すなわち連続露光限度がある。パルス列の時間合計が連続露光限度、網膜ＴＬＶ（登録商標）については１０秒、または角膜／レンズＴＬＶ（登録商標）については１０００秒を超える場合は、ＴＬＶ（登録商標）は緩和されない。しかし、パルス列の時間合計がそれらの限界より小さい場合は、ＴＬＶは緩和される。

本発明の例示的な実施形態では、カメラのシャッターは、目の露光への影響がなかった。光源のストロボ化には影響がある。Ｔｔｏｔが連続的露光限度より小さい場合は、ＴＬＶは緩和されている。網膜への影響については、ＴＬＶ（登録商標）は、Ｄをデューティ・サイクルとして、Ｄ^−１／４倍増加される。角膜／レンズへの影響では、ＴＬＶ（登録商標）は、Ｄ^−３／４倍増加される。１０％のデューティ・サイクルでは、それぞれ１．８および５．６の向上であった。関心のあるＬＥＤの出力は、個々のＬＥＤの放射輝度によってではなく、ＬＥＤアレイの眼球の放射照度によって制限されており、したがって、係数５．６は適切である。放射照度は、５．６の最大係数を利用するために、（上記に論じたように）ＬＥＤへのパルス電流を増加させ、また一部の実施形態ではより多くのＬＥＤをアレイに追加することによって増加される。

本発明のビデオ同期されたストロボ式照明によって、システム設計上のさらなる柔軟性がシステム・エンジニアに提供される。１０％のデューティ・サイクルのストロボ式照明で達成することができる５．６の光レベルの増加を使用して、多くの異なるシステム・トレードオフを行い、様々な実施形態がもたらされ得る。２つのトレードオフは、カメラから被験者の距離を増加させること、または被写界深度を増加させることである。両方の場合において、増加は、（５．６）^１／２＝２．４の係数である。別のオプションは、背景照明に対してＳ／Ｎを増加させることである。この場合、向上されたのは、増加した光レベルと、５６の係数についてのデューティ・サイクルの逆数との積である。

本発明の第１の実施形態（図１）では、システム１００は、空間ボリュームを通って移動する人または被験者１０２の虹彩の画像をキャプチャし、たとえば被験者とカメラ／照明源の間に非常に離れた距離が存在する。本発明の第２の実施形態（図３）では、被験者１０２は、静止し、システム３００を覗き込んでいる。両方の実施形態において、被験者の照明を制御することが重要である。したがって、これらのシステムは、同期画像キャプチャと共に虹彩の同期ストロボ照明を含む。本明細書述べられるように照明を制御することによって、露光時間は短くなり（すなわち、照明感知可能な物体が害を受けず）、また結果として生じる画像からバイオメトリック測定を実施するのに十分な照明が存在する。

上記内容は本発明の様々な実施形態を対象としているが、本発明の基本の範囲から逸脱せずに、本発明の他のおよびさらなる実施形態が考案されてもよい。したがって、本発明の適切な範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められるものである。

Claims (20)

1. ストロボ式画像キャプチャを提供する方法であって、
   少なくとも１つのストロボ式照明源を、照明感知可能物体に適用される前記照明源からの放射量を制限するように、制御する工程と、
   少なくとも１つのカメラを前記ストロボ式照明源と同期する工程と、
   前記照明感知可能物体の少なくとも１つの画像を前記少なくとも１つのカメラでキャプチャする工程とを含み、前記物体は前記ストロボ式照明源からの複数の光子によって少なくとも一部照明されることを特徴とする方法。
2. 前記照明感知可能物体が虹彩である、請求項１に記載の方法。
3. 前記虹彩を有する被験者が移動している、請求項２に記載の方法。
4. 被験者を識別するために前記少なくとも１つの画像を処理する工程をさらに含む請求項２に記載の方法。
5. 瞳孔測定を提供するために前記少なくとも１つの画像を処理する工程をさらに含む請求項２に記載の方法。
6. 前記制御工程がさらに、
   前記照明感知可能物体を連続的に照明する第２の照明源を制御する工程を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの画像がビデオ・ストリームである、請求項１に記載の方法。
8. 前記虹彩の前記少なくとも１つの画像がバイオメトリックの目的に適している、請求項２に記載の方法。
9. 前記バイオメトリックの目的が、虹彩認識または瞳孔測定のうちの少なくとも１つである、請求項４に記載の方法。
10. 前記ストロボ式照明源の光強度がストロボ中に増加され、そして前記ストロボ式照明源の平均放射照度が安全性閾値未満にとどまる、請求項２に記載の方法。
11. プロセッサがストロボ式照明源を制御し、アイ・ファインダが複数の虹彩画像を提供する、請求項１０に記載の方法。
12. ストロボ式画像キャプチャを提供するシステムであって、
    少なくとも１つのカメラと、
    複数の光子で照明感知可能物体を照明する少なくとも１つの照明源を、前記少なくとも１つのカメラと同期させる、少なくとも１つの照明制御装置とを含み、
    前記少なくとも１つのカメラが、前記照明感知可能物体から反射した前記複数の光子の少なくとも一部から前記照明感知可能物体の少なくとも１つの画像をキャプチャすることを特徴とするシステム。
13. 前記照明感知可能物体が虹彩である、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記虹彩を有する被験者が移動している、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記少なくとも１つの画像がバイオメトリック目的に適している、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記ストロボ式照明源の光強度がストロボ中に増加され、前記ストロボ式照明源の平均放射照度が安全性閾値未満にとどまる、請求項１３に記載のシステム。
17. 被験者を識別するために前記少なくとも１つの画像を処理する工程をさらに含む、請求項１２に記載の装置。
18. 瞳孔測定を提供するために前記少なくとも１つの画像を処理する工程をさらに含む請求項１３に記載の方法。
19. 前記制御工程がさらに、
    前記照明感知可能物体を連続的に照明する第２の照明源を制御する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
20. 前記少なくとも１つの画像がビデオ・ストリームである、請求項１２に記載の方法。