掌静脉图像采集装置设计

1专业综合实践报告题目名称：掌静脉图像采集装置设计学生姓名：罗天男学号：1100100323联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]指导教师：丁明理职称：副教授哈尔滨工业大学自动化测试与控制系2第1章绪论1.1课题背景随着信息技术的迅速发展，如何在数字环境中进行快速、准确、安全地实现个人身份识别与验证成为了备受关注的热点问题。生物特征识别技术因而收到了广泛关注，并成为未来安全信息的重要解决方案。传统的身份验证主要是基于证件、钥匙等标志物或者密码、PIN码等知识来完成，但随着计算机和通信网络的飞速发展，这些传统的方式暴露出诸多的弊端。传统的安全机制，存在携带不便、容易被盗、容易伪造、容易丢失等问题，这些弊端给我们的生活带来了诸多不便和安全隐患，因此寻求更为方便可靠、更加安全的个人身份验证识别方法势在必行。生物识别技术是指利用人体所固有的生理特征或行为特征，通过传感器技术、图像处理技术、模式识别等技术，来进行人体身份鉴定的技术。用于测量的特征有人脸、声音、人耳、虹膜、指纹、掌纹、掌形和静脉等，与传统的身份识别方法相比，生物特征识别技术利用的这些特征是个体固有的生理或行为特征，不会丢失、遗忘或被盗取，具有唯一性和稳定性，因此这种身份验证方式更加可靠、安全、有效。目前，生物特征识别技术已广泛应用于很多场合，包括医院、军队、ATM机、机场登记、网络登录和上班考勤、门禁等场所。生物特征识别方法多种多样，目前应用于市场的生物识别技术有指纹识别技术、人脸识别、虹膜识别、掌纹识别、静脉识别、签名识别、DNA识别等。下面介绍常见的几种生物识别技术。（1）人脸识别，人脸识别是利用分析比较人脸视觉特征信息进行身份鉴别的生物识别技术，具有自然性和不被被测个体察觉的特点。然而人脸所处的情况复杂多变，使得人脸识别方式的鲁棒性受到一定的影响，识别率不够理想；（2）指纹识别，指纹识别是通过获取识别对象的指纹来进行匹配识别的，其历史悠久、识别技术成熟、采集设备小巧、装置成本低，是目前应用最广泛的生物特征识别技术。然而指纹识别提取手指表面信息，存在卫生方面的问题，同时指纹表面易老化磨损或被复制，因此该方法具有很多的弊端；（3）虹膜识别，虹膜识别是通过模式识别、图像处理等方法对人眼睛虹膜特征进行识别匹配完成身份认证的一种技术。在所有生物识别技术中，该方法错误率最低，但是目前市场上虹膜识别设备昂贵，日常生活应用较少；（4）掌纹识别，掌纹识别是利用掌纹的纹线特征、点特征、纹理特征、集合特征来进行匹配识别的一种生物识别技术。掌纹识别比指纹识别的识别区域大，具有更高的精确度。但识别系统对硬件要求高，存在被复制的安全隐患；（5）静脉识别，静脉识别是通过近3红外光照射手指、手背、手掌利用图像传感器获取静脉分布图像进行匹配识别的一种生物识别技术。静脉识别可采用非接触式的，人的静脉血管结构位于皮肤表层下，基本不会改变且不易于损伤。通过对以上几种生物识别技术的比较，发现静脉识别具有很多的优势，包括识别率高、可进行非接触式采集、活体识别无法进行伪造、存在于手掌内部，属于内部特征，不易窃取等优势。因此静脉识别技术特别适用于安全等级系数较高的应用领域与特殊场所。1.2课题研究的意义静脉识别技术是一种新型的身份识别方法。它的原理是：根据人体肌肉和骨骼的特点，当波长在一定范围内的近红外光照射人体时，人体的静脉血管中的血色素相比于皮下组织可以吸收更多的近红外辐射，能够很好的呈现静脉血管结构。并且医学研究表明，人的静脉血管结构千差万别，没有任何两个人静脉结构是完全相同的，即静脉血管结构具有唯一性。根据静脉血管的这一特点，可以用静脉来对人进行身份识别。静脉识别技术作为一种新型的生物特征识别技术，它的识别方式是非接触式的，且人的静脉血管结构基本不会改变，更难伪造和模仿，因此基于静脉结构的生物特征识别技术在识别方面与其它生物特征相比具有一些独特的优势，包括：很强的普遍性和唯一性、使用方位广、用户接受度好、很难伪造和模仿、较高的识别率等。静脉识别的方法很多，主要有手指静脉识别、手背静脉识别和手掌静脉识别。手掌静脉相较于指静脉，拥有的更多的特征信息，准确率较高，相对的安全性比指静脉识别更高；相比较于手背静脉识别，手掌静脉特征受活体血液流量增减影响比较少，并且手掌静脉位于皮下较深，网络较为复杂，信息量更丰富，更难伪造，相对的识别率和安全性更高，另外手掌静脉特征很容易实现与掌纹特征相融合进行识别，提高识别精度。然而由于其自身的结构特征：手掌静脉比较细，同时位于皮下组织，在采集时容易受到多种因素的影响与干扰，导致不易采集到清晰的手掌静脉图像，成像效果不够理想，会对后续的图像预处理、识别率造成一定的影响。为了达到提高手掌静脉图像的成像质量，易于手掌静脉图像预处理，提高系统识别率的目的，本文主要对手掌静脉图像采集系统进行研究，包括采集方式选取和研究、静脉成像原理、光源选取与设计部分、镜头选择部分、传感器选择部分等等。1.3国内外现状在研究方法方面，汉城大学电子工程系的Sang-KyunIm、Hyung-ManPark4等人提出运用行滤波器提取手背静脉血管图像的横坐标灰度特征，同时用列滤波器提取手背静脉血管图像的纵坐标灰度特征的方法。日本Keio大学应用物理系的ToshiyukiTanaka等人提出了一种“Phaseonlycorrelation”的方法对图像进行特征提取。在特征匹配时，通过计算测试样本与注册样本之间的最小错误率来进行身份确认。澳大利亚EdithCrown大学的J.M.Cross等人，将手背静脉图像用传统的图像二值化、静脉血管图像细化、静脉纹线的断点修复等一系列图像处理方法来提取手背静脉特征。在匹配算法中，用逐点像素比对法进行手背静脉匹配从而进行身份认证。美国的Tennessee大学的AhmedM.Badaw等人首先提出先用5×5的中值滤波手背静脉图像进行预处理，其次用二值化的方法提取手背静脉，最后用逐点像素比对法进行手背静脉特征匹配。目前，国内研究静脉识别算法的文献也有不少，大都是研究手背静脉的。清华大学精密测试技术及仪器实验室的林喜荣等人主要研究人体手背静脉图像的特征提取以及匹配；哈尔滨工程大学的王科俊等人提出了一种新的手背静脉图像阈值分割方法；上海理工大学的张会林等人提出了一种对手掌静脉图像增强处理的算法(对图像先后经方向微分直方图法二值化、中值滤波、二值图像细化以及细化后的修复等增强处理工作)；吉林大学的韩笑等人提出一种新的手背静脉图像的特征提取及匹配算法，主要采用改进的有限脊波变换(AFRIT)及有限的Radon变换(FRAT)对手背静脉图像进行特征提取及匹配，并取得了明显的效果。在产品方面，由于社会对身份识别系统安全性需求的不断提高，静脉识别技术因其高安全性越来越受到研究机构的青睐。基于静脉特征的生物识别产品应运而生。韩国NEXTERN公司最早对手掌和手背静脉开始研究，并有相应的产品问世。1997年，韩国BKSystem公司发布了亚洲第一个商用手背静脉识别产品BK100，在此基础上推出的静脉识别产品VP-II被成功应用于机场、银行和医院等。BK系列手背静脉识别装置具有速度快，识别准确等特点。2000年，M.Kono等在日本日立公司的资助下，率先研制出手指静脉近红外采集装置及识别系统，采集到了高质量的手指静脉图像，而后，日立公司一直致力于该方面的研究，设计出了实用的手指静脉识别系统。2003年，日本的NaotoMiura设计出手指静脉图像采集装置，并对手指静脉的特征提取算法进行了研究。2005年6月，日立制作所发明了静脉认证装置，并为其申请专利，如图1-1所示。5图1-1日立手指静脉识别系统富士通株式会社研究并发明的手掌静脉认证装置PalmSecure是世界上首个通过IT安全国际标准规格认证的静脉认证装置。该系列产品的退出将静脉识别技术引领到一个新的高度，其具有非接触拍摄、适应能力强、精度高等特点，如图1-2所示。富士通公司的手掌静脉识别系统已经在日本许多银行窗口和ATM中用于用户的身份验证，具有很好的应有前景。图1-2富士通手掌静脉图像采集装置2007年香港理工大学张大鹏教授申请了“在线掌纹、手掌静脉图像身份识别方法及其采集仪”专利，这是国内焦躁的将掌纹和掌静脉图像融合采集识别装置如图1-3所示。6图1-3香港理工大学在线掌纹采集装置索尼公司发布了一款全球最小最轻的USB接口手指静脉识别装置。该识别器使用Mofiria识别技术，基于不同人、不同手指的静脉分布图案各不相同进行身份识别，如图1-4所示。Mofiria技术使用近红外LED作为光源，采用CMOS图像传感器获取手指静脉的散热光，得到二维手指静脉图像，从而进行身份识别；该装置利用高亮度红外LED光源，1/10英寸CMOS图像传感器，尺寸为70*58*14.5mm，重量为33g，USB接口，支持操作系统包括：WindowsXP/Vista32/64bit；该装置主要针对医疗、企业等安全要求高的机构。图1-4索尼公司手指静脉识别器L-1IdentitySolutions公司推出一种新的基于手指静脉识别技术的门禁解决方案4GFingerVeinStations。4GFingerVeinStations采用日立的手指静脉传感技术，以L-1的4G门禁控制技术平台为基础；该平台集成了近距离和智能卡读卡器，允许设备扩大存储容量，可以存储50万个用于1：1核对的，位居模板容量之最。1.4课题研究内容静脉识别是近年发展起来的一种新型的身份识别技术，研究机构和人员还不7太多，其中的手掌静脉身份识别技术是模式识别领域的前沿课题，目前，有关这一课题的论文及研究成果展示相对于其他生物特征识别技术的研究数量是较少的，尤其国内的研究很少。本课题对于手掌静脉图像采集装置进行了理论研究和设计，论文的主要内容如下：（1）概述生物识别技术的种类，静脉识别特点和发展，课题研究意义，调研国内外掌静脉图像采集装置研究现状。（2）介绍掌静脉图像采集原理和近红外散射光测量物质吸收和散射系数的原理。利用近红外线成像技术及静脉成像原理，搭建近红外手掌静脉图像采集系统。（3）进行掌静脉图像采集装置的详细设计。包括光源的分析设计，摄像机（传感器和镜头）、滤光片和背景的选取标准与设计。8第2章手掌静脉识别的原理及系统的总体设计2.1静脉识别技术基本原理静脉识别是基于近红外成像的原理来获取静脉图像，对获取到的静脉图像进行图像去噪、图像增强等预处理后提取静脉特征，将这些特征作为样本进行匹配识别完成身份鉴定。静脉图像采集是建立在红外成像的基础上的，根据近红外成像技术，当入射光为波长在700~1000nm间的近红外光时，它可以穿透大约3mm厚的生物组织（在这里指肌肉组织）。近红外采集原理是根据人体骨骼和肌肉组织的特点，当近红外光照射手背或者手掌时，静脉血管中的血色素相比于皮下的其他组织能吸收更多近红外光，所以静脉血管纹路反射回图像传感器的光线就会比其他组织反射回的光线弱。由反射光线强弱不同在传感器上形成静脉纹路分布，因此获得静脉图像。2.2静脉图像采集系统总体设计生物特征识别系统主要包括成像单元、图像采集单元、图像处理单元和图像显示单元。总体框架如图2-1所示。成像单元处理单元采集单元显示单元图2-1生物特征识别系统总体框架结构结合手掌静脉成像原理以及生物特征识别系统总体框架结构，可以设计出手掌静脉识别系统的整体结构，如图2-2所示。近红外成像系统采集卡近红外光源光源控制板串口接口系统数据库静脉图像预处理光源控制程序特征提取特征匹配是否通过验证采集实验装置光源系统计算机识别模块验证模块9图2-2手掌静脉识别系统总体结构图从框图中可以看出，静脉识别系统主要由采集模块即采集实验装置、识别模块和输出验证模块构成，模块之间通过特定的接口相连接。本文主要研究手掌静脉图像采集装置的设计，该装置由近红外成像系统、光源系统、采集卡组成。该装置主要功能是实时为系统提供高质量的、稳定的、满足系统要求的掌静脉图像。近红外成像系统由摄像机和镜头组成，用来拍摄掌静脉图像