手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊金鋒，李承尚，史玉坤

（中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊金鋒，李承尚，史玉坤

（中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

獲得穩(wěn)定、清晰的生物特征圖像始終是生物特征識(shí)別技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手指紋、指靜脈、指節(jié)紋生物特征的同時(shí)采集，并具有如下優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)調(diào)節(jié)指靜脈攝像頭和指節(jié)紋攝像頭的位置，使ROI（感興趣區(qū)域）位于采集圖像的中心位置；實(shí)現(xiàn)多光譜采集時(shí)對(duì)不同波段光束的順序控制和量化控制，利用偏振成像原理有效抑制成像噪聲。

手指；多模態(tài)生物特征；偏振成像；多光譜

近幾十年來(lái)，生物識(shí)別技術(shù)日益受到人們的關(guān)注，并已成為身份鑒別領(lǐng)域的一個(gè)核心方向。以單一生物特征為基礎(chǔ)的單模態(tài)生物特征識(shí)別已得到廣泛應(yīng)用，但是單模態(tài)生物識(shí)別技術(shù)容易受到外界環(huán)境以及生物特征受損等內(nèi)在因素雙重影響，在很多應(yīng)用情況下單模態(tài)生物識(shí)別技術(shù)都不能有效滿足身份鑒別的實(shí)際需求[1-2]。以多個(gè)生物特征融合為基礎(chǔ)的多模態(tài)生物識(shí)別技術(shù)能夠彌補(bǔ)單模態(tài)生物識(shí)別技術(shù)的許多不足，因此逐漸受到人們的重視。采集清晰可靠的生物特征圖像是生物識(shí)別技術(shù)需要解決的首要問(wèn)題。本文提出的是一種利用偏振光成像原理同時(shí)采集指紋、指靜脈、指節(jié)紋三模態(tài)特征圖像的系統(tǒng)。

目前對(duì)指紋的研究已比較成熟[3-4]，應(yīng)用較為廣泛，但指紋特征存在著易損傷、易污染以及易偽造等缺陷。指靜脈位于皮下，靜脈特征不易受損、污染而且不易復(fù)制[5-6]。但靜脈特征成像困難，采用傳統(tǒng)成像方式無(wú)法得到高質(zhì)量的特征圖像。指節(jié)紋位于手指背側(cè)，受污染和磨損的概率比較小，而且受關(guān)節(jié)活動(dòng)的影響，指節(jié)紋也不易偽造[7-8]。但是指關(guān)節(jié)的活動(dòng)以及指關(guān)節(jié)皮膚的粗糙度會(huì)給指節(jié)紋特征圖像帶來(lái)較大噪聲和類內(nèi)變化。手指3個(gè)模態(tài)生物特征各有優(yōu)缺點(diǎn)，將3個(gè)模態(tài)融合起來(lái)，發(fā)揮各模態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)避各自缺點(diǎn)將成為手指生物特征識(shí)別的一個(gè)重要方向。

綜合考慮生物組織的多光譜特性和偏振光成像特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用以偏振光原理為基礎(chǔ)的成像方案。手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)由采集裝置和計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。首先根據(jù)指紋、指靜脈和指節(jié)紋的生理特征，本文設(shè)計(jì)了采集裝置的構(gòu)架。從三模態(tài)特征成像原理設(shè)計(jì)了成像光路和控制電路。以硬件為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了成像采集軟件系統(tǒng)。

1 采集裝置設(shè)計(jì)

如圖1所示，采集裝置包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、LED選擇電路、滑動(dòng)模塊、LED陣列、指紋采集儀、指靜脈攝像頭、指節(jié)紋攝像頭、0°起偏器、0°檢偏濾片、90°檢偏濾片、高通濾片、低通濾片。單片機(jī)與LED選擇電路和滑動(dòng)模塊相連接，并通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)相連接。

圖1 成像系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of capturing system

1.1 成像光路設(shè)計(jì)

醫(yī)學(xué)研究表明，近紅外光容易被靜脈中的脫氧血紅蛋白吸收而能夠穿透其它生物組織[7]，所以采用近紅外發(fā)光二極管作為指靜脈成像的透射光源。手指指紋信息包含在皮膚表皮中，因此采用可見(jiàn)光發(fā)光二極管作為指節(jié)紋特征成像的反射光源。由于目前對(duì)指紋的研究已相當(dāng)成熟，有很多現(xiàn)有指紋采集產(chǎn)品可以滿足學(xué)術(shù)或者實(shí)際需求，所以，本文對(duì)指紋的采集使用的是現(xiàn)有光學(xué)指紋采集模塊。這樣采集系統(tǒng)需要2組偏振光源，每組光源由2個(gè)波段的LED陣列構(gòu)成，即用于指節(jié)紋成像的470 nm和495 nm光源組和用于指靜脈成像的830 nm和850 nm近紅外光源組。

為得到偏振光，在LED光源下面加上一組0°偏振片作為起偏器，如圖1所示。偏振光照射手指皮膚會(huì)發(fā)生4種變化：反射、折射、漫反射和散射。反射光和折射光保持與入射光一樣的偏振角度，而漫反射光和散射光則無(wú)偏振特性。漫反射光中包含十分豐富的皮膚生物特征信息。指節(jié)紋成像過(guò)程中，在指節(jié)紋攝像頭前加90°偏振片作為檢偏器，如圖1所示，通過(guò)90°檢偏濾片消除偏振光束得到漫反射光束即可獲得清晰的生物組織表皮特征圖像。偏振光束進(jìn)入手指內(nèi)部有3種狀態(tài)：吸收、散射和透射。透射光保持入射光的偏振特性，散射光則完全失去了偏振性，成為自然光。在手指靜脈成像中，散射正是降低靜脈圖像對(duì)比度的一個(gè)重要因素，因此，在指靜脈攝像頭前安裝0°檢偏器，消除散射光，十分有利于提高手指靜脈圖像的質(zhì)量。

指靜脈為近紅外光透視成像，可見(jiàn)光對(duì)靜脈成像的干擾非常大。靜脈成像光源波長(zhǎng)為830 nm和850 nm，因此指靜脈攝像頭配以HB720濾光片，阻止730 nm以下的光波通過(guò)。指節(jié)紋成像單元的LB570短波通濾片阻止590 nm以上的光波通過(guò)，這樣基本杜絕了各成像單元之間的光源干擾，保證了各模態(tài)生物特征成像互不影響。

1.2 LED控制電路

醫(yī)學(xué)研究表明，活體組織在不同波段下具有不同的光學(xué)特性，變換光譜可探測(cè)到生物組織所蘊(yùn)含的不同介質(zhì)的特征內(nèi)容[8-11]。為此，本文設(shè)計(jì)了LED控制電路，由單片機(jī)和LED選擇電路構(gòu)成，主要有2個(gè)功能：①實(shí)現(xiàn)雙波段光源發(fā)光的順序控制；②實(shí)現(xiàn)光源發(fā)光強(qiáng)度的量化控制。順序控制的目的是根據(jù)用戶選擇點(diǎn)亮不同波段的LED光源獲得不同波段下的生物特征圖像。量化控制的目的是使光源的發(fā)光強(qiáng)度適應(yīng)不同采集者手指粗細(xì)不同的實(shí)際情況。光源的順序控制是通過(guò)單片機(jī)和LED選擇電路實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的選擇信號(hào)，向LED選擇電路的相應(yīng)接口輸入電壓，光路選擇電路上電后點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的燈組。LED選擇電路的部分原理如圖2所示。燈組接口采用共陽(yáng)極接法，這樣便于單片機(jī)引腳直接控制。

圖2 LED選擇電路的原理圖Fig.2 LED selective circuit

量化控制是通過(guò)單片機(jī)利用PWM（脈沖寬度調(diào)制）原理實(shí)現(xiàn)的。在一定頻率的方波中，調(diào)整高電平和低電平的占空比即可實(shí)現(xiàn)。如用低電平點(diǎn)亮一個(gè)LED燈，假設(shè)把一個(gè)頻率周期分為10個(gè)時(shí)間等份，如果方波中的高低電平占空比是9：1，也就是說(shuō)一個(gè)電平輸出周期T內(nèi)只有1/10 T的時(shí)間是點(diǎn)亮LED的，當(dāng)頻率超過(guò)100 Hz，由于人眼視覺(jué)殘留效果，就可讓人眼無(wú)法察覺(jué)到閃爍，感受到的只是亮度的變化，這時(shí)就是一個(gè)比較暗的亮度。本系統(tǒng)根據(jù)此原理設(shè)置了9個(gè)亮度級(jí)。

1.3 成像設(shè)備

為降低后續(xù)三模態(tài)ROI（感興趣區(qū)域）歸一化可能產(chǎn)生的特征形變，指節(jié)紋和指靜脈成像模塊采用相同分辨率的攝像頭模塊，根據(jù)各成像單元的需求配以不同焦距的光學(xué)鏡頭。如前文所述，指節(jié)紋為反射成像，特征信息主要包含在漫反射光中，光束不具有指向性。為降低光束能量的損失，需將指節(jié)紋攝像頭放置在指節(jié)紋位置較近處，故需給指節(jié)紋攝像頭配以微距鏡頭。指靜脈攝像頭成像范圍比指節(jié)紋攝像頭大，成像距離稍遠(yuǎn)，配以高清近焦鏡頭。指紋采集儀采用中控公司的U4500光學(xué)指紋采集儀。

1.4 滑動(dòng)模組

不同人手指長(zhǎng)短不一，當(dāng)手指放入采集裝置中時(shí)，手指的位置不一定是指紋、指靜脈、指節(jié)紋的最適合采集區(qū)。因此快速便捷地對(duì)3個(gè)攝像頭的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)就顯得十分重要。成像系統(tǒng)滑動(dòng)模組的功能是實(shí)現(xiàn)指節(jié)紋攝像頭和指靜脈攝像頭位置的自動(dòng)調(diào)節(jié)，其目的是確保同時(shí)采集到手指3個(gè)模態(tài)的ROI，并使ROI位于采集圖像的中心位置，有利于后期特征提取。其工作流程是當(dāng)采集者的手指放入采集裝置中時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)分析指定幀的采集圖像判斷如何調(diào)整，然后將相應(yīng)指令發(fā)送到采集裝置中的單片機(jī)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)指節(jié)紋攝像頭和指靜脈攝像頭下的滑動(dòng)模塊做出相應(yīng)的動(dòng)作。

將指紋采集儀固定，作為確定手指放置位置的標(biāo)準(zhǔn)，這樣只需移動(dòng)指節(jié)紋采集攝像頭和指靜脈采集攝像頭。要解決的首要問(wèn)題就是如何定位各模態(tài)的ROI區(qū)域。

如圖3（a）所示，人手指遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)和近端指關(guān)節(jié)處的滑液透光率比周圍組織高。因此在手指靜脈圖像中，2個(gè)指關(guān)節(jié)的亮度要高于指關(guān)節(jié)間的靜脈圖像的亮度。本文就是通過(guò)定位這2個(gè)高亮區(qū)域確定手指靜脈圖像的ROI，即2個(gè)高亮區(qū)域中間的靜脈圖像[12-13]。

指節(jié)紋無(wú)明顯的特征標(biāo)志，但是可以通過(guò)指靜脈ROI區(qū)域定位指節(jié)紋，如圖3（a）所示，近端指關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的手指背側(cè)即為指節(jié)紋區(qū)域。

計(jì)算機(jī)程序首先將手指靜脈圖像分成前后2部分，如圖3（b）（1）所示，在圖像中心附近預(yù)設(shè)一個(gè)范圍框，如圖3（b）（2）所示；按預(yù)設(shè)步長(zhǎng)在范圍框內(nèi)逐列比較每列總像素值，找出像素值最大的列，如圖3（b）（3）所示；在像素值最大列的兩端分別找到像素值最大的定位點(diǎn)，如圖3（b）（4）所示；比較前半圖中的定位點(diǎn)到圖像上邊緣的距離與后半圖中的定位點(diǎn)到圖像下邊緣的距離；根據(jù)比較值，通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送調(diào)節(jié)命令；單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)與指靜脈和指節(jié)紋攝像頭相連的滑塊，調(diào)節(jié)位置；每隔10幀重復(fù)上述定位過(guò)程，直至兩定位點(diǎn)到對(duì)應(yīng)圖像邊緣距離差小于閾值。下半圖中的高亮區(qū)對(duì)應(yīng)指節(jié)紋ROI，通過(guò)預(yù)設(shè)初始位置，可使指靜脈定位調(diào)整結(jié)束時(shí)，指節(jié)紋ROI位于指節(jié)紋采集圖像中心位置。

圖3 手指ROI定位及提取示意圖Fig.3 Positioning and extraction of finger ROI

2 計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)硬件的功能，需要好的軟件支持。本文所提出的計(jì)算機(jī)平臺(tái)有注冊(cè)采集者信息、光源選擇、定位調(diào)整、特征圖像采集等功能，程序流程圖如圖4（a）所示。計(jì)算機(jī)操控界面如圖4（b）所示，界面上端為3個(gè)視頻顯示區(qū)，用于實(shí)時(shí)顯示3個(gè)成像模塊的成像視頻；界面中部為控制和信息錄入?yún)^(qū)域。界面下端為采集結(jié)果顯示區(qū)，用于顯示最近一次采集結(jié)果。計(jì)算機(jī)平臺(tái)的人機(jī)交互功能也比較好，在采集的各個(gè)階段如果出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)都會(huì)給使用者做出提示。雖然系統(tǒng)有ROI自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，但還是預(yù)留了對(duì)成像模塊位置進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)的按鈕，這樣可在ROI自動(dòng)調(diào)節(jié)閾值內(nèi)對(duì)成像模塊位置進(jìn)行微調(diào)。保存特征圖像時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)錄入采集者的信息生成文檔名。

圖4 計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)Fig.4 Computer software platform

3 采集結(jié)果與分析

利用做出的實(shí)物采集系統(tǒng)（如圖5所示），采集一定數(shù)量樣本并做了偏振狀態(tài)下和非偏振狀態(tài)下采集結(jié)果的對(duì)比，總結(jié)了相應(yīng)結(jié)論。任意抽取其中2組做示例，如圖6所示，圖中同一行兩幅圖為同一手指分別在非偏振狀態(tài)下和偏振狀態(tài)下的特征圖像。

圖5 采集系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Actual picture of collection system

圖6 采集結(jié)果對(duì)比Fig.6 Acquisition result contrast

從圖5和圖6中可以看出，本采集系統(tǒng)能夠完整地采集到指紋、指靜脈、指節(jié)紋3個(gè)模態(tài)的特征圖像。由于偏振片透光率的原因，裝有偏振系統(tǒng)得到的特征圖像要比沒(méi)有加裝偏振系統(tǒng)得到的特征圖像暗，但是裝有偏振系統(tǒng)得到的特征紋絡(luò)相比于沒(méi)有加裝偏振系統(tǒng)得到的特征紋絡(luò)要清晰的多。指紋采集模塊采用的是研究較為成熟、使用較為廣泛的獨(dú)立模塊，已經(jīng)可采集到清晰的特征圖像，故而沒(méi)有加裝偏振系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從指紋、指靜脈、指節(jié)紋三模態(tài)的生理位置特征以及生物組織的光學(xué)特性出發(fā)，利用偏振成像原理設(shè)計(jì)了能夠同時(shí)采集指紋、指靜脈、指節(jié)紋三模態(tài)特征圖像的采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)采集質(zhì)量比較高，為指紋、指靜脈和指節(jié)紋三模態(tài)生物特征識(shí)別技術(shù)的研究打下了基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)突出，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)指靜脈攝像頭和指節(jié)紋攝像頭的位置；能夠?qū)崿F(xiàn)多光譜采集時(shí)對(duì)不同波段光束的順序控制和量化控制；利用偏振成像原理減少成像噪聲。同時(shí)，本系統(tǒng)也存在一些明顯的不足，例如：成像光路依然需要改進(jìn)以達(dá)到滿足采集尺寸要求下進(jìn)一步減小采集裝置體積的目的，提高偏振狀態(tài)下特征圖像的亮度。

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（責(zé)任編輯：劉智勇）

Polarized imaging system for multimodal finger-feature acquisition

YANG Jin-feng，Li Cheng-shang，Shi Yu-kun
（Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

How to obtain stable and clear biometric image is always the key issue in the field of biometric technology.The polarized imaging system for finger-feature acquisition can capture fingerprints，finger-vein and fingerknuckle-print biometric images simultaneously and has following advantages：a.this system can automatically adjust the locations of finger vein and finger-knuckle-print cameras to make the ROI（region of interest）at the center of imaging plane；b.the multispectral light beams can be controlled when acquiring multispectral image；c.the polarized light can effectively reduce image noise.

finger；multimodal finger-feature；polarized imaging；multispectral

TP391.41

：A

：1674－5590（2015）06－0028－04

2014-08-30；

：2014-10-10

：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61379102）

楊金鋒（1971—），男，河南淮陽(yáng)人，教授，博士，研究方向?yàn)閳D像處理、生物識(shí)別和計(jì)算機(jī)視覺(jué).