近紅外手背靜脈識(shí)別裝置

匡鹿婷

鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州　450000

近紅外手背靜脈識(shí)別裝置

匡鹿婷

鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州450000

基于靜脈識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)新一代的身份識(shí)別裝置，突出唯一性，保密性強(qiáng)的特點(diǎn)，抗偽造能力強(qiáng)。主要使用采集裝置以及圖像處理裝置，期間經(jīng)過預(yù)處理，特征值提取，去雜，匹配識(shí)別等過程，從而進(jìn)行身份識(shí)別。

靜脈識(shí)別；特征值提??；匹配識(shí)別

在科學(xué)飛速發(fā)展的今天，高樓林立，工廠遍地，當(dāng)溫飽問題和精神文明達(dá)到一定境界后，人們開始對(duì)自己的安全以及隱私問題提出越來越高的要求。公司財(cái)產(chǎn)是否安全，軍事機(jī)密是否安全，以及具體細(xì)化到各個(gè)普通家庭財(cái)產(chǎn)是否安全。提到這些安全問題，我們首先想到的就是進(jìn)行身份識(shí)別，只有是自己或者可信賴的人才能獲得允許的權(quán)限。

而說到身份識(shí)別，我們不得不對(duì)現(xiàn)有的身份識(shí)別方式進(jìn)行分析和比較。我們最常見的傳統(tǒng)身份識(shí)別方式即為ID卡識(shí)別，例如，刷門禁，身份證等，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，但是存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)，易丟失，易復(fù)制，易被盜竊冒用，失敗率高等。為了彌補(bǔ)ID卡識(shí)別的缺陷，應(yīng)運(yùn)而生了指紋識(shí)別，首次將高科技與生物識(shí)別相結(jié)合，是識(shí)別技術(shù)的一個(gè)里程碑，但是指紋識(shí)別局限性較大，例如，手指指紋處皮膚破損消失等情況，會(huì)使身份識(shí)別失敗，同時(shí)也避免不了復(fù)制造假的現(xiàn)象，市場(chǎng)上隨處可見的指紋膜等產(chǎn)品使指紋造假更為普遍。除此之外，指紋識(shí)別還不能判斷是否為活體識(shí)別，電影大片里面殺人滅口取死者手指進(jìn)行身份識(shí)別成功的事情也可能發(fā)生。比之更先進(jìn)的虹膜識(shí)別技術(shù)產(chǎn)生并克服了指紋識(shí)別的區(qū)別，但是虹膜識(shí)別的成本以及設(shè)施過于昂貴，使得它的應(yīng)用至今還不能普及。包括人臉識(shí)別技術(shù)也存在各種問題，如識(shí)別率低下，易出錯(cuò)，可變性差等。

因此，我們研究手背靜脈識(shí)別裝置去克服這些缺點(diǎn)，并且滿足人們對(duì)安全的需求。手背靜脈識(shí)別為活體識(shí)別，且憑借不會(huì)丟失，不能被復(fù)制，準(zhǔn)確性高，識(shí)別率高等特點(diǎn)被越來越多的人所關(guān)注，它克服了傳統(tǒng)ID卡識(shí)別，指紋識(shí)別，虹膜識(shí)別等缺點(diǎn)。但是，在國(guó)內(nèi)，這方面的研究還處于起步和試驗(yàn)階段，我們可以把它應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，家庭、軍事、公司、醫(yī)療等，我們有理由相信，由于手背靜脈識(shí)別低廉的成本，突出的優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)在安全領(lǐng)域成為新的寵兒。

1）科學(xué)先進(jìn)性

（1）指紋識(shí)別具有一定的局限性，適用人群受到很大限制。如手指因?yàn)橥鈧霈F(xiàn)指紋處皮膚破損等現(xiàn)象，或者手指有污物時(shí)，會(huì)使所成圖片模糊不清晰，以致身份識(shí)別失敗，識(shí)別率會(huì)大幅下降。而靜脈位于人體皮膚下面，可以避免發(fā)生上述情況。

（2）虹膜驗(yàn)證為侵入式驗(yàn)證，容易使人產(chǎn)生心理抗拒，且成本昂貴。而靜脈識(shí)別裝置使用起來十分方便，與虹膜識(shí)別相比，更輕松自在，因?yàn)樗欠乔秩胧剑圆粫?huì)讓人在心理上產(chǎn)生排斥。

（3）非生物式的身份認(rèn)證如門禁卡、智能IC卡、信用卡密碼、口令密碼等具有易丟失、易遺忘、易偽造等缺點(diǎn)。而人體的毛細(xì)血管形狀、結(jié)構(gòu)分布具有獨(dú)一無二、不易丟失等特點(diǎn)。

2）優(yōu)點(diǎn)

（1）手背靜脈特征具有很好的普遍性和唯一性。解剖學(xué)著作Gray's Anatomy（《格式解剖學(xué)》）已經(jīng)證明，個(gè)體的手背靜脈在形成、發(fā)育生長(zhǎng)過程中具有很強(qiáng)的唯一性，手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)即使是雙胞胎或者同一個(gè)人的左右手，也會(huì)因?yàn)榘l(fā)育過程的隨機(jī)性導(dǎo)致手背靜脈分布結(jié)構(gòu)的差異。當(dāng)人體發(fā)育成熟，20歲后手背靜脈的分布結(jié)構(gòu)除非進(jìn)行手術(shù)或藥物作用，否則不再變化，因此手背靜脈作為一種新的生物特征是可行的。

（2）活體識(shí)別特性和內(nèi)部特性。由于血液和皮下脂肪對(duì)近紅外光的吸收率不同，通常采用近紅外反射成像，獲得對(duì)比度清晰的手背靜脈紋理圖像，進(jìn)而完成特征提取與識(shí)別研究。另外，手背靜脈血管位于體表內(nèi)部，不易受到污染和劃傷等外界因素的影響，所以手背靜脈很難被仿造，安全性較高。

（3）近紅外反射成像設(shè)備屬于非接觸類型，且造價(jià)低廉，用戶和制造商容易接受。在部分國(guó)家特別是日本、韓國(guó)和新加坡等，手背靜脈識(shí)別產(chǎn)品如韓國(guó)的VP-II和日本富士通的Palm Secure，都已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用領(lǐng)域。

3）發(fā)展歷程

靜脈識(shí)別技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代?？逻_(dá)公司的一位工程師Joe Rice基于條形碼技術(shù)，研究得出的人類條形碼閱讀器——靜脈識(shí)別，并申請(qǐng)了相應(yīng)專利并將專利使用權(quán)分配給BTG（英國(guó)技術(shù)集團(tuán)）。然而之后靜脈識(shí)別的發(fā)展并不順利。BTG在這項(xiàng)技術(shù)上，一直未取得很好進(jìn)展，到了20世紀(jì)90年代BTG表示放棄與靜脈識(shí)別相關(guān)的商業(yè)活動(dòng)。

Joe并未放棄，他在谷歌生物峰會(huì)上再次發(fā)表演講，闡述他將如何發(fā)展靜脈識(shí)別。

在2002年日立和富士通推出靜脈識(shí)別裝置，證實(shí)了Joe的理論，并且證明了靜脈是最一致，最無歧義并且準(zhǔn)確的生物特征。

1　靜脈識(shí)別裝置基本原理以及相關(guān)技術(shù)

1.1系統(tǒng)整體框架圖

本系統(tǒng)采用圖像拍攝及收集裝置（采集裝置）以及處理及控制裝備（計(jì)算機(jī)軟件）2部分組成。采集裝置用于圖像收集以及光源提供以及控制；計(jì)算機(jī)軟件用于接收?qǐng)D像，處理圖像并產(chǎn)生對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果，同時(shí)對(duì)光源有控制作用，以增強(qiáng)圖片清晰度。倆者之間通過USB接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2采集裝置

1.2.1靜脈圖像的獲取

靜脈識(shí)別是基于近紅外成像的原理來獲取靜脈圖像，根據(jù)近紅外成像技術(shù)，近紅外光的入射波長(zhǎng)為700nm～1000nm之間，它可以透過約3mm厚的肌肉組織。

紅外圖像采集是根據(jù)人體肌肉骨骼以及組織的吸收特性，當(dāng)紅外光照射手時(shí)，靜脈血管中的血色素相比于皮下的其他組織能吸收更多近紅外光，因此靜脈血管反射的光線相比其他組織反射回的光線，傳感器接受的更少。由傳感器接受的反射光線強(qiáng)弱的不同，從而形成靜脈紋路分布的圖像，從而得到靜脈圖像。

此外人體靜脈血液中的還原血蛋白對(duì)近紅外光的吸收特性來實(shí)現(xiàn)，手掌皮膚對(duì)光的吸收和散射特性在不同波長(zhǎng)的入射光下是不同的。

1.2.2系統(tǒng)接口

靜脈的紅外圖像要傳送入計(jì)算機(jī)，就需要提供相應(yīng)接口，并且該接口應(yīng)具有高速傳輸信息的能力，考慮到USB在傳輸速度以及便捷靈活方面的性能優(yōu)于其他的接口，因此該傳輸接口將選用USB接口作為傳輸接口電路。

1.3靜脈圖像處理

1.3.1預(yù)處理階段

主要目的為選取有效區(qū)域，方便靜脈圖像采集。

1）得到靜脈圖。

2）依次計(jì)算出手背輪廓的點(diǎn)到手腕中心點(diǎn)的距離。

3）得到距離圖像，利用圖像凹點(diǎn)處確定的線段取正方形像素塊，即得到了我們所需要的有效區(qū)域。

1.3.2靜脈圖像處理

1）靜脈特征提取。采取有效區(qū)域圖像，獲得靜脈圖像，得到靜脈特征。

2）靜脈圖像去雜。黑色圖案的邊緣存在微小的突起和凹陷，稱為毛刺。針對(duì)這種情況，我們采用的方法是中值濾波法，它是一種非線性處理的方法。對(duì)于零均值的正態(tài)分布噪聲輸入，中值濾波輸出的噪聲方差。

1.3.3匹配識(shí)別

靜脈特征的匹配主要根據(jù)提取到的靜脈特征來判斷取舍，匹配過程采用了相關(guān)算法，具體的算法采用主要是根據(jù)提取到的特征圖像來進(jìn)行處理。

在提取到靜脈圖像的頻域信息后，直接利用頻域的相關(guān)算法來進(jìn)行匹配識(shí)別。

2　使用方法及應(yīng)用領(lǐng)域

1）手背靜脈圖像入庫，并輸入身份信息。

2）程序自動(dòng)擴(kuò)充圖庫，將新入庫的圖像與信息處理并存儲(chǔ)。

3）通過手背靜脈進(jìn)行身份識(shí)別。

軍事公安、案件偵查、工業(yè)安全、生物醫(yī)學(xué)、多媒體系統(tǒng)管理和日常的醫(yī)院、銀行、酒店、超市商場(chǎng)付款、網(wǎng)絡(luò)傳輸、交通信息現(xiàn)場(chǎng)管理等。這就預(yù)示著生物特征識(shí)別未來的發(fā)展前景將相當(dāng)廣闊，而我們所研究的手背靜脈識(shí)別技術(shù)作為第2代生物特征識(shí)別技術(shù)的代表，以其在速度、穩(wěn)定性、安全性與隱秘性等方面的優(yōu)勢(shì)，已成為眾多發(fā)達(dá)國(guó)家的第2代身份認(rèn)證技術(shù)的主流研究方向。

3　當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類課程研究水平概述

單就靜脈識(shí)別研究和商用系統(tǒng)而言，日本和韓國(guó)都是走在世界的前列，靜脈識(shí)別的鼻祖公司就是日本日立公司。

近幾年，此項(xiàng)技術(shù)影響到了海外市場(chǎng)，上海浦東國(guó)際金融中心就是采用了手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)作為登樓身份管理系統(tǒng)。除了日立公司，日本富士通公司也是這一行業(yè)的佼佼者，該公司也推出了一款筆記本手掌靜脈紋路識(shí)別系統(tǒng)。

而在韓國(guó)，NEXTERN公司推出了BK100BK200S BK300BK500四套BK系列手背靜脈識(shí)別系統(tǒng)，其中BK100BK200SBK300都投入了市場(chǎng)。除此之外，韓國(guó)的Techsphere公司以及新加坡VEID公司、長(zhǎng)春鴻達(dá)公司、深圳科安信有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等也積極參與靜脈識(shí)別技術(shù)研發(fā)之中。

在國(guó)內(nèi)，從2002年開始，清華大學(xué)的林喜榮等發(fā)表了多篇文章，自主設(shè)計(jì)了近紅外血管圖像采集儀，提取血管造影的原始圖像，并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行歸一化和增強(qiáng)處理，對(duì)特征提取和特征匹配算法進(jìn)行了初步的研究。在2006年，他們利用分水嶺算法提取特征點(diǎn)，并使用二階矩和統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行多分辨率濾波得到多維特征向量。

［1］王一丁.手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2015.

［2］科學(xué)網(wǎng).靜脈識(shí)別：開啟“后指紋”時(shí)代.

［3］WilliamKennedy，季欣楠.國(guó)際生物識(shí)別技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì).中國(guó)公共安全，2005（2）：119-121.

［4］Test technology technical committee of the IEEE computer society.IEEE Standard Test Access Port and Boundary Scan Architecture.IEEE Std1149.1-1990［S］，1990.

TN21

A

1674-6708（2016）166-0183-02

匡鹿婷，鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院。