手指靜脈識別傳感器的光源設(shè)計(jì)*

吳 飛， 楊廣達(dá), 王鳳蘭， 張素紅

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.秦皇島鴻大科技開發(fā)有限公司，河北 秦皇島 066004)

設(shè)計(jì)與制造

手指靜脈識別傳感器的光源設(shè)計(jì)*

吳 飛1， 楊廣達(dá)1, 王鳳蘭2， 張素紅1

(1.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2.秦皇島鴻大科技開發(fā)有限公司，河北 秦皇島 066004)

針對手指靜脈圖像采集系統(tǒng)中近紅外LED光源的光強(qiáng)均勻性相對較差的問題，設(shè)計(jì)了一種等邊三角形結(jié)構(gòu)的光源陣列。通過應(yīng)用近紅外LED光源的數(shù)學(xué)模型和斯派羅法則優(yōu)化兩個(gè)相鄰光源的距離，確定了兩顆光源之間的最優(yōu)距離為6.26 mm，對該光源陣列進(jìn)行仿真形成面積為10 mm×20 mm的均勻光照區(qū)域。對此光源陣列進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)，證明等邊三角形結(jié)構(gòu)的光源陣列比單排的光源陣列在均勻性和圖像質(zhì)量上更加突出。

手指靜脈； 圖像采集； 近紅外LED； 等邊三角形； 硬件實(shí)現(xiàn)

0 引 言

手指靜脈識別技術(shù)是一種新的生物特征識別技術(shù)[1]，具有采集速度快、精度高、活體識別、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)[2]，擁有很高的市場價(jià)值與應(yīng)用前景[3,4]。手指靜脈圖像采集裝置[5,6]是手指靜脈識別系統(tǒng)的重要組成，采集的圖像質(zhì)量將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的識別率，其中,光源的設(shè)計(jì)決定了采集圖像的均勻性。

目前，國內(nèi)外有很多人員從事手指靜脈圖像采集裝置光源設(shè)計(jì)的研究，Dai Y G等人[7]使用非均勻紅外光源補(bǔ)償技術(shù)，通過補(bǔ)償光源亮度實(shí)現(xiàn)紅外亮度均勻，雖然對光源均勻性有一定的作用，但是這種方法程序復(fù)雜，成本高，不能從根本上解決均勻性問題。楊樹強(qiáng)等人[8]提出了分組光源控制方法，將近紅外光源分成兩組分別控制兩組光源的光強(qiáng)，但是在兩組光源的交匯處會出現(xiàn)明顯的不均勻現(xiàn)象。梁愛華等人[9]將單排近紅外光源放置在手指左側(cè)上方,與手指平面呈一定角度，充分利用反射的近紅外光，然而,側(cè)面光源本身就具有照射不充分的缺點(diǎn)，反射的近紅外光更加難以控制。

上述手指靜脈圖像采集裝置的光源設(shè)計(jì)中，普遍存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、均勻性差等問題，為此，本文提出了一種新型的光源設(shè)計(jì)，采用等邊三角形的光源分布，任意相鄰的兩顆光源之間的距離均為6.26 mm，形成10 mm×20 mm的均勻光照區(qū)域，完整覆蓋手指采集區(qū)，獲取了高質(zhì)量的手指靜脈圖像。

1 光源設(shè)計(jì)

光源在手指靜脈圖像的采集中具有重要作用，光照強(qiáng)度的均勻性直接影響著采集到的圖像質(zhì)量。普通照明裝置的照度均勻度要求在70 %左右，而手指靜脈的圖像采集裝置對照度均勻度要求更高。由于手指靜脈和周圍組織之間的差異主要集中在灰度差上，如果光照不均勻，就容易在采集到的圖像中出現(xiàn)亮斑點(diǎn)或者陰影，易導(dǎo)致對指靜脈的錯(cuò)誤判斷，進(jìn)而影響后續(xù)的圖像處理，甚至?xí)绊懻麄€(gè)識別系統(tǒng)的識別率。因此,光源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)高度均勻的光照。

目前，大多數(shù)手指靜脈圖像采集裝置的光源設(shè)計(jì)普遍采用單排光源結(jié)構(gòu)，其照射面積不夠充分，造成光源均勻性差。此外，近紅外發(fā)光二極管(LED)的光強(qiáng)分布類似高斯分布，如果兩顆光源之間的距離沒有進(jìn)行優(yōu)化則造成光強(qiáng)的任意疊加將會進(jìn)一步降低均勻性。為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了等邊三角形結(jié)構(gòu)的光源陣列，如圖1所示，其光照面積可以均勻地覆蓋手指，同時(shí)，為了使3行光源疊加后的光照強(qiáng)度更加均勻，采用等邊三角形的布局，任意2個(gè)光源之間的距離相等。

圖1 等邊三角形結(jié)構(gòu)光源圖

2 光源距離優(yōu)化

為了防止由于光強(qiáng)疊加造成的不均勻性，需要對兩顆光源之間的距離進(jìn)行優(yōu)化，從近紅外LED光源的理論基礎(chǔ)出發(fā)，研究光源的發(fā)光模型。近紅外LED由于半導(dǎo)體的封裝材料以及形狀的影響，不是理想的郎伯型光源，其光強(qiáng)分布可以看成發(fā)光角余弦多次方函數(shù)[10]，表達(dá)式為

E(r,θ)=E0(r)cosmθ

(1)

式中θ為近紅外LED發(fā)光角；r為近紅外LED到接收面距離；E0(r)是θ=0，距離為r時(shí)的照度值；m為近紅外LED的輻射模式，其值與近紅外LED的發(fā)光區(qū)域和封裝透鏡曲率中心距離有關(guān)系。m=1時(shí)近紅外LED近似為標(biāo)準(zhǔn)的郎伯型光源，實(shí)際中，m的值隨半光強(qiáng)角(θ1/2)變化而變化

(2)

根據(jù)式(1)、式(2)推導(dǎo)出光源垂直照射在接收面上的光強(qiáng)分布為[11]

(3)

式中 I0為近紅外LED法線接收面上的光強(qiáng)，將近紅外LED的光照度分布到笛卡爾坐標(biāo)系(x,y,z)中表示，則接收面上任意點(diǎn)的光照度為

(4)

式中 (x0,y0)為近紅外LED的位置坐標(biāo)，z為近紅外LED到接收面的距離，I為近紅外LED的光照強(qiáng)度。

近紅外LED是非相干光源，多顆近紅外LED光源的光強(qiáng)分布不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，只是線性疊加，兩顆相同的近紅外LED對稱分布在z軸兩側(cè)的光強(qiáng)表達(dá)式

E(x,y,z)=

(5)

式中 d為兩個(gè)近紅外LED之間的距離，由于當(dāng)兩個(gè)類似高斯分布疊加時(shí)，兩個(gè)光源之間有一個(gè)最優(yōu)距離du，此時(shí)會形成如圖2(a)所示的均勻光照強(qiáng)度；否則，就會出現(xiàn)如圖2(b)，(c)的不均勻現(xiàn)象。

圖2 不同d時(shí)兩個(gè)類似高斯分布關(guān)系

為了得到最優(yōu)距離，使用斯派羅法則進(jìn)行分析，斯派羅法則主要用于類似高斯分布疊加的情況，當(dāng)兩個(gè)高斯分布曲線以線性方式拉開時(shí)，兩者之間會產(chǎn)生一個(gè)最優(yōu)值，被稱為斯派羅極值σL，其滿足條件

(6)

式中 第一個(gè)公式表示函數(shù)的斜率，第二個(gè)公式表示函數(shù)斜率的變化。由斯派羅法則，對光照強(qiáng)度E(x,y,z)進(jìn)行二次求導(dǎo)，當(dāng)x=0,y=0時(shí)，得到最優(yōu)距離du為

(7)

由式(7)得到的du為兩個(gè)近紅外LED之間的最優(yōu)距離，此時(shí)會產(chǎn)生均勻的疊加光強(qiáng)分布。根據(jù)本文中手指靜脈圖像采集系統(tǒng)的要求，設(shè)置近紅外LED的直徑為3mm，發(fā)光角度為30°，接收面與光源之間的距離為15mm，接收面積為25mm×25mm，根據(jù)式(2)和式(7)得出兩個(gè)光源的最優(yōu)距離為du=6.26mm。

3 仿真分析

使用光學(xué)仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證，確定光源設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的可行性，單顆光源的光強(qiáng)分布如圖3所示，可知單顆近紅外LED的光強(qiáng)分布滿足類似高斯分布，圓心處的光強(qiáng)最大，隨著遠(yuǎn)離圓心，光照強(qiáng)度逐漸減小。

圖3 單顆近紅外LED光強(qiáng)分布

兩顆光源的光強(qiáng)分布仿真結(jié)果如圖4所示，圖4(a)為d=0.9du時(shí)的光強(qiáng)分布圖，從圖中可以看出，光強(qiáng)分布明顯不均勻，并且頂端出現(xiàn)尖峰；圖4(c)為d=1.1du時(shí)光強(qiáng)分布圖，出現(xiàn)兩個(gè)尖峰，中間區(qū)域的光強(qiáng)明顯下降；圖4(b)為d=du時(shí)的光強(qiáng)分布，光強(qiáng)均勻分布，頂端近似直線，符合理想要求。

圖4 兩顆近紅外LED的光強(qiáng)分布

手指靜脈圖像的采集面積應(yīng)該適中，面積過大會增大圖像處理的復(fù)雜性，影響運(yùn)算速度；面積過小會由于采集圖像信息太少而影響識別率。本文采用的等邊三角形結(jié)構(gòu)的陣列光源，其光強(qiáng)的分布如圖5所示，其中任意兩個(gè)相鄰近紅外LED光源之間的距離為6.26 mm，形成一個(gè)面積為10 mm×20 mm的均勻光照區(qū)域，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖5 等邊三角形結(jié)構(gòu)的光強(qiáng)分布

4 硬件實(shí)現(xiàn)

手指靜脈圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。光源選擇型號為04IRC—85L/12的發(fā)光二極管，其波長為850 nm，直徑為3 mm，功率為0.1 W，發(fā)光角為30°。采用型號為IR700的紅外濾波片，其對850 nm的波長透光率達(dá)到90 %，能夠減少可見光的影響。鏡頭采用CW0412IR，其具有4 mm的焦距，73°的水平視場角，像面尺寸為1/3 in(1 in=2.54 cm)。選用MT9V034型號的CMOS圖像傳感器，其具有752×480的分辨率，采集速度達(dá)60幀/s，該傳感器對850 nm的近紅外光線十分敏感。

圖6 手指靜脈采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖像采集的實(shí)現(xiàn)流程為：將手指放于手指放置槽中，由光源亮度控制電路調(diào)整光源的亮度，CMOS攝像頭進(jìn)行圖像采集，采集完成后指示燈由紅燈變?yōu)榫G燈。鏡頭采集到光學(xué)圖像之后，將圖像投射到CMOS圖像傳感器上轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字圖像信號，再送到數(shù)字信號處理芯片中處理，最后通過USB接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行圖像顯示，最終將獲取解析為手指靜脈圖像。

按照圖6所示搭建手指靜脈圖像采集裝置，設(shè)置相同的光源強(qiáng)度，分別使用單排光源結(jié)構(gòu)與等邊三角形光源結(jié)構(gòu)采集到的手指靜脈圖像如圖7所示，圖(a)中的圖像均勻性較差、光照強(qiáng)度不夠、無法完全覆蓋手指。圖(b)中手指區(qū)域與背景區(qū)域有明顯的分割界面，有利于去除背景，同時(shí)靜脈紋絡(luò)信息明顯，圖像光照分布比較均勻，圖像整體質(zhì)量滿足要求。

圖7 手指靜脈圖像

5 結(jié)束語

針對手指靜脈圖像采集系統(tǒng)中的光源均勻性問題，設(shè)計(jì)了一種等邊三角形結(jié)構(gòu)的光源陣列。經(jīng)過理論分析將任意相鄰的兩顆光源距離優(yōu)化為6.26 mm，利用光學(xué)仿真得到此光源陣列的均勻光照面積為10 mm×20 mm，通過硬件實(shí)驗(yàn)證明了等邊三角形結(jié)構(gòu)的光源陣列可以采集到更高質(zhì)量的手指靜脈圖像。

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吳 飛(1978- )，男，博士，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)及生物特征識別研究工作。

楊廣達(dá)(1990-)，男，通訊作者，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)及生物特征識別研究工作，E—mail：guangda51@163.com。

Light source design of finger vein recognition sensor*

WU Fei1, YANG Guang-da1, WANG Feng-lan2, ZHANG Su-hong1

(1.School of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.Qinhuangdao Hongda Science and Technology Development Company，Qinhuangdao 066004,China)

Aiming at problem that intensity uniformity of near infrared LED light source is relatively poor in finger vein image acquisition system,a light source array structure of equilateral triangle is designed.Through using the mathematical model for near infrared LED light intensity and Sparrow’s criterion to optimize distance between two adjacent light source , the optimal distance between the two light sources are confirmed as 6.26 mm.An uniform illumination area of 10 mm×20 mm is formed by the new light source array by simulation.The hardware experiment of the light source arrays demonstrate that the light source array of equilateral triangle structure is more prominent than the light sources array of single row in the uniformity and the quality of image.

finger vein； image acquisition； near infrared LED； equilateral triangle； hardware implementation

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0074—04

2016—06—21

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(15C1303351001，E2014203182)

TP 391.4

A

1000—9787(2017)04—0074—04