基于生物識(shí)別的指靜脈識(shí)別系統(tǒng)概述

陳華宣

摘 要：在信息時(shí)代的大背景下，人人都很注重自己的信息安全。而傳統(tǒng)的信息驗(yàn)證方式并不算安全和便捷。由此生物特征識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中的指靜脈識(shí)別技術(shù)是本文討論的對(duì)象，指靜脈識(shí)別技術(shù)能夠有效地解決現(xiàn)如今信息驗(yàn)證中存在的缺點(diǎn)和弊端。針對(duì)指靜脈識(shí)別中的原理以及系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)做了詳細(xì)的說(shuō)明，并展望了不久的將來(lái)指靜脈識(shí)別技術(shù)的迅速發(fā)展以及龐大的市場(chǎng)需求。

關(guān)鍵詞：信息驗(yàn)證；生物特征識(shí)別；指靜脈識(shí)別

Abstract：In the context of the information age， everyone is very focused on their own information security. And the traditional way of information verification is not safe and convenient. Thus， biometric identification technology has emerged， which is the object of this paper， which can effectively solve the shortcomings and disadvantages of the current information verification. According to the principle of finger vein recognition and the key points of the system， the key points of the system are described in detail， and the rapid development of the vein recognition technology and the huge market demand are prospected.

Key word：Information verification Biometric identification Finger vein recognition

隨著信息爆炸時(shí)代的來(lái)臨，人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生了巨大的變革，人們對(duì)信息的需求和依賴(lài)越來(lái)越大，人們?cè)跁r(shí)刻進(jìn)行社會(huì)活動(dòng)的時(shí)候離不開(kāi)身份信息的驗(yàn)證。在這種時(shí)代背景下信息的安全問(wèn)題也就顯得十分重要，然而傳統(tǒng)的身份識(shí)別方法是需要借助外物來(lái)證明身份的，但如果證明身份的標(biāo)識(shí)物品出現(xiàn)丟失、被盜竊或者被偽造等情況就會(huì)導(dǎo)致混亂甚至犯罪事件的發(fā)生。針對(duì)這一弊端，現(xiàn)已有很多生物特征識(shí)別技術(shù)用于身份認(rèn)證，比如指紋、虹膜、視網(wǎng)膜、手型識(shí)別、臉部識(shí)別等等。實(shí)際上生物特征識(shí)別技術(shù)早已有人研究，隨著科技的進(jìn)步以及各種生物特征識(shí)別的算法和系統(tǒng)的問(wèn)世使得生物特征識(shí)別變得火熱起來(lái)。而本文涉及的是生物特征識(shí)別技術(shù)中的指靜脈識(shí)別技術(shù)。

指靜脈識(shí)別這一技術(shù)最初是由日立公司著手研究并開(kāi)發(fā)成相關(guān)產(chǎn)品的，由于每個(gè)人的指靜脈分布都不一樣，由此特性它通過(guò)識(shí)別個(gè)人手指里的指靜脈分布圖像特征來(lái)進(jìn)行個(gè)人的身份鑒定。指靜脈的采集是根據(jù)靜脈里面的血紅蛋白反射采集到的圖像來(lái)對(duì)比識(shí)別的，這種識(shí)別方式?jīng)Q定了指靜脈是活體識(shí)別技術(shù)。

目前指紋識(shí)別雖然是用戶(hù)廣泛的一種識(shí)別技術(shù)，但弊端也隨之體現(xiàn)出來(lái)：安全性低，雖然如今破解指紋識(shí)別機(jī)不大可能了，但現(xiàn)在網(wǎng)上都有各種制作指紋膜來(lái)達(dá)到偽造身份的目的；穩(wěn)定性差，如果手指受了割傷或者手指外表皮因?yàn)闇囟然蛘吣Σ恋仍蚨撀浠蛘呤种副砻嬲瓷夏撤N污漬，在指紋驗(yàn)證時(shí)就會(huì)很困難。相較之下指靜脈識(shí)別很難偽造，抗干擾性好、不易受手指表面?zhèn)刍蛭蹪n的影響，因此指靜脈的準(zhǔn)確率比較高，F(xiàn)RR（拒真率）小于0.01%，F(xiàn)AR（認(rèn)假率）小于0.0001%，F(xiàn)TE（登錄失?。?%。因此就目前技術(shù)方面和市場(chǎng)方面來(lái)說(shuō)指靜脈識(shí)別技術(shù)運(yùn)用到的識(shí)別原理作為一種新型的身份認(rèn)證方式在生物特征識(shí)別中是具有較大的優(yōu)越性的。

1 指靜脈識(shí)別原理及技術(shù)

1.1指靜脈成像原理

根據(jù)醫(yī)學(xué)研究結(jié)果，每個(gè)人都有著自己獨(dú)特的手指血管紋路，左手和右手之間的靜脈分布也是不同的，即使是雙胞胎之間的血管紋路也不一樣的。由于靜脈相比于動(dòng)脈更接近皮膚表層，易于采集特征；況且靜脈分布的曲線和分支比較繁多復(fù)雜，采集到的圖案樣本多，所以個(gè)人之間圖像差別明顯。根據(jù)這一生物特性，我們可采用近紅外線照射指靜脈（近紅外線范圍在700～1000nm之間，本系統(tǒng)采用了波長(zhǎng)為850nm的近紅外線，在這個(gè)范圍靜脈透射的部分比較少，成像較為明顯），靜脈的圖像就會(huì)突出顯示，手指肌肉和骨骼等其它部位被弱化，由此將靜脈里流動(dòng)血液中的血紅蛋白呈現(xiàn)出來(lái)的圖像進(jìn)行特征提取。

1.2圖像的采集和預(yù)處理

采用了使用比較廣泛的CMOS感光器件，相較于CCD感光器件，COMS有以下幾個(gè) 優(yōu)點(diǎn)：

（1）集成度更高，所以功耗也比較低；

（2）在價(jià)格上CMOS由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單所以制造成本低；

（3）在成像方面新的CMOS器件的出現(xiàn)提高了信噪比和影像效率，已經(jīng)接近了CCD的成像質(zhì)量；

（4）CMOS的光譜敏感范圍在近紅外線比可見(jiàn)光的靈敏度高達(dá)5～6倍。

根據(jù)上述分析決定使用CMOS感光器件在近紅外下采集圖像。

但由于使用環(huán)境中我們的圖像采集成像裝置會(huì)受到環(huán)境可見(jiàn)光的影響，會(huì)導(dǎo)致指靜脈成像的不穩(wěn)定，因此需要增加濾光片來(lái)消除可見(jiàn)光的干擾。一般濾光鏡按照光譜的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)區(qū)分的話有紫外濾光、可見(jiàn)濾光片和紅外濾光片，因?yàn)槲覀儾杉胳o脈圖像的近紅外線是采用850nm的波長(zhǎng)，所以濾光鏡選擇紅外濾光片。

而因?yàn)槭种笖[放的姿勢(shì)、位置以及受到溫度等其它因素的影響導(dǎo)致手指內(nèi)部靜脈收縮或者擴(kuò)張，所以圖像采集到還需要進(jìn)一步的處理。處理過(guò)程一般都有圖像感興趣區(qū)域的裁剪、尺寸或灰度歸一化、圖像增強(qiáng)、靜脈分割、位置校準(zhǔn)、細(xì)化等操作，經(jīng)過(guò)處理的圖像更有利于特征的提取和圖像的識(shí)別認(rèn)證?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況的需要有選擇地選取上述處理方式，好的算法會(huì)使得圖像的處理更加優(yōu)化，從而達(dá)到提高識(shí)別率的目的。

1.3指靜脈特征點(diǎn)提取

在本系統(tǒng)的指靜脈特征點(diǎn)提取中主要采用的是基于細(xì)節(jié)點(diǎn)特征提取的算法，因?yàn)槔眉?xì)節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行識(shí)別主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）細(xì)節(jié)點(diǎn)的特征描述相對(duì)比較簡(jiǎn)單的。

（2）細(xì)節(jié)點(diǎn)占用的存儲(chǔ)空間比較小。

（3）單單憑借著細(xì)節(jié)點(diǎn)是無(wú)法恢復(fù)出原有的指靜脈的，有利于保護(hù)個(gè)人隱私。

而細(xì)節(jié)點(diǎn)的特征提取一般有以下幾種：

1.3.1端點(diǎn)：當(dāng)指靜脈在手指內(nèi)部一定深度或者近紅外線對(duì)手指透射的不夠深的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)這種端點(diǎn)。

1.3.2分叉點(diǎn)：由一個(gè)單一的靜脈段分裂為兩個(gè)靜脈段。

1.3.3雙分叉點(diǎn)：當(dāng)兩個(gè)分叉點(diǎn)靠得比較近的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)這種雙分叉點(diǎn)。

根據(jù)以上三種細(xì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特征提取的方法分別如下：

1.3.3.1提取端點(diǎn)：以端點(diǎn)為中心提取一個(gè)N*N范圍塊（N的取值視具體情況而定），然后刪除該N*N區(qū)域中其它沒(méi)有與該中心端點(diǎn)相連接的點(diǎn)。最后計(jì)算靜脈特征和塊邊界的連接數(shù)，如果連接數(shù)目為一個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)就認(rèn)為該細(xì)節(jié)點(diǎn)是端點(diǎn)并保存端點(diǎn)段譽(yù)水平線之間的角度，否則不是。

1.3.3.2提取分叉點(diǎn)：以一個(gè)分叉點(diǎn)為中心提取一個(gè)N*N的范圍塊（N的取值視具體情況而定），然后刪除在該N*N區(qū)域內(nèi)其他的不與中心分叉點(diǎn)相連接的點(diǎn)。最后計(jì)算靜脈特征和劃分的N*N范圍塊邊界的連接數(shù)，當(dāng)連接數(shù)目為四，就認(rèn)為該分叉點(diǎn)是雙分叉點(diǎn)，同時(shí)保存分支之間的兩個(gè)角度。反之則認(rèn)為該分叉點(diǎn)為錯(cuò)誤的細(xì)節(jié)點(diǎn)。

于是針對(duì)上述的三種細(xì)節(jié)點(diǎn)我們可以分別列出表達(dá)方式如下⑵：

端點(diǎn)：[X，Y，Φ1]

分叉點(diǎn)：[X，Y，θ2，θ3，θ4]

雙分叉點(diǎn)：[X，Y，Φ5，Φ6，Φ7，Φ8]

其中X，Y是細(xì)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，β是端點(diǎn)和水平線兩者之間的角度，θ是分叉點(diǎn)與分支兩者之間的角度，α是雙分叉點(diǎn)與分支兩者之間的角度。

具體的直觀圖像如下圖所示：

圖2.3 細(xì)節(jié)點(diǎn)表達(dá)圖像

實(shí)際上提取特征點(diǎn)之后為更加簡(jiǎn)化的圖像：

將上述提取特征點(diǎn)獲得的圖像與已保存的圖像庫(kù)做對(duì)比識(shí)別即可辨識(shí)身份。

2 總結(jié)

針對(duì)指紋識(shí)別等傳統(tǒng)生物識(shí)別的缺點(diǎn)或弊端提出了指靜脈識(shí)別系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在以及在指靜脈系統(tǒng)中從選用合適的器件開(kāi)始逐步到闡明在本系統(tǒng)中靜脈采集和特征提取的原理和方式等關(guān)鍵問(wèn)題。

從目前來(lái)看鑒于技術(shù)和成本之間的沖突，指靜脈識(shí)別市場(chǎng)正處于市場(chǎng)爆發(fā)的臨界狀態(tài)，一旦指靜脈識(shí)別技術(shù)得到進(jìn)一步的完善和達(dá)到一定的量產(chǎn)，將會(huì)普遍推廣到各類(lèi)民用領(lǐng)域。而且國(guó)家相關(guān)機(jī)構(gòu)也在制訂并計(jì)劃實(shí)施相關(guān)的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。相信通過(guò)國(guó)內(nèi)有實(shí)力的核心技術(shù)及上下游廠商通力合作，中國(guó)指靜脈技術(shù)識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品發(fā)展的前景廣闊。

我們也期盼著各種高科技產(chǎn)品早日普及到我們平常生活中，讓每個(gè)人都可以體驗(yàn)忘記密碼、丟掉鑰匙的安全又便捷的生活，就像十幾年前人們紛紛丟下腰間的BP機(jī)換成手機(jī)一樣，指靜脈識(shí)別系統(tǒng)會(huì)在不久的將來(lái)大放異彩。

參考文獻(xiàn)：

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[2]袁智.基于匹配融合的指紋與指靜脈雙模態(tài)生物識(shí)別技術(shù)的研究[D].南京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文