手指靜脈識別系統(tǒng)矩形陣列光源特性分析及優(yōu)化設(shè)計

朱超平，秦華鋒，劉啟能

(1. 重慶工商大學 計算機科學與信息工程學院，重慶 400067; 2.重慶市檢測控制集成系統(tǒng)工程重點實驗室，重慶 400067)

1 引 言

手指靜脈是人體的生理特征之一，具有唯一性、穩(wěn)定性以及可度量性，還具有天然的防偽性和活體識別性。由于手指靜脈識別系統(tǒng)具有采集速度快、非接觸性、準確度高和安全性高等諸多優(yōu)點，使得手指靜脈識別技術(shù)迅速成為一種新的生物識別技術(shù)，具有廣闊的市場的前景和經(jīng)濟價值。手指靜脈圖像質(zhì)量的高低直接影響手指靜脈的識別效率，如何設(shè)計一個高效手指靜脈采集光源十分重要。

手指靜脈的識別原理是靜脈血管中紅血球上的血紅蛋白失氧后可以吸收波長范圍為700～1 000 nm 的近紅外光。實驗表明:當波長約為 850 nm 時，手指靜脈對近紅外光的吸收特別明顯，而手指中的肌肉組織和骨骼對該波長的光波具有很好的透射性，當采用該波長的近紅外光線照射手指時，手指靜脈血管與周圍肌肉組織對近紅外光線吸收特性的不同，通過圖像傳感器可以采集手指靜脈血管的造影，從而獲得手指靜脈血管的分布圖像[1,2]。

目前，國內(nèi)外一些科研機構(gòu)、高校和企業(yè)在從事手指靜脈理論和應(yīng)用的研究方面已取得了一些成果。Dai Y G等人[3]使用非均勻近紅外光源補償光源亮度，實現(xiàn)照度均勻，取得一定的作用，但是控制方法復(fù)雜，成本高，影響采集速度；楊金峰等人[4]選取多波段光源，通過控制電路控制光源發(fā)光，進行手指靜脈采集，但沒有考慮光源的形狀和光照均勻度問題；梁愛華等人[5]將單排光源設(shè)計在手指左側(cè)上方，與手指形成一定角度，利用近紅外光的反射特性，采集手指靜脈圖像，但是側(cè)面光源不好控制，照射也不均勻，圖像質(zhì)量不高；楊數(shù)強等人[6]采用分組光源進行照射，采集手指靜脈圖像，但是光源排成線性結(jié)構(gòu)，光照不均，控制復(fù)雜。

手指靜脈圖像質(zhì)量的高低，直接與近紅外光源照度、均勻度、空間的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及光源的散射角等因素直接相關(guān)，采集系統(tǒng)光源設(shè)計的好壞，直接影響采集到的圖像的質(zhì)量，從而決定整個系統(tǒng)的識別性能。因此，本文利用近紅外LED光照模型，設(shè)計了一種近紅外LED矩形陣列光源，用于獲取高質(zhì)量的手指靜脈圖像。

2 理論模型

2.1 近紅外LED理論模型

由朗伯分布可計算單個近紅外LED的光強與視角的關(guān)系由公式(1)決定。

I=IOcosmθ

(1)

式中：θ為視角;IO為視角為O方向的光強;m值由半角θ1/2決定，半角θ1/2是指光強降為中心光強一半時所對應(yīng)的視角(它跟生產(chǎn)廠家采用的工藝有關(guān)，可以查詢生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)手冊)。m值與半角θ1/2的關(guān)系[7]為

(2)

單個近紅外LED在點(X,Y,O)處，在目標平面上的照明點P點(x,y,h),則單個LED在P點處產(chǎn)生的照度E和光強I滿足余弦定律，如圖1所示。

圖1 單個近紅外LED光照模型Fig.1 Single near-infrared LED model

(3)

式中:r為O點到P點的距離，即近紅外LED到P點距離。

由式(1)和式(3)可以得到單個LED在P點處產(chǎn)生的照度為

(4)

由于近紅外LED光源是一種非相干光源，因此近紅外LED燈照射區(qū)域的光照度為單個近紅外LED照度的疊加。如果在同一平面有N個LED燈，則在P點產(chǎn)生的光照度[8]為

(5)

2.2 矩形陣列光源理論分析

假設(shè)有一個近紅外LED矩形陣列，矩形陣列的每一排上均勻分布有奇數(shù)2K+1個近紅外LED燈，矩形陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)為d，即每個LED與相鄰的LED的間距為d。近紅外LED矩形陣列的每一列均勻分布有2H+1個LED燈，該矩形陣列的近紅外LED總數(shù)為N=(2K+1)×(2H+1)。近紅外LED矩形陣列在z=0平面上的中心為O(0，0，0)處，所在的平面為Z=x。矩形近紅外LED陣列關(guān)于Z軸對稱分布的，因此在目標平面上照射的光斑是關(guān)于Z軸對稱的，如圖2所示。近紅外LED矩形陣列燈照射區(qū)域的光照強度為其單個的疊加，由式(4)可以得到矩形陣列在目標平面的O點產(chǎn)生的光照強度[9]為

(6)

圖2 矩形陣列光照模型Fig.2 Rectangular array lighting model

進一步推導矩形近紅外LED陣列的照射光斑與發(fā)射角的關(guān)系。由于近紅外LED的聚光性很強，在平面Z=z上照度E大于光斑中心照度E0(E0=照度峰值)20%的范圍內(nèi)幾乎90%以上的光通量，根據(jù)這個規(guī)律可以確定照射光斑的范圍為：

E≥0.2E0

(7)

假設(shè)與Y軸平行的邊為較長邊，設(shè)光斑中心到光斑邊緣的最遠距離為R，LED矩形陣列較長邊的距離為Kd，則近紅外LED矩形陣列的照射光斑的發(fā)散角φ滿足：

(8)

從式(8)中可以得出矩形近紅外LED陣列的照射光斑的發(fā)散性質(zhì)，R可由式(6)和式(7)得出。把光斑中心點O(0，0，z)代入式(5)中能得到矩形陣列的照度峰值E0：

(9)

由公式(7)中的照度E和光斑中心照度E0的關(guān)系得出方程[10]為

(10)

由公式(10)可以計算出R的值。

2.3 斯派羅法則

斯派羅法則(sparrow law)最初是用于解決最大限度平坦條件，經(jīng)研究證明同樣適用于均勻照明。當兩個高斯分布的能量以線性方式拉開，兩峰值逐漸遠離最大平坦距離，中心將出現(xiàn)波谷，這個最大平坦距離稱為斯派羅極值σL[11]。為了求得σL，滿足以下條件:

(11)

(12)

式(11)表示函數(shù)的斜率，式(12)表示函數(shù)斜率的變化。

3 實驗設(shè)備及理論分析

3.1 手指靜脈采集系統(tǒng)及理論分析

采集系統(tǒng)由電源指示燈，近紅外LED光源陣列，手指放置槽，近紅外濾光片，CMOS攝像頭和控制器等幾部分構(gòu)成，如圖3所示。近紅外LED光源陣列選用波長為850 nm的hasunopto光源，型號為r3w5rq，其直徑為3 mm，功率為0.1 W，發(fā)散角度為30°。為了去除其他波段光線的干擾，選用近紅外濾光片濾除可見光，排除可見光對成像的干擾。CMOS成像器件選用OV7725，該傳感器對850 nm的近紅外線非常敏感，分辨率為752×480，采集速度可達60幀/s。鏡頭采用CW0421IR，具有4 mm的焦距，像面尺寸為0.85 cm。

圖3 手指靜脈采集系統(tǒng)Fig.3 Finger vein acquisition system

由于采集設(shè)備規(guī)格限制，加之手指個體差異和使用場景因素的限制，需要設(shè)計一個25 mm×25 mm光照面，要求光照面的光照均勻，光照度適中,發(fā)射角適中，才能保證手指靜脈造影清晰，采集的手指靜脈圖像質(zhì)量高。但單個近紅外LED不是一個均勻的發(fā)光體，在一般的手指靜脈識別系統(tǒng)中，采集光源多為一定數(shù)量的近紅外LED按照經(jīng)驗進行疊加，如果光源疊加不合理，布局排列不規(guī)范，可能導致光照明的光線不均勻，光照強度不夠，在CMOS成像設(shè)備上造影將不夠清楚，就有可能導致采集的圖像有陰影、光斑和漏光等問題。

下面就獲取高質(zhì)量的手指靜脈圖像的因素進行討論，影響質(zhì)量的因素主要有：(1)近紅外LED燈陣列的形狀；(2)近紅外LED燈的數(shù)量；(3)近紅外LED陣列中，結(jié)構(gòu)參數(shù)的間距；(4)光源距手指所在平面的距離等。通過研究這些參數(shù)的變規(guī)律，找出一個最優(yōu)參數(shù)的手指靜脈光源系統(tǒng)的設(shè)計方案。

3.2 照度與矩形陣列芯片數(shù)的關(guān)系

根據(jù)手指靜脈采集系統(tǒng)選用的近紅外LED，這些LED的發(fā)光角度為30°，其半角取值為θ1/2=15°，由根據(jù)半角關(guān)系和近紅外LED的生產(chǎn)工藝，可有m=19.99，假設(shè)取IO=1 cd,d=10 mm,h=20 mm,利用式(5)計算出N=1×9個、N=2×9個、N=3×9個等3種情況下目標平面內(nèi)x軸上的照度。

由式(9)計算可得：當N=1×9個時，其照度峰值為E0=231 lx，當N=2×9個時，其照度峰值增大為E0=452 lx;當N=3×9個時，照度峰值為E0=867 lx。說明照度峰值隨LED芯片數(shù)的增加而增加，光照更加均勻，通過手指的光線強，手指靜脈的造影效果就越好，取得的手指靜脈圖像就越好[12]。

3.3 發(fā)散角與近紅外LED燈數(shù)量的關(guān)系

發(fā)散角與近紅外LED芯片數(shù)的規(guī)律，由公式(8)計算出N=1×9個、N=2×9個、N=3×9個3種情況下的發(fā)散角度φ分別為14.8°、14.1°和13.2°，這表明近紅外LED矩形陣列照射光斑的發(fā)散角隨LED數(shù)的增加而減少，光照更加集中，并且光照分布更加均勻，形成的光斑質(zhì)量好。但是，手指指型因人而異，手指面積各異，而且手指靜脈采集設(shè)備本身尺寸也比較小，所以在雙重規(guī)格的限制之下，在設(shè)備有效的位置上，盡量按照矩形陣列的方式多設(shè)置LED，使得光照度比較強，發(fā)散角比較小，光線比較集中，光斑質(zhì)量好，采集到的手指靜脈均勻，效果更好[13]。

3.4 照度與目標距離的關(guān)系

假設(shè)IO=1 cd,d=20 mm,采用N=3×9的矩形陣列光源，研究目標距離h變化對手指靜脈照射強度和均勻度的影響。假設(shè)照射的距離h=20 mm，30 mm 和50 mm 3種情況下，利用公式(5)和公式(8)計算出目標平面內(nèi)的光照峰值。分別計算可得E0=1 267 lx，901 lx和622 lx。由此可知，光照峰值隨著距離目標h的增加而明顯減少[14]。為了取得合適的光照度，需要選取合適的高度，另外，考慮到手指靜脈采集設(shè)備內(nèi)部空間的限制和指型的厚度等因素，光源到手指平面的高度h=20 mm。

3.5 照度與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系

近紅外LED陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)就是同一排上相鄰兩個近紅外LED芯片間的距離為d，利用斯派羅法則，利用公式(11)、公式(12)對公式(5)E(x,y,h)求二次導數(shù)，并令x=0，y=0處，?2E/?x2=0，求得到最大平坦條件：

(13)

根據(jù)式(13)可知，近紅外LED燈之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)與近紅外LED燈距離目標平面的距離h成正比。根據(jù)前面討論的結(jié)果，h=20 mm，近紅外LED的θ1/2=15°，按式(2)計算m=19.99，再根據(jù)式(13)計算出dmax=8.34 mm。當結(jié)構(gòu)參數(shù)dmax取值為8.34 mm時，光源在手指平面形成的光斑質(zhì)量好，光照均勻，皮下靜脈形成的圖像的對比度高，質(zhì)量好。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 矩形陣列對圖像質(zhì)量的影響

為了驗證采用矩形陣列光源設(shè)計對采集手指靜脈的效果，采用對比實驗，分別用1×9個、2×9個和3×9個矩陣光源采集手指靜脈圖像。由于每個近紅外LED的直徑為3 mm，加上結(jié)構(gòu)參數(shù)的距離，總距離為3d×3+2dmax=25.68 mm，而一般人的手指寬度不會超過25 cm[15]，所以最多只考慮3排光源，沒有考慮更多排光源的情況。對采集的圖像利用對比度作為手指靜脈質(zhì)量的評價標準，光源結(jié)構(gòu)和采集的圖像對比見圖4和圖5。

圖4 不同陣列的光源設(shè)計Fig.4 Light source design for different structure

圖5 不同陣列光源采集的圖像對比Fig.5 Image contrast for different light source arrays

4.2 光源高度對圖像質(zhì)量的影響

由于手指靜脈采集裝置采用的是透射式設(shè)計，在光源和濾光片之間要插入手指，手指一般的厚度>10 mm，為了適應(yīng)不同的手指，光源與濾光片之間至少預(yù)留15 mm的空隙，供手指伸入。為了不讓用戶在使用的時候有拘束感，所以預(yù)留了一些位置，因此近紅外LED陣列光源和手指靜脈之間的高度最低設(shè)置在h=20 mm，手指離成像設(shè)備的距離為 20 mm。采集圖圖像如圖6所示。

圖6 光源高度對圖像質(zhì)量的影響Fig.6 The effect of light source height on image quality

4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響

當d=dmax時，光照均勻，采集的圖像質(zhì)量最好；當d=0.9dmax時，光照明顯分布不均勻，當d=1.1dmax時，光斑中有陰影，明顯照度不均，采集的靜脈效果不夠理想。實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響Fig.7 The effect of structural parameters on image quality

通過上述對比實驗可知，在手指靜脈識別系統(tǒng)中，光源的結(jié)構(gòu)、高度和結(jié)構(gòu)參數(shù)均影響手指靜脈圖像的采集質(zhì)量，選擇最優(yōu)參數(shù)進行光源系統(tǒng)的設(shè)計，能獲取高質(zhì)量手指靜脈。

5 結(jié)束語

手指靜脈圖像質(zhì)量的高低直接決定了手指靜脈系統(tǒng)的識別率，手指靜脈圖像的采集是手指靜脈研究的第一步，但手指靜脈在采集的過程中，特別容易受到采集系統(tǒng)光源的影響。本文首先分析了近紅外LED陣列的特性，根據(jù)手指靜脈采集系統(tǒng)的光源應(yīng)用要求，經(jīng)過理論分析推導得出：當結(jié)構(gòu)參數(shù)為dmax時，采集的手指靜脈圖像為最優(yōu)，實驗結(jié)果與理論推導一致。通過對單排矩陣、雙排矩陣和三排矩陣的實驗表明：LED燈的數(shù)量直接影響手指靜脈的質(zhì)量。實驗結(jié)果表明當LED陣列為三排時，采集到的手指靜脈質(zhì)量更好。實驗結(jié)果表明：理論推導值和實際的場景應(yīng)用取得圖像的質(zhì)量一致，為手指靜脈采集系統(tǒng)的光源設(shè)計提供了參考依據(jù)，為后續(xù)的手指靜脈特征的提取和識別打下良好基礎(chǔ)。