CN101520840A - 手指静脉图像采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手指静脉图像采集装置，该装置包括：用于照射手指的光源；用于将手指静脉生成图像的成像装置；与所述成像装置通讯的主控制器；由成像装置生成的手指静脉图像由视频输出端口输出到主控制器进行图像处理，主控制器包括：手指进入识别单元，手指位置判断单元；手指静脉图像亮度调节单元；用于控制光源亮度的光源控制器；用于过滤杂散可见光的滤波片，该滤波片放置在手指下方；与所述滤波片相邻设置的光学镜头；CMOS控制器；LED指示灯，用于显示手指放置的位置；显示控制器，显示控制器控制LED指示灯的开关。本发明提供的装置和方法能够自动快速获取亮度合适、位置合适的高质量手指静脉图像。

Description

手指静脉图像采集装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于个人身份识别的手指静脉图像采集方法及装置。

背景技术

人体手指静脉分布图案可以用来对个人身份进行识别。目前人体手指静脉图像采集普遍采用红外光源照射手指并投射到成像器件上，由于手指静脉内的血红蛋白比其他组织对红外光有更强的吸收率，因而在成像器件上可以得到手指静脉的分布图。然而由于各人手指厚薄可能不一，每次放置位置可能不同，采集的静脉图像有可能出现手指不到位、曝光过度、漏光，如果不能保证每次亮度合适、位置合适，会给后续图像匹配带来困难，因而如何自动采集亮度合适、位置合适的高质量手指静脉图像是手指静脉识别系统必须解决的问题。业已存在的手指静脉图像采集方法或集中于采集装置结构的设计或光源控制电路的设计，并没有提及到这个问题：如Kono M等人在Near-infrared finger vein patterns for personalidentification，Applied Optics.2002，41(35)：7429-7436中提出可以用手工调节光源亮度的方法避免红外光线过强的问题，Miura N等人在Feature extraction of finger-veinpatterns based on repeated line tracking and its application to personalidentification，Machine Vision and Applications.2004，(15)：194-203中提出可以根据静脉图像亮度自动调节光源亮度，但无技术方案，谢剑斌等人在专利ZL200620050963.3中提出了红外光源控制电路的设计，他们都未提及如何根据得到的静脉图像质量动态控制光源、指导手指放置。本发明提出了解决这个问题的方法。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种手指静脉图像采集装置及方法，以保证能够自动快速获取亮度合适、位置合适的高质量手指静脉图像。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的手指静脉图像采集装置包括：

用于照射手指的光源，该光源发出近红外线；

用于将手指静脉生成图像的成像装置；

与所述成像装置通讯的主控制器；

由成像装置生成的手指静脉图像由视频输出端口输出到主控制器进行图像处理，

主控制器包括：

手指进入识别单元，用于判断有无手指进入，以保证在无手指进入的情况下将光源亮度调节在最小状态，在有手指进入的情况下将光源亮度调节在工作状态；

手指位置判断单元，用于判别手指是否放置在合适的位置；

手指静脉图像亮度调节单元，用于控制所述成像装置，以保证每次采集的手指静脉图像的亮度；

用于控制光源亮度的光源控制器，在光源控制器的控制下，光源发出的近红外线照射到手指背部；

用于过滤杂散可见光的滤波片，该滤波片放置在手指下方；与所述滤波片相邻设置的光学镜头；

CMOS控制器，用于控制所述CMOS成像器的增益、快门和伽玛矫正；

LED指示灯，用于显示手指放置的位置；

显示控制器，显示控制器控制LED指示灯的开关。

优选的，所述成像装置是与光学镜头相连接的CMOS成像器，经过所述滤波片过滤的近红外线通过所述光学镜头后在CMOS成像器件上形成手指静脉图像。

优选的，所述主控制器通过与所述光源控制器、CMOS控制器、显示控制器进行通讯，成像装置生成的手指静脉图像由视频输出端口输出到主控制器进行图像处理。

优选的，所述光源控制器采用恒压调节方式使得LED发光管处于连续发光状态。

优选的，CMOS控制器采用OV7411P，显示控制器采用PCF8574，主控制器采用DM6446为核心芯片，主控制器通过I2C总线与光源控制器、CMOS控制器、显示控制器进行通讯，主控制器的I2C接口通过I2C总线与CMOS控制器的I2C接口相连接，主控制器的I2C接口通过I2C总线与显示控制器的I2C接口相连接。

本发明还提供了一种手指静脉图像采集方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

将手指放置在光源下，由成像装置将手指静脉处理成手指静脉图像；

判断有无手指进入过程，由主控制器中的手指进入识别单元判断有无手指进入，如果无手指进入的情况下将光源亮度调节在最小状态，在有手指进入的情况下将光源亮度调节在工作状态；

判断手指位置过程，由主控制器中的手指位置判断单元判别手指是否放置在合适的位置，合适的位置是指手指是否放置在合适的前端、左边和右边；

手指图像亮度调节过程，由主控制器中的手指静脉图像亮度调节单元控制所述成像装置，以保证每次采集的手指静脉图像的亮度。

优选的，判断有无手指进入过程包括：截取所述手指静脉图像中心区域，计算截取的所述手指静脉图像中心区域的平均亮度，如果图像前后两帧亮度差超过阙值T1，则说明有手指进入，否则说明无手指进入，T1的值10～30。

优选的，判断手指位置过程包括：

根据得到的手指静脉图像计算手指前端的平均亮度，如果图像前后两帧亮度差超过阙值T2，则说明手指放置的位置已经在前端，T2＝10～30；

根据得到的手指静脉图像像素亮度值是否在250以上判断有无曝光像素；如果有曝光像素亮度值在250以上，则说明有曝光区域，此时则计算曝光区域的质心位置，如果所述质心位置在所述手指静脉图像水平中心线的上面，则手指偏左；如果所述质心位置在所述手指静脉图像水平中心线的下面，则手指偏右，否则，手指放置位置合适。

优选的，手指图像亮度调节过程包括：计算所述手指静脉图像中心区域的平均亮度，判断亮度是否在为140～160的范围内，如果低于该范围，则加大快门，增加所述手指静脉图像的亮度；否则降低快门，降低所述手指静脉图像的亮度。

有益效果：可以保证能够自动识别有手指进入、自动判断手指放置位置、自动调节手指图像亮度范围，从而保证获取高质量的手指静脉图像。

附图说明

图1是本发明提供的基于图像质量的手指经脉图像自动采集方法原理图；

图2是图1中红外光源控制器电路原理图；

图3是图1中CMOS控制器电路原理图；

图4是图1中显示控制器电路原理图；

图5是图1中主控制器电路原理图；

图6是图1中手指进入识别单元算法流程图；

图7是图1中手指位置判断单元算法流程图；

图8是图1中手指图像亮度调节单元算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的手指静脉图像采集装置由光源、成像设备、主控制器等组成，主控制器包括：

手指进入识别单元，用于判断有无手指进入，以保证在无手指进入的情况下将光源亮度调节在最小状态，在有手指进入的情况下将光源亮度调节在工作状态；

手指位置判断单元，用于判别手指是否放置在合适的位置；

手指静脉图像亮度调节单元，用于控制所述手指静脉图像成像装置，以保证每次采集的手指静脉图像的亮度。

本发明提供的手指静脉图像采集方法采用先进行是否有手指进入的识别，根据识别的结果控制红外光源控制器，再判断手指位置是否合适，即手指是否在合适的前端、左端和右端，根据判断的结果控制显示控制器，最后判断手指图像亮度，根据不同的亮度自动调节控制CMOS控制器。

主控制器的手指进入识别单元判断有无手指进入，保证红外光源在无手指进入的情况下将红外光源亮度调节在最小状态，在有手指进入的情况下将红外光源亮度调节在工作状态。

主控制器的手指位置判断单元判别手指放置位置，并用显示器显示当前放置的手指位置是否在合适的前、左、右位置。

主控制器通过手指静脉图像亮度调节单元控制CMOS摄像机控制器，以保证每次采集图像的亮度在一定的范围内。

参见图1，描述了整个手指静脉图像采集方法的原理。装置部分主要包括红外光源、光源控制器、滤波片、镜头、CMOS成像器件、CMOS控制器、显示控制器、主控制器等。整个装置为垂直结构，红外光源在上端，CMOS成像器件在下端。在光源控制器的控制下，近红外线照射到手指背部，透过手指组织后，经滤波片滤除掉杂散的可见光通过镜头后在CMOS成像器件上形成手指静脉图像。光源控制器用于控制光源的亮度，CMOS控制器用于控制CMOS成像器件的增益、快门和伽玛矫正，显示控制器控制LED指示灯的开关，主控制器通过I2C总线与光源控制器、CMOS控制器、显示控制器进行通讯，手指静脉图像由视频输出端口输出到主控制器进行图像处理和计算。整个控制方法流程如下：首先进行手指进入识别算法判断有无手指进入，以控制红外光源从休闲状态到工作状态，然后用手指位置判断算法判断手指位置，以控制显示指示灯，最后用手指位置图像判断算法控制CMOS摄像机，以摄得亮度合适、位置合适的高质量手指静脉图像。

参见图2，描述了光源控制器的原理。在同一光源亮度下，由于各人手指的大小、厚薄等方面的不同，得到的手指静脉图像的亮度就会有相应的差别，过亮和过暗都不利于后续的图象处理，甚至无法识别，因此近红外光源的亮度须可调。近红外光源发光管发光亮度采用恒压调节的方式，发光管的工作电压均可在2～5V之间调节。与采用PWM脉宽调节方式相比，恒压调节方式使得LED发光管处于连续发光状态，因此光源亮度的稳定性更好，利于手指静脉的成像与图像采集。光源的控制接口采用2线制I2C总线控制方式。如图2，主控制器U1的I2C接口通过I2C总线与数字电位器U2相连接，数字电位器电压输出端Vw与运算放大器U3的同相电压输入端in+相连，运算放大器的驱动电压输出端Vo分别通过限流电阻R3与红外发光管LED1、LED2相连。

参见图3，描述了CMOS摄像机控制器的原理。CMOS控制器的一个实用例为OV7411P，主控制器U1的I2C接口通过I2C总线与CMOS控制器U4的I2C接口相连接。

OV7411P有增益控制、快门控制和伽玛矫正控制功能。对手指静脉成像而言，伽玛矫正系数控制必须设置为1，即关闭伽玛矫正控制。这样可以保证采集的手指静脉图像各点的灰度值与透过手指的红外线亮度保持线性关系，而非矫正值。由于手指静脉图像只占整个画面的1/3，所以如果采用自动增益功能，整个图像亮度将会偏高，对手指静脉的暗纹图像信号的增益也会偏高，放大了噪声，降低了手指静脉图像的对比度，不利于手指静脉特征的提取。因此OV7411P工作在自动增益关闭状态。

在红外线光源亮度不变、固定增益的条件下，OV7411P的电子快门自动调整控制像敏器的电荷累积时间，可将手指静脉图像亮度自动调整到合适的范围。由于手指放入时CMOS成像器件的红外线亮度是突然变化的，所以电子快门的调整时间较长，经实验，从手指放入到自动快门调整结束需要近1秒的时间，直接影响手指静脉图像采集的速度，因此OV7411P的电子快门须设置成手动状态。主控制器通过I2C总线控制OV7411P。如图，OV7411P的SDL和SDA引脚与主控制器对应的SDL和SDA相连，OV7411P的GAMMA(27脚)、AGCEN(28脚)连接到低电平则可以关闭伽玛矫正和自动增益功能。I2CEN(34脚)接上拉电阻，启动I2C数字串行接口功能，同时自动快门寄存器里的值将停止更新，从而实现了自动快门功能的关闭，OV7411P将等待主控制器通过I2C总线设定新的自动快门值。

参见图4，是显示控制器原理图。显示控制器的一个实用例为PCF8574，主控制器U1的I2C接口通过I2C总线与显示控制器U5的I2C接口相连接。PCF8574的输出端分别通过限流电阻R7、R8、R9与三个LED发光管LED3、LED4、LED5相连，用以表示手指放置的前、左、右三个位置指示。

参见图5，描述了主控制器原理图。主控制器的一个实用例为TI DM6446 U6为核心芯片，该芯片包括二个核ARM和DSP，该芯片通过CCDC接口与TPS5146 U7相连，通过EMIF接口与DDR U8、FLASH U9相连，通过DAC接口与OPA357 U10相连，并有RS232、网络、I/O等接口。

参见图6，描述了手指进入识别算法流程。为了降低功耗和保护CMOS成像器件，在无手指进入时，红外光源应该在关闭状态或微开状态，本方法选择在微开状态，并用微开的红外光源来检测有无手指进入。计算方法如下：截取图像中心区域，计算其平均亮度值，如果图像前后两帧亮度差超过阙值T1(典型值为10～30)，则认为有手指进入。一旦有手指进入，则将红外光源打开至工作状态。

参见图7，描述了手指位置判断算法流程。为了确保手指放置合适位置，本发明设计了指引手指放置的指示灯，如果手指位置偏左、偏右或没有放到前端，装置的指示灯显示手指的位置状态。在控制程序中，设计了自动判断手指位置的方法：采集手指图像，计算手指前端平均亮度，如果图像前后两帧亮度差超过阙值T2(典型值为10～30)，则认为手指已到前端；根据得到的手指静脉图像像素亮度值是否在250以上判断有无曝光像素。如果在250以上，则说明有曝光区域，则计算曝光区域的质心位置，如果所述质心位置在所述手指静脉图像水平中心线的上面，则手指偏左；如果所述质心位置在所述手指静脉图像水平中心线的下面，则手指偏右，否则，手指放置位置合适。根据手指放置位置，打开相应位置的指示灯。如果手指前、左、右全部到位，则转入手指亮度调节程序。

图8描述了手指图像亮度自动调节单元算法流程。为了避免图像过亮或过暗，将图像亮度设在一个合理的范围(典型值为140～160)。计算图像中心区域的平均亮度，判断亮度是否落在此范围内，如果过低，则增加成像器件快门值(由主控制器发出指令，通过I2C总线修改CMOS控制器的快门寄存器值)；如果过高，则降低成像器件快门值。

Claims (9)

1、一种手指静脉图像采集装置，其特征在于该装置包括：

用于照射手指的光源，该光源发出近红外线；

用于将手指静脉生成图像的成像装置；

与所述成像装置通讯的主控制器；

由成像装置生成的手指静脉图像由视频输出端口输出到主控制器进行图像处理，

主控制器包括：

手指进入识别单元，用于判断有无手指进入，以保证在无手指进入的情况下将光源亮度调节在最小状态，在有手指进入的情况下将光源亮度调节在工作状态；

手指位置判断单元，用于判别手指是否放置在合适的位置；

手指静脉图像亮度调节单元，用于控制所述成像装置，以保证每次采集的手指静脉图像的亮度；

用于控制光源亮度的光源控制器，在光源控制器的控制下，光源发出的近红外线照射到手指背部；

用于过滤杂散可见光的滤波片，该滤波片放置在手指下方；与所述滤波片相邻设置的光学镜头；

CMOS控制器，用于控制CMOS成像器的增益、快门和伽玛矫正；

LED指示灯，用于显示手指放置的位置；

显示控制器，显示控制器控制LED指示灯的开关。

2、根据权利要求1所述的手指静脉图像采集装置，其特征在于：所述成像装置是与光学镜头相连接的CMOS成像器，经过所述滤波片过滤的近红外线通过所述光学镜头后在CMOS成像器件上形成手指静脉图像。

3、根据权利要求1所述的手指静脉图像采集装置，其特征在于所述主控制器通过与所述光源控制器、CMOS控制器、显示控制器进行通讯，成像装置生成的手指静脉图像由视频输出端口输出到主控制器进行图像处理。

4、根据权利要求1所述的手指静脉图像采集装置，其特征在于：所述光源控制器采用恒压调节方式使得LED发光管处于连续发光状态。

5、根据权利要求1所述的手指静脉图像采集装置，其特征在于：CMOS控制器采用0V7411P，显示控制器采用PCF8574，主控制器采用DM6446为核心芯片，主控制器通过I2C总线与光源控制器、CMOS控制器、显示控制器进行通讯，主控制器的I2C接口通过I2C总线与CMOS控制器的I2C接口相连接，主控制器的I2C接口通过I2C总线与显示控制器的I2C接口相连接。

6、一种用于权利要求1所述的手指静脉图像采集装置的手指静脉图像采集方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

将手指放置在光源下，由成像装置将手指静脉处理成手指静脉图像；

判断有无手指进入过程，由主控制器中的手指进入识别单元判断有无手指进入，如果无手指进入的情况下将光源亮度调节在最小状态，在有手指进入的情况下将光源亮度调节在工作状态；

判断手指位置过程，由主控制器中的手指位置判断单元判别手指是否放置在合适的位置，合适的位置是指手指是否放置在合适的前端、左边和右边；

手指图像亮度调节过程，由主控制器中的手指静脉图像亮度调节单元控制所述成像装置，以保证每次采集的手指静脉图像的亮度。

7、根据权利要求6所述的手指静脉图像采集方法，其特征在于判断有无手指进入过程包括：截取所述手指静脉图像中心区域，计算截取的所述手指静脉图像中心区域的平均亮度，如果图像前后两帧亮度差超过阙值T1，则说明有手指进入，否则说明无手指进入，T1的值10～30。

8、根据权利要求6所述的手指静脉图像采集方法，其特征在于判断手指位置过程包括：

根据得到的手指静脉图像计算手指前端的平均亮度，如果图像前后两帧亮度差超过阙值T2，则说明手指放置的位置已经在前端，T2＝10～30；

根据得到的手指静脉图像像素亮度值是否在250以上判断有无曝光像素；如果有曝光像素亮度值在250以上，则说明有曝光区域，此时则计算曝光区域的质心位置，如果所述质心位置在所述手指静脉图像水平中心线的上面，则手指偏左；如果所述质心位置在所述手指静脉图像水平中心线的下面，则手指偏右，否则，手指放置位置合适。

9、根据权利要求6所述的手指静脉图像采集方法，其特征在于手指图像亮度调节过程包括：计算所述手指静脉图像中心区域的平均亮度，判断亮度是否在为140～160的范围内，如果低于该范围，则加大快门，增加所述手指静脉图像的亮度；否则降低快门，降低所述手指静脉图像的亮度。

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