CN102129552A

CN102129552A - 一体化非接触式手部特征图像采集系统

Info

Publication number: CN102129552A
Application number: CN2011100508208A
Authority: CN
Inventors: 卜巍; 邬向前; 王宽全; 赵秋实; 张世雷
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2011-07-20

Abstract

本发明提供一种一体化非接触式手部特征图像采集系统。它是由用户界面模块单元、光学模块单元、光源与摄像机控制电路单元、A/D转换模块单元和存储模块单元组成的，用户界面模块单元连接光学模块单元，光学模块单元分别连接光源与摄像机控制电路单元和A/D转换模块单元，A/D转换模块单元连接存储模块单元，本发明在被采集者手掌不接触采集设备的情况下，同时采集手掌纹、手掌静脉和手背静脉图像，用于基于手部特征的人体生物特征识别系统。以非接触方式采集人手图像，具有良好的用户接受度。一体化程度较高，具有良好的用户接口，被采集者的手部不用被束缚，有辅助装置引导手掌放置，避免因被采集者手部过度自由导致的图像质量不佳。

Description

一体化非接触式手部特征图像采集系统

(一)技术领域

本发明涉及图像处理技术，具体说就是一种一体化非接触式手部特征图像采集系统。

(二)背景技术

人手图像采集是基于手部图像的人体生物特征识别系统很重要的一个环节，目前较为流行的方式是使用CCD摄像机，将摄像机固定在一个相对封闭的空间内，空间内设置特定光源，采集到的模拟信号通过A/D转换设备转换为数字信号并存储在存储器中。在用户接口方面，被采集者需要将手放置在设备之上，设备上设置面板、支架等辅助定位机构帮助被采集者放置手掌，同时起到阻挡外界光线，保证图像获取质量的作用。这类人手图像采集设备由于需要被采集者的手掌与设备表面相接触，束缚了人手，使使用者产生不舒适的感觉。同时，由于清洁、宗教信仰等方面的原因，一些用户不愿以接触的方式使用此类人体生物特征识别系统，使这类系统的普及受到很大影响。

以非接触的方式采集人手图像是增强以图像处理为基础的人手识别系统的可用性的有效手段，是人体生物特征识别系统发展的必然趋势。然而，现有的非接触式人手图像采集系统中，人手通常为完全悬空放置，因此导致人手的自由度较大，使采集的图像在清晰度、角度、光照等方面呈现很大程度的不一致性，以现有的图像处理技术很难在这样的图像上完成高精度的人体生物特征识别。另外，现有的人手图像采集设备通常只能采集一种人手特征，即使可以同时采集多种人手特征，此类设备大多一体化程度不高，使用不方便。这些缺点在一定程度上限制了基于手部特征的人体生物特征识别系统的普及。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在被采集者手掌不接触采集设备的情况下，同时采集手掌纹、手掌静脉和手背静脉图像的一体化非接触式手部特征图像采集系统。

本发明的目的是这样实现的：它是由用户界面模块单元、光学模块单元、光源与摄像机控制电路单元、A/D转换模块单元和存储模块单元组成的，光学模块单元分别连接光源与摄像机控制电路单元和A/D转换模块单元，A/D转换模块单元连接存储模块单元，所述的光学模块单元包括可见光光源、红外光光源、可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机和光源切换控制电路，光源切换控制电路分别连接可见光光源和红外光光源，所述的用户界面模块单元分为上中下三部分，下部是一个四面密封，顶端开口的箱体，箱体内放置光源与摄像机控制电路单元、A/D转换模块单元、存储模块单元、用于拍摄手掌纹图像和手掌静脉图像的可见光CCD摄像机、可见光光源、红外光光源和光源切换控制电路，中部为一个三面密封、前端开口的箱体，手掌辅助定位装置位于下部和中部连接处，上部是一个密封箱体，其中放置用于拍摄手背静脉图像的红外光摄像机和红外光光源，红外光摄像机镜头前加装红外滤光镜，上部的前端放置液晶显示屏。

本发明一体化非接触式手部特征图像采集系统，在被采集者手掌不接触采集设备的情况下，同时采集手掌纹、手掌静脉和手背静脉图像，用于基于手部特征的人体生物特征识别系统。以非接触方式采集人手图像，具有良好的用户接受度。能同时采集手掌纹、手掌静脉和手背静脉图像，且采集过程在同一时间完成，即该设备一体化程度较高。具有良好的用户接口，被采集者的手部不用被束缚，有辅助装置引导用户的手掌放置，避免了非接触方式下，因被采集者手部的过度自由导致的获取图像质量不佳。

(四)附图说明

图1为本发明的结构方框图：

图2为本发明的光源和成像系统布局示意图；

图3为本发明的光源切换控制电路方框图；

图4为本发明的掌托及手掌放置方式示意图；

图5为本发明的结构示意图；

图6为本发明的工作流程图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1、图5，本发明一体化非接触式手部特征图像采集系统，它是由用户界面模块单元、光学模块单元、光源与摄像机控制电路单元、A/D转换模块单元和存储模块单元组成的，光学模块单元分别连接光源与摄像机控制电路单元和A/D转换模块单元，A/D转换模块单元连接存储模块单元，所述的光学模块单元包括可见光光源、红外光光源、可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机和光源切换控制电路，光源切换控制电路分别连接可见光光源和红外光光源，所述的用户界面模块单元分为上中下三部分，下部是一个四面密封，顶端开口的箱体，箱体内放置光源与摄像机控制电路单元、A/D转换模块单元、存储模块单元、用于拍摄手掌纹图像和手掌静脉图像的可见光CCD摄像机、可见光光源、红外光光源和光源切换控制电路，中部为一个三面密封、前端开口的箱体，手掌辅助定位装置位于下部和中部连接处，上部是一个密封箱体，其中放置用于拍摄手背静脉图像的红外光摄像机和红外光光源，红外光摄像机镜头前加装红外滤光镜，上部的前端放置液晶显示屏。

实施例2：结合图1-图6，本发明一体化非接触式手部特征图像采集系统，能够在被采集者手掌不接触采集设备的情况下，同时采集掌纹、手掌静脉和手背静脉图像，用于基于手部特征的人体生物特征识别系统。本发明使用可见光和红外光两种光源，以便同时获取手掌纹和静脉图像，在手掌面下方设置能同时对可见光和红外光感光的CCD摄像机；在手背面上方设置对红外光感光的CCD摄像机，分别拍摄手掌纹、手掌静脉和手背静脉图像。为保证非接触状态下图像获取质量，采用手掌辅助定位系统，引导被采集者放置手掌。同时，为防止不同光源之间相互干扰，采用切换电路对光源进行切换。本发明由五部分构成：(1)用户界面模块；(2)光学模块；(3)光源与摄像机控制电路；(4)A/D转换模块；(5)存储模块。其中最主要的部分是以CCD摄像机为核心的光学模块，使人手在特定光源下在感光器件上成像。用户界面模块则给用户提供了良好的操作界面，A/D转换模块负责将采集得到的人手信息图像经过图像采集卡转换成数字图像，存储模块则用来存储转换得到的数字化图像。

1.光学模块设计

光源：

光学系统是采集系统的核心部分，本系统的光学部件主要由以下几部分构成：光源、镜头、以及CCD传感器。本系统同时获取手掌纹、手掌静脉以及手背静脉图像，各种图像成像原理不同，因此需要两种不同的光源。对于手掌纹，使用可见光即可形成效果良好的图像。但由于可见光的波段比较宽，不同波长的可见光形成的手掌纹图像在纹理细节上存在较大差异。通过在不同光源下采集样本，并反复进行比较，发现用蓝光拍摄的手掌纹最为清晰，对手掌纹细节的分辨率最高。因此，选用蓝光作为拍摄手掌纹图像的可见光源。对于静脉，使用中心波长850nm的近红外光。因为波长在700-800nm的近红外光对人体组织的透射率最大，并且静脉中的还原血红蛋白在760nm有一个很突出的吸收峰，因此，使用中心波长850nm的近红外光源得到的静脉图像中，静脉灰度较低，而周围组织灰度较高。同时，为避免可见光对红外成像的干扰，在用于手背静脉成像的CCD摄像机镜头前加装了红外滤光镜，本系统采用的是工业用850nm的红外滤光镜。由于本系统使用的可见光CCD摄像机对850nm波长的红外光也可成像，因此，本系统拍摄手掌纹图像和手掌静脉图像使用同一可见光CCD摄像机。拍摄手背静脉图像使用红外光CCD摄像机。

成像系统布局：

本系统是采用非接触式的方法来采集图像的，但为保证采集图像的质量，又不能给用户太大的活动自由，同时又要考虑整个采集的过程不会让用户感到不舒适，使采集过程在友好快速的情况下完成。据此，设计的光源和成像设备布局如图2所示。由于设备箱体较大，本系统使用大功率发光二极管作为光源，由此产生的问题是光强不易调整，且可能存在光照不均的情况。因此，在光源前方加装柔光装置，使直射光变为散射光，大大降低了光照不均产生的影响。

2.光源切换控制电路

本系统有两台摄像机同时工作，而且两者在空间上是相对放置的，两侧的光源可以直接进入对方的镜头，这必然会影响成像。为了消除光源的相互干扰，需要控制光源和摄像机的切换。当不需要某种光源或某侧摄像机时，就将其关闭，只有当需要时，才将其开启，这样能很好地消除干扰。本系统使用单片机作为中央控制单元，配合外围电路实现光源的切换。该电路原理如图3所示，其中：用户指令为用户通过计算机软件发出的控制命令；通信端口为标准串行接口。

3.A/D转换模块以及存储模块

本系统采用视频采集卡作为A/D转换工具，它具有采集速度快，便于系统集成等诸多优点。存储模块则负责将采集得到的数字化图像存储到存储设备中，本系统使用普通计算机硬磁盘作为存储设备。

4.用户界面模块

用户界面是指对软硬件系统的人机交互、操作逻辑、界面美观的整体设计。好的用户界面设计不仅能让软硬件系统变得有个性有品味，还可以让软硬件系统的操作变得舒适、简单、自由，充分体现软硬件的定位和特点。只有让用户觉得使用方便、舒适，而没有抵触情绪，该系统才能被用户所接受。在设计采集设备的用户界面时，从使用者的角度出发，主要考虑了以下几个方面的影响因素。首先，设备在使用时要简单、舒适，且对用户没有伤害，不会有任何不良影响。其次，在使用过程中不会给用户带来困惑，保持最大限度的简洁性。最后，在用户使用过程中应该没有任何抵触心理，而保持自然、舒适。

本系统采用非接触方式获取用户手部图像，用户在放置手掌时没有任何辅助部件支撑，因此随意性较大。但如果不对用户放置手掌的方式做任何限制，会令采集到的手部图像质量良莠不齐，难免会给后续处理带来负面影响。因此本发明设计了一种既能保证系统的用户体验，又对其有一定引导的手掌放置方法，即采用一种类手形的窗口来同时达到以上两个目的，如图4所示。对于设备箱体的设计，应该可以让用户看到自己手掌的状态，以便配合采集，我们设计了一种半开放式的箱体，让用户在使用时心中有数，能更好的配合系统的运行。

成型设备和工作流程：

最终成型的设备外观如图5所示。该设备可分为上中下三部分。设备下部是一个四面密封，顶端开口的箱体，箱体内放置控制电路以及用于拍摄手掌纹图像和手掌静脉图像的摄像机和光源，同时为摄像机提供一定成像空间。中部为一个三面密封、前端开口的箱体，以便用户观察手掌放置情况，配合图像采集，同时为摄像机提供一定成像空间。手掌辅助定位装置位于下部和中部连接处。设备上部是一个密封箱体，其中放置用于拍摄手背静脉的摄像机和光源。设备上部的前端放置液晶显示屏，可随时观察采集情况。采集图像时，被采集者的手掌掌心向下由设备的中部伸入设备箱体内，手掌与手掌辅助定位装置保持水平，系统设备的工作流程如图6所示。

Claims

1.一种一体化非接触式手部特征图像采集系统，它是由用户界面模块单元、光学模块单元、光源与摄像机控制电路单元、A/D转换模块单元和存储模块单元组成的，其特征在于：光学模块单元分别连接光源与摄像机控制电路单元和A/D转换模块单元，A/D转换模块单元连接存储模块单元，所述的光学模块单元包括可见光光源、红外光光源、可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机和光源切换控制电路，光源切换控制电路分别连接可见光光源和红外光光源，所述的用户界面模块单元分为上中下三部分，下部是一个四面密封，顶端开口的箱体，箱体内放置光源与摄像机控制电路单元、A/D转换模块单元、存储模块单元、用于拍摄手掌纹图像和手掌静脉图像的可见光CCD摄像机、可见光光源、红外光光源和光源切换控制电路，中部为一个三面密封、前端开口的箱体，手掌辅助定位装置位于下部和中部连接处，上部是一个密封箱体，其中放置用于拍摄手背静脉图像的红外光摄像机和红外光光源，红外光摄像机镜头前加装红外滤光镜，上部的前端放置液晶显示屏。