CN103886282A - 一种手指静脉图像采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手指静脉图像采集方法，能够提高图像采集质量和速度。感应模块感应到有手指放置时，启动红外光源和红外摄像头，红外摄像机对手指静脉放置区域进行图像采集；根据先后采集的两幅图像之间的差异，进行手指放置到位判断，当判定手指放置到位后，分别根据图像背景区亮度和手指区，调整红外光源和红外摄像机的参数，直到图像背景区和手指区亮度均满足设定要求；采用最后得到的红外光源和红外摄像机的参数进行图像采集，作为采集结果。

Description

一种手指静脉图像采集方法

技术领域

本发明涉及一种手指静脉图像采集方法，属于生物特征识别技术领域。

背景技术

手指静脉识别技术是一种新型的生物特征识别技术，由于使用者的手指静脉特征很难被伪造，所以安全等级高，特别适合于安全要求高的场所使用。

手指静脉识别的第一个关键步骤就是采集图像。好的图像质量是后续静脉识别和特征提取的基础。而且迅速找到优选质量的图像对于手指静脉识别的速度提升起到了十分关键的作用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种手指静脉图像采集方法，能够提高图像采集质量和速度。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

步骤1、感应模块感应到有手指放置时，启动红外光源和红外摄像头，红外摄像机对手指静脉放置区域进行图像采集；

步骤2、根据先后采集的两幅图像之间的差异，进行手指放置到位判断，当判定手指放置到位后，进入步骤3；

步骤3、根据图像背景区亮度，调整红外光源和红外摄像机的参数，直到图像背景区亮度满足设定要求；

步骤4、红外摄像机采用调整后的参数采集图像，根据图像手指区亮度，调整红外光源和红外摄像机的参数，直到图像手指区亮度满足设定要求；

步骤5、采用最后得到的红外光源和红外摄像机的参数进行图像采集，作为采集结果。

较佳地，在步骤4之后，步骤5之前，该方法进一步包括：根据采集图像中静脉纹路是否清晰，调整红外光源和红外摄像机的参数。

较佳地，所述步骤2为：从设定时间间隔的两张采集图像中提取中间区域，进行差分计算，对获得的差分图像进行图像分割，得到二值化差分图像；判断所述二值化差分图像中黑色区域的像素数量是否小于或等于设定阈值T1，如果是，则判定手指放置到位，进入步骤3；否则，重复执行本步骤2，直到判定手指放置到位，进入步骤3。

较佳地，在采集图像中定义三个区域，其中区域3位于图像的手指区，区域1和区域2位于图像的背景区；则所述步骤3和步骤4分别具体为：

步骤3：根据采集图像中区域1和区域2的亮度判断当前图像采集环境特性，根据当前图像采集环境特性从预存数据中选取相应档位的采集参数集，对红外光源和红外摄像机进行参数调整；

步骤4：判断采集图像中区域3的亮度是否在设定的亮度范围F2内，如果是，执行步骤5；否则根据设定的大步长，逐步调整光源亮度和红外摄像机的曝光时间，直到区域3的亮度达到亮度范围F2内，执行步骤5。

较佳地，区域1和区域2中，一个靠近指尖位置，一个靠近指根位置。

较佳地，步骤3中，所述的采集参数集包括红外摄像机的曝光时间、白平衡、对比度，以及红外光源的亮度。

较佳地，所述根据采集图像中静脉纹路是否清晰，调整红外光源和红外摄像机的参数的具体步骤为：

从采集图像中提取静脉纹路的二值化图像G，判断二值化图像G手指区域内的黑像素数量是否大于或等于设定阈值T2，如果是，则执行步骤5；否则，在步骤4最后使用的参数附近小步长调节曝光参数和亮度参数，直到从采集图像中提取的二值化图像G的黑像素数量大于或等于设定阈值T2，如果在参数范围内无法找到满足条件的曝光参数和亮度参数，则采用黑像素数量最大时对应的曝光参数和亮度参数作为最终结果，进入执行步骤5。

较佳地，从采集图像中提取静脉的二值化图像G的步骤具体为：采用8方向低通滤波器对采集图像进行滤波，得到8副图像；比较得到的8副图像每个对应位置的相关值，取最大值作为此位置相关值，得到相关处理后的静脉图像E，设置分割阈值分割静脉图像E，得到二值化的静脉图像F；采用图像区域填充方法对二值化的静脉图像F进行处理，得到所述二值化图像G。

较佳地，在小步长调节曝光参数和亮度参数的过程中，如果在参数范围内无法找到满足亮度条件的曝光参数和亮度参数，则采用黑像素数量最大时对应的曝光参数和亮度参数作为最终结果。

有益效果：

（1）由于不同人群的手指静脉红外光的吸收能力不同，在相同红外光强下无法得到满足图像后续处理的图像，本发明采用红外光强和曝光时间联合调节的方法改变图像采集质量。

（2）为防止手指未放入时，触摸开关启动采集非法图片，采用两幅图像差分进行手指放置是否到位的判断，到位后再进行后续参数调整，从而提高了处理速度。而且本发明提供了一种实现简单、快速的手指到位判断方法。

（3）采集到的手指静脉图像亮度特性和静脉纹理分布特性，直接影响后续图像处理，本发明根据图像采集特点划分3个区域分析图像采集的亮度特性，设定不同的参数采集图像，提取满足一定亮度要求的图像，从而提高了图像采集质量。且所划分的三个区域分别在手指位、指尖背景区和指根背景区，三个区域的选择，可以有效快速判断外部环境，进而很快找到满足要求的图像，提高了图像采集速度。

（4）由于满足一定亮度范围的图像较多，不同图像之间体现出来的静脉信息不同，采用图像分割的方法提取手指静脉纹路，根据静脉纹路像素点数量判断手指静脉图像质量，采用静脉纹理清晰稳定的图像作为后续待处理图像，从而提高了图像采集质量。

附图说明

图1为本发明手指静脉图像采集方法的流程图。

图2为静脉中心区域的示意图。

图3为三区域划分的示意图。

具体实施方式

通过分析可知，图像质量优劣和采集速度与以下因素有关：

1、由于不同人群的手指静脉对红外光的吸收能力不同，因此不能采用相同红外光强进行照明，需要根据图像亮度对光源亮度进行调节。

2、红外摄像机的拍摄参数也会影响到图像采集质量。

3、手指是否放置到位也影像到图像采集图像质量，而且放置到位之后再进行图像处理能够提升处理速度，不会将时间浪费在手指未放置到位情况下的图像处理上。

本发明根据上述分析，提供了一种识别手指是否放置到位，且能够根据图像状态调节光源亮度和摄像机参数的手指静脉图像采集方法，其主要思路是：

为防止手指未放置到位进行图像采集和处理带来的不利影响，采用先后两帧图像判断手指是否放置到位；其次采集放置到位手指静脉图像，判断手指静脉图像的背景区和手指区亮度值是否满足设定范围，如果不满足则调整红外光源和摄像机参数，直到取得满足要求的图像为止。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤1、感应模块感应到有手指放置时，启动红外光源和红外摄像头，红外摄像机对手指静脉放置区域进行图像采集。

初始状态下，红外光源和红外摄像机均采用初始参数进行工作，为了保证步骤2中判断手指放置到位的准确性和快速性，也可以在初始采集时，对光源进行调整。则本实施例中，步骤1的具体实现如下：

步骤100、在采集装置前端设置感应模块，当感应模块通过例如光线的遮挡感应到有手指放置时，发出启动信号给采集装置，采集装置继而启动红外光源和红外摄像头进行图像采集。

步骤101、红外光源的初始亮度是根据经验和预先试验统计得到的最常用亮度值；红外光照射在当前采集者的手指上，经滤光片滤光和反光镜反射后由红外摄像机采集。

步骤102、计算图像中间区域的亮度值，当其在一定亮度值范围F1内时，确定这张图像采集的图像满足使用要求，执行步骤2；如果采集的图像中间区域的亮度值不在亮度值范围F1内，则执行步骤13。这里的亮度值范围F1可以通过试验确定。中间区域如图2所示，结合处理效果和处理速度，可以选取位于采集图像正中间的长、宽分别为采集图像1/2长、1/2宽的区域。在计算区域的亮度值时均采集用亮度均值。

步骤103、如果目前图像采集时间在规定的时间范围内，则调整红外摄像机的曝光时间，使得采集图像的亮度进入所述亮度值范围F1，并继续采集静脉图像，返回102，否则停止采集，退出。

步骤2：根据先后采集的两幅图像之间的差异，进行手指放置到位判断，当判定手指放置到位后，进入步骤3。

本实施例中，提供了一种优选的判断方法，其反映差异的像素数量结合阈值进行快速判定。具体实现为：从设定时间间隔的两张采集图像中提取中间区域，进行差分计算，对获得的差分图像进行图像分割，得到二值化差分图像B。二值化差分图像B中的黑色区域表示图像中亮度变化较大的区域，白色表示亮度变化较小的区域，计算二值化图像B中黑色区域的像素数量，判断所述二值化差分图像中黑色区域的像素数量是否小于或等于设定阈值T1，如果是，则判定手指放置到位，进入步骤3；否则，重复执行本步骤2，直到判定手指放置到位，进入步骤3。如果持续判断的时间超过设置的时间则停止采集并退出。

本步骤中，设定时间间隔可以是3帧图像，例如从第1帧和第4帧提取中间区域。且本步骤使用的中间区域与步骤1相同。

步骤3、根据背景区亮度，调整红外光源的红外摄像机的参数，直到背景区满足亮度设定要求。

在采集图像中定义三个区域，如图3所示，三个区域不重叠，其中区域3位于图像的手指区，可以采用所述的中间区域，区域1和区域2位于图像的背景区。其中，手指区和背景区是可以预先得知的，手指区就是图像的中间区域，背景区就是图像边区，主要是手指区所有两边和前边的图像边区。

优选地，位于背景区的区域1和区域2中，一个靠近指尖，一个靠近指根，这样可以保证进入后续处理的图像整体亮度达到要求，提高采集图像的质量。

根据采集图像中区域1和区域2的亮度判断当前图像采集环境特性。预先存储图像采集环境特性对应的参数集，采集环境特性分为几档，例如白天、夜晚、晴天、阴天等，参数集包括红外摄像机的曝光时间、白平衡、对比度和红外光源的亮度。区域亮度与参数集的对应关系可以通过试验获得。根据当前图像采集环境特性从预存数据中选取相应档位的采集参数集，对红外光源和红外摄像机进行参数调整。后面采用新参数进行照明和图像采集。

步骤4、根据手指区亮度，调整红外光源的红外摄像机的参数，直到手指区满足亮度设定要求。

考虑到相同环境采集下，可能环境具体亮度不同，导致光源亮度和曝光时间需要进一步调整。如外部受阳光影响较强烈时，可以适当的减小红外光源的强度和缩短图像采集曝光时间。

本步骤中，首先，红外摄像机采用新调整后的参数采集图像；判断采集图像中区域3的亮度是否在设定的亮度范围F2内，如果是，执行步骤5；否则根据设定的大步长，逐步调整光源亮度和红外摄像机的曝光时间，并采用新参数采集图像并处理、判断，直到所采集图像中区域3的亮度达到亮度范围F2内，执行步骤5。

步骤5、上述步骤采集的图像可能存在亮度值在规定的范围内，但是静脉信息不稳定或某些区域静脉信息不明确的现象，因此本步骤根据静脉纹路的像素数量进行参数的小步长调节。具体为：

从采集图像中提取静脉的二值化图像G，判断二值化图像G手指区域内黑像素数量是否大于或等于设定阈值T2，手指区域可以选取固定区域，例如图像手指宽度方向的1/3～2/3，或者通过边缘提取方式获得手指区域；如果黑像素数量大于或等于T2，则认为图像中静脉图案清晰可辨，图案稳定，执行步骤6；否则，在步骤4最后使用的参数附近小步长调节曝光参数和亮度参数，并采用新参数采集图像并处理、判断，直到从采集图像中提取的二值化图像G的黑像素数量大于或等于设定阈值T2。如果在参数范围内无法找到满足亮度条件的曝光参数和亮度参数，则采用黑像素数量最大时对应的曝光参数和亮度参数作为最终结果，进入执行步骤6。

本实施例中，步骤4根据亮度进行大步长调节，步骤5表现静脉的像素数量进行小步长调节，从而获得质量更为理想的采集图像。

本步骤5中，所述从采集图像中提取静脉的二值化图像G的步骤具体为：采用8方向低通滤波器对采集图像进行滤波，得到8副图像；由于静脉图像中血管区域像素值亮度相对于其周围的肌肉组织亮度低，类似于漏斗状，与设定的低通滤波器相似度较大，可以得到较大的相关值；因此，比较得到的8副图像每个对应位置的相关值，取最大值作为此位置相关值，得到相关处理后的静脉图像E，设置分割阈值分割静脉图像E，得到二值化的静脉图像F；采用图像区域填充方法对二值化的静脉图像F进行处理，得到所述二值化图像G。

步骤6、采用最后得到的红外光源和红外摄像机的参数进行图像采集，作为采集结果提供给后续静脉特征提取和静脉识别使用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手指静脉图像采集方法，其特征在于，包括：

步骤1、感应模块感应到有手指放置时，启动红外光源和红外摄像头，红外摄像机对手指静脉放置区域进行图像采集；

步骤2、根据先后采集的两幅图像之间的差异，进行手指放置到位判断，当判定手指放置到位后，进入步骤3；

步骤3、根据图像背景区亮度，调整红外光源和红外摄像机的参数，直到图像背景区亮度满足设定要求；

步骤4、红外摄像机采用调整后的参数采集图像，根据图像手指区亮度，调整红外光源和红外摄像机的参数，直到图像手指区亮度满足设定要求；

步骤5、采用最后得到的红外光源和红外摄像机的参数进行图像采集，作为采集结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4之后，步骤5之前，该方法进一步包括：根据采集图像中静脉纹路是否清晰，调整红外光源和红外摄像机的参数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2为：从设定时间间隔的两张采集图像中提取中间区域，进行差分计算，对获得的差分图像进行图像分割，得到二值化差分图像；判断所述二值化差分图像中黑色区域的像素数量是否小于或等于设定阈值T1，如果是，则判定手指放置到位，进入步骤3；否则，重复执行本步骤2，直到判定手指放置到位，进入步骤3。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在采集图像中定义三个区域，其中区域3位于图像的手指区，区域1和区域2位于图像的背景区；

所述步骤3为：根据采集图像中区域1和区域2的亮度判断当前图像采集环境特性，根据当前图像采集环境特性从预存数据中选取相应档位的采集参数集，对红外光源和红外摄像机进行参数调整；

所述步骤4为：判断采集图像中区域3的亮度是否在设定的亮度范围F2内，如果是，执行步骤5；否则根据设定的大步长，逐步调整光源亮度和红外摄像机的曝光时间，直到区域3的亮度达到亮度范围F2内，执行步骤5。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，区域1和区域2中，一个靠近指尖位置，一个靠近指根位置。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的采集参数集包括红外摄像机的曝光时间、白平衡、对比度，以及红外光源的亮度。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据采集图像中静脉纹路是否清晰，调整红外光源和红外摄像机的参数的具体步骤为：

从采集图像中提取静脉纹路的二值化图像G，判断二值化图像G手指区域内的黑像素数量是否大于或等于设定阈值T2，如果是，则执行步骤5；否则，在步骤4最后使用的参数附近小步长调节曝光参数和亮度参数，直到从采集图像中提取的二值化图像G的黑像素数量大于或等于设定阈值T2，如果在参数范围内无法找到满足条件的曝光参数和亮度参数，则采用黑像素数量最大时对应的曝光参数和亮度参数作为最终结果，进入执行步骤5。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，从采集图像中提取静脉的二值化图像G的步骤具体为：采用8方向低通滤波器对采集图像进行滤波，得到8副图像；比较得到的8副图像每个对应位置的相关值，取最大值作为此位置相关值，得到相关处理后的静脉图像E，设置分割阈值分割静脉图像E，得到二值化的静脉图像F；采用图像区域填充方法对二值化的静脉图像F进行处理，得到所述二值化图像G。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在小步长调节曝光参数和亮度参数的过程中，如果在参数范围内无法找到满足亮度条件的曝光参数和亮度参数，则采用黑像素数量最大时对应的曝光参数和亮度参数作为最终结果。

10.如权利要求1至9任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤101、红外光源采用初始亮度照射当前采集者的手指，经滤光片滤光和反光镜反射后由红外摄像机采集；

步骤102、计算图像中间区域的亮度值，当其在一定亮度值范围F1内时，确定这张图像采集的图像满足使用要求，执行步骤2；如果采集的图像中间区域的亮度值不在亮度值范围F1内，则执行步骤103；

步骤103、如果目前图像采集时间在规定的时间范围内，则调整红外摄像机的曝光时间，使得采集图像的亮度进入所述亮度值范围F1，并继续采集静脉图像，返回102，否则停止采集，退出。

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