CN103984924A - 一种反射式手指静脉识别活体检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式手指静脉识别活体检测装置及方法，包括壳体，所述壳体内分别设有图像采集模块、滤光模块、控制模块、红外距离传感器、电源模块、近红外LED光源以及用于安装近红外LED光源的曲面；图像采集模块设置于壳体底部，壳体顶部固定有用于安装近红外LED光源的曲面，所述曲面采用凹面设计，曲面外侧中心位置安装滤光模块；图像采集模块、滤光模块以及曲面中心依次同轴设置，近红外LED光源均匀分布在曲面内侧；本发明有益效果：可以准确检测出试图进如系统的用户的静脉特征是否为活体，在一定程度避免了伪造特征对后续识别系统的攻击，增加了反射式手指静脉识别系统的可靠性。

Description

一种反射式手指静脉识别活体检测装置及方法

技术领域

本发明属于生物特征识别领域，尤其涉及一种反射式手指静脉识别活体检测装置及方法。

背景技术

生物特征识别技术利用人体固有的生理特征或行为特征来进行个人身份认证，近年来随着生物特征识别技术的发展，它以其优于传统身份认证方法(密码、签名等)的安全性及便捷性逐渐进入日常生活的各个方面，如在手机，门禁等消费电子产品中都有它的应用，更重要的是它进入了国家的核心领域，如国家安全、公安、司法、金融等领域。

然而，生物特征识别技术也是有缺陷的，在这些核心领域中，随着生物特征识别技术的广泛应用，它的安全性接受着更加严峻的考验，入侵者会想方设法的侵入系统，在这些方法中，人工伪造的生物特征对生物特征识别技术有着十分严重的影响，一旦这些核心领域的系统被入侵后果将不堪设想，因此鉴别活体生物特征与人工伪造的特征成为生物特征识别技术的亟待解决的问题。

对于静脉识别来说，很多文献都说它是活体才具有的生物特征，也就是说静脉识别技术本身就带有活体验证的特点。我们先来了解一下静脉识别的原理：人类血管中流动的血液可吸收特定波长的光线，而使用特定波长光线对手指进行照射，可得到静脉的清晰图像。

现有文献中普遍认为，静脉识别之所以具有活体特征是因为静脉信息随着肌肉组织失去能量而消失，从而使得人工静脉伪造在应用中不可实施。然而，如果入侵者在被授权者的静脉失去活性之前就已经采用某种手段获得了他的静脉图像特征，那么人工伪造静脉特征也就成为了可能。

因而，无论透射式还是反射式静脉识别均可以实现入侵的目的，而对于反射式静脉识别来说，因为它成像的特点，它比透射式静脉识别更容易受到伪造静脉特征的攻击。但是，透射式手指静脉识别受自身原理的限制，不可能做得很小，不便于集成到便携式移动设备中；而反射式手指静脉识别没有此限制，因此反射式手指静脉识别必将有比较大的发展。

因为反射式手指静脉识别相对容易受人工伪造静脉特征的攻击，因此活体验证是其必不可少的一个环节。目前反射式手指静脉识别的研究本来就很少，而针对反射式手指静脉特征进行活体验证的研究几乎没有。而为此本发明提供一种手指静脉识别活体检测装置及方法，用以提高手指静脉识别的技术的安全性。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种反射式手指静脉识别活体检测装置及方法，该系统可以准确检测用户是否为活体，从而提高手指静脉识别的技术的安全性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种反射式手指静脉识别活体检测装置，包括用于为装置内各部件提供支撑和保护的壳体，所述壳体内分别设有图像采集模块、用于滤除杂散光的滤光模块、控制模块、电源模块、用于感应手指是否放入待检测区域的红外距离传感器、LED光源以及用于安装LED光源的曲面。

图像采集模块设置于壳体底部，壳体顶部固定有用于安装LED光源的曲面，所述曲面采用凹面设计，曲面外侧中心位置安装滤光模块；图像采集模块、滤光模块以及曲面中心依次同轴设置，LED光源均匀分布在曲面内侧；所述曲面上还设有红外距离传感器。

所述壳体上表面设有用于将LED光源散射为均匀的面光源的透明材质物，所述透明材质物上分别嵌有用于检测手指是否为活体的电阻传感器和温度传感器。

所述图像采集模块、电源模块、红外距离传感器、电阻传感器和温度传感器分别与控制模块通信。

所述图像采集模块为近红外敏感微型相机，滤光模块为近红外滤光片，LED光源为近红外LED光源，透明材质物为有机玻璃。

所述透明材质物上还嵌有用于指示装置工作状态的LED指示灯，LED指示灯与控制模块通信。

所述LED光源为波长不同的两种LED，两种LED分别以近红外敏感微型相机轴线为中心呈圆环状均匀布置在曲面上。

所述电阻传感器和温度传感器分别位于曲面中心位置两侧，两者之间的距离不大于一般手指并拢起来的宽度；所述电阻传感器和温度传感器还可作为用于提示用户手指摆放位置的定位点；所述手指仅包含食指、中指、无名指和小指四根手指。

一种反射式手指静脉识别活体检测装置的检测方法，包括如下步骤：

(1)当有手指放入设备时，控制模块分别读取电阻传感器和温度传感器的数据，获得接触物的电阻及温度参数，并与内置活体手指的先验参数范围进行比对，判断接触物参数是否符合活体特征。

(2)如果所获参数不符合活体特征，则判断接触物为假静脉；如果所获参数符合活体特征，则进入步骤(3)。

(3)启动图像采集模块，并控制图像采集模块在设定时间T内连续获取N幅静脉图像；

(4)采用灰度直方图方式进行图像处理，确定图像参数的灰度均值和灰度方差，通过判断指静脉图像中灰度均值和方差是否有周期性变化，判断静脉图像的真假。

所述步骤(4)的具体方法为：

(1)对每幅图像都进行预处理：将原始图像转换为灰度图，采用Otsu方法确定区分手指区域与背景区域的阈值，用此阈值对手指静脉图像进行二值化，然后根据连通域的大小去掉个别噪点，利用的得到的二值图像与原图像相乘去掉背景区域。

(2)根据手指的特点定位手指区域，找出感兴趣的手指区域，并对此区域进行大小的归一化。

(3)采用灰度直方图方式进行图像处理：计算每幅图像归一化后区域的灰度均值及灰度方差，若获取的N幅图像之间存在灰度均值和方差的周期性波动变化，则判断为真静脉图像。

若获取的N幅图像之间不存在灰度均值和方差周期性波动变化，则判断为假静脉图像。

所述步骤(1)中：

当没有手指伸入时，红外距离传感器向控制模块发送设备闲置信号，则控制模块控制近红外敏感微型相机和红外光源关闭，控制模块进入低功耗状态。

当有手指伸入时，控制模块开启近红外敏感微型相机和红外光源，控制模块运行在正常状态。

所述步骤(3)中在设定时间T内连续获取N幅静脉图像，满足N>60；

所述感兴趣的区域是指除大拇指以外的其余四根手指从指根到指尖之间的区域。

本发明的有益效果是：

本发明可以准确检测出试图进如系统的用户的静脉特征是否为活体，在一定程度避免了伪造特征对后续识别系统的攻击，增加了反射式手指静脉识别系统的可靠性。

本发明进行活体验证与静脉识别无缝连接，进行活体验证所用图像、算法及结果均可与静脉识别共用，加快了系统的计算速度，提高了工作效率。

本发明采用方形外壳设计，成本低，体积小，便于携带，接触面光滑平整，且标识了定位点，方便易用，用户接受程度高；设备壳体自带电源，可充电，容量大；内有变压系统也可直接由市电供电；另外还可以通过USB接口供电。

设备内置低功耗微型处理器和其他控制逻辑，用以自动控制整个设备的正常运行，LED非直接照射手指表面，而是通过覆盖在其上的毛玻璃散射，形成光线比较均匀的面光源，从而让手指表面光照均匀，避免手指部分区域光照过强，使得此区域反射过强，导致采集的图片对应区域亮度高而遮掩了静脉特征。

附图说明

图1是本发明手指静脉识别活体检测装置的剖面结构图；

图2是本发明中手指静脉识别活体检测装置的俯视结构图；

图3是本发明中用户手指相对于采集装置的摆放位置的示意图；

图4是本发明中手指静脉识别活体检测方法的流程图。

其中，1、壳体，2、透明有机玻璃，3、近红外敏感微型相机，4、近红外滤光片，5、红外距离传感器，6、近红外LED光源，7、电阻传感器，8、温度传感器，9、控制模块10、电源模块，11、LED指示灯，12、安装近红外LED光源的曲面。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1-图3所示，壳体1为装置内其他各部件提供支撑和保护，壳体1内容纳有构成手指静脉识别活体检测装置中的近红外敏感微型相机3，近红外滤光片4，低功耗红外距离传感器5，近红外LED光源6，控制模块9，电源模块10，安装近红外LED光源的曲面12；壳体1上表面覆盖一层透明有机玻璃2，用以支撑各种传感器，以及用户手指，该有机玻璃2上嵌有LED指示灯11，电阻传感器7，温度传感器8。

壳体1及安装近红外LED光源的曲面12使用轻便材料例如树脂材料，电阻传感器7，温度传感器8之间的距离应略小于一般手指并起来的宽度，设备长应大于最长手指的长度。

近红外光源6选用光谱比较集中的波长为850nm和750nm的两种LED，且两种LED围成两个以近红外敏感微型相机3为中心的圆环状；LED非直接照射手指表面，而是通过覆盖在其上的毛玻璃散射，形成光线比较均匀的面光源，从而让手指表面光照均匀，避免手指部分区域光照过强，使得此区域反射过强，采集的图片对应区域亮度高而遮掩了静脉特征。

外壳采用方形设计，成本低，体积小，便于携带，接触面光滑平整，且标识了定位点，方便易用，用户接受程度高。

电源模块10包含电池、变压电路和USB接口等，可充电，容量大；内有变压系统也可直接接市电供电；另外还可以通过USB接口供电。

设备内置低功耗微型处理器和其他控制逻辑，用以控制整个设备的正常运行。

设置于壳体内侧的隐藏式近红外光源、以及设置于上述壳体上的隐藏式近红外敏感微型相机3位于手指同侧，采集原理属于反射式手指静脉采集。

安装近红外LED光源的曲面12，采用凹面设计，将红外光集中到手指摆放的区域。

设备上安装有温度传感器8及电阻传感器7，用以测量接触物的温度及电阻参数，活体与非活体在这两个参数上存在一定的差别，通过这两个参数先进行是否为活体的初步判断，通过初步判断才可进入下一软件算法判断环节；另外这两个传感器还可作为定位点提示用户手指摆放的位置。

设备上设置有用于感应手指是否放入待检测区域的低功耗红外距离传感器5，检测到手指放入待检测区域后设备才开始激活并工作，节省功耗。当没有手指伸入时，红外距离传感器5向处理器发送设备闲置信号，设备处于闲置，运行在低功耗状态：近红外敏感微型相机3和近红外LED光源6关闭，处理器运行在低功耗状态；当有手指伸入时，设备处于工作状态：近红外敏感微型相机3和近红外LED光源6开启，处理器运行在正常状态；当长时间不使用设备时，应关闭电源开关，此时设备将不能运行不消耗电量。

如图3所示，采集设备采集过程中，要求用户手指并拢，且仅采集用户手指区域，不包含手掌区域；手指仅包含食指、中指、无名指和小指四根手指。

如图4所示：一种手指静脉识别活体检测方法的特征在于：

(1)采用近红外光透射式成像原理，采集静脉图像检测被检手指是否为活体并与静脉识别无缝链接，即进行活体验证所用图像与静脉识别所用图像一致，进行活体验证所用的部分算法，比如与处理的流程可与静脉识别共用，活体验证的中间结果也可以为静脉识别所用，从而提高了算法的效率。

(2)预处理，采用Otsu方法确定阈值，用此阈值对手指静脉图像进行二值化，然后根据连通域的大小去掉个别噪点，利用的得到的二值图像与原图像进行与操作去掉背景；根据阈值进行二值化得到的二值图像是仅包含0,1的图像，手指区域为1，背景区域为0，将这个二值图像与原图相乘，结果保留了原图的手指区域而去除了背景区域。

(3)采用连续拍照的方式获取若干幅静脉图像，对每幅图像都进行灰度直方图参数检测，灰度直方图参数优选灰度均值及灰度方差，即灰度图像中的所有像素值作为一个集合，计算它们的均值和方差。

若获取的N幅图像之间存在灰度均值和方差的周期性波动变化，则判断为真静脉图像；

若获取的N幅图像之间不存在灰度均值和方差周期性波动变化，则判断为假静脉图像。

若为真静脉图像，则前后相继的图片的灰度均值和方差之间存在差异，从整体看是呈周期性波动，原理是血管随着心脏的跳动一张一弛，血管的粗细也将随着变化，体现在图像上就是上述灰度均值和方差的周期性变化。

设备工作过程如下：

打开电源开关，装置上电，电量充足时指示灯亮绿色，电量适中时指示灯亮黄色，电量不足时指示灯亮红色；手指放上，且设备处于初步活体判定时指示灯亮黄色并闪烁；设备拍摄过程中指示灯亮绿色并闪烁；当设备未完成拍摄手指就已经抽出时，指示灯亮红色并闪烁3秒，设备将停止后续操作。根据指示灯状态确定设备正常工作后，将手指伸入设备，低功耗红外距离传感器5感应到手指的进入将信号传给处理器，此时处理器控制指示灯亮黄色并闪烁，并读取电阻传感器7，温度传感器8的数值，获得接触物的电阻及温度参数。

读取完参数和内置活体手指的先验参数范围进行比对，如果不符合活体特征，则处理器控制指示灯亮红色，蜂鸣器响一声；如果所获参数符合活体特征，那么继续进行以下步骤：处理器控制指示灯亮绿色并闪烁，设备进入连续拍照模式，设备于一定的时间段(T)内进行连续拍摄，其中T大于3秒，拍摄时间内应超过获得N幅静脉图像(其中N>60)，当设备亮绿灯并停止闪烁后，手指方可抽出。

拍摄完成后处理器会对所的图像进行处理：首先对每幅图像都进行预处理，采用Otsu方法确定阈值，用此阈值对手指静脉图像进行二值化，然后根据连通域的大小去掉个别噪点，利用的得到的二值图像与原图像进行与操作去掉背景；其次根据手指的特点定位手指区域，找出感兴趣的手指区域，并对此区域进行大小的归一化；最后对每幅图像归一化后的感兴趣区域的灰度直方图参数检测，灰度直方图参数优选灰度均值及灰度方差：在多幅图像中存在灰度均值和方差周期性波动变化，则认为具有人体血流特征，从而认为是真静脉图像，指示灯三色交替闪烁；如多幅图像中不存在灰度均值和方差周期性波动变化，则认为没有人体血流特征，从而认为是假静脉图像，处理器控制指示灯亮红色，蜂鸣器响两声。

至此活体检测步骤结束，本装置及方法实现了，检测试图进入系统的用户静脉特征是否为活体，一定程度避免了伪造特征对后续识别系统的攻击，增加了反射式手指静脉识别系统的可靠性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种反射式手指静脉识别活体检测装置，其特征是，包括用于为装置内各部件提供支撑和保护的壳体，所述壳体内分别设有图像采集模块、用于滤除杂散光的滤光模块、控制模块、电源模块、用于感应手指是否放入待检测区域的红外距离传感器、LED光源以及用于安装LED光源的曲面； 

图像采集模块设置于壳体底部，壳体顶部固定有用于安装LED光源的曲面，所述曲面采用凹面设计，曲面外侧中心位置安装滤光模块；图像采集模块、滤光模块以及曲面中心依次同轴设置，LED光源均匀分布在曲面内侧；所述曲面上还设有红外距离传感器； 

所述壳体上表面设有用于将LED光源散射为均匀的面光源的透明材质物，所述透明材质物上分别嵌有用于检测手指是否为活体的电阻传感器和温度传感器； 

所述图像采集模块、电源模块、红外距离传感器、电阻传感器和温度传感器分别与控制模块通信。 

2.如权利要求1所述的一种反射式手指静脉识别活体检测装置，其特征是，所述图像采集模块为近红外敏感微型相机，滤光模块为近红外滤光片，LED光源为近红外LED光源，透明材质物为有机玻璃。 

3.如权利要求1所述的一种反射式手指静脉识别活体检测装置，其特征是，所述透明材质物上还嵌有用于指示装置工作状态的LED指示灯，LED指示灯与控制模块通信。 

4.如权利要求1所述的一种反射式手指静脉识别活体检测装置，其特征是，所述LED光源为波长不同的两种LED，两种LED分别以近红外敏感微型相机轴线为中心呈圆环状均匀布置在曲面上。 

5.如权利要求1所述的一种反射式手指静脉识别活体检测装置，其特征是，所述电阻传感器和温度传感器分别位于曲面中心位置两侧，两者之间的距离不大于一般手指并拢起来的宽度；所述电阻传感器和温度传感器还可作为用于提示用户手指摆放位置的定位点；所述手指仅包含食指、中指、无名指和小指四根手指。 

6.一种如权利要求1所述的反射式手指静脉识别活体检测装置的检测方法，其特征是，包括如下步骤： 

(1)当有手指放入设备时，控制模块分别读取电阻传感器和温度传感器的数据，获得接触物的电阻及温度参数，并与内置活体手指的先验参数范围进行比对，判断接触物参数是否符合活体特征； 

(2)如果所获参数不符合活体特征，则判断接触物为假静脉；如果所获参数符合活体特征，则进入步骤(3)； 

(3)启动图像采集模块，并控制图像采集模块在设定时间T内连续获取N幅静脉图像； 

(4)采用灰度直方图方式进行图像处理，确定图像参数的灰度均值和灰度方差，通过判断指静脉图像中灰度均值和方差是否有周期性变化，判断静脉图像的真假。 

7.如权利要求6所述的一种反射式手指静脉识别活体检测装置的检测方法，其特征是，所述步骤(4)的具体方法为： 

(1)对每幅图像都进行预处理：将原始图像转换为灰度图，采用Otsu方法确定区分手指区域与背景区域的阈值，用此阈值对手指静脉图像进行二值化，然后根据连通域的大小去掉个别噪点，利用的得到的二值图像与原图像相乘去掉背景区域； 

(2)根据手指的特点定位手指区域，找出感兴趣的手指区域，并对此区域进行大小的归一化； 

(3)采用灰度直方图方式进行图像处理：计算每幅图像归一化后区域的灰度均值及灰度方差，若获取的N幅图像之间存在灰度均值和方差的周期性波动变化，则判断为真静脉图像； 

若获取的N幅图像之间不存在灰度均值和方差周期性波动变化，则判断为假静脉图像。 

8.如权利要求6所述的一种反射式手指静脉识别活体检测装置的检测方法，其特征是，所述步骤(1)中： 

当没有手指伸入时，红外距离传感器向控制模块发送设备闲置信号，则控制模块控制近红外敏感微型相机和红外光源关闭，控制模块进入低功耗状态； 

当有手指伸入时，控制模块开启近红外敏感微型相机和红外光源，控制模块运行在正常状态。 

9.如权利要求6所述的一种反射式手指静脉识别活体检测装置的检测方法，其特征是，所述步骤(3)中在设定时间T内连续获取N幅静脉图像，满足N>60。

10.如权利要求7所述的一种反射式手指静脉识别活体检测装置的检测方法，其特征是，所述感兴趣的区域是指除大拇指以外的其余四根手指从指根到指尖之间的区域。