CN108549837A - 一种滑动式手指静脉图像采集设备及其采集静脉图像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑动式手指静脉特征采集设备，包括：壳体，壳体上部设有静脉拍摄窗；滤光片下方设有光源、调节光源亮度的控制电路、用于拍摄手指静脉图像的摄像头以及图像处理模块，摄像头分段拍摄手指静脉图像，图像处理模块将摄像头分段拍摄得到的手指静脉图像进行拼接后获得完整的手指静脉图像。本发明还公开了滑动式手指静脉图像采集设备采用分段式采集静脉图像的方法，包括：检测手指是否存在；感应到手指存在后，设置光源的亮度；获取分段的手指静脉图像；对分段的手指静脉图像进行拼接，以获得完整的手指静脉图像。本发明的设备体积小，能够获得清晰、高质量的静脉图像。

Description

一种滑动式手指静脉图像采集设备及其采集静脉图像的方法

技术领域

本发明涉及身份认证技术领域，尤其是涉及一种滑动式手指静脉采集设备。

背景技术

传统的身份认证识别需要借助密码、钥匙等外部媒介，存在被泄露的风险，安全性较低。随着各种智能终端设备的普及，个人身份认证的安全性越来越重要。因此，以生物特征作为识别依据的身份认证方式便逐渐兴起，极大提高了身份认证识别过程的便利性和安全性。

当前，普遍的生物认证采用的生物特征有人脸、指纹、虹膜、音频等。另外，静脉识别、眼纹识别等新兴的生物认证技术也逐渐引起各界重视，并在一些特殊场合得到了应用。其中，手指静脉识别区别于其他生物特征，静脉是人体内部的静脉结构特征，采用活体识别，且在一般情况下不可见，难以被他人获取伪造，也不会受到手指表面损伤及外界环境的影响，因此具有非常高的便利性和安全性，可被应用于自助取款机等对安全性要求较高的相关领域。

一般的手指静脉图像采集设备包含三部分：光源，成像系统，主体。光源与成像系统位于主体上，在手指的同一侧。由于手指中的血红蛋白可以吸收760-1000nm波长范围内的近红外光，当使用红外LED往手指内打入合适波长的红外光时，与光源在同一方法的成像系统可以得到清晰的静脉图像。通过静脉图像的比对，可判断两幅静脉图像是否属于同一生物体，从而可实现身份的判别。

公开号为CN 101404058A的中国发明专利申请说明书公开了一种指静脉图像输入装置，利用从指的侧面或腹部照射光的光学系统，将在指内部扩散并透射的光在指腹部的下面进行拍摄而得到静脉图像，并在滤光片和拍摄部件中设有自聚焦透镜，在装置中加入偏振光滤光片，减少了手指表面反射光，得到较清晰的静脉图像。然而，该发明需要采集整根手指的静脉图像，需要将手指置于整个采集窗上，虽然在一定程度上减小了指静脉认证装置的体积，但是对于智能手机登对静脉图像采集装置体积要求更高的移动设备而言还是略显不足。

公开号为CN 103729640A的中国发明专利申请说明书公开了一种手指静脉特征提取方法及装置，该方法在滤光片和拍摄部件中设有自聚焦透镜，在装置中加入偏振光滤光片，该发明提出了在手指在光源照射下移动时由摄像头拍摄得到多幅手指静脉图像并对手指静脉图像进行拼接，能够有效减小手指静脉认证装置的体积。然而，当LED光源向手指打入红外光时，由于不同人的手指透过率有一定差别，对某一用户合适的LED光强可能并不适合其他用户，因此容易造成部分用户的手指静脉图像对比度不够，清晰度不高，从而影响识别率，另外，该发明中对于多幅静脉图像的拼接算法存在稳定性不高的缺陷。

发明内容

本发明提供了一种滑动式手指静脉图像采集设备，体积小，能够获得清晰、高质量的静脉图像，解决了传统手指静脉图像采集设备体积过大，部分用户获取的静脉图像清晰度低造成识别率不高的问题。

一种滑动式手指静脉图像采集设备，包括壳体，壳体上部为由透过特定波长光的滤光片组成的静脉拍摄窗；滤光片下方设有光源和调节光源亮度的控制电路、用于拍摄手指静脉图像的摄像头和图像处理模块，摄像头分段拍摄手指静脉图像，所述图像处理模块将摄像头分段拍摄得到的手指静脉图像进行拼接后获得完整的手指静脉图像。

所述的滑动式手指静脉图像采集设备，通过分区域采集手指静脉图像，可以大大缩短所述的静脉拍摄窗的长度，从而达到缩小静脉图像采集设备体积的效果。

作为优选，所述的静脉拍摄窗带有手指检测模块，所述手指检测模块采用压敏电阻，通过感受用户手指对设备的压力来判断手指是否放置；

所述的手指检测模块也可以选择诸如距离传感器，来判断装置上方是否存在手指，还可以通过电容感应等方式来感应手指的存在。

作为优选，所述的光源为两个红外LED，分别设于静脉拍摄窗的前后位置。

如果只有一个红外LED，可能造成静脉图像亮度不均匀，从而影响静脉图像清晰度，因此采用两个红外LED对称分布。

作为优选，所述的光源为两个红外LED，分别设于静脉拍摄窗的左右两侧，所述滤光片下方设有与红外LED对应的第一偏振片和与摄像头对应的第二偏振片，所述第一偏振片与第二偏振片为线偏振片，且偏振方向完全正交。

由于本装置采用了反射式的成像方式，光源与摄像头在手指的同一侧，打到手指的红外光在手指表面发生强烈的反射，这些反射回来的光不携带手指内部的静脉信息，将大大降低摄像头拍到的静脉图像中静脉的对比度。加入两片偏振片后，从光源发出的红外光经过第一偏振片，成为线偏振光，打入到手指中，在手指表面发生反射的光保留了原有的偏振态，因此，无法通过摄像头前的第二偏振片，而打入到手指内部的光，在经历多次散射以后，发生明显的退偏，可以通过第二偏振片进行成像，此方法可显著提高手指静脉图像中静脉的对比度。

所述摄像头可采用常规的CMOS摄像头。

所述滤光片可根据需要选择带通滤光片或长波通滤光片。

作为优选，所述的对分段的手指静脉图像进行拼接采用图像卷积法或者图像特征法进行拼接。

进一步，所述的图像卷积法，包括：将相邻时间采集到的两张静脉图像A和B，进行相减，得到两张静脉图像的差分值，对得到的差分值取绝对值后，对所有的绝对值取平均数，作为两幅图像的误差。随后，分别将所述的静脉图像A和B移动一定的位置，再次计算该误差，经过一定范围内卷积计算后，误差最小的那个点，即是两幅图像的重合位置，搜索两张图像的重合区域来寻找图像的匹配位置，最后根据匹配位置将两张静脉图像拼接；

图像卷积法简单易行，稳定性高，能显著提高静脉识别的准确率。

图像特征法包括：分别从相邻的两幅静脉图像A和B中提取特征点，并计算对应关系，得到一系列配对的关键特征点，利用所述关键特征点的位置关系，计算出所述两幅图像的转移矩阵，从而可得到两幅静脉图像的相对位置关系，最后根据相对位置关系将两张静脉图像拼接。

所述的特征点可以是HARR特征点，SIFT特征点，SURF特征点，但不限于上述范围。

图像特征法只需要一次提取特征点就可进行拼接运算，运行效率高，能大大缩短静脉识别的时间。

本发明的滑动式手指静脉图像采集设备，采集静脉图像时采用分段式采集手指静脉图像的方法，包括：

(1)检测手指是否存在；

(2)感应到手指存在后，控制电路采用自适应光源亮度调节算法来调节光源的亮度；

所述自适应光源亮度调节算法为：先按照预定设置一个红外LED亮度，再采集一帧静脉图像，计算静脉图像中手指的亮度并判断该亮度是否合适，如果合适，则进行下一步；如果不合适，则利用PID算法，计算出来一个适合对应图像亮度的光强后，用该亮度重新设置红外LED亮度，多次迭代，直到静脉图像中静脉手指的亮度达到一个合适的数值，使得到的静脉图像足够清晰。

作为优选，所述的合适的数值为静脉图像最高亮度的一半，此时得到的静脉图像最清晰。

(3)获取分段的手指静脉图像，其中所述的分段的手指静脉图像是当手指在光源照射下滑动时，由与光源位于手指同侧的CMOS摄像头连续拍摄到的手指各段区域的静脉图像；

(4)对所述的分段的手指静脉图像进行拼接，以获得完整的手指静脉图像。

本发明通过手指在光源照射下滑动时，由与光源位于手指同侧的摄像头连续拍摄得到的手指各段区域清晰的静脉图像，可以有效缩短设备的长度，最短可将设备减小至5mm，适用于智能手机，平板电脑等对体积有严格要求的智能终端。

本发明通过在静脉图像采集过程中引入自适应的光源亮度调节算法，在对静脉图像采集之前将LED光源设置到一个适合当前用户的亮度，可以实现最佳的静脉成像效果，获得更清晰的静脉图像，提高了静脉识别的准确率。

附图说明

图1为本发明滑动式手指静脉图像采集设备第一种实施方式的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明滑动式手指静脉图像采集设备第二种实施方式的结构示意图；

图4为图3的俯视图；

图5为本发明滑动式手指静脉图像采集设备采集静脉图像的方法流程图；

图6为本发明自适应光源亮度调节算法流程图；

其中：

1-壳体 2-静脉采集窗 3-光源

4-手指 5-手指检测模块 6-滤光片

7-图像处理模块 8-摄像头 9-控制电路

10-第一偏振片 11-第二偏振片

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明和现有技术中的技术方案，下面将结合本实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅是一部分实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明滑动式手指静脉图像采集设备第一种实施方式，包括壳体1，壳体1上部为由手指检测模块5和只能透过特定波长光的滤光片6组成的静脉拍摄窗2；滤光片6下方设有光源3和调节光源亮度的控制电路9、用于拍摄手指4静脉图像的摄像头8和图像处理模块7，摄像头8分段拍摄手指4静脉图像，所述图像处理模块将摄像头分段拍摄得到的手指静脉图像进行拼接后获得完整的手指静脉图像。

本实施例的滑动式手指静脉图像采集设备，分区域采集手指静脉图像，可以大大缩短所述拍摄窗的长度，从而达到缩小静脉图像采集设备体积的效果，最短可将设备减小至5mm，非常适合应用于对体积有严格要求的设备中，如智能手机，平板电脑等。

光源3采用2个红外LED，并对称设在手指静脉拍摄窗的前后位置。

手指检测模块5采用压敏电阻，通过感受用户手指对于设备的压力来判断手指是否放置。

摄像头8可采用常规的CMOS摄像头。

滤光片6为红外滤光片，可通过波长为760nm～1000nm的光，能过滤掉会影响静脉图像质量的其他可见光，从而提高图像对比度。滤光片6可根据需要选择带通滤光片或长波通滤光片。

图像处理模块7，用于对分段的手指静脉图像进行拼接。

控制电路9，在感应到手指存在后，采用自适应光源亮度调节算法来调节光源的亮度。当光源向手指打入红外光时，由于不同人的手指透过率有一定差别，对某一用户合适的LED光强可能并不适合其他用户，因此容易造成部分用户的手指静脉图像对比度不够，清晰度不高，从而影响识别率。本实施例采用一种自适应光源亮度调节算法来调节光源的亮度，可以显著提高获得的分段的手指静脉图像的清晰度，提高手指静脉识别的准确度。

如图3和图4所示，本发明滑动式手指静脉图像采集设备的第二种实施方式，包括壳体1，壳体1上部为由手指检测模块5和只能透过特定波长光的滤光片6组成的静脉拍摄窗2；滤光片6下方设有光源3和调节光源亮度的控制电路9、、用于拍摄手指4静脉图像的摄像头8、图像处理模块7、与光源3对应的第一偏振片10和与摄像头8对应的第二偏振片11，所述第一偏振片10与第二偏振片11为线偏振片，且偏振方向完全正交，摄像头8分段拍摄手指4静脉图像，所述图像处理模块将摄像头分段拍摄得到的手指静脉图像进行拼接后获得完整的手指静脉图像。

第二种实施方式与第一种实施方式相对比，最大的不同点在于将光源3所采用的两个红外LED从手指静脉拍摄窗2的前后位置换到手指静脉拍摄窗2的左右两侧，并在滤光片6的下方加入了与两个红外LED对应的第一偏振片10和与摄像头8对应的第二偏振片11。

第一偏振片10与第二偏振片11均为线偏振片，且偏振方向完全正交。由于本装置采用了反射式的成像方式，光源3与摄像头8在手指4的同一侧，打到手指4的红外光在手指表面发生强烈的反射，这些反射回来的光不携带手指4内部的静脉信息，将大大降低摄像头8拍到的静脉图像中静脉的对比度。加入两片偏振片后，从光源3发出的红外光经过第一偏振片10，成为线偏振光，打入到手指4中，在手指4表面发生反射的光保留了原有的偏振态，因此，无法通过摄像头8上方的第二偏振片11，而打入到手指4内部的光，在经历多次散射以后，发生明显的退偏，可以通过第二偏振片11进行成像，此方法可显著提高手指静脉图像中静脉的对比度。

如图5所示，本发明滑动式手指静脉图像采集设备采集静脉图像的方法包括以下几个步骤:

s101，检测手指是否存在，检测手指4是否存在可以选择多种方式，如采用机械式的压敏电阻，通过感受用户手指对于设备的压力来判断手指是否放置；也可以选择诸如距离传感器，来判断设备上方是否存在手指；还可以通过电容感应等方式来感应手指的存在。

s102，感应到手指4存在后，控制电路9设置光源3的亮度，设置光源3的亮度是考虑到不同人手指的红外光透过率存在较大的差别，对某一用户合适的光强可能对其他用户并不合适，因此，在采集图像开始之前，采用自适应光源亮度调节算法将光源3的亮度设置到一个合适的范围内；

图6为自适应光源亮度调节算法流程图，先按照预定设置光源的亮度，再采集一帧静脉图像，计算静脉图像中手指的亮度并判断该亮度是否合适，如果合适，则进行下一步；如果不合适，则利用PID算法，计算出来一个适合对应图像亮度的光强后，用该亮度重新设置光源亮度，多次迭代，直到静脉图像中静脉手指的亮度达到图像最高亮度的一半，如获得的静脉图像为8位图像，最高亮度为255，则设置该数值为128；

s103，获取分段的手指静脉图像，其中分段的手指静脉图像是当手指4在光源照射下滑动时，经过亮度调节后的光源3往手指内打入合适波长的红外光，由与光源3位于手指同侧的摄像头8连续拍摄到的手指各段区域清晰的静脉图像；

s104，对所述的分段的手指静脉图像进行拼接，获得完整的手指静脉图像。本实施例采用图像卷激发进行图像拼接，包括：

(1)将相邻时间采集到的两张静脉图像A和B，进行相减，得到两张静脉图像的差分值；

(2)对得到的差分值取绝对值后，对所有的绝对值取平均数，作为两幅图像的误差；

(3)将静脉图像A和B在水平上移动一定的位置，使其部分重叠，并再次计算重叠区域的误差；

(4)对重叠区域的图像进行卷积计算，误差最小的像素点，即是两幅图像的重合位置；

(5)根据两张图像的重合区域来寻找两张静脉图像的匹配位置，并根据匹配位置将两张静脉图像拼接。

Claims (10)

1.一种滑动式手指静脉图像采集设备，其特征在于：包括壳体，壳体上部为由透过特定波长光的滤光片组成的静脉拍摄窗；滤光片下方设有光源和调节光源亮度的控制电路、用于拍摄手指静脉图像的摄像头和图像处理模块，摄像头分段拍摄手指静脉图像，所述图像处理模块将摄像头分段拍摄得到的手指静脉图像进行拼接后获得完整的手指静脉图像。

2.根据权利要求1所述的滑动式手指静脉图像采集设备，其特征在于：所述的静脉拍摄窗带有手指检测模块。

3.根据权利要求2所述的滑动式手指静脉图像采集设备，其特征在于：所述手指检测模块采用压敏电阻，通过感受用户手指对设备的压力来判断手指是否放置。

4.根据权利要求1～3任一所述的滑动式手指静脉图像采集设备，其特征在于：所述的光源为两个红外LED，分别设于静脉拍摄窗的前后位置。

5.根据权利要求1～3任一所述的滑动式手指静脉图像采集设备，其特征在于：所述的光源为两个红外LED，分别设于静脉拍摄窗的左右两侧。

6.根据权利要求5所述的滑动式手指静脉图像采集设备，其特征在于：所述滤光片下方设有与红外LED对应的第一偏振片和与摄像头对应的第二偏振片，所述第一偏振片与第二偏振片为线偏振片，且偏振方向完全正交。

7.根据权利要求1所述的滑动式手指静脉图像采集设备，其特征在于：所述的对分段的手指静脉图像进行拼接采用图像卷积法或图像特征法进行拼接，

所述的图像卷积法，包括：将相邻时间采集到的两张静脉图像A和B，进行相减，得到两张静脉图像的差分值，对得到的差分值取绝对值后，对所有的绝对值取平均数，作为两幅图像的误差，随后，分别将所述的静脉图像A和B移动一定的位置，再次计算该误差，经过一定范围内卷积计算后，误差最小的那个点，即是两幅图像的重合位置，搜索两张图像的重合区域来寻找图像的匹配位置，最后根据匹配位置将两张静脉图像拼接；

所述的图像特征法，包括：分别从相邻的两幅静脉图像A和B中提取特征点，并计算对应关系，得到一系列配对的关键特征点，利用所述关键特征点的位置关系，计算出所述两幅图像的转移矩阵，从而可得到两幅静脉图像的相对位置关系，最后根据相对位置关系将两张静脉图像拼接，所述的特征点为HARR特征点，SIFT特征点，SURF特征点。

8.一种采用滑动式手指静脉图像采集设备分段式采集静脉图像的方法，其特征在于：包括：

(1)检测手指是否存在；

(2)感应到手指存在后，控制电路采用自适应光源亮度调节算法来调节光源的亮度；

(3)获取分段的手指静脉图像，其中所述分段的手指静脉图像是当手指在光源照射下滑动时，由与光源位于手指同侧的CMOS摄像头连续拍摄到的手指各段区域的静脉图像；

(4)对所述的分段的手指静脉图像进行拼接，以获得完整的手指静脉图像。

9.根据权利要求8所述的分段式采集静脉图像的方法，其特征在于：所述自适应光源亮度调节算法为：先按照预定设置一个红外LED亮度，再采集一帧静脉图像，计算静脉图像中手指的亮度并判断该亮度是否合适，如果合适，则进行下一步；如果不合适，则利用PID算法，计算出来一个适合对应图像亮度的光强后，用该亮度重新设置红外LED亮度，多次迭代，直到静脉图像中静脉手指的亮度达到一个合适的数值，使得到的静脉图像足够清晰。

10.根据权利要求9所述的分段式采集静脉图像的方法，其特征在于：所述的合适的数值为静脉图像最高亮度的一半。