CN109784141A - 一种基于arm处理器的手指静脉识别加密系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ARM处理器的手指静脉识别加密系统，包括采集模块、图像处理模块和上位机；当手指静脉识别加密认证系统启动后，采集模块就可以在图像处理功能模块控制的范围内进行图像采集，然后采集到的手指静脉原始图像会通过USB接口传输到图像处理功能模块中，对图像进行预处理与特征提取，特征存储以及识别，最后将采集到手指静脉的图像以图像处理功能模块作为客户端，上位机作为服务端通过Socket技术传输到上位机中进行存储，能够远程管理指静脉采集并且监控指静脉装置工作状态。
Description
技术领域
本发明属于身份认证的技术领域，具体涉及一种基于ARM(Advanced RISCMachine)处理器的手指静脉识别加密认证系统。
背景技术
在传统的身份认证领域主要分为两大类，第一类是通过身份表示物，例如通过证件、钥匙等。第二种则是通过身份标识知识，例如通过用户名和密码等方式。但是这两种方式都有自身存在的缺点，例如证件的丢失以及密码被盗等。生物识别技术是基于人体的生物特征来进行身份认证，克服了上述的缺点。其中手指静脉认证由于其具有活体识别、安全性高以及识别率高等特点逐渐受到重视，并逐步融入当今的社会生活当中。但是在现有的手指静脉认证系统中，存在如下的问题。
(1)采集到的静脉质量比较差
手指的静脉属于人体内部的生理特征，虽然它具有不会被磨损，并且难以进行伪造等优点，但是因为静脉处于手指的内部，所以通常情况下所采集到的图像往往并不清晰。除此之外，采集图像的质量还会受到其他因素的影响。例如，若采集模块中的近红外光源照射强度太高时，就会使得采集的图片信息丢失，若是近红外光源的照射强度太低时又会造成采集到的图片产生噪声的现象。而当手指的位移偏大时又有可能会造成阴影现象。而采集手指静脉图像的质量又关系到图像预处理效果以及后续过程中的特征提取和匹配结果。
(2)系统的安全性和可靠性差
近年来，网络传输技术发展迅速，虽然加快了工作的效率，但是网络传输安全问题也一直困扰着我们。手指静脉识别加密认证系统属于身份认证领域，所以系统的安全性和可靠性是开发人员在研发的过程中需要考虑的问题。现在的系统有可能受到黑客攻击、非法操作、病毒感染等安全威胁，而手指静脉识别加密认证系统采集到的图像中包含有个人身份的重要信息，若是系统受到安全威胁有可能导致服务器中存储信息的泄露，甚至有可能会被破坏，系统的安全性和可靠性会受到威胁。
(3)无法远程识别
在手指静脉识别的过程中，需要通过数据库来寻找在此之前注册过的手指静脉图像并以此作为依据进行匹配。在手指静脉识别的过程中，需要通过本地数据库来寻找在此之前注册过的手指静脉图像并以此来作为依据进行匹配。但是在很多领域中，我们无法在现场实时管理指静脉的采集、识别等过程。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于ARM处理器的手指静脉识别加密系统，能够远程管理指静脉采集并且监控指静脉装置工作状态。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于ARM处理器的手指静脉识别加密系统，包括采集模块、图像处理模块和上位机；
采集模块包括近红外光源、辅助光源、滤光片、CMOS(互补金属氧化物半导体)成像器件、触摸开关以及电源；
触摸开关通过手指触摸开启近红外光源、辅助光源以及CMOS成像器件；
近红外光源经触发开启后发出近红外光照向手指目标区域；
辅助光源与近红外光源从同处发出同向可见光；
滤光片滤除透过手指的可见光，减少可见光对手指图像的影响；
CMOS成像器件采集经近红外光照射的手指的图像；
电源用于为近红外光源、辅助光源和CMOS成像器件供电；
图像处理模块基于ARM处理器，对手指图像进行预处理、特征提取、特征存储和特征识别；预处理即从手指图像中提取指静脉区域图像，并对指静脉区域图像进行增强处理和滤波处理；
特征提取即从预处理后的图像中提取指静脉纹路；特征存储即将指静脉纹路加密后发送至上位机进行存储；特征识别即将指静脉纹路与存储在上位机中的指静脉样本进行对比，当相似度大于设定阈值则表示是同一个人，否则不是同一个人；
上位机作为图像处理模块的服务端，用于存储指静脉样本库，并且接收和解密指静脉纹路，然后对指静脉纹路进行存储。
进一步地，手指放置在滤光片上，滤光片上设置有手指状凹槽，凹槽的指尖端设置有限位挡板。
进一步地，利用3DES加密算法对指静脉纹路进行加密，3DES加密算法所产生的密钥，随同加密后的指静脉纹路一同传输给上位机供上位机进行解密。
进一步地，利用均值滤波和高斯滤波对指静脉区域图像进行去噪以及平滑处理。
进一步地，加密后的指静脉通过Socket技术传输到上位机。
有益效果：
本发明图像处理模块是基于ARM来实现的，使得图像处理模块具备更高的集成度和更快的实时运算速度。
本发明采用3DES加密算法传输指静脉数据，增加了数据传输的安全性。
本发明对于手指的凹槽和限位的设计，约定了手指的姿势，减小了手指姿势对成像质量的影响。
附图说明
图1为本发明基于ARM的手指静脉识别加密认证系统的采集系统构架。
图2为本发明手指静脉图像采集模块内部原理图。
图3为本发明手指静脉识别加密认证系统加密通信过程示意图。
图4为本发明手指静脉识别加密认证系统传输过程的实时帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于ARM处理器的手指静脉识别加密系统，图1给出了本发明的系统结构示意图，包括采集模块、图像处理模块和上位机；指静脉识别加密认证系统的启动是通过安装在采集模块中的触摸开关来实现的。当手指静脉识别加密认证系统启动后，采集模块就可以在图像处理功能模块控制的范围内进行图像采集。然后采集到的手指静脉原始图像会通过USB接口传输到图像处理功能模块中，对图像进行预处理与特征提取，特征存储以及识别。最后将采集到手指静脉的图像以图像处理功能模块作为客户端，上位机作为服务端通过Socket技术传输到上位机中。
采集模块包括近红外光源、辅助光源、滤光片、CMOS(互补金属氧化物半导体)成像器件、触摸开关以及电源；
触摸开关通过手指触摸开启近红外光源、辅助光源以及CMOS成像器件；由采集装置所具有的特性可知，需要设置一个触发开关来启动手指静脉识别加密认证系统。其主要的工作原理是通过判断I/O接口电平高低的变化来作为判断依据，当手指放入采集装置时，接口的电平就会发生变化，由此来作为启动系统的判断依据。
近红外光源经触发开启后发出近红外光照向手指目标区域；
辅助光源与近红外光源从同处发出同向可见光；
滤光片滤除透过手指的可见光，减少可见光对手指图像的影响；虽然在采集装置中有了辅助光源来方便调试近红外光和排除故障，但是还需考虑可见光对采集装置的影响，为了避免在采集过程中可见光的进入进而影响到采集指静脉原始图像的质量，所以选择一个滤光片，来减少可见光对采集图像的影响。
CMOS成像器件采集经近红外光照射的手指的图像；虽然CCD器件具有较高的信噪比和较高的感光灵敏度，但它的成品率比较低而且价格昂贵。相比而言CMOS器件成品率高而且价格低廉，即使在较暗的环境中使用led照明时也能有很好的感光效果，所以在最终的感光器件中选用了CMOS成像器件。
电源用于为近红外光源、辅助光源和CMOS成像器件供电；
图2本发明手指静脉图像采集装置内部原理图：
在对手指进行图像采集时，图像的质量会受手指放置姿态的不同而受影响，所以就需要约定手指的姿态。手指的旋转以及位移等不规范的操作都会影响到成像的质量，为了减小这种影响，本次在设计结构时考虑到了以下两种情况(1)为了避免手指旋转带来的影响，本次设计时在滤光片的上面设置了一个可以放置手指的凹槽。(2)为了保证采集区域的相对固定在凹槽的前面设计了一个限位挡板。
采集模块：图像的采集主要通过linux系统集成Opencv库函数的方法来实现。当手指放到采集模块中时，采集模块中的触摸开关感应到手指后会使触摸开关的输出电平发生变化。发生变化的电平会被采集软件中的中断函数监测到，紧接着会打开采集模块中的光源，调用Opencv函数模块进行手指静脉图像的采集，采集到图像后，并将手指静脉图像通过USB接口传输到图像处理功能模块中。
图像处理模块基于ARM，由于ARM的主频比单片机更高，所以处理速度更快，并且基于ARM的图像处理模块的可移植性更强。当图像处理模块收到采集装置采集到的图像后，会在图像处理功能模块中对图像进行处理。主要包括有图像进行预处理与特征提取，特征存储以及识别。图像的预处理首先把采集到的原始图像灰度化，以此来降低匹配算法的计算量。然后通过Sobel算子把指静脉感兴趣区域(ROI区域大小为70*140像素)从采集到的原始图像中分离出来。接着通过线性归一化话对图像进行增强处理，最后利用均值滤波和高斯滤波对图像进行去燥以及平滑处理。特征提取是从预处理后的灰度图中提取有效的指静脉纹路信息。首先利用曲率检测算法通过检测灰度的极值点把指静脉的脉络从背景中给剥离出来，然后在利用幂率变化来实现图像的增强，以此使得指静脉的脉络信息更为明显。接着通过OTSU(大津法)算法把灰度图二值化，并利用形态学滤波的方法对二值图进行空洞填充以及边缘平滑处理。然后通过基于索引表的图像细化方法从指静脉二值图中提取到指静脉的骨架，以此来生成注册模板。特征存储则是将特征提取中生成的注册模板保存在本地的EMMC中，来作为指静脉样本库。识别的过程则是通过模板匹配算法来实现的，具体的流程为采集→比对→输出结果。比对就是将采集的指静脉图像与存储在EMMC模板库中的指静脉图像通过模板匹配算法来进行对比，当相似度大于某个阈值则表示同一个人，否则不是同一个人。图像处理功能模块工作流程包括手指静脉注册和手指静脉识别两部分内容详见下文图3和图4部分。最后通过Socket技术将图像数据发送给上位机。
上位机：手指静脉的图像以图像处理功能模块作为客户端，上位机作为服务端，通过Socket技术传输到上位机中，并对图像进行保存与备份，方便对指静脉信息的远程后台管理。为了改善图像传输的安全性和高效性，保存的指静脉信息在无线传输的过程中采用了3DES加密算法。在对图像信息进行无线发送时对图像信息进行加密并向上位机发送加密后的数据和密钥，上位机提取密钥后对图像数据进行解密。在通信的过程中上位机作为服务器端，监听端口并且接收数据。图像处理功能模块作为客户端，主动连接服务器并进行图像信息的传输。通过图像处理功能模块与上位机软件的配合实现了采集装置的便携化以及远程化。
其中上位机采用了在windows环境中安装虚拟机，并通过虚拟机运行Linux系统的方式进行编译。在虚拟机中安装的是Ubutun16.04系统。采用这种方式进行软件开发具时通过外接一个显示屏可以很方便的进行调试。虚拟机采用的是桥连接方式，使得宿主机和虚拟机在同一个子网，并在Ubutun16.04搭建ssh服务器，同时也在宿主机中安装ssh客户端，通过ssh服务器就可以很方便的实现宿主机与虚拟机之间的文件传输。
在ARM开发板中同时也有一个Linux系统，在装有Ubutun16.04系统的虚拟机和ARM开发板之间采用的是nfs服务器。这样的话就能够很方便的实现软件烧写以及文件资源的共享。
图3和图4为手指静脉识别加密认证系统加密通信过程示意图和传输过程的实时帧结构示意图：当手指静脉识别加密认证系统启动后，采集装置就可以在图像处理功能模块控制的范围内进行图像采集。然后采集到的手指静脉原始图像会通过USB接口传输到图像处理功能模块，最后将采集到手指静脉的图像后通过Socket技术将图像进行传输给上位机。为了改善图像传输的安全性和高效性本次采用了3DES加密算法。采集装置采集到的图像数据通过Socket技术发送给上位机。上位机接收到图像数据后对传输的图像数据帧进行识别。3DES加密算法会产生密钥，采集装置采集到的数据帧传输给上位机后上位机进行解密。
实时帧结构示意图：
帧头：表示帧开始的起点占1个字节，可根据需要自己定义这里以0x3A表示
帧长度：占有两个字节，高字节用0x00表示，低字节依据实际长度定义
密钥：通信网络两端双方约定一致，在加密时3DES算法产生工作密钥占用8个字节
传输数据:此处表示传输图片的实时数据
结束：表示帧结束，占用1个字节可自己定义这里以0B表示。
本发明方案主要有以下四大特点：
1、基于ARM、小型、低功耗
在现有的市场中，大部分的手指静脉识别设备采用的是裸板开发，虽然裸板开发具有很快的启动速度，但是裸板开发的可靠性和安全性较低。本发明是基于ARM来实现的。ARM采用的是RISC(精简指令集)指令、多线程的执行方式，所以更有利于关闭时钟信号，具有低功耗的特性。除此之外，ARM也具有丰富的外设资源，本发明同时也采用了嵌入式的片上系统(SOC)，片上系统最大的特点就是实现了软硬件的无缝结合，操作系统的代码模块可以直接嵌入到处理器的片内。
基于ARM的片上系统最大的优势就是可以实现多核的并行处理以及单片的最大包容。所以基于ARM的片上系统具备更高的集成度、更快的实时运算速度以及更强的扩展能力。除此之外它还具有极高的综合性，能够运用VHDL(一种用于电路设计的高级语言)或者Verilog HDL(一种硬件描述语言)等硬件描述语言在一个硅片的内部实现一个复杂的系统。与传统的系统设计相比，用户不需要绘制庞大复杂的电路板。因为绝大部分的系统构件都可以在系统内部来得以实现，所以整个系统就会显得格外的简洁。这样一来的话不仅使得系统的体积和功耗减小，同时也进一步的使系统的可靠性以及设计的生产效率得以提高。
2、无线采集
在进行手指静脉的软件开发时，采用了在windows环境中安装虚拟机，并通过虚拟机运行Linux系统的方式进行编译。在虚拟机中安装的是Ubutun16.04系统。采用这种方式进行软件开发具时通过外接一个显示屏可以很方便的进行调试。虚拟机采用的是桥连接方式，使得宿主机和虚拟机在同一个子网，并在Ubutun16.04搭建ssh服务器，同时也在宿主机中安装ssh客户端，通过ssh服务器就可以很方便的实现宿主机与虚拟机之间的文件传输。
在ARM开发板中同时也有一个Linux系统(具体是Linux系统中的Debian系统)，在装有Ubutun16.04系统的虚拟机和ARM开发板之间采用的是nfs服务器。这样的话就能够很方便的实现软件烧写以及文件资源的共享。
图像的获取以及保存则是通过Linux系统中集成的Opencv库函数来实现的。同直接与Linux系统上通过v412接口来操作USB摄像头相比，通过Opencv库函数来调用USB摄像头更容易获取到指静脉的图像。因为Opencv库对Linux系统中的接口和函数的封装性较好，操作起来也更加的方便与快捷。图像在保存在本地的同时通过基于UDP传输协议的socket技术将指静脉图像远程传输至上位机来进行保存与备份，便于采集装置的便携化以及远程化。
3、独特的采集装置壳体
对于手机静脉识别系统而言，原始图像的质量是非常重要的，因为原始图像质量的决定定着识别的精度以及正确率。如果采集装置中的近红外光源照射强度太高时，就会使得采集的图片信息丢失，若是近红外光源的照射强度太低时又会造成采集到的图片产生噪声的现象。而当手指的位移偏大时又有可能会造成阴影现象。所以设计一个采集效果好并且简单易用的采集装置壳体就显得格外重要。
在对手指进行图像采集时，图像的质量会受手指放置姿态的不同而受影响，所以就需要约定手指的姿态。手指的旋转以及位移等不规范的操作都会影响到成像的质量，为了减小这种影响，本次在设计结构时考虑到了以下两种情况(1)为了避免手指旋转带来的影响，本次设计时在滤光片的上面设置了一个可以放置手指的凹槽。(2)为了保证采集区域的相对固定在凹槽的前面设计了一个挡板。
4、采用3DES加密算法增强数据传输的安全性
图像的获取则是通过C++调用Opencv来实现的，当手指静脉识别加密认证系统启动后，采集装置就可以在图像处理功能模块控制的范围内进行图像采集。然后采集到的手指静脉原始图像会通过USB接口传输到图像处理功能模块，并对图像进行处理与本地保存，具体功能可详见下文图像处理功能模块部分，同时将保存在本地EMMC(Embedded MultiMedia Card嵌入式非易失性存储器)中的手指静脉的图像后通过Socket技术将图像进行传输给上位机，并对图像进行保存与备份，方便对指静脉信息的远程后台管理。为了改善图像传输的安全性和高效性本次采用了3DES加密算法。通过采集装置并保存在本地EMMC样本库中指静脉图像通过Socket技术发送给上位机。上位机接收到图像数据后对传输的图像数据帧进行识别。3DES加密算法会产生密钥，采集装置采集到的数据帧传输给上位机后上位机进行解密。
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 (5)
1.一种基于ARM处理器的手指静脉识别加密系统，其特征在于，包括采集模块、图像处理模块和上位机；
采集模块包括近红外光源、辅助光源、滤光片、CMOS成像器件、触摸开关以及电源；
触摸开关通过手指触摸开启近红外光源、辅助光源以及CMOS成像器件；
近红外光源经触发开启后发出近红外光照向手指目标区域；
辅助光源与近红外光源从同处发出同向可见光；
滤光片滤除透过手指的可见光，减少可见光对手指图像的影响；
CMOS成像器件采集经近红外光照射的手指的图像；
电源用于为近红外光源、辅助光源和CMOS成像器件供电；
图像处理模块基于ARM处理器，对手指图像进行预处理、特征提取、特征存储和特征识别；预处理即从手指图像中提取指静脉区域图像，并对指静脉区域图像进行增强处理和滤波处理；
特征提取即从预处理后的图像中提取指静脉纹路；特征存储即将指静脉纹路加密后发送至上位机进行存储；特征识别即将指静脉纹路与存储在上位机中的指静脉样本进行对比，当相似度大于设定阈值则表示是同一个人，否则不是同一个人；
上位机作为图像处理模块的服务端，用于存储指静脉样本库，并且接收和解密指静脉纹路，然后对指静脉纹路进行存储。
2.如权利要求1所述的一种基于ARM处理器的手指静脉识别加密系统，其特征在于，手指放置在滤光片上，滤光片上设置有手指状凹槽，凹槽的指尖端设置有限位挡板。
3.如权利要求1所述的一种基于ARM处理器的手指静脉识别加密系统，其特征在于，利用3DES加密算法对指静脉纹路进行加密，3DES加密算法所产生的密钥，随同加密后的指静脉纹路一同传输给上位机供上位机进行解密。
4.如权利要求1所述的一种基于ARM处理器的手指静脉识别加密系统，其特征在于，利用均值滤波和高斯滤波对指静脉区域图像进行去噪以及平滑处理。
5.如权利要求1所述的一种基于ARM处理器的手指静脉识别加密系统，其特征在于，加密后的指静脉通过Socket技术传输到上位机。
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