CN110175496A - 一种微型可穿戴的血管生物识别装置及身份认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型可穿戴的血管生物识别装置及身份认证方法，其中，装置由显示交互单元、发光单元、成像单元、处理电路、电源管理单元、空腔内壁传感单元和中间空腔组成，其中：所述发光单元为紧贴内部弧形边缘多个LED灯或者柔性发光材料带组成；所述显示交互单元由柔性触摸显示屏或者LED灯组成，空腔内壁传感单元由触摸传感器或者压力传感器组成，处理电路分别与显示交互单元、发光单元、成像单元、电源管理单元、空腔内壁传感单元连接。本发明的有益效果是：适合个人身份认证的微型装置、具有高安全性，能实现可穿戴式个人身份认证。

Description

一种微型可穿戴的血管生物识别装置及身份认证方法

技术领域

本发明涉及血管生物识别技术，特别是一种微型可穿戴的血管生物识别装置及个人可穿戴身份认证方法。

背景技术

血管生物识别是一种通过特定光谱照射人体某一部位(手指、手掌、手背等人体部位)，光谱被该部位血管中的血红蛋白等物质吸收，从而使得血管(动脉、静脉和毛细血管)在成像端阴影成像。血管生物识别具有唯一性、稳定性、活体识别、非接触识别等优点。

在个人身份认证场合，可穿戴式设备越来越多，各种智能手表、智能眼镜、智能鞋、智能腰带等都设备都需要身份认证，目前能应用于个人身份认证的技术较少，密码容易忘记、指纹容易复制和体验感不高，人脸等功耗高，体积大，且需要照射人脸，用户体验差。

发明内容

本发明的目的是为了提出了一种微型可穿戴的血管生物识别装置，该装置可解决目前可穿戴生物识别体积大，不容易佩戴的问题，可广泛应用于个人可穿戴、便携式身份认证场合，并提供了一种应用解决方法/方案。

一种微型可穿戴的血管生物识别装置，该装置由显示交互单元、发光单元、成像单元、处理电路、电源管理单元、空腔内壁传感单元和中间空腔组成，其中：

所述处理电路包括图像采集模块，图像预处理模块、图像特征提取模块、特征码的计算与加密模块、特征码的存储与匹配模块，及通信接口模块与能量自收集模块；

所述发光单元为紧贴内部弧形边缘多个LED灯组成；

所述空腔内壁传感单元由压力或者触摸传感器组成，用于感知穿戴状态，为后续电源管理及认证流程提供可穿戴判断；

处理电路分别与显示交互单元、发光单元、成像单元、电源管理单元、空腔内壁传感单元连接，用于系统的正常工作，电源管理单元分别与上述单元连接，提供必要的电源。

所述发光单元包括多个不同波长的微型LED灯，所述LED灯的放置角度与设定亮度用于穿透手指，光子能以一定顺序地传输，类似凸透镜聚焦光子在底部的摄像头上，实现图像缩小并在装置底部成像的效果。

发光单元发射的光线通过装置从空气入射到体表，在表皮和真皮表面发生多次折射和反射及内壁的反射，光线入射到人体检测部位，最终光线折射归集到摄像头，通过计算光线的入射角度与入射强度，使成像光子聚焦到成像单元的CMOS芯片上。

所述装置的天线/电极外表面为导电材料，用于传输与能量收集作用。

光源控制电路用于调节系统光源的强度、调制光的占空比和光的形态，以实现最低功耗和最大的成像效果。

基于生物识别设备的身份认证方法，包括如下步骤：

步骤1、生物识别设备处于能量收集阶段，同时定时监听识别请求；

步骤2、可穿戴设备发起认证请求，该请求和反馈按照一定的协议进行，请求阶段的描述如下：

步骤3、生物识别装置收到请求码后，按照请求码的命令进行相应的操作，并发送返回码及认证结果；

步骤4、认证成功，则执行：识别装置重新进入能量自收集阶段，并定时监听。

认证不成功，则执行：识别装置重新监听设备的再一次认证请求，如果连续多次认证不成功，识别装置报警，并进入能量自收集阶段，定时监听。

所述的协议包括：设备号、设备认证类型、设备认证级别、响应时间、认证模式、1:1的ID、NULL、结束码；

所述在接收阶段反馈的信息包括：设备号、设备认证类型、设备认证级别、响应时间、认证模式、认证结果、未通过原因、结束码。

身份认证过程事先需要注册，可以选择在线注册或者离线注册；离线注册采用手机注册，然后将模板上传到血管识别装置上，其具体流程如下：

S11、手机开启相应的APP或者小程序，开启注册界面；

S12、用手机的前摄或者后摄像头拍摄手指或者手掌或者身体待认证的其他部位；

S13、手机上的算法进行图像的预处理，ROI提取，特征提取等，提取生物特征，转换为二进制码或者自定义文件编码格式；

S14、手机建立与戒指的安全通信链路，通过对码确信双发是可信任设备后，手机将注册的特征码发往戒指，戒指进行安全存储，完成注册过程。

所述在先注册方法包括：

S21、通过手机或者连续两次穿戴戒指，开启在线注册过程；

S22、可穿戴戒指开启光源，成像血管图像；

S23、在线进行图像预处理、ROI、特征提取、模板生成；

S24、模板存储在安全的存储区域，完成注册。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、针对目前生物识别体积比较大，不方便个人佩戴和携带；本发明提出了一个微型的可穿戴式识别装置，采用环形结构，独特的光路设计，使得该装置可以佩戴在手指上。

2、针对可穿戴式认证设备功耗问题，本发明创新性将通信与能量自收集电路合二为一，进行通信和能量收集。

针对没有一个完整的方法进行个人身份认证方法，本发明实现了一个适合于个人身份认证的协议与方法。

附图说明

图1是本发明中具体实施例中的血管生物识别装置示意图。

图2是本发明中具体实施例中的成像用光线的光路原理图。

图3是本发明中具体实施例中的发光单元结构示意图。

图4是本发明中具体实施例中的发光单元原理示意图。

图5是本发明中具体实施例中的传输和能量收集流程图。

图6是本发明中具体实施例中的可执行认证方法的穿戴装置的分布图。

图7是本发明中具体实施例中的请求格式和反馈格式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明包括两部分，第一部分是微型可穿戴生物识别的装置；另一部分基于该装置的个人可穿戴式身份识别方法及流程。

如图1所示，一种微型可穿戴的血管生物识别装置，该装置由显示交互单元50、发光单元40、成像单元20、处理电路10、电源 60、中间空腔30及空腔内壁传感单元70组成，其中：处理电路采用柔性线路板实现可折叠设计，可折叠放置于圆形的空腔30内，所述发光单元为紧贴内部弧形边缘多个LED灯组成，其他模块电路或电线连接。

显示交互单元50与发光单元40电线连接，用于控制发光单元和成像单元。

发光单元40的光源控制电路用于调节系统光源的强度、调制光的占空比和光的形态(方波、三角波等)，以实现最低功耗和最大的成像效果。

处理电路10包括图像采集模块，图像预处理模块、图像特征提取模块、特征码的计算与加密模块、特征码的存储与匹配模块，及通信接口模块与能量自收集模块，用于显示控制实现装置交互中的灯光和关键信息显示等，其可以控制发光单元40和显示交互单元 50，其中，显示交互单元50，可以是一种薄膜型显示器。

空腔内壁传感单元70由压力或者触摸传感器组成，通过压力传感器的压力大小或者触摸传感器的触摸(穿戴前后电容值的变化、电场变化或者光线强弱变化等)状态，用于感知穿戴状态，为后续电源管理及认证流程提供可穿戴判断。在没有人穿戴设备时，系统进入低功耗模式，在判断长时间没有穿戴时，进入关机状态；在注册时，通过内壁传感器判断穿戴的次数，来实现后续的注册过程。

在本发明的其中一个具体实施例中，该装置为一个圆环结构，该圆环结构可根据中间空腔的大小，佩戴在不同的身体部位，例如手指和手腕，装置对应于戒指和手环形态。本实施例中是戒指形态，但本发明应用时并不限于此，可穿戴物均可采用本发明的技术方案。 (以下简称:可穿戴身份认证戒指或者戒指或者装置)

如图3、4所示，发光单元的光源部分采用微型不同波长的LED，主要是可见光、近红外光谱，紧贴内部弧形边缘，其位置如下图所示，A点为装置的最上方方向，LED灯可根据需要放置在A端，同时以一定的角度平均分布在A的两边，可以多个灯，此例子中为3 个灯A,B,C，例如B和C所示。同时，也可以放置在D和E端，或者以D和E为端点，向上或者向下偏移一定的角度。LED放置角度与亮度为满足穿透手指的光子能以一定顺序地传输，然后聚焦在底部的摄像头上，实现类似凸透镜聚集光子，实现图像缩小并最终在底部Z上成像的效果。本专利中除了利用光源在手指内折射、反射和漫反射的效应来实现图像缩小聚集的效应外，还通过特殊的具有反射特性的内壁材料的反射来实现光束的聚集。

发光单元所射出的光线，需要合适的光路，才能实现本发明的效果。光线通过装置从空气入射到体表，在表皮和真皮表面发生多次折射和反射及内壁的反射，光线入射到人体检测部位，最终光线折射归集到摄像头，通过计算光线的入射角度与入射强度，使成像光子聚焦到成像单元的CMOS芯片上。

如图2所示，根据人体结构，建立一个多层的人体待检测部位(例如手指)的多层非均匀介质组织模型，如图所示，包括了表皮、真皮、皮下组织、骨骼、脂肪和血管，该组织模块可以根据精度要求，建立更详细，更多分层结构。该结构通过MRI、CT成像方式及生物检测方法获取精确的解剖特征图，包括厚度、拓扑结构和介电常数等。

然后根据上述的多层结构模型，建立多层组织模型的折射率数学模型，该折射率模型先通过理论模型进行计算，然后通过实验测试方法进行验证。

计算多层折射光路，在模型2的基础上，对入射光线的光路进行建模分析，如图所示，光源1通过装置从空气入射到体表，发生折射光线2和反射光线3，折射角度和反射角度由上述的多层组织模型的折射率数学模型决定，折射光线2会在表皮和真皮表面发生折射与反射，折射光线5进入真皮，反射光线4再次发生发射与折射，可根据实际应用需要进行二次计算。

光线经过多层折射，最终光线8折射归集到摄像头。

在光线传播的过程中，可能在中途穿透到内壁，如前述所示，内壁具有反射功能，将光线6折射到内壁上的光线进行反射与折射，入射到人体检测部位，如光线7所示。

根据上述光线在检测组织的反射与折射、与内壁的反射，结合建立的多层组织模型，可以精确地算出光源(光线)的入射角度与入射强度，并且保证成像光子聚焦到CMOS芯片上。

处理电路主要包括图像采集，图像预处理、图像特征提取、特征码的计算与加密、特征码的存储与匹配，及通信接口等。

处理电路包括图像采集模块，图像预处理模块、图像特征提取模块、特征码的计算与加密模块、特征码的存储与匹配模块，及通信接口模块与能量自收集模块。通信接口模块包括摄像头接口，用于连接图像采集模块，即图像传感器，摄像头接口包括SPI、GPIO、 I2C等接口。图像数据经过摄像头接口后，进入可编程逻辑器件进行预处理，即图像预处理模块，完成图像的滤波、图像增强、灰度化等。可编程逻辑电路由于其灵活性，可根据不同的应用场景进行图像处理参数的调配，例如灰度值的调整，增强参数的调整，滤波的调整等，这些调整的目的是为了实现更优化的图像处理。图像特征提取模块是根据可编程逻辑电路还实现特征值的提取，根据血管的特征，其他相应的拓扑结构信息，包括血管的交叉点、血管的粗细、长度和位置信息等，这些拓扑信息最终转换为一串二进制数字代码，更方便地实现数据的传输与匹配处理等。特征码的计算与加密模块是通过可编程逻辑电路实现的特征值传输到数据缓存，特征码的存储与匹配模块用于访问数据缓存存储注册模板的特征值，同时，也存储待匹配认证的模板值。无线自供能与通信模块实现两种功能：1，采用近场通信与可个人佩戴的可穿戴设备进行通信，完成个人的身份认证过程；2，在完成个人的身份认证过程后，能量自收集模块实现能量自收集功能。

如图5所示，装置的天线/电极外表面为导电材料，用于传输与能量收集作用。实现过程如下：1，在信息传输阶段，考虑到需要传输的数据量比较小，为实现最大程度的低功耗通信手段，一是采用较低频段(小于50MHZ)，借助于人体的电容耦合效应，在人体近端实现低功耗的无线通信，实现与可穿戴式手表，手机等可穿戴式设备的无线交互，二是采用常规的ISM频段，采用突发传输模式，在很短的时间内完成信号的传输，然后进入休眠。其通信的电路图如下图所示，信号经过装置表面的天线/电极后，经过阻抗匹配电路，然后经过放大电路，解调电路，基带电路后进入控制器，实现了数据的接受，在数据传输方面，经过控制器，基带电路，调制电路后放大，然后经过阻抗匹配电路发送到外部。

在能量自收集阶段，在大部分的时间内，设备处于无通信需求的阶段，此时，用于设备通信的电极或者天线可以用于自收集空间环境中的无线电磁波。其基本框图如下：环境中的无线电磁信号经过电极/天线收集后，经过阻抗匹配电路，然后升压整流，进行储能，接入系统的电源管理模块，由电源管理模块统一来进行系统电源的管理。与系统的电池系统进行最优化搭配使用。

本装置中的电极外表面为导电材料组成，是可完成上述信息传输中的天线/电极和能量收集中的天线/电极，在本发明具体实施例中，装置的外表面当成了天线和电极，并实现传输与能量收集作用。

如图6所示，本发明还基于此装置实现了可穿戴式个人身份认证，个人佩戴的各种穿戴式设备，例如智能手表、智能眼镜，智能鞋垫，智能钱包，手机等个人设备，需要进行身份认证时，为了实现高安全性的认证和便利的操作，包括注册流程和验证流程，

验证流程如下：

步骤1，生物识别设备处于能量收集阶段，同时定时监听识别请求；

步骤2，可穿戴设备发起认证请求，该请求和反馈按照一定的协议进行。

设备请求阶段的描述如图7所示，包括以下内容：

设备号：个人身份认证系统分配的设备号码，可根据设备类型或者加入先后顺序进行分配；8bit；

设备认证类型：根据健康类、娱乐类和消费类设备，将设备划分为三类设备，3bit；

设备认证级别：根据不同的设备要求，将认证级别分为高、中、低，例如，支付类认证为高级别，娱乐级默认为低级别；用户可根据需求设备不同的认证级别；3bit；

响应时间要求：根据不同的应用需求，设置认证的响应时间要求，4bit，64个等级，每个等级对应10ms；

认证模式：1:1和1：N的选择，在1：1模式下，ID号由下一个字段送出；1bit；

1:1的ID：当设备1：1认证模式下，该字段为对应的ID号码，否则默认为0；8bit；

NULL为空，占用8bit,默认为0；

结束码：为整个字段的结束码，此处定义为0xff，占用8bit；

步骤3；识别装置收到请求码后，按照请求码的命令进行相应的操作，并发送返回码；

如图7所示，认证后反馈的返回码信息如下：设备号、设备认证类型、设备认证级别、响应时间、认证模式的信息与请求信息一致，除此之外返回码包括：

认证结果：返回认证的结果，通过或者未通过，1bit；

未通过原因：返回未通过的原因，8bit，列出的部分原因如下：

12h：表示认证图像太乱(例如曝光、太黑等)而生不成特征；

13h：表示认证静脉图像正常，但特征点太少(或面积太小)而生不成特征；

14h:图像提交成功，特征点少；

17h:不匹配；

18h:1:1中，用户ID不存在；

结束码：为整个字段的结束码，此处定义为0xff；8bit。

步骤4、认证成功，识别装置重新进入能量自收集阶段，并定时监听；

认证不成功，识别装置重新监听设备的再一次认证请求，如果连续三次认证不成功，识别装置报警，并进入能量自收集阶段，定时监听。

身份认证过程事先需要注册，可以选择在线注册或者离线注册。

离线注册采用手机注册，然后将模板上传到血管识别装置上，其具体流程如下：

步骤1、手机开启相应的APP或者小程序，开启注册界面

步骤2、用手机的前摄或者后摄像头拍摄手指或者手掌或者身体待认证的其他部位

步骤3、手机上的算法进行图像的预处理，ROI提取，特征提取等，提取生物特征，转换为二进制码或者自定义文件编码格式；

步骤4、手机建立与戒指的安全通信链路，通过对码确信双发是可信任设备后，手机将注册的特征码发往戒指，戒指进行安全存储，完成注册过程。

在线注册的过程包括如下步骤：

步骤1、通过手机或者连续两次穿戴戒指，开启在线注册过程；

步骤2、可穿戴戒指开启光源，成像血管图像；

步骤3、在线进行图像预处理、ROI、特征提取、模板生成；

步骤4、模板存储在安全的存储区域，完成注册。

注册完成后，可按步骤

目前血管生物识别装置一般体积都比较大，不便于个人携带认证，本发明公布了一个特殊结构和特性电路的组合，并给个人身份认证提供了一种全新解决方案。优缺点与对应的解决方案分别如下：

针对现有技术中生物识别体积比较大，不方便个人佩戴和携带；本发明提出了一个微型的可穿戴式识别装置，采用环形结构，独特的光路设计，使得该装置可以佩戴在手指上；

另外，针对可穿戴式认证设备功耗问题，本发明创新性将通信与能量自收集电路合二为一，进行通信和能量收集；

最后，针对没有一个完整的方法进行个人身份认证方法，本发明实现了一个适合于个人身份认证的协议与方法。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微型可穿戴的血管生物识别装置，其特征在于，该装置由显示交互单元、发光单元、成像单元、处理电路、电源管理单元、空腔内壁传感单元和中间空腔组成，其中：

所述处理电路包括图像采集模块，图像预处理模块、图像特征提取模块、特征码的计算与加密模块、特征码的存储与匹配模块，及通信接口模块与能量自收集模块；

所述发光单元为紧贴内部弧形边缘多个LED灯组成；

所述空腔内壁传感单元由压力或者触摸传感器组成，用于感知穿戴状态，为后续电源管理及认证流程提供可穿戴判断；

处理电路分别与显示交互单元、发光单元、成像单元、电源管理单元、空腔内壁传感单元连接，用于系统的正常工作，电源管理单元分别与上述单元连接，提供必要的电源。

2.根据权利要求1所述的血管生物识别装置，其特征在于，所述发光单元包括多个不同波长的微型LED灯，所述LED灯的放置角度与设定亮度用于穿透手指，光子能以一定顺序地传输，类似凸透镜聚焦光子在底部的摄像头上，实现图像缩小并在装置底部成像的效果。

3.根据权利要求2所述的血管生物识别装置，其特征在于，发光单元发射的光线通过装置从空气入射到体表，在表皮和真皮表面发生多次折射和反射及内壁的反射，光线入射到人体检测部位，最终光线折射归集到摄像头，通过计算光线的入射角度与入射强度，使成像光子聚焦到成像单元的CMOS芯片上。

4.根据权利要求1所述的血管生物识别装置，其特征在于，所述装置的天线/电极外表面为导电材料，用于传输与能量收集作用。

5.根据权利要求1所述的血管生物识别装置，其特征在于，光源控制电路用于调节系统光源的强度、调制光的占空比和光的形态。

6.基于生物识别设备的身份认证方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、生物识别设备处于能量收集阶段，同时定时监听识别请求；

步骤2、可穿戴设备发起认证请求，该请求和反馈按照一定的协议进行，请求阶段的描述如下：

步骤3、生物识别装置收到请求码后，按照请求码的命令进行相应的操作，并发送返回码及认证结果；

步骤4、认证成功，则执行：识别装置重新进入能量自收集阶段，并定时监听。

7.根据权利要求6所述的身份认证方法，其特征在于，认证不成功，则执行：识别装置重新监听设备的再一次认证请求，如果连续多次认证不成功，识别装置报警，并进入能量自收集阶段，定时监听。

8.根据权利要求6所述的身份认证方法，其特征在于，所述的协议包括：设备号、设备认证类型、设备认证级别、响应时间、认证模式、1:1的ID、NULL、结束码；

所述在接收阶段反馈的信息包括：设备号、设备认证类型、设备认证级别、响应时间、认证模式、认证结果、未通过原因、结束码。

9.根据权利要求6所述的身份认证方法，其特征在于，身份认证过程事先需要注册，可以选择在线注册或者离线注册；离线注册采用手机注册，然后将模板上传到血管识别装置上，其具体流程如下：

S11、手机开启相应的APP或者小程序，开启注册界面；

S12、用手机的前摄或者后摄像头拍摄手指或者手掌或者身体待认证的其他部位；

S13、手机上的算法进行图像的预处理，ROI提取，特征提取等，提取生物特征，转换为二进制码或者自定义文件编码格式；

S14、手机建立与戒指的安全通信链路，通过对码确信双发是可信任设备后，手机将注册的特征码发往戒指，戒指进行安全存储，完成注册过程。

10.根据权利要求9所述的身份认证方法，其特征在于，所述在先注册方法包括：

S21、通过手机或者连续两次穿戴戒指，开启在线注册过程；

S22、可穿戴戒指开启光源，成像血管图像；

S23、在线进行图像预处理、ROI、特征提取、模板生成；

S24、模板存储在安全的存储区域，完成注册。