CN111832482B - 一种开放式三维手指静脉识别设备 - Google Patents

一种开放式三维手指静脉识别设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种开放式三维手指静脉识别设备，包括图像采集模块和处理模块；图像采集模块包括三个摄像头模组、三个红外LED光源模组、三个红外反光片和支撑部件；支撑部件设有手指识别放置位；三个红外LED光源模组分别设置在支撑部件中，且投射方向分别朝向手指识别放置位；三个红外反光片分别布设在三个红外LED光源模组的投射路径上，以使红外LED光源模组发出的红外光形成反射；红外反光片位于投射路径中手指识别放置位的后方；三个摄像头模组分别位于三个红外反光片的反射路径上。本发明可获取三个维度手指静脉图像，采用三维手指静脉包含更丰富的特征，有利于获得更好的识别效果，可将设备小型化，提高空间利用效率。

Description

一种开放式三维手指静脉识别设备
技术领域
本发明涉及生物特征识别技术领域，更具体地说，涉及一种开放式三维手指静脉识别设备。
背景技术
随着科学与技术的发展，人们对身份信息的重视程度日益提升。传统的数字密码、身份信息载体等身份认证方式由于其易遗忘、易丢失的特性，已经越来越无法满足新世纪人类对身份信息安全提出的的各种需求。相比于传统身份认证方法，利用人类一种或多种生物固有的特征进行个人身份信息鉴别的生物特征认证技术具有非易失性、唯一性和高安全性的优势。近年来，指纹识别、人脸识别等技术的飞速发展带来了生物特征识别技术的研究热潮。
手指静脉识别是利用每个人都不一样的手指静脉纹路进行个人身份识别的一种新型生物特征认证技术。相比于以上几种生物特征，手指静脉特征识别技术具有以下优点：(1)手指处于人体皮肤表层之下，不会因为磨损、老化等原因造成识别错误；(2)静脉图像一般需要借助红外光采集，不易被人窃取，相对而言更加安全可靠；(3)静脉识别需求活体检测，安全性极高；(4)静脉图像采集方便，且采用非接触式采集，用户友好度高。
目前常用的手指静脉识别技术一般使用单目相机对手指单侧进行二维成像。由于只获取了手指单侧图像，这种方式包含的信息有限，难以应对图像采集过程中手指姿态、曝光不均等的影响。因而已有关于三维手指静脉成像方面的相关研究出现。但是由于手指静脉成像方式限制，目前已有的系统整体较为庞大，结构较为复杂，整体结构处于封闭状态，友好度不高，无法满足人们对于便携性、实用性的需求，难以应用到实际生产生活中。
发明内容
为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种开放式三维手指静脉识别设备。本发明可获取三个维度手指静脉图像，采用三维手指静脉比传统的二维手指静脉包含更丰富的特征，有利于获得更好的识别效果，可将设备小型化，提高空间利用效率。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种开放式三维手指静脉识别设备，其特征在于：包括图像采集模块和处理模块；
所述图像采集模块包括三个摄像头模组、三个红外LED光源模组、三个红外反光片和支撑部件；所述支撑部件设有手指识别放置位；三个红外LED光源模组分别设置在支撑部件中，且投射方向分别朝向手指识别放置位；三个红外LED光源模组的光源轴线分别以手指识别放置位为中心、两两相差120°布设；三个红外反光片分别布设在三个红外LED光源模组的投射路径上，以使红外LED光源模组发出的红外光形成反射；红外反光片位于投射路径中手指识别放置位的后方；三个摄像头模组分别位于三个红外反光片的反射路径上；工作时，红外LED光源模组发出的红外光投射到放置在手指识别放置位的手指上，透射过手指后投射到红外反光片上，之后通过红外反光片反射到摄像头模组上形成手指静脉图像；
所述处理模块分别与三个红外LED光源模组信号连接，以控制三个红外LED光源模组轮流发出红外光；处理模块还分别与三个摄像头模组信号连接，以获取摄像头模组采集的手指静脉图像，并进行图像处理和识别。
本发明设备中，三个红外LED光源模组轮流发出的红外光投射到放置在手指识别放置位的手指上，透射过手指后投射到红外反光片上，之后通过红外反光片反射到摄像头模组上形成手指静脉图像，从而得到三个维度的手指静脉图像；之后对三个维度的手指静脉图像进行图像处理和识别，以进行身份识别。采用三维手指静脉比传统的二维手指静脉包含更丰富的特征，有利于获得更好的识别效果，可更好地克服手指姿态变化带来的影响。
理论上由于采用对射式结构，三个摄像头模组的空间分布应与三个红外LED光源模组保持一致，但由于成像需要一定距离，因此对空间需求过高，体积过于庞大。本发明使用三个红外反光片反射红外光，之后再传递给摄像头模组进行成像；有效地调整了光的传播路径，将原本需要继续往外传播的成像光线经过反射后调整到已有空间中进行成像，减少了对空间的需求，有效缩小体积；同时方便了摄像头模组的安装，减少了摄像头模组安装对结构的要求，三个摄像头模组全部安装于设备下方，且较为集中。
优选地，三个红外LED光源模组分别是指：位于手指识别放置位正上方的正上方红外LED光源模组、位于手指识别放置位左下方的左下方红外LED光源模组和位于手指识别放置位右下方的右下方红外LED光源模组；
三个红外反光片分别是指：位于手指放置位正下方的正下方红外反光片、位于手指放置位左上方的左上方红外反光片和位于手指放置位右上方的右上方红外反光片。
优选地，左下方红外LED光源模组和右下方红外LED光源模组分别设有用于防止左下方红外LED光源模组/右下方红外LED光源模组发出的红外光直接照射到左上方红外反光片/右上方红外反光片上的挡光结构。
左下方红外LED光源模组和右下方红外LED光源模组分别与左上方红外反光片和右上方红外反光片处于同一垂直方向上，这会导致左下方红外LED光源模组/右下方红外LED光源模组打开后，一部分光先照射到左上方红外反光片/右上方红外反光片上，经过左上方红外反光片/右上方红外反光片反射后照射到手指另一侧，使得原本只有透射光的手指表面多出部分直射光，造成过曝或者边缘、纹理模糊。本发明在左下方红外LED光源模组和右下方红外LED光源模组设有挡光结构，保证红外光只在透射成像方向上传播，避免成像出现过曝或者边缘、纹理模糊等问题。
优选地，所述支撑部件包括底座，以及设置在底座上的前架体、后架体、左架体和右架体；前架体和后架体分别设有手指承托定位处以共同形成手指识别放置位；
所述前架体和后架体之间留有安装空间；正下方红外反光片设置在安装空间中；左架体和右架体分别位于正下方红外反光片的左、右两侧；左下方红外LED光源模组和右下方红外LED光源模组对称设置在左架体和右架体上；三个摄像头模组中，其中两个摄像头模组分别位于左架体和右架体远离安装空间的一侧，其余一个摄像头模组位于左架体或右架体靠近安装空间的一侧；
所述左上方红外反光片、右上方红外反光片和正上方红外LED光源模组设置在后架体上，且左上方红外反光片和右上方红外反光片对称位于正上方红外LED光源模组的两侧。
优选地，所述左上方红外反光片与右上方红外反光片之间留有间距，以使左上方红外反光片和右上方红外反光片与正下方红外反光片在垂直方向上的投影均不重叠。由于设备内部漫反射光普遍存在，该设计可使每一个红外反光片视野中均不出现另外两个红外反光片，可保证图像质量，防止局部过曝。
优选地，所述正上方红外LED光源模组与水平面之间成夹角，使正上方红外LED光源模组倾斜设置。
为降低全封闭式结构所带来的用户友好度不足，在使用过程中用户无法直观看到手指姿态而无法进行动态调整的问题。本发明将手指静脉成像常用的正对射式成像进行了适应性设计，正上方红外LED光源模组采用斜打光方式，通过正上方红外LED光源模组的亮度控制，配合利用红外反光片将红外光反射到摄像头模组上，可保证照射到手指表面光的分布与正对射方式基本一致；左上方红外反光片与右上方红外反光片之间的间距，以及正上方红外LED光源模组的倾斜设置，可留出空间供用户直观看见手指姿态，保证了上方空间的开放程度，提高使用便捷程度。
优选地，三个摄像头模组均是指带红外窄带滤光片的微距摄像头模组；三个红外LED光源模组均是指850nm红外LED光源模组。
优选地，所述处理模块还用于根据手指静脉图像亮度来调整红外LED光源模组的光源亮度。
优选地，所述处理模块还用于对手指静脉图像进行处理、三维手指静脉模型重建、特征提取及识别。
优选地，所述处理模块中，特征提取及识别是指：三维手指静脉模型重建完成后，将三维手指静脉模型的三维静脉纹路展开成为二维平面图进行特征提取得到纹理特征；并且对三维手指静脉模型进行中线拟合得到三维手指轮廓的深度图，再对深度图进行特征提取得到指形特征；通过纹理特征和指形特征进行身份认证。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明可获取三个维度的手指静脉图像，对三个维度的手指静脉图像进行图像处理和识别以进行身份识别；采用三维手指静脉比传统的二维手指静脉包含更丰富的特征，有利于获得更好的识别效果，可更好地克服手指姿态变化带来的影响；
2、本发明有效调整了光的传播路径，在确保成像效果的基础上，可将设备小型化，提高空间利用效率；
3、本发明图像质量良好，可避免成像出现过曝或者边缘、纹理模糊等问题；
4、本发明采用开放式指静脉采集方式，用户可直观看见手指姿态，使用方便。
附图说明
图1是本发明开放式三维手指静脉识别设备隐藏前架体后的结构示意图；
图2是本发明开放式三维手指静脉识别设备的红外光传播路径示意图；
图3是本发明开放式三维手指静脉识别设备的支撑部件的结构示意图；
其中，11为正上方红外LED光源模组、12为左下方红外LED光源模组、13为右下方红外LED光源模组、21为正下方红外反光片、22为左上方红外反光片、23为右上方红外反光片、3为摄像头模组、41为底座、42为后架体、43为左架体、44为右架体、45为前架体、46为手指承托定位处、47为挡光结构。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
如图1至图3所示，本实施例一种开放式三维手指静脉识别设备，包括图像采集模块和处理模块。
图像采集模块包括三个摄像头模组3、三个红外LED光源模组、三个红外反光片和支撑部件。三个摄像头模组3优选均是指带红外窄带滤光片的微距摄像头模组；三个红外LED光源模组优选均是指850nm红外LED光源模组。
支撑部件包括底座41，以及设置在底座41上的前架体45、后架体42、左架体43和右架体44；前架体45和后架体42分别设有手指承托定位处46以共同形成手指识别放置位。
三个红外LED光源模组分别设置在支撑部件中，且投射方向分别朝向手指识别放置位；三个红外LED光源模组的光源轴线分别以手指识别放置位为中心、两两相差120°布设；三个红外反光片分别布设在三个红外LED光源模组的投射路径上，以使红外LED光源模组发出的红外光形成反射；红外反光片位于投射路径中手指识别放置位的后方；三个摄像头模组3分别位于三个红外反光片的反射路径上。工作时，红外LED光源模组发出的红外光投射到放置在手指识别放置位的手指上，透射过手指后投射到红外反光片上，之后通过红外反光片反射到摄像头模组3上形成手指静脉图像。
本发明设备中，三个红外LED光源模组轮流发出的红外光投射到放置在手指识别放置位的手指上，透射过手指后投射到红外反光片上，之后通过红外反光片反射到摄像头模组3上形成手指静脉图像，从而得到三个维度的手指静脉图像；之后对三个维度的手指静脉图像进行图像处理和识别，以进行身份识别。采用三维手指静脉比传统的二维手指静脉包含更丰富的特征，有利于获得更好的识别效果，可更好地克服手指姿态变化带来的影响。
理论上由于采用对射式结构，三个摄像头模组3的空间分布应与三个红外LED光源模组保持一致，但由于成像需要一定距离，因此对空间需求过高，体积过于庞大。本发明使用三个红外反光片反射红外光，之后再传递给摄像头模组3进行成像；有效地调整了光的传播路径，将原本需要继续往外传播的成像光线经过反射后调整到已有空间中进行成像，减少了对空间的需求，有效缩小体积；同时方便了摄像头模组3的安装，减少了摄像头模组3安装对结构的要求，三个摄像头模组3全部安装于设备下方，且较为集中。
具体地说，三个红外LED光源模组分别是指：位于手指识别放置位正上方的正上方红外LED光源模组11、位于手指识别放置位左下方的左下方红外LED光源模组12和位于手指识别放置位右下方的右下方红外LED光源模组13。
三个红外反光片分别是指：位于手指放置位正下方的正下方红外反光片21、位于手指放置位左上方的左上方红外反光片22和位于手指放置位右上方的右上方红外反光片23。
前架体45和后架体42之间留有安装空间；正下方红外反光片21设置在安装空间中；左架体43和右架体44分别位于正下方红外反光片21的左、右两侧；左下方红外LED光源模组12和右下方红外LED光源模组13对称设置在左架体43和右架体44上；三个摄像头模组3中，其中两个摄像头模组3分别位于左架体43和右架体44远离安装空间的一侧，其余一个摄像头模组3位于左架体43或右架体44靠近安装空间的一侧；
左上方红外反光片22、右上方红外反光片23和正上方红外LED光源模组11设置在后架体42上，且左上方红外反光片22和右上方红外反光片23对称位于正上方红外LED光源模组11的两侧。
左上方红外反光片22与右上方红外反光片23之间留有间距，以使左上方红外反光片22和右上方红外反光片23与正下方红外反光片21在垂直方向上的投影均不重叠。由于设备内部漫反射光普遍存在，该设计可使每一个红外反光片视野中均不出现另外两个红外反光片，可保证图像质量，防止局部过曝。
正上方红外LED光源模组11与水平面之间成夹角，使正上方红外LED光源模组11倾斜设置。
为降低全封闭式结构所带来的用户友好度不足，在使用过程中用户无法直观看到手指姿态而无法进行动态调整的问题。本发明将手指静脉成像常用的正对射式成像进行了适应性设计，正上方红外LED光源模组11采用斜打光方式，通过正上方红外LED光源模组11的亮度控制，配合利用红外反光片将红外光反射到摄像头模组3上，可保证照射到手指表面光的分布与正对射方式基本一致；左上方红外反光片22与右上方红外反光片23之间的间距，以及正上方红外LED光源模组11的倾斜设置，可留出空间供用户直观看见手指姿态，保证了上方空间的开放程度，提高使用便捷程度。
左下方红外LED光源模组12和右下方红外LED光源模组13分别设有用于防止左下方红外LED光源模组12/右下方红外LED光源模组13发出的红外光直接照射到左上方红外反光片22/右上方红外反光片23上的挡光结构47。
左下方红外LED光源模组12和右下方红外LED光源模组13分别与左上方红外反光片22和右上方红外反光片23处于同一垂直方向上，这会导致左下方红外LED光源模组12/右下方红外LED光源模组13打开后，一部分光先照射到左上方红外反光片22/右上方红外反光片23上，经过左上方红外反光片22/右上方红外反光片23反射后照射到手指另一侧，使得原本只有透射光的手指表面多出部分直射光，造成过曝或者边缘、纹理模糊。本发明在左下方红外LED光源模组12和右下方红外LED光源模组13设有挡光结构47，保证红外光只在透射成像方向上传播，避免成像出现过曝或者边缘、纹理模糊等问题。
处理模块可采用现有单片机等处理模块。处理模块分别与三个红外LED光源模组信号连接，以控制三个红外LED光源模组轮流发出红外光；处理模块还分别与三个摄像头模组3信号连接，以获取摄像头模组3采集的手指静脉图像，并进行图像处理和识别。
处理模块还用于根据手指静脉图像亮度来调整三个红外LED光源模组的光源亮度。处理模块通过嵌入式核心板的通用GPIO控制红外LED光源模组，实现三个视角的红外光源轮流照射，再按光源照射的顺序，通过USB通信轮流读取对应摄像头模组采集的图像。同时，选取的通用GPIO具有输出PWM波的功能，可通过调节PWM波的脉宽调整红外光源亮度，防止过曝，保证图像质量。
处理模块还用于对手指静脉图像进行处理、三维手指静脉模型重建、特征提取及识别。处理模块中，特征提取及识别是指：三维手指静脉模型重建完成后，将三维手指静脉模型的三维静脉纹路展开成为二维平面图进行特征提取得到纹理特征；并且对三维手指静脉模型进行中线拟合得到三维手指轮廓的深度图，再对深度图进行特征提取得到指形特征；通过纹理特征和指形特征进行身份认证。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种开放式三维手指静脉识别设备，其特征在于：包括图像采集模块和处理模块；
所述图像采集模块包括三个摄像头模组、三个红外LED光源模组、三个红外反光片和支撑部件；所述支撑部件设有手指识别放置位；三个红外LED光源模组分别设置在支撑部件中，且投射方向分别朝向手指识别放置位；三个红外LED光源模组的光源轴线分别以手指识别放置位为中心、两两相差120°布设；三个红外反光片分别布设在三个红外LED光源模组的投射路径上，以使红外LED光源模组发出的红外光形成反射；红外反光片位于投射路径中手指识别放置位的后方；三个摄像头模组分别位于三个红外反光片的反射路径上；工作时，红外LED光源模组发出的红外光投射到放置在手指识别放置位的手指上，透射过手指后投射到红外反光片上，之后通过红外反光片反射到摄像头模组上形成手指静脉图像；
所述处理模块分别与三个红外LED光源模组信号连接，以控制三个红外LED光源模组轮流发出红外光；处理模块还分别与三个摄像头模组信号连接，以获取摄像头模组采集的手指静脉图像，并进行图像处理和识别；
三个红外LED光源模组分别是指：位于手指识别放置位正上方的正上方红外LED光源模组、位于手指识别放置位左下方的左下方红外LED光源模组和位于手指识别放置位右下方的右下方红外LED光源模组；
三个红外反光片分别是指：位于手指放置位正下方的正下方红外反光片、位于手指放置位左上方的左上方红外反光片和位于手指放置位右上方的右上方红外反光片；
所述左下方红外LED光源模组和右下方红外LED光源模组分别设有用于防止左下方红外LED光源模组/右下方红外LED光源模组发出的红外光直接照射到左上方红外反光片/右上方红外反光片上的挡光结构；
所述支撑部件包括底座，以及设置在底座上的前架体、后架体、左架体和右架体；前架体和后架体分别设有手指承托定位处以共同形成手指识别放置位；
所述前架体和后架体之间留有安装空间；正下方红外反光片设置在安装空间中；左架体和右架体分别位于正下方红外反光片的左、右两侧；左下方红外LED光源模组和右下方红外LED光源模组对称设置在左架体和右架体上；三个摄像头模组中，其中两个摄像头模组分别位于左架体和右架体远离安装空间的一侧，其余一个摄像头模组位于左架体或右架体靠近安装空间的一侧；
所述左上方红外反光片、右上方红外反光片和正上方红外LED光源模组设置在后架体上，且左上方红外反光片和右上方红外反光片对称位于正上方红外LED光源模组的两侧。
2.根据权利要求1所述的开放式三维手指静脉识别设备，其特征在于：所述左上方红外反光片与右上方红外反光片之间留有间距，以使左上方红外反光片和右上方红外反光片与正下方红外反光片在垂直方向上的投影均不重叠。
3.根据权利要求2所述的开放式三维手指静脉识别设备，其特征在于：所述正上方红外LED光源模组与水平面之间成夹角，使正上方红外LED光源模组倾斜设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的开放式三维手指静脉识别设备，其特征在于：三个摄像头模组均是指带红外窄带滤光片的微距摄像头模组；三个红外LED光源模组均是指850nm红外LED光源模组。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的开放式三维手指静脉识别设备，其特征在于：所述处理模块还用于根据手指静脉图像亮度来调整红外LED光源模组的光源亮度。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的开放式三维手指静脉识别设备，其特征在于：所述处理模块还用于对手指静脉图像进行处理、三维手指静脉模型重建、特征提取及识别。
7.根据权利要求6所述的开放式三维手指静脉识别设备，其特征在于：所述处理模块中，特征提取及识别是指：三维手指静脉模型重建完成后，将三维手指静脉模型的三维静脉纹路展开成为二维平面图进行特征提取得到纹理特征；并且对三维手指静脉模型进行中线拟合得到三维手指轮廓的深度图，再对深度图进行特征提取得到指形特征；通过纹理特征和指形特征进行身份认证。
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