CN1332631C - 掌纹提取方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掌纹提取方法和装置，包括取像盒和摄像机，取像盒侧壁上距摄像机最佳取像高度处设有供手掌伸入的入口，同一高度的入口对端适当距离处设置有支撑手掌的定位杆，取像盒内还固定有两照明用光源，该两光源处于与摄像机镜头等高的同一平面内且基本沿镜头中心对称，光源和手掌待取像部分中心点的连线与镜头中心线的夹角在27.5—35.5的范围内，近端光源和镜头中心连线与纵向中心轴的夹角在54.5—62.5的范围内，远端光源和镜头中心连线与横向中心轴的夹角在50.5—58.5的范围内。不同时刻点亮不同的光源，拍摄对不同掌纹特征进行增强的图像；将得到的两幅图像进行融合，得到所有需增强特征均得到增强的图像。

Description

掌纹提取方法和装置

技术领域

本发明涉及一种掌纹提取方法和装置。

背景技术

生物特征识别作为新兴的身份鉴别技术，是目前国际上最具前景的高新技术之一，属于国际前沿课题。掌纹识别是生物特征识别技术的一个重要分支。

在用于身份验证的掌纹识别系统中，掌纹图像的获取是一个重要方面，它直接影响到后续处理的难易程度和结果，进而影响系统的识别率、鲁棒性和性能。过去几十年中，有过一些基于不同想法的掌纹图像获取设备和掌纹识别的专利。这些掌纹图像获取设备的设计基本上都是在“获取的掌纹图像尽可能的清晰”的需求下进行的，并没有更加具体的突显某些特征的需求。这样得到的图像能够无偏袒地记录手掌上的所有特征，但这也使得其中任何一种特征都不能得到很好的增强。最近的掌纹识别系统越来越依赖于手掌上主纹特征的提取。这就要求掌纹图像获取设备能够很好地增强主纹特征。而现有的采集设备不具备这样的能力。

发明内容

针对上述现有掌纹提取方法和装置所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种可凸显手掌主纹特征的掌纹提取方法和装置。

本发明是这样实现的：一种掌纹提取方法，包括，

在多个位置分别设置可凸显不同掌纹特征的光源；

不同时刻点亮不同的光源，拍摄对不同掌纹特征进行增强的图像；

将得到的多幅图像进行融合，得到所有需增强特征均得到增强的图像。

进一步地，所述光源具体为2个。

进一步地，所述掌纹特征具体为主掌纹特征。

进一步地，将得到的两幅手掌图像进行融合的具体方法为：

对于新图像中的任一象素点p，有p＝p₁×w(d₁，d₂)+p₂×(1-w(d₁，d₂))，其中，p₁和p₂分别为图像I₁和图像I₂中对应象素点的象素值，d₁和d₂分别为点p到两光源的距离；w(d₁，d₂)是具有以下形式的权值函数：w(d₁，d₂)＝u(N(d₁，d₂))，其中， $N(d_1,d_2)=\frac{\mathrm{wod}\&times;d_1}{\mathrm{wod}\&times;d_1+(2-\mathrm{wod})\&times;d_2},$ 0＜wod＜2； $u\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}-{\left(\frac{1}{2}\right)}^{1-\mathrm{pow}}{(x-\frac{1}{2})}^{\mathrm{pow}}+\frac{1}{2},& x>\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2},& x=\frac{1}{2}\\ {\left(\frac{1}{2}\right)}^{1-\mathrm{pow}}{(\frac{1}{2}-x)}^{\mathrm{pow}}+\frac{1}{2},& x<\frac{1}{2}\end{array}.\right.$

进一步地，所述点p到两光源的距离具体指点p到所述光源在图像平面的投影点的距离。

一种掌纹提取装置，包括取像盒和置于所述取像盒底中央的摄像机，所述取像盒侧壁上距摄像机最佳取像高度处设有供手掌伸入的入口，同一高度的入口对端适当距离处设置有支撑手掌的定位杆，所述取像盒内还固定有两照明用光源，该两光源处于与摄像机镜头等高的同一平面内且基本沿镜头中心对称，光源和手掌待取像部分中心点的连线与镜头中心线的夹角在27.5-35.5度的范围内，近端光源和镜头中心连线与纵向中心轴的夹角在54.5-62.5度的范围内，远端光源和镜头中心连线与横向中心轴的夹角在50.5-58.5度的范围内。

进一步地，该装置还包括与PC机连接的用于控制光源开关的分时光源控制器，该分时光源控制器包括保护电路、控制信号生成电路和执行电路三部分，保护电路对PC机和分时光源控制器起保护作用，其接收来自PC机并口的控制信号，并将它们传递给控制信号生成电路，由控制信号生成电路生成控制信号，驱动执行电路，点亮或者熄灭某一光源。

进一步地，所述定位杆上还设有手掌定位槽或定位凸轮。

进一步地，所述摄像机为具有数码传输功能的摄像机。

本发明利用两分时光源，在不同的光照条件下分别对手掌取像，对手掌的各主纹分别进行照射，以使摄像机将主纹拍摄得清晰，以凸显主纹特征。然后再应用非线性图像融合算法，将两幅图像融合到一起，这样，就把增强后的手掌的各主纹特征融合到了一幅图像中，提取出的纹线特征，清晰度和完整性明显优于以往设备。就可用这些主纹来作为识别特征。而利用主纹特征的唯一性可以作为个人标识去识别，非常地准确。

附图说明

下面结合附图，对本发明作出详细描述。

图1为本发明的结构透视图；

图2为本发明中的手掌主纹示意图；

图3为图2中手掌主纹的解剖示意图；

图4为本发明光源位置透视示意图；

图5为本发明光源L₂开启光路示意图；

图6为本发明光源L₃开启光路示意图；

图7为本发明的整体结构示意图；

图8为本发明的PC机和TSLSC之间协议结构示意图；

图9为本发明的TSLSC电路结构示意图；

图10为本发明u(x)函数示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括取像盒9和置于所述取像盒底中央的摄像机11，取像盒9的侧壁上距摄像机11最佳取像高度处设有供手掌4伸入的入口7，这里，入口7同高度对端适当距离处设置有支撑手掌4的定位杆6。这里，最佳取像高度是根据摄像机镜头的调焦结果来确定的。

手掌表面的主纹如图2所示，手掌一般有三条主纹1、2、3。这些主纹是皮肤表面的褶皱，其解剖结构如图3所示。由于主纹与两侧皮肤几何形态上的差异，它们对可见光的反射特性就存在着一定的差别，这就导致手掌图像中两者之间像素值的差别。本发明可以通过精心布置光源与手掌的相对位置来利用这种差别，以凸显主纹。通过分析手掌表面的几何特点，了解到通常手掌的最凹陷处位于2线和3线之间的区域C，因此对于3线的褶皱，它靠近区域A的一侧边沿要高于靠近区域C的一侧边沿；而对于1线和2线的褶皱，靠近区域B的一侧边沿要高于靠近区域C的一侧边沿。由此，可以建立起3线和1线、2线的光照模型。

如图1、4所示，本发明在取像盒9内固定有两照明用光源，该两光源L₂和L₃处于与摄像机11镜头等高的同一平面内且基本沿镜头中心对称，其具体位置如图4所示，且与分时光源控制器8连接。若镜头中心为O₂，手掌中心最凹陷处O₁恰置放于与O₂在一条竖直线上，若分别以O₁、O₂为原点建立两二维水平坐标的话，各点的连线如图所示的话，那么两光源的位置可这样确定：θ₁和θ₂的角度范围在27.5-35.5度之间；θ₃的角度范围在50.5-58.5度之间；θ₄的角度范围在54.5-62.5度之间。

如图1所示，为方便手掌的定位，定位杆6上可设置有置放手指的定位槽，这样就可保证手掌每次置放相同，每次拍摄的手掌图像也基本相同。这里的定位槽还可以用定位凸轮5或其他定位结构来代替。定位凸轮5为套设于定位杆6上的圆轮，以使手掌4在水平纵向定位。

这里，本发明的光源采用黄色石英灯，这有利于凸显手掌表面的纹理。

如图5所示，当在上述位置安放的两光源同时照亮手掌时，相对于3线，光源L₃照射过来的光增加了进入褶皱的光线数量，从而削弱3线掌纹的增强效果；如图6所示，同理，光源L₂也将削弱1线和2线的增强效果；图中掌纹是示意，代表1线和2线。这就要求两光源不能同时点亮。因此本发明引入了分时光源图像获取的思想：在光源L₂照射下拍摄3线的增强图像；在光源L₃照射下拍摄1线和2线的增强图像，然后将两幅图像合成，得到三条主线均被增强的掌纹图像。合成图像的前提是两幅图像中手掌的位置和形状完全相同，这就要求被采样者在两幅图像的拍摄期间保持手掌不动，显然，这个间隔越小越好，然而实际中，光源的点亮需要一定的时间，摄像头拍摄图像受制于USB口的传输速度，也需要一定的时间。

为保证本发明拍摄效果，设计了分时光源掌纹获取系统。如图7所示，其中，PC机通过并口17连接TSLSC(分时光源控制器，Time-sharing Light Source Controller)，来控制石英灯的亮灭；通过USB口18控制摄像头获取图像，并接收图像数据。石英灯点亮和摄像头获取图像之间的同步通过程控来保证。此系统能够得到的获取两幅图像之间的最小间隔是1s。

PC机和TSLSC之间通过并口的4条控制线(SELECT、SELECT INPUT、STROBE、INIT)和2条数据线(D0、D1)连接，它们之间的通信协议如图8所示：当TSLSC电源接通时，SELECT信号由低变高，通知PC机TSLSC已就绪；PC机第一次使用TSLSC时，首先通过SELECT INPUT信号选通TSLSC，然后通过INIT信号对TSLSC进行初始化；PC机要点亮光源时，首先选通TSLSC，然后在数据线D0和D1上根据要点亮的光源放置相应的数据，最后通过选通信号STROBE将数据打入光源TSLSC的寄存器。

如图9所示，TSLSC主要包括保护电路12、控制信号生成电路13、执行电路14三部分，保护电路对PC机和分时光源控制器起保护作用，它接收来自PC机并口的控制信号，并将它们传递给控制信号生成电路，由控制信号生成电路生成控制信号，驱动执行电路，点亮或者熄灭某一光源。方框15部分包括电源、开关和指示灯。

对手掌分别取像后，得到两幅数字图像I₁和I₂，通过USB接口输入到PC中，对两图像进行融合。若分别用LP₂和LP₃表示L₂和L₃在像平面上的垂直投影点，则在I₁和I₂中，靠近LP₂部分的图像，I₁比I₂清晰；而靠近LP₃的部分，I₂比I₁清晰。本发明在融合图像时希望保留比较清晰的部分。

对于新图像I中的任一象素点p，有p＝p₁×w(d₁，d₂)+p₂×(1-w(d₁，d₂))，其中，p₁和p₂分别为图像I₁和图像I₂中对应象素点的象素值，d₁和d₂分别为点p到LP₂和LP₃的距离；w(d₁，d₂)是具有以下形式的权值函数：w(d₁，d₂)＝u(N(d₁，d₂))，其中， $N(d_1,d_2)=\frac{\mathrm{wod}\&times;d_1}{\mathrm{wod}\&times;d_1+(2-\mathrm{wod})\&times;d_2},$ 0＜wod＜2； $u\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}-{\left(\frac{1}{2}\right)}^{1-\mathrm{pow}}{(x-\frac{1}{2})}^{\mathrm{pow}}+\frac{1}{2},& x>\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2},& x=\frac{1}{2}\\ {\left(\frac{1}{2}\right)}^{1-\mathrm{pow}}{(\frac{1}{2}-x)}^{\mathrm{pow}}+\frac{1}{2},& x<\frac{1}{2}\end{array}.\right.$

其中，函数N(d₁，d₂)与u(x)共同决定p₁和p₂的权值，它们根据p₁和p₂的位置，决定p₁和p₂在I中的重要性。N(d₁，d₂)根据d₁和d₂计算最初的权值。此权值表示在加权距离基础上P在LP₁和LP₂之间的相对位置：如果d₁的加权距离相对于d₂的加权距离越大，则计算出的权值N(d₁，d₂)越大。当N(d₁，d₂)＝1/2的时候，对应的所有像素点的位置构成一条曲线，我们称其为平衡线。在平衡线上，p₁和p₂被认为是同等重要的。wod控制平衡线的位置.若wod＜1，平衡线将偏向LP₂，从而I₁中的信息将在I中占大部分；反之，若wod＞1，平衡线将偏向LP₁，从而I₂中的信息将在I中占大部分。

由函数N(d₁，d₂)得到的权值反映了P在LP₁和LP₂之间的相对位置，但如果将它直接作为图像融合时p₁和p₂的权值，有可能并不能很好的反映出p₁和p₂在I中的相对重要性。因此本发明引入函数u(x)，它通过一个非线性变换来放大或缩小p₁和p₂之间重要性的差别；通过调节u(x)的参数，可以调节放大或缩小的程度。因为N(d₁，d₂)越小，认为p₁越重要，因此u(x)是一个减函数。如图10所示是u(x)函数的曲线，它具有两个很好的特点：1)x＝0.5的点对应平衡线。当x＜0.5时，u(x)＞0.5，这意味着在平衡线和LP₁之间的区域，I₁被认为比I₂重要；当x＜0.5时，u(x)＞0.5，这意味着在平衡线的另一侧，平衡线和LP₁之间的区域，I₂被认为比I₁重要。2)在平衡线附近区域可以提供一个平滑的过渡，即可将图像完好地结合在一起。

如图10所示，参数pow控制u(x)函数曲线的弯曲程度，这将造成两方面的影响：随着pow值的减小，在平衡线两侧的区域，p₁和p₂之间重要性的差别被放大的程度将会增加；同时在平衡线附近区域的过渡，其平滑程度将会降低。图中，线d、e、f分别对应pow＝1、pow＝0.4和pow＝0.2时的u(x)走向(wod＝1)。

通过实验本发明确定在pow＝0.4和wod＝1时可以达到最佳的融合效果。并且，经过大量的试验证明，本发明的图像提取效果非常的好。

Claims (9)

1、一种掌纹提取方法，包括，

在多个位置分别设置可凸显不同掌纹特征的光源；

不同时刻点亮不同的光源，拍摄对不同掌纹特征进行增强的图像；

将得到的多幅图像进行融合，得到所有需增强特征均得到增强的图像。

2、如权利要求1所述的掌纹提取方法，其特征在于，所述光源具体为2个。

3、如权利要求1所述的掌纹提取方法，其特征在于，所述掌纹特征具体为主掌纹特征。

4、如权利要求2所述的掌纹提取方法，其特征在于，所述将得到的两幅手掌图像进行融合的具体方法为：

对于新图像中的任一象素点p，有p＝p₁×w(d₁，d₂)+p₂×(1-w(d₁，d₂))，其中，p₁和p₂分别为图像I₁和图像I₂中对应象素点的象素值，d₁和d₂分别为点p到两光源的距离；w(d₁，d₂)是具有以下形式的权值函数：w(d₁，d₂)＝u(N，(d₁，d₂))，其中， $N(d_1,d_2)=\frac{\mathrm{wod}\&times;d_1}{\mathrm{wod}\&times;d_1+(2-\mathrm{wod})\&times;d_2},$ 0＜wod＜2；

$u\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}-{\left(\frac{1}{2}\right)}^{1-\mathrm{pow}}{(x-\frac{1}{2})}^{\mathrm{pow}}+\frac{1}{2},& x>\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2},& x=\frac{1}{2}\\ {\left(\frac{1}{2}\right)}^{1-\mathrm{pow}}{(\frac{1}{2}-x)}^{\mathrm{pow}}+\frac{1}{2},& x<\frac{1}{2}\end{array}\right..$

5、如权利要求4所述的掌纹提取方法，其特征在于，所述点p到两光源的距离具体指点p到所述光源在图像平面的投影点的距离。

6、一种掌纹提取装置，包括取像盒和置于所述取像盒底中央的摄像机，所述取像盒侧壁上距摄像机最佳取像高度处设有供手掌伸入的入口，同一高度的入口对端适当距离处设置有支撑手掌的定位杆，其特征在于，所述取像盒内还固定有两照明用光源，该两光源处于与摄像机镜头等高的同一平面内且基本沿镜头中心对称，光源和手掌待取像部分中心点的连线与镜头中心线的夹角在27.5-35.5度的范围内，近端光源和镜头中心连线与纵向中心轴的夹角在54.5-62.5度的范围内，远端光源和镜头中心连线与横向中心轴的夹角在50.5-58.5度的范围内。

7、如权利要求6所述的掌纹提取装置，其特征在于，该装置还包括与PC机连接的用于控制光源开关的分时光源控制器，该分时光源控制器包括保护电路、控制信号生成电路和执行电路三部分，保护电路对PC机和分时光源控制器起保护作用，其接收来自PC机并口的控制信号，并将它们传递给控制信号生成电路，由控制信号生成电路生成控制信号，驱动执行电路，点亮或者熄灭某一光源。

8、如权利要求6所述的掌纹提取装置，其特征在于，所述定位杆上还设有手掌定位槽或定位凸轮。

9、如权利要求6所述的掌纹提取装置，其特征在于，所述摄像机为具有数码传输功能的摄像机。

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