基于靜脈識(shí)別技術(shù)的礦井人員管理方法實(shí)現(xiàn)

摘要：為了改善礦井特殊環(huán)境下工作人員身份識(shí)別技術(shù)出錯(cuò)率高以及礦井人員入井作弊問題，基于圖像處理和模式識(shí)別理論，設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)模板匹配技術(shù)的手背靜脈識(shí)別實(shí)驗(yàn)，并通過仿真分析獲得很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明將該技術(shù)引入礦井工作人員信息身份及信息管理系統(tǒng)的必要性。

關(guān)鍵詞：礦井人員管理；特殊環(huán)境；入井作弊；模板匹配；靜脈識(shí)別

一、引言

基于《國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局關(guān)于建設(shè)完善煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的通知》[1-3]所述規(guī)范中的要求，以及為了避免現(xiàn)在煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)中對(duì)一人多卡、代替刷卡、卡片消磁等違章行為及技術(shù)問題的檢測(cè)需求，非常有必要針對(duì)煤礦入井人員的唯一性問題進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。近年來，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，基于生物特征的唯一性檢測(cè)技術(shù)因具有不易遺忘、防偽性能好、不隨著年齡改變等特點(diǎn)而得到廣泛的研究和應(yīng)用。然而，由于礦井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與安保、考勤、門票管理、醫(yī)療、銀行等環(huán)境不同，煤礦入井人員的生物特征容易受到煤塵、粉塵、水以及其他雜質(zhì)的污染而發(fā)生改變，因此傳統(tǒng)的指紋識(shí)別、掌紋識(shí)別等技術(shù)就無法滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，本文通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于模板匹配的靜脈識(shí)別系統(tǒng)，一方面有效避免傳統(tǒng)的生物特征識(shí)別技術(shù)的容易被環(huán)境改變的劣勢(shì)；另一方面能夠保持身份識(shí)別系統(tǒng)的延續(xù)性。

二、靜脈識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介

靜脈識(shí)別的工作原理是利用近紅外線照射手背、手掌或手指皮膚下的靜脈血管，用在近紅外光譜范圍內(nèi)有較好相應(yīng)的攝像機(jī)獲取紅外圖像并提取其中的靜脈特征，從而實(shí)現(xiàn)身份確認(rèn)。靜脈識(shí)別是所有生物特征識(shí)別技術(shù)中最難以偽造的方式，具有很高的安全水平[4]。目前，常見的靜脈識(shí)別技術(shù)主要有手指靜脈識(shí)別、手掌靜脈識(shí)別和手背靜脈識(shí)別。其中手背靜脈識(shí)別的優(yōu)勢(shì)包括[5]：①靜脈位于皮下，不易受到煤礦現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的影響，從而可以保證識(shí)別成功率；②靜脈識(shí)別技術(shù)為活體檢測(cè)，可徹底消除偽造的可能性；③該技術(shù)可以采用非接觸式，無需礦井工作人員觸摸感應(yīng)平面，衛(wèi)生安全，用戶認(rèn)可度高。

（一） 基于模板匹配技術(shù)的手背靜脈識(shí)別實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.基于手背靜脈信息的靜脈模板建立過程

靜脈識(shí)別的具體流程如圖1所示，采集得到符合識(shí)別系統(tǒng)要求的手背靜脈圖像后，首先進(jìn)行靜脈圖像的ROI提取，從而可以節(jié)省識(shí)別所需時(shí)間，提高系統(tǒng)工作效率，之后進(jìn)行靜脈圖像的分割、細(xì)化、裁剪從而得到滿足特征提取的靜脈骨骼化圖像。

圖1 靜脈識(shí)別技術(shù)流程圖

前期預(yù)處理研究后得到一幅骨骼化圖像，雖然通過定位算法對(duì)圖像進(jìn)行了偏移校正，但觀察同一人不同時(shí)刻采集的手背靜脈樣本仍存在小幅度的旋轉(zhuǎn)和偏移，這就說明不能直接選用單一的骨骼化圖像作為匹配模板。本文在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新的匹配方式。

如圖2所示，首先對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中不同時(shí)刻采集到的五幅靜脈圖像進(jìn)行分割細(xì)化及去毛刺操作，在得到五幅骨骼化圖像后，對(duì)其進(jìn)行疊加操作得到一個(gè)初始化的模板，接著對(duì)該模板進(jìn)行四鄰域內(nèi)的膨脹和腐蝕操作，得到一幅基本成型的模板圖像，此時(shí)靜脈模板中含有一定大小的空洞，即白色靜脈區(qū)域上的黑色斑點(diǎn)，計(jì)算圖像連通區(qū)域大小，將小于一定閾值的連通區(qū)域進(jìn)行填充，最終得到一個(gè)綜合了各個(gè)姿態(tài)的靜脈匹配模板[7]。

圖3 手背靜脈匹配過程

3.匹配結(jié)果分析

在建立模板并進(jìn)行相應(yīng)的圖像預(yù)處理后，分別在1：1和1：N的模式下進(jìn)行識(shí)別實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，具體結(jié)果如下表和圖所示。

三、結(jié)論

本文從煤礦中礦井人員管理系統(tǒng)的特殊性出發(fā)，并在比較分析了當(dāng)前主流的幾種基于生物特征的身份認(rèn)證技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)后，選擇了優(yōu)勢(shì)明顯的靜脈識(shí)別技術(shù)作為研究對(duì)象，自行設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)模板匹配技術(shù)的手背靜脈識(shí)別實(shí)驗(yàn)，并通過仿真分析獲得很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠，效率高。將該系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦，可進(jìn)一步解決礦井人員特殊環(huán)境下身份識(shí)別困難、以及傳統(tǒng)的工作人員身份卡識(shí)別防偽性能差等突出問題，加強(qiáng)礦方對(duì)下井人員的管理，具有較高的可行性。

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作者簡(jiǎn)介：崔伏建（1957-）男，漢族，河南省登封市徐莊鎮(zhèn)高坡村人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任國(guó)投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司總經(jīng)理，從事煤礦管理工作，本科，主要研究方向?yàn)槊旱V井下人員定位技術(shù)研究、煤礦自動(dòng)化等.