近紅外手背靜脈識別裝置

匡鹿婷

鄭州大學物理工程學院，河南鄭州　450000

近紅外手背靜脈識別裝置

匡鹿婷

鄭州大學物理工程學院，河南鄭州450000

基于靜脈識別技術實現新一代的身份識別裝置，突出唯一性，保密性強的特點，抗偽造能力強。主要使用采集裝置以及圖像處理裝置，期間經過預處理，特征值提取，去雜，匹配識別等過程，從而進行身份識別。

靜脈識別；特征值提取；匹配識別

在科學飛速發展的今天，高樓林立，工廠遍地，當溫飽問題和精神文明達到一定境界后，人們開始對自己的安全以及隱私問題提出越來越高的要求。公司財產是否安全，軍事機密是否安全，以及具體細化到各個普通家庭財產是否安全。提到這些安全問題，我們首先想到的就是進行身份識別，只有是自己或者可信賴的人才能獲得允許的權限。

而說到身份識別，我們不得不對現有的身份識別方式進行分析和比較。我們最常見的傳統身份識別方式即為ID卡識別，例如，刷門禁，身份證等，優點是價格低廉，但是存在嚴重的缺點，易丟失，易復制，易被盜竊冒用，失敗率高等。為了彌補ID卡識別的缺陷，應運而生了指紋識別，首次將高科技與生物識別相結合，是識別技術的一個里程碑，但是指紋識別局限性較大，例如，手指指紋處皮膚破損消失等情況，會使身份識別失敗，同時也避免不了復制造假的現象，市場上隨處可見的指紋膜等產品使指紋造假更為普遍。除此之外，指紋識別還不能判斷是否為活體識別，電影大片里面殺人滅口取死者手指進行身份識別成功的事情也可能發生。比之更先進的虹膜識別技術產生并克服了指紋識別的區別，但是虹膜識別的成本以及設施過于昂貴，使得它的應用至今還不能普及。包括人臉識別技術也存在各種問題，如識別率低下，易出錯，可變性差等。

因此，我們研究手背靜脈識別裝置去克服這些缺點，并且滿足人們對安全的需求。手背靜脈識別為活體識別，且憑借不會丟失，不能被復制，準確性高，識別率高等特點被越來越多的人所關注，它克服了傳統ID卡識別，指紋識別，虹膜識別等缺點。但是，在國內，這方面的研究還處于起步和試驗階段，我們可以把它應用到各個領域，家庭、軍事、公司、醫療等，我們有理由相信，由于手背靜脈識別低廉的成本，突出的優點，將會在安全領域成為新的寵兒。

1）科學先進性

（1）指紋識別具有一定的局限性，適用人群受到很大限制。如手指因為外傷而出現指紋處皮膚破損等現象，或者手指有污物時，會使所成圖片模糊不清晰，以致身份識別失敗，識別率會大幅下降。而靜脈位于人體皮膚下面，可以避免發生上述情況。

（2）虹膜驗證為侵入式驗證，容易使人產生心理抗拒，且成本昂貴。而靜脈識別裝置使用起來十分方便，與虹膜識別相比，更輕松自在，因為它是非侵入式，所以不會讓人在心理上產生排斥。

（3）非生物式的身份認證如門禁卡、智能IC卡、信用卡密碼、口令密碼等具有易丟失、易遺忘、易偽造等缺點。而人體的毛細血管形狀、結構分布具有獨一無二、不易丟失等特點。

2）優點

（1）手背靜脈特征具有很好的普遍性和唯一性。解剖學著作Gray's Anatomy（《格式解剖學》）已經證明，個體的手背靜脈在形成、發育生長過程中具有很強的唯一性，手背靜脈身份識別技術即使是雙胞胎或者同一個人的左右手，也會因為發育過程的隨機性導致手背靜脈分布結構的差異。當人體發育成熟，20歲后手背靜脈的分布結構除非進行手術或藥物作用，否則不再變化，因此手背靜脈作為一種新的生物特征是可行的。

（2）活體識別特性和內部特性。由于血液和皮下脂肪對近紅外光的吸收率不同，通常采用近紅外反射成像，獲得對比度清晰的手背靜脈紋理圖像，進而完成特征提取與識別研究。另外，手背靜脈血管位于體表內部，不易受到污染和劃傷等外界因素的影響，所以手背靜脈很難被仿造，安全性較高。

（3）近紅外反射成像設備屬于非接觸類型，且造價低廉，用戶和制造商容易接受。在部分國家特別是日本、韓國和新加坡等，手背靜脈識別產品如韓國的VP-II和日本富士通的Palm Secure，都已經進入了實用領域。

3）發展歷程

靜脈識別技術起源于20世紀80年代。柯達公司的一位工程師Joe Rice基于條形碼技術，研究得出的人類條形碼閱讀器——靜脈識別，并申請了相應專利并將專利使用權分配給BTG（英國技術集團）。然而之后靜脈識別的發展并不順利。BTG在這項技術上，一直未取得很好進展，到了20世紀90年代BTG表示放棄與靜脈識別相關的商業活動。

Joe并未放棄，他在谷歌生物峰會上再次發表演講，闡述他將如何發展靜脈識別。

在2002年日立和富士通推出靜脈識別裝置，證實了Joe的理論，并且證明了靜脈是最一致，最無歧義并且準確的生物特征。

1　靜脈識別裝置基本原理以及相關技術

1.1系統整體框架圖

本系統采用圖像拍攝及收集裝置（采集裝置）以及處理及控制裝備（計算機軟件）2部分組成。采集裝置用于圖像收集以及光源提供以及控制；計算機軟件用于接收圖像，處理圖像并產生對比驗證結果，同時對光源有控制作用，以增強圖片清晰度。倆者之間通過USB接口，進行數據傳輸。

1.2采集裝置

1.2.1靜脈圖像的獲取

靜脈識別是基于近紅外成像的原理來獲取靜脈圖像，根據近紅外成像技術，近紅外光的入射波長為700nm～1000nm之間，它可以透過約3mm厚的肌肉組織。

紅外圖像采集是根據人體肌肉骨骼以及組織的吸收特性，當紅外光照射手時，靜脈血管中的血色素相比于皮下的其他組織能吸收更多近紅外光，因此靜脈血管反射的光線相比其他組織反射回的光線，傳感器接受的更少。由傳感器接受的反射光線強弱的不同，從而形成靜脈紋路分布的圖像，從而得到靜脈圖像。

此外人體靜脈血液中的還原血蛋白對近紅外光的吸收特性來實現，手掌皮膚對光的吸收和散射特性在不同波長的入射光下是不同的。

1.2.2系統接口

靜脈的紅外圖像要傳送入計算機，就需要提供相應接口，并且該接口應具有高速傳輸信息的能力，考慮到USB在傳輸速度以及便捷靈活方面的性能優于其他的接口，因此該傳輸接口將選用USB接口作為傳輸接口電路。

1.3靜脈圖像處理

1.3.1預處理階段

主要目的為選取有效區域，方便靜脈圖像采集。

1）得到靜脈圖。

2）依次計算出手背輪廓的點到手腕中心點的距離。

3）得到距離圖像，利用圖像凹點處確定的線段取正方形像素塊，即得到了我們所需要的有效區域。

1.3.2靜脈圖像處理

1）靜脈特征提取。采取有效區域圖像，獲得靜脈圖像，得到靜脈特征。

2）靜脈圖像去雜。黑色圖案的邊緣存在微小的突起和凹陷，稱為毛刺。針對這種情況，我們采用的方法是中值濾波法，它是一種非線性處理的方法。對于零均值的正態分布噪聲輸入，中值濾波輸出的噪聲方差。

1.3.3匹配識別

靜脈特征的匹配主要根據提取到的靜脈特征來判斷取舍，匹配過程采用了相關算法，具體的算法采用主要是根據提取到的特征圖像來進行處理。

在提取到靜脈圖像的頻域信息后，直接利用頻域的相關算法來進行匹配識別。

2　使用方法及應用領域

1）手背靜脈圖像入庫，并輸入身份信息。

2）程序自動擴充圖庫，將新入庫的圖像與信息處理并存儲。

3）通過手背靜脈進行身份識別。

軍事公安、案件偵查、工業安全、生物醫學、多媒體系統管理和日常的醫院、銀行、酒店、超市商場付款、網絡傳輸、交通信息現場管理等。這就預示著生物特征識別未來的發展前景將相當廣闊，而我們所研究的手背靜脈識別技術作為第2代生物特征識別技術的代表，以其在速度、穩定性、安全性與隱秘性等方面的優勢，已成為眾多發達國家的第2代身份認證技術的主流研究方向。

3　當前國內外同類課程研究水平概述

單就靜脈識別研究和商用系統而言，日本和韓國都是走在世界的前列，靜脈識別的鼻祖公司就是日本日立公司。

近幾年，此項技術影響到了海外市場，上海浦東國際金融中心就是采用了手指靜脈識別系統作為登樓身份管理系統。除了日立公司，日本富士通公司也是這一行業的佼佼者，該公司也推出了一款筆記本手掌靜脈紋路識別系統。

而在韓國，NEXTERN公司推出了BK100BK200S BK300BK500四套BK系列手背靜脈識別系統，其中BK100BK200SBK300都投入了市場。除此之外，韓國的Techsphere公司以及新加坡VEID公司、長春鴻達公司、深圳科安信有限公司、哈爾濱工業大學、清華大學等也積極參與靜脈識別技術研發之中。

在國內，從2002年開始，清華大學的林喜榮等發表了多篇文章，自主設計了近紅外血管圖像采集儀，提取血管造影的原始圖像，并對采集到的圖像進行歸一化和增強處理，對特征提取和特征匹配算法進行了初步的研究。在2006年，他們利用分水嶺算法提取特征點，并使用二階矩和統計的方法進行多分辨率濾波得到多維特征向量。

［1］王一丁.手背靜脈身份識別技術［M］.北京：科學出版社，2015.

［2］科學網.靜脈識別：開啟“后指紋”時代.

［3］WilliamKennedy，季欣楠.國際生物識別技術及其發展趨勢.中國公共安全，2005（2）：119-121.

［4］Test technology technical committee of the IEEE computer society.IEEE Standard Test Access Port and Boundary Scan Architecture.IEEE Std1149.1-1990［S］，1990.

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1674-6708（2016）166-0183-02

匡鹿婷，鄭州大學物理工程學院。