基于生物識別的指靜脈識別系統概述

陳華宣

摘 要：在信息時代的大背景下，人人都很注重自己的信息安全。而傳統的信息驗證方式并不算安全和便捷。由此生物特征識別技術應運而生，其中的指靜脈識別技術是本文討論的對象，指靜脈識別技術能夠有效地解決現如今信息驗證中存在的缺點和弊端。針對指靜脈識別中的原理以及系統關鍵點做了詳細的說明，并展望了不久的將來指靜脈識別技術的迅速發展以及龐大的市場需求。

關鍵詞：信息驗證；生物特征識別；指靜脈識別

Abstract：In the context of the information age， everyone is very focused on their own information security. And the traditional way of information verification is not safe and convenient. Thus， biometric identification technology has emerged， which is the object of this paper， which can effectively solve the shortcomings and disadvantages of the current information verification. According to the principle of finger vein recognition and the key points of the system， the key points of the system are described in detail， and the rapid development of the vein recognition technology and the huge market demand are prospected.

Key word：Information verification Biometric identification Finger vein recognition

隨著信息爆炸時代的來臨，人類社會產生了巨大的變革，人們對信息的需求和依賴越來越大，人們在時刻進行社會活動的時候離不開身份信息的驗證。在這種時代背景下信息的安全問題也就顯得十分重要，然而傳統的身份識別方法是需要借助外物來證明身份的，但如果證明身份的標識物品出現丟失、被盜竊或者被偽造等情況就會導致混亂甚至犯罪事件的發生。針對這一弊端，現已有很多生物特征識別技術用于身份認證，比如指紋、虹膜、視網膜、手型識別、臉部識別等等。實際上生物特征識別技術早已有人研究，隨著科技的進步以及各種生物特征識別的算法和系統的問世使得生物特征識別變得火熱起來。而本文涉及的是生物特征識別技術中的指靜脈識別技術。

指靜脈識別這一技術最初是由日立公司著手研究并開發成相關產品的，由于每個人的指靜脈分布都不一樣，由此特性它通過識別個人手指里的指靜脈分布圖像特征來進行個人的身份鑒定。指靜脈的采集是根據靜脈里面的血紅蛋白反射采集到的圖像來對比識別的，這種識別方式決定了指靜脈是活體識別技術。

目前指紋識別雖然是用戶廣泛的一種識別技術，但弊端也隨之體現出來：安全性低，雖然如今破解指紋識別機不大可能了，但現在網上都有各種制作指紋膜來達到偽造身份的目的；穩定性差，如果手指受了割傷或者手指外表皮因為溫度或者摩擦等原因而脫落或者手指表面沾上某種污漬，在指紋驗證時就會很困難。相較之下指靜脈識別很難偽造，抗干擾性好、不易受手指表面傷痕或污漬的影響，因此指靜脈的準確率比較高，FRR（拒真率）小于0.01%，FAR（認假率）小于0.0001%，FTE（登錄失敗）為0%。因此就目前技術方面和市場方面來說指靜脈識別技術運用到的識別原理作為一種新型的身份認證方式在生物特征識別中是具有較大的優越性的。

1 指靜脈識別原理及技術

1.1指靜脈成像原理

根據醫學研究結果，每個人都有著自己獨特的手指血管紋路，左手和右手之間的靜脈分布也是不同的，即使是雙胞胎之間的血管紋路也不一樣的。由于靜脈相比于動脈更接近皮膚表層，易于采集特征；況且靜脈分布的曲線和分支比較繁多復雜，采集到的圖案樣本多，所以個人之間圖像差別明顯。根據這一生物特性，我們可采用近紅外線照射指靜脈（近紅外線范圍在700～1000nm之間，本系統采用了波長為850nm的近紅外線，在這個范圍靜脈透射的部分比較少，成像較為明顯），靜脈的圖像就會突出顯示，手指肌肉和骨骼等其它部位被弱化，由此將靜脈里流動血液中的血紅蛋白呈現出來的圖像進行特征提取。

1.2圖像的采集和預處理

采用了使用比較廣泛的CMOS感光器件，相較于CCD感光器件，COMS有以下幾個 優點：

（1）集成度更高，所以功耗也比較低；

（2）在價格上CMOS由于結構簡單所以制造成本低；

（3）在成像方面新的CMOS器件的出現提高了信噪比和影像效率，已經接近了CCD的成像質量；

（4）CMOS的光譜敏感范圍在近紅外線比可見光的靈敏度高達5～6倍。

根據上述分析決定使用CMOS感光器件在近紅外下采集圖像。

但由于使用環境中我們的圖像采集成像裝置會受到環境可見光的影響，會導致指靜脈成像的不穩定，因此需要增加濾光片來消除可見光的干擾。一般濾光鏡按照光譜的標準來區分的話有紫外濾光、可見濾光片和紅外濾光片，因為我們采集指靜脈圖像的近紅外線是采用850nm的波長，所以濾光鏡選擇紅外濾光片。

而因為手指擺放的姿勢、位置以及受到溫度等其它因素的影響導致手指內部靜脈收縮或者擴張，所以圖像采集到還需要進一步的處理。處理過程一般都有圖像感興趣區域的裁剪、尺寸或灰度歸一化、圖像增強、靜脈分割、位置校準、細化等操作，經過處理的圖像更有利于特征的提取和圖像的識別認證。可以根據實際情況的需要有選擇地選取上述處理方式，好的算法會使得圖像的處理更加優化，從而達到提高識別率的目的。

1.3指靜脈特征點提取

在本系統的指靜脈特征點提取中主要采用的是基于細節點特征提取的算法，因為利用細節點來進行識別主要有以下幾個優點：

（1）細節點的特征描述相對比較簡單的。

（2）細節點占用的存儲空間比較小。

（3）單單憑借著細節點是無法恢復出原有的指靜脈的，有利于保護個人隱私。

而細節點的特征提取一般有以下幾種：

1.3.1端點：當指靜脈在手指內部一定深度或者近紅外線對手指透射的不夠深的時候就會出現這種端點。

1.3.2分叉點：由一個單一的靜脈段分裂為兩個靜脈段。

1.3.3雙分叉點：當兩個分叉點靠得比較近的時候就會出現這種雙分叉點。

根據以上三種細節點進行特征提取的方法分別如下：

1.3.3.1提取端點：以端點為中心提取一個N*N范圍塊（N的取值視具體情況而定），然后刪除該N*N區域中其它沒有與該中心端點相連接的點。最后計算靜脈特征和塊邊界的連接數，如果連接數目為一個細節點就認為該細節點是端點并保存端點段譽水平線之間的角度，否則不是。

1.3.3.2提取分叉點：以一個分叉點為中心提取一個N*N的范圍塊（N的取值視具體情況而定），然后刪除在該N*N區域內其他的不與中心分叉點相連接的點。最后計算靜脈特征和劃分的N*N范圍塊邊界的連接數，當連接數目為四，就認為該分叉點是雙分叉點，同時保存分支之間的兩個角度。反之則認為該分叉點為錯誤的細節點。

于是針對上述的三種細節點我們可以分別列出表達方式如下⑵：

端點：[X，Y，Φ1]

分叉點：[X，Y，θ2，θ3，θ4]

雙分叉點：[X，Y，Φ5，Φ6，Φ7，Φ8]

其中X，Y是細節點的坐標，β是端點和水平線兩者之間的角度，θ是分叉點與分支兩者之間的角度，α是雙分叉點與分支兩者之間的角度。

具體的直觀圖像如下圖所示：

圖2.3 細節點表達圖像

實際上提取特征點之后為更加簡化的圖像：

將上述提取特征點獲得的圖像與已保存的圖像庫做對比識別即可辨識身份。

2 總結

針對指紋識別等傳統生物識別的缺點或弊端提出了指靜脈識別系統的優勢所在以及在指靜脈系統中從選用合適的器件開始逐步到闡明在本系統中靜脈采集和特征提取的原理和方式等關鍵問題。

從目前來看鑒于技術和成本之間的沖突，指靜脈識別市場正處于市場爆發的臨界狀態，一旦指靜脈識別技術得到進一步的完善和達到一定的量產，將會普遍推廣到各類民用領域。而且國家相關機構也在制訂并計劃實施相關的產品技術標準。相信通過國內有實力的核心技術及上下游廠商通力合作，中國指靜脈技術識別技術產品發展的前景廣闊。

我們也期盼著各種高科技產品早日普及到我們平常生活中，讓每個人都可以體驗忘記密碼、丟掉鑰匙的安全又便捷的生活，就像十幾年前人們紛紛丟下腰間的BP機換成手機一樣，指靜脈識別系統會在不久的將來大放異彩。

參考文獻：

[1]葛彥平.手指靜脈識別技術研究[D].哈爾濱工程大學碩士學位論文

[2]袁智.基于匹配融合的指紋與指靜脈雙模態生物識別技術的研究[D].南京郵電大學碩士學位論文