掌靜脈過閘在AFC系統中的應用研究

何書亮

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司）

1 掌靜脈識別技術的發展及應用

1.1 掌靜脈識別的原理

掌靜脈識別技術是人體生物特征識別技術方式之一，原理是通過手掌內的靜脈分布圖像來進行身份識別。當采用特定波長的光對手掌進行照射時，靜脈中血紅蛋白對波長760nm/850nm左右的近紅外線會有吸收，導致反射較少，從而在影像上產生靜脈圖案[1]，與預先存儲的手掌靜脈數據進行對比識別。

1.2 掌靜脈識別的發展

1983年，柯達公司Joseph Rice發明手背靜脈識別技術，并申請第一個專利；

1992年，北海道的K.shimizu提出可以將靜脈識別技術作為身份識別依據；

1997年，韓國BK System公司第一個手背商用產品BK-100；

21世紀，日本將靜脈識別技術應用于金融領域，行業占有率70%；

2008年，日立將指靜脈識別產品引入中國，同年微盾科技公司開始研究指靜脈產品；

2012年，中科院自動化所發起成立國家生物識別產業技術創新戰略聯盟，為產學研合作帶來良機[2]；

2014年，國內首款掌靜脈識別設備由智冠發布；

2016年-2019年，生物識別相關標準陸續出臺，生物特征識別分技術委員會工作組成立；

2019年，指靜脈開始進入智能家居行業（門鎖/密碼箱等）、日立與東芝合作推出刷掌支付；

2020年，騰訊宣布刷掌識別進入內測階段。

1.3 掌靜脈識別在軌道交通的應用

目前，大多數城市軌道交通領域采用的生物識別技術以人臉識別為主，采用掌靜脈識別技術進行過閘的還比較少，其中只有上海地鐵以及2021年底開通的深圳20號線邊門檢票機采用了掌靜脈識別過閘技術。

剩下少數城市的地鐵則是采用試點應用方式進行。如深圳地鐵12號線、14號線、16號線；武漢地鐵7號線北延線；以及哈爾濱2號線一期。

2 掌靜脈識別涉及主要算法簡介

在掌靜脈識別過程中涉及的算法主要有環境處理方面以及靜脈識別處理方面。其中環境處理算法包括3A算法以及2D/3D降噪算法；識別方面則包括關鍵點檢測算法、特征提取算法、特征匹配算法。

1）3A算法

3A算法即AWB(自動白平衡)、AE(自動曝光)、AF(自動對焦)。主要用于對圖像傳感器輸出的原始圖像進行處理，得到較好的場景還原效果。

2）2D/3D降噪算法

2D降噪算法2D/3D只在二維空間域上進行降噪處理，缺點是會造成畫面模糊。3D降噪則在2D降噪的基礎上增加了時域處理，但它的主要問題是畫面并非完全靜止。

3）關鍵點檢測算法

對掌靜脈識別來說，關鍵點檢測是對人手骨的關鍵部位進行檢測，以此來輔助靜脈識別。

4）特征提取算法

常見的特征提取有兩大類：一類是通過傳統機器學習算法提取，另一類是通過深度神經網絡進行提取。在大數據處理方面，深度神經網絡具有更高的精準度、更廣的適用領域；而在數據量相對較小的領域，傳統機器學習算法速度精準度更具有優勢。

5）特征匹配算法

包括描述符匹配算法、全局匹配和局部匹配，描述符匹配會比較兩個描述符，并產生匹配結果列表。全局匹配精度高，但是計算速度慢，不能滿足實時的要求，局部匹配速度快，可以滿足實時的要求，但是精度不如全局匹配[3]。

3 掌靜脈識別應用方案

3.1 掌靜脈識別的特點

在軌道交通AFC系統中，掌靜脈識別與人臉識別對比如表1所示，掌靜脈識別可獨立作為生物特征票種進行應用，并與其他票種進行混用，其具有的特點如下：

表1 掌靜脈識別與人臉識別對比

①安全性：掌靜脈為隱性特征，在采集和應用過程中具有私密性，不易盜取，同時掌靜脈分布復雜且肉眼不可顯而易見，偽造難度較高。

②準確性：掌靜脈特征數量較人臉特征高，易于識別同時穩定性高。

③便捷性：刷掌識別為非接觸式，更符合“確認+支付”的操作習慣。

3.2 刷掌過閘總體組成

以廣州地鐵AFC系統架構為例，刷掌過閘方案總體組成共分為3層：①車站級前端設備采集層；②中央級處理層；③外部接口層。架構如圖1所示：

圖1 刷掌過閘方案總體組成

掌靜脈識別技術刷掌過閘整體架構與現有AFC系統相互融合的主要方面有：①基于統一的前端注冊入口，建設線網級別的生物識別業務中心；②改造多元化支付系統，完善乘客實名制賬戶體系；③對AFC系統終端設備加裝掌靜脈識別模塊以及AFC軟件系統的改造。

3.3 刷掌過閘流程

3.3.1 注冊流程

要開通掌靜脈過閘功能，首先得進行注冊（流程如圖2所示），注冊流程包含以下幾個步驟：

圖2 刷掌過閘注冊流程

①乘客通過注冊入口發起掌靜脈過閘注冊；

②選擇證件，通過乘客實名制系統關聯乘客賬戶及實名信息；

③通過設備上的讀頭掃描手掌采集掌靜脈，同時確認和綁定身份信息；

④注冊信息由采集模塊經過車站級防重系統處理以后轉發至中心級，并分別由中心級的生物識別系統以及乘客實名制系統保存乘客的圖片以及特征，由多元化系統處理后下發權限進行開通。

3.3.2 過閘流程

乘客開通掌靜脈過閘功能以后，在進閘時，首先將手掌放置在閘機讀頭上，閘機通過掌靜脈采集模塊獲取乘客的掌靜脈和特征信息，經由車站級系統上傳至中央級生物識別系統進行比對，確認一致后實現開閘；乘客出閘時，掌靜脈特征先經車站防重系統進行處理，上傳至中央級多元化支付系統，比對一致后實現扣費。

3.4 系統改造

AFC系統實現掌靜脈識別技術需要包含以下軟硬件改造流程（地鐵掌靜脈識別邊門檢票機如圖3所示）：

圖3 深圳地鐵掌靜脈識別邊門檢票機

1）硬件改裝

前端設備加裝掌靜脈采集模塊并增加標識；

2）軟件改造

①升級中央級系統，完善乘客實名制賬戶體系、生物識別系統以及多元化支付系統；②升級前端設備應用軟件。

4 存在問題分析

雖然掌靜脈識別技術在地鐵出行中較為快捷，但同時也有很多問題需要解決。

1）扣費問題

乘客注冊時，采用的是身份證或其他證件與自身掌靜脈進行對比，而證件則有可能被別人撿到，從而綁定的賬戶與掌靜脈實際不是一個人，發生亂扣費現象。

2）掌靜脈變化問題

雖然掌靜脈的穩定性較高，但目前尚無任何研究證明隨著時間和年齡的增長或者疾病的發生，掌靜脈會不會發生變化，因此，在經過一段時間以后，乘客在已開通掌靜脈過閘以后也可能出現過不了閘的情況。

3）掌靜脈識別速率與準確度問題

掌靜脈識別速率和準確度則受采集模塊的精度影響，追根溯源則是受到識別算法的影響。

4）改造費用較為繁重

為了正常使用掌靜脈過閘功能，地鐵公司對AFC系統升級工作量非常龐大，首先需要對后臺系統進行升級，再對全線網前端設備進行硬件改造和軟件升級，因此改造工程量龐大、且工期長。

5 結語

綜上所述，當前將掌靜脈識別技術應用于軌道交通AFC系統尚處于起步階段，掌靜脈識別的優點是較人臉識別更為快捷、更私密，掌靜脈識別的發展，將符合未來AFC系統無感支付的趨勢。但在完全將其應用于軌道交通AFC系統中則需要考慮周全，如建立統一的乘客實名制系統以及扣費偏差等問題，隨著技術的逐漸成熟，未來掌靜脈識別過閘必有一番用武之地。