一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法及系统与流程

本发明涉及掌纹采集领域，特别是涉及一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法及系统。

背景技术：

随着通信技术的持续快速发展，移动终端已成为人们生活中不可缺少的一部分，然而现有移动终端认证方式却存在多方面的安全缺陷和隐患。传统的数字、图案和手势等密码方式容易被他人暗中观察窃取；并且用户为了方便记忆，倾向于使用低熵的易记密码，容易被破解，安全性不高。

生物特征指人类自身的生理或行为特征，以稳定性、唯一性、不易丢失等特点在身份认证领域获得越来越广泛的应用。目前移动终端认证的生物特征模态主要有人脸和指纹，然而这两种模态存在诸多局限性。

(1)人脸认证的缺陷：

精度有限：人脸认证容易受拍摄距离和角度、表情、遮盖物、妆容、年龄等因素的影响，造成精度下降。

容易泄露：人脸容易在非察觉情况下被拍摄，继而进行面具伪造和冒充。

缺乏补光设备：移动终端人脸认证通常使用前置摄像头，分辨率低，并且一般未配有前置闪光灯，黑暗情况下难以使用。

(2)指纹认证的缺陷：

通用性弱：少量用户天生无指纹，或由于搬砖工、和面工等职业劳作使指纹磨损严重。

精度干扰因素多：手指表面的干燥度、洁净度、采集按压力度等对认证精度都有影响。

容易泄露：手指频繁接触如键盘、手机屏幕等物体表面，指纹特征容易遗留在物体表面而被泄露和复制，进而使用指纹膜冒充。

用户接受度低：指纹获取通常是接触式采集，增加疾病传染的风险；此外，部分民族传统文化禁止异性接触同一物品表面，引起对指纹采集的抵触。

(3)与人脸和指纹相比，掌纹的优势包括以下几个方面：

鉴别信息丰富：手掌区域较大，包含丰富的鉴别特征，可达到很高的精度。

限制条件少：即使略有磨损，掌纹特征在低分辨率图像中仍清晰可辨。

成本低廉：在低成本低分辨率采集条件仍满足实用化的精度要求。

不易泄露：掌纹不易在非察觉条件下采集，也不经常与物体接触而遗留在表面，泄露风险低。

用户接受度高：掌纹可非接触式采集，避免了卫生问题和抵触情绪。

准确的预处理是提取掌纹特征进行有效认证的关键。然而，用于各类移动终端拍摄器件存在差异，并且硬件资源(如处理器、存储器等)性能有限，加之复杂背景、差异光照等因素都对手掌区域分割、感兴趣区域定位提出了严峻的技术挑战。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法及系统，用于降低掌纹认证预处理的复杂度并提高用户使用的舒适度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法，包括如下步骤：

在所述移动终端的屏幕上显示第一辅助线、第二辅助线和辅助点；所述第一辅助线与所述第二辅助线不相交；所述辅助点为所述第一辅助线的一个端点；

获取用户的手掌的图像；

根据所述图像确定手掌的边界位置；

根据所述边界位置，判断手掌是否处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，得到判断结果；

若判断结果表示手掌不处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，提醒用户调整手掌的位置；

若判断结果表示手掌处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，截取所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内的局部图像，得到掌纹感兴趣区域；

根据所述掌纹感兴趣区域提取掌纹特征。

可选的，所述根据所述图像，确定手掌的边界位置，具体包括：

确定手掌的上边界、下边界以及食指根部的位置；其中，沿手指方向，手掌靠近食指的边界为上边界，手掌靠近小拇指的边界为下边界。

可选的，所述根据所述边界位置，判断手掌是否处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，具体包括：

判断是否手掌的上边界与所述第一辅助线的距离小于第一阈值，并且食指的底纹路与手掌的上边界的交点与所述辅助点的距离小于第二阈值，并且手掌的下边界的一条切线与所述第二辅助线平行且所述切线与所述第二辅助线的距离小于第三阈值。

可选的，所述截取所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内的局部图像，得到掌纹的感兴趣区域，具体包括：

根据所述第一辅助线与所述第二辅助线之间的距离确定所述掌纹感兴趣区域的边长，所述掌纹感兴趣区域为四边形；

根据所述辅助点和所述边长确定所述掌纹感兴趣区域的中心点。

可选的，所述第一辅助线与所述第二辅助线的相对位置是固定的，所述第一辅助线与所述第二辅助线相对于屏幕的相对长度是固定的。

可选的，所述第一辅助线与所述第二辅助线互相平行。

可选的，在所述移动终端的屏幕上显示第一辅助线、第二辅助线和辅助点之前还包括：

根据移动终端的屏幕尺寸确定所述第一辅助线与所述第二辅助线之间的距离、所述第一辅助线的长度和所述第二辅助线的长度。

本发明还提供了一种辅助定位的移动终端掌纹采集系统，包括：

显示模块，用于在所述移动终端的屏幕上显示第一辅助线、第二辅助线和辅助点；所述第一辅助线与所述第二辅助线不相交；所述辅助点为所述第一辅助线的一个端点；

获取模块，用于获取用户的手掌的图像；

确定模块，根据所述图像确定手掌的边界位置；

判断模块，用于根据所述边界位置，判断手掌是否处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，得到判断结果；

提醒模块，用于若判断结果表示手掌不处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，提醒用户调整手掌的位置；

截取模块，用于若判断结果表示手掌处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，截取所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内的局部图像，得到掌纹的感兴趣区域；

提取模块，用于根据所述掌纹感兴趣区域提取掌纹特征。

可选的，所述确定模块，具体用于获取手掌的上边界、下边界以及食指根部的位置；其中，沿手指方向，手掌靠近食指的边界为上边界，手掌靠近小拇指的边界为下边界。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1、本发明提供的一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法，只通过两条辅助线和一个辅助点即可以限定手掌摆放的姿态和位置，不需要额外预处理步骤即可直接定位掌纹感兴趣区域，降低了预处理的复杂度，并提高了复杂场景(复杂背景、差异光照等干扰下)感兴趣区域定位的实时性，降低了预处理的失效率。

2、本发明提供的一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法，采用“双线一点”辅助定位，两条辅助线只有平移的自由度(即约束了2个自由度)，而辅助点位于辅助线上(即约束了辅助线上的1个自由度)，因此限定的自由度为3个。约束自由度低，从而提高了用户的舒适度。

3、本发明提供的一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法，采用手掌并拢的姿态来采集掌纹感兴趣区域，与采集手掌张开的掌纹相比，更容易控制，从而提高了用户体验的舒适度。而且手掌并拢的掌纹更加稳定，不易受扭曲形变等影响，因此认证的准确性也更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的辅助定位的移动终端掌纹采集方法实施例的流程图；

图2为本发明移动终端掌纹采集的主界面；

图3为本发明移动终端掌纹采集的拍摄界面；

图4为本发明指缝矩形区域分割过程示意图；

图5为本发明指缝矩形区域进行二值化和闭运算结果的示意图；

图6为本发明三个指缝区域沿辅助线方向radon检测结果；

图7为本发明掌纹感兴趣区域定位示意图；

图8为本发明辅助定位的移动终端掌纹采集系统实施例的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法及系统，用于降低掌纹认证预处理的复杂度，降低复杂场景下预处理的失效率，并提高用户使用的舒适度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法。图1为本发明的辅助定位的移动终端掌纹采集方法实施例的流程图，如图1所示，一种辅助定位的移动终端掌纹采集方法，包括如下步骤：

步骤101，在移动终端的屏幕上显示第一辅助线、第二辅助线和辅助点；所述第一辅助线与所述第二辅助线不相交；所述辅助点为所述第一辅助线的一个端点。

其中，第一辅助线与第二辅助线的相对位置是固定的，可选的一种情况是第一辅助线和第二辅助线互相平行。即，无论第一辅助线与第二辅助线如何调整，两者的位置关系始终保持平行。

并且，第一辅助线与第二辅助线的之间的距离、第一辅助线的长度和第二辅助线的长度也是固定的，与移动终端的屏幕尺寸对应成比例。其中，第一辅助线的长度小于第二辅助线的长度。

步骤102，获取用户的手掌的图像。如图2所示，打开移动终端的掌纹认证系统，用户将手掌对准移动终端的摄像头，移动终端自动获取用户手掌的图像。本发明中的用户配合的手掌姿态为四指并拢，拇指自然张开。

步骤103，根据所述图像确定手掌的边界位置。移动终端根据手掌的图像确定手掌的上边界、下边界以及食指根部的位置。其中，沿手指方向，手掌靠近食指的边界为上边界，手掌靠近小拇指的边界为下边界。

可选的，根据四指在移动终端上的方向，判断用户的手掌是左手还是右手，如果判断结果与系统预设的不一致时，可以通过调整第一辅助线和第二辅助线的位置，从而令用户的手掌信息与系统的手掌信息相符。具体的，沿移动终端的竖向中线对第一辅助线、第二辅助线以及辅助点进行镜像处理。

步骤104，根据所述边界位置，判断手掌是否处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，若是，执行步骤106，若否，执行步骤105。具体判断标准为：判断是否手掌的上边界与所述第一辅助线的距离小于第一阈值，并且食指的底纹路与手掌的上边界的交点与所述辅助点的距离小于第二阈值，并且手掌的下边界的一条切线与所述第二辅助线平行且所述切线与所述第二辅助线的距离小于第三阈值。

另外，还可以根据以下判断获取图像是否为手掌：第一指缝的长度、第二指缝的长度和第三指缝的长度是否依次递减，并且所述第一指缝的长度、所述第二指缝的长度和所述第三指缝的长度分别大于第四阈值，并且第一距离与第二距离的差值的绝对值是否小于第五阈值。

其中，所述第一指缝为食指与中指之间的缝隙，所述第二指缝为中指与无名指之间的缝隙，所述第三指缝为无名指和小拇指之间的缝隙；所述第一距离为所述第一指缝与第二指缝之间的距离，所述第二距离为所述第二指缝与所述第三指缝之间的距离。

注册时判断用户手掌是否摆放正确的主要思想如下：

手掌并拢时在四指(食指、中指、无名指和小拇指)之间具有明显的三条指缝。

三条指缝几何性状具有一定规律性：近似为有一定宽度的长条形条纹；方向近似相等；相邻两条条纹之间的间距近似相等。

本设计方案圈定的区域中，食指和中指之间、中指和无名指之间、无名指和小拇指之间的三条指缝的长度依次递减。

主要分为以下三个步骤：指缝区域裁剪(圈定包含三条指缝的矩形区域)、特征提取(提取指缝的条纹几何性状)、分析判别。

1、指缝区域裁剪

图4a为“双线一点”辅助定位技术获取图像，取图像左上角为原点建立直角坐标系，向右为x轴正方向，向下为y轴正方向。根据“双线一点”技术，辅助点坐标a(x0,y0)，平行的两条辅助线之间的间距记为len，辅助线与水平线夹角记为θ。根据手掌形态特征和已知条件，从图4b中圈定出包含三条指缝的矩形区域(如图4c所示)。指缝矩形区域可通过以下函数得到：

指缝矩形区域左上角坐标为a(x0,y0)，即“两线一点”的辅助点。

目标区域宽度ws、高度hs确定：

ws＝width-x0

hs＝len*cos(θ)-d1

其中width为屏幕宽度，d1为调节量，使目标区域中不包含四指两侧以外的背景区域，实验结果表明d1设置为len/5可以达到预期结果。

2、特征提取

在特征提取阶段，选取合适的阈值对目标区域进行二值化操作以提取三条指缝，并通过radon变换得到三条指缝的几何性状，包括指缝的长度、相邻指缝长度的变化趋势、相邻指缝之间的间距。由于移动终端环境下光照变化的特点，分割指缝的阈值选取是技术难点。本技术阈值选取可由以下函数得到：

二值化操作阈值thresh确定：thresh＝valuemin+(valuemax-valuemin)*d2；

其中，valuemin为指缝矩形区域最小灰度值，valuemax为指缝矩形区域最大灰度值，d2为调节因子，实验结果表明d2取0.35可达到预期结果。

通过上述阈值，对目标区域进行二值化操作。由于部分用户手指并拢后可能指缝中还存在空隙，这些间隙包含了背景区域，如图4c所示，此时二值化的结果将导致指缝之间存在空隙(如图5a所示)，此时运用形态学闭运算(先膨胀、再腐蚀)对二值图像进行处理能够消除每个指缝中的空隙(如图5b所示)。

综上所述，该阈值自适应选取算法可以有效排除光照因素，达到理想的二值化分割效果。

为有效、准确提取二值图像中的三个指缝的几何性状，本文选取radon变换对其进行直线检测。radon变换检测直线包括两个参数，分别是极坐标系中的极径ρ和极角α。为了降低计算复杂度，实现快速检测，只对辅助线的角度方向上进行变换。对相同极角α(此时的α即辅助线方向θ)、不同极径ρ进行直线上点的个数统计，结果如图6所示。横坐标表示极径ρ，纵坐标表示检测到的直线上点的个数。

3、分析判别

本方案设计采用以下准则，通过分析是否符合三条指缝的几何性状，包括指缝的长度、相邻指缝长度的变化趋势、相邻指缝之间的间距，判断注册时手掌是否摆放正确。

设横坐标长度为s，将s等分为三个区间，每个区间的范围是s/3，在每个区间找纵坐标的最大值。

条件1(三个区间在辅助线方向上检测到最明显直线的点的个数的变化趋势)：每个区间的最大值对应了一个指缝区域在辅助线方向上点的个数最多的直线所对应的点的个数。三个区间的最大值依次为r1、r2、r3，满足单调递增性，即r1<r2<r3。

条件2(每个区间在辅助线方向上检测到最明显直线的点的个数的最小值要求)：r1>hs/8，保证三个指缝条纹的明显性(即条纹的长度)。

条件3(每个区间在辅助线方向上检测到最明显直线之间的间距要求)：三个区间最大值对应横坐标依次分别为xp1、xp2、xp3，相邻横坐标的间距近似相等，即||xp1-xp2|-|xp2-xp3||≤s/20。

根据以上准则判断注册时手掌摆放是否正确，从而保证注册时为合法样本。若不符合上述要求的非法样本，系统将提示用户按照要求，重新正确摆放手掌和采集。

步骤105，若否，提醒用户调整手掌的位置。然后返回步骤102，重新获取用户的手掌的图像，再进行判断，直至手掌处于第一辅助线与第二辅助线限定的区域内。

步骤106，若是，截取第一辅助线与第二辅助线限定的区域内的局部图像，得到掌纹感兴趣区域。

可选的，掌纹感兴趣区域为四边形，所述四边形可以为长方形、正方形或其他。确定过程如下：

步骤a1，根据第一辅助线与第二辅助线之间的距离确定掌纹感兴趣区域的边长；

步骤a2，根据辅助点和边长确定掌纹感兴趣区域的中心点。

以掌纹感兴趣区域为正方形为例，具体的实施方式如下：

图3为本发明移动终端掌纹采集的拍摄界面。如图3所示，定义第一辅助线两端点的坐标为(x1,y1)和坐标(x2,y2)，定义第二辅助线两端点的坐标(x3,y3)，最右点坐标(x4,y4)。两线结合，可以限定用户手掌到移动终端摄像头的相对位置。基于用户体验度的实验，两条辅助线与水平线之间的夹角默认为30度。拍摄预览时，四指并拢，拇指自然张开。手掌四指的两个外侧边界分别与两条平行辅助线对准。食指根部的纹线和拇指外侧边界的交点与辅助点对准。

旋转原始图像，使辅助线与水平线平行，如图7所示，得到新的四个辅助线关键点坐标：(x′1，y′1)、(x′2，y′2)、(x′3，y′3)、(x′4，y′4)，其中，y′1＝y′2，y′3＝y′4。感兴趣区域边长ab＝0.65*w，其中w＝y′4-y′2。正方形的中心点坐标为(x′2-0.6*ab，y′2+0.76*ab)。

步骤107，根据掌纹感兴趣区域提取掌纹特征。具体的，可以根据二值方向共生向量(binaryorientationco-occurrencevector，bocv)特征模板对掌纹感兴趣区域进行掌纹特征的提取。本发明所述bocv特征模板为当前国际高精度的掌纹特征编码方案。

本发明还提供了一种辅助定位的移动终端掌纹采集系统，如图8所示。所述掌纹采集系统包括：

显示模块801，用于在所述移动终端的屏幕上显示第一辅助线、第二辅助线和辅助点；所述第一辅助线与所述第二辅助线不相交；所述辅助点为所述第一辅助线的一个端点。

获取模块802，用于获取用户的手掌的图像。

确定模块803，根据所述图像确定手掌的边界位置；可选的，所述确定模块，具体用于确定手掌的上边界、下边界以及食指根部的位置；其中，沿手指方向，手掌靠近食指的边界为上边界，手掌靠近小拇指的边界为下边界。

判断模块804，用于根据所述边界位置，判断手掌是否处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，得到判断结果。

提醒模块805，用于若判断结果表示手掌不处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，提醒用户调整手掌的位置。

截取模块806，用于若判断结果表示手掌处于所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内，截取所述第一辅助线与所述第二辅助线限定的区域内的局部图像，得到掌纹的感兴趣区域。

提取模块807，用于根据所述掌纹感兴趣区域提取掌纹特征。

利用本发明的移动终端掌纹采集方法和系统在进行首次“注册”时，为了避免误注册(未正确采集掌纹)导致无法通过认证的情况，要求至少执行两次注册操作，两次提取的掌纹特征相似度大于阈值(如0.65)才表示注册成功，并将两个模板保存至移动终端内部存储，否则注册失败，要求用户重新注册.

利用本发明的移动终端掌纹采集方法和系统在进行“认证”时，点击拍照按钮，将提取的掌纹特征模板与注册时存储的模板进行比对，若相似度大于阈值0.65，判断为“合法”用户；否则，判断为“非法”用户；再次“注册”时，先执行认证功能，通过认证后可以重新注册，更新原先保存在移动终端内部存储的模板。

本发明提供的辅助定位的移动终端掌纹采集方法及系统，只通过两条辅助线和一个辅助点即可以限定手掌摆放的姿态和位置，不需要额外预处理步骤即可直接定位掌纹感兴趣区域，降低了预处理的复杂度，并提高了复杂场景(复杂背景、差异光照等干扰下)感兴趣区域定位的实时性和正确率。

并且，采用“双线一点”辅助定位，每条辅助线只有平移的自由度(即约束了2个自由度)，而辅助点位于辅助线上(即约束了辅助线上的1个自由度)，因此限定的自由度为3个。约束自由度降低，从而提高了用户的舒适度。

本发明采用手掌并拢的姿态来采集掌纹感兴趣区域，相对比采集手掌张开的掌纹更容易控制，提高了用户体验的舒适度。而且手掌并拢的掌纹更加稳定，不易受影响，因此认证的准确性也更高。

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。