手指静脉认证系统的制作方法
【专利摘要】提供了一种手指静脉认证，其通过分析水平集曲率的方法以较低的功率/较快的速度识别、比较和区分使用者的手指静脉。为了达到上述目的，提供给了一种手指静脉认证系统，其包括光源单元、滤光器单元、CCD相机单元、存储单元和控制单元，其中光源单元被配置成发射近红外光；滤光器单元被配置成仅允许光源单元发出的具有特定波长的光穿过；CCD相机单元被配置成捕捉包含使用者手指在内的图像并将所捕捉的图像转换成电信号；存储单元被配置成存储水平集曲率程序，该水平集曲率程序执行操作使用水平集曲率从包含手指的图像中提取手指静脉图样；且控制单元被配置成驱动水平集曲率程序。
【专利说明】
手指静脉认证系统
技术领域
[0001] 本发明设及手指静脉认证，且更确切地，设及通过分析水平集曲率的方法W较低 的功率/较快的速度识别、比较和区分使用者手指静脉的手指静脉认证。
【背景技术】
[0002] 总体而言，生物度量认证是利用人类的生理或行为特征来识别个人身份的方法。 生物度量认证技术的代表有指纹识别、脸部识别、虹膜识别、手指静脉识别、签名识别、说话 人识别，等等。在上述生物度量认证方法中，指纹识别和手指静脉识别具有优势，因为识别 性能优越，使用者不抵制且无不适感，且识别时间短。
[0003] 可W利用使用者的指纹来进行识别的概念长久W来一直被广泛应用于寻找罪犯， 且每个人具有不同指纹的事实也已广为人知。然而，如果指纹形成的手指受到外伤，被干燥 或弄湿，就很难通过通常的指纹扫描仪采集表皮指纹的图样。
[0004] 为了解决上述缺陷，某些研究提出一种方法，其中可视光源穿透手指W采集真皮 层指纹并将其用于识别。真皮层指纹可在任何条件下采集，只要手指未严重受伤。 阳〇化]此外，可W通过手指静脉进行识别的概念也被其他研究所认可。其他研究显示，如 果每个人的十根手指的手指静脉图样各不相同，一根手指的静脉图样具有与虹膜图样相类 似的自由度，且具有较高的可靠性，该手指静脉图样适于用来识别。
[0006] 鉴于真皮层指纹和手指静脉被用于进行上述识别，已经进行了为解决表皮指纹不 能很好地采集的缺陷的研究。
【发明内容】
[0007] 本发明是为了解决上述问题，本发明的一个目的就是提供一种手指静脉认证，其 通过分析水平集曲率的方法W较低的功率/较快的速度来识别、比较和区分使用者的手指 静脉。
[0008] 为了达到上述目的，本发明的一个方面是提供一种手指静脉认证系统，其包括光 源元件、滤光器元件、CCD相机元件、内存元件W及控制元件，其中光源元件配置成发射近红 外光，滤波元件配置成仅允许从光源元件发出的具有特定波长的光透过，CCD相机元件配置 成捕捉包括使用者的手指在内的图像并将所捕捉的图像转换成电信号，存储元件配置成存 储水平集曲率程序，该水平集曲率程序执行操作使用水平集曲率从包括手指在内的图像中 提取手指静脉图样，且控制元件配置成驱动水平集曲率程序。在此，水平集曲率程序指示控 审IJ元件（a)移除从CCD相机元件获得的包括手指的图像中的噪点；化）从移除噪点的包括 手指的图像中移除手指的外围部分，W仅将手指部分分离出来；(C)使用水平集曲率从仅 有手指的图像中提取手指静脉图样；（d)将提取的手指静脉图样二值化，且（e)将二值化手 指静脉图样变淡。
[0009] 根据优选实施例，（C)中使用水平集曲率从仅有手指部分的图像中提取手指静脉 图样可通过W下方式进行：(cl)第一步，定义形成仅有手指的图像中所有像素的各像素的 亮度，（c2)第二步，相互连接所有像素中具有相同像素亮度的像素 W建立一个或多个呈闭 合曲线的水平集，（c3)第Ξ步，定义一个或多个水平集为水平集组，（c4)第四步，建立连接 一个或多个水平集的点的一条或多条线，基于水平集组的外部，在线上的曲率被最小化，且 (c5)第五步，将一条或多条线识别为手指静脉图样并提取线条。
[0010] 根据优选实施例，（c4)中的曲率可通过W下公式获得：
[0013] 其中聚表示曲率且W表示水平集组的梯度向量。
[0014] 根据优选实施例，滤光器可W是近红外光（NIR)滤过器且可配置成仅允许波长为 630~l，000nm的光穿过，该波长的光适于感应使用者手指静脉中含有的血红蛋白中的氧 基血红素化b〇2)和还原血红蛋白化b)。
[0015] 根据优选实施例，本发明的手指静脉认证系统还可包括键入元件，该元件具有多 个键，包括数字、字母和符号，W根据使用者选择的键输出相应的键信号。
【附图说明】
[0016] 本发明的上述及其他目的、特征和优点，通过参照附图对W下详细示范实施例的 说明，将对于本领域的普通技术人员而言更加显而易见。附图如下：
[0017] 图1A是根据本发明一实施例的手指静脉认证系统的外观的立体图；
[0018] 图1B是显示图1A中所示的手指静脉认证系统中图像处理装置的内部结构的视 图；
[0019] 图2是显示图1A中所示手指静脉认证系统的内部结构的框图；
[0020] 图3是图1A中所示的手指静脉认证系统中根据水平集曲率程序的指令提取手指 静脉的程序的演算流程图；
[0021] 图4是噪点已根据水平集曲率程序被移除后的手指图像和噪点被移除前的手指 图像的对比图；
[0022] 图5是显示根据水平集曲率程序从整个图像中分离手指部分的图像的程序的效 果界面的视图；
[0023] 图6A是显示手指图像根据水平集曲率程序被转换成水平集的视图；
[0024] 图7是显示水平集曲率的值被归一化为8位灰度级的视图；且
[00巧]图8是根据水平集曲率程序提取的静脉图像与通过通常方法获得的静脉图像的 对比视图。 具体实施例
[00%] W下将参照附图对本发明的示范实施例进行详细说明。尽管本发明是W示范实施 例来展示并予W说明的，对于本领域的技术人员而言，很明显可作出多种修改而不背离本 发明的实质和范围。需要注意的是，尽管相同的结构元件显示在不同的附图中，该相同的结 构元件用相同的编号表示。此外，在本发明的说明中，如果已知功能或结构被判定为可导致 不必要的模糊本发明的本质，则对其的具体说明将被省略。
[0027] 在W下说明中，在某些部位出现"包括"某些结构元件的表述时，意味着该部位不 排除另一结构元件，且可能还包括其他结构元件，除非有相反的表示。此外，详细说明中的 术语"部分"、"装置"和"模块"是指用于处理至少一个功能或一项操作的单元，且其可体现 为硬件、软件或硬件和软件的结合。
[0028] 图1A是根据本发明的手指静脉认证系统1的外观的立体图，图1B是显示手指静 脉认证系统1的手指静脉图像处理装置10内部结构的视图，且图2是显示手指静脉认证系 统1内部构造的框图。
[0029] 根据本发明的手指静脉认证系统1是通过CCD相机获得数码图像的系统，其基于 W近红外线照射使用者的手指而获得的图像，使用水平集曲率程序（level set curvature program)从所获得图像中提取手指静脉图样的特征，并通过对比所提取的图样特征与已记 录的使用者信息的方法来识别个人身份。
[0030] 例如，手指静脉认证系统1可安装在口旁边的墙面上，且使用者可简单地仅通过 将他或她的手指20插入（放置在）手指静脉图像处理装置10的手指安放部S W完成进入 认证。此时，如果使用者的静脉图样与登记在手指静脉认证系统1中的静脉图样不一致，贝U 进入认证被拒绝。
[0031] 同时，在W下说明中将对使用者仅使用静脉图样识别来完成认证的手指静脉认证 系统1的实施例进行说明。然而，在另一实施例中，可加强安全性，即在使用者静脉图样被 认证之前和/或之后通过键入单元210输入个人识别号码。例如，使用者可在手指静脉图 样被认证之后将个人识别输入键入单元210中。
[0032] 参照图1A、图1B和图2,根据本发明的手指静脉认证系统1包括用于取得手指图 像的手指静脉图像处理装置10和用于从所取得的图像中提取手指图样并进行使用者认证 处理的认证处理装置20。同时，手指静脉图像处理装置10包括光源单元110、滤光器单元 120 W及CCD相机单元130,其中光源单元110配置成发射近红光，滤光器单元120配置成 仅允许光源单元110发出的特定波长的光穿过，且CCD相机单元130配置成捕捉包括使用 者手指在内的图像并将所捕捉的图像转换成电信号。此外，认证处理装置20包括键入单元 210、显示单元220、存储单元230 W及控制单元240,键入单元210具有多个键，包括数字、 字母和符号，W便于根据使用者选择的键输出相应的键信号，显示单元220配置成在使用 者认证上显示各种输入界面且在外部显示结果界面，且控制单元240配置成驱动水平集曲 率程序。
[0033] 特别地，具有圆柱形切口 W及供手指插入的结构的手指安放部S在手指静脉图像 处理装置10中形成，光源单元110安装在手指安放部S上方的本体面上，且滤光器单元120 和CCD相机单元130安装在手指安放部S下方。
[0034] 例如，当使用者将他或她的手指放在手指安放部S上进行使用者认证时，光源单 元110发出的近红外光穿透手指安放部S上的手指并随后穿过滤光器单元120到达CCD相 机单元130, W捕捉手指图像。随后，根据认证处理装置20的控制单元的控制，CCD相机单 元130所捕捉的手指图像被存储在内存单元230中。此外，根据水平集曲率程序231的指 令，控制单元240执行处理操作W判断手指图像中的手指静脉图样是否与事先登记的使用 者手指静脉图样相一致。
[0035] 光源单元110可包括例如一个或多个L邸或激光二极管，其具有发射波长为 630~1，OOOnm的近红外光的结构。根据优选实施例，由聚二甲硅氧烷形成的光波导可被安 装在光源单元110的背面上，由于该光波导，可用光照射手指而不使光不散射。
[0036] 例如，滤光器单元120可包括近红外光滤过器。滤光器单元120执行一项功能使 得当使用者的手指被暴露在可见光下时仅有手指静脉图像被捕捉。根据优选实施例，滤光 器单元120可被配置成允许波长为630~1，000皿的光穿过，该波长的光适于感应血红蛋 白中的氧基血红素化b〇2)和还原血红蛋白化b)。
[0037] CCD相机单元130执行将通过光源单元110发出的近红外光捕捉到的手指F的图 像转换成电信号的功能。此外，由CCD相机单元130获得的手指F的电图像信号通过控制 单元240的控制被存储在内存单元230上。
[0038] 图3是显示控制单元240根据对水平集曲率程序231的指令从自CCD相机单元 130中接收的手指F的图像中提取静脉图样演算流程图。
[0039] 参照图3,认证处理装置20的控制单元240驱动存储在存储单元230中的水平集 曲率程序231执行（a)处理操作S301，W移除从CCD相机单元130中获得的手指图像中的 噪点，化）处理操作S302,从被移除噪点的手指图像中移除手指的外围部分，W分离出仅手 指部分的图像，（C)处理操作S303,使用水平集曲率从手指部分的图像中提取手指静脉图 样，（d)处理操作S304,将所提取的手指静脉图样二值化，且（e)处理操作S305,将二值化 的手指静脉图样变淡。
[0040] 根据对水平集曲率程序231的指令，控制单元240随后可判断变淡的手指静脉是 否与事先登记在手指静脉图样相一致。
[0041] 上述水平集曲率程序231可通过外部存储媒介的方式提供给手指静脉认证系统 1，如通过软盘、硬盘、光盘、磁光盘、光盘只读存储器（CD-ROM)、可记录光盘驱动器（CD-R)、 磁带、非易失性存储卡和只读存储器（ROM)。
[0042] W下将参照图4-图8对水平集曲率程序231提供的手指静脉提取演算法进行详 细说明。
[0043] 【S301处理：移除噪点】
[0044] 适用于根据本发明的手指静脉识别系统1中的水平集曲率程序231应用了高斯滤 波方法W执行从手指图像中移除噪点的操作。 W45] 例如，水平集曲率程序231可执行操作程序W特定的维度（例如Μ行XN像素） 将手指上的图像分区，执行操作程序W计算每一分区的像素的标准偏差，执行操作程序从 标准偏差中选择最小的标准偏差并用整数量化该最小的标准偏差W计算出最小标准偏差 (曰mJ，且执行操作程序选择具有最小标准偏差W及在预定范围内的标准偏差的区 块B*。
[0046] 此时，区块B*可使用如下方程式1计算： 阳047]【方程式1】
[0048]
[0049] 其中，B*表示被选择的区块，且L·}表示用于获得小于或等于给定值的最大整数的 地板函数。
[0050] 随后，水平集曲率程序231计算用W在所选区块B*上执行高斯滤波方法的滤波因 子。此时，滤波因子可通过W下方程式2从被量化的最小标准偏差（〇mJ中算出。 阳〇5U 【方程式2】
[0052]
[0053] 接下来，水平集曲率程序231根据算得的滤波因子对所选区块B*执行过滤。
[0054] 随后，水平集曲率程序231计算所选区块和通过在该区块上执行高斯滤波所获得 的值之间的差的标准偏差，作为噪点测量值σ。，且该噪点测量值由W下方程式3表示。 阳05引【方程式3】
[0056]
[0057] 通过W上程序，水平集曲率程序231可计算出手指图像上与手指部分无关的噪 点，并移除该噪点。
[005引图4是根据水平集曲率程序231移除噪点后的手指图像与移除噪点前的手指图像 的对比视图。
[0059] 【S302处理：分离仅手指部分的图像】
[0060] 适用于根据本发明的手指静脉认证系统1的水平集曲率程序231执行操作W分离 手指图像中的手指部分的图像。
[OOW] CCD相机单元130所捕捉的图像包括手指部分的图像W及外围物体的图像。根据 优选实施例，水平集曲率程序231可执行操作，使用边缘检测功能（其使用梯度的散度）从 整个图像中分离手指部分的图像。
[0062] 例如，使用梯度的散度（divergence of gradient)的边缘检测功能可使用W下方 程式4。 阳06引【方程式4】
[0064]
W65] (W :图像的梯度向量）
[0066] 图5显示根据水平集曲率程序231将手指部分的图像从整个图像中分离的结果界 面。
[0067] 【S303处理：使用水平集曲率提取手指静脉图样】
[0068] 适用于根据本发明的手指静脉认证系统1的水平集曲率程序231执行操作W使用 水平集曲率从手指部分的图像中提取手指静脉图样。
[0069] 在此，水平集表示为，当图像的各像素值被视为强度函数时，具有相同强度的像素 的集合。
[0070] 因此，如果强度函数是个连续函数，形成一个水平集的点构成一个水平集组 (level sets)。
[0071] 特别地，水平集曲率程序231执行w下操作w从手指图像中提取手指静脉图样， 即（cl)第一步，定义形成仅手指图像的所有像素的各像素的强度，（c2)第二步，相互连接 所有像素中具有相同像素强度的像素，W形成一个或多个呈闭合曲线的水平集，（c3)第Ξ 步，将该一个或多个水平集定义为一组水平集组，（c4)第四步，建立连接一个或多个水平集 的点的一条或多条线，基于水平集组的外部，此处的曲率被最小化，且（c5)第五步，将一条 或多条线识别为手指静脉并提取该线条。
[0072] 图6A显示手指图像根据水平集曲率程序231被转换为水平集组的形状，且图6B 显示水平集曲率程序231使用图6A中的水平集组的曲率区分手指静脉图样的方法。
[0073] 首先，参照图6A，通过操作，定义出形成手指图像中手指部分的图像的所有像素的 各像素强度，并相互连接所有像素中具有相同像素强度的像素 W产生一个或多个呈闭合曲 线的水平集，从而形成水平集组。
[0074] 接下来，参照图6B，水平集曲率程序231从手指图像中提取手指静脉图样，即通过 建立连接一个或多个水平集的点的一条或多条线（在线上，曲率基于水平集组的外部被最 小化），且将一条或多条线识别为手指静脉图样并提取该线条。
[00巧]曲率被最小化的点基于水平集组的外部被线条相互连接起来的方法与寻找水平 集的谷的地理学方法相似。
[0076] 特别地，水平集曲率程序231是基于W下原则，即在形成包括在手指图像中的水 平集组的各个水平集中，当基于水平集组的外部进行计算时，相互连接曲率被最大化的点 的线成为峰，而相互连接曲率被最小化的点的线成为谷，且小静脉分布的地方对应水平集 组的谷的图样。
[0077] 曲率被最小化的点可通过寻找各个水平集上繁为最小值（通过如下方程式5)的 点来获得。 阳07引【方程式5】
[0081] 其中，彩表示曲率，W表示梯度向量，对应于手指静脉的部位具有明显的低懲值。
[0082] 如上所述，水平集曲率可通过归一化梯度的散度获得。此时，凭直觉可断定梯度向 量在水平集的峰部聚集，且梯度向量在水平集的谷部发散。
[0083] 图7显示护值被8位灰度级归一化，且可断定静脉中屯、线对应的部位具有显著小 的值。
[0084] 【S304处理：二值化所提取的手指静脉图样，W及305处理：将二值化的手指静脉 图样变淡】
[00化]适用于根据本发明的手指静脉认证系统1的水平集曲率程序231执行操作304利 用水平集曲率将所提取的手指静脉图样二值化，且执行操作305将二值化的图像变淡。
[0086] 因此，水平集曲率程序231执行的二值化处理是为了减少所提取的手指静脉图样 的存储空间并减少随后处理的匹配时间。
[0087] 此外，水平集曲率程序231执行的淡化处理是为了将浓的静脉标示转换成淡的静 脉标示，W使得可存储关于静脉的更多的信息而不至于失真。
[0088] 图8是根据水平集曲率程序231从手指图像中提取静脉图样、二值化并淡化所提 取的图样而获得的最终静脉图样与通过通常线条提取方法所获得的第一静脉图像和通过 通常局部阔值法所获得的第二静脉图像的对比视图。
[0089] 从图8中可知，根据水平集曲率程序231获得的静脉图像比通常静脉图像更清晰， 从而在边界面更少产生错误。
[0090] 适用于根据本发明的手指静脉认证系统1的水平集曲率程序231可被记录在计算 机可读记录媒介上。计算机可读记录媒介的范例包括只读存储器（ROM)、随机存取存储器 (RAM)、光盘只读存储器（CD-ROM)、磁带、软盘、光学数据存储装置，且包括载波型记录媒介 (如网络传输）。此外，计算机可读记录媒介可分布在联网的计算机系统中，W便于W分布 式的方式存储并执行计算机可读代码。另外，实现本实施例的功能程序、代码和代码段可由 与本发明有关的领域的程序员轻易推论得出。
[0091] 此外，尽管详细说明中说明构成本发明实施例的所有结构性元件中的一个被操作 和结合，本发明无需限于本实施例。换句话说，在本发明的范围内，一个或多个结构性元件 可被选择连接和操作。同样，尽管所有的结构性元件可被分别体现为一个独立的硬件，某些 或所有结构性元件可被结合W体现为具有执行一个或多个硬件中结合的某些或所有功能 的程序模块的计算机程序。
[0092] 此外，上述说明示范性地描述了本发明的技术实质，对于本领域的技术人员而言， 很明显可作出多种改变或修改而不背离本发明的实质和范围。因此，本发明中所公开的实 施例不限制而仅描述了本发明的技术实质，本发明不限于该实施例。本发明的范围应由所 附的权利要求决定，且应理解在所附权利要求的等同范围内的所有技术实质应认为被包含 在其中。
【主权项】
1. 手指静脉认证系统，包括： 光源单元，其被配置成发射近红外光； 滤光器单元，其被配置成仅允许由所述光源单元发出的具有特定波长的光通过； CCD相机单元，其被配置成捕捉包含使用者手指在内的图像并将所述被捕捉的图像转 换成电信号； 存储单元，其被配置成存储水平集曲率程序，所述水平集曲率程序执行操作，W使用水 平集曲率从包含所述手指的所述图像中提取手指静脉图样；W及 控制单元，其被配置成驱动所述水平集曲率程序； 其中所述水平集曲率程序指令所述控制单元： (a)从由所述CCD相机单元获得的包含所述手指的所述图像中移除噪点； 化）从已被移除所述噪点的包含所述手指的所述图像中移除所述手指的外围部分，W 分离出仅所述手指部分的图像； (C)使用所述水平集曲率从仅所述手指部分图像中提取所述手指静脉图样； (d) 二值化所述所提取的手指静脉图样，且 (e) 使所述二值化的手指静脉图样变淡， 其中，使用所述水平集曲率从仅所述手指部分的图像中提取所述手指静脉图样是通过 W下步骤执行： (Cl)第一步，定义形成所述仅手指部分图像的所有像素的各像素强度， (c2)第二步，相互连接所述所有像素中具有相同像素强度的像素，W形成一个或多个 呈闭合曲线的水平集， (c3)第=步，将一个或多个水平集定义为水平集组， (c4)第四步，建立连接所述一个或多个水平集的点的一条或多条线，在所述线上的曲 率基于所述水平集组的外部被最小化，且 (c5)第五步，识别出作为手指静脉图样的一条或多条线，并提取所述线。2. 如权利要求1中所述的手指静脉认证系统，其中（c4)中的所述曲率通过W下方程式 获得：其中，r表示所述曲率且W表示所述水平集组的梯度向量。3. 如权利要求1中所述的手指静脉认证系统，其中所述滤光器是近红外光（NIR)滤过 器，且被配置成仅允许波长为630~1，OOOnm的光穿过，所述光适于感应使用者所述手指静 脉中含有的血红蛋白中的氧基血红素化b〇2)和还原血红蛋白化b)。4. 如权利要求1中所述的手指静脉认证系统，还包括键入单元，所述键入单元具有多 个键，包括数字、字母和符号，W便于输出与使用者所选的键相应的键信号。
【文档编号】G06K9/00GK105989337SQ201510080154
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月13日
【发明人】朴奉浚, 朴哲浚
【申请人】科尔森有限公司