一种双点辅助定位的移动终端掌纹认证方法
【专利摘要】本发明公开了一种双点辅助定位的移动终端掌纹认证方法，其方法为：由屏幕显示两个十字叉形的中心构成“辅助点”，以两个辅助点为中心，绘制两个正方形“限定方框”。拍摄时，食指和中指、无名指和小指之间的两个指间谷底点位于两个限定方框内，并尽量与两个辅助点对准。用户习惯将中指指向图片上方，因此，限定方框底部为手部区域，统计此区域的Cb(蓝色色度)、Cr(红色色度)两个分量的均值和协方差矩阵。通过高斯肤色似然度阈值，分割限定方框内的肤色区域。根据分割出的肤色区域自适应估计高斯肤色模型参数，在限定方框内分割出准确的手部区域，并检测两个指间谷底点，进一步裁剪出感兴趣区域，提取特征模板用于认证。
【专利说明】
一种双点辅助定位的移动终端掌纹认证方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种掌纹认证方法，具体为一种双点辅助定位的移动终端掌纹认证方 法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] (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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] (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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] (3)与人脸和指纹相比，掌纹的优势包括以下几个方面。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 准确的预处理是提取掌纹特征进行有效认证的关键。然而各类移动终端拍摄器件 存在差异，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。
[0018] 本发明在拍摄时通过用户配合，由辅助点和限定方框初步锁定两个指间谷底点的 区域，克服了复杂背景的干扰;根据手掌摆放方向，判断限定方框底部为手部区域;为了避 免过分割，在此手部区域建立高斯肤色模型，首次阈值分割出不完整的手部区域;对首次分 割区域自适应估计高斯肤色模型参数，第二次分割出准确完整的手部区域；由于首次分割 和二次分割中的高斯模型均在每个限定方框内训练获取，所以提高了算法的自适应性和预 处理的准确性。
【发明内容】
[0019] 本发明的目的在于提供一种双点辅助定位的移动终端掌纹认证方法，该方法设计 并实现了移动终端掌纹认证的主界面和拍摄界面的布局，以及界面的按钮和对应功能；设 计了辅助点和限定方框的位置和结构;设计了在限定方框内，根据自适应两次分割结果进 行指间谷底点检测的方法。
[0020] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方法:一种双点辅助定位的移动终端掌纹 认证方法，其步骤如下： (1) 启动移动终端程序，在主界面选择"注册"或"认证"； (2) "注册"和"认证"按钮均转向拍摄界面，界面包括返回按钮，用于返回主界面;摄像 头切换按钮，用于自由切换前置或后置摄像头拍照；闪光灯开启按钮，用于在黑暗环境自动 开启或手动开启闪光灯；左右手切换按钮，用于选定左右手，切换两个辅助点的位置，并且 图标可以左右镜像翻转，使其与屏幕显示手掌方向一致;帮助按钮，用于显示拍摄采集的提 示说明；拍照按钮，首次"注册"时，点击拍照按钮后，将提取的掌纹特征模板保存于移动终 端内部存储；"认证"时，点击拍照按钮后，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，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； (3) 预览时，由屏幕显示两个十字叉形的中心构成"辅助点"，以两个辅助点为中心，绘 制两个正方形边框作为"限定方框"；拍摄手部图片时，食指和中指、无名指和小指之间的两 个指间谷底点位于两个限定方框内，并尽量与两个辅助点对准； (4) 拍摄时用户习惯将中指指向图片上方，因此，限定方框底部一般为手部区域，统计 此手部区域的Cb(蓝色色度）、Cr(红色色度)两个分量的均值和协方差矩阵;为了避免背景 区域的过分割，建立高斯肤色模型设定肤色似然度阈值，分割限定方框内的肤色区域； (5) 对分割出的肤色区域再次统计Cb、Cr两个分量的均值和协方差矩阵，自适应估计 高斯肤色模型参数，在限定方框内通过肤色似然度阈值分割出准确的手部区域； (6) 根据两个限定方框内分割的手部区域，检测两个指间谷底点，建立坐标系，裁剪出 掌纹感兴趣区域，并提取B0CV(binary orientation co-occurrence vector)特征模板用 于认证。
[0021] 本发明所述分为首次注册、认证和再次注册三种模式，可以自由切换前后置摄像 头，在黑暗环境可手动或者自动开启闪光灯； 可以自由设置左右手，切换两个辅助点的位置，并且图标可以左右镜像翻转，使其与屏 幕显示手掌方向一致； 手部食指和中指、无名指和小指之间的两个指间谷底点尽量对准两个辅助点，并保证 在限定方框内； 选取方框底部矩形区域，根据高斯肤色模型肤色似然度阈值进行首次分割，对首次分 割的区域自适应估计高斯肤色模型参数，再次通过肤色似然度阈值分割，在限定方框内分 割出完整的手部区域； 根据两个限定方框内分割的手部区域，检测两个指间谷底点，建立坐标系，裁剪出掌纹 感兴趣区域，并提取特征模板。
[0022]本发明所述的掌纹预处理辅助信息包括辅助点和限定方框。两个十字叉的中心构 成辅助点，以两个辅助点为中心，绘制两个正方形边框作为限定方框。
[0023]本发明所述用户配合辅助定位，要求拍摄时两个指间谷底点放置于两个限定方框 内，并尽量与两个辅助点对准。
[0024] 本发明所述在限定方框内进行手部区域分割，并检测指间谷底点，要求通过两次 分割，首次分割出不完整但未包含背景干扰的手部区域，第二次分割出完整的手部区域。
[0025] 本发明所述B0CV特征模板为当前国际先进的掌纹特征编码方案，参考文献为Ζ Η Guo, D Zhang, L Zhang, et al. Palmprint verification using binary orientation co-occurrence vector[J]. Pattern Recognition Letters,2009,30(13):1219-1227〇
[0026] 本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点： (1)由于设计了摄像头切换按钮，可以自由切换使用前置或后置摄像头拍照；由于设计 了闪光灯开启按钮，可以在黑暗环境自动开启或手动开启闪光灯；由于设计了左右手切换 按钮，可以选定左右手，切换两个辅助点的位置，使拍摄过程手掌的摆放姿势更为舒适，并 且图标可以左右镜像翻转，使其与屏幕显示手掌方向一致。
[0027] (2)由用户配合辅助点放置手部位置。因为设定了限定方框，为用户指间谷底点的 放置位置保留了一定的自由度。由限定方框初步锁定了指间谷底点的搜索区域，大大简化 了搜索的复杂度，提高了抵御背景干扰的鲁棒性和定位的准确性。
[0028] (3)在限定方框内由先验知识，通过高斯肤色模型训练，自适应确定肤色模型参 数，提高了分割算法对不同拍摄器件、光照等因素差异的自适应性。
[0029] (4)通过两次训练的肤色模型进行两次分割，提高了限定方框内手部区域分割的 准确性和完整性。
[0030] (5)在移动终端采集手部图片时，采用"辅助点"和"限定方框"，缩小了指间谷底点 的搜索范围，增强了掌纹预处理抵御复杂条件诸多干扰因素的鲁棒性，提高了移动终端掌 纹认证的准确性和实用性。
【附图说明】
[0031] 图1本发明的主界面。
[0032]图2本发明的拍摄界面。
[0033]图3本发明在限定方框内手部区域分割的效果图。
[0034] 图4本发明掌纹感兴趣区域定位示意图。
【具体实施方式】
[0035] 本发明采用如下方案，双点辅助定位的移动终端掌纹认证方案，下面结合附图和 实施案例对本发明进行详细描述。
[0036] (1)启动自主设计、开发和实现的移动终端程序，在主界面(如图1)选择"注册"或 " Μ 、~Τ，， 认证。
[0037] (2) "注册"和"认证"按钮均转向拍摄采集界面(如图2)。拍摄界面包括返回按钮， 用于返回主界面;摄像头切换按钮，用于自由切换使用前置或后置摄像头拍照；闪光灯开启 按钮，在黑暗环境自动开启或手动开启闪光灯，闪光灯仅对后置摄像头有效;左右手切换按 钮，可以选定左右手，切换两个辅助点的位置，并且图标可以左右镜像翻转，使其与屏幕显 示手掌方向一致;帮助按钮，显示拍摄采集的提示说明。若定义坐标原点位于左上角，向右 为JT轴正方向，向下为7轴正方向。根据手掌自由摆放时的角度，若右辅助点高于左辅助 点，两个辅助点连线的倾斜角度为-5° ;若右辅助点低于左辅助点，两个辅助点连线的倾斜 角度为-175°。首次"注册"时，点击拍照按钮后，将提取的掌纹特征模板保存于移动终端内 部存储。"认证"时，点击拍照按钮后，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，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。
[0038] (3)由预览屏幕中两个十字叉形的中心构成辅助点，以两个辅助点为中心，绘制 两个正方形边框作为限定方框。令屏幕高度为Η，屏幕宽度为W，短边为Min=min(H，W)，如果 右辅助点高于左辅助点，那么左辅助点的位置U，7 ) = ((W_Min/3)/2，H/3)，右辅助点 的位置U，7 ) = ((W-Min/3)/2+Min/3，H/3-INT(tan5°XMin/3));如果右辅助点低于左 辅助点，那么左辅助点的位置U，7 ) = ((W-Min/3)/2，H/3-INT(tan5°XMin/3))，右辅 助点的位置U，7 ) = ((W-Min/3)/2+Min/3，H/3)。限定方框边长为INT(Min/9)<JNT( ·) 为取整函数。为了保证限定方框中心为十字叉形的中心（单个像素），将边长设定为与INT (Min/9)最接近的奇数。拍摄手部图片时，用户的食指和中指、无名指和小指之间的两个指 间谷底点位于两个限定方框内，并尽量与两个辅助点对准。
[0039] (4)将图像从RGB彩色空间转换至IjYCbCr彩色空间，分离出亮度分量Y。拍摄时用户 习惯将中指指向图片上方，因此，方框底部矩形(矩形的高度占限定方框边长的1/4,宽度为 限定方框边长)一般为手部区域(如图3(a))，统计此手部区域的Cb(蓝色色度）、Cr(红色色 度)两个分量的均值和协方差矩阵。为了避免背景区域的过分割，通过高斯肤色模型，设定 肤色似然度阈值为10- 3,首次分割限定方框内的肤色区域(如图3(b))。
[0040] 由高斯模型计算肤色似然度的过程如下。
[0041] (a)统计Cb、Cr两个分量的均值C/??、C ，构成均值向量m。
m=( Cbm , Crm) (3) 其中Z表示像素个数。
[0043] (b)统计Cb、Cr两个分量的协方差矩阵C。
[0044] =E[ (x_m) (x_m)勹 (4) 其中x=(C7?，Cr )表示一个像素点的Cb和Cr的特征向量。
[0045] (c)肤色似然度的计算公式为： p{ Cb , Cr)=exp[-0.5(x-m)ir C_1(x_m)] (5) (5)对分割出的肤色区域再次统计Cb、Cr两个分量的均值和协方差矩阵，通过高斯肤 色模型，设定肤色似然度阈值为10-6,在限定方框内分割出准确完整的手部区域（如图3 (c))〇
[0046] (6)在两个限定方框内，沿手部和背景的边界搜索最下方的边界点作为检测出的 两个指间谷底点A和B，连接A、B，以AB中点C为原点，过点C，向图像下方做⑶垂直于AB，CD= 0.3 XAB。点D为感兴趣区域正方形平行于AB并且距离AB更近的边的中点，正方形的边长设 定为AB的长度(如图4)。根据上述条件裁剪出掌纹正方形的感兴趣区域，并将感兴趣区域缩 放为128X128的统一尺寸，提取B0CV(binary orientation co-occurrence vector)特征 模板。
[0047] (7)尽管由用户配合将两个指间谷底点尽量与两个辅助点配准，但实际指间谷底 点的位置和辅助点的位置仍存在偏差，因此有必要在限定方框内进行手部分割和准确定 位。可以直接使用辅助点位置作为指间谷底点，或经过二次分割检测出指间谷底点，表1对 比了两种方式下由指间谷底点建立坐标系，定位感兴趣区域提取B0CV的认证性能，由等错 误率指标衡量。使用本发明的移动终端程序，采集了 10个手掌，每个手掌3个样本，建立了 30 个样本的小型数据库用于验证。经比较，由二次分割检测的指间谷底点位置准确，等错误率 低。
[0048] 表1指间谷底点辅助点直接定位和二次分割定位认证性能
【主权项】
1. 一种双点辅助定位的移动终端掌纹认证方法，其特征在于方法步骤如下： (1) 启动自主设计、开发和实现的移动终端掌纹认证程序，在主界面选择"注册"或"认 证"； (2) "注册"和"认证"按钮均转向拍摄界面，界面包括返回按钮，用于返回主界面;摄像 头切换按钮，用于自由切换前置或后置摄像头拍照；闪光灯开启按钮，用于在黑暗环境自动 开启或手动开启闪光灯；左右手切换按钮，用于选定左右手，切换两个辅助点的位置，并且 图标可以左右镜像翻转，使其与屏幕显示手掌方向一致;帮助按钮，用于显示拍摄采集的提 示说明；拍照按钮，首次"注册"时，点击拍照按钮后，将提取的掌纹特征模板保存于移动终 端内部存储；"认证"时，点击拍照按钮后，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，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； (3) 预览时，由屏幕显示两个十字叉形的中心构成"辅助点"，以两个辅助点为中心，绘 制两个正方形边框作为"限定方框"；拍摄手部图片时，食指和中指、无名指和小指之间的两 个指间谷底点位于两个限定方框内，并尽量与两个辅助点对准； (4) 拍摄时用户习惯将中指指向图片上方，因此，限定方框底部一般为手部区域，统计 此手部区域的Cb(蓝色色度）、Cr(红色色度)两个分量的均值和协方差矩阵;为了避免背景 区域的过分割，建立高斯肤色模型设定肤色似然度阈值，分割限定方框内的肤色区域； (5) 对分割出的肤色区域再次统计Cb、Cr两个分量的均值和协方差矩阵，自适应估计 高斯肤色模型参数，在限定方框内通过肤色似然度阈值分割出准确的手部区域； (6) 根据两个限定方框内分割的手部区域，检测两个指间谷底点，建立坐标系，裁剪出 掌纹感兴趣区域，并提取BOCV(binary orientation co-occurrence vector)特征模板用 于认证。2. 根据权利要求1所述的一种双点辅助定位的移动终端掌纹认证方法，其特征在于： 分为首次注册、认证和再次注册三种模式，可以自由切换前后置摄像头，在黑暗环境可 手动或者自动开启闪光灯； 可以自由设置左右手，切换两个辅助点的位置，并且图标可以左右镜像翻转，使其与屏 幕显示手掌方向一致； 手部食指和中指、无名指和小指之间的两个指间谷底点尽量对准两个辅助点，并保证 在限定方框内； 选取方框底部矩形区域，根据高斯肤色模型肤色似然度阈值进行首次分割，对首次分 割的区域自适应估计高斯肤色模型参数，再次通过肤色似然度阈值分割，在限定方框内分 割出完整的手部区域； 根据两个限定方框内分割的手部区域，检测两个指间谷底点，建立坐标系，裁剪出掌纹 感兴趣区域，并提取特征模板。
【文档编号】G06F21/32GK106096370SQ201610433398
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月18日
【发明人】冷璐, 曹奎顺, 饶铭敏, 袁明汶, 王天华, 陈荦祺
【申请人】上海市数字证书认证中心有限公司