近红外手背静脉识别装置

匡鹿婷

郑州大学物理工程学院，河南郑州　450000

近红外手背静脉识别装置

匡鹿婷

郑州大学物理工程学院，河南郑州450000

基于静脉识别技术实现新一代的身份识别装置，突出唯一性，保密性强的特点，抗伪造能力强。主要使用采集装置以及图像处理装置，期间经过预处理，特征值提取，去杂，匹配识别等过程，从而进行身份识别。

静脉识别；特征值提取；匹配识别

在科学飞速发展的今天，高楼林立，工厂遍地，当温饱问题和精神文明达到一定境界后，人们开始对自己的安全以及隐私问题提出越来越高的要求。公司财产是否安全，军事机密是否安全，以及具体细化到各个普通家庭财产是否安全。提到这些安全问题，我们首先想到的就是进行身份识别，只有是自己或者可信赖的人才能获得允许的权限。

而说到身份识别，我们不得不对现有的身份识别方式进行分析和比较。我们最常见的传统身份识别方式即为ID卡识别，例如，刷门禁，身份证等，优点是价格低廉，但是存在严重的缺点，易丢失，易复制，易被盗窃冒用，失败率高等。为了弥补ID卡识别的缺陷，应运而生了指纹识别，首次将高科技与生物识别相结合，是识别技术的一个里程碑，但是指纹识别局限性较大，例如，手指指纹处皮肤破损消失等情况，会使身份识别失败，同时也避免不了复制造假的现象，市场上随处可见的指纹膜等产品使指纹造假更为普遍。除此之外，指纹识别还不能判断是否为活体识别，电影大片里面杀人灭口取死者手指进行身份识别成功的事情也可能发生。比之更先进的虹膜识别技术产生并克服了指纹识别的区别，但是虹膜识别的成本以及设施过于昂贵，使得它的应用至今还不能普及。包括人脸识别技术也存在各种问题，如识别率低下，易出错，可变性差等。

因此，我们研究手背静脉识别装置去克服这些缺点，并且满足人们对安全的需求。手背静脉识别为活体识别，且凭借不会丢失，不能被复制，准确性高，识别率高等特点被越来越多的人所关注，它克服了传统ID卡识别，指纹识别，虹膜识别等缺点。但是，在国内，这方面的研究还处于起步和试验阶段，我们可以把它应用到各个领域，家庭、军事、公司、医疗等，我们有理由相信，由于手背静脉识别低廉的成本，突出的优点，将会在安全领域成为新的宠儿。

1）科学先进性

（1）指纹识别具有一定的局限性，适用人群受到很大限制。如手指因为外伤而出现指纹处皮肤破损等现象，或者手指有污物时，会使所成图片模糊不清晰，以致身份识别失败，识别率会大幅下降。而静脉位于人体皮肤下面，可以避免发生上述情况。

（2）虹膜验证为侵入式验证，容易使人产生心理抗拒，且成本昂贵。而静脉识别装置使用起来十分方便，与虹膜识别相比，更轻松自在，因为它是非侵入式，所以不会让人在心理上产生排斥。

（3）非生物式的身份认证如门禁卡、智能IC卡、信用卡密码、口令密码等具有易丢失、易遗忘、易伪造等缺点。而人体的毛细血管形状、结构分布具有独一无二、不易丢失等特点。

2）优点

（1）手背静脉特征具有很好的普遍性和唯一性。解剖学著作Gray's Anatomy（《格式解剖学》）已经证明，个体的手背静脉在形成、发育生长过程中具有很强的唯一性，手背静脉身份识别技术即使是双胞胎或者同一个人的左右手，也会因为发育过程的随机性导致手背静脉分布结构的差异。当人体发育成熟，20岁后手背静脉的分布结构除非进行手术或药物作用，否则不再变化，因此手背静脉作为一种新的生物特征是可行的。

（2）活体识别特性和内部特性。由于血液和皮下脂肪对近红外光的吸收率不同，通常采用近红外反射成像，获得对比度清晰的手背静脉纹理图像，进而完成特征提取与识别研究。另外，手背静脉血管位于体表内部，不易受到污染和划伤等外界因素的影响，所以手背静脉很难被仿造，安全性较高。

（3）近红外反射成像设备属于非接触类型，且造价低廉，用户和制造商容易接受。在部分国家特别是日本、韩国和新加坡等，手背静脉识别产品如韩国的VP-II和日本富士通的Palm Secure，都已经进入了实用领域。

3）发展历程

静脉识别技术起源于20世纪80年代。柯达公司的一位工程师Joe Rice基于条形码技术，研究得出的人类条形码阅读器——静脉识别，并申请了相应专利并将专利使用权分配给BTG（英国技术集团）。然而之后静脉识别的发展并不顺利。BTG在这项技术上，一直未取得很好进展，到了20世纪90年代BTG表示放弃与静脉识别相关的商业活动。

Joe并未放弃，他在谷歌生物峰会上再次发表演讲，阐述他将如何发展静脉识别。

在2002年日立和富士通推出静脉识别装置，证实了Joe的理论，并且证明了静脉是最一致，最无歧义并且准确的生物特征。

1　静脉识别装置基本原理以及相关技术

1.1系统整体框架图

本系统采用图像拍摄及收集装置（采集装置）以及处理及控制装备（计算机软件）2部分组成。采集装置用于图像收集以及光源提供以及控制；计算机软件用于接收图像，处理图像并产生对比验证结果，同时对光源有控制作用，以增强图片清晰度。俩者之间通过USB接口，进行数据传输。

1.2采集装置

1.2.1静脉图像的获取

静脉识别是基于近红外成像的原理来获取静脉图像，根据近红外成像技术，近红外光的入射波长为700nm～1000nm之间，它可以透过约3mm厚的肌肉组织。

红外图像采集是根据人体肌肉骨骼以及组织的吸收特性，当红外光照射手时，静脉血管中的血色素相比于皮下的其他组织能吸收更多近红外光，因此静脉血管反射的光线相比其他组织反射回的光线，传感器接受的更少。由传感器接受的反射光线强弱的不同，从而形成静脉纹路分布的图像，从而得到静脉图像。

此外人体静脉血液中的还原血蛋白对近红外光的吸收特性来实现，手掌皮肤对光的吸收和散射特性在不同波长的入射光下是不同的。

1.2.2系统接口

静脉的红外图像要传送入计算机，就需要提供相应接口，并且该接口应具有高速传输信息的能力，考虑到USB在传输速度以及便捷灵活方面的性能优于其他的接口，因此该传输接口将选用USB接口作为传输接口电路。

1.3静脉图像处理

1.3.1预处理阶段

主要目的为选取有效区域，方便静脉图像采集。

1）得到静脉图。

2）依次计算出手背轮廓的点到手腕中心点的距离。

3）得到距离图像，利用图像凹点处确定的线段取正方形像素块，即得到了我们所需要的有效区域。

1.3.2静脉图像处理

1）静脉特征提取。采取有效区域图像，获得静脉图像，得到静脉特征。

2）静脉图像去杂。黑色图案的边缘存在微小的突起和凹陷，称为毛刺。针对这种情况，我们采用的方法是中值滤波法，它是一种非线性处理的方法。对于零均值的正态分布噪声输入，中值滤波输出的噪声方差。

1.3.3匹配识别

静脉特征的匹配主要根据提取到的静脉特征来判断取舍，匹配过程采用了相关算法，具体的算法采用主要是根据提取到的特征图像来进行处理。

在提取到静脉图像的频域信息后，直接利用频域的相关算法来进行匹配识别。

2　使用方法及应用领域

1）手背静脉图像入库，并输入身份信息。

2）程序自动扩充图库，将新入库的图像与信息处理并存储。

3）通过手背静脉进行身份识别。

军事公安、案件侦查、工业安全、生物医学、多媒体系统管理和日常的医院、银行、酒店、超市商场付款、网络传输、交通信息现场管理等。这就预示着生物特征识别未来的发展前景将相当广阔，而我们所研究的手背静脉识别技术作为第2代生物特征识别技术的代表，以其在速度、稳定性、安全性与隐秘性等方面的优势，已成为众多发达国家的第2代身份认证技术的主流研究方向。

3　当前国内外同类课程研究水平概述

单就静脉识别研究和商用系统而言，日本和韩国都是走在世界的前列，静脉识别的鼻祖公司就是日本日立公司。

近几年，此项技术影响到了海外市场，上海浦东国际金融中心就是采用了手指静脉识别系统作为登楼身份管理系统。除了日立公司，日本富士通公司也是这一行业的佼佼者，该公司也推出了一款笔记本手掌静脉纹路识别系统。

而在韩国，NEXTERN公司推出了BK100BK200S BK300BK500四套BK系列手背静脉识别系统，其中BK100BK200SBK300都投入了市场。除此之外，韩国的Techsphere公司以及新加坡VEID公司、长春鸿达公司、深圳科安信有限公司、哈尔滨工业大学、清华大学等也积极参与静脉识别技术研发之中。

在国内，从2002年开始，清华大学的林喜荣等发表了多篇文章，自主设计了近红外血管图像采集仪，提取血管造影的原始图像，并对采集到的图像进行归一化和增强处理，对特征提取和特征匹配算法进行了初步的研究。在2006年，他们利用分水岭算法提取特征点，并使用二阶矩和统计的方法进行多分辨率滤波得到多维特征向量。

［1］王一丁.手背静脉身份识别技术［M］.北京：科学出版社，2015.

［2］科学网.静脉识别：开启“后指纹”时代.

［3］WilliamKennedy，季欣楠.国际生物识别技术及其发展趋势.中国公共安全，2005（2）：119-121.

［4］Test technology technical committee of the IEEE computer society.IEEE Standard Test Access Port and Boundary Scan Architecture.IEEE Std1149.1-1990［S］，1990.

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1674-6708（2016）166-0183-02

匡鹿婷，郑州大学物理工程学院。