手指静脉识别技术研究

哈尔滨工程大学

硕士学位论文

手指静脉识别技术研究

姓名：袁智

申请学位级别：硕士

专业：模式识别与智能系统指导教师：王科俊

20070101

新的《２００６．２０１０年生物识别市场研究报告》中给出的数据如图１．１～１．４所示。

预计，受大量的政府项目等推动，全球生物识别产值将从２００６年的￥２．１Ｂ（ｂｉｌｌｉｏｎ）增长至２０１０年的￥５．７Ｂ（ｂｉｌｌｉｏｎ）；２００６年，指纹识别有望占到生物识别市场４３．６％的份额，面部识别约占１９％。亚洲和北美将有望成为全球最大的生物识别市场。各种生物识别应用系统的产值估计会占到整个生物识别市场（包括相关的设备生产、系统开发等）的产值的５％。

图１。１２００３－２００８年各项生物识别图１．２ＩＢＧ提供的２００５—２０１０生物技术具体增长数额识别技术产值增长趋势产业预测表明整个生物特征市场会继续增长。其中指纹识别市场仍然占据主导地位，如图１．３和１．４所示。随着科技的进步，特别是那些具有更高的识别性能的生物特征识别技术的发展，相信这种状况会改变的。

图１．３ＩＢＧ提供的２００１年生物识别图１．４ＩＢＧ提供的２００６年生物识别技术市场份额表技术市场份额表可以预见，在不久的将来，生物特征识别技术必将越来越广泛地应用于生活和工作各个领域。从过去的１０年的市场情况来看，指纹、人脸和掌型识

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国的ＮＥＸＴＥＲＮ公司最早开展研究，当然也有成型的产品在销售，如图１．５。

图１．５韩国ＮＥｘＴＥＲＮ公司的ＢＫ系列静脉产品该套静脉识别系统识别时快速且准确，解决了在生物识别界通用的通过生物统计ＩＤ号进行的比对识别问题。采用红外线ＣＣＤ摄像头采集图像，分析手背静脉图对人的身份进行识别，操作界面友好且颦实，此系统使生物识别安全级别向前更进一步。文献刚详细介绍了其中用到的静脉识别算法和具体的处理过程。

日本富士通公司在２００３年３月，宣布了他们研究的手掌静脉识别装置。这种技术通过红外线对人手掌皮下的静脉影像进行记录和分析，并据此进行身份验证。如图１．６所示：

图１．６Ｆｕｉｉｔｓｕ公司的２００３的产品图１．７Ｆｕｊｉｔｓｕ２００５年的手掌静脉产品２００５年１２月，该公司又宣布新型的手掌静脉识别产品。已经有一台手掌静脉识别系统生产完毕并且被安放在日本茨县的那珂公共图书馆中接受检验。装置如图１．７所示。

在２００５年，新加坡的南洋理工大学也有关于静脉方面的研究，并发表了一些论文【４】。与日本和韩国的产品不同的是，他们采用的是拍取手背的红热图像来提取手背的静脉，据称ＦＡＲ和ＦＲＲ都为Ｏ．Ｏ％，但环境的温度及湿度对其识别率有很大的影响。文中给出了他们拍取的照片，如图１．８所示：

图１．８新加坡的南洋理工大学拍摄的手背红热图像关于手掌静脉识别，文献【５】也给出了他们的方法。

在国内，台湾的国立中央大学在静脉方面也有所研究。Ｋｕｏ．ＣｈｉｎＦａｎ等人２００４年在文献【６ｌ中描述了一种采用手背的红热图像来获取静脉图像，文中给出的ＦＲＲ＝１．５％及Ｆ：＾Ｒ＝３．５％。

清华大学的林喜荣、庄波等人利用自行设计的近红外血管图像采集仪提取血管的原始图像，文献１７１［ｓｊ中对采集到的图像样本做归一化、增强、图像分割、细化等处理后，提取端点、交叉点等特征来进行特征比对。文献给出了６５个小范围样本的匹配实验结果，在拒真率为４．６％条件下，误识率为Ｏ％。

哈尔滨工程大学的王大振、庄大燕、丁宇航等人在文献１９４１１中也有关于手背静脉识别的研究，并发表了一些文献［１２－１４】。

以上都是基于手掌手背静脉识别的研究，在手指静脉识别方面，在国外仅有日本的同立公司有所研究，并已产品化。

日立制作所最初开发的产品是将手指伸进认证设备中进行出入管理，已２００３年９月开始销售。产品结构是：上方设置ＬＥＤ光源照射手指，在手指下方用摄影元件拍摄静脉图像如图１．９所示。

图１．９日立公司２００３年的手指静脉产品及在门禁系统中的应用然而，不断接到用户反映说：“将手指放进设备中感觉不舒服”。出于这一原因，该公司便试图开发将光源设置在手指左右以开放手指上方空间，手指放在设备上面便可以进行认证的系统，如图１．１０所示。

图１．１０日立公司改进的手指静脉产品

曰立制作所于２００４年ｌＯ月推出了用于银行窗口认证本人的丌放型设备，只限在室内使用。

以静脉图像周围的光量为准调节灵敏度，日立制作所又将阳光做为红外线的光源对设备进行了改进。阳光与以前的ＬＥＤ光源不同，其强度在不同的时间与场合有很大的差别。该公司通过随着阳光强度改变摄影元件灵敏度来将阳光当作光源使用，使得设备可以在室外使用。

在２００５年ｌＯ月举行的东京汽车展上，日立公司对外展示了这套安全系统。安装在车把手后的一个传感器利用近红外线识别一个人手指上的静脉纹理图案。车把手的独特设计能引导司机的手正好进入他们每次打开车门的位置，保证系统每次读取数据时手指静脉都在同一位置。

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图１．１１采用了手指静脉识别系统的汽车车门

２００５年１２月日立公司又将这套系统应用于笔记本电脑上面。

图１．１２笔记本上搭载手指静脉识别系统

另外，日立公司还开发出火柴盒大小的便携式手指静脉阅读器。

关于日立公司的这一系统文献㈣中ＮａｏｔｏＭｉｕｒａ等人对其采集装置的研制以及提取血管、识别对比的算法又很详细的阐述。在文献【１５１中，采用高精

第２章手指静脉图像的获取

我们知道，图像处理的第一步就是要获取图像，图像采集在整个图像处理过程中起着至关重要的作用。如果获取的图像的质量很差，则单纯用后面的软件算法是很难弥补的。所以我们的手指静脉识别系统的第一步就是设计图像的获取装置，以便获取满足实验要求的图像。

２．１手指静脉的成像原理

静脉是血管的一种，负责将含有二氧化碳及废物等随血液送回心脏处理。虽然人体器官有很多都被用于身份识别，但静脉不是光凭双眼就可轻易察觉的，识别静脉必须依赖更高的科技，非常适用于个人认证领域。

手指静脉识别是利用静脉中红血球对于特定近红外线的吸收特性来读取静脉图案。为什么选择静脉而不是动脉呢？最主要的原因就是它比动脉靠近皮肤。当近红外线照射手指时，比较容易读取到信息。而且静脉图案的样本数量够多，曲线和分枝也相当的复杂，每个人的差别十分清楚。

图２．１手指静脉的成像机理

手指静脉识别的基本原理是利用近红外线照射手指，并由图像传感器感应手指透射过来的光。其中的关键在于流到静脉红血球中的血红蛋白因照射会失脱氧份，而这个还原的血红蛋白对波长７６０ｈｍ（实验中采用８５０ｈｍ）附近的近红外线会有吸收，导致静脉部分的透射较少，在影像上就会产生静脉图案。也就是说，静脉认证是利用透射的近红外线的强弱来辨认静脉的位置。