一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統的製作方法
2023-06-02 15:29:56
一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統，包括指靜脈圖像採集傳感器，指靜脈圖像處理模塊，指靜脈圖像識別模塊、存儲單元，微控制單元，系統供電單元，執行模塊和人機界面。指靜脈圖像採集傳感器包括U型槽手指接觸玻璃、混光膜、808nm雷射二極體、808nm幹涉濾光片、聚焦透鏡、透鏡卡筒、CMOS成像傳感器、電路系統和外封裝殼。808nm紅外光混光後照射手指，被血液中的脫氧血紅蛋白吸收，使反射透過808nm幹涉濾光片後聚焦成像在CMOS上的圖像呈現陰影區，再對所獲得圖像進行處理，建立指靜脈特徵資料庫，設定相似度閾值，通過對待測指靜脈數據與特徵資料庫中的指靜脈數據匹配來識別待測者。本系統採用808nm雷射二極體，其發光功率大、穿透能力強、探測信號強。
【專利說明】一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於生物特徵識別領域，尤其是指靜脈識別領域，具體涉及一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著計算機技術和其他相關領域的發展，信息安全越來越為人們所關注，而身份認證和身份識別是整個信息安全體系中，最重要也是最基礎的部分。由於人的身體特徵是不可複製且不隨時間更變的，生物特徵識別技術開始成為身份認證的主要研究方向，但目前它依然處在一個逐步成熟、普及應用的階段上。生物特徵識別技術最大的特點是:唯一性、安全性和便捷性，如人臉識別、虹膜識別和指紋識別為用戶身份認證提供了安全、方便、有利的途徑，特別是指紋識別被越來越廣泛的運用在如門禁、企業考勤管理系統安全認證等領域。
[0003]現行的生物特徵識別技術如指紋識別，人臉識別等都屬於人的外部特徵識別:一方面，這些特徵容易被人偽造，如指紋膜或是人臉面膜等:另一方面，使用者面部的位置與周圍的光環境等都對面部識別有較大影響，而指紋識別也無法避免幹、溼和髒手指，或部分用戶手指表層脫落及疤痕的影響。虹膜識別，作為一種需要物理性接觸式生物特徵識別技術，能提供數量較多的特徵點且受環境影響小，是精確度最高的生物識別技術之一，對於高信度的身份鑑別而言，是最為理想的；但因其傳感器價格居高不下，還無法面向社會廣泛推廣使用。
[0004]指靜脈識別的原理是，因為血液中的脫氧血紅蛋白對近紅外光線700_1000nm波段有吸收作用，將具有紅外線感應度的小型成像系統對著手指進行攝影，就可從陰影處提取出指靜脈血管的圖像，再把獲取的圖樣進行數字處理，製成血管圖樣影像。指靜脈識別系統首先通過指靜脈圖像採集傳感器獲取指靜脈分布圖，對指靜脈分布圖進行預處理再依據專用比對算法提取特徵值建立指靜脈特徵資料庫，最後把採集的待測指靜脈圖像與存儲在資料庫中指靜脈特徵點比對，採用複雜的匹配算法對指靜脈特徵進行匹配，從而對個人進行身份鑑定，且全過程採用非接觸式
[0005]由於指靜脈分布藏匿於身體內部，屬天賦密碼，不會遺失遺忘，不存在仿製或失竊的風險，人人各異且不隨時間變化，圖像獲取方式為非接觸式，不受外界環境的影響。相對指紋識別和人臉識別而言，指靜脈識別具有更高的實時識別率；而相對於虹膜識別來講，指靜脈識別傳感器價格中等，有利於推廣；相對於掌靜脈識別來講，指靜脈識別傳感器結構簡單，尺寸小，更易實現小型化、集成化。
【發明內容】
[0006]為了克服上述現有技術缺點，本實用新型的目的在於提供一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統，該系統的指靜脈圖像採集傳感器穿透能力強，探測信號強，信噪比高。
[0007]本實用新型所採用的技術方案是:一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統，系統包括指靜脈圖像採集傳感器，指靜脈圖像處理模塊，指靜脈圖像識別模塊、存儲單元，微控制單元，系統供電單元，執行模塊和人機界面；其中指靜脈圖像採集傳感器由U型槽手指接觸玻璃、混光膜、808nm雷射二極體、808nm幹涉濾光片、聚焦透鏡、透鏡卡筒、CMOS成像傳感器、電路系統、和外封裝殼組成；其大體結構為U型槽手指接觸玻璃位於整個指靜脈圖像採集傳感器上表面，混光膜鍍在U型槽手指接觸玻璃的兩斜面，距離兩鍍膜斜面內側2~5mm處固定放置2行乘2列的808nm雷射二極體，陣列808nm雷射二極體通過連接底面電路系統獲得系統供電，在距離U型槽手指接觸玻璃水平面下表面5_左右處固定安置透鏡卡筒，透鏡卡筒上端固定808nm幹涉濾光片，把聚焦透鏡固定安置在透鏡卡筒中部，聚焦透鏡正下方放置CMOS成像傳感器，CMOS成像傳感器固定在電路系統上，電路系統固定在封裝殼底部；指靜脈圖像識別模塊、儲存單元通過微控制單元與指靜脈圖像採集傳感器連接；指靜脈圖像採集傳感器通過USB接口與指靜脈圖像處理模塊相連接；指靜脈圖像處理模塊通過USB接口與指靜脈圖像識別模塊、存儲單元連接；微控制單元通過USB接口分別與系統供電單元、執行模塊和人機界面連接。
[0008]所述的808nm雷射二極體輸出功率為200mW，發射波長為808nm±3nm，工作電流≤250mA，工作電壓≤1.2V。
[0009]所述的CMOS成像傳感器通過CPLD驅動來獲取指靜脈圖像。
[0010]所述的微控制單元選用Cortex_M3作為主控晶片，所述的接口單元採用RS232接口，整個系統採用5V直流供電。
[0011]本實用新型的有益效果是:
[0012]1.採用808nm雷射二極體，發光功率大，保證採集圖像不容易受環境溫度和光的影響；穿透能力強，能明顯減弱所採集圖像的不均勻光的陰影；
[0013]2.採用808nm幹涉濾光片濾光,提高系統信噪比。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0015]圖1為本實用新型的指靜脈圖像採集傳感器結構示意圖；
[0016]圖2為本實用新型的系統結構框圖；
[0017]圖3為本實用新型指靜脈識別流程圖；
[0018]附圖中:1為U型槽手指接觸玻璃；2為混光膜；3為808nm雷射二極體；4為808nm幹涉濾光片；5為聚焦透鏡；6為CMOS成像傳感器；7為電路系統；8為透鏡卡筒；9為外封裝殼；10為手指。
【具體實施方式】
[0019]以下結合本實用新型的結構原理和工作原理作詳細說明:
[0020]如圖1所示，指靜脈圖像採集傳感器，包括U型槽手指接觸玻璃1、混光膜2、808nm雷射二極體3、808nm幹涉濾光片4、聚焦透鏡5、CMOS成像傳感器6、電路系統7、透鏡卡筒8和外封裝殼9組成。人的手指10置於U型槽手指接觸玻璃I表平面上;U型槽手指接觸玻璃I位於整個指靜脈圖像採集傳感器上表面；混光膜2鍍在U型槽手指接觸玻璃I的兩斜面，起到勻光和採集平臺的作用；距離兩鍍膜斜面內側2~5mm處固定放置2行乘2列的808nm雷射二極體3 ;陣列808nm雷射二極體3通過連接底面電路系統7獲得系統供電；在距離U型槽手指接觸玻璃I水平面下表面5mm左右處固定安置透鏡卡筒8 ;透鏡卡筒8上端固定808nm幹涉濾光片4，避免可見光進入採集設備，進一步保證了採集圖像不會受環境光的影響；把聚焦透鏡5固定安置在透鏡卡筒8中部；聚焦透鏡5正下方放置CMOS成像傳感器6 ；CM0S成像傳感器6固定在電路系統7上；電路系統7固定在外封裝殼9底部。用808nm的雷射二極體照射手指，在四個雷射二極體(即LD陣列)同時工作時，U型槽手指接觸玻璃上的溫度能達到37°C左右，而在這個溫度能充分的保證手指血管的正常擴張狀態，因此無論是在什麼溫度下採集，採集的手指靜脈的結構穩定；雷射二極體光線的穿透能力強，採集圖像的不均勻光的陰影能得到明顯的減弱；雷射二極體的大功率還能保證採集圖像不容易受環境光的影響。透明混光膜鍍在凹槽雙斜面內側，起到勻光和採集平臺的作用；808nm幹涉濾光片避免可見光進入採集設備，進一步保證了採集圖像不會受環境光的影響；由於紅外光照射在人手指上時，血液中的脫氧血紅蛋白對近紅外光線700-1000nm波段的吸收作用，反射通過聚焦透鏡而進入CMOS成像傳感器的圖像將會產生陰影部分，就可從陰影處提取出指靜脈血管的圖像。
[0021]如圖2所示，一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統框圖，包括指靜脈圖像採集傳感器，指靜脈圖像處理模塊，指靜脈圖像識別模塊、存儲單元，微控制單元，系統供電單元，執行模塊和人機界面。由指靜脈圖像採集傳感器採集指靜脈血管造影圖像，通過USB接口傳遞給指靜脈圖像處理模塊，將處理好的圖像通過USB接口傳遞給PC機並與原本存儲在PC機中的指靜脈特徵圖像進行匹配，把匹配結果通過微控制器傳遞給人機界面和執行模塊，整個系統通過MCU控制下的系統供電單元獲得供電。
[0022]如圖3所示，指靜脈識別流程圖。
[0023]步驟一為對指靜脈圖像進行預處理:採用基於方向場的背景分離方法，首先通過Sobel算子計算圖像中每個像素點的梯度，然後將圖像分割成大小相等的重疊區域，進而計算每一個子區域的統計梯度，然後設定一個閾值，並結合統計梯度，計算出背景圖像的邊緣，最後，將有效的指靜脈圖像部分提出出來，達到背景分離的效果。
[0024]步驟二為對指靜脈圖像進行歸一化處理:根據像素點的灰度分布，採用直方圖的方法，將指靜脈圖像由小區域的值歸一化到[0，1]這個區間，以方便計算。
[0025]步驟三為對指靜脈圖像進行圖像增強:採用NiBlack算法對圖像進行增強，考慮到CMOS圖像傳感器自身及電路的噪聲問題，為了提高信噪比，我們採用最大-最小濾波器對有效的歸一化後的圖像進行濾波。
[0026]步驟四為對指靜脈圖像進行後期處理:一是消除圖像中的一些孤立的區域，這些區域在指靜脈圖像中表現為空洞或斑點。對於這些區域，我們採取連通區域消去法對他們進行處理；二是「毛刺」修剪，所謂「毛刺」就是圖像獲取或前面的圖像處理步驟中造成的指靜脈線不光滑的現象，如果不消除它，會對後面的特徵提取算法帶來很大的影響，採用一種基於最小生成樹的毛刺修剪算法，基本可以消除指靜脈線上面的毛刺。
[0027]步驟五為二值化和提取指靜脈特徵:特徵提取主要提取指靜脈圖像中的交叉點和端點，由於我們是在二值圖像上操作，因此我們可以在3X3的鄰域內完成該項工作，在該鄰域內，我們只需要計算O和I的交換次數就可以將交叉點和端點提取出來。
[0028]步驟六為建立指靜脈特徵資料庫:存儲指靜脈特徵數據，對相應的指靜脈特徵用競爭編碼方式建立編號和索引；
[0029]步驟七為指靜脈特徵匹配:設置相似度閾值，將待測人員指靜脈與特徵數據存儲庫中的指靜脈特徵點進行1:1或1: N的匹配。1:1匹配是指採集到的指靜脈特徵和資料庫中指定編號的指靜脈特徵進行匹配，速度快(用於判定)；1: N匹配是採集到的指靜脈和資料庫中所有的指靜脈特徵進行匹配(用於識別)，如果匹配成功，給出匹配成功的指靜脈在資料庫中的編號。在本系統中，我們採用基於Hausdorff距離的匹配算法。
[0030]步驟八將匹配後的結果通過微控制單元反饋給人機界面和執行模塊。
【權利要求】
1.一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統，系統包括指靜脈圖像採集傳感器，指靜脈圖像處理模塊，指靜脈圖像識別模塊、存儲單元，微控制單元，系統供電單元，執行模塊和人機界面；其中指靜脈圖像採集傳感器由U型槽手指接觸玻璃、混光膜、808nm雷射二極體、808nm幹涉濾光片、聚焦透鏡、透鏡卡筒、CMOS成像傳感器、電路系統、和外封裝殼組成；其特徵在於，U型槽手指接觸玻璃位於整個指靜脈圖像採集傳感器上表面，混光膜鍍在U型槽手指接觸玻璃的兩斜面，距離兩鍍膜斜面內側2~5mm處固定放置2行乘2列的808nm雷射二極體，陣列808nm雷射二極體通過連接底面電路系統獲得系統供電，在距離U型槽手指接觸玻璃水平面下表面5mm左右處固定安置透鏡卡筒,透鏡卡筒上端固定808nm幹涉濾光片，把聚焦透鏡固定安置在透鏡卡筒中部，聚焦透鏡正下方放置CMOS成像傳感器，CMOS成像傳感器固定在電路系統上，電路系統固定在封裝殼底部；指靜脈圖像識別模塊、儲存單元通過微控制單元與指靜脈圖像採集傳感器連接；指靜脈圖像採集傳感器通過USB接口與指靜脈圖像處理模塊相連接；指靜脈圖像處理模塊通過USB接口與指靜脈圖像識別模塊、存儲單元連接；微控制單元通過USB接口分別與系統供電單元、執行模塊和人機界面連接。
2.如權利要求1所述一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統，其特徵在於，所述的808nm雷射二極體輸出功率為200mW，發射波長為808nm±3nm，工作電流≤250mA，工作電壓(1.2V。
3.如權利要求1所述一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統，其特徵在於，所述的CMOS成像傳感器通過CPLD驅動來獲取指靜脈圖像。
4.如權利要求1所述一種基於808nm雷射的指靜脈識別系統，其特徵在於，所述的微控制單元選用Cortex-M3作為主控晶片，所述的接口單元採用RS232接口，整個系統採用5V直流供電。
【文檔編號】G06K9/20GK203733135SQ201420100703
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】王璐, 裘燕青, 黃杰 申請人:中國計量學院