掌紋提取方法和裝置的製作方法
2023-07-31 05:31:01
專利名稱：掌紋提取方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種掌紋提取方法和裝置。
背景技術：
生物特徵識別作為新興的身份鑑別技術，是目前國際上最具前景的高新技術之一，屬於國際前沿課題。掌紋識別是生物特徵識別技術的一個重要分支。
在用於身份驗證的掌紋識別系統中，掌紋圖像的獲取是一個重要方面，它直接影響到後續處理的難易程度和結果，進而影響系統的識別率、魯棒性和性能。過去幾十年中，有過一些基於不同想法的掌紋圖像獲取設備和掌紋識別的專利。這些掌紋圖像獲取設備的設計基本上都是在「獲取的掌紋圖像儘可能的清晰」的需求下進行的，並沒有更加具體的突顯某些特徵的需求。這樣得到的圖像能夠無偏袒地記錄手掌上的所有特徵，但這也使得其中任何一種特徵都不能得到很好的增強。最近的掌紋識別系統越來越依賴於手掌上主紋特徵的提取。這就要求掌紋圖像獲取設備能夠很好地增強主紋特徵。而現有的採集設備不具備這樣的能力。
發明內容
針對上述現有掌紋提取方法和裝置所存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種可凸顯手掌主紋特徵的掌紋提取方法和裝置。
本發明是這樣實現的一種掌紋提取方法，包括，在多個位置分別設置可凸顯不同掌紋特徵的光源；不同時刻點亮不同的光源，拍攝對不同掌紋特徵進行增強的圖像；將得到的多幅圖像進行融合，得到所有需增強特徵均得到增強的圖像。
進一步地，所述光源具體為2個。
進一步地，所述掌紋特徵具體為主掌紋特徵。
進一步地，所述圖像處理系統對兩手掌圖像進行融合的具體方法為
對於新圖像中的任一象素點p，有p＝p1×w(d1，d2)+p2×(1-w(d1，d2))，其中，p1和p2分別為圖像I1和圖像I2中對應象素點的象素值，d1和d2分別為點p到兩光源的距離；w(d1，d2)是具有以下形式的權值函數w(d1，d2)＝u(N(d1，d2))，其中，N(d1,d2)=wodd1wodd1+(2-wod)d2,0wod2;u(x)=-(12)1-pow(x-12)pow+12,x>1212,x=12(12)1-pow(12-x)pow+12,x12.]]>進一步地，所述點p到兩光源的距離具體指點p到所述光源在圖像平面的投影點的距離。
一種掌紋提取裝置，包括取像盒和置於所述取像盒底中央的攝像機，所述取像盒側壁上距攝像機最佳取像高度處設有供手掌伸入的入口，同一高度的入口對端適當距離處設置有支撐手掌的定位杆，所述取像盒內還固定有兩照明用光源，該兩光源處於與攝像機鏡頭等高的同一平面內且基本沿鏡頭中心對稱，光源和手掌待取像部分中心點的連線與鏡頭中心線的夾角在27.5-35.5的範圍內，近端光源和鏡頭中心連線與縱向中心軸的夾角在54.5-62.5的範圍內，遠端光源和鏡頭中心連線與橫向中心軸的夾角在50.5-58.5的範圍內。
進一步地，該裝置還包括與PC機連接的用於控制光源開關的分時光源控制器，該分時光源控制器包括保護電路、控制信號生成電路和執行電路三部分，保護電路對PC機和分時光源控制器起保護作用，其接收來自PC機並口的控制信號，並將它們傳遞給控制信號生成電路，由控制信號生成電路生成控制信號，驅動執行電路，點亮或者熄滅某一光源。
進一步地，所述定位杆上還設有手掌定位槽或定位凸輪。
進一步地，所述攝像機為具有數碼傳輸功能的攝像機。
本發明利用兩分時光源，在不同的光照條件下分別對手掌取像，對手掌的各主紋分別進行照射，以使攝像機將主紋拍攝得清晰，以凸顯主紋特徵。然後再應用非線性圖像融合算法，將兩幅圖像融合到一起，這樣，就把增強後的手掌的各主紋特徵融合到了一幅圖像中，提取出的紋線特徵，清晰度和完整性明顯優於以往設備。就可用這些主紋來作為識別特徵。而利用主紋特徵的唯一性可以作為個人標識去識別，非常地準確。
下面結合附圖，對本發明作出詳細描述。
圖1為本發明的結構透視圖；圖2為本發明中的手掌主紋示意圖；圖3為圖2中手掌主紋的解剖示意圖；圖4為本發明光源位置透視示意圖；圖5為本發明光源L2開啟光路示意圖；圖6為本發明光源L3開啟光路示意圖；圖7為本發明的整體結構示意圖；圖8為本發明的PC機和TSLSC之間協議結構示意圖；圖9為本發明的TSLSC電路結構示意圖；圖10為本發明u(x)函數示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括取像盒9和置於所述取像盒底中央的攝像機11，取像盒9的側壁上距攝像機11最佳取像高度處設有供手掌4伸入的入口7，這裡，入口7同高度對端適當距離處設置有支撐手掌4的定位杆6。這裡，最佳取像高度是根據攝像機鏡頭的調焦結果來確定的。
手掌表面的主紋如圖2所示，手掌一般有三條主紋1、2、3。這些主紋是皮膚表面的褶皺，其解剖結構如圖3所示。由於主紋與兩側皮膚幾何形態上的差異，它們對可見光的反射特性就存在著一定的差別，這就導致手掌圖像中兩者之間像素值的差別。本發明可以通過精心布置光源與手掌的相對位置來利用這種差別，以凸顯主紋。通過分析手掌表面的幾何特點，了解到通常手掌的最凹陷處位於2線和3線之間的區域C，因此對於3線的褶皺，它靠近區域A的一側邊沿要高於靠近區域C的一側邊沿；而對於1線和2線的褶皺，靠近區域B的一側邊沿要高於靠近區域C的一側邊沿。由此，可以建立起3線和1線、2線的光照模型。
如圖1、4所示，本發明在取像盒9內固定有兩照明用光源，該兩光源L2和L3處於與攝像機11鏡頭等高的同一平面內且基本沿鏡頭中心對稱，其具體位置如圖4所示，且與分時光源控制器8連接。若鏡頭中心為O2，手掌中心最凹陷處O1恰置放於與O2在一條豎直線上，若分別以O1、O2為原點建立兩二維水平坐標的話，各點的連線如圖所示的話，那麼兩光源的位置可這樣確定θ1和θ2的角度範圍在27.5-35.5之間；θ3的角度範圍在50.5-58.5之間；θ1的角度範圍在54.5-62.5之間。
如圖1所示，為方便手掌的定位，定位杆6上可設置有置放手指的定位槽，這樣就可保證手掌每次置放相同，每次拍攝的手掌圖像也基本相同。這裡的定位槽還可以用定位凸輪5或其他定位結構來代替。定位凸輪5為套設於定位杆6上的圓輪，以使手掌4在水平縱向定位。
這裡，本發明的光源採用黃色石英燈，這有利於凸顯手掌表面的紋理。
如圖5所示，當在上述位置安放的兩光源同時照亮手掌時，相對於3線，光源L3照射過來的光增加了進入褶皺的光線數量，從而削弱3線掌紋的增強效果；如圖6所示，同理，光源L2也將削弱1線和2線的增強效果；圖中掌紋是示意，代表1線和2線。這就要求兩光源不能同時點亮。因此本發明引入了分時光源圖像獲取的思想在光源L2照射下拍攝3線的增強圖像；在光源L3照射下拍攝1線和2線的增強圖像，然後將兩幅圖像合成，得到三條主線均被增強的掌紋圖像。合成圖像的前提是兩幅圖像中手掌的位置和形狀完全相同，這就要求被採樣者在兩幅圖像的拍攝期間保持手掌不動，顯然，這個間隔越小越好，然而實際中，光源的點亮需要一定的時間，攝像頭拍攝圖像受制於USB口的傳輸速度，也需要一定的時間。
為保證本發明拍攝效果，設計了分時光源掌紋獲取系統。如圖7所示，其中，PC機通過並口17連接TSLSC(分時光源控制器，Time-sharing Light SourceController)，來控制石英燈的亮滅；通過USB口18控制攝像頭獲取圖像，並接收圖像數據。石英燈點亮和攝像頭獲取圖像之間的同步通過程控來保證。此系統能夠得到的獲取兩幅圖像之間的最小間隔是1s。
PC機和TSLSC之間通過並口的4條控制線(SELECT、SELECT INPUT、STROBE、INIT)和2條數據線(D0、D1)連接，它們之間的通信協議如圖8所示當TSLSC電源接通時，SELECT信號由低變高，通知PC機TSLSC已就緒；PC機第一次使用TSLSC時，首先通過SELECT INPUT信號選通TSLSC，然後通過INIT信號對TSLSC進行初始化；PC機要點亮光源時，首先選通TSLSC，然後在數據線D0和D1上根據要點亮的光源放置相應的數據，最後通過選通信號STROBE將數據打入光源TSLSC的寄存器。
如圖9所示，TSLSC主要包括保護電路12、控制信號生成電路13、執行電路14三部分，保護電路對PC機和分時光源控制器起保護作用，它接收來自PC機並口的控制信號，並將它們傳遞給控制信號生成電路，由控制信號生成電路生成控制信號，驅動執行電路，點亮或者熄滅某一光源。方框15部分包括電源、開關和指示燈。
對手掌分別取像後，得到兩幅數字圖像I1和I2，通過USB接口輸入到PC中，對兩圖像進行融合。若分別用LP2和LP3表示L2和L3在像平面上的垂直投影點，則在I1和I2中，靠近LP2部分的圖像，I1比I2清晰；而靠近LP3的部分，I2比I1清晰。本發明在融合圖像時希望保留比較清晰的部分。
對於新圖像I中的任一象素點p，有p＝p1×w(d1，d2)+p2×(1-w(d1，d2))，其中，p1和p2分別為圖像I1和圖像I2中對應象素點的象素值，d1和d2分別為點p到LP2和LP3的距離；w(d1，d2)是具有以下形式的權值函數w(d1，d2)＝u(N(d1，d2))，其中，N(d1,d2)=wodd1wodd1+(2-wod)d2,0wod2;u(x)=-(12)1-pow(x-12)pow+12,x>1212,x=12(12)1-pow(12-x)pow+12,x12.]]>其中，函數N(d1，d2)與u(x)共同決定p1和p2的權值，它們根據p1和p2的位置，決定p1和p2在I中的重要性。N(d1，d2)根據d1和d2計算最初的權值。此權值表示在加權距離基礎上P在LP1和LP2之間的相對位置如果d1的加權距離相對於d2的加權距離越大，則計算出的權值N(d1，d2)越大。當N(d1，d2)＝1/2的時候，對應的所有像素點的位置構成一條曲線，我們稱其為平衡線。在平衡線上，p1和p2被認為是同等重要的。wod控制平衡線的位置。若wod＜1，平衡線將偏向LP2，從而I1中的信息將在I中佔大部分；反之，若wod＞1，平衡線將偏向LP1，從而I2中的信息將在I中佔大部分。
由函數N(d1，d2)得到的權值反映了P在LP1和LP2之間的相對位置，但如果將它直接作為圖像融合時p1和p2的權值，有可能並不能很好的反映出p1和p2在I中的相對重要性。因此本發明引入函數u(x)，它通過一個非線性變換來放大或縮小p1和p2之間重要性的差別；通過調節u(x)的參數，可以調節放大或縮小的程度。因為N(d1，d2)越小，認為p1越重要，因此u(x)是一個減函數。如圖10所示是u(x)函數的曲線，它具有兩個很好的特點1)x＝0.5的點對應平衡線。當x＜0.5時，u(x)＞0.5，這意味著在平衡線和LP1之間的區域，I1被認為比I2重要；當x＜0.5時，u(x)＞0.5，這意味著在平衡線的另一側，平衡線和LP1之間的區域，I2被認為比I1重要。2)在平衡線附近區域可以提供一個平滑的過渡，即可將圖像完好地結合在一起。
如圖10所示，參數pow控制u(x)函數曲線的彎曲程度，這將造成兩方面的影響隨著pow值的減小，在平衡線兩側的區域，p1和p2之間重要性的差別被放大的程度將會增加；同時在平衡線附近區域的過渡，其平滑程度將會降低。圖中，線d、e、f分別對應pow＝1、pow＝0.4和pow＝0.2時的u(x)走向(wod＝1)。
通過實驗本發明確定在pow＝0.4和wod＝1時可以達到最佳的融合效果。並且，經過大量的試驗證明，本發明的圖像提取效果非常的好。
權利要求
1.一種掌紋提取方法，包括，在多個位置分別設置可凸顯不同掌紋特徵的光源；不同時刻點亮不同的光源，拍攝對不同掌紋特徵進行增強的圖像；將得到的多幅圖像進行融合，得到所有需增強特徵均得到增強的圖像。
2.如權利要求1所述的掌紋提取方法，其特徵在於，所述光源具體為2個。
3.如權利要求1所述的掌紋提取方法，其特徵在於，所述掌紋特徵具體為主掌紋特徵。
4.如權利要求2所述的掌紋提取方法，其特徵在於，所述圖像處理系統對兩手掌圖像進行融合的具體方法為對於新圖像中的任一象素點p，有p＝p1×w(d1，d2)+p2×(1-w(d1，d2))，其中，p1和p2分別為圖像I1和圖像I2中對應象素點的象素值，d1和d2分別為點p到兩光源的距離；w(d1，d2)是具有以下形式的權值函數w(d1，d2)＝u(N(d1，d2))，其中，N(d1,d2)=wodd1wodd1+(2-wod)d2,]]>0＜wod＜2；u(x)=-(12)1-pow(x-12)pow+12,x>1212,x=12(12)1-pow(12-x)pow+12,x12.]]>
5.如權利要求2所述的掌紋提取方法，其特徵在於，所述點p到兩光源的距離具體指點p到所述光源在圖像平面的投影點的距離。
6.一種掌紋提取裝置，包括取像盒和置於所述取像盒底中央的攝像機，所述取像盒側壁上距攝像機最佳取像高度處設有供手掌伸入的入口，同一高度的入口對端適當距離處設置有支撐手掌的定位杆，其特徵在於，所述取像盒內還固定有兩照明用光源，該兩光源處於與攝像機鏡頭等高的同一平面內且基本沿鏡頭中心對稱，光源和手掌待取像部分中心點的連線與鏡頭中心線的夾角在27.5-35.5的範圍內，近端光源和鏡頭中心連線與縱向中心軸的夾角在54.5-62.5的範圍內，遠端光源和鏡頭中心連線與橫向中心軸的夾角在50.5-58.5的範圍內。
7.如權利要求6所述的掌紋提取裝置，其特徵在於，該裝置還包括與PC機連接的用於控制光源開關的分時光源控制器，該分時光源控制器包括保護電路、控制信號生成電路和執行電路三部分，保護電路對PC機和分時光源控制器起保護作用，其接收來自PC機並口的控制信號，並將它們傳遞給控制信號生成電路，由控制信號生成電路生成控制信號，驅動執行電路，點亮或者熄滅某一光源。
8.如權利要求6所述的掌紋提取裝置，其特徵在於，所述定位杆上還設有手掌定位槽或定位凸輪。
9.如權利要求6所述的掌紋提取裝置，其特徵在於，所述攝像機為具有數碼傳輸功能的攝像機。
全文摘要
本發明公開了一種掌紋提取方法和裝置，包括取像盒和攝像機，取像盒側壁上距攝像機最佳取像高度處設有供手掌伸入的入口，同一高度的入口對端適當距離處設置有支撐手掌的定位杆，取像盒內還固定有兩照明用光源，該兩光源處於與攝像機鏡頭等高的同一平面內且基本沿鏡頭中心對稱，光源和手掌待取像部分中心點的連線與鏡頭中心線的夾角在27.5－35.5的範圍內，近端光源和鏡頭中心連線與縱向中心軸的夾角在54.5－62.5的範圍內，遠端光源和鏡頭中心連線與橫向中心軸的夾角在50.5－58.5的範圍內。不同時刻點亮不同的光源，拍攝對不同掌紋特徵進行增強的圖像；將得到的兩幅圖像進行融合，得到所有需增強特徵均得到增強的圖像。
文檔編號A61B5/117GK1726867SQ200410009380
公開日2006年2月1日 申請日期2004年7月28日 優先權日2004年7月28日
發明者李文新, 趙蔚楠, 王濤, 許卓群 申請人:北京大學