手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)。其由外部采集裝置和計算機組成；外部采集裝置包括：單片機、LED選擇電路、滑動模塊、LED陣列、指紋采集模塊、指靜脈攝像頭、指節(jié)紋攝像頭、零度檢偏濾片、90度檢偏濾片、高通濾片、低通濾片和反光隔板；本發(fā)明提供的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手指靜脈、指紋、指節(jié)紋的同時采集，其具有如下優(yōu)點：1）能夠?qū)崿F(xiàn)指靜脈攝像頭和指節(jié)紋攝像頭的位置自動調(diào)節(jié)。2）能夠?qū)崿F(xiàn)多光譜采集時對不同波段光束的順序控制和量化控制。3）利用偏振成像原理減少成像噪聲。
【專利說明】手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機識別【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在生物特征識別領(lǐng)域，當前研究、應用較多的是單一模態(tài)的生物特征采集以及識別技術(shù)。多模態(tài)生物特征識別是一個新興的領(lǐng)域。對手指靜脈、指紋、指節(jié)紋三模態(tài)統(tǒng)一采集的研究更是很少有相關(guān)機構(gòu)在做。目前現(xiàn)有的上述手指三模態(tài)采集設(shè)備，比如天津工業(yè)大學的采集設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)手指靜脈、指紋、指節(jié)紋三模態(tài)的統(tǒng)一采集。但是其存在著許多不足。首先此類采集設(shè)備的成像模塊位置是固定的，而人的手指是有長有短的，不能確保三模態(tài)同時位于成像區(qū)域以及三模態(tài)的感興趣區(qū)域位于采集圖像中心位置，因此不能適用于實際采集中。其次，此類采集設(shè)備都是利用傳統(tǒng)光學成像原理，由于傳統(tǒng)光學的固有缺點，決定著采集圖像的質(zhì)量不是非常高。再次，現(xiàn)有采集設(shè)備的光源是單一光譜的，而生物組織在不同光譜下會呈現(xiàn)不同的特性，因此沒有充分挖掘生物組織的特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明提供的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)由外部采集裝置和計算機組成；外部采集裝置包括:單片機、LED選擇電路、滑動模塊、LED陣列、指紋采集模塊、指靜脈攝像頭、指節(jié)紋攝像頭、零度檢偏濾片、90度檢偏濾片、高通濾片、低通濾片和反光隔板；其中:單片機與LED選擇電路和滑動模塊相連接，并通過串行數(shù)據(jù)線與計算機相連接；LED選擇電路為LED光源組驅(qū)動選擇電路，其與LED陣列相連接；滑動模塊為兩組平移傳動機構(gòu)，其上分別安裝有指靜脈攝像頭和指節(jié)紋攝像頭；LED陣列包括第一偏振光源組和第二偏振光源組，其均由LED燈組和安裝在前方的零度起偏器組成；第一偏振光源組為垂直照射光源陣列，其分別設(shè)置在指節(jié)紋攝像頭的兩側(cè)；第二偏振光源組為兩組傾角光源，其分別設(shè)置在兩組第一偏振光源組的外側(cè)，并與水平方向呈15度夾角；偏振光源組和偏振光源組中都包含了用于指靜脈采集的雙波段的LED陣列以及用于指節(jié)紋采集的雙波段的LED陣列；指紋采集模塊為安裝在被測手指指尖下方的指紋采集裝置，其與計算機相連接；指靜脈攝像頭為安裝在被測手指中部下方的指靜脈圖像采集裝置，其與計算機相連接；指節(jié)紋攝像頭為安裝在被測手指中部上方的指節(jié)紋圖像采集裝置，其與計算機相連接；指靜脈攝像頭的前方依次安裝有零度檢偏濾片和高通濾片；指節(jié)紋攝像頭鏡頭的前方依次安裝有90度檢偏濾片和低通濾片；在指靜脈攝像頭和指節(jié)紋攝像頭鏡頭的兩側(cè)分別安裝有一組反光隔板；計算機與外部采集裝置相連接。
[0005]所述的計算機上設(shè)有與外部連接的串行通信接口。
[0006]所述的零度檢偏濾片為零度光學檢偏器。[0007]所述的90度檢偏濾片為90度光學檢偏器。
[0008]所述的高通濾片采用HB730光學濾波器。
[0009]所述的低通濾片采用LB550光學濾波器。
[0010]本發(fā)明提供的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手指靜脈、指紋、指節(jié)紋的同時采集，其具有如下優(yōu)點:
[0011]I)能夠?qū)崿F(xiàn)指靜脈攝像頭和指節(jié)紋攝像頭的位直自動調(diào)節(jié)。
[0012]2)能夠?qū)崿F(xiàn)多光譜采集時對不同波段光束的順序控制和量化控制。
[0013]3)利用偏振成像原理減少成像噪聲。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明提供的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)的原理框圖。
[0015]圖2為本發(fā)明提供的外部采集裝置的成像光路示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明提供的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)中LED選擇電路的原理圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)進行詳細說明。
[0018]如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)由外部采集裝置10和計算機20組成；外部采集裝置10為本系統(tǒng)的采集部分，其包括:單片機1、LED選擇電路2、滑動模塊3、LED陣列4、指紋采集模塊5、指靜脈攝像頭6、指節(jié)紋攝像頭7、零度檢偏濾片81、90度檢偏濾片82、高通濾片91、低通濾片92和反光隔板10 ;其中:單片機I為數(shù)據(jù)收發(fā)控制中心，其與LED選擇電路2和滑動模塊3相連接，并通過串行數(shù)據(jù)線與計算機20相連接；LED選擇電路2為LED光源組驅(qū)動選擇電路，其與LED陣列4相連接；滑動模塊3為兩組平移傳動機構(gòu)，其上分別安裝有指靜脈攝像頭6和指節(jié)紋攝像頭7，其能夠接收單片機I的指令，分別控制指靜脈攝像頭6和指節(jié)紋攝像頭7作水平位移，從而調(diào)整指靜脈攝像頭6和指節(jié)紋攝像頭7的圖像采集點位置；LED陣列4包括第一偏振光源組41和第二偏振光源組42 ;其均由LED燈組和安裝在前方的零度起偏器組成，LED燈組所發(fā)出的光通過起偏器成為偏振光；第一偏振光源組41為垂直照射光源陣列，其分別設(shè)置在指節(jié)紋攝像頭7的兩側(cè)；第二偏振光源組42為兩組傾角光源，其分別設(shè)置在兩組第一偏振光源組41的外側(cè)，并與水平方向呈15度夾角；偏振光源組41和偏振光源組42中都包含了用于指靜脈采集的雙波段的LED陣列以及用于指節(jié)紋采集的雙波段的LED陣列，這樣能夠得到各模態(tài)在不同光譜不同光照角度下的特征圖像；指紋采集模塊5為安裝在被測手指30指尖下方的指紋采集裝置，其與計算機20相連接；指靜脈攝像頭6為安裝在被測手指30中部下方的指靜脈圖像采集裝置，其與計算機20相連接；指節(jié)紋攝像頭7為安裝在被測手指30中部上方的指節(jié)紋圖像采集裝置，其與計算機20相連接；指靜脈攝像頭6的前方依次安裝有零度檢偏濾片81和高通濾片91 ;指節(jié)紋攝像頭7鏡頭的前方依次安裝有90度檢偏濾片82和低通濾片92 ；在指靜脈攝像頭6和指節(jié)紋攝像頭7鏡頭的兩側(cè)分別安裝有一組反光隔板10，用于集中光束能量；指節(jié)紋的90度檢偏濾片82用于濾除偏振光束得到包含豐富的生物表皮特征信息的漫反射光；指靜脈的零度檢偏濾片81用于濾除非偏振光束得到包含手指靜脈特征信息的透射光束；高通濾片92用于濾除730nm以下的光束；低通濾片用于濾除550nm以上的光束；計算機20為本系統(tǒng)的控制計算部分，與外部采集裝置10相連接。計算機20的控制計算程序主要負責:順序驅(qū)動攝像頭并采集視頻流；驅(qū)動指紋采集器采集圖像；記錄采集者信息；定位手指靜脈的ROI (感興趣區(qū)域)區(qū)域，根據(jù)指靜脈的ROI位置計算出指節(jié)紋的位置參數(shù)，并判斷是否需要對指靜脈和指節(jié)紋成像模塊進行位置調(diào)節(jié)；發(fā)送各種控制命令。
[0019]所述的計算機20上設(shè)有與外部連接的串行通信接口，用于與外部系統(tǒng)或裝置實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
[0020]所述的零度檢偏濾片81為零度光學檢偏器，用于通過零度偏振光。
[0021]所述的90度檢偏濾片82為90度光學檢偏器，用于濾除零度偏振光。
[0022]所述的高通濾片91采用HB730光學濾波器，用于通過近紅外光。
[0023]所述的低通濾片92米用LB550光學濾波器,用于通過可見光。
[0024]本系統(tǒng)采用兩組偏振光源，每組光源由兩個波段的LED構(gòu)成。生物組織對波長小于700nm光波具有較強的吸收作用，此波段光波掙脫反射而進入組織內(nèi)部的光一般不能透過手指。波長在400nm — 600nm之間的可見光有較好的皮膚表面反射效果。指節(jié)紋為反射成像，因此選擇400nm—600nm波段的可見光，經(jīng)偏振成像實驗驗證采用470nm和495nm波段的光速時指節(jié)紋成像效果最佳。指靜脈為透射成像，選擇大于700nm以上的近紅外光波，經(jīng)偏振成像實驗驗證為獲得最佳成像效果應采用830nm和850nm雙光譜。指紋采集模塊5采用的是已經(jīng)做好的成品模塊，能夠采集較高質(zhì)量的指紋圖像。
[0025]為了避免各個光源相互影響，各成像攝像頭模塊均配有檢偏濾片和濾波片。考慮到LED峰值有正負IOnm的波動,指靜脈成像單元阻止730nm以下的光波通過,指節(jié)紋成像單元的低通濾片92阻止550nm以上的光波通過，這樣基本杜絕了各成像單元之間的光源干擾，保證了各模態(tài)生物特征成像互不影響；偏振光照射手指皮膚會發(fā)生四種變化:反射、折射、漫反射和散射。反射和折射不破壞光的偏振狀態(tài)，而漫反射和散射均可消除光的偏振特性使之成為自然光(無偏振特性)。漫反射光中包含了十分豐富的皮膚生物特征信息。在指節(jié)紋成像過程中，通過90度檢偏濾片82消除偏振光束得到漫反射光束即可獲得清晰的生物組織表皮特征圖像。偏振光波進入手指內(nèi)部有三種狀態(tài):吸收、散射和透射。直接透射出去的光保持偏振特性，散射出去的光則完全失去了偏振狀態(tài)，成為了自然光。在手指靜脈成像中，散射正是降低靜脈圖像對比度的一個重要因素，因此，采用零度檢偏濾片81消除非偏振成分，十分有利于提高手指靜脈圖像的質(zhì)量。
[0026]根據(jù)采集部位的不同，本系統(tǒng)用相同分辨率的攝像頭傳感器配以不同焦距的光學鏡頭，實現(xiàn)在成像平面上各模態(tài)圖像具有近似的分辨率，以降低后續(xù)ROI (感興趣區(qū)域)區(qū)域歸一化可能產(chǎn)生的特征形變。另外，考慮到指節(jié)紋具有凹凸現(xiàn)象，雙光譜光源分別以不同的角度置于攝像頭兩側(cè)，通過控制電路實現(xiàn)交替發(fā)光，達到充分挖掘圖像表面及其內(nèi)部信息的目的。
[0027]醫(yī)學研究表明，活體組織在不同的波段下具有不同的光學特性。因此，變換光譜可以探測到生物組織所蘊含的不同介質(zhì)的特征內(nèi)容。因此設(shè)計成像光源控制電路，即LED選擇電路2，其主要有兩個功能:一是實現(xiàn)雙波段光源發(fā)光的順序控制；二是實現(xiàn)光源發(fā)光強度的量化控制。順序控制的目的是為了獲得不同波段的生物特征圖像，量化控制的目的是使光源的發(fā)光強度適應手指形狀變化的實際情況。光源的順序控制是通過單片機I和LED選擇電路2實現(xiàn)的。其基本工作原理是單片機I接收到計算機20發(fā)過來的選擇信號，向LED選擇電路2的相應接口輸入電壓，光路選擇電路得電后點亮對應的燈組。LED選擇電路2的部分原理圖如圖3所示，由圖可見四組燈組接口采用共陽極接法，這樣便于單片機I引腳直接控制。量化控制是通過PWM (脈沖寬度調(diào)制)原理實現(xiàn)的。在一定的頻率的方波中，調(diào)整高電平和低電平的占空比，即可實現(xiàn)。比如我們用低電平點亮一個LED燈，我們假設(shè)把一個頻率周期分為10個時間等份，如果方波中的高低電平占空比是9:1，也就是說一個電平輸出周期T內(nèi)只有1/10T的時間是點亮LED的，當頻率超過100Hz，由于人眼視覺殘留效果，就可讓人眼無法察覺到閃爍，感受到的只是亮度的變化，這時就是一個比較暗的亮度。如果方波中高低電平占空比是10:0，這時，全部是高電平，燈是滅的。如果占空比是5:5，就是一個中間亮度，如果高低比是1:9，是一個比較亮的亮度，如果高低是O: 10，這時全部是低電平，就是最亮的。本系統(tǒng)根據(jù)此原理設(shè)置了九個亮度級。此外采集系統(tǒng)左右兩側(cè)各有一個高亮指示燈，一個是綠燈，一個是紅燈。綠燈是攝像頭連接指示燈，當攝像頭正常工作時綠燈亮起，故障時綠燈熄滅。紅燈是控制電路指示燈，當控制電路上電且正常工作時紅燈點亮，如果控制電路不能上電，紅燈處于熄滅狀態(tài)，如果控制電路能上電但卻不能正常工作，紅燈會閃爍。
[0028]為了能夠采集到清晰的指節(jié)紋圖像，本系統(tǒng)在指節(jié)紋攝像模塊上安裝的是微距鏡頭，這就決定了鏡頭的采集范圍很有限。而不同人的手指長短不一，當手指30放入采集裝置中時，手指30的位置不一定同時是指紋、指節(jié)紋、指靜脈的最適合采集區(qū)。因此快速便捷的對三個攝像頭的位置進行調(diào)節(jié)就顯得十分重要。我們將指紋采集模塊5固定，作為確定手指放置位置的標準，這樣只需要移動指節(jié)紋采集攝像頭7和指靜脈采集攝像頭6就可以同時采集到我們的感興趣區(qū)域。其工作原理是:計算機20的控制計算程序，通過定位手指靜脈的ROI區(qū)域兩端的高亮區(qū)域獲得指靜脈ROI區(qū)域的位置參數(shù)，根據(jù)此參數(shù)控制計算程序計算出指節(jié)紋的位置參數(shù)，分別比較兩位置參數(shù)中各定位點距離各自圖像邊緣的位置即可得出滑動模塊移動參數(shù)，通過串行口發(fā)送調(diào)節(jié)命令即可調(diào)節(jié)指節(jié)紋攝像頭7和指靜脈攝像頭6的位置。此系統(tǒng)的滑動原理不僅可以確保同時采集到指靜脈、指節(jié)紋、指紋三模態(tài)的特征圖像，還能夠確保各模態(tài)的ROI區(qū)域位于采集圖像的中心位置，有利于后期的特征提取與識別。
[0029]本發(fā)明提供的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)采用手指的指紋、指靜脈和指節(jié)紋三種生物模態(tài)，特征內(nèi)容各不相同。指紋位于靜脈血液回流的頂端，是手指靜脈特征最不明顯的區(qū)域；指節(jié)紋位于背側(cè)，是手指靜脈的非成像區(qū)域。指紋、指靜脈和指節(jié)紋分別位于手指的不同區(qū)域且互不干擾，這為實現(xiàn)三模態(tài)生物特征的統(tǒng)一采集提供了天然條件。若利用傳統(tǒng)光學成像方法，很難同時獲得較高質(zhì)量的三模態(tài)生物特征圖像。綜合考慮生物組織的多光譜特性和偏振光成像特點，本系統(tǒng)采用以雙光譜偏振光為基礎(chǔ)的手指的多模態(tài)生物特征成像方案。在反射模式下，利用偏振光可以探測生物組織表面的內(nèi)部信息。在透射模式下，利用偏振光可以減弱生物組織產(chǎn)生的散射噪聲，提高成像質(zhì)量。
【權(quán)利要求】
1.一種手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:其由外部采集裝置(10)和計算機(20)組成；外部采集裝置(10)包括:單片機(1)、LED選擇電路(2)、滑動模塊(3)、LED陣列(4)、指紋米集|旲塊(5)、指靜脈攝像頭(6)、指節(jié)紋攝像頭(7)、零度檢偏濾片(81 )、90度檢偏濾片(82)、高通濾片(91)、低通濾片(92)和反光隔板(10);其中:單片機(I)與LED選擇電路(2)和滑動模塊(3)相連接，并通過串行數(shù)據(jù)線與計算機(20)相連接；LED選擇電路(2)為LED光源組驅(qū)動選擇電路，其與LED陣列(4)相連接；滑動模塊(3)為兩組平移傳動機構(gòu)，其上分別安裝有指靜脈攝像頭(6)和指節(jié)紋攝像頭(7) ；LED陣列(4)包括第一偏振光源組(41)和第二偏振光源組(42)，其均由LED燈組和安裝在前方的零度起偏器組成；第一偏振光源組(41)為垂直照射光源陣列，其分別設(shè)置在指節(jié)紋攝像頭(7)的兩側(cè)；第二偏振光源組(42)為兩組傾角光源，其分別設(shè)置在兩組第一偏振光源組(41)的外側(cè)，并與水平方向呈15度夾角；偏振光源組(41)和偏振光源組(42)中都包含了用于指靜脈采集的雙波段的LED陣列以及用于指節(jié)紋采集的雙波段的LED陣列；指紋采集模塊(5)為安裝在被測手指(30 )指尖下方的指紋采集裝置，其與計算機(20 )相連接；指靜脈攝像頭(6 )為安裝在被測手指(30)中部下方的指靜脈圖像采集裝置，其與計算機(20)相連接；指節(jié)紋攝像頭(7)為安裝在被測手指(30)中部上方的指節(jié)紋圖像采集裝置，其與計算機(20)相連接；指靜脈攝像頭(6)的前方依次安裝有零度檢偏濾片(81)和高通濾片(91);指節(jié)紋攝像頭(7)鏡頭的前方依次安裝有90度檢偏濾片(82)和低通濾片(92);在指靜脈攝像頭(6)和指節(jié)紋攝像頭(7)鏡頭的兩側(cè)分別安裝有一組反光隔板(10);計算機(20)與外部采集裝置(10)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的計算機(20 )上設(shè)有與外部連接的串行通信接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的零度檢偏濾片(81)為零度光學檢偏器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的90度檢偏濾片(82)為90度光學檢偏器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的高通濾片(91)采用HB730光學濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的手指多模態(tài)生物特征偏振成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的低通濾片(92)采用LB550光學濾波器。
【文檔編號】G06K9/00GK103679153SQ201310713110
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】楊金鋒, 李承尚 申請人:中國民航大學