一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置及方法，包括殼體，所述殼體內分別設有圖像采集模塊、濾光模塊、控制模塊、紅外距離傳感器、電源模塊、近紅外LED光源以及用于安裝近紅外LED光源的曲面；圖像采集模塊設置于殼體底部，殼體頂部固定有用于安裝近紅外LED光源的曲面，所述曲面采用凹面設計，曲面外側中心位置安裝濾光模塊；圖像采集模塊、濾光模塊以及曲面中心依次同軸設置，近紅外LED光源均勻分布在曲面內側；本發(fā)明有益效果：可以準確檢測出試圖進如系統(tǒng)的用戶的靜脈特征是否為活體，在一定程度避免了偽造特征對后續(xù)識別系統(tǒng)的攻擊，增加了反射式手指靜脈識別系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于生物特征識別領域，尤其涉及一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]生物特征識別技術利用人體固有的生理特征或行為特征來進行個人身份認證，近年來隨著生物特征識別技術的發(fā)展，它以其優(yōu)于傳統(tǒng)身份認證方法(密碼、簽名等)的安全性及便捷性逐漸進入日常生活的各個方面，如在手機，門禁等消費電子產品中都有它的應用，更重要的是它進入了國家的核心領域，如國家安全、公安、司法、金融等領域。
[0003]然而，生物特征識別技術也是有缺陷的，在這些核心領域中，隨著生物特征識別技術的廣泛應用，它的安全性接受著更加嚴峻的考驗，入侵者會想方設法的侵入系統(tǒng)，在這些方法中，人工偽造的生物特征對生物特征識別技術有著十分嚴重的影響，一旦這些核心領域的系統(tǒng)被入侵后果將不堪設想，因此鑒別活體生物特征與人工偽造的特征成為生物特征識別技術的亟待解決的問題。
[0004]對于靜脈識別來說，很多文獻都說它是活體才具有的生物特征，也就是說靜脈識別技術本身就帶有活體驗證的特點。我們先來了解一下靜脈識別的原理:人類血管中流動的血液可吸收特定波長的光線，而使用特定波長光線對手指進行照射，可得到靜脈的清晰圖像。
[0005]現(xiàn)有文獻中普遍認為，靜脈識別之所以具有活體特征是因為靜脈信息隨著肌肉組織失去能量而消失，從而使得人工靜脈偽造在應用中不可實施。然而，如果入侵者在被授權者的靜脈失去活性之前就已經采用某種手段獲得了他的靜脈圖像特征，那么人工偽造靜脈特征也就成為了可能。
[0006]因而，無論透射式還是反射式靜脈識別均可以實現(xiàn)入侵的目的，而對于反射式靜脈識別來說，因為它成像的特點，它比透射式靜脈識別更容易受到偽造靜脈特征的攻擊。但是，透射式手指靜脈識別受自身原理的限制，不可能做得很小，不便于集成到便攜式移動設備中；而反射式手指靜脈識別沒有此限制，因此反射式手指靜脈識別必將有比較大的發(fā)展。
[0007]因為反射式手指靜脈識別相對容易受人工偽造靜脈特征的攻擊，因此活體驗證是其必不可少的一個環(huán)節(jié)。目前反射式手指靜脈識別的研究本來就很少，而針對反射式手指靜脈特征進行活體驗證的研究幾乎沒有。而為此本發(fā)明提供一種手指靜脈識別活體檢測裝置及方法，用以提高手指靜脈識別的技術的安全性。
【發(fā)明內容】
[0008]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置及方法，該系統(tǒng)可以準確檢測用戶是否為活體，從而提高手指靜脈識別的技術的安全性。
[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:[0010]一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置，包括用于為裝置內各部件提供支撐和保護的殼體，所述殼體內分別設有圖像采集模塊、用于濾除雜散光的濾光模塊、控制模塊、電源模塊、用于感應手指是否放入待檢測區(qū)域的紅外距離傳感器、LED光源以及用于安裝LED光源的曲面。
[0011]圖像采集模塊設置于殼體底部，殼體頂部固定有用于安裝LED光源的曲面，所述曲面采用凹面設計，曲面外側中心位置安裝濾光模塊；圖像采集模塊、濾光模塊以及曲面中心依次同軸設置，LED光源均勻分布在曲面內側；所述曲面上還設有紅外距離傳感器。
[0012]所述殼體上表面設有用于將LED光源散射為均勻的面光源的透明材質物，所述透明材質物上分別嵌有用于檢測手指是否為活體的電阻傳感器和溫度傳感器。
[0013]所述圖像采集模塊、電源模塊、紅外距離傳感器、電阻傳感器和溫度傳感器分別與控制模塊通信。
[0014]所述圖像采集模塊為近紅外敏感微型相機，濾光模塊為近紅外濾光片，LED光源為近紅外LED光源，透明材質物為有機玻璃。
[0015]所述透明材質物上還嵌有用于指示裝置工作狀態(tài)的LED指示燈，LED指示燈與控制模塊通信。
[0016]所述LED光源為波長不同的兩種LED，兩種LED分別以近紅外敏感微型相機軸線為中心呈圓環(huán)狀均勻布置在曲面上。
[0017]所述電阻傳感器和溫度傳感器分別位于曲面中心位置兩側，兩者之間的距離不大于一般手指并攏起來的寬度；所述電阻傳感器和溫度傳感器還可作為用于提示用戶手指擺放位置的定位點；所述手指僅包含食指、中指、無名指和小指四根手指。
[0018]一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置的檢測方法，包括如下步驟:
[0019](I)當有手指放入設備時，控制模塊分別讀取電阻傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，獲得接觸物的電阻及溫度參數(shù)，并與內置活體手指的先驗參數(shù)范圍進行比對，判斷接觸物參數(shù)是否符合活體特征。
[0020](2)如果所獲參數(shù)不符合活體特征，則判斷接觸物為假靜脈；如果所獲參數(shù)符合活體特征，則進入步驟(3)。
[0021 ] (3)啟動圖像采集模塊，并控制圖像采集模塊在設定時間T內連續(xù)獲取N幅靜脈圖像；
[0022](4)采用灰度直方圖方式進行圖像處理，確定圖像參數(shù)的灰度均值和灰度方差，通過判斷指靜脈圖像中灰度均值和方差是否有周期性變化，判斷靜脈圖像的真假。
[0023]所述步驟(4)的具體方法為:
[0024](I)對每幅圖像都進行預處理:將原始圖像轉換為灰度圖，采用Otsu方法確定區(qū)分手指區(qū)域與背景區(qū)域的閾值，用此閾值對手指靜脈圖像進行二值化，然后根據(jù)連通域的大小去掉個別噪點，利用的得到的二值圖像與原圖像相乘去掉背景區(qū)域。
[0025](2)根據(jù)手指的特點定位手指區(qū)域，找出感興趣的手指區(qū)域，并對此區(qū)域進行大小的歸一化。
[0026](3)采用灰度直方圖方式進行圖像處理:計算每幅圖像歸一化后區(qū)域的灰度均值及灰度方差，若獲取的N幅圖像之間存在灰度均值和方差的周期性波動變化，則判斷為真靜脈圖像。[0027]若獲取的N幅圖像之間不存在灰度均值和方差周期性波動變化，則判斷為假靜脈圖像。
[0028]所述步驟(I)中:
[0029]當沒有手指伸入時，紅外距離傳感器向控制模塊發(fā)送設備閑置信號，則控制模塊控制近紅外敏感微型相機和紅外光源關閉，控制模塊進入低功耗狀態(tài)。
[0030]當有手指伸入時，控制模塊開啟近紅外敏感微型相機和紅外光源，控制模塊運行在正常狀態(tài)。
[0031]所述步驟(3)中在設定時間T內連續(xù)獲取N幅靜脈圖像，滿足N>60 ；
[0032]所述感興趣的區(qū)域是指除大拇指以外的其余四根手指從指根到指尖之間的區(qū)域。
[0033]本發(fā)明的有益效果是:
[0034]本發(fā)明可以準確檢測出試圖進如系統(tǒng)的用戶的靜脈特征是否為活體，在一定程度避免了偽造特征對后續(xù)識別系統(tǒng)的攻擊，增加了反射式手指靜脈識別系統(tǒng)的可靠性。
[0035]本發(fā)明進行活體驗證與靜脈識別無縫連接，進行活體驗證所用圖像、算法及結果均可與靜脈識別共用，加快了系統(tǒng)的計算速度，提高了工作效率。
[0036]本發(fā)明采用方形外殼設計，成本低，體積小，便于攜帶，接觸面光滑平整，且標識了定位點，方便易用，用戶接受程度高；設備殼體自帶電源，可充電，容量大；內有變壓系統(tǒng)也可直接由市電供電；另外還可以通過USB接口供電。
[0037]設備內置低功耗微型處理器和其他控制邏輯，用以自動控制整個設備的正常運行，LED非直接照射手指表面，而是通過覆蓋在其上的毛玻璃散射，形成光線比較均勻的面光源，從而讓手指表面光照均勻，避免手指部分區(qū)域光照過強，使得此區(qū)域反射過強，導致采集的圖片對應區(qū)域亮度高而遮掩了靜脈特征。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明手指靜脈識別活體檢測裝置的剖面結構圖；
[0039]圖2是本發(fā)明中手指靜脈識別活體檢測裝置的俯視結構圖；
[0040]圖3是本發(fā)明中用戶手指相對于采集裝置的擺放位置的示意圖；
[0041]圖4是本發(fā)明中手指靜脈識別活體檢測方法的流程圖。
[0042]其中，1、殼體，2、透明有機玻璃，3、近紅外敏感微型相機，4、近紅外濾光片，5、紅外距離傳感器，6、近紅外LED光源，7、電阻傳感器，8、溫度傳感器，9、控制模塊10、電源模塊，11、LED指示燈，12、安裝近紅外LED光源的曲面。
【具體實施方式】:
[0043]下面結合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明:
[0044]如圖1-圖3所示，殼體I為裝置內其他各部件提供支撐和保護，殼體I內容納有構成手指靜脈識別活體檢測裝置中的近紅外敏感微型相機3，近紅外濾光片4，低功耗紅外距離傳感器5，近紅外LED光源6，控制模塊9，電源模塊10，安裝近紅外LED光源的曲面12 ；殼體I上表面覆蓋一層透明有機玻璃2，用以支撐各種傳感器，以及用戶手指，該有機玻璃2上嵌有LED指示燈11，電阻傳感器7，溫度傳感器8。
[0045]殼體I及安裝近紅外LED光源的曲面12使用輕便材料例如樹脂材料，電阻傳感器7，溫度傳感器8之間的距離應略小于一般手指并起來的寬度，設備長應大于最長手指的長度。
[0046]近紅外光源6選用光譜比較集中的波長為850nm和750nm的兩種LED，且兩種LED圍成兩個以近紅外敏感微型相機3為中心的圓環(huán)狀；LED非直接照射手指表面，而是通過覆蓋在其上的毛玻璃散射，形成光線比較均勻的面光源，從而讓手指表面光照均勻，避免手指部分區(qū)域光照過強，使得此區(qū)域反射過強，采集的圖片對應區(qū)域亮度高而遮掩了靜脈特征。
[0047]外殼采用方形設計，成本低，體積小，便于攜帶，接觸面光滑平整，且標識了定位點，方便易用，用戶接受程度高。
[0048]電源模塊10包含電池、變壓電路和USB接口等，可充電，容量大；內有變壓系統(tǒng)也可直接接市電供電；另外還可以通過USB接口供電。
[0049]設備內置低功耗微型處理器和其他控制邏輯，用以控制整個設備的正常運行。
[0050]設置于殼體內側的隱藏式近紅外光源、以及設置于上述殼體上的隱藏式近紅外敏感微型相機3位于手指同側，采集原理屬于反射式手指靜脈采集。
[0051]安裝近紅外LED光源的曲面12，采用凹面設計，將紅外光集中到手指擺放的區(qū)域。
[0052]設備上安裝有溫度傳感器8及電阻傳感器7，用以測量接觸物的溫度及電阻參數(shù)，活體與非活體在這兩個參數(shù)上存在一定的差別，通過這兩個參數(shù)先進行是否為活體的初步判斷，通過初步判斷才可進入下一軟件算法判斷環(huán)節(jié)；另外這兩個傳感器還可作為定位點提示用戶手指擺放的位置。
[0053]設備上設置有用于感應手指是否放入待檢測區(qū)域的低功耗紅外距離傳感器5，檢測到手指放入待檢測區(qū)域后設備才開始激活并工作，節(jié)省功耗。當沒有手指伸入時，紅外距離傳感器5向處理器發(fā)送設備閑置信號，設備處于閑置，運行在低功耗狀態(tài):近紅外敏感微型相機3和近紅外LED光源6關閉，處理器運行在低功耗狀態(tài)；當有手指伸入時，設備處于工作狀態(tài):近紅外敏感微型相機3和近紅外LED光源6開啟，處理器運行在正常狀態(tài)；當長時間不使用設備時，應關閉電源開關，此時設備將不能運行不消耗電量。
[0054]如圖3所示，采集設備采集過程中，要求用戶手指并攏，且僅采集用戶手指區(qū)域，不包含手掌區(qū)域；手指僅包含食指、中指、無名指和小指四根手指。
[0055]如圖4所示:一種手指靜脈識別活體檢測方法的特征在于:
[0056](I)采用近紅外光透射式成像原理，采集靜脈圖像檢測被檢手指是否為活體并與靜脈識別無縫鏈接，即進行活體驗證所用圖像與靜脈識別所用圖像一致，進行活體驗證所用的部分算法，比如與處理的流程可與靜脈識別共用，活體驗證的中間結果也可以為靜脈識別所用，從而提高了算法的效率。
[0057](2)預處理，采用Otsu方法確定閾值，用此閾值對手指靜脈圖像進行二值化，然后根據(jù)連通域的大小去掉個別噪點，利用的得到的二值圖像與原圖像進行與操作去掉背景；根據(jù)閾值進行二值化得到的二值圖像是僅包含0，I的圖像，手指區(qū)域為1，背景區(qū)域為0，將這個二值圖像與原圖相乘，結果保留了原圖的手指區(qū)域而去除了背景區(qū)域。
[0058](3)采用連續(xù)拍照的方式獲取若干幅靜脈圖像，對每幅圖像都進行灰度直方圖參數(shù)檢測，灰度直方圖參數(shù)優(yōu)選灰度均值及灰度方差，即灰度圖像中的所有像素值作為一個集合，計算它們的均值和方差。
[0059]若獲取的N幅圖像之間存在灰度均值和方差的周期性波動變化，則判斷為真靜脈圖像；
[0060]若獲取的N幅圖像之間不存在灰度均值和方差周期性波動變化，則判斷為假靜脈圖像。
[0061]若為真靜脈圖像，則前后相繼的圖片的灰度均值和方差之間存在差異，從整體看是呈周期性波動，原理是血管隨著心臟的跳動一張一弛，血管的粗細也將隨著變化，體現(xiàn)在圖像上就是上述灰度均值和方差的周期性變化。
[0062]設備工作過程如下:
[0063]打開電源開關，裝置上電，電量充足時指示燈亮綠色，電量適中時指示燈亮黃色，電量不足時指示燈亮紅色；手指放上，且設備處于初步活體判定時指示燈亮黃色并閃爍；設備拍攝過程中指示燈亮綠色并閃爍；當設備未完成拍攝手指就已經抽出時，指示燈亮紅色并閃爍3秒，設備將停止后續(xù)操作。根據(jù)指示燈狀態(tài)確定設備正常工作后，將手指伸入設備，低功耗紅外距離傳感器5感應到手指的進入將信號傳給處理器，此時處理器控制指示燈亮黃色并閃爍，并讀取電阻傳感器7，溫度傳感器8的數(shù)值，獲得接觸物的電阻及溫度參數(shù)。
[0064]讀取完參數(shù)和內置活體手指的先驗參數(shù)范圍進行比對，如果不符合活體特征，則處理器控制指示燈亮紅色，蜂鳴器響一聲；如果所獲參數(shù)符合活體特征，那么繼續(xù)進行以下步驟:處理器控制指示燈亮綠色并閃爍，設備進入連續(xù)拍照模式，設備于一定的時間段(T)內進行連續(xù)拍攝，其中T大于3秒，拍攝時間內應超過獲得N幅靜脈圖像(其中N>60)，當設備亮綠燈并停止閃爍后，手指方可抽出。
[0065]拍攝完成后處理器會對所的圖像進行處理:首先對每幅圖像都進行預處理，采用Otsu方法確定閾值，用此閾值對手指靜脈圖像進行二值化，然后根據(jù)連通域的大小去掉個別噪點，利用的得到的二值圖像與原圖像進行與操作去掉背景；其次根據(jù)手指的特點定位手指區(qū)域，找出感興趣的手指區(qū)域，并對此區(qū)域進行大小的歸一化；最后對每幅圖像歸一化后的感興趣區(qū)域的灰度直方圖參數(shù)檢測，灰度直方圖參數(shù)優(yōu)選灰度均值及灰度方差:在多幅圖像中存在灰度均值和方差周期性波動變化，則認為具有人體血流特征，從而認為是真靜脈圖像，指示燈三色交替閃爍；如多幅圖像中不存在灰度均值和方差周期性波動變化，則認為沒有人體血流特征，從而認為是假靜脈圖像，處理器控制指示燈亮紅色，蜂鳴器響兩聲。
[0066]至此活體檢測步驟結束，本裝置及方法實現(xiàn)了，檢測試圖進入系統(tǒng)的用戶靜脈特征是否為活體，一定程度避免了偽造特征對后續(xù)識別系統(tǒng)的攻擊，增加了反射式手指靜脈識別系統(tǒng)的可靠性。
[0067]上述雖然結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。
【權利要求】
1.一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置，其特征是，包括用于為裝置內各部件提供支撐和保護的殼體，所述殼體內分別設有圖像采集模塊、用于濾除雜散光的濾光模塊、控制模塊、電源模塊、用于感應手指是否放入待檢測區(qū)域的紅外距離傳感器、LED光源以及用于安裝LED光源的曲面； 圖像采集模塊設置于殼體底部，殼體頂部固定有用于安裝LED光源的曲面，所述曲面采用凹面設計，曲面外側中心位置安裝濾光模塊；圖像采集模塊、濾光模塊以及曲面中心依次同軸設置，LED光源均勻分布在曲面內側；所述曲面上還設有紅外距離傳感器； 所述殼體上表面設有用于將LED光源散射為均勻的面光源的透明材質物，所述透明材質物上分別嵌有用于檢測手指是否為活體的電阻傳感器和溫度傳感器； 所述圖像采集模塊、電源模塊、紅外距離傳感器、電阻傳感器和溫度傳感器分別與控制模塊通信。
2.如權利要求1所述的一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置，其特征是，所述圖像采集模塊為近紅外敏感微型相機，濾光模塊為近紅外濾光片，LED光源為近紅外LED光源，透明材質物為有機玻璃。
3.如權利要求1所述的一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置，其特征是，所述透明材質物上還嵌有用于指示裝置工作狀態(tài)的LED指示燈，LED指示燈與控制模塊通信。
4.如權利要求1所述的一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置，其特征是，所述LED光源為波長不同的兩種LED，兩種LED分別以近紅外敏感微型相機軸線為中心呈圓環(huán)狀均勻布置在曲面上。
5.如權利要求1所述的一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置，其特征是，所述電阻傳感器和溫度傳感器分別位于曲面中心位置兩側，兩者之間的距離不大于一般手指并攏起來的寬度；所述電阻傳感器和溫度傳感器還可作為用于提示用戶手指擺放位置的定位點；所述手指僅包含食指、中指、無名指和小指四根手指。
6.一種如權利要求1所述的反射式手指靜脈識別活體檢測裝置的檢測方法，其特征是，包括如下步驟: (1)當有手指放入設備時，控制模塊分別讀取電阻傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，獲得接觸物的電阻及溫度參數(shù)，并與內置活體手指的先驗參數(shù)范圍進行比對，判斷接觸物參數(shù)是否符合活體特征； (2)如果所獲參數(shù)不符合活體特征，則判斷接觸物為假靜脈；如果所獲參數(shù)符合活體特征，則進入步驟(3)； (3)啟動圖像采集模塊，并控制圖像采集模塊在設定時間T內連續(xù)獲取N幅靜脈圖像； (4)采用灰度直方圖方式進行圖像處理，確定圖像參數(shù)的灰度均值和灰度方差，通過判斷指靜脈圖像中灰度均值和方差是否有周期性變化，判斷靜脈圖像的真假。
7.如權利要求6所述的一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置的檢測方法，其特征是，所述步驟(4)的具體方法為: (1)對每幅圖像都進行預處理:將原始圖像轉換為灰度圖，采用Otsu方法確定區(qū)分手指區(qū)域與背景區(qū)域的閾值，用此閾值對手指靜脈圖像進行二值化，然后根據(jù)連通域的大小去掉個別噪點，利用的得到的二值圖像與原圖像相乘去掉背景區(qū)域； (2)根據(jù)手指的特點定位手指區(qū)域，找出感興趣的手指區(qū)域，并對此區(qū)域進行大小的歸一化； (3)采用灰度直方圖方式進行圖像處理:計算每幅圖像歸一化后區(qū)域的灰度均值及灰度方差，若獲取的N幅圖像之間存在灰度均值和方差的周期性波動變化，則判斷為真靜脈圖像； 若獲取的N幅圖像之間不存在灰度均值和方差周期性波動變化，則判斷為假靜脈圖像。
8.如權利要求6所述的一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置的檢測方法，其特征是，所述步驟⑴中: 當沒有手指伸入時，紅外距離傳感器向控制模塊發(fā)送設備閑置信號，則控制模塊控制近紅外敏感微型相機和紅外光源關閉，控制模塊進入低功耗狀態(tài)； 當有手指伸入時，控制模塊開啟近紅外敏感微型相機和紅外光源，控制模塊運行在正常狀態(tài)。
9.如權利要求6所述的一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置的檢測方法，其特征是，所述步驟(3)中在設定時間T內連續(xù)獲取N幅靜脈圖像，滿足N>60。
10.如權利要求7所述的一種反射式手指靜脈識別活體檢測裝置的檢測方法，其特征是，所述感興趣的區(qū)域是指除大拇指以外的其余四根手指從指根到指尖之間的區(qū)域。
【文檔編號】G06F21/32GK103984924SQ201410193014
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權日:2014年5月8日
【發(fā)明者】劉治, 張聰聰, 宿方琪, 肖曉燕 申請人:山東大學