一種人體手指靜脈圖像骨關(guān)節(jié)定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種身份識(shí)別技術(shù)，特別是一種人體手指靜脈圖像骨關(guān)節(jié)定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 手指靜脈識(shí)別是一種依賴(lài)于生物體生理特征的身份識(shí)別技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的身份 識(shí)別技術(shù)，生物特征識(shí)別更具特異性以及不易模仿。其中，手指靜脈以識(shí)別精度高、不容易 假冒、使用便利而又成本低等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。
[0003] 因?yàn)槭种胳o脈位于手指皮下脂肪組織下方，在可見(jiàn)光下不能很好的成像，但若用 近紅外(NIR)光(700-1100nm)作為光源照射手指，手指靜脈血管中流通的血液含有大量的 血紅蛋白，相比較于皮下其他組織能夠吸收更多的近紅外輻射，從而采集后的圖像可以很 好地呈現(xiàn)靜脈血管的結(jié)構(gòu)。除了唯一性、普遍性、永久性和可測(cè)性的特點(diǎn)，手指靜脈識(shí)別還 有以下優(yōu)點(diǎn):①防偽性高，靜脈血管分布在人體內(nèi)部，一般很難從表面上獲取靜脈血管的完 整信息。②活體識(shí)別，一般只有活體中的血管存在血紅蛋白的流動(dòng)才能準(zhǔn)確識(shí)別。③使用的 友好性，非接觸式，區(qū)別于指紋需要接觸式的采集裝置，非接觸式可以更加衛(wèi)生而且自由。 因此，手指靜脈識(shí)別技術(shù)可應(yīng)用于門(mén)禁、銀行、社保、考試等，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 在手指靜脈圖像采集的過(guò)程中，由于受到采集時(shí)間、光強(qiáng)、手指傾斜度及手指的粗 細(xì)等因素的影響，采集到的手指靜脈圖像除了在灰度分布圖上存在一定程度的差異，手指 本身放置的位置、手指在平面上的偏移和旋轉(zhuǎn)、手指在空間上的旋轉(zhuǎn)等對(duì)手指靜脈的識(shí)別 性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。其中，對(duì)于手指在平面上的前后偏移問(wèn)題，一般是利用手指的遠(yuǎn)端 指骨關(guān)節(jié)(后面簡(jiǎn)稱(chēng)為骨關(guān)節(jié))位置定位來(lái)給予解決。
[0005] 手指的骨關(guān)節(jié)約為1-2_，即幾個(gè)像素的寬度;但手指骨關(guān)節(jié)的透光性高于指骨骨 干及其他軟組織部位，這是手指靜脈圖像的主要特征，在沒(méi)有光干擾影響的理想情況下，可 以通過(guò)求解手指靜脈圖像灰度值分布圖中的最大值來(lái)定位骨關(guān)節(jié)位置。一種方法是在手指 圖像內(nèi)部設(shè)置固定大小的窗口，如圖1所示，按照垂直于手指指示方向計(jì)算固定窗中每一列 像素的灰度值之和，在累加的值中取最大值作為估計(jì)的手指骨關(guān)節(jié)位置。另一種方法是對(duì) 前一方法加以改進(jìn)，在手指靜脈圖像內(nèi)部構(gòu)造一個(gè)固定大小的可滑動(dòng)窗口，如圖2所示，窗 口以左端為起點(diǎn)向右端滑動(dòng)，滑動(dòng)過(guò)程中計(jì)算滑動(dòng)窗內(nèi)各像素點(diǎn)的灰度值之和，找出滑動(dòng) 過(guò)程中灰度值之和最大的窗口位置確定為手指骨關(guān)節(jié)位置。這種方法累加滑動(dòng)窗內(nèi)的灰度 值，相當(dāng)于做了平滑濾波的處理，獲取的骨關(guān)節(jié)位置穩(wěn)定性提高。但由于采集手指靜脈圖像 時(shí)，存在著手指旋轉(zhuǎn)、照明不均和環(huán)境光等因素的影響，灰度值最大值不一定位于骨關(guān)節(jié)位 置處。這兩種方法均不能穩(wěn)定地得到正確的骨關(guān)節(jié)位置。
[0006]準(zhǔn)確定位手指骨關(guān)節(jié)位置，對(duì)后續(xù)圖像的處理和身份識(shí)別都起著決定性的作用， 所以如何準(zhǔn)確獲取不同情形下的手指靜脈圖像骨關(guān)節(jié)且利用骨關(guān)節(jié)位置確定穩(wěn)定的感興 趣區(qū)域，對(duì)真正實(shí)現(xiàn)有效的不同活體的身份認(rèn)證極為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種人體手指靜脈圖像骨關(guān)節(jié)定位 方法，該方法能夠有效消除手指旋轉(zhuǎn)、照明不均和環(huán)境光等因素對(duì)骨關(guān)節(jié)定位的影響，穩(wěn)定 和準(zhǔn)確地定位骨關(guān)節(jié)位置，從而提高獲取的感興趣區(qū)域(R0I)的穩(wěn)定性及識(shí)別精度。
[0008] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是:一種人體手指靜脈圖像骨關(guān)節(jié)定位方法，包 括以下步驟：
[0009] (1)采集人體手指靜脈圖像，并將采集的圖像歸一化到Μ X N坐標(biāo)系中；
[0010] (2)在上述坐標(biāo)系的圖像上建立雙滑動(dòng)窗模型，兩個(gè)滑動(dòng)窗的滑動(dòng)矩陣表示為：
[0011] ffij(x,y) = I[(l:h), (j: j+w)], je[l,N-2w-b]
[0012] ff2j(x,y) = I[(1:h),(w+b:j+w)],j ￡[w+b,N~w]
[0013]其中，j為滑動(dòng)窗在水平方向上的滑動(dòng)范圍，b為兩個(gè)滑動(dòng)窗的間距，h為兩個(gè)滑動(dòng) 窗沿垂直方向的高度，w為每個(gè)滑動(dòng)窗沿水平方向的寬度，W1 j和W2j分別為雙滑動(dòng)窗的滑動(dòng) 矩陣;N為坐標(biāo)系中的值。
[0014] (3)根據(jù)建立的兩個(gè)滑動(dòng)窗的滑動(dòng)矩陣，在雙滑動(dòng)窗模型同時(shí)沿上述坐標(biāo)系圖像 的水平方向滑動(dòng)過(guò)程中，分別對(duì)兩個(gè)窗內(nèi)各像素點(diǎn)的灰度值累加求和；
[0015] (4)對(duì)上述兩個(gè)窗的灰度值累加值進(jìn)行相減，所得的極小值為骨關(guān)節(jié)在上述坐標(biāo) 系的圖像中沿水平方向上的值，來(lái)定位骨關(guān)節(jié)的具體位置。
[0016] 本發(fā)明所述兩個(gè)滑動(dòng)窗的設(shè)置完全相同，兩個(gè)滑動(dòng)窗間隔b的取值范圍為1到5。
[0017] 本發(fā)明用于檢測(cè)手指靜脈圖像骨關(guān)節(jié)位置的雙滑動(dòng)窗模型定位方法，通過(guò)尋找手 指靜脈圖像灰度值分布圖中的極小值來(lái)定位骨關(guān)節(jié)位置，能夠有效消除手指旋轉(zhuǎn)、照明不 均和環(huán)境光等因素對(duì)骨關(guān)節(jié)定位的影響，準(zhǔn)確和穩(wěn)定地定位骨關(guān)節(jié)位置，從而提高獲取R0I 區(qū)域的穩(wěn)定性及識(shí)別精度。具體分析如下：
[0018] 由于手指骨關(guān)節(jié)部位的透光性高于指骨骨干等部位，正常情況下，手指靜脈圖像 中骨關(guān)節(jié)部位的亮度要高于其他部位，即手指靜脈圖像中骨關(guān)節(jié)部位的灰度值要大于其他 部位。圖5為正常情形下的歸一化手指靜脈圖像，其在垂直方向上灰度值累加值的分布示意 圖見(jiàn)圖7,由圖7可見(jiàn)，骨關(guān)節(jié)處有一個(gè)高灰度值波峰突起部分，此時(shí)可通過(guò)尋找灰度值分布 圖中的最大值來(lái)定位骨關(guān)節(jié)位置，見(jiàn)圖7中圓圈標(biāo)識(shí)。此種情形下，不難理解，當(dāng)雙滑動(dòng)窗模 型滑動(dòng)至骨關(guān)節(jié)位置附近時(shí)，骨關(guān)節(jié)被兩個(gè)滑動(dòng)窗中的一個(gè)窗包含時(shí)得到的兩個(gè)窗灰度值 累加值之差值，比骨關(guān)節(jié)不被兩個(gè)滑動(dòng)窗中的任何一個(gè)窗包含時(shí)得到的兩個(gè)窗灰度值累加 值之差值均要大，所以滑動(dòng)過(guò)程中該差值為極小值時(shí)對(duì)應(yīng)的位置就是骨關(guān)節(jié)位置。圖9為本 發(fā)明方法述及的雙滑動(dòng)窗模型滑動(dòng)時(shí)兩個(gè)窗灰度值累加值之差的分布圖，在圓圈標(biāo)識(shí)處存 在灰度值的極小值，故將圓點(diǎn)處定位為骨關(guān)節(jié)位置，如圖11所示。
[0019] 當(dāng)因手指旋轉(zhuǎn)、照明不均和環(huán)境光等因素的影響，導(dǎo)致非骨關(guān)節(jié)位置處的灰度值 大于骨關(guān)節(jié)處，圖6為手指旋轉(zhuǎn)時(shí)的歸一化靜脈圖像(圖6與圖5為同一枚手指），其在垂直方 向上灰度值累加值的分布示意圖見(jiàn)圖8,由圖8可見(jiàn)，骨關(guān)節(jié)處的高亮度值波峰突起部分已 經(jīng)不明顯，而且在非骨關(guān)節(jié)處存在著平緩的高亮度區(qū)域，該區(qū)域的灰度值比骨關(guān)節(jié)處的灰 度值還要大。如果利用求最大值的方法，如圖8中圓點(diǎn)所示，和圖7對(duì)照可知，圓圈標(biāo)識(shí)位置 不是正確的骨關(guān)節(jié)位置。而利用本發(fā)明方法仍然能夠檢測(cè)出正確的骨關(guān)節(jié)位置。因?yàn)槠骄?的高亮度區(qū)域是一種連續(xù)的灰度值變化，當(dāng)雙滑動(dòng)窗模型在高亮度區(qū)域滑動(dòng)時(shí)，兩個(gè)窗灰 度值累加值之差值不會(huì)是極小值；只有當(dāng)雙滑動(dòng)窗模型滑動(dòng)至骨關(guān)節(jié)位置附近時(shí)，骨關(guān)節(jié) 不被兩個(gè)滑動(dòng)窗中的任何一個(gè)窗包含時(shí)得到的兩個(gè)窗灰度值累加值之差值才會(huì)是極小值。 圖10為本發(fā)明方法述及的雙滑動(dòng)窗模型滑動(dòng)時(shí)兩個(gè)窗灰度值累加值之差的分布圖，在圓圈 標(biāo)識(shí)處仍然有一個(gè)灰度值的極小值，故圓點(diǎn)處定位為骨關(guān)節(jié)位置，如圖12所示。由圖11和圖 12可知，當(dāng)手指正常放置時(shí)和旋轉(zhuǎn)放置時(shí)，用本發(fā)明述及方法所確定的手指骨關(guān)節(jié)位置是 一致的。
[0020]骨關(guān)節(jié)定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性直接影響到手指靜脈圖像的識(shí)別精度，因?yàn)閷?duì)于同 一個(gè)人的同一枚手指在不同時(shí)刻采集的手指靜脈圖像，如果骨關(guān)節(jié)位置定位正確并穩(wěn)定， 提取的感興趣區(qū)域(R0I)即識(shí)別區(qū)域的一致性就好，則識(shí)別精度會(huì)提高。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1為所述的固定窗模型的示意圖；
[0022] 圖2為所述的單滑動(dòng)窗模型的示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明所述的雙滑動(dòng)窗模型的設(shè)計(jì)示意圖；
[0024] 圖4為本發(fā)明所述的R0I區(qū)域不意圖；
[0025] 圖5為本發(fā)明所述的手指正常放置時(shí)歸一化靜脈圖像；
[0026] 圖6