基于生物识别的指静脉识别系统概述

陈华宣

摘 要：在信息时代的大背景下，人人都很注重自己的信息安全。而传统的信息验证方式并不算安全和便捷。由此生物特征识别技术应运而生，其中的指静脉识别技术是本文讨论的对象，指静脉识别技术能够有效地解决现如今信息验证中存在的缺点和弊端。针对指静脉识别中的原理以及系统关键点做了详细的说明，并展望了不久的将来指静脉识别技术的迅速发展以及庞大的市场需求。

关键词：信息验证；生物特征识别；指静脉识别

Abstract：In the context of the information age， everyone is very focused on their own information security. And the traditional way of information verification is not safe and convenient. Thus， biometric identification technology has emerged， which is the object of this paper， which can effectively solve the shortcomings and disadvantages of the current information verification. According to the principle of finger vein recognition and the key points of the system， the key points of the system are described in detail， and the rapid development of the vein recognition technology and the huge market demand are prospected.

Key word：Information verification Biometric identification Finger vein recognition

隨着信息爆炸时代的来临，人类社会产生了巨大的变革，人们对信息的需求和依赖越来越大，人们在时刻进行社会活动的时候离不开身份信息的验证。在这种时代背景下信息的安全问题也就显得十分重要，然而传统的身份识别方法是需要借助外物来证明身份的，但如果证明身份的标识物品出现丢失、被盗窃或者被伪造等情况就会导致混乱甚至犯罪事件的发生。针对这一弊端，现已有很多生物特征识别技术用于身份认证，比如指纹、虹膜、视网膜、手型识别、脸部识别等等。实际上生物特征识别技术早已有人研究，随着科技的进步以及各种生物特征识别的算法和系统的问世使得生物特征识别变得火热起来。而本文涉及的是生物特征识别技术中的指静脉识别技术。

指静脉识别这一技术最初是由日立公司着手研究并开发成相关产品的，由于每个人的指静脉分布都不一样，由此特性它通过识别个人手指里的指静脉分布图像特征来进行个人的身份鉴定。指静脉的采集是根据静脉里面的血红蛋白反射采集到的图像来对比识别的，这种识别方式决定了指静脉是活体识别技术。

目前指纹识别虽然是用户广泛的一种识别技术，但弊端也随之体现出来：安全性低，虽然如今破解指纹识别机不大可能了，但现在网上都有各种制作指纹膜来达到伪造身份的目的；稳定性差，如果手指受了割伤或者手指外表皮因为温度或者摩擦等原因而脱落或者手指表面沾上某种污渍，在指纹验证时就会很困难。相较之下指静脉识别很难伪造，抗干扰性好、不易受手指表面伤痕或污渍的影响，因此指静脉的准确率比较高，FRR（拒真率）小于0.01%，FAR（认假率）小于0.0001%，FTE（登录失败）为0%。因此就目前技术方面和市场方面来说指静脉识别技术运用到的识别原理作为一种新型的身份认证方式在生物特征识别中是具有较大的优越性的。

1 指静脉识别原理及技术

1.1指静脉成像原理

根据医学研究结果，每个人都有着自己独特的手指血管纹路，左手和右手之间的静脉分布也是不同的，即使是双胞胎之间的血管纹路也不一样的。由于静脉相比于动脉更接近皮肤表层，易于采集特征；况且静脉分布的曲线和分支比较繁多复杂，采集到的图案样本多，所以个人之间图像差别明显。根据这一生物特性，我们可采用近红外线照射指静脉（近红外线范围在700～1000nm之间，本系统采用了波长为850nm的近红外线，在这个范围静脉透射的部分比较少，成像较为明显），静脉的图像就会突出显示，手指肌肉和骨骼等其它部位被弱化，由此将静脉里流动血液中的血红蛋白呈现出来的图像进行特征提取。

1.2图像的采集和预处理

采用了使用比较广泛的CMOS感光器件，相较于CCD感光器件，COMS有以下几个 优点：

（1）集成度更高，所以功耗也比较低；

（2）在价格上CMOS由于结构简单所以制造成本低；

（3）在成像方面新的CMOS器件的出现提高了信噪比和影像效率，已经接近了CCD的成像质量；

（4）CMOS的光谱敏感范围在近红外线比可见光的灵敏度高达5～6倍。

根据上述分析决定使用CMOS感光器件在近红外下采集图像。

但由于使用环境中我们的图像采集成像装置会受到环境可见光的影响，会导致指静脉成像的不稳定，因此需要增加滤光片来消除可见光的干扰。一般滤光镜按照光谱的标准来区分的话有紫外滤光、可见滤光片和红外滤光片，因为我们采集指静脉图像的近红外线是采用850nm的波长，所以滤光镜选择红外滤光片。

而因为手指摆放的姿势、位置以及受到温度等其它因素的影响导致手指内部静脉收缩或者扩张，所以图像采集到还需要进一步的处理。处理过程一般都有图像感兴趣区域的裁剪、尺寸或灰度归一化、图像增强、静脉分割、位置校准、细化等操作，经过处理的图像更有利于特征的提取和图像的识别认证。可以根据实际情况的需要有选择地选取上述处理方式，好的算法会使得图像的处理更加优化，从而达到提高识别率的目的。

1.3指静脉特征点提取

在本系统的指静脉特征点提取中主要采用的是基于细节点特征提取的算法，因为利用细节点来进行识别主要有以下几个优点：

（1）细节点的特征描述相对比较简单的。

（2）细节点占用的存储空间比较小。

（3）单单凭借着细节点是无法恢复出原有的指静脉的，有利于保护个人隐私。

而细节点的特征提取一般有以下几种：

1.3.1端点：当指静脉在手指内部一定深度或者近红外线对手指透射的不够深的时候就会出现这种端点。

1.3.2分叉点：由一个单一的静脉段分裂为两个静脉段。

1.3.3雙分叉点：当两个分叉点靠得比较近的时候就会出现这种双分叉点。

根据以上三种细节点进行特征提取的方法分别如下：

1.3.3.1提取端点：以端点为中心提取一个N*N范围块（N的取值视具体情况而定），然后删除该N*N区域中其它没有与该中心端点相连接的点。最后计算静脉特征和块边界的连接数，如果连接数目为一个细节点就认为该细节点是端点并保存端点段誉水平线之间的角度，否则不是。

1.3.3.2提取分叉点：以一个分叉点为中心提取一个N*N的范围块（N的取值视具体情况而定），然后删除在该N*N区域内其他的不与中心分叉点相连接的点。最后计算静脉特征和划分的N*N范围块边界的连接数，当连接数目为四，就认为该分叉点是双分叉点，同时保存分支之间的两个角度。反之则认为该分叉点为错误的细节点。

于是针对上述的三种细节点我们可以分别列出表达方式如下⑵：

端点：[X，Y，Φ1]

分叉点：[X，Y，θ2，θ3，θ4]

双分叉点：[X，Y，Φ5，Φ6，Φ7，Φ8]

其中X，Y是细节点的坐标，β是端点和水平线两者之间的角度，θ是分叉点与分支两者之间的角度，α是双分叉点与分支两者之间的角度。

具体的直观图像如下图所示：

图2.3 细节点表达图像

实际上提取特征点之后为更加简化的图像：

将上述提取特征点获得的图像与已保存的图像库做对比识别即可辨识身份。

2 总结

针对指纹识别等传统生物识别的缺点或弊端提出了指静脉识别系统的优势所在以及在指静脉系统中从选用合适的器件开始逐步到阐明在本系统中静脉采集和特征提取的原理和方式等关键问题。

从目前来看鉴于技术和成本之间的冲突，指静脉识别市场正处于市场爆发的临界状态，一旦指静脉识别技术得到进一步的完善和达到一定的量产，将会普遍推广到各类民用领域。而且国家相关机构也在制订并计划实施相关的产品技术标准。相信通过国内有实力的核心技术及上下游厂商通力合作，中国指静脉技术识别技术产品发展的前景广阔。

我们也期盼着各种高科技产品早日普及到我们平常生活中，让每个人都可以体验忘记密码、丢掉钥匙的安全又便捷的生活，就像十几年前人们纷纷丢下腰间的BP机换成手机一样，指静脉识别系统会在不久的将来大放异彩。

参考文献：

[1]葛彦平.手指静脉识别技术研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文

[2]袁智.基于匹配融合的指纹与指静脉双模态生物识别技术的研究[D].南京邮电大学硕士学位论文