CN103324922A - 非接触自引导式手掌静脉图像获取装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种方便快捷的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，装置包括成像模块、照明模块、自引导模块与控制模块。成像模块包括摄像机、光学镜头、滤光片；照明模块采用近红外LED且光源亮度由控制电路调节；自引导模块通过电子测距单元采集用户手掌距离信息，交由控制电路分析后，通过语音单元给用户移动方向提示；控制模块通过USB接口将图像信息与控制信号传送到电脑并实现与电脑通讯。本发明利用电子测距与分析的方法引导用户进行手掌静脉图像采集，摒弃了当前手掌静脉识别装置中固定用户手部位置的支架，对用户限制性更低；另外整个***仅采用单一USB接口实现供电、信息传输、通讯、控制等功能，即插即用，操作简便，实用性强。

Description

非接触自引导式手掌静脉图像获取装置

技术领域：

本发明属于人体生物身份识别技术领域，具体是涉及一种方便快捷的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置。

背景技术：

生物特征识别技术是一种根据人体自身所固有的生理特征和行为特征来进行身份识别的技术，以其高精度、高安全性、高可靠性逐渐得到众多研究机构的广泛关注并在安防领域有着重要应用。静脉识别技术是最近几年才发展起来的生物特征识别技术，它是利用近红外光照射人体手部，部分红外线光被血管中的血红蛋白吸收，再用摄像机对人体手部成像时获得静脉呈黑色而其他部位呈白色的

静脉图像。由于每个人的静脉纹路都具有唯一性，将采集到的静脉图像同预先采集的静脉图像进行比对即可实现个人身份验证。静脉识别具有识别精度高、防伪性强、适用范围广、可获得性高，可接受度好等特点。

目前的静脉生物特征识别技术主要分为：手指静脉识别技术、手背静脉识别技术和手掌静脉识别技术。相比于手指静脉，手掌静脉网络比较复杂，拥有的更多的纹理特征信息；相较于手背静脉，手掌静脉位于皮下较深位置，静脉网络比较复杂，信息量更丰富，更难伪造；另外，手掌静脉特征很容易实现与掌纹特征相融合进行多生物特征的识别，因此相比于前两种静脉识别技术手掌静脉识别技术更具有发展前景。

目前已有一些关于手掌静脉采集装置的公开报道。通过分析这些公开报道可以看出，目前手掌静脉采集的普遍方法是采用定焦镜头外加定位装置的方法。这样做的好处是操作简单，后期算法难度较低，但存在着环境不卫生、操作灵活性差等缺点。例如在公开号为CN202067293U、名称为“手掌静脉识别装置”的专利文件中公开的技术方案，它包括电源模块、控制器以及与控制器连接的手掌静脉传感器，手掌静脉传感器外的定位圈和定位圈外沿的定位槽。每次使用时需要将手掌按在定位圈上，通过定位槽固定手掌位置。这种方案好处是每次识别时手掌的位置一致，但缺点就是***灵活性较差，且每次手掌需要按在定位圈上环境不太卫生，这在一定程度上影响了用户的可接受度。在公开号为CN201311642、名称为“便携式手背静脉采集仪”的专利文件中采用了通过红外距离感应驱动成像模块对手背静脉的采集的方法，从原理上讲也是一种非接触式采集静脉的方法，但在采集静脉图像过程中，需要用户由远及近地移动手背，控制模块分析成像清晰后采集静脉图像。但由于成像器件的景深有限，加上用户移动手背的速度也不相同，因此容易存在用户难以准确将手背移动到清晰成像区域从而采集到的图像模糊而无法识别。同时由于没有人机交互模块，用户无法了解采集是否成功，只能继续移动手背，因此在操作上有很大的困难。

基于目前静脉采集过程中存在的需要支架固定和操作困难等问题，本发明提出非接触自引导式采集手掌静脉的方法。

发明内容：

本发明的目的在于设计一种方便快捷的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，要求***能够引导用户前后移动手掌采集到符合识别要求的手掌静脉图像。

为了达到上述目的，本发明提供一种方便快捷的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，该装置包括成像模块、照明模块、自引导模块与控制模块。所述成像模块包括摄像机、光学镜头、滤光片；照明模块由近红外LED组成；自引导模块包括电子测距单元和语音单元；控制模块包含控制电路，并通过USB接口将图像信息与控制信号传送到电脑并实现与电脑通讯。

所述摄像机采用对近红外光有更好响应特性的近红外摄像机，摄像机直接输出为USB视频信号；所述光学镜头为大视场光学镜头；所述滤光片采用截止波长为720nm的高通滤光片，以消除杂散自然光的影响；光学镜头安装在近红外摄像机上。

所述近红外LED波长在720nm以上，且在光学镜头四周均匀分布，在镜头前方50cm内光斑均匀，光斑大小能覆盖整个手掌；外壳前面板上在光学镜头和LED灯前方嵌有透红外滤光片。

所述自引导模块通过电子测距单元采集用户手掌距离信息，交由控制电路分析后，控制电路向语音单元发送相应指令，通过语音单元给出用户移动方向的提示。自引导模块中的电子测距单元是超声波或红外测距模块，实时测量用户手掌距离信息；语音单元采用专用语音处理芯片并配备高灵敏度喇叭，需要播报的语音已经提前烧录如语音处理芯片的FLASH中。所述控制电路包括USB接口，USB扩展模块，USB转串口模块，单片机，照明光源控制模块接口，电子测距单元接口，语音单元接口。控制模块与计算机通过USB进行通讯，计算机包含上位机软件，可进行静脉图像获取，对单片机发送命令，静脉识别等操作。USB扩展模块使计算机同时接收摄像机的视频信号和单片机的控制信号；USB转串口模块将计算机可识别的USB信号转换为和单片机可识别的串口信号进行互转，从而实现计算机与单片机的通讯。

所述控制电路中的单片机用作***的主控芯片，它实时读取电子测距单元距离信息并判断用户手掌是否在可清晰成像范围内；如果超出清晰成像范围单片机则向语音单元发送相应的指令控制语音单元播报相应的语音来食堂用户进行移动；根据实际采集环境的需要，照明光源可以进行调节;计算机可以给单片机发送相应的调光指令,单片机接到命令后进行PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）或IO口电平变化控制照明近红外LED的亮度和数量，从而调节照明亮度。

为提高图像质量，避免有杂散自然光进入***，整个***内置于封闭的金属壳中，金属壳前面板嵌有透红外滤光片和距离测量单元发射端口，后面板嵌有USB口与计算机通讯。

与现有的技术相比，本发明由于采用了上述技术方案，使用户摆脱了支架的限制，采集装置与用户手掌非接触，采集环境卫生，用户的心理抵触感小。另外本发明采集过程简单，用户只需将手对准镜头并根据语音提示移动即可。同时***仅采用单一USB接口实现电源供应、数据传输、计算机与单片机的通讯和控制等功能，即插即用，操作简便，实用性强，易于推广。

附图说明：

以下对本发明的实施方案附图进行描述，其中，附图为：

图1为静脉采集***的原理框图。

图2为控制电路的原理框图。

图3为USB信号流向图。

图4为静脉采集***工作流程图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

本发明提供一种方便快捷的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，该装置包括成像模块、照明模块、自引导模块与控制模块。所述成像模块包括摄像机、光学镜头、滤光片；照明模块由近红外LED组成；自引导模块包括电子测距单元和语音单元；控制模块包含控制电路，并通过USB接口将图像信息与控制信号传送到电脑并实现与电脑通讯。

图1描述了静脉采集***的原理框图。整个装置包括摄像机、光学镜头、滤光片、近红外LED光源板、电子测距单元模块、语音单元模块、控制电路。整个装置安装在一个全封闭的金属壳中。金属壳中部有定位孔，用来固定摄像机，光学镜头选用大视场光学镜头，安装在摄像机上。但光学镜头的前端不超出外壳的前面板。外壳的前面板在光学镜头的前方开有安装透红外线的滤光片的方孔。近红外LED光源板是中间带有一个圆孔，光学镜头从圆孔中穿过。光源板固定在摄像机与光学镜头之间，近红外LED灯均匀分布在光学镜头四周。近红外LED灯分为若干组，每一组LED都由主控制电路来控制其亮灭；另外主控制电路还可产生PWM波来进一步控制LED灯强度。外壳的前面板在光学镜头和近红外LED灯的前方开有安装透红外线的滤光片的方孔。距离测量单元，以超声波距离测量模块为例，安装在光学镜头正下方，其超声波发射与接收端都嵌在外壳前面板上。摄像机的后方是控制电路，它与摄像机，近红外LED光源板，电子测距单元模块，语音单元模块通过排线连接。语音单元模块安装在控制电路与电子测距单元模块的空隙之间。主控制电路上有USB接口，***USB线后即可实现与计算机的通讯。

图2描述了控制电路的原理框图。控制电路上包括USB接口、USB扩展模块、USB转串口模块、单片机、照明光源控制接口、电子测距单元接口、语音单元接口。USB接口与计算机相连，USB扩展模块可以最多将一个USB口扩展为四个，一个用于连接USB摄像机传递视频信号，还有一个用于USB转串口模块和单片机通讯，另外两个备用。USB转串口模块将计算机可识别的USB信号和单片机可识别的串口信号进行相互转换，从而实现计算机与单片机的通讯。单片机采用ATMEL系列单片机，计算机发出的USB信号由USB扩展模块扩展后再由USB转串口模块转换为串口信号给单片机，单片机根据命令要求做出相应的操作并向计算机回传响应指令。USB信号主要包括开启和调节光源，给距离测量单元和语音单元发出工作指令并读取回传信息等。

图3描述了USB信号流向图。摄像机将手掌静脉图像转换为USB视频信号后传入USB扩展模块；同时单片机发出的串口信号经过USB扩展模块扩展成USB控制信号后也传入USB扩展模块。USB扩展模块将两路信号合并为一路USB视频加控制信号，通过USB接口传给计算机。计算机只需要获取视频信号，但需要向单片机发送指令，因此计算机与单片机直接通讯是双向的而与摄像机之间则是单向的。USB扩展模块采用USB集线器控制模块，即USB-HUB。USB转串口模块，USB扩展模块均可采用目前市场上比较成熟的USB转串口芯片和USB-HUB芯片。此外，采用的芯片功耗都不高，可以通过USB接口提供给***电源。这样采用单一USB接口实现电源供应、信息传输、计算机与单片机的通讯和控制等功能的方法，使***外形更为简洁，操作也很简便。

图4描述了静脉采集***的工作流程图。计算机给单片机发送开始命令，如0xAF。单片机接收到开始指令0xAF后，开始给***供电，并按照默认的设置调整红外LED光源强度，并同时发送命令给测距模块通知其开始测距。当单片机接收到测距模块回传的距离信息后，与单片机内存中已经设定好的可清晰成像距离进行比较。如果当前距离大于可清晰成像的最远距离，单片机则给语音模块发出用户靠近的指令；相反如果当前距离小于可清晰成像的最近距离，则给语音模块发出用户远离的命令。同时再次启动距离测量命令。直到用户进入可清晰成像距离后，单片机向计算机发出可以采集命令0x80。计算机采集当前的视频图像并交由后台程序进行识别。当识别结果出来后，计算机将识别结果发送给单片机，如识别成功为0x01，失败为0x02。单片机根据识别结果提示用户识别结果及建议用户的操作或者给出相应***的控制信息。如在门禁***中，识别成功可以欢迎用户进入，失败则建议用户重新识别或者放弃识别等。根据实际采集环境的需要，在采集开始时照明光源可以进行调节。如果需要加大光源亮度，计算机可以给单片机发送增加光照指令0x30，单片机接到命令后增加PWM的占空比或是增加亮灯的数目从而提高亮度；如果需要降低光源亮度，计算机可以给单片机发送增加光照指令0x31，单片机接到命令后减少PWM的占空比或是减少亮灯的数目从而降低亮度。

该发明可以应用于门禁，海关，银行，社会保障等各领域中。同时该发明既可单独使用也可与其他***（如保险箱，报警***等）集成使用，具有很好的社会价值。虽然本发明以具体实施方式来描述发明，但应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，其特征在于：包括成像模块、照明模块、自引导模块与控制模块；所述成像模块包括摄像机、光学镜头、滤光片；照明模块由近红外LED组成；自引导模块包括电子测距单元和语音单元；控制模块包含控制电路，并通过USB接口将视频信息与控制信号传送到电脑并实现与电脑通讯。

2.如权利要求1所述的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，其特征在于：摄像机采用对近红外光有更好响应特性的近红外摄像机，摄像机直接输出为USB视频信号；光学镜头为大视场光学镜头；滤光片采用截止波长为720nm的透红外滤光片，用来消除杂散自然光；光学镜头安装在近红外摄像机上，透红外滤光片内嵌在外壳前面板上，位于光学镜头前方。

3.如权利要求1所述的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，其特征在于：近红外LED波长在720nm以上，且在光学镜头四周均匀分布，在镜头前方50cm内光斑均匀，光斑大小能覆盖整个手掌；在近红外LED前方也有透红外滤光片。

4.如权利要求1所述的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，其特征在于：自引导模块通过电子测距单元测量用户手掌距离信息，交由控制电路分析后，控制电路向语音单元发送相应指令，通过语音单元给出用户移动方向的提示。

5.如权利要求1或4所述的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，其特征在于：自引导模块中的电子测距单元是超声波或红外测距模块，实时测量用户手掌距离信息；语音单元采用专用语音处理芯片并配备高灵敏度喇叭，需要播报的语音已经提前烧录入语音处理芯片的FLASH中。

6.如权利要求1所述的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，其特征在于：控制电路包括USB接口，USB扩展模块，USB转串口模块，单片机，照明光源控制接口，电子测距单元接口，语音单元接口。

7.如权利要求1或6所述的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，其特征在于：控制模块与计算机通过USB进行通讯，计算机包含上位机软件，可进行静脉图像获取、对单片机发送命令、静脉识别等操作；USB扩展模块使计算机同时接收摄像机的视频信号和单片机的控制信号；USB转串口模块将计算机可识别的USB信号和单片机可识别的串口信号进行互转，从而实现计算机与单片机的通讯。

8.如权利要求1或6所述的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，其特征在于：控制电路中的单片机用作***的主控芯片，它实时读取电子测距单元距离信息并判断用户手掌是否在可清晰成像范围内；如果超出清晰成像范围单片机则向语音单元发送相应的指令控制语音单元播报相应的语音来提示用户进行移动；根据实际采集环境的需要，照明光源可以进行调节;计算机给单片机发送相应的调光指令，单片机接到命令后进行PWM脉宽调制或IO口电平变化控制照明近红外LED的亮度和数量，从而调节照明亮度。

9.如权利要求1所述的非接触自引导式手掌静脉图像获取装置，其特征在于：整个***仅采用单一USB接口实现电源供应、信息传输、计算机与单片机的通讯和控制等功能。

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