CN103679153A - 手指多模态生物特征偏振成像*** - Google Patents

Abstract

一种手指多模态生物特征偏振成像***。其由外部采集装置和计算机组成；外部采集装置包括：单片机、LED选择电路、滑动模块、LED阵列、指纹采集模块、指静脉摄像头、指节纹摄像头、零度检偏滤片、90度检偏滤片、高通滤片、低通滤片和反光隔板；本发明提供的手指多模态生物特征偏振成像***能够实现手指静脉、指纹、指节纹的同时采集，其具有如下优点：1）能够实现指静脉摄像头和指节纹摄像头的位置自动调节。2）能够实现多光谱采集时对不同波段光束的顺序控制和量化控制。3）利用偏振成像原理减少成像噪声。

Description

手指多模态生物特征偏振成像***

技术领域

本发明属于计算机识别技术领域，特别是涉及一种手指多模态生物特征偏振成像***。

背景技术

在生物特征识别领域，当前研究、应用较多的是单一模态的生物特征采集以及识别技术。多模态生物特征识别是一个新兴的领域。对手指静脉、指纹、指节纹三模态统一采集的研究更是很少有相关机构在做。目前现有的上述手指三模态采集设备，比如天津工业大学的采集设备，能够实现手指静脉、指纹、指节纹三模态的统一采集。但是其存在着许多不足。首先此类采集设备的成像模块位置是固定的，而人的手指是有长有短的，不能确保三模态同时位于成像区域以及三模态的感兴趣区域位于采集图像中心位置，因此不能适用于实际采集中。其次，此类采集设备都是利用传统光学成像原理，由于传统光学的固有缺点，决定着采集图像的质量不是非常高。再次，现有采集设备的光源是单一光谱的，而生物组织在不同光谱下会呈现不同的特性，因此没有充分挖掘生物组织的特征。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种手指多模态生物特征偏振成像***。

为了达到上述目的，本发明提供的手指多模态生物特征偏振成像***由外部采集装置和计算机组成；外部采集装置包括：单片机、LED选择电路、滑动模块、LED阵列、指纹采集模块、指静脉摄像头、指节纹摄像头、零度检偏滤片、90度检偏滤片、高通滤片、低通滤片和反光隔板；其中：单片机与LED选择电路和滑动模块相连接，并通过串行数据线与计算机相连接；LED选择电路为LED光源组驱动选择电路，其与LED阵列相连接；滑动模块为两组平移传动机构，其上分别安装有指静脉摄像头和指节纹摄像头；LED阵列包括第一偏振光源组和第二偏振光源组，其均由LED灯组和安装在前方的零度起偏器组成；第一偏振光源组为垂直照射光源阵列，其分别设置在指节纹摄像头的两侧；第二偏振光源组为两组倾角光源，其分别设置在两组第一偏振光源组的外侧，并与水平方向呈15度夹角；偏振光源组和偏振光源组中都包含了用于指静脉采集的双波段的LED阵列以及用于指节纹采集的双波段的LED阵列；指纹采集模块为安装在被测手指指尖下方的指纹采集装置，其与计算机相连接；指静脉摄像头为安装在被测手指中部下方的指静脉图像采集装置，其与计算机相连接；指节纹摄像头为安装在被测手指中部上方的指节纹图像采集装置，其与计算机相连接；指静脉摄像头的前方依次安装有零度检偏滤片和高通滤片；指节纹摄像头镜头的前方依次安装有90度检偏滤片和低通滤片；在指静脉摄像头和指节纹摄像头镜头的两侧分别安装有一组反光隔板；计算机与外部采集装置相连接。

所述的计算机上设有与外部连接的串行通信接口。

所述的零度检偏滤片为零度光学检偏器。

所述的90度检偏滤片为90度光学检偏器。

所述的高通滤片采用HB730光学滤波器。

所述的低通滤片采用LB550光学滤波器。

本发明提供的手指多模态生物特征偏振成像***能够实现手指静脉、指纹、指节纹的同时采集，其具有如下优点：

1）能够实现指静脉摄像头和指节纹摄像头的位置自动调节。

2）能够实现多光谱采集时对不同波段光束的顺序控制和量化控制。

3）利用偏振成像原理减少成像噪声。

附图说明

图1为本发明提供的手指多模态生物特征偏振成像***的原理框图。

图2为本发明提供的外部采集装置的成像光路示意图。

图3为本发明提供的手指多模态生物特征偏振成像***中LED选择电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的手指多模态生物特征偏振成像***进行详细说明。

如图1、图2所示，本发明提供的手指多模态生物特征偏振成像***由外部采集装置10和计算机20组成；外部采集装置10为本***的采集部分，其包括：单片机1、LED选择电路2、滑动模块3、LED阵列4、指纹采集模块5、指静脉摄像头6、指节纹摄像头7、零度检偏滤片81、90度检偏滤片82、高通滤片91、低通滤片92和反光隔板10；其中：单片机1为数据收发控制中心，其与LED选择电路2和滑动模块3相连接，并通过串行数据线与计算机20相连接；LED选择电路2为LED光源组驱动选择电路，其与LED阵列4相连接；滑动模块3为两组平移传动机构，其上分别安装有指静脉摄像头6和指节纹摄像头7，其能够接收单片机1的指令，分别控制指静脉摄像头6和指节纹摄像头7作水平位移，从而调整指静脉摄像头6和指节纹摄像头7的图像采集点位置；LED阵列4包括第一偏振光源组41和第二偏振光源组42；其均由LED灯组和安装在前方的零度起偏器组成，LED灯组所发出的光通过起偏器成为偏振光；第一偏振光源组41为垂直照射光源阵列，其分别设置在指节纹摄像头7的两侧；第二偏振光源组42为两组倾角光源，其分别设置在两组第一偏振光源组41的外侧，并与水平方向呈15度夹角；偏振光源组41和偏振光源组42中都包含了用于指静脉采集的双波段的LED阵列以及用于指节纹采集的双波段的LED阵列，这样能够得到各模态在不同光谱不同光照角度下的特征图像；指纹采集模块5为安装在被测手指30指尖下方的指纹采集装置，其与计算机20相连接；指静脉摄像头6为安装在被测手指30中部下方的指静脉图像采集装置，其与计算机20相连接；指节纹摄像头7为安装在被测手指30中部上方的指节纹图像采集装置，其与计算机20相连接；指静脉摄像头6的前方依次安装有零度检偏滤片81和高通滤片91；指节纹摄像头7镜头的前方依次安装有90度检偏滤片82和低通滤片92；在指静脉摄像头6和指节纹摄像头7镜头的两侧分别安装有一组反光隔板10，用于集中光束能量；指节纹的90度检偏滤片82用于滤除偏振光束得到包含丰富的生物表皮特征信息的漫反射光；指静脉的零度检偏滤片81用于滤除非偏振光束得到包含手指静脉特征信息的透射光束；高通滤片92用于滤除730nm以下的光束；低通滤片用于滤除550nm以上的光束；计算机20为本***的控制计算部分，与外部采集装置10相连接。计算机20的控制计算程序主要负责：顺序驱动摄像头并采集视频流；驱动指纹采集器采集图像；记录采集者信息；定位手指静脉的ROI（感兴趣区域）区域，根据指静脉的ROI位置计算出指节纹的位置参数，并判断是否需要对指静脉和指节纹成像模块进行位置调节；发送各种控制命令。

所述的计算机20上设有与外部连接的串行通信接口，用于与外部***或装置实现数据交换。

所述的零度检偏滤片81为零度光学检偏器，用于通过零度偏振光。

所述的90度检偏滤片82为90度光学检偏器，用于滤除零度偏振光。

所述的高通滤片91采用HB730光学滤波器，用于通过近红外光。

所述的低通滤片92采用LB550光学滤波器，用于通过可见光。

本***采用两组偏振光源，每组光源由两个波段的LED构成。生物组织对波长小于700nm光波具有较强的吸收作用，此波段光波挣脱反射而进入组织内部的光一般不能透过手指。波长在400nm—600nm之间的可见光有较好的皮肤表面反射效果。指节纹为反射成像，因此选择400nm—600nm波段的可见光，经偏振成像实验验证采用470nm和495nm波段的光速时指节纹成像效果最佳。指静脉为透射成像，选择大于700nm以上的近红外光波，经偏振成像实验验证为获得最佳成像效果应采用830nm和850nm双光谱。指纹采集模块5采用的是已经做好的成品模块，能够采集较高质量的指纹图像。

为了避免各个光源相互影响，各成像摄像头模块均配有检偏滤片和滤波片。考虑到LED峰值有正负10nm的波动，指静脉成像单元阻止730nm以下的光波通过，指节纹成像单元的低通滤片92阻止550nm以上的光波通过，这样基本杜绝了各成像单元之间的光源干扰，保证了各模态生物特征成像互不影响；偏振光照射手指皮肤会发生四种变化：反射、折射、漫反射和散射。反射和折射不破坏光的偏振状态，而漫反射和散射均可消除光的偏振特性使之成为自然光（无偏振特性）。漫反射光中包含了十分丰富的皮肤生物特征信息。在指节纹成像过程中，通过90度检偏滤片82消除偏振光束得到漫反射光束即可获得清晰的生物组织表皮特征图像。偏振光波进入手指内部有三种状态：吸收、散射和透射。直接透射出去的光保持偏振特性，散射出去的光则完全失去了偏振状态，成为了自然光。在手指静脉成像中，散射正是降低静脉图像对比度的一个重要因素，因此，采用零度检偏滤片81消除非偏振成分，十分有利于提高手指静脉图像的质量。

根据采集部位的不同，本***用相同分辨率的摄像头传感器配以不同焦距的光学镜头，实现在成像平面上各模态图像具有近似的分辨率，以降低后续ROI（感兴趣区域）区域归一化可能产生的特征形变。另外，考虑到指节纹具有凹凸现象，双光谱光源分别以不同的角度置于摄像头两侧，通过控制电路实现交替发光，达到充分挖掘图像表面及其内部信息的目的。

医学研究表明，活体组织在不同的波段下具有不同的光学特性。因此，变换光谱可以探测到生物组织所蕴含的不同介质的特征内容。因此设计成像光源控制电路，即LED选择电路2，其主要有两个功能：一是实现双波段光源发光的顺序控制；二是实现光源发光强度的量化控制。顺序控制的目的是为了获得不同波段的生物特征图像，量化控制的目的是使光源的发光强度适应手指形状变化的实际情况。光源的顺序控制是通过单片机1和LED选择电路2实现的。其基本工作原理是单片机1接收到计算机20发过来的选择信号，向LED选择电路2的相应接口输入电压，光路选择电路得电后点亮对应的灯组。LED选择电路2的部分原理图如图3所示，由图可见四组灯组接口采用共阳极接法，这样便于单片机1引脚直接控制。量化控制是通过PWM（脉冲宽度调制）原理实现的。在一定的频率的方波中，调整高电平和低电平的占空比，即可实现。比如我们用低电平点亮一个LED灯，我们假设把一个频率周期分为10个时间等份，如果方波中的高低电平占空比是9：1，也就是说一个电平输出周期T内只有1/10T的时间是点亮LED的，当频率超过100Hz，由于人眼视觉残留效果，就可让人眼无法察觉到闪烁，感受到的只是亮度的变化，这时就是一个比较暗的亮度。如果方波中高低电平占空比是10：0，这时，全部是高电平，灯是灭的。如果占空比是5：5，就是一个中间亮度，如果高低比是1：9，是一个比较亮的亮度，如果高低是0：10，这时全部是低电平，就是最亮的。本***根据此原理设置了九个亮度级。此外采集***左右两侧各有一个高亮指示灯，一个是绿灯，一个是红灯。绿灯是摄像头连接指示灯，当摄像头正常工作时绿灯亮起，故障时绿灯熄灭。红灯是控制电路指示灯，当控制电路上电且正常工作时红灯点亮，如果控制电路不能上电，红灯处于熄灭状态，如果控制电路能上电但却不能正常工作，红灯会闪烁。

为了能够采集到清晰的指节纹图像，本***在指节纹摄像模块上安装的是微距镜头，这就决定了镜头的采集范围很有限。而不同人的手指长短不一，当手指30放入采集装置中时，手指30的位置不一定同时是指纹、指节纹、指静脉的最适合采集区。因此快速便捷的对三个摄像头的位置进行调节就显得十分重要。我们将指纹采集模块5固定，作为确定手指放置位置的标准，这样只需要移动指节纹采集摄像头7和指静脉采集摄像头6就可以同时采集到我们的感兴趣区域。其工作原理是：计算机20的控制计算程序，通过定位手指静脉的ROI区域两端的高亮区域获得指静脉ROI区域的位置参数，根据此参数控制计算程序计算出指节纹的位置参数，分别比较两位置参数中各定位点距离各自图像边缘的位置即可得出滑动模块移动参数，通过串行口发送调节命令即可调节指节纹摄像头7和指静脉摄像头6的位置。此***的滑动原理不仅可以确保同时采集到指静脉、指节纹、指纹三模态的特征图像，还能够确保各模态的ROI区域位于采集图像的中心位置，有利于后期的特征提取与识别。

本发明提供的手指多模态生物特征偏振成像***采用手指的指纹、指静脉和指节纹三种生物模态，特征内容各不相同。指纹位于静脉血液回流的顶端，是手指静脉特征最不明显的区域；指节纹位于背侧，是手指静脉的非成像区域。指纹、指静脉和指节纹分别位于手指的不同区域且互不干扰，这为实现三模态生物特征的统一采集提供了天然条件。若利用传统光学成像方法，很难同时获得较高质量的三模态生物特征图像。综合考虑生物组织的多光谱特性和偏振光成像特点，本***采用以双光谱偏振光为基础的手指的多模态生物特征成像方案。在反射模式下，利用偏振光可以探测生物组织表面的内部信息。在透射模式下，利用偏振光可以减弱生物组织产生的散射噪声，提高成像质量。

Claims (6)

1.一种手指多模态生物特征偏振成像***，其特征在于：其由外部采集装置（10）和计算机（20）组成；外部采集装置（10）包括：单片机（1）、LED选择电路（2）、滑动模块（3）、LED阵列（4）、指纹采集模块（5）、指静脉摄像头（6）、指节纹摄像头（7）、零度检偏滤片（81）、90度检偏滤片（82）、高通滤片（91）、低通滤片（92）和反光隔板（10）；其中：单片机（1）与LED选择电路（2）和滑动模块（3）相连接，并通过串行数据线与计算机（20）相连接；LED选择电路（2）为LED光源组驱动选择电路，其与LED阵列（4）相连接；滑动模块（3）为两组平移传动机构，其上分别安装有指静脉摄像头（6）和指节纹摄像头（7）；LED阵列（4）包括第一偏振光源组（41）和第二偏振光源组（42），其均由LED灯组和安装在前方的零度起偏器组成；第一偏振光源组（41）为垂直照射光源阵列，其分别设置在指节纹摄像头（7）的两侧；第二偏振光源组（42）为两组倾角光源，其分别设置在两组第一偏振光源组（41）的外侧，并与水平方向呈15度夹角；偏振光源组（41）和偏振光源组（42）中都包含了用于指静脉采集的双波段的LED阵列以及用于指节纹采集的双波段的LED阵列；指纹采集模块（5）为安装在被测手指（30）指尖下方的指纹采集装置，其与计算机（20）相连接；指静脉摄像头（6）为安装在被测手指（30）中部下方的指静脉图像采集装置，其与计算机（20）相连接；指节纹摄像头（7）为安装在被测手指（30）中部上方的指节纹图像采集装置，其与计算机（20）相连接；指静脉摄像头（6）的前方依次安装有零度检偏滤片（81）和高通滤片（91）；指节纹摄像头（7）镜头的前方依次安装有90度检偏滤片（82）和低通滤片（92）；在指静脉摄像头（6）和指节纹摄像头（7）镜头的两侧分别安装有一组反光隔板（10）；计算机（20）与外部采集装置（10）相连接。

2.根据权利要求1所述的手指多模态生物特征偏振成像***，其特征在于：所述的计算机（20）上设有与外部连接的串行通信接口。

3.根据权利要求1所述的手指多模态生物特征偏振成像***，其特征在于：所述的零度检偏滤片（81）为零度光学检偏器。

4.根据权利要求1所述的手指多模态生物特征偏振成像***，其特征在于：所述的90度检偏滤片（82）为90度光学检偏器。

5.根据权利要求1所述的手指多模态生物特征偏振成像***，其特征在于：所述的高通滤片（91）采用HB730光学滤波器。

6.根据权利要求1所述的手指多模态生物特征偏振成像***，其特征在于：所述的低通滤片（92）采用LB550光学滤波器。

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