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] 手指靜脈識別是一種依賴于生物體生理特征的身份識別技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的身份 識別技術(shù)，生物特征識別更具特異性以及不易模仿。其中，手指靜脈以識別精度高、不容易 假冒、使用便利而又成本低等特點而得到廣泛應(yīng)用。
[0003] 因為手指靜脈位于手指皮下脂肪組織下方，在可見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、永久性和可測性的特點，手指靜脈識別還 有以下優(yōu)點: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活體識別，一般只有活體中的血管存在血紅蛋白的流動才能準(zhǔn)確識別。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，手指靜脈識別技術(shù)可應(yīng)用于門禁、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程中，由于受到采集時間、光強、手指傾斜度及手指的粗 細等因素的影響，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)等對手指靜脈的識別 性能會產(chǎn)生較大的影響。其中，對于手指在平面上的前后偏移問題，一般是利用手指的遠端 指骨關(guān)節(jié)(后面簡稱為骨關(guān)節(jié))位置定位來給予解決。
[0005] 手指的骨關(guān)節(jié)約為1-2_，即幾個像素的寬度;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，在沒有光干擾影響的理想情況下，可 以通過求解手指靜脈圖像灰度值分布圖中的最大值來定位骨關(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的手指骨關(guān)節(jié)位置。另一種方法是對 前一方法加以改進，在手指靜脈圖像內(nèi)部構(gòu)造一個固定大小的可滑動窗口，如圖2所示，窗 口以左端為起點向右端滑動，滑動過程中計算滑動窗內(nèi)各像素點的灰度值之和，找出滑動 過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，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，對后續(xù)圖像的處理和身份識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，對真正實現(xiàn)有效的不同活體的身份認證極為重要。

【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)定性及識別精度。
[0008] 本發(fā)明實現(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窗模型，兩個滑動窗的滑動矩陣表示為：
[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為滑動窗在水平方向上的滑動范圍，b為兩個滑動窗的間距，h為兩個滑動 窗沿垂直方向的高度，w為每個滑動窗沿水平方向的寬度，W1 j和W2j分別為雙滑動窗的滑動 矩陣;N為坐標(biāo)系中的值。
[0014] (3)根據(jù)建立的兩個滑動窗的滑動矩陣，在雙滑動窗模型同時沿上述坐標(biāo)系圖像 的水平方向滑動過程中，分別對兩個窗內(nèi)各像素點的灰度值累加求和；
[0015] (4)對上述兩個窗的灰度值累加值進行相減，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，來定位骨關(guān)節(jié)的具體位置。
[0016] 本發(fā)明所述兩個滑動窗的設(shè)置完全相同，兩個滑動窗間隔b的取值范圍為1到5。
[0017] 本發(fā)明用于檢測手指靜脈圖像骨關(guān)節(jié)位置的雙滑動窗模型定位方法，通過尋找手 指靜脈圖像灰度值分布圖中的極小值來定位骨關(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 圖見圖7,由圖7可見，骨關(guān)節(jié)處有一個高灰度值波峰突起部分，此時可通過尋找灰度值分布 圖中的最大值來定位骨關(guān)節(jié)位置，見圖7中圓圈標(biāo)識。此種情形下，不難理解，當(dāng)雙滑動窗模 型滑動至骨關(guān)節(jié)位置附近時，骨關(guān)節(jié)被兩個滑動窗中的一個窗包含時得到的兩個窗灰度值 累加值之差值，比骨關(guān)節(jié)不被兩個滑動窗中的任何一個窗包含時得到的兩個窗灰度值累加 值之差值均要大，所以滑動過程中該差值為極小值時對應(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窗模型滑動時兩個窗灰度值累加值之差的分布圖，在圓圈標(biāo)識處存 在灰度值的極小值，故將圓點處定位為骨關(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圖8,由圖8可見，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中圓點所示，和圖7對照可知，圓圈標(biāo)識位置 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出正確的骨關(guān)節(jié)位置。因為平緩 的高亮度區(qū)域是一種連續(xù)的灰度值變化，當(dāng)雙滑動窗模型在高亮度區(qū)域滑動時，兩個窗灰 度值累加值之差值不會是極小值；只有當(dāng)雙滑動窗模型滑動至骨關(guān)節(jié)位置附近時，骨關(guān)節(jié) 不被兩個滑動窗中的任何一個窗包含時得到的兩個窗灰度值累加值之差值才會是極小值。 圖10為本發(fā)明方法述及的雙滑動窗模型滑動時兩個窗灰度值累加值之差的分布圖，在圓圈 標(biāo)識處仍然有一個灰度值的極小值，故圓點處定位為骨關(guān)節(jié)位置，如圖12所示。由圖11和圖 12可知，當(dāng)手指正常放置時和旋轉(zhuǎn)放置時，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別精度，因為對于同 一個人的同一枚手指在不同時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)即識別區(qū)域的一致性就好，則識別精度會提高。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為所述的固定窗模型的示意圖；
[0022] 圖2為所述的單滑動窗模型的示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明所述的雙滑動窗模型的設(shè)計示意圖；
[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歸一化靜脈圖像；
[0026] 圖6