一文讀懂指靜脈識(shí)別技術(shù)

靜脈比對時(shí)，實(shí)時(shí)采取靜脈圖，提取特征值，運(yùn)用先進(jìn)的濾波、圖像二值化、細(xì)化手段對數(shù)字圖像提取特征，同存儲(chǔ)在主機(jī)中的手指靜脈特征值比對，采用復(fù)雜的匹配算法對手指靜脈特征進(jìn)行匹配，從而對個(gè)人進(jìn)行身份鑒定，確認(rèn)身份。

同其他生物識(shí)別相比，指靜脈認(rèn)證技術(shù)具備以下主要優(yōu)勢。

?生物識(shí)別技術(shù)，不會(huì)遺失、不會(huì)被竊、無記憶密碼負(fù)擔(dān)。

?人體內(nèi)部信息，不受表皮粗糙、外部環(huán)境（溫度、濕度）的影響。

?適用人群廣，準(zhǔn)確率高，不可復(fù)制、不可偽造，安全便捷。

指靜脈識(shí)別技術(shù)是利用近紅外線穿透手指后所得的靜脈紋路影 像來進(jìn)行個(gè)人識(shí)別，是具有高精度、高速度的世界上 最尖端的生物識(shí)別技術(shù)。在各種生物識(shí)別技術(shù)中，因 其是利用外部看不到的生物內(nèi)部特征進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)， 所以作為具有高防偽性的第二代生物識(shí)別技術(shù)備受矚目。

目前被廣泛應(yīng)用到公共領(lǐng)域認(rèn)證設(shè)備比如，會(huì)員識(shí)別一體機(jī)，銀行ATM機(jī)，門禁管理系統(tǒng)，PC登錄，代替汽車鎖，保險(xiǎn)箱管理，復(fù)印機(jī)管理，電子支付等需要進(jìn)行個(gè)人身份認(rèn)證的領(lǐng)域。

在中國，指靜脈門禁系統(tǒng)以及USB型指靜脈設(shè)別設(shè)備已發(fā)展到很多城市。

同時(shí)，由于其是利用身體內(nèi)部特征來識(shí)別且必須是活體才可利用，比較與指紋之類的識(shí)別技術(shù)又跨進(jìn)了一大步。（例如，指紋很容易被復(fù)制，仿制，且將手指剁掉也可進(jìn)行識(shí)別，而指靜脈則必須是活體有流動(dòng)的血液，這樣就不會(huì)發(fā)生類似于呼和浩特越獄案件這樣的悲劇。）USB型靜脈識(shí)別儀

技術(shù)特點(diǎn)：

活體識(shí)別

用手指靜脈進(jìn)行身份認(rèn)證時(shí)，獲取的是手指靜脈的圖像特征，是手指活體時(shí)才存在的特征。在該系統(tǒng)中，非活體的手指是得不到靜脈圖像特征的，因而無法識(shí)別，從而也就無法造假。

內(nèi)部特征

用手指靜脈進(jìn)行身份認(rèn)證時(shí)，獲取的是手指內(nèi)部的靜脈圖像特征，而不是手指表面的圖像特征。因此，不存在任何由于手指表面的損傷、磨損、干燥或太濕等帶來的識(shí)別障礙。

非接觸式

用手指靜脈進(jìn)行身份認(rèn)證，獲取手指靜脈圖像時(shí)，手指無須與設(shè)備接觸，輕輕一放，即可完成識(shí)別。這種方式?jīng)]有手接觸設(shè)備時(shí)的不衛(wèi)生的問題以及手指表面特征可能被復(fù)制所帶來的安全問題，井避免了被當(dāng)作審查對象的心理不適，同時(shí)也不會(huì)因臟物污染后無法識(shí)別。手指靜脈方式由于靜脈位于手指內(nèi)部，氣溫等外部因素的影響程度可以忽略不計(jì)，幾乎適用于所有用戶。用戶接受度好。除了無需與掃描器表面發(fā)生直接接觸以外，這種非侵入性的掃描過程既簡單又自然，減輕了用戶由于擔(dān)心衛(wèi)生程度或使用麻煩而可能存在的抗拒心理。

安全等級(jí)高

因?yàn)橛辛饲懊娴幕铙w識(shí)別、內(nèi)部特征和非接觸式3個(gè)方面的特征，確保了使用者的手指靜脈特征很難被偽造。所以手機(jī)靜脈識(shí)別系統(tǒng)安全等級(jí)高，特別適合于安全要求高的場所使用。韓國首爾大學(xué)電子工程系有一篇關(guān)于手指靜脈識(shí)別算法的文獻(xiàn)E3，介紹了傳統(tǒng)的靜脈識(shí)別算法以及如何用昂貴的DSP處理器處理浮點(diǎn)運(yùn)算和提高實(shí)時(shí)性要求，縮短識(shí)別時(shí)間，文獻(xiàn)中描述的靜脈識(shí)別算法主要包括3大部分：靜脈圖像的獲取；靜脈圖像預(yù)處理和靜脈識(shí)別。圖像預(yù)處理部分主要由高斯低通濾波、高斯高通濾波、閡值處理、雙線性濾波以及改進(jìn)的中值濾波等組成。通過對5000個(gè)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，識(shí)別率達(dá)到94．88%。

優(yōu)點(diǎn)

（1）屬于內(nèi)生理特征，不會(huì)磨損，較難偽造，具有很高安全性。

（2）血管特征通常更明顯，容易辨識(shí)，抗干擾性好。

（3）可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，衛(wèi)生性好，易于為用戶接受。

（4）不易受手表面?zhèn)刍蛴臀鄣挠绊憽?/p>

缺點(diǎn)

（1）指靜脈仍可能隨著年齡和生理的變化而發(fā)生變化，永久性尚未得到證實(shí)

（2）雖然可能性較小，但仍然存在無法成功注冊登記的可能。

（3）由于采集方式受自身特點(diǎn)的限制，產(chǎn)品難以小型化。

（4）采集設(shè)備有特殊要求，設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，制造成本高。

技術(shù)應(yīng)用

指靜脈識(shí)別技術(shù)利用手指靜脈血管的紋理進(jìn)行身份驗(yàn)證，對人體無害，具有不易被盜取、偽造等特點(diǎn)。該識(shí)別技術(shù)可廣泛應(yīng)用于銀行金融、政府國安、教育社保等領(lǐng)域的門禁系統(tǒng)。

應(yīng)用于公司、工廠門禁

辦工環(huán)境是門禁系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，并對安全性提出更高的要求。目前大部分公司與工廠采用IC卡作為門禁系統(tǒng)，但是出現(xiàn)如下幾點(diǎn)不足之處：

（1）員工需要隨身攜帶IC卡片，可能發(fā)生丟失、損壞的情況；

（2）對于大型公司或者工廠，在人數(shù)上千人的情況下，需要為每位員工配備IC卡片，這將提高系統(tǒng)的成本和工作流程繁鎖程度；

（3）由于IC卡并不是與人體生物特征相互依存，因此會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)員工代打卡的情況，對公司、工廠的管理造成混亂。

應(yīng)用了生物技術(shù)的門禁系統(tǒng)更方便員工使用，不需要員工使用或攜帶額外的標(biāo)志，比如密碼、IC卡等。應(yīng)用手指靜脈技術(shù)的門禁系統(tǒng)更加方便、衛(wèi)生，更加人性化。

在實(shí)際的使用環(huán)境中，手指靜脈系統(tǒng)能夠和企業(yè)安防系統(tǒng)以及考勤系統(tǒng)相結(jié)合，詳細(xì)記錄員工出入管理日志，可按照不同的查詢條件查詢，并在發(fā)生危險(xiǎn)的時(shí)候報(bào)警。

手指靜脈系統(tǒng)還具備雙重功能，只有不同兩人的不同手指先后通過，才有權(quán)限進(jìn)入安全級(jí)別要求更高的場所。這將是高端企業(yè)比較好的安全解決方案。

應(yīng)用于公共場所

隨著社會(huì)的發(fā)展和生活節(jié)奏的加快，像地鐵出入口，辦公樓大廳，圖書館等公共場所的人流量越來越大，控制這些場所的正常運(yùn)行和安全成為管理機(jī)構(gòu)的重要任務(wù)。在這些場所的人數(shù)比在某個(gè)企業(yè)的員工數(shù)量大許多，使用IC卡片式的出入管理裝置將是低率和不安全的做法。方便快捷的生物識(shí)別技術(shù)將是比較適合這些公共場所的生物識(shí)別技術(shù)。

應(yīng)用于智能樓宇系統(tǒng)

最近幾年，中國的房地產(chǎn)市場飛速發(fā)展，人們對住宅的要求也越來越高，期望一種舒心、便利，同時(shí)更安全的居住條件。智能樓宇技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它融合了通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、安全技術(shù)等。

在人們在享受高科技帶來的高質(zhì)量生活的同時(shí)，居住環(huán)境的安全成為這一切的根本。目前某些高檔住宅已經(jīng)使用IC卡控制電子鎖。但是往往出現(xiàn)老人和小孩忘記攜帶卡片的情況，造成生活上的不便。使用IC卡也容易被另有用心之人復(fù)制或者盜竊，造成財(cái)產(chǎn)的損失和人身的安全。

而應(yīng)用了手指靜脈系統(tǒng)的智能樓宇系統(tǒng)，能夠給住戶帶來更加方便和安全的居住體驗(yàn)。主人回家只需要輕輕將手指插入靜脈系統(tǒng)。系統(tǒng)就能夠驗(yàn)證有效性，并記錄出入日志。更進(jìn)一步，手指靜脈系統(tǒng)能夠和智能樓宇系統(tǒng)中的電梯聯(lián)動(dòng)。當(dāng)用戶在大堂門插入手指通過的瞬間，電梯將會(huì)自動(dòng)降到一樓，并在住戶進(jìn)入電梯的時(shí)候，根據(jù)手指靜脈系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的記錄，自動(dòng)運(yùn)行到用戶所在樓層。而整個(gè)過程中，住戶不用按任何按鈕，能夠方便快捷地回到家，這將是一種全新的生活體驗(yàn)。

應(yīng)用于酒店管理

與智能住宅系統(tǒng)類似，將手指靜脈系統(tǒng)應(yīng)用于酒店管理也將會(huì)是非常方便，并且能夠提升酒店檔次的安全解決方案。

應(yīng)用于政府機(jī)構(gòu)

指靜脈識(shí)別技術(shù)利用手指靜脈血管的紋理進(jìn)行身份驗(yàn)證，對人體無害，具有不易被盜取、偽造等特點(diǎn)。該識(shí)別技術(shù)可廣泛應(yīng)用于銀行金融、政府國安、教育社保等領(lǐng)域的門禁系統(tǒng)。2013年度全國專業(yè)技術(shù)人員職稱外語等級(jí)統(tǒng)一考試全面推廣應(yīng)用指靜脈識(shí)別技術(shù)。2013年的報(bào)考者除須提交相關(guān)的資料信息外，省直考區(qū)在資格審查時(shí)將采用指靜脈識(shí)別技術(shù)進(jìn)行個(gè)人指靜脈信息采集。

應(yīng)用于監(jiān)獄門禁

手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電子化身份和物理身份的高度統(tǒng)一，從而可以有力支持利用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對監(jiān)獄的全方位數(shù)字化管理。手指靜脈識(shí)別技術(shù)可以應(yīng)用于監(jiān)獄管理的方方面面，從而真正幫助監(jiān)獄實(shí)現(xiàn)管理職能化。

監(jiān)獄門禁系統(tǒng)建設(shè)是我們國家“金盾工程”的重要內(nèi)容之一，監(jiān)獄門禁系統(tǒng)是保障監(jiān)獄安全，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理的重要手段。前幾年，我國監(jiān)獄系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的一系列負(fù)面事件表明，如何建設(shè)一個(gè)完整、可靠、高效、安全、易操作的監(jiān)獄安防門禁系統(tǒng)，已成為監(jiān)獄主管部門的當(dāng)務(wù)之急！從目前監(jiān)獄的軟硬件設(shè)施上來看，中國大多數(shù)監(jiān)獄大門都安裝有門禁系統(tǒng)，管理也比較科學(xué)。比如呼和浩特市第二監(jiān)獄的大門就用上了指紋確認(rèn)裝置，但是越獄罪犯還是能夠通過割手指的方法脫逃。所以對于監(jiān)獄身份識(shí)別上來講傳統(tǒng)的身份識(shí)別方式已經(jīng)不能滿足管理要求，濟(jì)南凌佳科技有限公司于2009年就已經(jīng)推出了指靜脈識(shí)別技術(shù)，經(jīng)過近4年的實(shí)踐應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，成功應(yīng)用到門禁系統(tǒng)，不可仿造，必須是活體，識(shí)別率高！

應(yīng)用于銀行金融門禁

中國金融行業(yè)是貨幣集中流通的行業(yè)，屬于高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，對安全防范系統(tǒng)的防護(hù)等不能等同于普通單位。出入人員控制智能門禁系統(tǒng)是安防系統(tǒng)中的一個(gè)很重要的組成部分，而在銀行、金庫等金融行業(yè)的應(yīng)用場所，網(wǎng)絡(luò)門禁系統(tǒng)更是金融行業(yè)的“守護(hù)神”，其作用至關(guān)重要。

在傳統(tǒng)單一的卡式身份認(rèn)證系統(tǒng)中，主要著眼于一卡通的便捷性，在銀行這種特定的環(huán)境下，如金庫、守庫室等，無法更好的滿足金融行業(yè)的保密性和安全性的要求。針對金融行業(yè)的高安全性，必須使用生物識(shí)別技術(shù)的新一代省份識(shí)別技術(shù)：指靜脈識(shí)別技術(shù)的安全優(yōu)勢和特點(diǎn)，為這種高安全需求提供了更好的解決方案。

靜脈識(shí)別的基本原理

手指靜脈是指人體手指內(nèi)部的靜脈血管，手指靜脈識(shí)別就是利用該血管結(jié)構(gòu)的特征來實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。在可見光下，靜脈是不可見的，只有在特殊的采集裝置下才能獲取。醫(yī)學(xué)證明，人體手指靜脈的血管結(jié)構(gòu)在波長為0.7一1.lum的近紅外光的照射下，能夠穿透骨骼和肌肉，而流經(jīng)靜脈血管的血紅蛋白容易吸收該波段的紅外光而突顯出靜脈結(jié)構(gòu)。通過專門的圖像采集裝置如紅外CCD攝像機(jī)即可拍攝到靜脈圖像，然后對靜脈圖像進(jìn)行分析處理，便可從中得到靜脈特征。研究表明］，不同人的靜脈結(jié)構(gòu)是不同的，即使是雙胞胎的各手指靜脈也是不同的，而且成年人的靜脈結(jié)構(gòu)不再變化，即靜脈具有唯一性，這就為靜脈識(shí)別提供了科學(xué)依據(jù)。圖2.1所示的是兩幅采集到的手指靜脈圖像，指尖在左，圖中的陰影紋路就是靜脈血管結(jié)構(gòu)，利用靜脈的分布特征可以識(shí)別不同的人。這就手指靜脈識(shí)別的基本原理。

靜脈識(shí)別的系統(tǒng)流程

典型的生物特征識(shí)別系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：圖像采集、預(yù)處理、特征提取和模式識(shí)別。其中特征提取和模式識(shí)別是最主要的兩個(gè)部分，關(guān)系到整個(gè)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別精度，手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)也不例外。

一個(gè)基本的手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)由靜脈采集、質(zhì)量評(píng)估、圖像預(yù)處理、特征提取和編碼、模式匹配共5個(gè)部分組成。靜脈圖像的預(yù)處理一般包括圖像定位、濾波除噪、歸一化等步驟。手指靜脈識(shí)別的流程如圖2，2所示。

其中，圖像采集模塊是靜脈系統(tǒng)的第一步，負(fù)責(zé)完成近紅外圖像的獲取，一般通過近紅外 CCD或者CMos器件拍攝。質(zhì)量評(píng)估是一個(gè)可選模塊，主要功能是評(píng)價(jià)當(dāng)前的靜脈圖像是否合格，例如可排除非法使用異物試圖進(jìn)入識(shí)別系統(tǒng)的情況發(fā)生。圖像預(yù)處理是靜脈識(shí)別算法的第一步，也是有必要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它直接影響著后續(xù)的提取效果。特征提取模塊完成對靜脈模式的提取，主要包括對靜脈圖像的分割、二值化、細(xì)化等操作，最終提取出靜脈結(jié)構(gòu)特征。模式匹配是靜脈識(shí)別算法的最后一步，執(zhí)行輸入靜脈與數(shù)據(jù)中的靜脈特征匹配，計(jì)算出匹配度，最終輸出識(shí)別結(jié)果給相應(yīng)控制系統(tǒng)，如門禁系統(tǒng)、ATM機(jī)、計(jì)算機(jī)登錄系統(tǒng)等。靜脈識(shí)別一般用于多用戶的身份識(shí)別，因此要求用戶注冊靜脈并錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)組成框圖中的靜脈注冊模塊就是完成這個(gè)功能的。

手指靜脈的特征提取與匹配

靜脈圖像的預(yù)處理

靜脈圖像的定位

拍攝到的手指靜脈圖像可知，在裝置封閉性好的情況下，背景部分呈現(xiàn)黑色，即灰度級(jí)級(jí)低，而手指區(qū)域（含靜脈）的灰度級(jí)別相對較高，兩者有明顯的灰度差別。根據(jù)這種實(shí)際情況，本文采用的手指定位步驟如下：

STEP1：簡單濾波，濾除圖像噪聲。先使用中值濾波算法，濾除斑點(diǎn)狀噪聲或掃描線噪聲，然后進(jìn)行簡單平均濾波，使圖像更加清晰、平滑，為后面的圖像二值化做準(zhǔn)備。

STEP2：利用圖像二值化獲取手指掩膜圖。由于手指區(qū)域和背景區(qū)域的灰度級(jí)相差很大，因此采用一般的單閡值二值化就可以將靜脈圖像分為靜脈和背景兩部分，即獲得手指掩膜圖像。

STEP3：對原靜脈圖像進(jìn)行反掩膜處理獲取感興趣區(qū)域（ROI）。即將當(dāng)前采集的整幅靜脈圖像與前面得到的掩膜圖像相乘，背景部分灰度置為0，手指部分灰度保持不變，就得到了需要的感興趣區(qū)域—手指部分圖像。

圖4.1（a）為采集到的一幅靜脈圖像，包含背景和靜脈部分，并且背景部分灰度接近0值。如果對整幅圖像進(jìn)行特征提取，可能在背景部分提取到靜脈，顯然是錯(cuò)誤的靜脈信息。

圖4.1（b）顯示的是經(jīng)過單閡值分割后得到的二值圖像，其中背景灰度為。，靜脈區(qū)域的灰度為255，這幅二值圖像也被稱為掩膜圖像。在實(shí)際圖像數(shù)據(jù)處理過程中，為方便計(jì)算，可創(chuàng)建這樣一個(gè)掩模矩陣：背景像素灰度為0，靜脈區(qū)域像素灰度為1，這樣可以直接通過矩陣相乘獲得手指部分的圖像數(shù)據(jù)。

圖4.1（c）所示是經(jīng)反掩膜后得到的手指區(qū)域圖。其背景區(qū)域的灰度已全部設(shè)置為O，而靜脈區(qū)域的灰度保持原值不變。這樣就避免了在后續(xù)的靜脈脈絡(luò)提取中，背景圖像對提取結(jié)果帶來的影響。

靜脈圖像歸一化

在靜脈血管圖像采集時(shí)，因系統(tǒng)光強(qiáng)、手指厚度、血液溫度、手指傾斜度等條件不同，在不同時(shí)間采集到的圖像在灰度分布上有較大差異，這會(huì)給以后的圖像處理和匹配增加難度。因此在采集圖像以后要進(jìn)行歸一化處理，包括靜脈尺寸歸一化和灰度歸一化。

1、尺寸歸一化

在靜脈特征匹配階段需要統(tǒng)一大小的靜脈圖像，而同一只手指在不同時(shí)刻放置在采集器的位置會(huì)有一定偏差，因而采集到的圖像手指部分的圖像大小也不同，會(huì)影響后續(xù)的匹配結(jié)果。因此，手指靜脈圖像的尺寸歸一化的必要步驟。靜脈識(shí)別的尺寸歸一化其作用主要有以下三個(gè)方面：

（l）相同的靜脈尺寸便于靜脈的提取算法的參數(shù)設(shè)置，例如圖像分割閾值等，有利于統(tǒng)一靜脈特征的提取。

（2）對于不同手指而言，尺寸大小不同對靜脈的匹配結(jié)果無影響，即不會(huì)引起誤識(shí);但如果是同一手指，如果尺寸不一樣，采用有關(guān)識(shí)別算法如模板匹配，易引起拒識(shí)，即自己認(rèn)不出自己的情況。

（3）如果實(shí)際采集到的圖像過大，進(jìn)行圖像處理的時(shí)間會(huì)很長，而歸一化尺寸例如縮小到一定像素大小，在不影響識(shí)別結(jié)果的前提下，可以進(jìn)一步縮短算法時(shí)間。

圖像尺寸歸一化實(shí)質(zhì)上是一種圖像的幾何變換，一般采用從目標(biāo)圖像反方向影射實(shí)現(xiàn)。反向影射就是掃描目標(biāo)圖像的每個(gè)像素，按照給定的變換公式來確定目標(biāo)像素對應(yīng)的原像素。用這種方法來計(jì)算目標(biāo)圖像可以保證整個(gè)目標(biāo)圖像沒有空像素，即得到的目標(biāo)圖像每個(gè)像素點(diǎn)上都有相應(yīng)的灰度值。然而，由于經(jīng)過變換公式計(jì)算出來的原圖像的像素位置可能不是整數(shù)，而是分?jǐn)?shù)。因此難以選取該分?jǐn)?shù)位置處的灰度。為此，必須使用灰度插值的方式來彌補(bǔ)圖像縮放帶來的誤差。

常用的灰度插值算法有3種：最近臨近插值法、雙線性內(nèi)插法和曲線插值法。其中雙線性插值法使用較廣泛，保真度比較好，本文歸一化選取了這種方法。實(shí)驗(yàn)中，靜脈原始圖像大小為 768X288像素，經(jīng)過雙線性內(nèi)插算法歸一化后的圖像大小為 384X128，且圖像不失真，效果滿意。尺寸歸一化前后的對比圖見圖4.2所示。另外，歸一化操作也可以對靜脈提取后的二值圖像處理，但是考慮到對灰度尺寸歸一化后，由于靜脈樣本變小，提取時(shí)間能夠縮減很多，因此這里選取了先尺寸歸一化，再進(jìn)行后續(xù)的提取等操作。