华中科技大学文华学院毕业设计（论文）
1 绪 论
1.1 引言
身份识别技术目前广泛应用于区域访问控制、PC登录、以及电子商务等广泛领域。由于常规的识别方法如钥匙，密码以及PIN码存在着诸如盗窃、遗失等问题，并且依赖于使用者的记忆，故运用生物识别技术进行的身份识别方法越来越引起广泛的注意。
在生物测定身份识别技术领域，系统的安全与便利是首当其冲的考虑因素。该系统尤其需要很高的精度以及反应时间。生物测定方法包括指纹图形、面部特征、虹膜、声音、手掌几何结构等。然而，由于所用到的这些特征都暴露在身体表面，受外界物质的影响很大，因此以上这些方法都无法保证识别的准确性。此外，这些特征还都存在被伪造的可能[1]。
为了解决上述问题，人们提出了一种利用手指内部静脉分布图形的生物识别技术，这是一种来自人类身体内部的图形特征，不宜被伪造。此外它减少了外界环境的影响程度，即使有轻微的湿气，系统识别也不会受影响。由于每个人手指部的毛细静脉血管分布都独一无二，且在成年阶段，静脉是稳定不变的，因此能够保证绝对的安全性。更重要的是，由于断指血液凝固，血管破裂是不可能获得通过验证的，因此采用这种识别方法可以真正做到活体识别。
综上所述，手指静脉采集系统作为一种新型的生物识别技术，具有误识率低、可靠性高、系统稳定等优点，是目前生物识别技术的一个发展方向。
1.2 国内外研究现状与发展趋势
手指静脉识别技术源于日立公司在医学科技领域对人类大脑功能活动管理的高级研究项目[2]。日立公司，从1997年开始对手指静脉认证技术的研究以来，已经成功研究出使用的成型产品，并已经广泛应用于各个领域，其中包括银行ATM取款机、汽车锁等[2,3]。在日本，大部分的取款机都搭载了手指静脉认证设备。手指静脉认证已经成为事实上的行业标准。
手指静脉认证技术不仅在日本逐渐普及，在新加坡等东南亚地区的市场也取得了良好的业绩[4]。其市场前景被广泛看好，越来越多的研究机构和企业也纷纷加入到手中静脉认证技术的研究队伍中来。2009年12月中旬，日本索尼公司对外发布了一款全球最小最轻的USB接口手指静脉识别装置FVA-U1，它采用名为“mofiria”的手指静脉识别技术，可以安装在笔记本电脑或手机等移动设备上[5]。
手指静脉识别技术在国内起步较晚，目前还没有完全利用自己的技术开发的成熟产品。2007年台湾科技大学硕士黄志雄对手指静脉识别技术进行了研究并发表相关论文
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，他们设计了基于网络摄像头手指静脉采集设备，使用量化方法改进由网络摄像头采
集到的图像质量，最后采用自适应阈值法和改进的模版匹配法进行认证。在图像质量不
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太好的情况下，也达到了比较好的识别率[4]。
1.3 研究的目的与意义
传统的身份识别方式已经满足不了当今信息时代的要求，依靠人体固有的生物特征进行身份识别顺应时代需求，各种生物特征识别技术如依靠指纹、虹膜、视网膜、DNA等生物特征进行身份认证的技术，得到了快速发展[6,7]。但是由于指纹位于手指表皮层，易于被伪造，而且存在因为指纹稀少等原因而导致无法获取指纹的人群；利用虹膜、视网膜的特征进行身份识别的技术，在获取这些生物特征方面，由于通过红外线照射采集图像，存在一些安全隐患，不易让被采集者接受且费用高昂；人体DNA特征的获取同样也存在不易让被采集者接受、不易采集、费用较高等不足之处。
同其它生物识别技术相比较而言，该手指静脉识别技术具备以下几大主要优势： （1）安全性高。因为静脉血管是隐藏在手指内部的，因此极难复制和盗取，与别的利用人体体外特征进行认证的技术相比较，这种方式的安全性更高。同时，静脉认证能感知手指内的血液流动和血压情况，能够在识别的过程同时进行活体检测；
（2）非侵入性和非接触性成像技术对红外线的采用，可以确保使用者的便捷性和清洁性。相对于某些生物识别技术，手指静脉认识技术是非接触式的，在公共场合会比较卫生；
（3）由于手指静脉形状的相对稳定性和捕捉影像清晰性，所以可对低分辨率相机拍摄的图样资料进行小型的简单数据影像技术处理；
（4）准确率高。采样样本在人体内部，故匹配过程中受到外界的干扰非常小。手指轻轻一放，触发高度准确识。根据严格的医学证明和数学统计，FRR(拒真率)为0.01%，FAR(认假率)为0.0001%，FTE(注册失败率)为0%。
由此可知，与其它生物识别技术的比较，手指静脉识别技术在复制与盗取上比脸型、掌型、指纹及虹膜其难度要大得多；在识别准确度与使用便携度上上比脸型、掌型、指纹及虹膜要高得多。尤其是相对于指纹技术来讲，使用更加方便、卫生，更加人性化。指静脉识别则有效的避免传统门禁系统安全隐患上的不足，为环保节能的生物特征识别技术与产品开拓了一条切实保护人身财产安全的新路。
1.4 研究的内容
静脉识别技术主要研究一下几个方面的内容： （1）对静脉识别技术的发展和研究现状进行调研； （2）学习静脉识别技术的基本原理；
（3）研究静脉图像的采集系统，对手指静脉图像采集的结构及特性做出学习研究； （4）研究静脉图像处理以及识别的关键算法；
（5）完成用于手指静脉识别的红外摄影物镜的光学设计实例，包括光学系统结构的选取、结构参数的计算以及像差设计和优化。
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2 静脉识别技术简介
人体手指静脉识别是近年来新兴的一种身份识别方法，是一项新的非接触式生物测定识别技术，是对现有生物测定识别技术的重要补充。随着手指静脉识别等生物测定识别技术的发展和推广，必将把我们的生活带入到一个崭新的天地之中。
2.1 静脉识别技术的优势
人的手指静脉识别技术是根据人体骨骼和肌肉组织的特点，当近红外光谱（Infrared spectroscopy，IR）的入射光波长在 0.72μm-1.10μm 时，照射手指可较好地突显出静脉血管，并由一台 CCD 摄像机拍摄成手指静脉图像来进行个人身份认。因此只要我们有较好的近红外采集设备，完全可以拍摄到满足要求的静脉图像。医学研究以及国际上对手指静脉识别的研究表明，所有人的手指静脉几乎都不一样，即使双胞胎也不一样。绝大多数人的静脉血管图像随着年龄增长不会发生根本性的变化，所以，识别手指静脉在理论上是可行的。因为人的手指拥有比手指更为丰富的静脉血管，可以提取更多的、并且适于身份认证的特征，所以把手指静脉识别作为一种身份认证方式，应用于信息安全等领域具有非常重要的现实意义。
手背静脉识别与其他生物测定识别技术的性能比较，如表2-1所示：
表2-1 手背静脉识别与其他生物测定识别技术的性能比较
区分 安全性 发展时期 复制难度 认证速度 误判识别 误判因素
手指静脉识别 比较安全 1998年 很难 0.5~1秒 0.0001% 无
虹膜识别 比较安全 80年代 难 3~5秒 0.001% 眼疾
指纹识别 安全 70年代 较易 0.2~0.7秒 0.001% 污染、伤痕
智能卡 低水平安全 70年代 容易 0.5秒 0.001% 破损、遗失
从上面表格中可以看出，指纹识别和虹膜识别是使用最早、也是最为成熟的生物测定识别技术．指纹识别和虹膜识别具有认证速度快，识别率高等优点。但随着应用的推广，它们的不足也越来越显现出来。而手指脉识别是近年来新兴的一项非接触式生物测定识别技术，唯一性和稳定性这两个特征一起使得手指静脉成为一种极好的生物特征，从而提供了一种更加准确的生物测定识别方法。
2.2 静脉识别技术的过程
和其他所有生物测定识别技术一样，手指静脉识别包括两个阶段：注册阶段和识别阶段指在注册阶段，用户的手背指静脉图像被采集后，先进行图像的预处理，然后提取特征，最后放到样本库中；在识别阶段，用户的手指静脉图像被采集后，同样先进行预处理和特征提取，然后再与样本库中的模版进行匹配，得到最后的识别结果。如图2-1
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所示：
图2-1 手指静脉识别过程
2.3 静脉识别技术的难点
人体手指静脉识别是模式识别领域的前沿课题，迄今为止，关于这一课题的论文以及成果展示相对于其他生物测定识别的研究数量是较少的。本文对手指静脉识别系统所有涉及到的算法进行了系统地学习和试验性的研究，包括手指静脉图像采集、图像处理、特征提取和目标匹配．总结国内外现有的文献中相关算法的研究状况和优缺点，归纳出以下关于手指静脉识别的几个难点问题：
（1）图像采集设备的研制。手指静脉图像的采集是一个费时、费力、长期积累的过程，建立并维护好采集到的手指静脉图像将对后续的研究工作带来极大的便利，也将为系统测试和评价提供一个通用的、标准的平台。虽然手指静脉特征的唯一性与稳定性得到了大家的公认，但是制作出合乎要求的人体手指静脉图像采集设备是需要相当长时间的反复试验。
（2）手指静脉图像处理．图像处理的主要目的是为人们进行图像分析，手指静脉的图像是由 CCD 摄像头拍摄而得，由于受到各种因素的影响，同一个人在不同的情况下采集的图像有很大差异。因此，图像处理在手指静脉识别整个过程中占据相当重要的地位，同时也是手指静脉识别系统中的难点问题。
（3）手指静脉图像的特征提取。从上面的图像中我们可以看到，人体手指静脉的图像分布是类似“树”状的结构，若要取得精度较高的识别结果，静脉特征的有效提取就尤为重要了。以往文献中，手指静脉特征的提取都是先将图像二值化，然后通过细化算法得到的，这类方法使得部分手指静脉的特征严重损失，尤其是重要的特征点如交叉点等。因此，本文致力于提出一种更有效且静脉信息无损失的特征提取方法。
（4）目标匹配。在现阶段手指静脉识别的所有文献中，大多都是使用逐点像素匹配算法。这种算法运算量大，影响系统运行速度。如果能从多个角度出发，分析手指静脉特征并提出相应的快速匹配方法，再将几种匹配方法融合在一起，则可形成高精度的
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识别系统。
（5）样本库的建立。从以往的文献我们看出，所有的实验样本数量都还不够，样本数量最多也就是500幅图像（50人，每人左右手共采集10幅静脉图）。另外还要考虑各类型的人群，包括老人、儿童、还有体育竞技者等。虽然实验原型系统的技术指标很令人鼓舞，但要达到实用还须扩大实验样本数量。
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