手靜脈身份識別技術(shù)

0 引言
作為一種迅速發(fā)展的生物身份識別技術(shù)，手靜脈識別有著顯著的優(yōu)點(diǎn)：社會可接受，特征不易復(fù)制，比指紋受破壞的可能性更小，不易入侵，無明顯的建康威脅，特征惟一性，低成本，精確快速，比簽名和聲紋等行為生物測量特征變化小。手靜脈識別具有廣闊的應(yīng)甩前景。

1 發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀
1983年，柯達(dá)公司在諾丁漢的雇員Joseph Rice在研究紅外條形碼技術(shù)時產(chǎn)生了利用人手背血管紅外成像作為身份識別的想法，發(fā)明了手靜脈特征識別技術(shù)，取名為Veincheck。然而柯達(dá)公司的主管認(rèn)為此技術(shù)缺乏市場潛力并未采用。1987牟10月31日J(rèn)．Rice獲得此項技術(shù)的第一個專利(Patent #4699149，Apl3aratus for the identification of Individuals)。J．Rice將其發(fā)明授權(quán)給BTG(British Technology Group)負(fù)責(zé)專利的開發(fā)和管理，希望能在安防工業(yè)有所建樹，但當(dāng)時并未引起B(yǎng)TG足夠的重視，開發(fā)進(jìn)度緩慢。1990年J．Rice擔(dān)心此發(fā)明被BTG拖延了時間而埋沒，決心自己投入技術(shù)開發(fā)，此時BTG已安排英國前國家物理實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家David Claydon開始了有關(guān)靜脈結(jié)構(gòu)的多樣性和惟一性測試，J．Rice和David討論后采用了Statistical Process Control(SPC)的方法進(jìn)行生物身份識別。1991至1993年P(guān)．MacGregor，R．Welford，P.L．Hawkes和D．O．Clayden等人發(fā)表了3篇關(guān)于Veincheck的原理介紹性文章和技術(shù)報告，明確指出Veincheck是一種以手背靜脈作為身份比對特征的生物識別系統(tǒng)。J．Rice于1994年發(fā)表名為“A Quality Approach To Biometrie Imaging”的文章簡要的介紹了Vein-check的開發(fā)歷程和相關(guān)算法。受當(dāng)時技術(shù)條件的限制，J．Rice采集的圖像質(zhì)量很差，但測試效果仍然令人鼓舞，如圖1所示。1993至1995年間，澳大利亞的A．J．MeIinert，J．M．Cross and C．L．Smith開展了基于熱成像的手背血管特征識別的研究。1998年BTG上市公司高級經(jīng)理Eugene Sweeney撰文介紹了veincheck手靜脈識別技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：社會可接受，特征不易復(fù)制，比指紋受破壞的可能性更小，不易入侵，無明顯的建康威脅，特征唯一性，低成本，精確快速，比簽名和聲紋等行為生物測量特征變化小。2000年，Veincheck的開發(fā)原型機(jī)在英國信息安全部門CESG／BWG的通用辦公環(huán)境測試中表現(xiàn)平庸，此后沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)Veincheck產(chǎn)品商用的報告。J.Rice研究宣傳Veincheck技術(shù)的網(wǎng)站最后一次更新停留在了2000年。2007年這位手靜脈識別技術(shù)的先鋒撰文對此項技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展緩慢表示焦慮，建議開發(fā)可穿戴式靜脈采集設(shè)備。

1992年，日本北海道大學(xué)生物工程系的K．Shimizu發(fā)表文章認(rèn)為可以利用人體手血管紅外成像作為身份識別依據(jù)，此文章被認(rèn)為是日本和韓國進(jìn)行手靜脈識別技術(shù)研究的源頭。
1997年，韓國的BK System公司發(fā)布了亞洲第一個商用手背靜脈識別產(chǎn)品BK-100，1998年H．S．Choi和BK System取得了美國專利，BK S-ystem又開發(fā)了BK200和BK-300兩個改進(jìn)產(chǎn)品，由于種種原因，1998年底，BK System的產(chǎn)品就停產(chǎn)了。2000年，BK System的一些成員組建了Techsphere公司，繼續(xù)研發(fā)靜脈識別產(chǎn)品，最終推出了VP-Ⅱ，如圖2所示。這期間他們發(fā)表了一些論文，在圖像采集和濾波算法上都進(jìn)行了改進(jìn)，使用了組合常態(tài)濾波和增強(qiáng)濾波、基于靜脈走向的方向?yàn)V波算法，報道稱該研究采用10 000人進(jìn)行了測試，F(xiàn)AR可提高到0．000 01，識別速度為0．1 s。VP-II在BK System產(chǎn)品的基礎(chǔ)上重新設(shè)計，使用了當(dāng)時最新的數(shù)字圖像處理技術(shù)，采用紅外光源補(bǔ)償，改進(jìn)了靜脈特征的抽取算法，通過溫度傳感器檢測防止欺騙，大大改進(jìn)了可靠性并提高了性價比，同時聲稱適用于99．98％的人群。VP-n被成功應(yīng)用于機(jī)場，銀行和醫(yī)院等單位。
此時，為了繞開手背靜脈識別的專利，在日本興起了基于手掌靜脈和手指靜脈識別技術(shù)的研究和開發(fā)，M．Kono和N．Miura等人先后發(fā)表了關(guān)于手指靜脈識別的文章。日立公司推出了系列手指靜脈識別產(chǎn)品，如圖3所示。富士通公司則推出了手掌靜脈識別產(chǎn)品。此后靜脈識別技術(shù)的發(fā)展就進(jìn)入了研究和產(chǎn)業(yè)化交織的狀態(tài)。而且由于企業(yè)早期的介入和過多的專利保護(hù)，一度大大降低了此項研究的活性。

2006年國際生物識別組(International Biometric Group：IBG)對比測試報告公布了日立公司Hitachi TS-E3F1和富士通公司Fujitsu P-almSecure的測試結(jié)果，如表1所示。

測試結(jié)果表明目前靜脈識別技術(shù)和虹膜識別技術(shù)的性能指標(biāo)相當(dāng)。日立TS-E3F1傳感器如圖4所示，富士通PalmSecure傳感器示意如圖5所示。

中國對靜脈識別技術(shù)的研究起步較晚。2003年清華大學(xué)學(xué)報報道了清華大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用自行設(shè)計的近紅外血管圖像采集儀提取血管的原始圖像并進(jìn)行了特征識別，文獻(xiàn)中描述：對采集到的圖像樣本，由于存在光照不均是圖像灰度分布不均的情況，所以要對圖像灰度做歸一化處理，使其均值方差在規(guī)定范圍內(nèi)，這樣在進(jìn)一步處理和匹配時可以降低難度，在圖像增強(qiáng)與二值化部分，采用分區(qū)動態(tài)二值化方法實(shí)現(xiàn)，再對二值圖像濾波去噪，然后細(xì)化，最后提取細(xì)化圖像特征，以端點(diǎn)、交叉點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行特征比對。文獻(xiàn)給出了65個小范圍樣本的匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在拒真率為4．6％條件下，誤識率為0。中國臺灣某大學(xué)的范國清和林志隆等人采用中紅外熱成像技術(shù)研究了手掌和手背靜脈的識別方法，他們使用了Inframetrics Corp的紅外攝像機(jī)，采用的紅外波長為3．4～5 μm，探測器為PtSi 256×256 element FPA，達(dá)到FRR和FAR同為2．3％。2004年后，其他一些大學(xué)紛紛開始了靜脈識別技術(shù)的研究，如哈爾濱工程大學(xué)的王科俊，丁宇航等人較為系統(tǒng)的研究了手靜脈識別的采集和識別算法，其他高校如吉林大學(xué)李鐵鋼、韓笑等等也分別在靜脈圖像的采集、紅外圖象增強(qiáng)和特征識別等方向做了大量研究工作，由于中國在民用紅外光學(xué)成像產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)相對落后，在靜脈采集設(shè)備的制造工藝上水準(zhǔn)較低，研究成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品應(yīng)用的很少。

2 基本原理
手靜脈識別的原理是通過紅外成像獲取人手局部的血管圖像，通過ROI(Region of Interesting)的選取，圖像增強(qiáng)等步驟獲得優(yōu)化的圖像，再通過模式分割和細(xì)化提取靜脈模式進(jìn)行匹配，從而得到辨識結(jié)果。系統(tǒng)模型如圖6所示。