２０１４年第３３卷第１期 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） １ １３
近红外指静脉图像采集系统设计
梁爱华 ，付钪
（１．北京联合大学北京信息服务工程重点实验室。北京１００１０１ ２．北京联合大学计算机技术研究所，北京１００１０１）
摘要：针对指静脉身份认证需求，以手指静脉图像采集系统作为研究对象，设计了基于单侧光源与反射 镜面相结合红外光源可调控的指静脉图像采集系统。研究了ＬＥＤ光源位置与角度对静脉图像质量的影 响，提出了基于图像质量评价的指静脉认证方法，并运用实测方法进行了验证。实验结果表明：可以得到 与传统正面光源采集同等质量的静脉图像，具有更高的认证通过率，达到９８．８％，并更易于用户使用。 关键词：指静脉；身份认证；近红外；图像采集；微距红外摄像头；误识率 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１４）０ｌ－０１１３－０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｉｎｇｅｒ－ｖｅｉｎ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
ＬＩＡＮＧ Ａｉ—ｈｕａ ．ＦＵ Ｋａｎｇ ，。
（１．Ｂｅｊｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｊｊｉｎｇ １００１０１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｏｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１０１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｆｉｎｇｅｒ－ｖｅｉｎ ｉｄｅｎｔｉｔｙ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａ ｎｅａｒ—ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｆｉｎｇｅｒ－ｖｅｉｎ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｍｉｒｒｏｒ．Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ＬＥＤ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎｇｌｅ ｏｎ ｖｅｉｎ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｆｉｎｇｅｒ—ｖｅｉｎ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ，ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ａｃｔｕａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｖｅｉｎ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｖｅｉｎ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｅｑｕａｌ ｑｕａｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｒｏｎｔ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｐａｓｓｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ９８．８％．ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｕｓｅ ｆｏｒ ｕｓｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｇｅｒ—ｖｅｉｎ；ｉｄｅｎｔｉｔｙ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ；ｎｅａｒ—ｉｎｆｒａｒｅｄ；ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｃａｍｅｒａ；ｆａｌｓｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ
０引 言 目前，基于人体生物特征的个人身份认证技术已经比
较普及，如指纹识别、人脸识别和虹膜认证等，但都存在特
征稳定性不足、信息容易被窃取和伪造的缺点，安全性差。
例如：指纹识别技术存在４％左右的用户无法正常登记和
识别，并且指纹也非常容易被窃取和仿造。静脉认证技
术 是利用人体内部的静脉血管纹理信息作为个人身份
特征，由于位于体表下几乎无法窃取和伪造，可以大大提高 个人身份认证的安全性，并且不容易受外部因素影响，具有
更好的适应性和稳定性。
静脉认证的基本原理是利用含氧血液相对肌肉组织对
波长为７００一ｌ ０００ ｎｍ的近红外光谱有较强吸收作用，根据
血液中的血红素特性来进行静脉识别，将只感红外的相机
对近红外照射的手指进行拍照，即可采集到手指内部的静
脉血管结构灰度图，然后进行图像增强、滤波、归一化、二值
收稿日期：２０１３－０９－０４ 基金项目：北京高等学校青年英才计划资助项目（ＹＥＴＰ１７７２） 化和特征提取等多个处理过程，利用静脉的空间拓扑结构
能可靠、准确地确定一个人的身份。
利用主动近红外光源照射手指并通过摄像装置采集手
指图像即可采集到手指血管的脉络纹理图像，不同的光源
设计和光路设计都会影响采集的静脉脉络纹理图像质量和
用户体验，从而影响认证效果。现有的静脉采集装置 Ｊ
大多采用在手指正上方安放光源进行静脉图像采集，这种
采集方式的缺点是不利于手指位置的确定，用户体验较差。
本文提出了一种新颖的近红外指静脉图像采集系统的
设计方案，利用单侧聚焦光源与反射镜面相结合的光源照
射方式，可以避免纯单侧光源下手指受光不均匀的问题，并
易于使用，有良好的用户体验，从而获得更好的认证效果。
１总体设计
指静脉认证装置由电源模块、近红外ＬＥＤ光源、微距
红外摄像头、手指感应开关、嵌入式ＳＯＣ认证模块、
控制盒 １１４ 传感器与微系统 第３３卷
和输入输出接口组成。 它们之间的位置连接关系和信号走向是：手指感应开
关与嵌入式ＳＯＣ认证模块通过通用输入输出接口（ＧＰＩＯ）
连接，近红外ＬＥＤ光源通过脉宽调制（ＰＷＭ）控制连接，微 距红外摄像头与嵌入式ＳＯＣ认证模块的图像输入接口连
接，输入输出接口通过线缆与嵌入式ＳＯＣ认证模块连接，
电源模块与上述各模块及元件连接，给装置各模块和元件
提供工作所需电压。认证装置各模块的连接关系和信号走
向如图１所示；装置截面示意图如图２所示。
－－［巫
ｋ・…・…・…・… …・…‘…，…●…・…‘…，・－ 图１系统模块框图 Ｆｉｇ １ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｕｌｅ
感
图２采集装置截面示意图 Ｆｉｇ ２ Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｖｉｅｗ ｏｆ ａｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ １．１ 近红外ＬＥＤ光源
近红外ＬＥＤ光源装置主要由两部分构成：一部分是近 红外发光ＬＥＤ，另一部分是反射立面。近红外ＬＥＤ光源采
用具有聚焦功能的近红外ＬＥＤ，为了使手指受光均匀并充
分利用光源，设置于手指侧上方并距离手指背面大约４—
８ ｍｍ处依次平行排列，并与手指平面呈一定角度，具体角
度与近红外发光二极管的发光角度相关，实验证明约为红
外二极管发光角的１／２—１／３最为合适。
近红外ＬＥＤ光源装置在手指的左侧上方，手指感应开
关第三指节感应开关和第一指节感应开关分别在第三指节
（指根）和第一指节（指尖）的下方２—５ｍｍ处。 为了适应粗细大小不同的手指，近红外二极管光源亮
度可调，可通过ＰＷＭ方式动态开／关和亮度调节。为增强 手指左右两边的受光均匀性，设置有近红外光源反射装置，
它放置在近红外ＬＥＤ光源装置的对面和控制盒上端，并与
近红外ＬＥＤ光源装置平行，具有反射近红外光的作用，增
强手指受光均匀性，该近红外光源反射装置是镜子或具有
反射光线作用的材料制作。
图３为ＬＥＤ光源装置的原理示意图。近红外发光
ＬＥＤ发光聚焦角度 为３０。－４０。，近红外ＬＥＤ的发光中心
线与手指平面成一定角度ＪＢ一０／２，对于正常大小的手指有
８Ｏ％的光量直接照射到手指，另有２０％左右的光量通过反
射立面照射到手指的另一边，优点是手指放置习惯自然，手
指受光均匀，不会出现两边高亮和一边亮一边暗的情况从
而影响图像质量，还能有效减小装置尺寸。
图３ ＬＥＤ光源装置原理图 Ｆｉｇ ３ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＬＥＤ ｆｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ １．２微距红外摄像头 微距红外摄像头由镜头、滤光片和ＣＭＯＳ／ＣＣＤ感光器
件组成，其间关系是：滤光片的位置在镜头与ＣＭＯＳ／ＣＣＤ
感光传感器之间，放置于控制盒底部，用于采集手指静脉纹
理图像。滤光片采用普通的８５０ ｎｍ带通滤光片，只能透过
波长为８５０ ｎｍ的近红外光。ＣＭＯＳ／ＣＣＤ感光器件采用普
通的ＣＭＯＳ或ＣＣＤ，它放置于控制盒底部中间位置，用于采
集手指中间部位静脉纹理图像。
微距红外摄像头与嵌入式ＳＯＣ认证模块在同一块电 路板上，它通过接收手指透射的近红外光进行成像，进而实
现指静脉的认证。
１．３手指感应开关 手指感应开关由１个或多个电容触摸感应开关组成，
放置于手指下方２—５ ｍｍ处，与嵌入式ＳＯＣ认证模块连接，
当手指２００正确放置后会给出高电平信号。 手指感应开关用何传感器并无特定限制，采用静电电
容式的触摸传感器，当手指接近传感器时电容会发生变化，
当电容变化达到一定阈值的时候传感器会发出高电平信 号，进而可以检测是否有手指放置。
１．４嵌入式ＳＯＣ认证模块
嵌入式ＳＯＣ认证模块是由中央处理器（ＣＰＵ），内存 ＲＡＭ，存储器ＦＬＡＳＨ等部件组成的单芯片系统，
ＦＬＡＳＨ用 第１期 梁爱华，等：近红外指静脉图像采集系统设计 ｌ１５
于存储程序和用户特征登记数据。嵌入式ＳＯＣ认证模块
与手指感应开关连接，同时与微距摄像头和近红外ＬＥＤ光
源连接，当通过手指感应开关检测到手指放置后，嵌入式
ＳＯＣ认证模块会打开近红外ＬＥＤ光源并通过微距摄像头
采集指静脉图像。
１．５控制盒 控制盒是一个箱式盒体结构，所有部件都安装其上，输
入输出接口有ＵＳＢ，ＵＡＲＴ，ＧＰＩＯ等常用输入输出接口。
２工作流程
总体工作流程是：当嵌入式ＳＯＣ认证模块检测到手指 感应开关为高电平时，表示有检测到手指放置，嵌入式ＳＯＣ
认证模块打开近红外ＬＥＤ光源，并同步采集微距摄像头的 图像，图像采集完成后就可以进行静脉图像的后续处理和
认证，并给出最终认证结果。
对于不同粗细的手指和不同的环境光照，如果光源强
度和ＣＭＯＳ传感器的曝光时间固定不变，则会出现指静脉
图像过暗和过亮的情况，需要根据采集的指静脉图像灰度
直方图动态调节光源强度和ＣＭＯＳ曝光时间，以适应不同
类型的手指和不同的环境光照。采用ＰＷＭ的方式控制
近红外ＬＥＤ光源的亮度，提高占空比，则减小光源亮度， 进而图像变暗；减小占空比，则加大光源亮度，进而图像 变亮。通过Ｐｃ直接设置ＣＭＯＳ曝光寄存器调整曝光时
间，曝光时间加大，则图像变亮；曝光时间减小，则图像变
暗。 目前对静脉识别算法 和图像质量评价Ｅ７，８ ３的研究
日益增多。本装置采用了改进的模板匹配算法进行静脉识
别。 指静脉认证流程如图４所示。首先检测手指是否正确
放置，若正确，则开启近红外ＬＥＤ光源进行指静脉图像采
集，之后进行图像质量评价，以检测是否符合要求；如果评
价不合格，则重新调整光源亮度和曝光时间，直至采集到高
质量的静脉图像。在认证时将采集到图像与静脉特征库中
的图像进行比对，根据比对的相似度判断是否匹配成功。
这里采用预先设定阈值的方法，大于阈值，则认为相似度达
到要求，提示验证成功；否则，验证失败。阈值可以根据要
求进行设定。
３实验 为了测试该采集系统的可靠性，对其进行了实测验证。
测试中随机选取了２Ｏ人，每人提取６根手指（不包括大拇
指和小指）进行静脉图像采集，每根手指登记３次，共得到
３６０个静脉图像样本，然后对每个人都进行多次认证测试，
在认证算法相同的情况下，将手指上方正面光源采集装置
和侧面光源与反射镜面结合装置进行了认证对比。
测试中对认证成功的通过率和认证的误识率进行了统 检测手指是否正确放置
手指正确放置？ ＼／ 二 开启近红＃ＦＬＥＤ光源 二二二工二 采集指静脉图像 二二二［二 评价指静脉图像质量
图像质量好？ —＼／ 土 提取指静脉特征信息 二二 ［二二 静脉特征比对 ———了—一 — ＼ 大于设定阈值？ ＼
验证成功 ｆ ｝验证失败 Ｎ－ ＿＿
— 丽 而
图４认证流程图 Ｆｉｇ ４ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ 计计算，测试验证结果如表１所示。验证结果表明：二者均
没有出现误识情况，侧面光源与反射镜面相结合的静脉图
像采集方式的通过率达到９８．８％，高于正面光源采集方
式。这主要是因为该方式使用户更易确定正确的手指位
置，因而得到图像的一致性更好，也更稳定，从而具有更高
的通过率。
表１测试结果 Ｔａｂ １ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ
４结论
在近红外指静脉采集系统中，兼顾了光源照射方式、安 装结构和手指放置舒适度的特点，采用红外光源从手指斜
上方照射手指，能获取最佳的静脉图像，通过率达到
９８．８％，高于正面光源采集方式，同时小尺寸设计使之适 用于多种应用场合。
参考文献： ［１］ Ｙａｎｕｓｈｋｅｖｉｃｈ Ｓ Ｎ．Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｂｉｏｍｅｔｒｉｃｓ：Ａ ｓｕｒｖｅｙ［Ｃ］∥ＩＥＥＥ
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ，Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ， Ｃａｎａｄａ，２００６． ［２］杨数强，余成波，崔焱拮，等．手指静脉智能采集装置的研
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