【摘要】 21世紀(jì)是日益復(fù)雜化、移動(dòng)化以及交互頻繁化的信息時(shí)代,各個(gè)角落都充滿了信息交互,這也就催生了對(duì)信息安全的要求。而作為“敲門磚”的傳統(tǒng)身份認(rèn)證方法由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、盜取較為容易,正面臨著越發(fā)完善地被仿造的危險(xiǎn)。另一方面,基于生理特征或行為特征形成的生物識(shí)別方法,憑借其隨身“攜帶”、不易遺忘、不會(huì)丟失、較難偽造和隨時(shí)隨地可用等特點(diǎn),得到了廣泛的關(guān)注并有眾多研究者開展了相關(guān)工作,而且在金融、政府部門以及基礎(chǔ)建設(shè)等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)調(diào)查,生物識(shí)別市場(chǎng)還處于一個(gè)新興市場(chǎng),并且每年保持較高的增長率在快速發(fā)展,未來生物識(shí)別技術(shù)將會(huì)成為保證信息安全的一個(gè)主要方向。而手背靜脈作為生物特征的一個(gè)分支,屬于一門新興技術(shù),主要利用血液對(duì)近紅外光特殊的吸收能力可以形成包含手背靜脈血管紋理結(jié)構(gòu)的圖像的特點(diǎn)。目前這項(xiàng)技術(shù)在亞洲地區(qū)的發(fā)展非常迅速,并且有不少成型的商業(yè)產(chǎn)品已經(jīng)推出,特別是2008年北京夏季奧運(yùn)會(huì)的手背靜脈識(shí)別系統(tǒng)就是一次很好的應(yīng)用。本文也是鑒于該項(xiàng)技術(shù)巨大的潛力以及廣闊的發(fā)展空間開展了相關(guān)工作。本文在豐富了手背靜脈圖像數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,介紹了靜脈圖像的預(yù)處理等工作,主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下：1)針對(duì)數(shù)據(jù)源的優(yōu)劣在一定程度上決定了系統(tǒng)的性能,結(jié)合實(shí)驗(yàn)中遇到的問題和為日后研究工作考慮,開展了手背靜脈圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)工作。根據(jù)手背靜脈圖像的構(gòu)成特點(diǎn),參照其他生物識(shí)別方法的相關(guān)工作,最終選取了對(duì)比度、有效區(qū)域、清晰度、位置偏移以及信息熵等指標(biāo),并利用加權(quán)平均的方法計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的綜合量化分?jǐn)?shù)作為手背靜脈圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的依據(jù)。2)考慮任何已知系統(tǒng)都不可避免的面臨防偽問題,本文也做了手背靜脈活體確認(rèn)方面的研究工作。自主設(shè)計(jì)制作并采集了包含活體手背和偽造手背樣本的數(shù)據(jù)庫,根據(jù)靜脈圖像形成的原理,在時(shí)域和頻域分別開展了鑒別工作,最終確定在頻域中利用區(qū)域塊能量特征來進(jìn)行活體確認(rèn)的方案。

1. 緒論

1.1生物特征識(shí)別概述
生物識(shí)別市場(chǎng)在過去的3年一直保持將近每年增長30%的速度在飛速發(fā)展，據(jù)IBG(International Biometric Group)對(duì)生物識(shí)別市場(chǎng)狀況調(diào)查的報(bào)告顯不[2], 2009年全球生物識(shí)別產(chǎn)業(yè)收入為34.22億美元，2014年這一數(shù)值預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到93.68億美元（見圖1)。而另一家市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) AMI (Acuity Market Intelligence)的一份基于2009年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的報(bào)告，估計(jì)2017年這個(gè)市場(chǎng)的預(yù)期收益將達(dá)到110億美元，并指出其增長點(diǎn)源于成指數(shù)增長的數(shù)字交易，這種超高頻率的行為不可避免的需要類似生物認(rèn)證技術(shù)級(jí)別的方式，同時(shí)，一些原本用于國家安全、法律限定、特殊管制等方面的技術(shù)，隨著商業(yè)化的考慮會(huì)逐漸放開，從而得到迅速發(fā)展。掌紋是指手腕與手指之間的手掌表面上的各種紋線，它由遺傳基因控制，即使由于某些原因致使表皮剝落，新生的掌紋紋線仍會(huì)保持原來的結(jié)構(gòu)。掌紋主要包括紋線特征、點(diǎn)特征、紋理特征、幾何特征，這些特征中幾條清晰的主紋線基本上是一生不變的，甚至在低分辨率和低質(zhì)量旳圖像中仍可以清晰辨認(rèn)。因此，從理論上講，掌紋比指紋具有更好的辨識(shí)能力，但掌紋設(shè)備維護(hù)率高，易產(chǎn)生磨損誤差。

1.2手背靜脈識(shí)別的研究和發(fā)展
由于亞洲國家在風(fēng)俗習(xí)慣上對(duì)指紋識(shí)別持有抵觸情緒，使得手背靜脈技術(shù)在亞洲得以飛速發(fā)展。1992年，日本北海道大學(xué)生物工程系的K. Shimizu發(fā)表文章討論了利用人體手部血管紅外圖像作為身份識(shí)別的依據(jù)，此文也揭開了日本和韓國進(jìn)行手部靜脈識(shí)別技術(shù)研究的序幕。1997年，韓國BK System公司發(fā)布了一系列商用手背靜脈識(shí)別產(chǎn)品BK-100，BK-200, BK-300以及BK-500等。2000年Techsphere公司成立，最終推出VP-II，該產(chǎn)品聲稱適用于99. 98%的人群，并成功在機(jī)場(chǎng)、銀行、醫(yī)院等領(lǐng)域得到應(yīng)有。而在在日本則興起了基于手掌靜脈和手指靜脈識(shí)別技術(shù)的研究和開發(fā)，日立公司推出了 TS-E3F1系列手指靜脈識(shí)別產(chǎn)品；富士通公司則推出了手掌靜脈識(shí)別產(chǎn)品Palm Secure，并宣稱在14000只手掌規(guī)模樣本測(cè)試中，錯(cuò)誤拒絕率可達(dá)0.01%，而錯(cuò)誤接受率僅為0.0008%; Bionics公司推出了商用型VA100和工業(yè)性VA200手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)，宣稱其產(chǎn)品錯(cuò)誤接受率小于0.0001%，拒真率小于0.01%; 2009年索尼公司推出了裝載有手指靜脈識(shí)別鎖閉系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備。
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2.手背靜脈圖像的采集和數(shù)據(jù)庫介紹

2.1手背靜脈圖像成像原理
人體手背指的是手掌的方面，手部外側(cè)，主要由皮膚、血管以及肌肉等組織構(gòu)成。皮膚組織主要由水、蛋白質(zhì)以及脂質(zhì)構(gòu)成。血管由血管壁和流經(jīng)的血液構(gòu)成，按照流經(jīng)血液的不同，可分為動(dòng)脈和靜脈，靜脈較動(dòng)脈的位置淺，位于皮膚下方。眾所周知，物體在同一束光線照射下會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色和明暗，是因?yàn)槠鋵?duì)光的吸收和反射作用不同，這就產(chǎn)生了生物學(xué)上所謂的“生物組織光學(xué)窗口”[9]，它指的是光線在生物組織內(nèi)穿透深度達(dá)到最大值的波長區(qū)間，一般處于近紅外波長區(qū)間（波長范圍750nm-1400nm)。窗口的范圍主要由受組織吸收的限制，其下限由血液的吸收所決定，上限則由水的吸收所決定，血液中影響光吸收的主要是氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白，圖2.1顯示了歸一化后的氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白以及水的吸收能力。

2.2手背靜脈圖像米集系統(tǒng)
由于手背靜脈身份驗(yàn)證研究屬于新興方向，且國內(nèi)在此領(lǐng)域開展工作相對(duì)較晚，在手背靜脈圖像獲取方面有一定的困難，同時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集設(shè)備本身也是一個(gè)很重要的研究方向，因此實(shí)驗(yàn)室研究人員自主設(shè)計(jì)了一款基于近紅外發(fā)射成像的手背靜脈圖像采集設(shè)備，并歷經(jīng)多次更改器件、調(diào)整設(shè)計(jì)，得到了目前最新一款工程樣機(jī)，如圖2.2所示。

3手背靜脈圖像的預(yù)處理 ..............8
3.1靜脈圖像的噪聲抑制.................. 8
3.2靜脈圖像的灰度歸一化.................9
3.3靜脈圖像的矯正...................9
4手背靜脈圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià) ..................15
4.1圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)概述 .............15
4.1.1圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià) ...........16
5手背靜脈的活體確認(rèn)研究............ 35
5.1手背靜脈活體確認(rèn)概述................ 37
5.2手背靜脈活體確認(rèn)的時(shí)域分析............................ 40
5.2.1粗特征分析.................... 42

5手背靜脈的活體確認(rèn)研究 

5.1手背靜脈活體確認(rèn)概述
其中，（x，y)表示入射點(diǎn)位置，為在(^y)處的光反射強(qiáng)度，Ao(x?y)表示在目標(biāo)位置(x 
5.2手背靜脈活體確認(rèn)的時(shí)域分析
某一個(gè)灰度值，可以完美的對(duì)真假手背進(jìn)行區(qū)分，但是從圖中可以看到，這樣的線是不存在的，而且真假手背圖像的平均灰度在很大一個(gè)范圍內(nèi)是相互重疊的。細(xì)特征分析粗特征的辨識(shí)效果之所以不理想是因?yàn)閳D像的平均灰度尺度太大，由于每個(gè)人手背組織的成分、厚度就有比較大的差異，再加上每個(gè)人的手背紋理在圖像中所占比例也不相同，因此即使不同材質(zhì)對(duì)紅外光的反射有一定區(qū)別，反應(yīng)到灰度上之后也無法超過上述原因造成的

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6結(jié)論

手背靜脈識(shí)別技術(shù)作為生物識(shí)別方法的一個(gè)重要分支，具有不易偽造、高識(shí)別率、識(shí)別迅速和非接觸性等特點(diǎn)，正在國家安全、商業(yè)活動(dòng)以及個(gè)人認(rèn)證等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。本文從生物識(shí)別技術(shù)的發(fā)展入手，簡(jiǎn)要介紹了幾種主要生物認(rèn)證技術(shù)，并概述了手背靜脈的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展應(yīng)用。隨后對(duì)本文實(shí)驗(yàn)所用的采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了描述，并分析了前期預(yù)處理操作中各個(gè)步驟采用的方法，主要精力集中在了手背靜脈圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)和活體認(rèn)證等方面的研究工作。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下：1)針對(duì)數(shù)據(jù)源的優(yōu)劣在一定程度上決定了系統(tǒng)的性能，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中遇到的問題和為日后研究工作考慮，開展了手背靜脈圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)工作。

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