非接触成像方式下手掌特征提取方法研究

【摘要】人的手掌包含丰富的静脉信息和掌纹信息，有研究表明，掌纹的分布具有唯一性和稳定性，可以用来作为身份鉴别的依据。静脉位于皮下，是身体内部特征，具有一定防伪性。基于掌纹和掌静脉的多模态手识别可以提高个人身份鉴别的可靠性，同时，手图像可以通过非接触方式获取，采集方式具有非侵犯性，大众接受程度高，采集方式更加卫生。以上特点使手掌特征识别技术在门禁系统中具有很大优势。相对接触式成像方式，利用非接触成像方式采集手图像时，手相对成像装置的方向、位置和拍摄距离是不确定的，这导致对于同一个人，每次采集的手图像中手的大小、方向和位置可能不相同。为此，可以有两种解决方案，一是对图像中手进行归一化，从而使手掌特征与手成像造成的平移、旋转和比例缩放无关。一是提取与平移、旋转和比例缩放无关的特征。由于归一化过程改变了原有图像的部分性质，而改变的这部分性质可能影响特征的提取，同时，归一化过程也增加了运行时间。因此，本文选择后一种方案。本文的主要工作和成果如下：(1)为了利用手掌静脉和掌纹主线上各点与掌心稳定参考点的空间相对位置构造与手掌旋转、平移和比例缩放无关的特征，提出了一种手掌内切圆定位方法，通过构造一个掌心内切圆来选择掌心稳定的参考点。为了保证内切圆具有唯一性，设计内切圆具备如下条件：分别与手掌两侧轮廓线相切，并通过中指、无名指的指根点。由圆的几何性质可知，圆边界上任意两点的中垂线必经过圆心，且圆的切线必垂直于经过该切点的半径。根据这两条性质，依次分别对位于食指外侧手掌轮廓线上和小手指外侧手掌轮廓线上的手掌边缘点进行扫描，确定内切圆圆心的位置以及内切圆的半径。最后，利用内切圆内图像灰度曲面做差形成的差曲面的标准差来表征内切圆的定位稳定性。将同一手多次采集的手图像得到的多个标准差再次计算标准差，将其作为定位稳定性的评价值。内切圆内图像越相似，定位越稳定，标准差越小。基于自建图像库对定位方法进行验证，本文方法定位稳定性评价值为0.751，平均定位时间为1116ms，传统的内切圆定位方法定位稳定性评价值为0.837，平均定位时间为1555ms。实验结果证明，该方法可以解决手掌定位问题，与传统方法相比，该定位方法更稳定，却需要更少的定位时间。(2)在手掌内切圆内利用静脉分叉点与内切圆圆心的相对位置构造了一组与手掌旋转，平移，比例缩放无关的手掌特征。首先，利用内切圆内静脉分叉点和内切圆圆心定义相对半径及相邻夹角参数；其次，由相对半径和角度参数建立二维特征向量空间，将静脉分叉点转换成该特征向量空间内的一系列特征点；最后，将特征向量空间中特征点分布结构的相似性作为匹配依据。利用两个方法对所构造特征的有效性进行评价。一方面是特征的稳定性，将手图像做旋转和比例缩放处理，处理后的图像和原图像进行匹配，实验结果表明，手图像的旋转和比例缩放对构造的手掌特征不造成影响。另一方面是特征的唯一性，基于实际环境建立近红外光下的手图像库，对算法性能进行验证。在拇指自然伸开、四指合拢的成像方式下和五指自然伸开的成像方式下，分别得到等误率0.96%和4.91%。结果表明，该方法在手产生比例缩放、旋转和平移后仍可获取较好的识别效果。该方法由于引入基于特征参量空间的匹配方法，具有一定程度的特征点提取容错性，且可通过少量特征获取较好的识别效果，适用于需要较小的特征数据存储空间的脱离计算机的手识别仪器。(3)在手掌内切圆内利用手掌静脉以及掌纹主线空间分布构造了一组与手掌旋转，平移，比例缩放无关的手掌特征。首先从内切圆圆心做若干条放射状线段相交于圆周，将圆心与中指和无名指指根的连接点连线方向作为参考方向，同时，构造模板计算各特征线段上各点的梯度值，根据各线段上各点的梯度值计算质心相对半径，将其定义为特征参量，以此构成特征向量空间；其次，基于自建的手图像库，对不同模板尺寸下的特征稳定性和不同线段数量下的方法识别性能进行分析，实验结果表明，当选择子模板尺寸为77时，特征线段质心点位置稳定性最好。特征线段的数量为60时，等误率相对稳定，不再显著降低。最后从两个角度对特征的有效性进行验证：1)特征的稳定性。将170幅手图像做旋转和比例缩放处理，利用变换后的手图像和原图像进行匹配，匹配率在97%以上；2)特征的唯一性。在子模板尺寸为77，构造线段数量为60条的前提下，可以获得小于0.4%的等误率，特征提取时间为0.0019秒。实验结果表明，所构造的特征具有平移、旋转和比例缩放不变性，同时，特征提取时间较快，适用于对实时性要求较高的手识别装置。
【作者】李威；
【导师】苑玮琦；
【作者基本信息】沈阳工业大学，测试计量技术及仪器，2013，博士
【关键词】生物特征识别；手掌静脉；掌纹；手掌定位；特征提取；

【参考文献】
[1]吴艳.生物序列编码理论及应用方法研究[D].江南大学,应用数学,2012,硕士.
[2]孟楠.新兴市场国家国有银行改革进程及改革对其绩效的影响[D].吉林大学,世界经济,2014,硕士.
[3]郭小斌.长江河口近期潮流和含沙量分布特征及输沙规律[D].华东师范大学,港口、海岸及近海工程,2013,硕士.
[4]黄开颜.平等竞争、民间主体与韩国、台湾的经济发展[D].中国政法大学,经济史,2013,硕士.
[5]武欣欣.知识产权保护对我国高新技术产品出口的影响研究[D].安徽大学,国际商务,2014,硕士.
[6]张璐璐.形成性评价在高中英语过程写作法中的应用研究[D].山东师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[7]蒋喆.玄武岩纤维沙漠砂混凝土力学性能及抗冻性、抗渗性试验研究[D].宁夏大学,结构工程,2014,硕士.
[8]洪滢.RXRα激动剂对糖尿病小鼠肝FGF21表达的调控及其对动脉硬化的影响[D].福建医科大学,内科学,2014,硕士.
[9]李俊兵,严卫生,房新鹏.非基于自身状态信息的一致性问题[J].控制与决策,2013,09:1294-1302.
[10]罗捷.森林防火监测系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[11]郭文.固液界面纳米气泡生成及性质研究[D].上海师范大学,2012.
[12]王艳芬.郴州市税收收入与GDP增长关系的实证研究[D].湖南师范大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[13]王江.云南亿丰投资公司建筑工程项目绩效管理研究[D].大连理工大学,EMBA（专业学位）,2012,硕士.
[14]陈榆.癫痫复发现象的研究[D].广西医科大学,神经病学（专业学位）,2013,硕士.
[15]张建贤,邹永军,徐蕾,陈国敦,卿凤翎.消光漆在光学系统的国内外应用[J].宇航材料工艺,2014,06:88-90.
[16]郑翔,周生苗,黄云龙.基于千兆交换技术的地区级电力数据网建设[J].电力系统自动化,2006,06:104-107.
[17]李迎霞.基于GIS的南昌商业房地产项目空间布局研究[D].江西财经大学,土地资源管理,2013,硕士.
[18]潘晓亮.LiMnPO_4微纳米晶的可控合成及电化学行为研究[D].哈尔滨工业大学,2013.
[19]赵敬鹏.百年来《水浒传》小说与插图关系研究述评[J].明清小说研究,2014,02:102-111.
[20]刘占礼.基于时间分析的组织间知识转移粘滞研究[D].郑州大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[21]韩延伟,杨卫东.质量差异的经济问题[J].上海企业.2007(01)
[22]潘日姣.高中英语的教学文化问题研究[D].四川外国语大学,课程与教学论,2014,硕士.
[23]包红光.色季拉山几种野生植物观赏资源特征及植物群落多样性研究[D].内蒙古农业大学,园林植物与观赏园艺,2013,硕士.
[24]梅德清任华姜士阳BaarRoland.DMC/柴油混合燃料共轨柴油机的燃烧循环变动研究[J].农业机械学报,2014,07:.
[25]祝锐.蚁群算法在电力系统PMU优化配置中的应用[D].湖北工业大学,控制工程（专业学位）,2013,硕士.
[26]刘国平.石家庄电业局继电保护管理信息系统的开发[D].华北电力大学（河北）,电气工程,2004,硕士.
[27]商梅.松原经济技术开发区土地集约利用动态变化研究[D].中国地质大学（北京）,公共管理,2014,硕士.
[28]尚丽明.多结节性肝癌克隆起源的判定及其临床意义[D].广西医科大学,外科学肝胆,2004,硕士.
[29]任春霞.节水型农业建设的初步研究[D].河北师范大学,自然地理学,2004,硕士.
[30]傅荫悫.渔船系柱拖力与轴功率同步测试及其效果初探[J].现代渔业信息.1991(10)
[31]李亚慰.区域体育经济产业布局与结构研究[D].苏州大学,体育教育训练学,2014,博士.
[32]徐海萍.外阴阴道念珠菌病易感因素与病原学研究[D].青岛大学,皮肤病与性病学,2013,硕士.
[33]陈涛.汉译佛典中的佛教微观世界研究[D].西北大学,宗教学,2013,硕士.
[34]李文帆,刘志刚,伍文城,何士玉.基于Qt的电力系统地理接线图绘制软件设计[J].电力系统自动化,2013,07:72-76+107.
[35]陈兰.酵母核基杂化型微球的制备及其处理染料废水的性能研究[D].长安大学,应用化学,2014,硕士.
[36]王俊艳.礼仪教育与南朝社会风俗的变革[D].山西师范大学,教育史,2014,硕士.
[37]李晓龙.3MW风电增速机试验平台自动控制系统的研制[D].宁夏大学,2013.
[38]马恩列.多元化程度、国际化程度与公司绩效关系研究[D].山东大学,企业管理,2013,硕士.
[39]金璨璨.伤害特异体质者致死案件的法律认定[D].沈阳师范大学,法律,2014,硕士.
[40]张振山,柴天佑,李小平,邓长辉,宋贤武.棒材连轧机立式活套的多变量自适应解耦控制[J].自动化学报,2001,06:744-751.
[41]赵彦维.合作学习在初中英语口语教学中的应用研究[D].河北师范大学,英语语言文学,2012,硕士.
[42]韩聪聪.“面带表情”的导视系统设计[D].浙江工业大学,2013.
[43]赵丽萍.茶树cDNA文库的构建及新梢特异表达基因EST序列分析[D].中国农业科学院,茶学,2004,硕士.
[44]陈卉.“关东才子”王尔烈研究[D].渤海大学,美术学,2013,硕士.
[45]张祥余.上海市中心区给水设施容量研究[J].城市公用事业.1994(04)
[46]李警钟段然刘博.黑龙江新材料产业异军突起[N].中国建材报,2014-09-11002.
[47]张文治,坚增运,王素敏,李建平.非共价键法改性碳纳米管的研究进展[J].高分子通报,2014,06:6-15.
[48]张雅琼.日本雅乐寮的成立研究[D].湖南师范大学,学科教育（专业学位）,2014,硕士.
[49]丁新新.基于互联网的旅游信息传播对旅游目的地演化的影响[D].山东大学,企业管理,2013,硕士.
[50]张召.单分散聚合物微球的制备及其自组装[D].济南大学,应用化学,2012,硕士.