專利名稱：一種用于手指靜脈三維特征識別的藤蔓模型建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種用于手指靜脈三維特征識別的藤蔓模型建模方法，屬于安防生物特征識別技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
手指靜脈識別是當(dāng)前生物特征識別領(lǐng)域的研究熱點，其主要優(yōu)勢在于靜脈藏匿于手指內(nèi)部，屬于活體特征，不易被偽造、盜取，且采集方便安全。目前針對手指靜脈識別的研究涵蓋了圖像增強、圖像分割、特征提取與匹配等方面，但上述研究都只針對手指靜脈二維平面投影圖像展開研究，存在的主要問題是(I)手指靜脈立體分布具有唯一性，但立體分布不同的手指靜脈可能存在相同或相似的二維平面投影，這給靜脈識別的安全性帶來了隱患；(2)手指在注冊和認(rèn)證過程中經(jīng)常存在旋轉(zhuǎn)等姿態(tài)變換，容易導(dǎo)致同一手指靜脈具有較大差異的二維平面投影，從而引起識別率的下降。研究手指靜脈三維識別是解決上述兩個問題的有效途徑，也是生物特征識別的發(fā)展趨勢，而該方面目前還未有研究成果。本發(fā)明所述的手指靜脈藤蔓模型是進行手指靜脈三維識別研究的前提，其意義主要體現(xiàn)在兩個方面(I)指導(dǎo)手指靜脈三維重建。靜脈藏匿于手指內(nèi)部，無法采用激光探測等手段獲取靜脈的空間位置，采用基于立體視覺的三維重建方法是手指靜脈三維重建的有效途徑。當(dāng)前靜脈圖像的獲取廣泛采用紅外線透射或反射方式進行，由于肌肉、骨骼組織的干擾而很難獲取清晰的手指靜脈圖像，致使分割后的靜脈紋線經(jīng)常出現(xiàn)斷裂和毛刺干擾現(xiàn)象；而且手指靜脈圖像還受手指自身的多種因素影響，譬如手指受壓時，采集圖像中靜脈會出現(xiàn)斷裂和變形，在同一光源下，手指厚薄不同或者環(huán)境溫度不同，采集圖像中靜脈清晰度存在較大差異。上述因素會給靜脈三維重建帶來很大困難，而采用手指靜脈藤蔓模型來指導(dǎo)三維重建，可以減弱這些因素的影響，譬如修復(fù)斷裂的靜脈、剔除毛刺和噪聲，擬合靜脈空間曲線。(2)指導(dǎo)手指靜脈三維特征提取。手指靜脈分支眾多，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，三維特征的提取和數(shù)組組織困難，而采用手指靜脈藤蔓模型可以將復(fù)雜的三維靜脈空間結(jié)構(gòu)抽象化和簡單化，也便于數(shù)據(jù)的組織和特征的提取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于手指靜脈三維特征識別的藤蔓模型建模方法。為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案首先通過管徑均一、藤莖分級、節(jié)點剖分、蔓延約束四個原則簡化和抽象手指靜脈空間結(jié)構(gòu)；然后給出藤蔓模型的元素、屬性和數(shù)學(xué)描述；最后利用藤蔓模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繪制靜脈立體圖像。I、手指靜脈空間結(jié)構(gòu)簡化方法
圖I為某手指的解剖示意圖，可以看出靜脈如同藤蔓一樣，纏繞骨骼生長，指背、 指側(cè)、指掌各靜脈相互交匯，且分支回路多，總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于數(shù)據(jù)組織和描述。本發(fā)明提出的藤蔓模型首先通過管徑均一、藤莖分級、節(jié)點剖分、蔓延約束四個原則將靜脈結(jié)構(gòu)簡化為二叉樹結(jié)構(gòu)。為了描述清晰，下面結(jié)合圖I(C)所示的指掌靜脈闡述靜脈簡化原則，圖 2顯示了

圖1(c)中靜脈結(jié)構(gòu)示意圖。L I管徑均一原則解剖學(xué)發(fā)現(xiàn)手指主要靜脈(手指靜脈識別主要選用中節(jié)指)管徑一般為0.7
I.Omm,考慮到現(xiàn)有攝像機的物理分辨率，主要靜脈成像時管徑差異較小，且成像時靜脈管徑受手指壓力、環(huán)境溫度影響較大，管徑特征不具有顯著性和穩(wěn)健性，因此假定手指主要靜脈的管徑相同，簡化后的靜脈結(jié)構(gòu)如圖3所示。I. 2藤莖分級原則為了便于區(qū)分不同的靜脈分支，將各靜脈分支賦予不同的等級，并用不同的顏色標(biāo)記。藤莖分級原則是按從指根到指尖、指掌到指背、逆時針的方向?qū)o脈分支進行逐級分級(初始級數(shù)為I)，對于每一個節(jié)點(各條靜脈分支的交匯點)連接的各條靜脈分支，已分級的靜脈分支級數(shù)為n，待分級的靜脈分支級數(shù)為n+1。圖4顯示了圖3中各條靜脈的初始分級示意圖。I. 3節(jié)點剖分原則一般情況下，兩條細(xì)靜脈與一條粗靜脈相交匯，對應(yīng)的節(jié)點是三連通的，便于用二叉樹結(jié)構(gòu)描述。如果節(jié)點不滿足三連通特性，則需進行節(jié)點剖分。圖5給出一個五連通節(jié)點的剖分示意圖，結(jié)合該圖說明節(jié)點剖分的3個原則。原則I :如果節(jié)點相連接的同一級別的靜脈分支大于兩條，則將這些靜脈分支按逆時針方向進行排序，如果存在第3條靜脈，則在第2條靜脈上增加I個節(jié)點，連接第3條靜脈，同樣地，在第3條靜脈上增加I個節(jié)點，用于連接第4條靜脈，依此類推。圖5中，節(jié)點P1相連接的同一級別的靜脈分支有4條，按逆時針方向排序為{L2，L3, L4, L5K L3上增加節(jié)點P2，用于連接L4。然后L4上增加節(jié)點P3，用于連接L5。剖分后的節(jié)點Pp P2、P3都滿足三連通特性。原則2 :新生成的節(jié)點與前一節(jié)點的直線距離等于靜脈管徑。原則3 :剖分前后各靜脈分支只有空間上的平移變換，其他空間屬性不變(如長度、曲率等)。原則2和3用于削弱節(jié)點剖分對靜脈結(jié)構(gòu)特征的影響，由于靜脈管徑特征不具有顯著性，因此除了圖像顯示的需求外，靜脈管徑可設(shè)為I像素，此時節(jié)點剖分基本不影響靜脈結(jié)構(gòu)的顯著性特征。I. 4蔓延約束原則靜脈在纏繞骨骼蔓延過程中，不同靜脈分支相互交匯，導(dǎo)致出現(xiàn)不易用二叉樹描述的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，為此，提出蔓延約束原則靜脈分支在繞骨骼蔓延的過程中(也即藤莖分級過程中)，如果遇到已經(jīng)分級的節(jié)點，則繼續(xù)蔓延，直到到達沒有分級的節(jié)點為止。蔓延約束只是為了便于數(shù)據(jù)組織而改變靜脈節(jié)點的連通性和合并靜脈分支，并沒有丟失數(shù)據(jù)(圖 6 9只是為了顯示蔓延約束效果而丟棄部分?jǐn)?shù)據(jù))，因此不影響靜脈結(jié)構(gòu)的顯著性特征。2、手指靜脈藤蔓模型描述方法
對于簡化后的二叉樹靜脈結(jié)構(gòu)，建立手指靜脈藤蔓模型，其示意圖如圖10所示藤蔓模型的主要組成元素有莖、節(jié)點。莖模型中所有靜脈枝干統(tǒng)稱為莖。圖10中，L1 L7都是莖。節(jié)點所有靜脈枝干的兩端點統(tǒng)稱為節(jié)點。圖10中，Ptl P7都是節(jié)點。藤蔓模型的主要屬性有節(jié)點的空間位置、節(jié)點的連通數(shù)；莖的長度、曲率、繞率。 詳細(xì)敘述如下節(jié)點的連通數(shù)定義藤蔓模型中分級級別為I的那條莖的起始節(jié)點的連通數(shù)為1， 分級級別最高的所有莖的終止節(jié)點的連通數(shù)為2，其他節(jié)點的連通數(shù)為3。性質(zhì)I :節(jié)點數(shù)=莖數(shù)+1。性質(zhì)2 :每一個藤蔓模型中，節(jié)點的連通數(shù)滿足以下公式N2 = N1+N3N1為連通數(shù)為I的節(jié)點數(shù),N2為連通數(shù)為2的節(jié)點數(shù),N3為連通數(shù)為3的節(jié)點數(shù), 且 N1 = I。莖的長度、曲率、繞率在三維空間中，莖的長度、曲率、繞率是指莖的中軸空間曲線的長度、曲率、繞率。藤蔓模型L可以由一組點集唯一確定，描述如下L= {Rk| k = I, 2, , N-1}其中，N為藤蔓模型中節(jié)點的總數(shù)，Rk表示連通數(shù)大于I的節(jié)點k的屬性，描述如下Rk = {C，M}其中，以節(jié)點k為終止點的那條莖記為lk，C表示節(jié)點k在藤蔓模型中的位置碼值， 其有效位數(shù)表示Ik的分級級別；M表示Ik的空間曲線參數(shù)。(I)位置碼值位置碼值C用來組織數(shù)據(jù)和計算分級級別。規(guī)定連通數(shù)為I的節(jié)點的碼值為0，后續(xù)節(jié)點的碼值按照二叉樹的組織方式進行編碼，編碼規(guī)則是設(shè)當(dāng)前節(jié)點Pk的碼值為X，由該節(jié)點生成的節(jié)點Pt的碼值為Y，則Y = XX2+b其中，如果當(dāng)前節(jié)點生成的節(jié)點有2個，且Pt在Pk的右側(cè)，則b = 0，否則b = I。設(shè)莖Ik的分級級別為n，則n滿足2n_1 <2n表I顯示了圖10所示模型的位置碼值及分級級別。表I位置碼值表
權(quán)利要求
1. 一種用于手指靜脈三維特征識別的藤蔓模型建模方法，其特征在于，首先通過管徑均一、藤莖分級、節(jié)點剖分、蔓延約束四個原則簡化和抽象手指靜脈空間結(jié)構(gòu)；然后給出藤蔓模型的元素、屬性和數(shù)學(xué)描述；具體過程如下一、手指靜脈空間結(jié)構(gòu)簡化 I. I管徑均一原則主要靜脈成像時管徑差異較小，假定手指主要靜脈的管徑相同；I. 2藤莖分級原則藤莖分級原則是按從指根到指尖、指掌到指背、逆時針的方向?qū)o脈分支進行逐級分級，對于每一個節(jié)點連接的各條靜脈分支，已分級的靜脈分支級數(shù)為n，待分級的靜脈分支級數(shù)為n+1 ；I. 3節(jié)點剖分原則節(jié)點剖分包括3個原則，原則I :如果節(jié)點相連接的同一級別的靜脈分支大于兩條，則將這些靜脈分支按逆時針方向進行排序，如果存在第3條靜脈，則在第2條靜脈上增加I個節(jié)點，連接第3條靜脈，如果存在第4條靜脈，在第3條靜脈上增加I個節(jié)點，用于連接第4 條靜脈，依此類推；原則2 :新生成的節(jié)點與前一節(jié)點的直線距離等于靜脈管徑；原則3 :剖分前后各靜脈分支只有空間上的平移變換，其他空間屬性不變；1.4蔓延約束原則靜脈分支在藤莖分級過程中，如果遇到已經(jīng)分級的節(jié)點，則繼續(xù)蔓延，直到到達沒有分級的節(jié)點為止；二、手指靜脈藤蔓模型描述對于簡化后的二叉樹靜脈結(jié)構(gòu)，建立手指靜脈藤蔓模型藤蔓模型的組成元素包括莖、節(jié)點；莖模型中所有靜脈枝干統(tǒng)稱為莖；節(jié)點所有靜脈枝干的兩端點統(tǒng)稱為節(jié)點；藤蔓模型的屬性包括節(jié)點的空間位置、節(jié)點的連通數(shù)；莖的長度、曲率、繞率；藤蔓模型L可以由一組點集唯一確定，描述如下L= {Rk| k = 1,2, , N-1}其中，N為藤蔓模型中節(jié)點的總數(shù)，Rk表示連通數(shù)大于I的節(jié)點k的屬性，Rk = {C，M}以節(jié)點k為終止點的那條莖記為lk，C表示節(jié)點k在藤蔓模型中的位置碼值，其有效位數(shù)表示Ik的分級級別；M表示Ik的空間曲線參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于手指靜脈三維特征識別的藤蔓模型建模方法，其特征在于，藤蔓模型中，節(jié)點的連通數(shù)定義藤蔓模型中分級級別為I的那條莖的起始節(jié)點的連通數(shù)為1，分級級別最高的所有莖的終止節(jié)點的連通數(shù)為2，其他節(jié)點的連通數(shù)為3 ；性質(zhì)I :節(jié)點數(shù)=莖數(shù)+1 ;性質(zhì)2 :每一個藤蔓模型中，節(jié)點的連通數(shù)滿足以下公式N2 = N^N3N1為連通數(shù)為I的節(jié)點數(shù),N2為連通數(shù)為2的節(jié)點數(shù),N3為連通數(shù)為3的節(jié)點數(shù),且N1 =I。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于手指靜脈三維特征識別的藤蔓模型建模方法，其特征在于，藤蔓模型中，莖的長度、曲率、繞率指莖的中軸空間曲線的長度、曲率、繞率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于手指靜脈三維特征識別的藤蔓模型建模方法，其特征在于，藤蔓模型中，位置碼值C用來組織數(shù)據(jù)和計算分級級別，規(guī)定連通數(shù)為I的節(jié)點的碼值為0，后續(xù)節(jié)點的碼值按照二叉樹的組織方式進行編碼，編碼規(guī)則是設(shè)當(dāng)前節(jié)點Pk的碼值為X，由該節(jié)點生成的節(jié)點Pt的碼值為Y，則 Y = XX2+b其中，如果當(dāng)前節(jié)點生成的節(jié)點有2個，且Pt在Pk的右側(cè)，則b = 0，否則b = 1，設(shè)莖Ik的分級級別為n，則n滿足 2n_1 < Y < 2n。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種用于手指靜脈三維特征識別的藤蔓模型建模方法，其特征在于，藤蔓模型中，莖Ik的中軸曲線為一空間曲線，通過立體匹配方法獲取其部分采樣點的空間坐標(biāo)，然后采用B樣條擬合該空間曲線，此時M表示曲線擬合時的控制點矩陣，M = (EtE) -1EtP其中，E表示B樣條基函數(shù)系數(shù)矩陣，P表示采樣點坐標(biāo)矩陣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于手指靜脈三維特征識別的藤蔓模型建模方法。首先通過管徑均一、藤莖分級、節(jié)點剖分、蔓延約束四個原則簡化和抽象手指靜脈空間結(jié)構(gòu)；然后給出藤蔓模型的元素、屬性和數(shù)學(xué)描述；最后利用藤蔓模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繪制靜脈立體圖像。采用手指靜脈藤蔓模型來指導(dǎo)三維重建，可以減弱一些因素的影響，譬如修復(fù)斷裂的靜脈、剔除毛刺和噪聲，擬合靜脈空間曲線；可以將復(fù)雜的三維靜脈空間結(jié)構(gòu)抽象化和簡單化，便于數(shù)據(jù)的組織和特征的提取。
文檔編號G06K9/00GK102609697SQ20121010909
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月14日
發(fā)明者劉通, 李沛秦, 謝劍斌, 謝昌頤, 閆瑋 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)