法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2013-04-17
授权
授权
2012-09-26
实质审查的生效 IPC(主分类):G06K9/00 申请日:20120414
实质审查的生效
2012-07-25
公开
公开
技术领域
本发明主要涉及一种用于手指静脉三维特征识别的藤蔓模型建模方法，属于安防生物 特征识别技术领域。
背景技术
手指静脉识别是当前生物特征识别领域的研究热点，其主要优势在于静脉藏匿于手指 内部，属于活体特征，不易被伪造、盗取，且采集方便安全。目前针对手指静脉识别的研 究涵盖了图像增强、图像分割、特征提取与匹配等方面，但上述研究都只针对手指静脉二 维平面投影图像展开研究，存在的主要问题是：(1)手指静脉立体分布具有唯一性，但立 体分布不同的手指静脉可能存在相同或相似的二维平面投影，这给静脉识别的安全性带来 了隐患；(2)手指在注册和认证过程中经常存在旋转等姿态变换，容易导致同一手指静脉 具有较大差异的二维平面投影，从而引起识别率的下降。
研究手指静脉三维识别是解决上述两个问题的有效途径，也是生物特征识别的发展趋 势，而该方面目前还未有研究成果。本发明所述的手指静脉藤蔓模型是进行手指静脉三维 识别研究的前提，其意义主要体现在两个方面：
(1)指导手指静脉三维重建。静脉藏匿于手指内部，无法采用激光探测等手段获取 静脉的空间位置，采用基于立体视觉的三维重建方法是手指静脉三维重建的有效途径。当 前静脉图像的获取广泛采用红外线透射或反射方式进行，由于肌肉、骨骼组织的干扰而很 难获取清晰的手指静脉图像，致使分割后的静脉纹线经常出现断裂和毛刺干扰现象；而且 手指静脉图像还受手指自身的多种因素影响，譬如手指受压时，采集图像中静脉会出现断 裂和变形，在同一光源下，手指厚薄不同或者环境温度不同，采集图像中静脉清晰度存在 较大差异。上述因素会给静脉三维重建带来很大困难，而采用手指静脉藤蔓模型来指导三 维重建，可以减弱这些因素的影响，譬如：修复断裂的静脉、剔除毛刺和噪声，拟合静脉 空间曲线。
(2)指导手指静脉三维特征提取。手指静脉分支众多，空间结构复杂，三维特征的提 取和数组组织困难，而采用手指静脉藤蔓模型可以将复杂的三维静脉空间结构抽象化和简 单化，也便于数据的组织和特征的提取。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于手指静脉三维特征识别的藤蔓模型建 模方法。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：
首先通过管径均一、藤茎分级、节点剖分、蔓延约束四个原则简化和抽象手指静脉空 间结构；然后给出藤蔓模型的元素、属性和数学描述；最后利用藤蔓模型的数据结构绘制 静脉立体图像。
1、手指静脉空间结构简化方法
图1为某手指的解剖示意图，可以看出静脉如同藤蔓一样，缠绕骨骼生长，指背、指 侧、指掌各静脉相互交汇，且分支回路多，总体结构复杂，不便于数据组织和描述。本发 明提出的藤蔓模型首先通过管径均一、藤茎分级、节点剖分、蔓延约束四个原则将静脉结 构简化为二叉树结构。为了描述清晰，下面结合图1(c)所示的指掌静脉阐述静脉简化原则， 图2显示了图1(c)中静脉结构示意图。
1.1管径均一原则
解剖学发现手指主要静脉(手指静脉识别主要选用中节指)管径一般为0.7～1.0mm， 考虑到现有摄像机的物理分辨率，主要静脉成像时管径差异较小，且成像时静脉管径受手 指压力、环境温度影响较大，管径特征不具有显著性和稳健性，因此假定手指主要静脉的 管径相同，简化后的静脉结构如图3所示。
1.2藤茎分级原则
为了便于区分不同的静脉分支，将各静脉分支赋予不同的等级，并用不同的颜色标记。 藤茎分级原则是：按从指根到指尖、指掌到指背、逆时针的方向对静脉分支进行逐级分级 (初始级数为1)，对于每一个节点(各条静脉分支的交汇点)连接的各条静脉分支，已分 级的静脉分支级数为n，待分级的静脉分支级数为n+1。图4显示了图3中各条静脉的初 始分级示意图。
1.3节点剖分原则
一般情况下，两条细静脉与一条粗静脉相交汇，对应的节点是三连通的，便于用二叉 树结构描述。如果节点不满足三连通特性，则需进行节点剖分。图5给出一个五连通节点 的剖分示意图，结合该图说明节点剖分的3个原则。
原则1：如果节点相连接的同一级别的静脉分支大于两条，则将这些静脉分支按逆时 针方向进行排序，如果存在第3条静脉，则在第2条静脉上增加1个节点，连接第3条静 脉，同样地，在第3条静脉上增加1个节点，用于连接第4条静脉，依此类推。图5中， 节点P1相连接的同一级别的静脉分支有4条，按逆时针方向排序为{L2，L3，L4，L5}。L3上增 加节点P2，用于连接L4。然后L4上增加节点P3，用于连接L5。剖分后的节点P1、P2、P3都 满足三连通特性。
原则2：新生成的节点与前一节点的直线距离等于静脉管径。
原则3：剖分前后各静脉分支只有空间上的平移变换，其他空间属性不变(如长度、 曲率等)。
原则2和3用于削弱节点剖分对静脉结构特征的影响，由于静脉管径特征不具有显著 性，因此除了图像显示的需求外，静脉管径可设为1像素，此时节点剖分基本不影响静脉 结构的显著性特征。
1.4蔓延约束原则
静脉在缠绕骨骼蔓延过程中，不同静脉分支相互交汇，导致出现不易用二叉树描述的 环状结构，为此，提出蔓延约束原则：静脉分支在绕骨骼蔓延的过程中(也即藤茎分级过 程中)，如果遇到已经分级的节点，则继续蔓延，直到到达没有分级的节点为止。蔓延约 束只是为了便于数据组织而改变静脉节点的连通性和合并静脉分支，并没有丢失数据(图 6～9只是为了显示蔓延约束效果而丢弃部分数据)，因此不影响静脉结构的显著性特征。
2、手指静脉藤蔓模型描述方法
对于简化后的二叉树静脉结构，建立手指静脉藤蔓模型，其示意图如图10所示：
藤蔓模型的主要组成元素有：茎、节点。
茎：模型中所有静脉枝干统称为茎。图10中，L1～L7都是茎。
节点：所有静脉枝干的两端点统称为节点。图10中，P0～P7都是节点。
藤蔓模型的主要属性有：节点的空间位置、节点的连通数；茎的长度、曲率、绕率。 详细叙述如下：
节点的连通数：定义藤蔓模型中分级级别为1的那条茎的起始节点的连通数为1，分 级级别最高的所有茎的终止节点的连通数为2，其他节点的连通数为3。
性质1：节点数＝茎数+1。
性质2：每一个藤蔓模型中，节点的连通数满足以下公式：
N2＝N1+N3
N1为连通数为1的节点数，N2为连通数为2的节点数，N3为连通数为3的节点数，且 N1＝1。
茎的长度、曲率、绕率：在三维空间中，茎的长度、曲率、绕率是指茎的中轴空间曲 线的长度、曲率、绕率。
藤蔓模型L可以由一组点集唯一确定，描述如下：
L＝{Rk|k＝1，2，...，N-1}
其中，N为藤蔓模型中节点的总数，Rk表示连通数大于1的节点k的属性，描述如下：
Rk＝{C，M}
其中，以节点k为终止点的那条茎记为lk，C表示节点k在藤蔓模型中的位置码值， 其有效位数表示lk的分级级别；M表示lk的空间曲线参数。
(1)位置码值
位置码值C用来组织数据和计算分级级别。规定连通数为1的节点的码值为0，后续 节点的码值按照二叉树的组织方式进行编码，编码规则是：
设当前节点Pk的码值为X，由该节点生成的节点Pt的码值为Y，则
Y＝X×2+b
其中，如果当前节点生成的节点有2个，且Pt在Pk的右侧，则b＝0，否则b＝1。
设茎lk的分级级别为n，则n满足
2n-1≤Y＜2n
表1显示了图10所示模型的位置码值及分级级别。
表1位置码值表
(2)空间曲线参数
茎lk的中轴曲线为一空间曲线，可以通过立体匹配方法获取其部分采样点的空间坐 标，然后采用B样条拟合该空间曲线，此时M表示曲线拟合时的控制点矩阵。
M＝(ETE)-1ETP
其中，E表示B样条基函数系数矩阵，P表示采样点坐标矩阵。
3、手指静脉立体图像绘制
采用本发明所述的藤蔓模型描述手指静脉后，依据参数M和分级级别n，利用Pro/E 软件即可绘制各茎的三维空间分级结构。图11显示了表2所示藤蔓模型的三维结构绘制 效果，其中颜色索引如表3所示。
表2藤蔓模型数据
表3颜色索引表
采用手指静脉藤蔓模型来指导三维重建，可以减弱一些因素的影响，譬如：修复断裂 的静脉、剔除毛刺和噪声，拟合静脉空间曲线；可以将复杂的三维静脉空间结构抽象化和 简单化，便于数据的组织和特征的提取。
附图说明
图1手指解剖示意图；
图2手指静脉结构；
图3管径均一简化后的静脉结构；
图4手指静脉初始分级示意图；
图5节点剖分示意图；
图6第3级分级时的蔓延约束效果；
图7第6级分级时的蔓延约束效果；
图8第7级分级时的蔓延约束效果；
图9经回路切断后的蔓延约束效果；
图10藤蔓模型示意图；
图11藤蔓模型绘制效果。
具体实施方式
本发明为一种用于手指静脉三维特征识别的藤蔓模型建模方法，首先通过管径均一、 藤茎分级、节点剖分、蔓延约束四个原则简化和抽象手指静脉空间结构；然后给出藤蔓模 型的元素、属性和数学描述；最后利用藤蔓模型的数据结构绘制静脉立体图像。具体过程 如下：
一、手指静脉空间结构简化方法
1.1管径均一原则
主要静脉成像时管径差异较小，假定手指主要静脉的管径相同。
1.2藤茎分级原则
藤茎分级原则是：按从指根到指尖、指掌到指背、逆时针的方向对静脉分支进行逐级 分级，对于每一个节点连接的各条静脉分支，已分级的静脉分支级数为n，待分级的静脉 分支级数为n+1。
1.3节点剖分原则
节点剖分包括3个原则，原则1：如果节点相连接的同一级别的静脉分支大于两条， 则将这些静脉分支按逆时针方向进行排序，如果存在第3条静脉，则在第2条静脉上增加 1个节点，连接第3条静脉，如果存在第4条静脉，在第3条静脉上增加1个节点，用于 连接第4条静脉，依此类推；原则2：新生成的节点与前一节点的直线距离等于静脉管径； 原则3：剖分前后各静脉分支只有空间上的平移变换，其他空间属性不变。
1.4蔓延约束原则
静脉分支在藤茎分级过程中，如果遇到已经分级的节点，则继续蔓延，直到到达没有 分级的节点为止。
二、手指静脉藤蔓模型描述方法
对于简化后的二叉树静脉结构，建立手指静脉藤蔓模型：
藤蔓模型的主要组成元素有：茎、节点；茎：模型中所有静脉枝干统称为茎；节点： 所有静脉枝干的两端点统称为节点；
藤蔓模型的主要属性有：节点的空间位置、节点的连通数；茎的长度、曲率、绕率。
藤蔓模型L可以由一组点集唯一确定，描述如下：
L＝{Rk|k＝1，2，...，N-1}
其中，N为藤蔓模型中节点的总数，Rk表示连通数大于1的节点k的属性，
Rk＝{C，M}
以节点k为终止点的那条茎记为lk，C表示节点k在藤蔓模型中的位置码值，其有效 位数表示lk的分级级别；M表示lk的空间曲线参数。
三、手指静脉立体图像绘制
采用藤蔓模型描述手指静脉后，依据参数M和分级级别n，利用Pro/E软件绘制各茎 的三维空间分级结构。
机译： 用于三维建模的粉末材料，三维建模材料集，用于生成三维模型的方法，用于生成三维模型的设备以及三维模型
机译： 用于三维建模的粉末材料，三维建模材料集，用于生成三维模型的方法，用于生成三维模型的设备以及三维模型
机译： 用于三维建模的粉末材料，三维建模材料集，用于生成三维模型的方法，用于生成三维模型的设备以及三维模型
