一種非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證方法，采用非接觸式裝置對手掌紋脈進行采集，使用點集操作進行預(yù)處理，采用Gabor濾波器提取紋理特征，在外部可變參數(shù)參與下，紋理特征和隨機矩陣進行隨機投影和量化，生成2DPalmHash碼的可撤銷模板，通過低相關(guān)性策略對可撤銷模板生成方向優(yōu)選，注冊時，將雙模態(tài)2DPalmHash碼模板存儲于數(shù)據(jù)庫中；認證時，從數(shù)據(jù)庫提取模板，與認證模板逐個比對并進行分數(shù)級融合，實現(xiàn)可撤銷手掌紋脈認證。該認證方法采用點集操作提高了模板的精準度?？沙蜂N模板，賦予了模板的更新能力。通過合適的策略優(yōu)選特征模板，在不增加時間和空間復(fù)雜度的條件下提高認證精度。
【專利說明】一種非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物特征的認證方法，特別涉及一種非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證方法。

【背景技術(shù)】
[0002]接觸式掌紋和掌脈采集裝置長期使用時，容易造成設(shè)備表面污染，引起精度降低、衛(wèi)生隱患等問題。非接觸式采集雖然克服了上述缺陷，但掌紋和掌脈的預(yù)處理過程容易受到更多因素干擾，例如自然場景下，背景、光照等情況復(fù)雜；不固定的手掌位置使拍攝距離、角度和旋轉(zhuǎn)量不統(tǒng)一；手掌的姿態(tài)(如手指并攏、張開等)不統(tǒng)一。因此，需要設(shè)計更高精度的預(yù)處理算法提高定位準確性。
[0003]現(xiàn)有掌紋和掌脈認證系統(tǒng)使用的是原始特征模板，存在諸多安全和隱私問題:當特征被盜時，無法撤銷和更新；隨著應(yīng)用范圍的推廣，多個數(shù)據(jù)庫可能存儲相同特征模板，如果低安全級別數(shù)據(jù)庫中的特征模板被盜，其他數(shù)據(jù)庫的特征模板將全部失效；原始特征可能泄露用戶的隱私信息(如基因缺陷、疾病等)。因此，需要設(shè)計并使用受保護的可撤銷生物特征。
[0004]掌紋和掌脈的雙模態(tài)認證可以提高認證精度和生物特征的防偽性，但為了不增加特征數(shù)據(jù)量和計算開銷，須設(shè)計合適的優(yōu)選策略對兩種模態(tài)的模板進行選擇。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證方法，使用該方法可實現(xiàn)高精度的非接觸式掌紋和掌脈預(yù)處理；該方法采用可撤銷生物特征，生成受保護的特征模板，解決安全性和隱私性問題；通過合適的策略優(yōu)選特征模板，在不增加時間和空間復(fù)雜度的條件下提高認證精度。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證方法，其特征在于，主要包括以下步驟:
一、掌紋掌脈的非接觸采集:使用非接觸式掌紋和掌脈采集裝置對掌紋掌脈進行采集;
二、掌紋掌脈可撤銷模板制作:
(1)、采用點集操作對掌紋掌脈進行預(yù)處理，對分割手掌區(qū)域點集進行平移、交、并運算，獲取手掌指根區(qū)域，即指根點集，然后根據(jù)約束條件對指根點集元素進行篩選，得到四個指根點的準確位置，選擇兩個基準點建立相應(yīng)坐標系，動態(tài)定位感興趣區(qū)域；
(2)、采用Gabor濾波器對掌紋掌脈進行Gabor濾波，提取紋理特征；
(3)、由外部可變參數(shù)控制偽隨機數(shù)發(fā)生器生成隨機矩陣，通過隨機投影和量化構(gòu)造不可逆變換，將原始掌紋和掌脈的紋理特征轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙蜂N形式，即二維手掌哈希碼，又稱2DPalmHash碼，若可撤銷模板受到威脅，重新設(shè)置控制隨機矩陣的外部可變參數(shù)，生成新的可變模板，保證受保護模板具備替換和重新發(fā)布能力； (4)、對掌紋和掌脈的融合模板生成方向進行優(yōu)選:在每種模態(tài)中分別統(tǒng)計四個方向匹配分數(shù)的協(xié)方差，根據(jù)小協(xié)方差選擇策略，分別從掌紋和掌脈中選擇低相關(guān)性的兩個方向生成2DPalmHash碼作為待融合的可撤銷模板，通過均值策略融合多個模板的匹配分數(shù)，有效降低匹配分數(shù)方差，實現(xiàn)高精度可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證；
三、模板注冊:將雙模態(tài)2DPalmHash碼模板存儲于數(shù)據(jù)庫中；
四、模板認證:從數(shù)據(jù)庫中提取已注冊模板，與待認證模板逐個比對并進行分數(shù)級融合，實現(xiàn)可撤銷手掌紋脈認證。
[0007]進一步地，所述非接觸采集裝置由采集口、攝像頭、背景光源組成，所述采集口位于裝置外部，所述攝像頭位于裝置內(nèi)部且位于采集口的下方，所述攝像頭為兩個，一個攝像頭直接采集掌紋圖像；另一個攝像頭輔助紅外濾光片采集掌脈圖像，所述攝像頭下面是背景光源，所述背景光源由三個暖黃光LED燈和四個紅外補光燈組成，暖黃光LED燈以三角陣列圍繞紅外光源的方式組成組合陣列。
[0008]進一步地，所述的外部可變參數(shù)為用戶密鑰或智能卡ID。
[0009]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點:
(I)非接觸采集裝置避免了采集設(shè)備表面污染，導(dǎo)致認證精度降低的缺點；克服了接觸過程引發(fā)的衛(wèi)生問題，減少了傳染疾病的風(fēng)險；部分民族傳統(tǒng)文化禁止異性接觸同一物品表面，從而提高了認證系統(tǒng)在這些民族地區(qū)的適用性。
[0010](2)利用手掌方向信息，直接對區(qū)域進行操作，提高了非接觸式掌紋和掌脈圖像定位的抗干擾性和準確性。
[0011](3)受保護模板具備可撤銷性的非接觸式手掌紋脈認證方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]附圖1、本發(fā)明的非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證系統(tǒng)框架；
附圖2、非接觸式采集裝置設(shè)計示意圖；
附圖3、以左手掌脈為例的“點集操作”定位算法過程；
附圖4、2DPalmHash碼生成過程；
附圖5、低相關(guān)性策略優(yōu)選可撤銷手掌紋脈模板過程；
附圖6、可撤銷手掌紋脈分數(shù)級融合認證。

【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細描述。
[0014]圖1為本發(fā)明的非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證系統(tǒng)框架，采用非接觸式掌紋和掌脈采集裝置，引入“點集操作”進行預(yù)處理，采用Gabor濾波器提取紋理特征。由外部可變參數(shù)控制偽隨機數(shù)發(fā)生器生成隨機矩陣。掌紋和掌脈的紋理特征和隨機矩陣進行隨機投影和量化，生成可撤銷模板，命名為“二維手掌哈希碼”，又稱為“2DPalmHash碼”，通過低相關(guān)性策略對可撤銷模板生成方向優(yōu)選。注冊時，將雙模態(tài)2DPalmHash碼模板存儲于數(shù)據(jù)庫中；認證時，從數(shù)據(jù)庫中提取模板，與認證模板逐個比對并進行分數(shù)級融合，實現(xiàn)可撤銷手掌紋脈認證。
[0015]圖2是采集裝置設(shè)計示意圖，如圖所示，該采集裝置采集口I位于裝置外部，采集攝像頭4設(shè)置在裝置內(nèi)部，采集攝像頭為兩個，一個攝像頭直接采集掌紋圖像；另一個攝像頭輔助紅外濾光片采集掌脈圖像，在裝置內(nèi)部所述采集攝像頭底部有光源的陣列結(jié)構(gòu)，所述光源陣列由三個暖黃光LED燈2和四個紅外補光燈3組成，暖黃光LED燈2以三角陣列圍繞紅外光源3的方式組成組合陣列，出線口位于裝置側(cè)面。
[0016]圖3是以左手掌脈圖像為例，說明非接觸掌紋和掌脈的“點集操作”定位過程。采集時手掌五指方向向上。對分割的手掌區(qū)域進行三個方向(向右、向上、向左)平移，并分別與原始區(qū)域計算交集，得到殘差。三個交集(點集)再次計算交集，得到粗略的指間區(qū)域。通過區(qū)域選擇獲取候選根點區(qū)域，并計算每個區(qū)域重心作為指根點。通過四個指根點的位置確定左右手掌，并以食指和中指之間的根點以及無名指和小指之間的根點為基準點，建立坐標系。裁剪正方形感興趣區(qū)域的邊長設(shè)置為兩個基準點之間的距離&在兩基準點之間連線的垂線下0.2?處，截取邊長為《的正方形作為感興趣區(qū)域，并對其尺寸進行歸一化。
[0017]圖4所示為2DPalmHash碼生成過程，對掌紋和掌脈進行Gabor濾波，提取紋理特征。由外部可變參數(shù)控制生成滿足高斯分布的隨機數(shù)，組成隨機矩陣。掌紋和掌脈的Gabor紋理特征矩陣與隨機矩陣進行隨機投影變換，生成隨機映射矩陣，再進行量化生成2DPalmHash碼。由于隨機投影的壓縮作用，2DPalmHash碼的元素個數(shù)是紋理特征矩陣元素個數(shù)的一半。在以下三種情況下測試認證性能。
[0018](I)最佳情況:當全部用戶使用不同的外部可變參數(shù)和各自的掌紋(或掌脈)特征時,2DPalmHash碼可以達到理想的認證精度。
[0019](2)最差情況:當全部用戶使用相同的外部可變參數(shù)和各自的掌紋(或掌脈)特征時,2DPalmHash碼的認證性能略低于原始Gabor紋理特征直接量化生成的PalmCode。
[0020](3)模板更新:當某個用戶使用不同的外部可變參數(shù)和自己的掌紋(或掌脈)特征時，可以生成滿足足夠差異度的多樣化的2DPalmHash碼，保證了原始2DPalmHash碼的成功撤銷和更新2DPalmHash碼的成功發(fā)布。
[0021]圖5為低相關(guān)性策略優(yōu)選可撤銷手掌紋脈模板的過程。使用多個方向Gabor濾波器提取紋理特征時，若Gabor濾波器方向間隔過大，則不能充分發(fā)揮各個方向的鑒別互補性；若間隔過小，不僅計算復(fù)雜度過大，而且相鄰角度的匹配分數(shù)相關(guān)性增強，降低融合效果。通常可以選取4個或6個方向Gabor濾波器提取紋理特征。權(quán)衡復(fù)雜度和精度要求，本發(fā)明對掌紋和掌脈分別提取4個方向(0、v/4、v/2、3v/4)的Gabor紋理特征。對掌紋4個方向Gabor紋理特征量化后的掌紋碼(PalmCode)的匹配分數(shù)統(tǒng)計相關(guān)性，選擇相關(guān)性最弱的兩個方向生成2DPalmHash碼。對掌脈也進行類似的統(tǒng)計和選擇過程。最終優(yōu)選出的4個2DPalmHash碼構(gòu)成了雙模態(tài)可撤銷手掌紋脈模板。多個低相關(guān)性模板的匹配分數(shù)進行有機融合可以有效降低方差，提高認證性能。
[0022]圖6為可撤銷手掌紋脈分數(shù)級融合認證框架。注冊時雙模態(tài)可撤銷手掌紋脈模板保存于數(shù)據(jù)庫中；認證時，從數(shù)據(jù)庫中提取對應(yīng)模板，與認證模板的4個優(yōu)選2DPalmHash碼分別比對，計算海明距離測量差異度作為匹配分數(shù)。對4個匹配分數(shù)統(tǒng)計算數(shù)平均數(shù)，實現(xiàn)分數(shù)級融合雙模態(tài)認證。其認證性能優(yōu)于掌紋(或掌脈)單模態(tài)下4個方向2DPalmHash碼匹配分數(shù)的融合效果，從而在不增加時間和空間復(fù)雜度的條件下，實現(xiàn)了可撤銷手掌紋脈分數(shù)級融合的高精度雙模態(tài)認證。
【權(quán)利要求】
1.一種非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證方法，其特征在于，主要包括以下步驟: 一、掌紋掌脈的非接觸采集:使用非接觸式掌紋和掌脈采集裝置對掌紋掌脈進行采集; 二、掌紋掌脈可撤銷模板制作: (1)、采用點集操作對掌紋掌脈進行預(yù)處理，對分割手掌區(qū)域點集進行平移、交、并運算，獲取手掌指根區(qū)域，即指根點集，然后根據(jù)約束條件對指根點集元素進行篩選，得到四個指根點的準確位置，選擇兩個基準點建立相應(yīng)坐標系，動態(tài)定位感興趣區(qū)域； (2)、采用Gabor濾波器對掌紋掌脈進行Gabor濾波，提取紋理特征； (3)、由外部可變參數(shù)控制偽隨機數(shù)發(fā)生器生成隨機矩陣，通過隨機投影和量化構(gòu)造不可逆變換，將原始掌紋和掌脈的紋理特征轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙蜂N形式，即2DPalmHash碼，若可撤銷模板受到威脅，重新設(shè)置控制隨機矩陣的外部可變參數(shù)，生成新的可變模板，保證受保護模板具備替換和重新發(fā)布能力； (4)、對掌紋和掌脈的融合模板生成方向進行優(yōu)選:在每種模態(tài)中分別統(tǒng)計四個方向匹配分數(shù)的協(xié)方差，根據(jù)小協(xié)方差選擇策略，分別從掌紋和掌脈中選擇低相關(guān)性的兩個方向生成2DPalmHash碼作為待融合的可撤銷模板，通過均值策略融合多個模板的匹配分數(shù)，有效降低匹配分數(shù)方差，實現(xiàn)高精度可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證； 三、模板注冊:將雙模態(tài)2DPalmHash碼模板存儲于數(shù)據(jù)庫中； 四、模板認證:從數(shù)據(jù)庫中提取已注冊模板，與待認證模板逐個比對并進行分數(shù)級融合，實現(xiàn)可撤銷手掌紋脈認證。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證方法，其特征在于，所述非接觸采集裝置由采集口、攝像頭、背景光源組成，所述采集口位于裝置外部，所述攝像頭位于裝置內(nèi)部且位于采集口的下方，所述攝像頭為兩個，一個攝像頭直接采集掌紋圖像；另一個攝像頭輔助紅外濾光片采集掌脈圖像，所述攝像頭下面是背景光源，所述背景光源由三個暖黃光LED燈和四個紅外補光燈組成，暖黃光LED燈以三角陣列圍繞紅外光源的方式組成組合陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式可撤銷手掌紋脈雙模態(tài)認證方法，其特征在于，步驟二中所述的外部可變參數(shù)為用戶密鑰或智能卡ID。
【文檔編號】G06K9/60GK104268533SQ201410529257
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】冷璐, 劉剛, 黎明 申請人:南昌航空大學(xué)