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基于FPGA手指静脉检测装置的研究与实现

基于FPGA手指静脉检测装置的研究与实现

作者：李杞荣桂林电子科技大学

学位级别：硕士

手指静脉识别作为一种活体识别技术,具有高度的安全性和保密性优势。为了采集到高质量的指静脉图像,提高身份验证的识别率、降低误识率,本文设计并实现了一种基于FPGA指静脉图像检测的硬件装置。主要工作如下:1、研究并设计了指静脉检... 详细信息

手指静脉识别作为一种活体识别技术,具有高度的安全性和保密性优势。为了采集到高质量的指静脉图像,提高身份验证的识别率、降低误识率,本文设计并实现了一种基于FPGA指静脉图像检测的硬件装置。主要工作如下:1、研究并设计了指静脉检测装置的结构。基于对三种不同光照方式特性分析,本设计中采用顶透式的光照方式。通过分析人体不同成分对不同波长的近红外光吸收效果,选取850nm波长的近红外LED作为成像光源。选用NP850红外滤光片,减小可见光对指静脉成像质量的影响。在成像过程中,为实现静脉图像最大程度上的清晰,在实际设计中对镜头焦距、光圈、视场角、景深进行了分析,最终确定3cm的对焦距离,手指成像长度约为3.8cm。2、为了实现对静脉图像数据的采集和实时观察,设计了指静脉图像检测装置的整体系统。对整体系统分部分进行分析和设计,对于硬件部分,进行指静脉系统的电路设计;软件部分使用Verilog对FPGA各模块通信进行RTL编码,实现指静脉图像数据的采集、处理以及传输等功能,图像传输速率可达95MB/s。为了实时观察指静脉图像,使用Visual Studio 2017进行上位机软件开发,取得了不错的效果。3、为了实现高质量的静脉图像采集,使用对比度、信息熵、等效视数、模糊度等图像质量评估指标在上位机软件集成了指静脉图像质量评估算法,确保采集到的静脉图像均具有高质量;为了改善静脉图像的成像质量,设计了一种基于直方图光照强度评估的自适应调光算法。通过直方图统计,分析指静脉图像像素面积占比、图像均值、局部曝光度得到光照强度的评估结果,将评估结果与预期结果进行对比,从而计算PWM输出,完成自适应调光。经实验证明该算法具有较好的适用性。经综合实验证明,本文研制的基于FPGA的指静脉检测装置能够根据不同手指完成自适应调光并采集到640×480分辨率的指静脉图像;占用不到10%的FPGA资源实现了装置各模块功能;通过上位机软件能够鉴别图像质量,并将高质量静脉图像保存。

关键词： FPGA 指静脉自适应调光图像质量评估

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基于卷积神经网络的手指静脉认证算法研究

基于卷积神经网络的手指静脉认证算法研究

作者：胡慧华南理工大学

学位级别：硕士

指静脉认证技术作为一种新型的生物特征技术,因为其具有极高安全性,便捷性等优势而受到广泛关注。然而,指静脉采集过程中存在的静脉图像模糊所导致的识别精度下降,以及较大自由度下存在的指静脉图像偏移所导致的类内认证难度增加等问题... 详细信息

指静脉认证技术作为一种新型的生物特征技术,因为其具有极高安全性,便捷性等优势而受到广泛关注。然而,指静脉采集过程中存在的静脉图像模糊所导致的识别精度下降,以及较大自由度下存在的指静脉图像偏移所导致的类内认证难度增加等问题,依旧是该领域中具有挑战性的难题。为此,本文研究了一种基于深度卷积神经网络技术的指静脉认证算法,旨在提高指静脉系统对这一类问题的鲁棒性。此外,针对具有较高空间和时间复杂度的卷积神经网络(CNN)难以直接应用到指静脉认证设备上的问题,本文还提出一种模型轻量化的思路对常规卷积网络模型进行压缩和加速。本文的主要贡献如下:第一,提出一种基于深度卷积神经网络的指静脉认证算法,使用该网络来提取具有更强表征能力的特征。近年来深度学习算法在计算机视觉的各个领域取得了很大的成就,然而指静脉领域由于训练数据不足一直限制了其发展。为此,我们采用预训练模型对网络部分权重进行初始化,并使用数据增强策略对样本进行扩充,从而有效的减小训练样本不足对深度学习算法的影响。第二,提出一种类模板匹配策略用于CNN的特征匹配,并为此设计CNN结构提取包含空间信息的特征。基于这种方法可以很大程度的提高系统的抗旋转偏移能力。众所周知,CNN往往需要通过学习大量具有旋转偏移特性的样本才能获得对旋转偏移鲁棒的特征,然而指静脉领域目前还无法提供足量的这种样本,以致很难直接获得对旋转偏移鲁棒的特征。而传统方法中的“模板匹配”并不需要特征对旋转偏移具有较高的鲁棒性,它是在匹配阶段处理旋转偏移的影响;受此启发,我们以特征图的形式提取指静脉特征,并据此设计相应的匹配策略来提高系统的抗旋转偏移能力。第三,提出一种模型轻量化的思路对常规CNN模型进行压缩并加速。常规CNN模型因为具有大量的参数和很高的计算复杂度,难以在嵌入式设备上获得较好的应用。为此,本文首先基于可分离卷积构建轻量型的网络模型,然后采用“知识蒸馏”算法训练轻量型网络提高模型的性能。使用这种方式获得的轻量型模型不仅具有极高的压缩率和加速比,同时基本保持了性能的不下降。本文在三个公开的数据库上设置了多组对比实验,并通过实验结果验证了本文所提出方法的有效性,最终通过结合所提出的这些方法不仅能够有效的提升系统的抗旋转能力并获得优秀的性能表现,同时还能极大的压缩和加速网络模型使其更适用于嵌入式设备。

关键词：生物特征识别指静脉卷积神经网络模型轻量化

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断指静脉缺损的修复体会

中国修复重建外科杂志 1993年第1期 59-60页

作者：赵胡瑞周广恒周围牟宇科空军乌鲁木齐医院手外科空军乌鲁木齐医院手外科 830011

断指再植术中,因静脉条件不好,放弃再植或再植失败,临床并不少见。我科根据局部损伤及静脉缺损程度,采用以下方法修复。①邻指静脉岛状皮瓣移位修复静脉及皮肤缺损6个手指。术中应将皮瓣远

关键词：静脉缺损断指指静脉

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缺乏静脉的矿工末节断指再植37指分析

基层医学论坛 2006年第10期10卷 474-475页

作者：王群枣庄矿业集团公司中心医院山东枣庄277011

我科采用吻合两侧指动脉,一侧指动脉于指根部切断,近端结扎,远端与指蹼静脉吻合替代静脉回流再植矿工中末节断指35例37指,取得满意效果,分析如下.1资料与方法1.1一般资料本组35例,均为男性,年龄21岁～47岁;左手13例,右手22例;食指7指、... 详细信息

我科采用吻合两侧指动脉,一侧指动脉于指根部切断,近端结扎,远端与指蹼静脉吻合替代静脉回流再植矿工中末节断指35例37指,取得满意效果,分析如下.1资料与方法1.1一般资料本组35例,均为男性,年龄21岁～47岁;左手13例,右手22例;食指7指、中指21指、环指6指、小指3指;按章伟文分型[1]:Ⅰ型即远端指间关节横纹至甲根部离断,16指;Ⅱ型为甲根至指腹螺纹中心离断,5指;Ⅲ型为指腹螺纹中心以远离断,0指,显微解剖研究表明手指指腹螺纹中心即为指端动脉弓的体表投影区.受伤原因:锐器切割伤2例、机器挤伤17例、矸石砸伤18例,均为常规再植未找到可供吻合静脉.

关键词：指动脉吻合口静脉吻合指固有动脉断指再植再植术指蹼末节断指指静脉

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基于指部关联特征的多模态图像采集系统

传感技术学报 2014年第2期27卷 204-207页

作者：梁爱华袁家政和青芳何娟北京联合大学北京信息服务工程重点实验室北京100101 北京联合大学计算机技术研究所北京100101

针对基于单个生物特征的身份认证安全性和稳定性不足的问题,设计了基于指部关联特征的多模态图像采集系统,采用单个双波段摄像头分时采集同一根手指的指纹、指节纹和指静脉图像。指纹和指节纹采用非接触反射采集方式,指静脉采用单侧近... 详细信息

针对基于单个生物特征的身份认证安全性和稳定性不足的问题,设计了基于指部关联特征的多模态图像采集系统,采用单个双波段摄像头分时采集同一根手指的指纹、指节纹和指静脉图像。指纹和指节纹采用非接触反射采集方式,指静脉采用单侧近红外光源与反射镜面相结合的透射采集方式,并根据静脉图像质量评价动态调控光源,根据特征点信息量动态调整各个特征的权重。实验结果表明,该多模态采集系统在认证通过率、误识率和拒登率等指标都优于指纹或指静脉的单模态采集系统,认证通过率达到99.1%,误识率为0.000 1%,不存在拒登现象。

关键词：图像采集多模态特征融合指纹指节纹指静脉

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指根侧部逆行岛状皮瓣的临床应用

中华整形外科杂志 2001年第5期17卷 267-268页

作者：杜永军冯祥生徐国建李庆生杜学亮阮树斌陈应军佛山市第一人民医院烧伤整形科 528000

目的　寻求对手指末节软组织缺损修复的可靠新方法。方法　 1999年 8月～ 1999年11月 ,采用缝接指背皮神经带指背浅静脉的指动脉指根侧部逆行岛状皮瓣修复指端及指腹软组织缺损 10例 14指。结果　 10例 14指皮瓣全部成活 ,皮瓣最大面积 ... 详细信息

目的　寻求对手指末节软组织缺损修复的可靠新方法。方法　 1999年 8月～ 1999年11月 ,采用缝接指背皮神经带指背浅静脉的指动脉指根侧部逆行岛状皮瓣修复指端及指腹软组织缺损 10例 14指。结果　 10例 14指皮瓣全部成活 ,皮瓣最大面积 3 0cm× 2 5cm ,最小 2 0cm×1 5cm。皮瓣感觉恢复佳 ,外形良好 ,无一例发生静脉危象。结论　缝接指背皮神经带指静脉的指动脉逆行岛状皮瓣切取方便、损伤小、静脉危象发生率低 ,提高了皮瓣的成活质量 ,值得推荐推广。

关键词：逆行指动脉岛状皮瓣指静脉皮神经缺损皮瓣移植手指

手指双模态特征图像感兴趣区域稳定定位方法研究

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信号处理 2019年第7期35卷 1191-1200页

作者：杨金锋石滨萌中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室

为了改善指静脉成像质量和稳定获取指静脉、指节纹的感兴趣区域(ROI),本文提出了一种新的手指双模态成像系统及指静脉、指节纹ROI定位方法。首先,设计了一种含有多光谱、多亮度等级光源的手指拱起成像模型,该模型可较好改善指静脉的成... 详细信息

为了改善指静脉成像质量和稳定获取指静脉、指节纹的感兴趣区域(ROI),本文提出了一种新的手指双模态成像系统及指静脉、指节纹ROI定位方法。首先,设计了一种含有多光谱、多亮度等级光源的手指拱起成像模型,该模型可较好改善指静脉的成像质量。然后,利用手指拱起产生的拐点实现对指节纹感兴趣区域的稳定定位,并利用双目摄像头下指静脉和指节纹成像区域之间的位置关系确定指静脉特征的感兴趣区域。实验结果表明本文所提出的方法能够较好提高指静脉血管的成像质量和指静脉、指节纹感兴趣区域的定位精度。

关键词：指静脉指节纹成像方式感兴趣区域定位

手指多模态Gabor编码特征局部融合方法研究

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信号处理 2015年第11期31卷 1467-1472页

作者：卢中宁仲贞贾桂敏史玉坤杨金锋郑州轻工业学院软件学院郑州450002 中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室天津300300

鲁棒性特征提取一直是生物特征识别领域研究的一个重要问题。由于手指姿态易变,这个问题在手指多模态生物特征描述方面显得更为突出。为了较为稳定地刻画手指多模态生物特征信息,本文提出了一种新的基于Gabor特征编码的局部灰度特征提... 详细信息

鲁棒性特征提取一直是生物特征识别领域研究的一个重要问题。由于手指姿态易变,这个问题在手指多模态生物特征描述方面显得更为突出。为了较为稳定地刻画手指多模态生物特征信息,本文提出了一种新的基于Gabor特征编码的局部灰度特征提取方法。首先,对手指的三个模态指纹、指静脉和指节纹图像分别进行Gabor滤波,刻画它们的纹理方向特性,并分别获取Gabor方向特征编码。然后,分别对特征编码图像进行局部灰度特征分析,并以局部串联的方式对手指多模态生物特征进行融合。实验表明,该方法在自制的手指姿态多变的数据库中具有良好的识别性能。

关键词： Gabor滤波指纹指静脉指节纹旋转不变性

基于图像质量加权的D-S证据理论多生物特征融合识别

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计算机应用 2012年第1期32卷 264-268页

作者：肖宾杰同济大学电子与信息工程学院上海200092 上海市城市建设设计研究总院电气自动化分院上海200125

对人脸和指静脉在决策层的融合识别,给出一种新的组合图像质量评价方法,并采用一种改进的基于图像质量加权的D-S证据理论融合这两种生物特征。首先,组合图像质量评价法采用清晰度和对比度、相关系数的组合方法来评价生物特征图像质量;其... 详细信息

对人脸和指静脉在决策层的融合识别,给出一种新的组合图像质量评价方法,并采用一种改进的基于图像质量加权的D-S证据理论融合这两种生物特征。首先,组合图像质量评价法采用清晰度和对比度、相关系数的组合方法来评价生物特征图像质量;其次,应用改进的基于图像质量的匹配值增强方法和D-S证据理论,减少了极大值图像质量指标的影响,使图像质量加权与实际情况更趋一致。实验结果表明,与没有考虑图像质量因素相比,考虑了图像质量信息的D-S证据理论融合方法提高了识别效果。

关键词：人脸指静脉独立成分分析主元分析图像质量 D-S证据理论