近红外成像技术在手背静脉图像获取中的应用分析

手背静脉血管属于皮下组织，通常裸眼和常用视觉检测设备都很难清楚地得到它的分布图像，例如可见光下采用普通相机采集手背静脉图像如图6-4-1所示。

图6-4-1　可见光下静脉图像

高质量的手背静脉图像是实现个人身份识别的有利保障，因而探索快速无创伤的静脉成像方法是手背静脉识别系统得到应用的重要前提。随着生物光学技术的快速发展，人们发现红外成像技术能够很好地获取人体静脉分布，并且该方法无需向血管中注射任何造影剂，属于非接触式图像获取方法，因此红外成像技术为手背静脉识别提供了具有实用价值的图像采集基础。

在整个电磁波频谱中，红外波段位于可见光与微波之间，其波长在0.75微米到1 000微米之间，人们通常将其划分为近红外、中红外和远红外三部分，其中近红外波长为0.75～1.5微米，中红外波长为1.5～5.6微米，远红外波长为5.6～1 000微米。温度高于绝对零度的物体的分子都在不停地做无规则热运动并产生热辐射，故自然界中的物体都能辐射出不同频率的红外光。在常温下，物体辐射出的红外光位于中红外和远红外的光谱区，该波段易引起物体分子的共振，有显著的热效应，因此中红外和远红外又被称为热红外。

目前静脉血管图像的获取主要有远红外（FIR：far infrared）热成像和近红外（NIR：near infrared）成像两种方式。

1.远红外静脉成像

远红外成像被动地利用人体发出的红外光实现静脉成像。一般而言，人体辐射能量主要集中在3～5微米和8～14微米波段。利用远红外热成像可以得到人体各个部位的热量分布情况，由于静脉血管的温度比周围其他组织的温度要高，即两者之间存在温度差，利用这一温度特性即可突显出静脉血管，从而获取静脉的分布情况。

在远红外图像采集过程中，一般是利用红外热像仪采集手背的温度分布图像，然后利用热能分析软件将温度数据转化为灰度图像，从而得到静脉的分布信息。图6-4-2为远红外成像系统获取的手背静脉图像，由图可知该方法可以获取手背中较粗大静脉血管的网络分布，且图像的对比度较低。

图6-4-2　远红外手背静脉成像

2.近红外静脉成像

人体在近红外区域内，存在一个被广泛用于临床无创伤检查的医学光谱窗（Medical Spectral Window），该医学光谱窗的波长范围为700～900纳米，它能够穿透大约3纳米厚度的生物组织，而静脉血管比较靠近皮肤表面，该探测深度能够很好地反映皮下静脉血管的分布信息，并且这个波段还可以避免人体发出的红外光（3～14微米）所产生的干扰。在近红外光照射下利用图像传感器采集图像时，静脉血管的分布会比周围组织暗，从而可以很容易将静脉分辨出来。(www.xing528.com)

近红外手背静脉图像采集需要近红外照明光源，例如峰值波长为850纳米的LED阵列发出红外光照射手背，采用近红外CCD相机采集手背静脉图像，获得的手背静脉图像如图6-4-3所示。可见，近红外成像能够很好地捕获静脉血管的分布信息，并且图像对比度较高。

图6-4-3　近红外手背静脉图像

3.成像性能分析

远红外成像利用静脉血管和周围组织的温度梯度获取静脉分布图像，是一种被动式成像方式；近红外成像则利用静脉血管与周围组织对近红外光的吸收特性不同突显静脉分布信息，是一种主动成像方式。由于成像原理不同，远红外和近红外成像系统具有不同的特点。在此，我们从身份识别的角度，对这两种红外静脉成像技术从成像质量、抗干扰能力和系统成本三方面进行性能分析和对比。

（1）成像质量

近红外成像技术不仅能够很好地采集粗大的手背静脉血管，而且能够获取较细小静脉的分布，静脉与周围组织具有较高的对比度，有利于后续静脉识别算法的研究。远红外成像则仅能较好地采集手背静脉的粗大纹理，对细小的静脉信息则无能为力。

（2）抗干扰能力

远红外成像更容易受到外界环境如温度和湿度条件的影响。近红外成像与远红外成像相比，受外界环境影响较小，肤色的变化也基本不会影响近红外成像质量，例如对白皮肤的高加索人和褐色皮肤的印度人进行近红外手背静脉图像采集，均能清晰地获取静脉分布信息。

（3）成像系统成本

近红外成像系统为主动式照明，需要设计专用的近红外光源。近年来随着电子技术的快速发展，照明光源的造价越来越低，与相机相比，其造价可忽略不计。由于照明强度可以方便地根据相机灵敏度调整，因此近红外成像系统使用普通近红外相机即可。远红外成像利用人体发出的红外光实现静脉成像，为被动式照明，而人体静脉血管附近皮肤的温度变化仅为0.2℃的数量级，从而要求远红外成像系统中的红外热像仪具有较高的温度灵敏度，这种红外热像仪的造价往往很高，因此远红外成像系统的成本相对较高。

综上所述，虽然近红外和远红外成像技术都能够获取静脉血管分布信息，但是近红外成像更具有普适性和实用性，因此近红外成像技术是目前静脉识别系统中的主流图像获取手段。