掌纹掌脉融合识别技术的基本原理

掌纹识别是一项具有较强市场前景的新兴生物特征识别技术。掌纹中含有丰富的特征，如主线、皱褶、脊线和细节点等。在高分辨率（≥400 dpi）掌纹图像中可以提取到上述的全部特征，如图2.1（a）所示；而在低分辨率（≤100 dpi）掌纹图像中，只能提取到主线和皱褶特征，如图2.1（b）所示。高分辨率掌纹识别技术主要应用在刑事侦查等领域。由于高分辨率掌纹图像的获取比较困难且图像尺寸大等原因，相关研究并没有被广泛开展。而低分辨率掌纹识别技术具有图像获取容易、处理速度快且识别精度高等优点，适合一般的民用和商用，是目前学术界研究的重点。

图2.1　掌纹特征

从图像获取的方式来分，掌纹识别技术可分成接触式和非接触式两种。接触式掌纹识别是指在进行掌纹图像采集时，手掌必须与采集仪进行接触并按一定要求放置在采集仪上，这样做的好处是手掌位置固定且背景单一，使得后继的手掌分割以及感兴趣区域（region of interest，ROD切取都相对简单。接触式采集的掌纹图像一般只发生非常小的尺度和仿射变化，这对于提高识别精度是非常有利的。但是，接触式采集可能会造成细菌传播，从而引起用户对公共健康方面的忧虑，因此，非接触式掌纹识别技术已成为发展趋势。但在非接触式掌纹的采集中，图像的背景可能会比较复杂。手掌图像会发生尺度、旋转、仿射、光照以及姿态变化，给后继的识别增加难度。

表2.1列出了掌纹识别和人脸识别、指纹识别以及虹膜识别等技术的比较。可见掌纹识别具有识别精度和用户接受程度高以及硬件成本低等特点，在很多场合能够代替其他三种识别技术。由于可进行非接触式采集，掌纹识别技术具有比指纹识别技术更高的用户接受度。掌纹识别技术还有一个独特的优势，即它非常容易和手形、指节纹以及手掌静脉识别技术组成一个精度更高、抗“伪造攻击”能力更强的多模态生物特征识别系统。

表2.1　各种生物识别技术比较

掌纹识别技术的发展历程如图2.2所示。

图2.2　掌纹识别技术发展历史(www.xing528.com)

（1）早期的掌纹识别技术是脱机的，即将抹上油墨的手掌按在白纸上，然后用扫描仪等设备获取掌纹数字图像，再对提取的掌纹主线和皱褶特征进行识别。束（W.Shu）和张（D.Zhang）等人于1998年发表了首篇关于脱机掌纹识别的论文。但在应用中，脱机掌纹识别存在很多缺点。其一，它不是实时的；其二，脱机掌纹图像中的ROI难以被有效定位；其三，脱机掌纹图像质量不高，特征提取比较困难。

（2）2002年以后，国际上的相关研究逐渐转移到在线掌纹识别上。在线掌纹识别与脱机识别的最大区别就是使用数码设备直接获取高质量的掌纹图像，并能实时处理。在线掌纹识别研究的前期，掌纹图像的采集是接触式的。香港理工大学、香港科技大学和中国科学院自动化研究所分别发布了接触式采集的掌纹图像数据库，有力地推动了在线掌纹识别技术的快速发展。在这期间，接触式掌纹识别技术的研究取得了丰硕的成果，在掌纹图像预处理、特征提取和匹配等方面，研究者们提出了大量各具特色的算法。直到现在，相关研究仍然非常活跃。接触式掌纹识别在技术上已经成熟，并显现出非常好的识别性能，具备了大规模产业化的条件。接触式掌纹图像采集设备如图2.3（a）所示，数码扫描仪和简易的接触式采集设备主要采集用于研究的掌纹图像。图2.4（a）的掌纹图像就是使用简易设备采集的。专业的采集设备则可作为产品提供给各类用户。图2.3（a）中展示的专业接触式采集设备是由香港理工大学研制的，图2.4（e）是由该设备采集到的掌纹图像。

（3）随着各种类型图像传感器的大规模应用，基于易用性和公共健康的考虑，研究者逐渐意识到非接触式掌纹识别的重要性。2006年前后，开始出现非接触式掌纹识别的相关论文。与接触式相比，非接触式掌纹识别技术需要对图像中的手掌进行检测和分割，并需要解决人手的姿态变化对识别所造成的不利影响等问题。接触式掌纹图像采集设备有两种类型，如图2.3（b）所示。一种是不能任意移动的专业采集设备，有单独的光源，采集的图像质量较高且背景设置单一，使得手掌的检测和分割也相对容易。基于此种采集设备的非接触式掌纹识别技术也能获得比较高的识别精度。另一种是移动设备，如智能手机和平板电脑上的摄像头等。使用这种设备拍摄掌纹图像非常方便，但是背景可能比较复杂而且光照条件也不稳定，图2.4（b）就是由手机非接触式拍摄的手掌图像。基于移动设备的非接触式掌纹识别技术的研究尚处于起步阶段，还存在许多理论和技术问题，有待进一步深入研究。的图像质量较高且背景设置单一，使得手掌的检测和分割也相对容易。基于此种采集设备的非接触式掌纹识别技术也能获得比较高的识别精度。另一种是移动设备，如智能手机和平板电脑上的摄像头等。使用这种设备拍摄掌纹图像非常方便，但是背景可能比较复杂而且光照条件也不稳定，图2.4（b）就是由手机非接触式拍摄的手掌图像。基于移动设备的非接触式掌纹识别技术的研究尚处于起步阶段，还存在许多理论和技术问题，有待进一步深入研究。

图2.3　掌纹采集设备

图2.4　采集到的掌纹图像

（4）三维（3D）技术已成功地应用在人脸和人耳识别上。事实上，手掌也含有一定的3D信息。2008年后，一部分研究者提出了基于3D和二维（2D）掌纹信息融合的识别技术，取得了较好的识别效果。图2.3（c）展示了3D掌纹采集设备，其中的接触式专业采集设备是由香港理工大学研制的，图2.4（c）的3D掌纹图像就是由这个设备采集的。此外，3D掌纹数据还可由3D激光扫描仪非接触式采集获得，如图2.4（d）所示。

（5）在一些特殊的应用中，需要对高分辨率掌纹进行识别。例如，在作案现场，犯罪嫌疑人常留下掌纹痕迹，这种痕迹被提取后就成为高分辨率掌纹图像，因此，公安部门对于高分辨率掌纹识别技术有迫切的需求。该方面的研究始于2009年。目前高分辨率掌纹图像的获取方式有两种，一种是脱机油墨采集方式，另一种是用专门制作的设备进行接触式采集的方式。图2.3（d）是一个高分辨率掌纹图像采集设备。实际上它是一个特殊的数码扫描仪，为了采集掌纹图像，在光源、抗污染和硬件等方面进行了更为细致的设计，采集的掌纹图像如图2.4（e）所示。从识别方法上看，高分辨率掌纹识别技术更接近指纹识别技术，主要对细节点进行识别，这也是它和低分辨率掌纹识别技术以及早期的脱机掌纹识别技术最显著的区别。