彭曉光 王彪 唐超穎 蘇菡 陳曉騰

摘 要：提出了一種針對(duì)近紅外圖像的手臂靜脈提取算法。首先利用限制對(duì)比度自適應(yīng)直方圖均衡化（CLAHE）對(duì)近紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，增強(qiáng)對(duì)比度。然后利用Gabor濾波器對(duì)增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行濾波，由Gabor濾波后的方向圖和能量圖獲得手臂靜脈位置。接著，對(duì)能量圖進(jìn)行高低帽變換，然后將整幅圖像進(jìn)行二值化，采用開閉運(yùn)算處理二值化圖像，利用形態(tài)學(xué)骨架提取的方法提取手臂靜脈線，最后對(duì)骨架化后的圖像進(jìn)行毛刺修剪，得到比較完整有效的靜脈線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的算法可以有效地保證靜脈線的連續(xù)性和完整性，有效地提高手臂靜脈的匹配率。

關(guān)鍵詞：靜脈提取;圖像增強(qiáng);Gabor濾波;靜脈匹配;

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引 言

隨著計(jì)算機(jī)視覺的快速發(fā)展，生物特征識(shí)別的應(yīng)用也越來越廣泛，生物特征識(shí)別技術(shù)是利用人體固有的生理特征和行為特征進(jìn)行身份識(shí)別。由于傳統(tǒng)身份識(shí)別技術(shù)不可靠、不安全等缺點(diǎn)，生物特征識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外較為熱門的研究方向。靜脈識(shí)別是通過近紅外相機(jī)獲得對(duì)應(yīng)靜脈部位近紅外圖像，利用靜脈的結(jié)構(gòu)特征完成對(duì)人的身份鑒別認(rèn)證。與其他生物特征識(shí)別相比，靜脈屬于人體皮下組織的固有特征，基本不會(huì)發(fā)生改變，并且必須在活體下進(jìn)行采集，具有難以偽造等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越受到研究人員的重視。

靜脈識(shí)別首先要從近紅外圖像中獲得較為完整的靜脈結(jié)構(gòu)，然后提取靜脈完成身份識(shí)別，因此，從近紅外圖像中獲得較為完好的靜脈線結(jié)構(gòu)成為至關(guān)重要的工作，靜脈提取算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到匹配識(shí)別效果的好壞，甚至對(duì)整個(gè)靜脈識(shí)別系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。近年來對(duì)手部靜脈提取與識(shí)別算法的研究越來越多。文獻(xiàn)[1]構(gòu)造兩個(gè)代價(jià)函數(shù)：一個(gè)是基于靜脈測(cè)度和強(qiáng)度信息的頻率，另一個(gè)是基于區(qū)域信息，針對(duì)兩個(gè)不同的代價(jià)函數(shù)，利用最小代價(jià)路徑的方法提取靜脈線，運(yùn)用在冠狀動(dòng)脈造影圖像（ CTAT）;文獻(xiàn)[2]提出了一種基于梯度的靜脈模式分割算法，最終得到的是二值化模式的手背靜脈;文獻(xiàn)[3]使用基于局部曲率閾值的方法提取手背靜脈，利用形態(tài)學(xué)骨架化的提取靜脈線;文獻(xiàn)[4]首先使用CLAHE增強(qiáng)手背靜脈近紅外圖像對(duì)比度，然后利用形態(tài)學(xué)骨架化的方法提取手背靜脈;文獻(xiàn)[5]同樣采用CLAHE增強(qiáng)手背靜脈圖像，接著使用PDSVP（Palm Dorsa Subcutane-ous Vein Pattern）和形態(tài)學(xué)處理提取手背靜脈;文獻(xiàn)[6]采用對(duì)比度自適應(yīng)直方圖均衡化（CLAHE）對(duì)手背靜脈圖像增強(qiáng)后二值化，然后利用局部靜態(tài)閾值與Niblcak相結(jié)合的方法提取手背靜脈;文獻(xiàn)[7]結(jié)合手指靜脈紋路特征設(shè)計(jì)方向圖和方向?yàn)V波器進(jìn)行圖像增強(qiáng)，然后對(duì)增強(qiáng)后的圖像提取手指靜脈紋路;文獻(xiàn)[8]利用靜脈灰度圖像靜脈所在位置灰度值與其紋路垂直方向上的灰度值成谷形的特征提取手指靜脈線。

目前大部分對(duì)靜脈識(shí)別的研究都是基于手指、手掌和手背區(qū)域，這些區(qū)域的皮膚薄，靜脈距離皮膚較近，相對(duì)比較容易提取，但是靜脈數(shù)量相對(duì)較少。本文的研究對(duì)象是手臂部位的靜脈特征，相對(duì)手指、手背和手掌區(qū)域，皮膚較厚，脂肪較多，提取相對(duì)較為困難，但是手臂部位具有更加豐富的靜脈信息，手臂靜脈的匹配更具有魯棒性。本文首先使用CLAHE方法對(duì)手臂近紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，然后使用Gabor進(jìn)行濾波，利用濾波后的方向圖和能量圖獲得靜脈結(jié)構(gòu)，使用OTSU方法對(duì)靜脈結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行二值化，最后采用形態(tài)學(xué)的處理方法，獲得較為完整的靜脈線。

1 手臂靜脈提取

1.1 手臂近紅外靜脈圖像預(yù)處理

本文采用的是新加坡南洋理工大學(xué)的近紅外手臂圖像數(shù)據(jù)庫，采用JAI-AD080CL相機(jī)拍攝，包含來自不同國(guó)家、不同人種的樣本，原始數(shù)據(jù)庫的手臂近紅外如圖1所示，圖中a和b膚色有一定差異，拍照時(shí)光照強(qiáng)度也有差別。靜脈隱藏于皮膚下層，從圖1中可以看出，靜脈線與皮膚的對(duì)比度不高，直接提取靜脈紋理，通過二值化的方法提取靜脈線，將會(huì)導(dǎo)致一部分靜脈信息的丟失，也有可能將背景信息誤識(shí)為靜脈結(jié)構(gòu)，這對(duì)后續(xù)的特征提取和識(shí)別造成巨大的影響，因此需要首先對(duì)靜脈圖像進(jìn)行增強(qiáng)預(yù)處理。

圖像增強(qiáng)一般分為空間域和頻域增強(qiáng)，空域增強(qiáng)方法中直方圖均衡（HE）是實(shí)用有效的工具，HE以概率論為基礎(chǔ)，通過每一點(diǎn)灰度值概率的運(yùn)算，把目標(biāo)圖像中直方圖比較集中的分布改變?yōu)榫鶆蛑狈綀D分布，同時(shí)使輸出的圖像像素灰度的概率密度均勻分布。直方圖均衡分為全局法和自適應(yīng)法（ Adaptive HE，AHE），全局法在實(shí)際應(yīng)用中效果不佳。文獻(xiàn)[9]中提出了對(duì)比度受限的局部直方圖均衡法（Contrast-Limited Adaptive HE，CLA-HE），結(jié)合自適應(yīng)直方圖和對(duì)比度受限兩種方法，從整幅圖像的視覺效果出發(fā)，改善圖片質(zhì)量。這種方法考慮窗口內(nèi)像素直方圖，使圖像增強(qiáng)效果適應(yīng)性更好，其表達(dá)式為：

（1）對(duì)圖像中任一點(diǎn)，根據(jù)窗口大小W確定窗口區(qū)域，使用式（1）計(jì)算窗口的直方圖。

（2）對(duì)上述窗口內(nèi)的直方圖進(jìn)行均衡化，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口中心像素的處理。

（3）移動(dòng)窗口到下一個(gè)相鄰像素，重復(fù)上述過程，直至遍歷整幅圖像。

如圖2（a）所示，（從圖1經(jīng)過手臂掩膜處理，主要針對(duì)前臂所在區(qū)域進(jìn)行處理，本文之后圖像均對(duì)主要的手臂區(qū)域進(jìn)行處理）原始手臂近紅外圖像中靜脈雖然已經(jīng)顯現(xiàn)出來了，但與皮膚對(duì)比度并不強(qiáng)烈。經(jīng)過自適應(yīng)直方圖均衡化處理，處理結(jié)果如圖2（b）所示，靜脈與手臂皮膚已經(jīng)呈現(xiàn)明顯的差異，有利于下一步的靜脈提取。

1.2 Gabor濾波和增強(qiáng)

Gabor變換與人類視覺系統(tǒng)中的視覺刺激響應(yīng)非常相似，它在提取目標(biāo)的局部空間和頻率域信息方面具有良好的特性，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)圖像處理，比如指紋、人臉、虹膜等，均得到比較理想的結(jié)果[10]。本文利用Gabor濾波器提取預(yù)處理圖像中的靜脈信息，由于預(yù)處理近紅外圖像中的靜脈為較為深色的線條，故采用含有16個(gè)不同方向和尺度的Gabor濾波器的實(shí)部進(jìn)行處理[11]。下式為Gabor濾波器的空域數(shù)學(xué)表達(dá)式：

1.3 靜脈線提取

高帽（ top-hat）變換是原始圖像與圖像的開運(yùn)算的結(jié)果之差，低帽（ bottom-hat）變換是圖像的閉運(yùn)算結(jié)果與原始圖像之差，高低帽變換的定義[13]為：

高低帽變換重要用途是校正不均勻光照對(duì)圖像的影響，高帽變換適用于暗背景中的亮物體，而低帽變換則適用于相反的情況。因此高低帽變換可以用于對(duì)Gabor濾波增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行處理，高帽變換具有高通濾波特性，強(qiáng)調(diào)靜脈圖像的灰度峰值，增強(qiáng)圖像中的靜脈血管部分;而低帽變換可以求出圖像的灰度谷值，突出靜脈相互連接的目標(biāo)間的界限，所以高低帽變換結(jié)合使用，可以使圖像前景和背景進(jìn)一步拉伸，盡可能突顯出靜脈的所有部分，最后達(dá)到靜脈增強(qiáng)的作用。Gabor濾波增強(qiáng)后的靜脈加上高帽變換的結(jié)果，再減去低帽變換的結(jié)果，可以有效提高圖像的對(duì)比度，如式（9）所示。

整個(gè)處理過程及結(jié)果如圖4所示，對(duì)Gabor濾波增強(qiáng)后的靜脈圖像（a）進(jìn)行高帽變換（b）和低帽變換（b），高帽變換使主要的靜脈血管亮度增加，次要的靜脈血管變暗，通過原圖加上高帽變換結(jié)果圖，再減去低帽變換結(jié)果圖，最終的處理結(jié)果（d）明顯可以看出整體的靜脈血管部分變亮，既突出了重要血管，又去除了大部分噪聲。

使用Otsu方法[14]對(duì)上述結(jié)果圖進(jìn)行二值化處理。由于得到的靜脈脈絡(luò)上有小的空洞，所以對(duì)二值圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算處理，可以平滑輪廓，有利于后續(xù)的形態(tài)學(xué)骨架提取，而且可以融合狹窄間斷和細(xì)長(zhǎng)溝壑，并消除小的空洞。接著，對(duì)閉運(yùn)算后的圖像進(jìn)行開運(yùn)算，消除圖像中小的孤島和尖刺。

為了提取靜脈線特征，采用形態(tài)學(xué)的骨架提取獲得單像素靜脈線。集合A的骨架[14]可以用腐蝕和開運(yùn)算操作來表達(dá)，即骨架可以表示為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 靜脈提取算法對(duì)比

首先將本文算法與直接利用Otsu算法進(jìn)行靜脈提取的結(jié)果進(jìn)行比較。圖5（a）是一幅近紅外手臂圖像，圖5（b）為經(jīng)過CLAHE處理后的圖像。圖5（c）是使用傳統(tǒng)的Otsu算法進(jìn)行提取的結(jié)果。可見，簡(jiǎn)單的閾值方法只能把手臂區(qū)域分割出來，基本上無法分出靜脈區(qū)域，無法進(jìn)行后續(xù)的靜脈提取。

將本文算法與另外三種常用的靜脈提取算法進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示，第一行四幅手臂近紅外圖像，第二行為采用局部自適應(yīng)閾值法對(duì)原始的NIR手臂圖像進(jìn)行處理，然后提取的靜脈線，雖然提取出了較為完整的靜脈線，但是引入了過多的噪聲和毛刺，這對(duì)后續(xù)的匹配識(shí)別都有較大的不良影響。第三行為采用局部梯度極值法提取的靜脈線，只提取出了主要的靜脈線，漏掉了許多重要的靜脈信息，另外靜脈的連續(xù)性較差。第四行為采用Ni-black算法對(duì)處理后的圖像進(jìn)行分割，靜脈的連續(xù)性也比較差，毛刺也比較多，但總體比前兩種效果要好。最后一行為本文提出算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與前邊三組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以明顯看出，提起出的靜脈線明顯比較連續(xù)。由于經(jīng)過形態(tài)學(xué)的處理，融合了二值圖像上一些細(xì)長(zhǎng)的溝壑，平滑了輪廓，消除了一部分靜脈線上的空洞，在骨架提取時(shí)這些毛刺也相對(duì)較少。

2.2 靜脈線修復(fù)

雖然經(jīng)過本文提取算法已經(jīng)提取出較為完整的靜脈線，但是仍然存在少量的毛刺，這對(duì)后續(xù)的匹配會(huì)產(chǎn)生不良的影響，因此需要?jiǎng)h除靜脈線狀圖中的毛刺[15]。二值靜脈線的端點(diǎn)定義為某點(diǎn)8鄰域像素值的和為1的點(diǎn)，分叉點(diǎn)定義為某點(diǎn)8鄰域像素值的和大于或者等于3的點(diǎn)，端點(diǎn)到端點(diǎn)或者分叉點(diǎn)的線長(zhǎng)度小于閾值T時(shí)，這段曲線定義為毛刺，需要對(duì)這些毛刺進(jìn)行修剪。如圖7（b）所示，黑色圓圈標(biāo)記的為端點(diǎn)，紅色圓圈標(biāo)記的分叉點(diǎn)。本文經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，把毛刺閾值T設(shè)為15個(gè)像素，可以達(dá)到較好的效果，既刪除了多余的毛刺，又保留了重要的靜脈線部分。經(jīng)過毛刺修剪后的靜脈圖像如圖7（c）所示，與圖7（a）相比可以明顯看出，靜脈線上的許多毛刺已經(jīng)被刪除，這對(duì)后續(xù)的特征提取非常有利。

2.3 匹配實(shí)驗(yàn)

針對(duì)100人的手臂近紅外圖像數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了提取和匹配實(shí)驗(yàn)，測(cè)試人員包括女性8人，男性92人，年齡范圍為15 - 70周歲，來自8個(gè)不同的國(guó)家，每一個(gè)人采集兩次圖像，兩次拍攝的光照與拍攝角度均有變化，平均時(shí)間間隔為兩周，圖像采集距離約為2米，圖像尺寸為1024* 768。匹配實(shí)驗(yàn)中把第一周期采集的100幅手臂近紅外圖像作為參考數(shù)據(jù)庫，把第二周期采集的圖像作為待匹配圖像。采用文獻(xiàn)[16]的匹配算法，分別對(duì)自適應(yīng)閾值、局部梯度閾值和本文算法提取的手臂靜脈圖像進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)，最終的匹配結(jié)果如圖8所示，紅色曲線為本文提取算法的識(shí)別率，可以明顯看出，優(yōu)于其他兩種算法。

結(jié)束語

針對(duì)手臂靜脈這一較為新穎的生物特征，采用CLAHE對(duì)手臂近紅外圖像進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)行Gabor濾波和增強(qiáng)，然后使用一系列形態(tài)的高低帽變換、開閉運(yùn)算和骨架提取操作，提取手臂靜脈曲線。運(yùn)用本文算法進(jìn)行了靜脈的提取，通過匹配實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，獲得了比其他提取方法相對(duì)較高的識(shí)別率，證明本文提出算法的有效性。

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