羅小燕， 謝 云

(1.江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000; 2.江西省礦冶機(jī)電工程研究中心，江西 贛州 341000)

0 引 言

手背靜脈識(shí)別技術(shù)是一種新興的生物識(shí)別技術(shù)，具有安全性能高、穩(wěn)定性好以及非接觸式識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)[1]。手背靜脈識(shí)別實(shí)現(xiàn)的第一步即為采集靜脈圖像，采集工作需要在850 nm的光照環(huán)境下進(jìn)行，所采集靜脈圖像的品質(zhì)直接影響識(shí)別的準(zhǔn)確率。在實(shí)際應(yīng)用中，由于單個(gè)近紅外發(fā)光二極管(LED)的照度不均勻，LED排列不規(guī)范，布局不合理,導(dǎo)致LED光源光照不均勻,采集的靜脈圖像存在曝光度不均勻、特征信息顯示不充分等問(wèn)題，不僅增大了后期圖像處理的工作難度，還減少了所采集圖像中包含的靜脈特征，導(dǎo)致識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別效率及準(zhǔn)確率降低。針對(duì)上述問(wèn)題，需要對(duì)LED陣列進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)一種光照均勻度高的光源。

近年來(lái)，為提高適當(dāng)距離處光源的均勻照度場(chǎng)，光源的二次光學(xué)設(shè)計(jì)得到相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注，并取得不錯(cuò)的成就[2,3]。吳飛等人[4]建立光學(xué)模型，通過(guò)斯派羅法則>對(duì)LED的距離進(jìn)行優(yōu)化，確定最優(yōu)距離，構(gòu)建三角形光源陣列。王加文等人[5]構(gòu)建均勻度評(píng)價(jià)函數(shù)，采用模擬退火算法對(duì)圓形以及4×4和5×5的矩形LED陣列進(jìn)行優(yōu)化，分別得到97 %，96 %和95 %的光照均勻度。何果等人[6]采用果蠅優(yōu)化算法，分別對(duì)矩形和圓形LED陣列的三維坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)TracePro進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分別得到97.4 %和96.0 %的光照均勻度。Wang J等人[7]建立環(huán)形光源的照度計(jì)算模型，從理論模型出發(fā)，得到檢測(cè)平面與LED平面距離與照度均勻度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并求出最優(yōu)解，得到最佳均勻照度場(chǎng)。

本文建立光源照度模型，采用菌群算法針對(duì)LED陣列的坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行三維空間優(yōu)化,得到最佳位置參數(shù)，最后通過(guò)TracePro光學(xué)軟件進(jìn)行仿真,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將LED按優(yōu)化所得位置排列，獲取優(yōu)化光源后的手背靜脈圖像。

1 靜脈識(shí)別系統(tǒng)中存在的照明問(wèn)題

靜脈識(shí)別系統(tǒng)中，手背上光源分布的均勻性顯得尤為重要。系統(tǒng)中采用的由多個(gè)LED組成的近紅外光源在接收平面內(nèi)產(chǎn)生的照度不均勻。導(dǎo)致采集的靜脈圖像出現(xiàn)下列兩種缺陷：1)接收平面的豎直方向上光照不均勻，容易出現(xiàn)部分位置曝光過(guò)度，導(dǎo)致獲取的靜脈圖像出現(xiàn)靜脈顯示不清晰的情況。如圖1(a)所示，在豎直方向上，光照強(qiáng)度強(qiáng)的上半部分靜脈未能顯示。 2)在接收平面的橫向方向上光照效果不均勻，容易出現(xiàn)陰影。如圖1(b)所示靜脈圖像。在傳統(tǒng)LED光源陣列的照射下,由于接收平面右半部分較左邊部分光照弱，導(dǎo)致靜脈圖像右半邊出現(xiàn)陰影，該部分的靜脈未能展現(xiàn)，靜脈的整體特征未能體現(xiàn)。

圖1 不均勻光照下的靜脈圖像

后續(xù)的靜脈識(shí)別過(guò)程中，靜脈特征不能完全提取，容易出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤，導(dǎo)致識(shí)別率降低。嚴(yán)重降低靜脈識(shí)別系統(tǒng)的魯棒性。通過(guò)建立光照模型建模，并進(jìn)行優(yōu)化，獲取最佳三維坐標(biāo)參數(shù)。

2 模型建立

2.1 光學(xué)模型

針對(duì)單顆LED燈珠，將其近似為一個(gè)點(diǎn)光源，光線以燈珠芯片為中心，向四周均勻發(fā)散，理想的LED點(diǎn)光源的輻射照度滿足余弦函數(shù)[8]

E(r,θ)=E0(r)cosmθ

(1)

式中θ為光線與光軸之間的夾角；E(r,θ)為光軸輻照度；m為光源輻射模式，由半功率角θ1/2處的光強(qiáng)決定(該參數(shù)由生產(chǎn)工藝決定)。m值與半角θ1/2的關(guān)系可由下式確定

(2)

對(duì)單個(gè)LED燈珠進(jìn)行分析，將其放置于三維空間點(diǎn)A(X,Y,Z)處， 則在點(diǎn)B(x,y,z)處接收到由該LED燈珠產(chǎn)生的光強(qiáng)為

(3)

在三維空間中將n個(gè)LED燈珠進(jìn)行排列，燈珠的位置參數(shù)設(shè)定為(Xi,Yi,Zi)，考慮到由n個(gè)LED燈珠組成的光源是一種非相關(guān)光源，空間內(nèi)某一點(diǎn)的照度為各燈珠在改點(diǎn)照度的線性疊加[9]。則在點(diǎn)B(x,y,z)處由n個(gè)LED燈珠產(chǎn)生的總光強(qiáng)為

E(xi,yi,zi)=

(4)

將接收平面近似均勻地分為n份，則平面上每份的平均光照強(qiáng)度為

(5)

為衡量某一平面上光照均勻度，定義光源的照度均勻度μ，μ為光源接收平面上各點(diǎn)照度的平均值與最大值之比

(6)

構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)F對(duì)LED的位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，令

(7)

由式(7)可看出，評(píng)價(jià)函數(shù)的自變量為L(zhǎng)ED燈珠的位置參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化算法尋找某一特定坐標(biāo)，使評(píng)價(jià)函數(shù)取得最小值，使靜脈所接收的光照均勻度達(dá)到最高。針對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)的最小值尋找問(wèn)題，常采用全局優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)，如遺傳算法、果蠅算法、模擬退火算法等[10～13]。本文擬采用菌群算法對(duì)LED光源的三維坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 優(yōu)化算法模型

為實(shí)現(xiàn)LED陣列位置參數(shù)的三維優(yōu)化，本文采用菌群優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)LED位置參數(shù)尋優(yōu)過(guò)程中，通過(guò)模擬菌群的趨向機(jī)制、聚群機(jī)制、繁殖機(jī)制以及遷徙機(jī)制[14，15]，使代表LED的菌群在某一限制范圍內(nèi)不斷搜索，向最優(yōu)位置移動(dòng)。其中，將LED位置參數(shù)(xi,yi,zi)設(shè)定為菌群的具體位置，以評(píng)價(jià)函數(shù)F作為優(yōu)化指標(biāo)。

優(yōu)化過(guò)程中，第i個(gè)LED沿某個(gè)方向移動(dòng)一步所產(chǎn)生的解可以表示為

(8)

采用菌群算法對(duì)LED陣列位置參數(shù)優(yōu)化的具體步驟如下：

步驟1 初始化操作。將各LED燈珠看作單個(gè)細(xì)菌，據(jù)實(shí)際成像距離及面積確定其位置參數(shù)的上下限xmin，xmax，ymin，ymax，zmin，zmax。對(duì)LED的位置參數(shù)進(jìn)行初始化方法如下

xi(0)=R(xmax-xmin)+xmin

(9)

yi(0)=R(ymax-ymin)+ymin

(10)

zi(0)=R(zmax-zmin)+zmin

(11)

式中xi(0)，yi(0)，zi(0)為L(zhǎng)ED的三維初始坐標(biāo)，R為[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)，種群規(guī)模為s，i=1,2,…，s。

步驟2 趨向性操作。每個(gè)細(xì)菌進(jìn)行一次趨向性位移后，計(jì)算新位置的評(píng)價(jià)函數(shù)，并與上一個(gè)位置的評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行比較，若評(píng)價(jià)函數(shù)較上一位置小，則更新位置參數(shù)；反之，則位置參數(shù)保持不變，記錄新位置Ji(j,k,l)。

步驟3 繁殖操作。分別計(jì)算S個(gè)細(xì)菌在優(yōu)化過(guò)程中各位置的評(píng)價(jià)函數(shù)值總和評(píng)價(jià)函數(shù)總和越大，方差越大，則細(xì)菌健康度越低，反之則越高。根據(jù)健康度對(duì)細(xì)菌順序排列，淘汰后sr=s/2個(gè)相對(duì)不健康的細(xì)菌。

步驟4 遷徙操作。每個(gè)細(xì)菌i=1,2,…,s以一定概率遷徙到達(dá)新位置。

步驟5 根據(jù)方差值是否為最小以判定尋優(yōu)是否接受。若結(jié)束，則返回最優(yōu)解(xi,yi,zi)；反之，返回至步驟2繼續(xù)尋優(yōu)。

位置參數(shù)優(yōu)化流程如圖2所示，流程圖中Ned,Nre,Nc分別表示遷徙、繁殖和趨向性的執(zhí)行次數(shù)。

圖2 菌群算法優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

本文實(shí)驗(yàn)選用的LED芯片尺寸為5 mm×5 mm×0.1 mm,波長(zhǎng)為850 nm,每個(gè)芯片的軸線方向的光照強(qiáng)度為2 800 mcd,發(fā)光面出射光纖數(shù)為100 000條。據(jù)實(shí)際操作情況，在距離光源40 mm處放置一塊半徑為30 mm的接收板，模擬手背靜脈光源接收面。本實(shí)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)矩形和圓形LED陣列，對(duì)位置參數(shù)進(jìn)行三維優(yōu)化，并進(jìn)行Tracepro仿真和實(shí)驗(yàn)。

3.1 圓形LED陣列優(yōu)化結(jié)果

設(shè)計(jì)一組由8個(gè)LED芯片組成的圓形LED陣列，半徑設(shè)置為20 mm，初始LED芯片位置坐標(biāo)如表1所示。

表1 圓形三維LED陣列初始坐標(biāo)參數(shù)

圓形LED陣列的光照強(qiáng)度為

E(x,y,z)=

(12)

式中N=8為L(zhǎng)ED芯片個(gè)數(shù)，n為第n顆LED，圓形LED陣列的初始半徑設(shè)置為20 mm。

初始狀態(tài)下，通過(guò)Tracepro光學(xué)仿真軟件對(duì)光源照度進(jìn)行分析，得到圓形LED陣列在接收平面的照度分布如圖3所示 ，照度均勻度為75.6 %。

圖3 未經(jīng)優(yōu)化的圓形陣列照度分布

采用菌群算法對(duì)光源位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將光照強(qiáng)度式(5)代入評(píng)價(jià)函數(shù)，尋找評(píng)價(jià)函數(shù)的最小值，經(jīng)優(yōu)化后，得到LED陣列中各燈珠新的位置參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 圓形三維LED陣列優(yōu)化坐標(biāo)參數(shù)

采用光學(xué)軟件對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，經(jīng)三維優(yōu)化后的圓形LED陣列在接收平面內(nèi)的照度均勻度為88.58 %，相較于未優(yōu)化的LED陣列，照度均勻度提高了12.98 %，照度分布如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的圓形LED陣列照度分布

3.2 矩形LED陣列優(yōu)化結(jié)果

將9只LED按矩形排列，相鄰LED之間的二維距離相等，設(shè)定為20 mm，優(yōu)化過(guò)程對(duì)LED的的三維坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，矩形LED芯片初始位置坐標(biāo)如表3所示。其光照強(qiáng)度為

(13)

式中N=9，為L(zhǎng)ED芯片個(gè)數(shù)，n為第n顆LED。

表3 矩形三維LED初始坐標(biāo)參數(shù)

在初始狀態(tài)下，通過(guò)Tracepro光學(xué)仿真軟件對(duì)光源照度進(jìn)行分析，得到矩形LED陣列在接收平面的照度分布如圖5所示 ，照度均勻度為79.4 %。

圖5 未經(jīng)優(yōu)化的矩形LED陣列照度分布

采用菌群算法對(duì)光源位置參數(shù)進(jìn)行三維優(yōu)化，將光照強(qiáng)度式(5)代入評(píng)價(jià)函數(shù)，尋找評(píng)價(jià)函數(shù)的最小值，經(jīng)優(yōu)化后，得到LED陣列中各燈珠新的位置參數(shù)見(jiàn)表4所示。

采用光學(xué)軟件對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真測(cè)試,仿真結(jié)果如圖6所示，測(cè)試結(jié)果顯示，經(jīng)三維優(yōu)化后的矩形LED陣列在接收平面內(nèi)的照度均勻度為95.8 %，相較于未優(yōu)化的LED陣列，照度均勻度提高了16.4 %。

表4 矩形三維LED陣列優(yōu)化坐標(biāo)參數(shù)

圖6 優(yōu)化后的矩形陣列下靜脈成像

圖7(a)為在優(yōu)化光源下獲取的手背靜脈圖像，相較于未優(yōu)化光源下采集的靜脈圖像，圖像的陰影部分明顯減少，靜脈信息與干擾信息之間的區(qū)分度極大提高。圖7(b)為在優(yōu)化光源下獲取的手背靜脈圖像，相較于未優(yōu)化光源下采集的靜脈圖像，圖像曝光相對(duì)均勻，靜脈顯示較為清晰。

圖7 優(yōu)化后的靜脈成像

4 結(jié) 論

本文針對(duì)靜脈圖像采集系統(tǒng)中光源照度均勻度較差的問(wèn)題，分別以圓形LED陣列和矩形LED陣列為研究對(duì)象?；趩蝹€(gè)LED芯片，對(duì)LED光源進(jìn)行建模，結(jié)合菌群優(yōu)化算法，對(duì)兩種LED陣列進(jìn)行三維優(yōu)化，獲取照度均勻度最佳時(shí)的LED芯片三維坐標(biāo)參數(shù)。通過(guò)Tracepro光學(xué)仿真軟件對(duì)MATLAB的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：三維優(yōu)化后，圓形LED陣列的照度均勻度為88.58 %，較優(yōu)化前提高了12.98 %；矩形LED陣列照度均勻度為95.8 %，較優(yōu)化前提高了16.4 %。獲取的靜脈圖像品質(zhì)得到極大提高，有效改善優(yōu)化前靜脈圖像存在的曝光過(guò)度和陰影問(wèn)題。