利用全像场弱相干层析成像术对身份识别的方法及结构与流程

本发明属于全像场弱相干层析成像技术，特别是涉及一种利用全像场弱相干层析成像术对生理组织成像进行身份识别的方法

背景技术：

世界交流越来越频繁广泛，同时恐怖和犯罪活动也愈演愈烈，因而生物识别技术近年需求增长迅速，对快速准确的身份验证提出了更高要求。

由于传统指纹识别方法，容易以复制指纹而欺骗通过[IET Biometrics,pp.219–233(2014)]，以及手指表面弄脏、太湿或者磨损则失效[Handbook of Fingerprint Recognition,p.496(2009)]，安全性和鲁棒性受到质疑，受到各个国家安全和执法部门的驱动，面部识别、声纹识别、唇纹识别、虹膜结构和视网膜静脉识别等技术不断发展，但这些技术要么可靠性存在争议，要么使用及其不方便、体积庞大、成本太高。

Topping在专利(US5,751,835，1998)中讨论了内指纹用于生物识别的唯一性和不可复制性。在手指内部220-550μm的皮肤层，具有表面(外部)指纹相同的拓扑特征[The fingerprint sourcebook(2011)]。这些内部层，充当“主模板”导致外部指纹按照它的形状生长，因此，皮下指纹不受环境影响和磨损，难以仿制，用于身份识别更准确。另外，手指内部的汗腺[IEEE Trans.Pattern Anal.Mach.Intell.29(1),15–27(2007)]和微血管结构也和指纹有跟随形状[.Anat.204(2),123–131(2004)]。我们定义内指纹为皮下指纹，和对应层面的汗腺和毛细血管等组织结构，它具有终生不变性[The fingerprint sourcebook(2011)]，可以用于准确而高度鲁棒的生物身份识别。

当前的指纹识别技术中，光学、电容、热图、压感等指纹提取方式都无法获得内指纹。而超声方法因探测器尺寸过大、响应速度慢、处理系统庞大也无法应用。2006年美国休斯敦大学Larin KV[IEEE Photonics Technol.Lett.19(20),1634–1636(2007)]提出用扫频层析成像获得内指纹，但是传统层析成像技术对二维正面图像提取需要点对点扫描，并最终从三维指纹结构中重构(z方向必须首先成像)正面图像，数据量太高(1G以上)，提取速度过慢(10秒以上)。另外，内指甲床[Expert Syst.Appl.41,2,373-386(2014)]图像也难以仿制，可用于的高度安全生物特征识别。

本发明提出利用全像场弱相干层析成像术对内指纹、内指甲床或虹膜组织内部成像进行生物识别，系统具有非接触无损检测能力，可以无扫描一次性提取活体组织二维图像，克服了传统层析成像技扫描速度慢、数据量大的缺点；同时，利用系统参考镜面决定图像切片的位置，可以倾斜或者多幅图像结合使用，甚至可以兼容传统方法建立的指纹数据库、内指甲床数据库、虹膜数据库，又同时杜绝欺骗通过，安全性和鲁棒性大大提高。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供一种利用全像场弱相干层析成像术对生理组织成像进行身份识别方法及结构。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：一种利用全像场弱相干层析成像术对身份识别的方法，从全像场弱相干层析成像系统获得被识别个体具有唯一性的二维生理组织图像，并进一步依据二维生理组织图像内含有的结构和功能信息将其编码为决策编码；将决策编码与另外一个索引编码进行对比，确定二者的等价程度。

进一步，所述决策编码是二值化的，每个像素的信息用其中一个状态表示。

进一步，所述决策编码的基大于2，每个像素的信息用其中一个多于2的状态值表示。

进一步，所述决策编码用一维或者二维条码表示。

进一步，使用异或或互相关的方法比较决策编码与索引编码。

进一步，使用汉明距离表示决策编码与索引编码的等价程度，若决策编码与索引编码相同，则汉明距离为0，若决策编码与索引编码完全不同，则汉明距离为1。

进一步，利用滤波器提取二维生理组织图像内含有的结构和功能信息获得决策编码。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：一种利用全像场弱相干层析成像术对身份识别的结构，包括弱相干面照明光源、参考臂、第一样品臂、分束镜、面阵列探测器和计算系统，所述参考臂具有参考臂光程，其光程长度用于选择生理组织成像面的位置；生理组织在第一样品臂中，成像面在第一样品臂光程长度和参考臂光程等值的位置；

所述分束镜将来自弱相干面照明光源的光分为测量光和参考光，测量光通过第一样品臂被引导至待检查生理组织并将来自待检查对象的返回光引导至检测位置，参考光通过参考臂被引导至检测位置；面阵列探测器接收来自待检查生理组织返回的返回光，面阵探测器接收到的返回光信息被传送到计算系统。

进一步，该结构还包括用于采集外指纹的数字采集设备，该数字采集设备采集的数字图像用于将索引编码映射到内指纹所表征的当前被验证者的身份信息。

进一步，该结构还包括用于采集虹膜内组织结构和第二样品臂，所述第二样品臂采集的数字图像将唯一性编码映射到虹膜内组织所表征的当前被验证者的身份信息。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

本发明提出利用全像场弱相干层析成像术对内指纹、内指甲床或虹膜组织内部成像进行生物识别，系统具有非接触无损检测能力，可以无扫描一次性提取活体组织二维图像，克服了传统层析成像技扫描速度慢、数据量大的缺点；同时，利用系统参考镜面决定图像切片的位置，可以倾斜或者多幅图像结合使用，甚至可以兼容传统方法建立的指纹数据库、内指甲床数据库、虹膜数据库，又同时杜绝欺骗通过，安全性和鲁棒性大大提高。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对内指纹成像，用于生物识别的方框图；

图2为本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对内指纹成像，包含一个数字采集系统和传统识别数据库兼容的生物识别方法的方框图；

图3为本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对内指纹成像，同时全像场弱相干层析成像系统也采集外指纹，和传统识别数据库兼容的生物识别方法的方框图；

图4为本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对虹膜成像，用于生物识别的方框图；

图5为本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对虹膜成像，包含一个数字采集系统和传统识别数据库兼容的生物识别方法的方框图；

图6为本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对虹膜成像，同时全像场弱相干层析成像系统也采集传统虹膜图像，和传统识别数据库兼容的生物识别方法的方框图；

图7为本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对活体组织成像，其参考臂的各种可能组态；

图8为本发明一些实例中产生Gabor滤波器的过程；

图9为本发明一些实例中根据内指纹图像生成唯一决策编码的方框图；

图10为本发明一些实例中对唯一决策编码进行处理分析和判定的方框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明现在将参照附图，其中本发明的说明性实施例示出在下文中更充分地描述。本发明可能，但是，可以体现为许多不同的形式和为限于这里阐述的实施例不应被解释；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将充分地传达本发明的范围本领域技术人员的技术人员。相同的数字指代相同的元件。如本发明中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列的项目的任意组合和所有组合。

本发明所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并非意在限制本发明的。如本发明中所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解，术语“包括”，并在本说明书中使用时指定所陈述的特征，整数，步骤，操作，元件的存在/或“包含”，和/或部件，但不排除存在或附加一个或多个其它特征，整数，步骤，操作，元件，组件和/或它们的组。

除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有如普通技术人员通常的一个本发明所属的领域中所理解的相同的含义。将进一步理解，术语，例如那些在常用字典中定义的，应当被解释为具有含义与它们在相关领域的上下文中和本说明书中的含义一致，并且将不会在理想化或过度被解释正式的意义，除非在此明确定义。

如本发明所用，“时间不变式”指的是不在指定的时间周期变化的属性。例如，虹膜在正常健康个体中的结构。“慢慢时间变异体”是指针对其属性进行不止一次采集测量，但测量值之间可能会发生变化的性质。例如，血管中与糖尿病性视网膜病的患者的过程中。“时间变异体”指的是一个测量事件的过程中可测量改变性能。例如，眼动脉的搏动。“结构信息”是指从在组织散射和吸收的组合所产生的形态信息，不受测试条件影响(例如，光谱或相位信息)。“功能信息”是指所产生的样品的生理或代谢状态的信息，例如，波长依赖性的吸收或散射(分光)，双折射(偏振灵敏度)，或相或流量信息(例如多普勒)。

“正面图像”指的是平行或倾斜于组织表面的平面内被成像。应当进一步理解的是，如本发明所用的，从频率转换为时间的变换，对光学信息而言等效于频率和空间之间的变换。

如由本领域的技术人员理解的，生物特征识别系统通常使用可与高灵敏度和特异性来测定一个独特的个人属性。以获得最好的结果，该属性应该是不能被容易地修改或伪造，但通过非侵入性的装置迅速并容易地测量的属性。为了增强单次测量的有效性，或者为了和传统的识别系统兼容，有时采取第二次(或第二通道)测量。例如，主要属性可以是一个人从全像场层析成像系统获得的内指纹，次要属性可以是传统外指纹的图像。辅助属性的图像可以是模拟的，但本发明结合主要属性图像可以与传统数据库系统兼容，在没有主属性数据库的情况下，首先测量辅助属性数据库是否通过识别，如果被接受了，则从主属性判断是生物活体的可能，如果得到确认，则将传统数据的身份信息与主属性数据关联，自动建立了新的主属性数据库。

用于身份识别的活体组织图像可以是平行于样品面，也可以斜插使得成像面在不同深度。

本发明提供一种利用全像场弱相干层析成像术对身份识别的方法，从全像场弱相干层析成像系统获得被识别个体具有唯一性的二维生理组织图像，并进一步依据二维生理组织图像内含有的结构和功能信息将其编码为决策编码；将决策编码与另外一个索引编码进行对比，确定二者的等价程度。

在本发明中，生理组织成像可以针对：内指纹、内指甲床和虹膜；决策编码利用滤波器提取二维生理组织图像内含有的结构和功能信息获得；决策编码是二值化的，每个像素的信息用其中一个状态表示；决策编码的基大于2，每个像素的信息用其中一个多于2的状态值表示；决策编码用一维或者二维条码表示，该判决编码用一维或者二维条码表示，可以被通用意义的商业条码设备读取。

在本发明中，比较决策编码和索引编码使用互相关或者其他有关互相关的方法或比较决策编码和索引编码使用异或的方法。

在本发明中，滤波器至少包括一种Gabor小波滤波器，一种复指数滤波器，包含了频率域组件以及高斯窗口组件，含有至少幅值、空间频率以及高斯窗口标准方差这三个独立的自由度。

参见图8本发明一些实例中产生Gabor滤波器的过程。一些本发明使用Gabor小波作为滤波函数。本实施例使用Gabor小波分析活体组织(包括内指纹和内虹膜)图像的局部空域和频域特征。一维Gabor滤波器包含一个复指数高斯窗口800：

这里f(A，u，x，σ_x)是滤波函数。A是函数的幅值，i是虚变量，u是空间频率，x是空间变量，x₀是定义高斯包络中心在空域的偏置量，σ²是高斯包络宽度的标准方差。实部和虚部801是高斯函数的正弦窗口。

二维复指数滤波器会变成：

二维复指数滤波器的实部和虚部802是高斯函数的二维度正弦窗口。

如果x的范围是-2到+2mm，y的范围是0 to 2mm，那么应设x＝0，y＝1mm使得Gabor小波在图像窗口剧中。如果沿着x方向图像中组织的频率是0.01 to 0.05，沿着y方向组织的频率是0.2 to 0.3，那么u应该取值0.005 to 0.1，v应该取值0.1 to 0.4而覆盖可能的频率成分。另外和不要小于图像在x和y方向的尺度，这称为Gabor滤波器的尺度。

参见图9本发明一些实例中根据内指纹图像生成唯一决策编码的方框图。经过预处理用于识别的图像900，经过尺度归一化的二维Gabor小波901的变换(在空域互相关，或者在傅立叶频域将图像和Gabor小波的谱函数做乘积)，滤波以后的含有实部和虚部的图像比表示为：

h＝h_re+i·h_im (3)

其中h_re和h_im分别为实部和虚部，该值将被映射到四象限空间902。利用不同尺度的小波904，重复上述过程形成唯一决策编码905来代表图像信息内容。

参见图10本发明一些实例中对唯一决策编码进行处理分析和判定的方框图。二维决策编码905被整形为一维阵列100，对比数据库中的索引编码101，可以用汉明距离(Hamming distance)102来判断接受度，定义为：

这里A和B是一维二进制图101和102，是异或运算。如果决策编码100和对比索引编码101相同，汉明距离为0，如果二者完全不同，返回值为1。根据该值可以设定阈值接受或者拒绝。对于汉明距离介于0和1之间的决策编码，根据所设定的可信度判据来决定二者是否等价，大于该可信度(例如0.97)，即认为等价。

等价的，该判决过程也可使用互相关方法，相关函数103峰值的高度可以用来判定接受度。

另外本发明还提供一种利用全像场弱相干层析成像术对身份识别的结构，包括弱相干面照明光源、参考臂、第一样品臂、分束镜、面阵列探测器和计算系统，所述参考臂具有参考臂光程，其光程长度用于选择生理组织成像面的位置；生理组织在第一样品臂中，成像面在第一样品臂光程长度和参考臂光程等值的位置；

所述分束镜将来自弱相干面照明光源的光分为测量光和参考光，测量光通过第一样品臂被引导至待检查生理组织并将来自待检查对象的返回光引导至检测位置，参考光通过参考臂被引导至检测位置；面阵列探测器接收来自待检查生理组织返回的返回光，面阵探测器接收到的返回光信息被传送到计算系统。

参见图1，本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对内指纹成像，用于身份识别的方框图。如图1，基于全像场弱相干层析成像内指纹识别系统包括一个弱相干光源10，一个分束镜11，一个参考臂12，一个第一样品臂13，一个计算系统14，一个面阵列探测器15和手指样品160。其中弱相干光源10可以是LED、超辐射激光管(SLD)、卤钨灯等光谱较宽的面光源，中心波长可能在近红外，或把这些光源用耦合进入光纤束来照明系统；面阵列探测器15可以是二维CCD、InGaAs、CMOS或者光电二极管阵列。计算系统10用于处理与分析内指纹图像，包括对二维图像预处理、编码以及和数据库对比等，内指纹图像可以单独是层析成像系统获得的外指纹、皮下指纹模板、汗腺结构或者毛细血管结构，或者是它们的组合。

参见图2，本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对内指纹成像，包含一个数字采集系统采集外指纹，和传统识别数据库兼容的生物识别方法的方框图。对应的，弱相干光源10，分束镜11，参考臂12，第一样品臂13，计算系统14，面阵列探测器15和手指样品160与以上图1有关的讨论类似。但这里如图2所示，系统包含一个数字采集设备30。数字采集设备30可以是高速视频相机或者高分辨静态相机。当系统采集内指纹的同时，数字采集设备30可以用于采集外指纹161，数字采集图像可以用于传统指纹识别数据库中，将唯一性编码映射到内指纹所表征的当前被验证者的身份信息。

参见图3，本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对内指纹成像，同时全像场弱相干层析成像系统也采集外指纹，和传统识别数据库兼容的生物识别方法的方框图。对应的，弱相干光源10，分束镜11，参考臂12，计算系统14，面阵列探测器15和手指样品160与以上图1有关的讨论类似。但这里如图2所示，系统包含两个样品臂，第一样品臂13和第二样品臂40。当系统采集内指纹的同时，第二样品臂40可以用于采集外指纹161，该图像可以用于传统指纹识别数据库中，将唯一性编码映射到内指纹所表征的当前被验证者的身份信息。

参见图7，本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对活体组织成像，其参考臂的各种可能组态。如图7所示，121-124原件外框表示有效的可用于唯一标识身份的活体组织范围，长度方向代表深度。其中，121表示全像场弱相干层析成像系统的参考臂12组态是提取平行于样品表面的固定位置图像，它可以是样品表面，也可以是任意深度的活体组织结构；122表示可调节的参考臂组态，它可以在指定的范围内移动，获得任意深度位置的层析图像；123表示静态的两个参考臂组态，固定取得间隔开的两个位置的平行于表面的层析图像；124表示静态的取得与样品表面既不平行也不垂直的倾斜平面的层析图像；以上121-124等组态还可以相互组合提取多幅图像用于识别。

参见图4本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对虹膜成像，用于生物识别的方框图。如图，对应的，弱相干光源10，分束镜11，参考臂12，第一样品臂13，计算系统14，面阵列探测器15上图1有关的讨论类似。但这里如图4所示，它用于测量虹膜600内组织图像。

参见图5本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对虹膜成像，包含一个数字采集系统采集传统虹膜，和传统识别数据库兼容的生物识别方法的方框图。对应的，弱相干光源10，分束镜11，参考臂12，第一样品臂13，计算系统14，面阵列探测器15和数字采集设备30与以上图2有关的讨论类似。但这里如图5所示，它用于测量虹膜600内组织图像。当系统采集虹膜内组织结构的同时，数字采集设备30可以用于传统虹膜图像601，数字采集图像可以用于传统虹膜识别数据库中，将唯一性编码映射到虹膜内组织所表征的当前被验证者的身份信息。

参见图6本发明一些实例中利用全像场弱相干层析成像术对虹膜成像，同时全像场弱相干层析成像系统也采集传统虹膜图像，和传统识别数据库兼容的生物识别方法的方框图。如图所示，对应的，弱相干光源10，分束镜11，参考臂12，计算系统14，面阵列探测器15和第一样品臂13和第二样品臂40与以上图3有关的讨论类似。但这里如图6所示，它用于测量虹膜600内组织图像。当系统采集虹膜内组织结构的同时，样品臂40可以用于传统虹膜图像601，数字采集图像可以用于传统虹膜识别数据库中，将唯一性编码映射到虹膜内组织所表征的当前被验证者的身份信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。