CN101380225B

CN101380225B - 一种采集近红外光照射下血管图像的方法和装置

Info

Publication number: CN101380225B
Application number: CN2007101213217A
Authority: CN
Inventors: 戴阳刚; 黄贝宁; 李文新; 许卓群
Original assignee: Peking University
Current assignee: Harvest Technology (beijing) Co Ltd
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2027-09-04
Also published as: CN101380225A

Abstract

本发明提供了一种采集近红外光照射下血管图像的方法和装置，采用多个红外光光源组成发光阵列，每一个光源发出一束平行红外光，分别照明待采集部位的不同部分，利用计算机程序分析当前图像的明暗自动调整各光源光强，采集光源光强改变后的血管图像，多次重复直至采集到的图像符合要求，从而解决了图像各部分分辨率差异较大的问题，而且成像稳定，不受外界环境光的干扰。本发明具有良好的市场前景，运用到基于血管图像的生物特征识别装置，可以有效地提高识别速度、识别率和降低误识率；运用到医学检查中则可以获取高质量的图像，提高分辨率，减少检查时的失误。

Description

一种采集近红外光照射下血管图像的方法和装置

技术领域

本发明属于生物特征识别和红外线生物图像获取领域，特别涉及一种近红外光照射下血管图像的采集方法及其装置。

背景技术

在近红外光照射下获取的人体组织图像中可以分辨出血管，被应用于生物鉴别和医学检查中。中国专利CN1472692A，CN1799063A，CN1564191A，CN1586395A均描述了一种通过红外光照射下血管图像进行生物识别的方法和装置。

由于每个人的皮肤、肌肉组织、血液对红外光的吸收率和反射率各不相同，因此使用现有血管图像采集装置在获取血管图像时，不同人血管图像的平均亮度，以及图像中血管和非血管部分的对比度(以下简称对比度)变化可能很大。另一方面，对于一幅血管图像，由于人体不同部位组织结构不尽相同，对红外线的吸收率和反射率不一致，因此会造成图像上不同区域亮度不均匀，对比度也有差异。

现有的基于血管图像的生物特征识别方法中，比如上述四则专利所描述的一些识别方法，均对采集设备所获得的图像的亮度均匀性和对比度和有一定依赖。因此上述两个问题会影响基于血管图像的生物特征识别系统的识别率和误识率。

对于医学检查，亮度和对比度变化较大的图像可能会引起医师判断失误而造成比较严重的后果，因此医学检查用的图像也需要避免上述两个现象带来的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采集近红外光照射下血管图像的方法和装置，使采集到的血管图像能够有效地克服背景技术中描述的两个现象造成的图像分辨率低的问题。

本发明采用多个红外光光源组成发光阵列，每一个光源发出一束平行红外光，分别照明待采集部位的不同部分，通过控制各光源发出的红外线的光强来解决图像分辨率差异较大的问题。具体的采集步骤如下：

(1)发光阵列根据预先设定的光强初值发射红外线照射待采集部位；

(2)采集血管图像；

(3)利用计算机程序对获取到的血管图像进行分析判断，如果满足要求则输出图像，如果不满足则根据图像的具体情况计算出组成发光阵列的各光源合适的光强，控制发光阵列各光源，使其根据计算出的光强发射红外线；

(4)再次采集血管图像；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至获取满足需要的图像。

上述步骤(3)对图像进行分析和调整光强的方法如下：按照发光阵列中每个光源的照明范围将图像划分成若干区域，统计每个区域内的灰度平均值，作为亮度的衡量。如果所有区域的灰度平均值均在允许范围内则输出图像，如果不是则修正灰度平均值不符合要求的区域所对应的光源的光强，再次采集血管图像。修正光强时的方法可以有多种，一般采用迭代类算法，经过多次调整，将灰度平均值偏低的区域所对应光源的光强调高，将灰度平均值偏高的区域所对应光源的光强调低，最终使图像中所有区域的灰度平均值均达到标准。以二分算法为例，修正光强的操作如下：如果图像某区域灰度平均值过高，则调低对应光源的光强，使之等于本次获取图像时该光源的光强与前两次获取图像时认为灰度平均值过低的一次光源光强的平均值；如果图像该区域灰度平均值过低，则调高该区域所对应光源的光强，使之等于本次获取图像时的光强与前两次获取图像时认为灰度平均值过高的一次的光强的平均值。

本发明采集近红外光照射下血管图像的装置主要由四个部分组成，即红外光产生单元及相应的控制单元，图像获取单元和信息处理单元。

其中，红外光产生单元是一个由若干个红外光源组成的发光阵列，每一个光源发出一束平行红外光，分别照明待采集部位的不同部分。红外光产生单元与控制单元相连，各红外光源可以通过控制单元进行控制。

控制单元连接信息处理单元，根据信息处理单元发出的指令，对每一个红外光源进行控制，从而改变其发出红外线的光强。

图像获取单元获取红外光照射下生物组织的图像，并与信息处理单元连接，将图像提供给信息处理单元。

信息处理单元运行分析图像及发出控制指令的计算机程序，计算机程序对图像进行判断，如图像合格即输出图像，如图像不合格即根据图像的具体状况生成控制指令，传输到控制单元对红外光产生单元发出的光线进行调整。

上述红外光产生单元中的各个光源可以是红外发光二极管、红外激光二极管等，根据实际情况按照一定方式排列成发光阵列，每个光源的光强相互独立并且均可调节。控制单元由微控制器及相应的外部电路组成，微控制器通过IO端口控制各光源。图像获取单元可采用红外接收二极管阵列、CCD(电荷耦合器件)摄像头或CMOS(互补金属氧化物半导体)摄像头等。信息处理单元可以是任意具有一定运算能力的计算机，比如普通的个人计算机，或专门设计的单片机、嵌入式系统。

利用上述装置根据以下步骤采集并获取图像：

(1)信息处理单元将计算机程序给出的各红外光源光强的初值(该初值通过预先进行的实验获得，随着实验装置的改变有所变化)传输到控制单元，控制单元控制红外光产生单元发射红外线照射待采集部位；

(2)图像获取单元获取采集部位的图像并传送给信息处理单元；

(3)信息处理单元运行计算机程序计算图像获取单元采集到的图像，判断其是否满足需要，如果满足要求则将图像输出以供生物特征识别或医学检查使用；如不满足则根据图像的具体情况计算出红外光产生单元中各光源合适的光强，并生成控制指令传输至控制单元，控制单元根据控制指令改变红外线产生单元中各光源的光强；

(4)图像获取单元再次获取采集部位的图像并传送给信息处理单元；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至获取满足需要的图像。

本发明的创新点在于：提出了组成发光阵列的各个光源光强均可调节的照明方式，利用计算机程序分析当前图像的明暗自动调整各光源光强，采集光源光强改变后的血管图像，多次重复直至采集到的图像符合要求。这样，采集到的图像各部分亮度均匀，对比度相差小，图像中包含的细小血管数目多。与现有技术相比，可以采集到直径更小、离皮肤表面更远的血管，从而包含更多的信息；而且，成像稳定，在不同环境下采集到的同一个人同一部位的图像差异小。同时，由于本发明不受外界环境光的干扰，采集图像时无需将采集部位放入封闭的箱体中，避免了给被采集者带来不舒适感和应用局限。

目前血管图像生物识别已经有比较成熟产品问世，红外透视医疗器材也普遍应用，将本发明运用到基于血管图像的生物特征识别装置，可以有效地提高识别速度、识别率和降低误识率；运用到医学检查中则可以获取高质量的图像，提高分辨率，减少检查时的失误。因而本发明具有良好的市场前景。

附图说明

图1是本发明实施例1采集血管图像的流程图。

图2是本发明实施例1采用二分算法调整光源光强的流程图。

图3是实施例1运用不同方法采集到的近红外光照射下的手指血管图像。

图4是对图3中的血管进行提取、细化后得到的图像。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步说明本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

本实施例设计了如下血管图像采集装置来采集手指的血管图像：

红外光产生单元中的红外光源为中心波长850纳米的红外线发光二极管，15个发光二极管排列成一条直线，相邻两个发光二极管间隔5.08毫米。

控制单元由ATMEL

公司生产的ATMEGA8

微控制器及相应的外部电路组成，微控制器通过IO端口控制各发光二极管，并通过通用串行总线从运行计算程序的个人计算机相应的端口获得控制指令。

本实施例通过脉冲宽度调制的方式控制光强，即加在红外线发光二极管两端的驱动信号是固定频率的方波信号，控制单元通过改变方波信号的占空比改变发光二极管的光强。

图像采集单元采用黑白红外线摄像机。

信息处理单元是一台个人计算机。

该装置采集血管图像的流程如图1所示，所运行的计算程序的具体算法描述如下：

对于获取的图像，程序将图像分割为若干个区域，每个区域对应一个发光二极管的照明范围；

对于图像中每一个区域，计算该区域的灰度平均值是否在允许的范围内；

如果图像中每一个区域的灰度平均值均在允许的范围内，则该图像合格；

如果有些区域图像灰度平均值不符合要求，则需要对对应的红外线发光二极管的光强进行改变。

计算程序会记录并存储每一次获取图像时各发光二极管的光强。改变光强时采用二分算法，具体的调整流程如图2所示。

利用上述装置和方法采集手指的血管图像，首先将需要获取图像的手指置于红外线发光二极管组成的发光阵列前，阵列的设计保证红外光线不会从手指四周溢出导致曝光过强，然后根据图1和图2所示的流程工作，最终调整到各个区域的平均灰度在35％-65％之间，获得图3(a)所示的手指血管图像。

图3(b)、(c)、(d)则是采用同样的装置在均匀光照下获取的血管图像，照射光强分别保证整个手指从指尖算起25％、50％、75％处的区域平均灰度在35％-65％之间，整个手指的照射光光强相同，即只根据指定区域图像的平均灰度，改变整个阵列的发光强度，整个阵列的发光强度始终保持相同。

采用Ni-Black算法对图3(a)、(b)、(c)、(d)所示的图像进行处理、细化，即可得到图4(a)、(b)、(c)、(d)。由于对血管进行了细化，图4中血管的长度正比于血管的面积，于是血管所占的象素占整个手指图像的比例可以用来表征提取到的血管长度，并由此可以计算出提取到的血管长度增加的百分比。计算得到，图4(a)中的血管长度总和分别比(b)、(c)、(d)中的血管长度总和高了37.7％，30.3％和31.3％，平均提升33.1％。

实施例2

本发明设计了另一个血管图像采集装置，用于采集手掌和前臂的血管图像，说明如下：

红外光产生单元中的光源同样采用中心波长850纳米的红外线发光二极管，排成15×15的正方形阵列，相邻的行、列间隔5.08毫米。

控制单元采用ATMEL

公司生产的ATMEGA128

微控制器及相应的外部电路组成，微控制器通过IO端口控制各发光二极管，并通过通用串行总线端口获得控制指令。

信息处理单元使用基于Altera公司的Cyclone II FPGA视频图像解决方案的嵌入式系统，通过串行总线端口向控制单元发送控制指令。

本实例通过脉冲频率调制的方式控制，即加在红外线发光二极管两端的驱动信号是脉宽固定的方波信号，控制单元通过改变方波信号的频率改变发光二极管的光强。

图像采集单元和计算程序同实施例1。

Claims

1.一种采集近红外光照射下血管图像的方法，采用多个红外光光源组成发光阵列，每一个光源发出一束平行红外光，分别照明待采集部位的不同部分，采集步骤如下：

a.发光阵列根据预先设定的光强初值发射红外线照射待采集部位；

b.采集血管图像；

c.按照发光阵列中每个光源的照明范围将图像划分成若干区域，统计每个区域内的灰度平均值，如果所有区域的灰度平均值均在允许范围内则输出图像，如果不是则修正灰度平均值不符合要求的区域所对应的光源的光强，将灰度平均值偏低的区域所对应光源的光强调高，将灰度平均值偏高的区域所对应光源的光强调低；

d.再次采集血管图像；

f.重复步骤c和d，直至图像中所有区域的灰度平均值均达到标准。

2.如权利要求1所述的采集近红外光照射下血管图像的方法，其特征在于：所述步骤c中采用二分算法修正光强：如果图像的某区域灰度平均值过高，则调低对应光源的光强，使之等于本次获取图像时该光源的光强与前两次获取图像时认为灰度平均值过低的一次光源光强的平均值；如果某区域灰度平均值过低，则调高对应光源的光强，使之等于本次获取图像时的光强与前两次获取图像时认为灰度平均值过高的一次的光强的平均值。