基于物联网的新生儿脚掌纹采集装置及信息库构建方法与流程

1.本发明属于人体生理参数及身份信息的采集、处理及认证技术在物联网智慧医疗领域的应用，具体涉及一种基于物联网的新生儿脚掌纹采集装置及信息库构建方法。


背景技术：

2.当婴幼儿尤其是在医院刚出生的新生儿由于其相貌、体态等特征比较相似，且缺乏自主意识以及自我表达能力，在缺乏有效的组织管理或场面较为混乱的情况下可能会发生错抱等意外。另外，在数字化、信息化高度发展的今天，处于社会管理、人身安全的考量，也需要尽早建立针对新生儿的有效且高效的身份识别方式。
3.生物测定学（biometrics）是指基于人的身体特性或行为特征来掌握生物体（一般特指人）的身份的计算机认证技术，是一种基于观察行为、生物学（解剖学、生理学）特征的本人认证技术。
4.基于人体生理特征的信息识别的方法有指纹识别（fingerprint）、虹膜识别（iris-scan）、视网膜识别（retina-scan）、手形识别（hand geometry）、面部识别（facial recognition）等，其中使用最为广泛的是指纹识别，然而，随着技术的不断进步，指纹被破解伪造的现象屡见不鲜。
5.脚掌纹具有丰富的特征点、特征值，且对于新生儿群体而言，脚掌纹更易提取，有鉴于此，已发展出了相对较为成熟的针对新生儿的脚掌纹采集系统，但是现有技术广泛存在以下几方面问题：第一，传统的接触式光学采集识别系统需要在接触面施加一定的力，对于新生儿而言难免出现排斥行为，且若施加于接触面的压力过大则容易造成脚掌纹形态失真；第二，非接触式光学采集识别系统对于脚部姿态要求较高，难以获取理想的拍摄角度；第三，单一手段的脚掌纹采集系统缺少有效的辅助参考修正，采集准确度不高；第四，脚掌纹特征向量的提取效率及精度不高；第五，新生儿脚掌纹作为一种具有纪念意义及留档必要的事物，往往需要额外的操作获取，无法与脚掌纹采集识别过程有机融合。


技术实现要素：

6.本发明重点针对上述种种不足，提供一种基于物联网的新生儿脚掌纹采集装置及信息库构建方法。
7.本发明提供了一种基于物联网的新生儿脚掌纹采集装置，包括接触式脚掌纹采集设备以及非接触式脚掌纹采集设备；其中，所述接触式脚掌纹采集设备一方面被用于与所述非接触式脚掌纹采集设备进行数据比对以验证数据采集有效性，另一方面被用于获取脚掌纹的实体材料以供留档。
8.优选的，所述接触式脚掌纹采集设备为层状结构，自下至上依次为离型纸板、第一黏贴膜层、第二黏贴膜层、覆膜保护层以及封面层，所述覆膜保护层与所述第二黏贴膜层之间的粘性大于所述第一黏贴膜层与所述第二黏贴膜层之间的粘性，且所述覆膜保护层与所述封面层之间的粘性大于所述第一黏贴膜层与所述第二黏贴膜层之间的粘性。
9.优选的，所述非接触式脚掌纹采集设备包括平板智能终端，所述平板智能终端具体包括摄像部、影像处理部、显示部、控制部、存储部、通信部以及测距部，所述摄像部用于采集脚掌影像，所属影像处理部用于处理所述采集的脚掌影像并在所述显示部显示调整脚部姿态的导示信息，所述显示部等比例显示脚掌影像。
10.优选的，还包括脚部3d成型模具，用于获取脚底三维信息，并在进行所述非接触式脚掌纹采集时与所述测距部测量的距离数据进行比对，以作为判断脚底是否平行于所述显示部的依据。
11.优选的，所述脚部3d成型模具包括盒状容器，在所述盒状容器底部设置表面具有颗粒状凸起的橡胶板，所述盒状容器内填充油性印泥。
12.同时，本发明还提供了一种应用于新生儿脚掌纹采集装置的信息库构建方法，包括如下步骤：s1：通过接触式脚掌纹采集设备获取第一脚掌纹图像数据；s2：通过脚部3d成型模具获取脚底三维信息；s3：通过脚底三维信息校正脚部姿态，进而通过非接触式脚掌纹采集设备获取第二脚掌纹图像数据；s4：在非接触式脚掌纹采集设备的显示部等比例显示第二脚掌纹图像数据；s5：将接触式脚掌纹采集设备的转印有第一脚掌纹图像数据的第二黏贴膜层直接贴覆于非接触式脚掌纹采集设备的显示部；s6：获取第一脚掌纹图像数据与第二脚掌纹图像数据的重叠影像；s7：判断第一脚掌纹图像数据与第二脚掌纹图像数据的相似度是否达到设定阈值，若达到则进行步骤s8，若未达到则返回步骤s3；s8：基于第二脚掌纹图像数据提取脚掌纹特征向量，并存储于云服务器。
13.优选的，上述步骤s1具体包括：s11：一手握持接触式脚掌纹采集设备的离型纸板，另一手提捏接触式脚掌纹采集设备的封面层，使得接触式脚掌纹采集设备的第一黏贴膜层与第二黏贴膜层分离；s12：在脚掌上均匀涂覆彩色印泥；s13：将脚掌对准第一黏贴膜层的指定区域并紧密接触，以获得第一脚掌纹图像数据；s14：将第二黏贴膜层再次贴合第一黏贴膜层，以将形成于第一黏贴膜层的第一脚掌纹图像数据转印至第二黏贴膜层；s15：再次将第一黏贴膜层与第二黏贴膜层分离，并将第二黏贴膜层从接触式脚掌纹采集设备的覆膜保护层剥离；s16：将覆膜保护层粘附于第一黏贴膜层，并将封面层从覆膜保护层剥离。
14.优选的，上述步骤s2具体包括：s21：将羊油与油性土熔融混合，阴干后充分搅拌均匀，形成油性印泥，经真空处理后切块；s22：将切块后的油性印泥填充进底部放置有具有颗粒状凸起的橡胶板的盒状容器内；s23：将脚掌压印于油性印泥，形成凹陷部；
s24：向凹陷部内填充软性硅胶，静置数小时，待软性硅胶干硬后从凹陷部分离，获得脚部立体模型；s25：根据脚部立体模型获取脚底三维信息。
15.优选的，上述步骤s3具体包括：s31：在非接触式脚掌纹采集设备的显示部显示导示信息，以指引调整脚部姿态，导示信息可以是任意两相邻脚趾与脚掌的连接部所形成的接缝；s32：在脚部姿态调整为符合导示信息所设定条件后，通过非接触式脚掌纹采集设备的测距部分别测量脚心、脚后跟以及大拇指近节趾骨到显示部的距离；s33：根据步骤s2中获取的脚底三维信息以及步骤s32中测距部的测量数据判断脚底是否平行于显示部；s34：在脚部姿态调整到位之后，通过非接触式脚掌纹采集设备的摄像部采集脚掌影像；s35：识别脚趾并标记脚趾的几何中心，线段连接任意两脚趾的几何中心，通过比较任意线段的斜率判断脚掌是否舒展。
16.s36：获取标准姿态下的第二脚掌纹图像数据，第二脚掌纹图像数据为经过转换的黑白影像数据，并进行了纹路锐化。
17.优选的，上述步骤s8具体包括：s81：通过直方图拉伸算法提高第二脚掌纹图像数据的清晰度；s82：利用基于prewitt算子的边缘检测法结合掩膜技术提取第二脚掌纹图像数据的轮廓线；s83：通过中值滤波去除主要脚掌纹纹路以外的杂线；s84：对数据进行二值化处理以消除噪声并提高像素连续性；s85：提取脚掌纹的分叉点、截断点、方向、数量、分支等特征点，并测定该些特征点的位置坐标、粗细、亮度等特征值；s86：基于上述特征点和特征值生成并提取脚掌纹特征向量。
18.与现有技术相比，本发明对新生儿脚掌纹采集装置及数据库构建方法进行了完善与改进，其一，采用改进的掌纹检测膜纸实现脚掌纹的接触式采集及实体材料的留档；其二，通过三维测距、视觉导引以及特征对象匹配等多重手段确保非接触式采集的有效性；其三，通过将在脚掌纹的接触式采集过程中获得的转印有脚掌纹的膜纸与在脚掌纹的非接触式采集过程中获得的影像直接进行比对的方式提高采集准确度；其四，通过优化图像处理及特征向量提取算法提高效率及精度；其五，接触式脚掌纹采集以及脚部3d成型一方面被用于辅助提高脚掌纹采集的可靠性，另一方面其副产物可直接留档或留念。
附图说明
19.图1为本发明接触式脚掌纹采集设备结构图；图2为本发明非接触式脚掌纹采集设备框图；图3为本发明脚部姿态判断示意图；图4为本发明脚掌纹信息库构建方法流程图。
20.附图标记说明：接触式脚掌纹采集设备10、非接触式脚掌纹采集设备20、离型纸板
101、第一黏贴膜层102、第二黏贴膜层103、覆膜保护层104、封面层105、控制部201、存储部202、显示部203、影像处理部204、通信部205、摄像部206、测距部207。
具体实施方式
21.以下说明的技术可进行多种变换，并可具有多种实施例，在此结合附图以特定实施例进行详细说明。然而，这并不意味着将下文描述的技术限制于特定实施例。应当理解，在不脱离下文所描述的技术的精神和技术范围的情况下，本发明包括所有类似的修改、等同及替代。
22.如图1-3所示，本发明提供了一种基于物联网的新生儿脚掌纹采集装置，包括接触式脚掌纹采集设备10以及非接触式脚掌纹采集设备20；其中，所述接触式脚掌纹采集设备10一方面被用于与所述非接触式脚掌纹采集设备20进行数据比对以验证数据采集有效性，另一方面被用于获取脚掌纹的实体材料以供留档。
23.其中，所述接触式脚掌纹采集设备为层状结构，自下至上依次为离型纸板101、第一黏贴膜层102、第二黏贴膜层103、覆膜保护层104以及封面层105，所述覆膜保护层104与所述第二黏贴膜层103之间的粘性大于所述第一黏贴膜层102与所述第二黏贴膜层103之间的粘性，且所述覆膜保护层104与所述封面层105之间的粘性大于所述第一黏贴膜层102与所述第二黏贴膜层103之间的粘性。
24.更进一步的，离型纸板101的面积最大，其具有沿四周均向外延伸的边缘部，用于在采集脚掌纹时便于手部握持，在留档时便于固定至文件夹。封面层105面积次之，其于一侧具有向外延伸的边缘部，用于在采集脚掌纹时便于手部提捏，另一侧直接贴附于离型纸板101。在第一黏贴膜层102上设置有图形引导区，用于引导脚掌放置于指定区域。第一黏贴膜层102与第二黏贴膜层103的尺寸优选为20*26cm。
25.其中，所述非接触式脚掌纹采集设备20包括平板智能终端，所述平板智能终端具体包括摄像部206、影像处理部204、显示部203、控制部201、存储部202、通信部205以及测距部207，所述摄像部206用于采集脚掌影像，所属影像处理部204用于处理所述采集的脚掌影像并在所述显示部203显示调整脚部姿态的导示信息，所述显示部203等比例显示脚掌影像。
26.显示部203的屏幕尺寸与第一黏贴膜层102和第二黏贴膜层103的尺寸相当，优选为20*26cm，以显示脚掌的真实尺寸。显示部203显示的导示信息与第一黏贴膜层102的图形引导区相适配。
27.其中，还包括脚部3d成型模具，用于获取脚底三维信息，并在进行所述非接触式脚掌纹采集时与所述测距部测量的距离数据进行比对，以作为判断脚底是否平行于所述显示部的依据。
28.其中，所述脚部3d成型模具包括盒状容器，在所述盒状容器底部设置表面具有颗粒状凸起的橡胶板，所述盒状容器内填充油性印泥。
29.如图4所示，本发明还提供了一种应用于新生儿脚掌纹采集装置的信息库构建方法，包括如下步骤：s1：通过接触式脚掌纹采集设备10获取第一脚掌纹图像数据；
s2：通过脚部3d成型模具获取脚底三维信息；s3：通过脚底三维信息校正脚部姿态，进而通过非接触式脚掌纹采集设备20获取第二脚掌纹图像数据；s4：在非接触式脚掌纹采集设备20的显示部203等比例显示第二脚掌纹图像数据；s5：将接触式脚掌纹采集设备10的转印有第一脚掌纹图像数据的第二黏贴膜层103直接贴覆于非接触式脚掌纹采集设备20的显示部203；s6：获取第一脚掌纹图像数据与第二脚掌纹图像数据的重叠影像；s7：判断第一脚掌纹图像数据与第二脚掌纹图像数据的相似度是否达到设定阈值，若达到则进行步骤s8，若未达到则返回步骤s3；s8：基于第二脚掌纹图像数据提取脚掌纹特征向量，并存储于云服务器。
30.其中，上述步骤s1具体包括：s11：一手握持接触式脚掌纹采集设备10的离型纸板101，另一手提捏接触式脚掌纹采集设备10的封面层105，使得接触式脚掌纹采集设备10的第一黏贴膜层102与第二黏贴膜层分离103；s12：在脚掌上均匀涂覆彩色印泥；这里的彩色特指非黑白色的有彩色，如红、蓝等，以增强与显示部203显示的黑白纹路的对比度。
31.s13：将脚掌对准第一黏贴膜层102的指定区域并紧密接触，以获得第一脚掌纹图像数据；s14：将第二黏贴膜层103再次贴合第一黏贴膜层，以将形成于第一黏贴膜层102的第一脚掌纹图像数据转印至第二黏贴膜层103；s15：再次将第一黏贴膜层102与第二黏贴膜层分离103，并将第二黏贴膜层103从接触式脚掌纹采集设备10的覆膜保护层104剥离；s16：将覆膜保护层104粘附于第一黏贴膜层102，并将封面层105从覆膜保护层104剥离。
32.离型纸板101、第一黏贴膜层102以及覆膜保护层104依次紧密粘贴，作为实体档案归档。
33.其中，上述步骤s2具体包括：s21：将羊油与油性土熔融混合，阴干后充分搅拌均匀，形成油性印泥，经真空处理后切块；s22：将切块后的油性印泥填充进底部放置有具有颗粒状凸起的橡胶板的盒状容器内；s23：将脚掌压印于油性印泥，形成凹陷部；s24：向凹陷部内填充软性硅胶，静置数小时，待软性硅胶干硬后从凹陷部分离，获得脚部立体模型；s25：根据脚部立体模型获取脚底三维信息。
34.脚部立体模型作为一种肢体形状及纹路的立体真实重现，可供保存留念。
35.其中，上述步骤s3具体包括：s31：在非接触式脚掌纹采集设备20的显示部203显示导示信息，以指引调整脚部
姿态，导示信息可以是任意两相邻脚趾与脚掌的连接部所形成的接缝；具体的，导示信息还可以是脚部轮廓形状，或任意两相邻脚趾与脚掌的连接部所形成的接缝与脚部轮廓形状的叠加。新生儿的脚趾一般都紧密贴合在一起，几乎不存在趾缝以及明显的骨节，因此采用任意两相邻脚趾与脚掌的连接部所形成的接缝作为引导标识。
36.s32：在脚部姿态调整为符合导示信息所设定条件后，通过非接触式脚掌纹采集设备20的测距部207分别测量脚心、脚后跟以及大拇指近节趾骨到显示部203的距离；s33：根据步骤s2中获取的脚底三维信息以及步骤s32中测距部的测量数据判断脚底是否平行于显示部；在进行脚掌纹非接触式采集时，即使脚部已按照导示信息的指引进行了姿态调整，但这仅仅只能表明脚部在与显示部相平行的平面上的投影符合拍摄条件，在垂直于该平面的第三个维度上，脚部有可能前倾或后倾，从而使得采集的脚掌纹发生畸变。有鉴于此，本发明进一步给出了第三维度姿态测量手段，通过测量脚心、脚后跟以及大拇指近节趾骨到显示部的距离，能够得出脚心、脚后跟以及大拇指近节趾骨的相对进深，通过这种多点定位法，结合根据脚部立体模型获取的脚底三维信息，可以很好地对脚部姿态进行调整。
37.s34：在脚部姿态调整到位之后，通过非接触式脚掌纹采集设备20的摄像部206采集脚掌影像；s35：识别脚趾并标记脚趾的几何中心，线段301连接任意两脚趾的几何中心，通过比较任意线段301的斜率判断脚掌是否舒展。
38.在进行脚掌纹非接触式采集时，即使脚部已按照导示信息的指引进行了姿态调整，也通过测距以及脚底三维信息进行了二次姿态调整，但仍不能排除由于脚底部分蜷缩所导致的脚掌纹畸变这种情况的发生。对于新生儿而言，其脚部非常敏感，尤其是部分脚趾容易在某些刺激下发生自觉或不自觉的蜷缩，而这种蜷缩会使得脚底斜方肌附近区域的脚掌纹变形，影响采集准确度。而通过比对、分析脚趾间连线的斜率，可以很好地判断脚趾的舒展程度，并消除该种影响。
39.更进一步的，可设定感兴趣区域（roi）并对其进行颜色分析，以进一步确定所采集图像数据的有效性。具体而言，线段303连接第一脚趾与脚掌连接处的中点位置以及第五脚趾与脚掌连接处的中点位置，取该线段303的欧氏距离为l，垂直于该线段向脚掌方向平移k*l的距离，划定一个长为l，宽为k*l的矩形区域302，测定该矩形区域302内的cb、cr值，通过判断满足相应肤色阈值的像素占比来辅助确定所采集图像数据的有效性，其中0.05《k《0.35，为临床经验值。
40.s36：获取标准姿态下的第二脚掌纹图像数据，第二脚掌纹图像数据为经过转换的黑白影像数据，并进行了纹路锐化。
41.显示部203显示的黑白纹路用于与第二黏贴膜层103上转印的彩色纹路进行比对，提高了对比度，增加了相似度阈值判断的准确性。
42.其中，上述步骤s8具体包括：s81：通过直方图拉伸算法提高第二脚掌纹图像数据的清晰度；s82：利用基于prewitt算子的边缘检测法结合掩膜技术提取第二脚掌纹图像数据的轮廓线；
s83：通过中值滤波去除主要脚掌纹纹路以外的杂线；s84：对数据进行二值化处理以消除噪声并提高像素连续性；s85：提取脚掌纹的分叉点、截断点、方向、数量、分支等特征点，并测定该些特征点的位置坐标、粗细、亮度等特征值；s86：基于上述特征点和特征值生成并提取脚掌纹特征向量。
43.虽然上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明专利范围为限制，对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。