楊金鋒，呂恩春

（中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

手指靜脈識別憑借其特有的優(yōu)越性在生物識別領(lǐng)域倍受關(guān)注。然而單光譜手指靜脈成像模式已經(jīng)無法充分利用人體不同對象生物組織的光學(xué)特性[1-2]，這也會影響真實手指靜脈特征信息的分析與提取。因此，對于手指靜脈識別來說，探索多光譜手指靜脈成像模式具有重要的理論與實際意義[3-6]。本實驗室較早地提出了多光譜手指靜脈成像理論并對其展開深入研究。已經(jīng)初步設(shè)計出多光譜手指靜脈成像與采集系統(tǒng)[7]，為多光譜手指靜脈識別奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和實驗環(huán)境。這對促進手指靜脈識別技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。然而該系統(tǒng)尚欠完善，存在3個問題：①該系統(tǒng)LED光源控制電路較為復(fù)雜，且經(jīng)常出現(xiàn)控制失敗等故障；②系統(tǒng)的光源光路結(jié)構(gòu)問題始終沒有解決，光線不能均勻聚集在手指上方，致使靜脈成像質(zhì)量有較大變化；③該系統(tǒng)在采集的時候，LED的點亮和亮度調(diào)節(jié)還要單獨用串口通信助手來完成，每次都要手動編寫命令發(fā)送命令，這樣造成采集步驟比較繁瑣，無法實現(xiàn)對多光譜圖像的自動采集。因此本文從這3個問題出發(fā)，設(shè)計出較為簡單有效的光源控制電路，對光源結(jié)構(gòu)形式進行了重新設(shè)計，并設(shè)計了新的采集裝置外殼，在新硬件的基礎(chǔ)上將光源亮度調(diào)節(jié)的串口通信過程嵌入采集軟件系統(tǒng)，建立了新的較為完善的多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)。通過較為詳細的比較試驗，驗證本文設(shè)計的有效性。

1 多光譜手指靜脈成像系統(tǒng)

本文設(shè)計的手指靜脈成像系統(tǒng)主要包括光源控制電路的優(yōu)化和采集裝置外殼的優(yōu)化設(shè)計。

1.1 光源控制電路的優(yōu)化設(shè)計

多光譜光源控制電路的設(shè)計要實現(xiàn)兩個主要目的：①實現(xiàn)多波段光源發(fā)光的順序控制；②實現(xiàn)光源發(fā)光強度的量化控制。順序控制的目的是為了獲得不同波段下的手指圖像，量化控制的目的在于設(shè)定光源的發(fā)光強度以適應(yīng)手指尺寸大小變化的實際情況，避免單一LED光源輻射峰值波動。因此，光源控制電路設(shè)計要圍繞這兩個主要目的來研究實現(xiàn)。

在文獻[7]中，光源控制電路主要是由單片機控制數(shù)碼管驅(qū)動芯片CH452A驅(qū)動LED陣列，單片機用的是PLCC封裝的AT89C52，該芯片現(xiàn)已經(jīng)停產(chǎn)。重要的是C52燒寫程序時需把芯片從線路板上摳下來放到編程器上之后再放回去，極不方便。另外用CH452A驅(qū)動LED陣列控制程序比較復(fù)雜。

針對以上問題，設(shè)計優(yōu)化策略是電路盡量簡單，電路板體積盡量小。故重新設(shè)計光源控制電路：

1）用DIP封裝的單片機AT89S52代替AT89C52，其好處是S52可在線編程,非常方便，并且還便宜。

2）本文設(shè)計放棄使用數(shù)碼管控制芯片CH452A驅(qū)動，采用單片機直接控制驅(qū)動LED陣列，這樣使得電路更為簡單實用。

優(yōu)化后本電路的實現(xiàn)原理如圖1所示，LED發(fā)光強度的控制由數(shù)字電位器芯片限流實現(xiàn)，計算機對多光譜LED發(fā)光順序和數(shù)字電位器開關(guān)量的控制通過USB總線轉(zhuǎn)接芯片CH341T實現(xiàn)R485通信，譯碼器的作用是點亮共陽極的LED陣列。圖2是完成的電路板。

1.2 光路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

手指成像效果依賴于光在手指組織介質(zhì)中的傳播狀態(tài)，影響光傳播狀態(tài)的外界因素則是入射光的結(jié)構(gòu)模式和照射模式。因此光源結(jié)構(gòu)和光路形式設(shè)計是滿足系統(tǒng)成像條件的一個基本研究內(nèi)容。

醫(yī)學(xué)研究已證明[8]，波長在700～900 nm的近紅外光對生物組織具有最強的穿透能力。因此設(shè)計中的手指靜脈成像光譜也選擇了這個范圍?？紤]到近紅外LED輸出峰值一般有動態(tài)變化，采用正常輸出峰值在735～870 nm之間的LED作為近紅外光源。本設(shè)計中近紅外光源LED陣列由三排線陣構(gòu)成，每排包含兩種光譜，分別為760 nm與780 nm、770 nm與830 nm、810 nm與850 nm這3組，每排2個光譜間隔排列。

LED光源雖有指向性，但指向性并不高，不能集中穿透手指，即有較多余光發(fā)散到空間反射回來影響成像質(zhì)量。如圖3所示，如果3排LED陣列平行排列在平面上，那么3排LED光線是平行照在手指的不同位置上，而不是集中打在手指正上方，由圖3（a）模式可知只有中間那排燈照在手指的正上方，旁邊2排會打在手指邊緣，這樣采集出的圖像會出現(xiàn)局部偏亮的情況，如圖4（a）所示的就是原裝置采集出的圖像。

針對光照不集中的問題，本文的設(shè)計策略是將3排LED陣列排列在凹面上，如圖3（b）所示，圖3（b）的原理是，假設(shè) 3 個 LED 的發(fā)光角分別為 θ1、θ2、θ3（其中θ1≈θ2≈θ3），距離為 △d。若使 3 個 LED 發(fā)出的光能聚集在中間LED下方的中心位置上，根據(jù)三角形和圓的有關(guān)知識，它們應(yīng)該位于半徑為h（其中h為LED的指向距離）的圓周上。先將右側(cè)LED的位置在中點處向下傾斜 θ角，計算得 θ=（θ2+ θ3）/2 ≈ θ2，左側(cè)同理。這樣如果把手指放在圖中的中心位置上，光就可集中打在手指上。本文就是基于這樣一個原理來設(shè)計的。

最后給出本文設(shè)計的采集裝置基本構(gòu)造，如圖4所示。圖中給出了原裝置的光路結(jié)構(gòu)圖、新裝置的外殼以及內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)示意圖，原裝置的光源光路結(jié)構(gòu)是平行排列在平面上，缺點上文已陳述，現(xiàn)重點介紹本文設(shè)計的外殼內(nèi)部構(gòu)造，如圖4（b）所示，根據(jù)外殼圖4（c）可以看出這是個縱切面，上面3個LED代表排列在凹面上的三排LED陣列，手指就放在距離中間排LED為Δh的位置上，在光源的下方，為了能夠保證光線更好的聚集照射，用兩片對稱的隔光片將光擋住，中間留出一條縫隙，這條縫隙的大小設(shè)計成了可調(diào)方式，這樣保證了光從這個縫隙中集中射出。從圖4（b）中可以看到，還使用了濾光片和偏振片，濾光片的作用是濾除700 nm以下的雜光。

偏振片對入射光具有遮蔽和透過的功能，可使縱向光或橫向光一種透過，一種遮蔽。一般成對使用，自然光通過偏振片后成為線偏振光，線偏振光的振動方向與偏振片的偏振化方向一致，在這里偏振片起著起偏器的作用，故稱為起偏片；偏振光通過偏振片后在轉(zhuǎn)動偏振片的過程中，透射光強度發(fā)生變化，在這里偏振片起著檢偏器的作用，稱為檢偏片。這里用它是為了抑制光的散射。

另外，由圖4（c）看到，在裝置的最低端有兩個旋鈕，可以微調(diào)鏡頭位置，達到理想位置之后再將其固定，這樣做的目的是使鏡頭調(diào)節(jié)更加方便、準(zhǔn)確。

2 多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)完善

采集系統(tǒng)軟件平臺是在VC++環(huán)境下編寫而成，具有手指靜脈圖像采集、存儲建立數(shù)據(jù)庫、注冊、識別用戶等基本功能（本文現(xiàn)在只關(guān)注采集部分）。

原有采集系統(tǒng)的工作方式如圖5所示。

1）打開采集界面，并初始化；

2）打開串口調(diào)試界面，發(fā)送指令點亮760 nm的LED（如果亮度不好，需再發(fā)送指令調(diào)節(jié)）；

3）轉(zhuǎn)到采集界面輸入用戶信息，進行采集。

上面所述的是單個光譜的采集過程，6個波段都要重復(fù)采集需求響應(yīng)的過程，因此重復(fù)的工作太多，采集效率相當(dāng)?shù)?。針對這樣的問題，本文給出的解決策略是，將串口調(diào)試助手完成的過程用C++編寫成一個小的LED光源控制界面，然后嵌入到采集界面里，并且完成6個波段自動順序采集。采集過程如圖6所示，將點亮LED和亮度調(diào)節(jié)的過程轉(zhuǎn)化成一個個單選按鈕來完成，這樣如果想點亮LED和亮度調(diào)節(jié)時，只需點擊相應(yīng)單選按鈕即可，比較方便。

綜上，經(jīng)過優(yōu)化后的采集界面單獨就可完成整個軟件功能?？梢酝瓿蓡蝹€波段手動采集。另外設(shè)置6個波段間隔一定時間點亮，就可完成自動采集了。

3 結(jié)果與分析

上面已對控制電路、裝置外殼、采集系統(tǒng)界面給出優(yōu)化設(shè)計。這里給出設(shè)計好的整個采集系統(tǒng)如圖7所示，其中LED點亮和亮度調(diào)節(jié)就是由上述的串口通信完成的，當(dāng)手指放入采集裝置中，采集界面中的橙色框就開始對手指輪廓進行跟蹤，在手指放置恰當(dāng)?shù)臅r候會顯示一個綠框（綠框為感興趣區(qū)域[9-10]），此時點擊圖像采集按鈕便可對6個波段的圖像進行手動或自動采集了。

最后運用經(jīng)過本文改進的多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)手指靜脈圖像采集實驗，采集了一定數(shù)目的樣本，抽選了一個手指的6個波段，跟原有裝置的同一手指采集結(jié)果進行比較，如圖8所示。

通過比較可以看出，原來的圖像兩側(cè)一亮一暗的問題得到了解決，光路結(jié)構(gòu)也得到了有效的改善，而且現(xiàn)在采集的圖像質(zhì)量也比原來的好許多。另外在采集的過程中，本系統(tǒng)的使用更加的方便快捷，采集效率得到了顯著提高。因此可以認(rèn)為本文的設(shè)計已顯成效，達到了預(yù)期的目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文的主要目的就是設(shè)計出較為完善的多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)，然后采集出質(zhì)量較高的靜脈圖像，因此本文內(nèi)容主要可以分為兩大塊：①對多光譜手指靜脈成像系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，首先重新設(shè)計了光源控制電路，改進了光源光路結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了新的采集裝置，建立采集系統(tǒng)的硬件平臺；②在硬件的基礎(chǔ)上搭建了軟件平臺。

本文的設(shè)計成果為手指靜脈識別奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為后續(xù)的手指靜脈處理減輕了困難。當(dāng)然本設(shè)計并非完美，也有不太理想之處，如采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計LED亮度控制部分：亮度等級雖有8個等級，但等級變化不是很明顯，并且未能根據(jù)需要自動改變亮度，這方面還有待于進一步改進。

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