管鳳旭，姜智超，吳秋雨，王科俊，孟祥宇

(哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

單一生物特征識(shí)別技術(shù)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中存在各種不足之處，使雙模態(tài)甚至更多模態(tài)生物特征識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為生物特征識(shí)別領(lǐng)域中一種新的研究方向，為生物特征識(shí)別技術(shù)提出更高層次要求［1，2］。

手指靜脈具有活體識(shí)別、內(nèi)部特征、非接觸和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，因此，手指靜脈識(shí)別技術(shù)是一種高防偽的第二代生物認(rèn)證技術(shù)［3，4］，但存在可提取特征信息量不足的缺點(diǎn)。手指指節(jié)折痕位于手指皮膚表面，相對(duì)于指紋具有不易磨損與改變的優(yōu)點(diǎn)［5～7］。如果有效利用手指靜脈和指節(jié)折痕這2種生物模態(tài)各自的優(yōu)點(diǎn)，組成一個(gè)雙模態(tài)生物識(shí)別系統(tǒng)，將彌補(bǔ)單一手指靜脈生物特征數(shù)量不足的缺點(diǎn)，使識(shí)別系統(tǒng)安全性與可靠性得到提高。因此，本文設(shè)計(jì)一種手指靜脈與指節(jié)折痕的雙模態(tài)圖像采集系統(tǒng)，即可以針對(duì)同一只手指，利用CMOS攝像頭、可見光與不可見近紅外光成像技術(shù)［8］、紅外濾光片移動(dòng)裝置、USB 2.0接口、YUV轉(zhuǎn)換RGB等技術(shù)，先后獲取同一位置的皮膚內(nèi)部手指靜脈圖像和皮膚表面的指節(jié)折痕圖像。

1 雙模態(tài)圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

手指靜脈和指節(jié)折痕圖像成像原理為:當(dāng)不可見近紅外光照射手指時(shí)，靜脈中血紅蛋白對(duì)近紅外光有明顯吸收效果，因而形成靜脈紋路圖像;手指指節(jié)折痕位于手指皮膚表面，通過(guò)可見光照射就可形成指節(jié)折痕圖像。為提高這2種圖像質(zhì)量，2種不同類型光不能同時(shí)亮，且需要紅外濾光片濾光。紅外濾光片可使高于某一波長(zhǎng)的近紅外光通過(guò)，而低于該波長(zhǎng)的可見光截止。當(dāng)紅外濾光片擋在攝像頭上且不可見近紅外光亮?xí)r，攝像頭可采集手指皮膚內(nèi)部的手指靜脈圖像;當(dāng)紅外濾光片移開攝像頭可視范圍且可見光亮?xí)r，攝像頭可以采集手指指節(jié)折痕圖像。

可采用手工方式或自動(dòng)方式左右移動(dòng)紅外濾光片。自動(dòng)方式則需要一個(gè)微型步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)凸輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)拖動(dòng)紅外濾光片左右往復(fù)移動(dòng)。同時(shí)，在紅外濾光片移動(dòng)的滑道兩端各安裝一個(gè)行程開關(guān)，分別為可見光源與近紅外光源的控制開關(guān)。根據(jù)上述工作方式，本文設(shè)計(jì)的雙模態(tài)采集系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙模態(tài)圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of dual-modal image acquisition system

2 圖像采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 圖像傳感器

為減小采集裝置尺寸、降低成本，選擇功耗低且集成度高的CMOS攝像頭模組，其核心圖像傳感器為OmniVision公司的OV2640芯片，該芯片最高可采集200萬(wàn)像素圖像，具有10位A/D轉(zhuǎn)換電路。OV2640模組大小和一角錢硬幣相仿。

考慮到OV2640芯片RGB感光范圍為500～980 nm;尤其是波長(zhǎng)為830 nm時(shí)，對(duì)近紅外光成像效果達(dá)到最優(yōu)。這樣，OV2640芯片既可以采集到以可見光成像的指節(jié)折痕圖像，又可以采集到以不可見近紅外光成像的手指靜脈圖像。

為保證上位機(jī)圖像采集軟件能夠獲取24幀/s以上動(dòng)態(tài)且清晰的視頻，設(shè)置圖像尺寸為SVGA(800×600)模式，圖像輸出格式為YUV422。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。其中，攝像頭模組的數(shù)字視頻端口電壓DOVDD為3.3 V，模擬電壓AVDD為2.5 V，這2種電壓由電源模塊提供，另外，數(shù)字電壓DVDD為1.3 V，既可以由外部電源模塊提供，也可以通過(guò)寄存器設(shè)置由內(nèi)部產(chǎn)生，本設(shè)計(jì)采用后種方式。

2.2 USB 2.0控制器

圖2 OV2640攝像頭模組接口電路Fig 2 Interface circuit of OV2640 camera module

USB 2.0芯片采用CY7C68013［9］。為實(shí)現(xiàn)USB芯片實(shí)時(shí)接收?qǐng)D像傳感器視頻數(shù)據(jù)，設(shè)置USB芯片為Slave FIFO從機(jī)模式，將圖像傳感器的幀同步信號(hào)VSYNC作為一幀圖像接收的中斷信號(hào)(圖3)，將行同步信號(hào)HREF作為USB芯片的寫信號(hào)SLWR，并將像素時(shí)鐘PCLK作為USB芯片傳輸時(shí)序時(shí)鐘信號(hào)，以保證行同步信號(hào)HREF有效時(shí)才能接收?qǐng)D像的像素?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，設(shè)置數(shù)據(jù)端口為8位數(shù)據(jù)總線模式，可接收?qǐng)D像傳感器Y2～Y9數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)將視頻數(shù)據(jù)從USB芯片快速傳輸至計(jì)算機(jī)中，設(shè)置EP2端口為BULK傳輸模式的IN端點(diǎn)，4重緩沖，每包字節(jié)數(shù)為1024。

圖3 USB控制器電路Fig 3 Circuit of USB controller

2.3 I2C總線

當(dāng)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)識(shí)別USB設(shè)備時(shí)，USB控制器通過(guò)I2C總線，可將存儲(chǔ)在E2PROM(圖4)中的固件程序下載到自身的RAM中執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)重枚舉與控制硬件。

為保證OV2640攝像頭模組按照設(shè)定方式工作，需要通過(guò)I2C總線將固件程序中大量控制參數(shù)有效寫入到OV2640芯片寄存器中，甚至可以通過(guò)I2C總線從OV2640芯片寄存器中讀取飽和度、AGC增益、白平衡等參數(shù)。但當(dāng)攝像頭模組接口距離USB芯片較遠(yuǎn)、且I2C信號(hào)線過(guò)細(xì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致I2C通信不可靠，采用CBTD3306芯片(圖5)可提高I2C總線驅(qū)動(dòng)能力。圖5中，SIO—C和SIO—D為USB控制器引出的信號(hào)線(圖3);SIO—C—1和SIO—D—1是增強(qiáng)后的信號(hào)線，然后連接到攝像頭模組的I2C接口(圖2)。

圖4 E2 PROM電路Fig 4 Circuit of E2 PROM

圖5 I2 C總線驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)電路Fig 5 Drive capability enhancement circuit of I2 C bus

2.4 紅外濾光片移動(dòng)電路

采用L298P芯片設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(圖6)，驅(qū)動(dòng)一個(gè)5 V的2相4線微型步進(jìn)電機(jī)。由于USB控制器工作電壓為 3.3V，因此，其輸出控制信號(hào) PA2，3，6，7(圖7)的高電平為3.3 V，為確保能可靠控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，特采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVX4245將3.3V的PA2等控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為高電平為5 V的控制信號(hào)Input1～I(xiàn)nput4。

圖6 微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig 6 Drive circuit of micro-stepping motor

圖7 電平轉(zhuǎn)換電路Fig 7 Circuit of level conversion

2.5 其他輔助電路

通過(guò)USB接口，從計(jì)算機(jī)獲取穩(wěn)定的+5V電源，經(jīng)過(guò)電源模塊調(diào)整，分別為USB控制器、E2PROM、可見光與不可見近紅外光源、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、攝像頭等電路提供5，3.3 V和2.5 V電源。

另外還有可見光源與不可見近紅外光源控制的行程開關(guān)電路，近紅外光自動(dòng)調(diào)光電路［8］等。

3 圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖像采集系統(tǒng)軟件主要分為USB固件程序、USB驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)圖像采集軟件。

傳感器OV2640的圖像輸出格式為YUV422—UYVY，上位機(jī)軟件需要將YUV格式轉(zhuǎn)換為RGB格式顯示到屏幕上。

由于本設(shè)計(jì)使用USB控制芯片68013只有56引腳，沒(méi)有定時(shí)器功能。在固件程序中，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的重復(fù)脈沖信號(hào)只能通過(guò)延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)，當(dāng)紅外濾光片左右移動(dòng)時(shí)，USB控制器暫時(shí)停止向計(jì)算機(jī)傳輸圖像數(shù)據(jù)?；谶@種思想，軟件工作流程如下:

1)上位機(jī)圖像采集軟件啟動(dòng)后，會(huì)自動(dòng)發(fā)送視頻傳輸命令。使用者通過(guò)接收到的實(shí)時(shí)視頻，觀察紅外濾光片位置，如濾光片沒(méi)有擋在鏡頭上方且可見光亮?xí)r，則需按下軟件界面的復(fù)位按鈕，軟件發(fā)送紅外濾光片右移命令，同時(shí)在一段時(shí)間(需要根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率而定)內(nèi)不再實(shí)時(shí)發(fā)送視頻傳輸命令，下位機(jī)固件程序接到右移命令后，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送脈沖控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)紅外濾光片離開可見光行程開關(guān)，移到鏡頭上方并觸發(fā)不可見近紅外光行程開關(guān)以使紅外光亮，這時(shí)上位機(jī)軟件繼續(xù)發(fā)送視頻傳輸命令并使計(jì)算機(jī)屏幕能夠動(dòng)態(tài)顯示手指靜脈圖像。

2)擺放好手指后，使用者按下軟件界面圖像采集按鈕，首先保存一幅手指靜脈圖像;然后發(fā)送紅外濾光片左移命令(同時(shí)在一段時(shí)間內(nèi)不再實(shí)時(shí)發(fā)送視頻傳輸命令)，下位機(jī)固件程序接到該命令后，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)紅外濾光片離開近紅外光行程開關(guān)與遮擋鏡頭的位置，隨后觸發(fā)可見光行程開關(guān)以使可見光亮，這時(shí)上位機(jī)軟件再繼續(xù)發(fā)送視頻傳輸命令使計(jì)算機(jī)屏幕能夠動(dòng)態(tài)顯示指節(jié)折痕圖像，同時(shí)保存一幅指節(jié)折痕圖像。最后，軟件再執(zhí)行一次復(fù)位功能，使濾光片回到遮擋鏡頭位置。

經(jīng)上述步驟，可實(shí)現(xiàn)先后采集手指靜脈與指節(jié)折痕2種不同類型的雙模態(tài)生物特征圖像。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的手指靜脈與指節(jié)折痕雙模態(tài)圖像采集系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示，采集到的圖像如圖9所示。

5 結(jié)論

圖8 雙模態(tài)圖像采集系統(tǒng)Fig 8 Dual-modal image acquisition system

圖9 手指指節(jié)折痕與靜脈圖像Fig 9 Images of finger vein and finger crease

本文設(shè)計(jì)一種新型基于USB 2.0和CMOS圖像傳感器的雙模態(tài)生物圖像采集系統(tǒng)，針對(duì)手指同一部位，不僅可以采集皮膚內(nèi)部的手指靜脈圖像，也可以采集皮膚表面的指節(jié)折痕圖像。該系統(tǒng)為非接觸式采集模式，成本低，且能夠在上位機(jī)采集軟件中將SVGA(分辨率800×600)圖像模式以24幀/s的視頻形式顯示。因此，該系統(tǒng)采集的2種不同類型圖像，能夠?qū)崟r(shí)提供給手指靜脈與指節(jié)折痕雙模態(tài)生物特征識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行雙模態(tài)識(shí)別算法研究與應(yīng)用。

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