梁建霞， 胡 超， 劉曉娜

(1.北京市科學(xué)技術(shù)研究院 模式識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.北京市新技術(shù)應(yīng)用研究所，北京100094)

基于CCD的掌紋掌脈采集模塊設(shè)計(jì)*

梁建霞1,2， 胡 超1,2， 劉曉娜1,2

(1.北京市科學(xué)技術(shù)研究院 模式識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.北京市新技術(shù)應(yīng)用研究所，北京100094)

針對(duì)掌紋掌脈身份認(rèn)證的需求，以掌紋和掌靜脈圖像采集系統(tǒng)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于CCD的掌紋掌脈采集模塊。采集模塊采用單CCD作為圖像感應(yīng)芯片，在單顆芯片上同時(shí)獲得掌紋掌脈圖像，光源設(shè)計(jì)上突破性地采用了激光二極管作為紅外補(bǔ)充光源，采集的圖像以USB數(shù)據(jù)形式進(jìn)行上傳。實(shí)驗(yàn)表明：采集模塊能夠獲得滿足圖像處理要求的清晰可靠的掌紋掌脈圖像。

生物識(shí)別； 掌紋掌脈圖像； 電荷耦合器件

0 引 言

生物識(shí)別技術(shù)主要是指通過人類生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)，在眾多生物識(shí)別技術(shù)中，掌紋識(shí)別技術(shù)是利用人體掌紋中包含的豐富特征，如主線、皺褶、三角點(diǎn)和細(xì)節(jié)點(diǎn)等[1]來進(jìn)行身份的鑒別。掌紋識(shí)別具有特征信息豐富，精度高的特點(diǎn)。除了手掌的掌紋特征以外，人們還可以利用手掌靜脈來進(jìn)行個(gè)體的身份鑒別，手掌靜脈識(shí)別的主要特點(diǎn)是非侵入式的圖像采集，靜脈特征在可見光下不易被辨別[2]，具有較強(qiáng)的隱蔽性和防偽性，同時(shí),由于斷落的手掌和尸體因血液停止流動(dòng)將不能通過認(rèn)證，所以,掌脈又可以作為活體識(shí)別的依據(jù)[3]。但是，掌脈識(shí)別也有自身的缺陷，由于靜脈較粗，信息量較掌紋少很多，同時(shí),因個(gè)體差異，有些人的皮下靜脈特征并不明顯，如脂肪較厚的人。因此,單一掌脈識(shí)別其精度無法得到保障。掌紋掌脈識(shí)別技術(shù)結(jié)合掌紋和掌脈識(shí)別方法和特點(diǎn)，對(duì)掌紋識(shí)別和掌脈識(shí)別兩種生物識(shí)別技術(shù)進(jìn)行融合來進(jìn)行身份認(rèn)證 ，既具有掌紋識(shí)別的高精度，又具有掌脈識(shí)別的活體特性，提高了認(rèn)證系統(tǒng)的安全可靠性。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)掌紋掌脈技術(shù)的融合，在圖像采集前端就需要能夠設(shè)計(jì)一種同時(shí)滿足掌紋圖像采集和掌脈圖像采集的采集模塊。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于CCD的掌紋掌脈圖像采集模塊裝置。該模塊由光源子系統(tǒng)、鏡頭、圖像傳感器、圖像采集模塊組成，該模塊能夠在室內(nèi)不同的光源條件下，獲得滿足識(shí)別要求掌紋圖像和掌脈圖像。

1 CCD工作原理

掌紋成像是由于光源照射手掌時(shí)，在屈肌紋處留下陰影，從而使非掌紋區(qū)域和掌紋區(qū)域的亮暗對(duì)比度增強(qiáng)。由于波長(zhǎng)短的光穿透性弱且不易發(fā)生衍射，有利于掌紋成像[4]。因此，對(duì)于掌紋成像而言，本文選擇的CCD應(yīng)該對(duì)短波長(zhǎng)的光敏感。

掌脈圖像，即手掌皮下靜脈圖像，在自然光條件下是獲取不到的。為了獲得掌脈圖像，需要通過特定波長(zhǎng)范圍的近紅外光照射用戶手掌，由于靜脈血管中的血色素比其他生物組織吸收更多的近紅外輻射，近紅外光線反射回圖像傳感器后，形成靜脈血管形狀的圖像掌脈圖像。研究表明，850 nm波段的近紅外光最適合獲取手掌靜脈信息[5]。

為了同時(shí)獲得掌紋和掌脈圖像，本文選用了夏普的1.3MP B/W CCD RJ33J4。CCD芯片由于其結(jié)構(gòu)的物理原理具有低信號(hào)噪音、高分辨率、高靈敏度等高畫質(zhì)性能[6]，而這顆CCD區(qū)別于其他普通CCD的不同之處還在于它的像素點(diǎn)的感光響應(yīng)曲線并不是一樣的，根據(jù)感光響應(yīng)曲線的不同，CCD的像素點(diǎn)分為兩類：W，IR,如圖1所示。

圖1 W和IR像素點(diǎn)Fig 1 W and IR pixel point

W和IR像素點(diǎn)的感光響應(yīng)曲線如圖2。

圖2 W和IR像素點(diǎn)的感光曲線Fig 2 Photosensitive curve of W and IR pixel point

通過圖2可以看出：W像素點(diǎn)的感光曲線的峰值在550 nm，可以通過提取W像素點(diǎn)獲得可見掌紋圖像，IR像素點(diǎn)的感光曲線的峰值在830 nm，這是處于一個(gè)近紅外的區(qū)域，可以通過提取IR像素點(diǎn)獲得紅外掌脈圖像。

通過對(duì)CCD成像原理的分析可以看出，使用一顆CCD就能夠在同一時(shí)間點(diǎn)獲得掌紋圖像和掌脈圖像。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了能夠適應(yīng)更多的應(yīng)用場(chǎng)合，掌紋掌脈采集模塊裝置在設(shè)計(jì)上需要小型化，以利于和其他系統(tǒng)進(jìn)行集成。為了實(shí)現(xiàn)小型化的目的，在系統(tǒng)的補(bǔ)充光源設(shè)計(jì)和鏡頭的選擇上進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1 光源設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析可知，在470 nm的藍(lán)光條件下能夠很好地獲得清晰的掌紋圖像[4]，而通過上文分析可知，掌脈圖像在850 nm的近紅外光下成像效果最佳。于是，選擇470 nm的藍(lán)光和850 nm的近紅外光作為采集模塊的補(bǔ)充光源。

目前,通用的補(bǔ)充光源設(shè)計(jì)多是采用多顆普通可見LED和紅外LED點(diǎn)光源構(gòu)成不同形狀的均勻面光源來作為補(bǔ)充光源[7]，然而，采用這種方案的光源設(shè)計(jì)，光源面積大，制約了模塊實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合。

在470 nm的可見光補(bǔ)充光源設(shè)計(jì)中選擇5050封裝藍(lán)色LED，它內(nèi)部集成三個(gè)并聯(lián)方式存在的燈珠，發(fā)光角度為120°，光強(qiáng)達(dá)到5 000 mcd,且具有良好的單色性。在850 nm的近紅外補(bǔ)充光源設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新性地選擇了紅外激光二極管(LD)作為補(bǔ)充光源，相對(duì)LED而言，小封裝的普通LD光強(qiáng)大，光源集中，單顆器件就可以獲得較大的光強(qiáng)，但是存在的缺點(diǎn)是角度較小，容易形成亮光斑。針對(duì)這種情況，本文對(duì)LD設(shè)計(jì)了一個(gè)外部光路結(jié)構(gòu)。如圖3所示。

圖3 LD光路結(jié)構(gòu)Fig 3 LD optical path structure

將藍(lán)光LED和紅外LD組成一個(gè)補(bǔ)充光源系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 補(bǔ)充光源示意圖Fig 4 Diagram of supplementary light source

經(jīng)驗(yàn)證，手掌距離光源15 cm時(shí)，光源能夠有效地照亮手掌的有效區(qū)域。

2.2 鏡頭設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)一種小型的能夠適用最大應(yīng)用需求的采集模塊，鏡頭參數(shù)的選擇非常重要，由于選擇的成像傳感器通過一個(gè)CCD就可以同時(shí)獲得掌紋和掌脈圖像，從而掌紋和掌脈圖像的成像就是通過一個(gè)鏡頭來完成，于是，選擇的鏡頭必須能夠同時(shí)滿足掌紋圖像和掌脈圖像采集的要求。

由于用戶在離鏡頭15 cm左右的位置，補(bǔ)充光源能夠很好地照亮用戶的手掌，于是鏡頭選擇定焦鏡頭，焦距為15 cm。鏡頭的另一個(gè)重要參數(shù)是光圈，其主要決定鏡頭的進(jìn)光量，常用小型的消費(fèi)類非球面鏡頭光圈數(shù)序列是：F2.8，F(xiàn)5.6，F(xiàn)8.0，F(xiàn)11，F(xiàn)16。光圈值越小，通光孔徑越大，進(jìn)光量越多。同時(shí),光圈還是決定景深大小的最重要因素，光圈越小，景深越大，用戶在使用時(shí)就有一定的對(duì)焦冗余量?？紤]用戶使用的良好體驗(yàn)感，光圈參數(shù)確定為F2.8。圖5是采用F2.8光圈在用戶使用距離在15 cm和20 cm時(shí)獲得的掌紋和掌脈圖像，從中可以看出，在手掌離鏡頭15 cm和20 cm時(shí)，都可以取得清晰可見的圖像。

圖5 不同距離下的掌紋掌脈圖像Fig 5 Palm print and palm vein images with different distance

實(shí)驗(yàn)表明:這個(gè)參數(shù)的鏡頭能夠帶來良好的用戶體驗(yàn)，并滿足設(shè)計(jì)的需求。

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

2.3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了將CCD采集到的圖像能夠穩(wěn)定的通過USB接口進(jìn)行上傳，首先采用專用圖像處理芯片對(duì)CCD的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后使用CPLD將CCD采集的可見和紅外圖像從單幀數(shù)據(jù)中分離出來，最后通過USB處理芯片把數(shù)據(jù)從USB口發(fā)送出去，系統(tǒng)框圖如圖6。

2.3.2 圖像數(shù)據(jù)流傳輸分析

夏普的CCD輸出的數(shù)據(jù)大小為1 320×976，輸出的每一楨圖像數(shù)據(jù)格式如圖7。

圖7 CCD一楨數(shù)據(jù)格式Fig 7 1 frame data format of CCD

首先，采用專用的圖像處理芯片對(duì)CCD輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算。將圖像格式由1 320×976轉(zhuǎn)變?yōu)? 320×488大小。如圖8所示。

圖8 壓縮后的數(shù)據(jù)格式Fig 8 Compressed data format

然后，如圖9所示，使用CPLD按先后順序從數(shù)據(jù)流中獲得可見掌紋圖像和紅外掌脈圖像,即,從第1幀的1 320×488圖像中提取660×488大小的紅外掌脈圖像，從第2幀1 320×488圖像中提取660×488大小的可見掌紋圖像，并依此循環(huán)下去。將數(shù)據(jù)圖像整理成YUV422格式，最后通過USB芯片發(fā)送出去。

圖9 掌紋和掌脈圖像的分離Fig 9 Separation of palm print and palm vein images

整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)圖像流如圖10。

圖10 系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)流Fig 10 System image data stream

設(shè)計(jì)完成后，圖像每秒上傳20幀圖像，其中,10幀可見掌紋圖像，10幀紅外掌脈圖像。

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖如圖11所示。

圖11 硬件實(shí)物圖Fig 11 Physical map of hardware

使用本文系統(tǒng)對(duì)掌紋掌脈進(jìn)行采集，采集獲得的掌紋掌脈圖像如圖12。

圖12 系統(tǒng)采集的掌紋圖像和掌脈圖像Fig 12 Palm print and palm vein images collected by system

通過圖像可以看出，獲得的圖像紋理清晰，能夠很好地滿足算法識(shí)別的需要。

4 結(jié) 論

在近紅外和可見光的補(bǔ)充光源的照射下，基于CCD的掌紋掌脈采集模塊裝置可以獲得特征信息豐富，成像質(zhì)量高的掌紋和掌脈圖像，并能夠通過USB2.0接口以每秒20幀速率將采集到的掌紋和掌脈圖像上傳，確保了圖像后續(xù)處理的實(shí)時(shí)性要求。掌紋掌脈采集模塊裝置的設(shè)計(jì)為近一步的圖像識(shí)別算法處理奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] 岳 峰，左旺孟，張大鵬.掌紋識(shí)別算法綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2010,36(3):353-365.

[2] 汪 銳.手掌靜脈識(shí)別研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[3] 吳 微,苑瑋琦.手掌靜脈識(shí)別技術(shù)綜述[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào),2013,18(10):1215-1224.

[4] 苑瑋琦,楊 冰.非接觸手成像系統(tǒng)圖像采集光源的研究[J].激光與紅外,2014,44(7):783-787.

[5] 吳 微,苑瑋琦，林 森，等.手掌靜脈識(shí)別典型波長(zhǎng)選擇[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(12):1211-1219.

[6] 熊 平.CCD與CMOS圖像傳感器特點(diǎn)比較[J].半導(dǎo)體光電,2004,25(1):1-4.

[7] 苑瑋琦,孔德奇.基于多光譜的手掌三模態(tài)采集裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(10):35-38.

Design of palm print and palm vein acquiring module based on CCD*

LIANG Jian-xia1,2， HU Chao1,2， LIU Xiao-na1,2

(1.Key Laboratory of Pattern Recognition,Beijing Academy of Science and Technology,Beijing 100094,China;2.Beijing Institute of New Technology Applications,Beijing 100094,China)

Aiming at the requirements of palm print and palm vein authentication,taking the palm print and palm vein image acquisition system as research object,design a palm print and palm vein image acquisition model based on CCD.The acquisition module uses single CCD as the image sensing chip,can obtain the palm print images and the palm vein images at the same time.In addition,the light source design creatively uses laser diode as infrared additional light source,the collected image data is uploaded via USB.Experimental results show that the acquired module can obtain clear and reliable image meeting the requirements of image processing.

biological recognition； palm print and palm vein image； CCD

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0073—03

2015—10—21

北京市科學(xué)技術(shù)研究院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助項(xiàng)目(IG201505N)：北京市科學(xué)技術(shù)研究院青年骨干計(jì)劃資助項(xiàng)目(201309)

TP 274

A

1000—9787(2016)07—0073—03

梁建霞(1977-)，女，江西吉安人，碩士研究生，助理研究員，主要研究方向?yàn)閳D像采集與處理系統(tǒng)。