一種掌紋采集與識(shí)別系統(tǒng)

井榮枝，李 萍，張?jiān)讫?/p>

（1.鄭州大學(xué) 西亞斯國(guó)際學(xué)院，河南 鄭州 451150；2.華中科技大學(xué) 湖北 武漢 430074）

在基于生物統(tǒng)計(jì)的自動(dòng)身份鑒別技術(shù)中，指紋身份鑒別技術(shù)比較成熟使用最為廣泛。掌紋識(shí)別近幾年來(lái)興起，并發(fā)展成為人體生物特征識(shí)別技術(shù)的研究熱點(diǎn)。與指紋相比，掌紋識(shí)別具有很多優(yōu)點(diǎn)[1-3]，如獲取掌紋的方式與刑事和訴訟關(guān)聯(lián)較小，用戶接受度高；面積較大，涵括的信息量豐富，因此具有更好的區(qū)分性；分類(lèi)特征明顯穩(wěn)定，提取的特征受噪聲干擾較?。徊杉O(shè)備簡(jiǎn)單易行，且成本遠(yuǎn)低于虹膜識(shí)別的采集設(shè)備等。因?yàn)檎萍y圖像中包含有十分豐富的信息，不容易出現(xiàn)磨損，這點(diǎn)好于指紋；掌紋識(shí)別的識(shí)別精度比人臉識(shí)別要高；簽名識(shí)別會(huì)受到人自身情緒和外界因素影響，所以掌紋在穩(wěn)定性方面要高于簽名識(shí)別。所以，目前掌紋識(shí)別研究和識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受到很多學(xué)者的廣泛關(guān)注[4]。但是掌紋識(shí)別發(fā)展較晚，還沒(méi)有像虹膜、人臉、指紋識(shí)別那樣得到廣泛的關(guān)注和研究。本文簡(jiǎn)單介紹掌紋識(shí)別系統(tǒng)和掌紋圖像采集系統(tǒng)。

1 掌紋識(shí)別系統(tǒng)

掌紋識(shí)別系統(tǒng)同其他生物特征識(shí)別系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是一樣的，他們都由兩個(gè)部分構(gòu)成：訓(xùn)練樣本錄入階段和測(cè)試樣本分類(lèi)階段。訓(xùn)練樣本錄入階段可以描述如下：首先對(duì)采集的掌紋訓(xùn)練樣本進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行特征提取，把提取的掌紋特征存入特征數(shù)據(jù)庫(kù)中留待與被分類(lèi)樣本進(jìn)行匹配。測(cè)試樣本分類(lèi)階段是對(duì)獲取的測(cè)試樣本經(jīng)過(guò)與訓(xùn)練樣本相同的預(yù)處理、特征提取步驟后，送入分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)。

掌紋圖像采集，首先利用某種設(shè)備（基于CCD的專門(mén)掌紋圖像采集儀、數(shù)碼照相機(jī)等）對(duì)掌紋圖像進(jìn)行采集，然后掌紋圖像轉(zhuǎn)換成可以用計(jì)算機(jī)處理的矩陣數(shù)據(jù)，一般采集利用的都是二維灰度圖像。

掌紋系統(tǒng)一般包括以下5部分：1）掌紋圖像采集。根據(jù)不同的采集設(shè)備（例如CCD照像機(jī)）采集掌紋區(qū)域圖像。2）圖像預(yù)處理。根據(jù)手形或者特定設(shè)備提供基準(zhǔn)線對(duì)圖像預(yù)處理，提取掌紋感興趣（ROI）區(qū)域。預(yù)處理的目的是使所采集的掌紋圖像能方便的對(duì)圖像后續(xù)處理，如去除噪聲使圖像更清晰，對(duì)輸入測(cè)量引起或其他因素所造成的退化現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)原，并對(duì)圖像進(jìn)行歸一化處理。最常見(jiàn)的掌紋預(yù)處理就是切割ROI區(qū)域。3）提取特征與選擇。根據(jù)不同的特征提取方法從掌紋ROI區(qū)域中提取不同的特征，并且建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)處理過(guò)的特征信息。特征提取與選擇，有時(shí)經(jīng)過(guò)了預(yù)處理的信息仍然比較龐大和冗余，這就需要我們對(duì)預(yù)處理過(guò)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)特征提取與選擇，并且建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)處理過(guò)的信息。4）特征匹配，對(duì)應(yīng)不同方法使用某種特定距離進(jìn)行特征匹配。5）特征分類(lèi)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行分類(lèi)與識(shí)別。

掌紋識(shí)別的基本框架見(jiàn)圖1。

圖1 掌紋識(shí)別系統(tǒng)Fig.1 The system of the palmprint identification

2 掌紋圖像采集系統(tǒng)

掌紋采集技術(shù)是掌紋識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)，采集到的掌紋圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響帶識(shí)別系統(tǒng)的精確和可行性。目前，掌紋采集儀很多，其中，超聲波型掌紋采集儀因價(jià)格昂貴，所以應(yīng)用較少；光學(xué)掌紋采集儀體積較大，不易于嵌入；半導(dǎo)體型掌紋采集儀集成度高，但由于體積大、價(jià)格高等缺點(diǎn)，所以沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。本文從市場(chǎng)的需求出發(fā)，介紹一種便攜式的、低成本的掌紋采集系統(tǒng)。

在本采集系統(tǒng)中，采用具有USB接口的控制核心，主要考慮以下兩方面的因素：1）作為控制核心，需要具有進(jìn)行嵌入開(kāi)發(fā)的功能，實(shí)現(xiàn)掌紋數(shù)據(jù)采集的控制；2）實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)高速通訊，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

Cy7c68013是Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片，其中包括一個(gè)480 Mb/s的USB2.0收發(fā)器PLL和SIE、雙緩沖、三緩沖和四緩沖，四緩沖的FIFOS端點(diǎn)能提供480 Mb/s的USB2.0數(shù)據(jù)速率、內(nèi)建8051標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，USB固件可在內(nèi)部RAM上軟配置，簡(jiǎn)化了硬代碼存儲(chǔ)器[5-6]。

掌紋傳感器的選擇直接影響著掌紋采集系統(tǒng)的質(zhì)量。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了很多掌紋傳感器，如CMOS掌紋傳感器、超聲波掌紋傳感器、刮擦式傳感器等新型傳感器，這些傳感器的體積小、價(jià)格比較低。結(jié)合本采集系統(tǒng)小型化、低功耗、低成本的實(shí)際需要，筆者選擇AuthenTec公司的AES2510。掌紋傳感器與處理器的接口設(shè)計(jì)是掌紋采集系統(tǒng)的核心。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮開(kāi)發(fā)成本與周期和通訊速度等。設(shè)計(jì)硬件連接如圖2所示。

圖2 掌紋采集系統(tǒng)的硬件連接圖Fig.2 The hardware connection diagram of the palmprint acquisition system

傳感器AES2510的4種接口方式的選擇可通過(guò)設(shè)置IOSEL1和IOSEL0引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于基本并口協(xié)議簡(jiǎn)單、速度較高的特點(diǎn)，所以筆者采用并口接口模式。

通用可編程接口是Cypress公司FX2系列USB芯片端點(diǎn)FIFO的內(nèi)部控制器。它可以由軟件編寫(xiě)讀寫(xiě)控制時(shí)序，幾乎可以與所有8/16bit接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行無(wú)縫連接。這對(duì)于具體的采集系統(tǒng)十分方便，由此實(shí)現(xiàn)傳感器AES2510的數(shù)據(jù)高速同步采集及傳輸。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由USB固件和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序兩部分組成[6]。其中USB固件是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，它是運(yùn)行在FX2芯片CY7C68013中的代碼，包括兩部分USB協(xié)議的代碼和與掌紋傳感器通訊實(shí)現(xiàn)采集控制的代碼：1）能夠經(jīng)過(guò)枚舉，標(biāo)識(shí)連接到計(jì)算機(jī)的是USB設(shè)備，符合USB的協(xié)議。該功能模塊的代碼可以利用Cypress公司提供的固件程序架構(gòu)；2）利用Cy7c68013內(nèi)部增強(qiáng)型8051能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掌紋傳感器AES2510的控制。該功能模塊的代碼也可以在Cypress公司提供的固件程序架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加其他端點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信代碼，控制外圍電路的程序代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用EZ-USB來(lái)開(kāi)發(fā)控制AES2510的代碼，通過(guò)Cypress公司的通用可編程外部接口GPIF波形描述符，編寫(xiě)符合AES2510需要的并口通訊協(xié)議的波形圖，內(nèi)嵌至固件程序中，實(shí)現(xiàn)與傳感器的通訊，并命令傳感器進(jìn)行掌紋數(shù)據(jù)的采集。

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用程序與EZ-USB外設(shè)進(jìn)行通信的橋梁。它是基于通用目的的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序GPD（General Purpose Driver）開(kāi)發(fā)。對(duì)Cypress公式提供的GPD中的參數(shù)文件進(jìn)行修改，再在Windows DDK與VC++6.0利用Build命令重新編譯即可生成用戶定制驅(qū)動(dòng)程序。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)與USB設(shè)備的通訊，驅(qū)動(dòng)層中需要定義一些功能函數(shù)。完成初始化USB、釋放USB、讀操作、寫(xiě)操作和USB芯片模式設(shè)置等功能。

3 掌紋ROI提取技術(shù)

當(dāng)采集掌紋圖像時(shí)，掌紋與手掌的位置、方向甚至姿勢(shì)都會(huì)有所變化，這使得不同時(shí)刻采集同一手部掌紋圖像會(huì)有不同程度的旋轉(zhuǎn)與平移。同時(shí)，由于每個(gè)人的手掌大小不一樣，采集到的掌紋區(qū)域大小也不一致，這些都不利于手掌特征的提取與匹配。因此在特征提取前，應(yīng)該先進(jìn)行預(yù)處理，提取出每個(gè)手掌的感興趣區(qū)域（ROI）。聯(lián)機(jī)掌紋識(shí)別的掌紋ROI分割方式主要分為基于正方形的分割方式和基于圓的分割方式。第二種方法是在最大內(nèi)切圓的基礎(chǔ)上提取手掌的中心區(qū)域，具有旋轉(zhuǎn)不變的優(yōu)點(diǎn)。但相對(duì)而言，最大內(nèi)切圓的搜索過(guò)程比較耗時(shí)，而基于正方形的分割方式首先找到一個(gè)手掌的指尖指縫關(guān)鍵點(diǎn)，然后利用這些關(guān)鍵點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，再在該坐標(biāo)系下的特定位置提取出一定大小的正方形，目前基于正方形的掌紋ROI分割方法主要有3種：第一種方法是先確定三個(gè)指谷關(guān)鍵點(diǎn)，掌紋坐標(biāo)系的Y軸由第一個(gè)指谷與第三個(gè)指谷的連線確定，而X軸由過(guò)第一個(gè)指谷點(diǎn)到Y(jié)軸的垂線確定（見(jiàn)圖3），兩直線的交點(diǎn)即為原點(diǎn)，最后提取一定大小的子圖，該子圖的中心與Y軸的距離為某一特定值；第二種方法以中指兩邊的指谷建立坐標(biāo)系，從而對(duì)齊不同的掌紋圖像；第三種方法與第一種方法相似，所不同的是只有第一和第三個(gè)指谷被用于建立坐標(biāo)系，Y軸第一和第三個(gè)指谷的連線，原點(diǎn)為第一和第三個(gè)指谷的中點(diǎn)。

圖3 連接第一和第三個(gè)指谷點(diǎn)，構(gòu)造新的坐標(biāo)系Fig.3 Connecting P1 and point P2 and constructing a new coordinate system

4 結(jié) 論

文中利用了AES2510的并口方式和Cy7c68013的GPIF接口的可編程性，快速有效地實(shí)現(xiàn)它們之間的通信?；贑ypress公司的Cy7c68013和Authentec公司的掌紋傳感器AES2510，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種比較實(shí)用的掌紋采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)有望應(yīng)用在門(mén)禁、汽車(chē)防盜、便攜設(shè)備信息保護(hù)等身份鑒別系統(tǒng)。

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