指靜脈與折痕雙模態(tài)圖像采集系統(tǒng)設(shè)計*

管鳳旭，姜智超，吳秋雨，王科俊，孟祥宇

(哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

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

手指靜脈具有活體識別、內(nèi)部特征、非接觸和安全性高等優(yōu)點，因此，手指靜脈識別技術(shù)是一種高防偽的第二代生物認證技術(shù)［3，4］，但存在可提取特征信息量不足的缺點。手指指節(jié)折痕位于手指皮膚表面，相對于指紋具有不易磨損與改變的優(yōu)點［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，組成一個雙模態(tài)生物識別系統(tǒng)，將彌補單一手指靜脈生物特征數(shù)量不足的缺點，使識別系統(tǒng)安全性與可靠性得到提高。因此，本文設(shè)計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，靜脈中血紅蛋白對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亮，且需要紅外濾光片濾光。紅外濾光片可使高于某一波長的近紅外光通過，而低于該波長的可見光截止。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方式左右移動紅外濾光片。自動方式則需要一個微型步進電機帶動凸輪聯(lián)動機構(gòu)拖動紅外濾光片左右往復(fù)移動。同時，在紅外濾光片移動的滑道兩端各安裝一個行程開關(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

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;尤其是波長為830 nm時，對近紅外光成像效果達到最優(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。

為保證上位機圖像采集軟件能夠獲取24幀/s以上動態(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，也可以通過寄存器設(shè)置由內(nèi)部產(chǎn)生，本設(shè)計采用后種方式。

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］。為實現(xiàn)USB芯片實時接收圖像傳感器視頻數(shù)據(jù)，設(shè)置USB芯片為Slave FIFO從機模式，將圖像傳感器的幀同步信號VSYNC作為一幀圖像接收的中斷信號(圖3)，將行同步信號HREF作為USB芯片的寫信號SLWR，并將像素時鐘PCLK作為USB芯片傳輸時序時鐘信號，以保證行同步信號HREF有效時才能接收圖像的像素數(shù)據(jù)。同時，設(shè)置數(shù)據(jù)端口為8位數(shù)據(jù)總線模式，可接收圖像傳感器Y2～Y9數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)將視頻數(shù)據(jù)從USB芯片快速傳輸至計算機中，設(shè)置EP2端口為BULK傳輸模式的IN端點，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)計算機操作系統(tǒng)識別USB設(shè)備時，USB控制器通過I2C總線，可將存儲在E2PROM(圖4)中的固件程序下載到自身的RAM中執(zhí)行，實現(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、且I2C信號線過細時，會導(dǎo)致I2C通信不可靠，采用CBTD3306芯片(圖5)可提高I2C總線驅(qū)動能力。圖5中，SIO—C和SIO—D為USB控制器引出的信號線(圖3);SIO—C—1和SIO—D—1是增強后的信號線，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)動能力增強電路Fig 5 Drive capability enhancement circuit of I2 C bus

2.4 紅外濾光片移動電路

采用L298P芯片設(shè)計電機驅(qū)動電路(圖6)，驅(qū)動一個5 V的2相4線微型步進電機。由于USB控制器工作電壓為 3.3V，因此，其輸出控制信號 PA2，3，6，7(圖7)的高電平為3.3 V，為確保能可靠控制電機驅(qū)動電路，特采用電平轉(zhuǎn)換芯片74LVX4245將3.3V的PA2等控制信號轉(zhuǎn)換為高電平為5 V的控制信號Input1～Input4。

圖6 微型步進電機驅(qū)動電路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USB接口，從計算機獲取穩(wěn)定的+5V電源，經(jīng)過電源模塊調(diào)整，分別為USB控制器、E2PROM、可見光與不可見近紅外光源、步進電機及驅(qū)動、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，近紅外光自動調(diào)光電路［8］等。

3 圖像采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

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

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

由于本設(shè)計使用USB控制芯片68013只有56引腳，沒有定時器功能。在固件程序中，控制步進電機轉(zhuǎn)動的重復(fù)脈沖信號只能通過延時程序?qū)崿F(xiàn)，當(dāng)紅外濾光片左右移動時，USB控制器暫時停止向計算機傳輸圖像數(shù)據(jù)。基于這種思想，軟件工作流程如下:

1)上位機圖像采集軟件啟動后，會自動發(fā)送視頻傳輸命令。使用者通過接收到的實時視頻，觀察紅外濾光片位置，如濾光片沒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，同時在一段時間(需要根據(jù)步進電機轉(zhuǎn)動頻率而定)內(nèi)不再實時發(fā)送視頻傳輸命令，下位機固件程序接到右移命令后，向電機驅(qū)動電路發(fā)送脈沖控制信號，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動并帶動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，這時上位機軟件繼續(xù)發(fā)送視頻傳輸命令并使計算機屏幕能夠動態(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(同時在一段時間內(nèi)不再實時發(fā)送視頻傳輸命令)，下位機固件程序接到該命令后，控制步進電機轉(zhuǎn)動并帶動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，這時上位機軟件再繼續(xù)發(fā)送視頻傳輸命令使計算機屏幕能夠動態(tài)顯示指節(jié)折痕圖像，同時保存一幅指節(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 實驗結(jié)果

本文設(shè)計的手指靜脈與指節(jié)折痕雙模態(tài)圖像采集系統(tǒng)實物如圖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提供給手指靜脈與指節(jié)折痕雙模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)進行雙模態(tài)識別算法研究與應(yīng)用。

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