基于FPGA手指靜脈圖像采集系統的研制*

余成波，余玉潔，方 軍，鄧順華

（重慶理工大學 遠程測試與控制研究所，重慶 400054）

基于FPGA手指靜脈圖像采集系統的研制*

余成波，余玉潔，方 軍，鄧順華

（重慶理工大學 遠程測試與控制研究所，重慶 400054）

分析了手指靜脈成像原理，研制了以FPGA為主控芯片的手指靜脈采集系統，該系統由手指靜脈圖像采集裝置、圖像采集控制模塊、圖像緩存控制模塊和LCD顯示控制模塊等構成。實驗結果表明，采用波長為850 nm的近紅外光源模塊、MT9V034攝像頭、VIP_Board Full FPGA開發(fā)板、5.0寸 TFT LCD顯示屏組成的手指靜脈采集顯示系統體積小、采集實時性強，顯示的手指靜脈圖像紋路清晰，具有良好的穩(wěn)定性?；贔PGA手指靜脈采集系統穩(wěn)定清晰，具有巨大市場價值。

手指靜脈圖像；FPGA；采集系統

0 引言

近幾年，手指靜脈識別方面的研究與應用越來越豐富，如在ATM機、門禁系統、電腦登錄等領域的應用。國內手指靜脈識別技術還處于研究階段，相關產品比較少。國外手指靜脈識別技術做得最好的是日本金立公司，已推出多款手指靜脈識別應用產品，比如ATM機不需輸入密碼，直接進行手指靜脈識別取款。手指靜脈圖像采集的效果直接影響手指靜脈識別系統的性能，目前手指靜脈圖像采集系統廣泛使用的控制器是ARM、DSP或 PC機?，F場可編程門陣列 FPGA（Field Programmable Gate Array）是基于硬件的處理器，具有強大的并行處理能力，與DSP、ARM相比，FPGA能夠實現硬件加速和流水線技術，因而在處理數據流量大的圖像方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。因此，采用FPGA進行圖像采集，其實時性和穩(wěn)定性較好。為此，本文進行了基于FPGA的手指靜脈圖像采集技術的研究，以FPGA為控制芯片、SDRAM為緩存介質，結合具有功耗低、體積小等優(yōu)點的MT9V034攝像頭和TFT LCD顯示器，研制了一種手指靜脈圖像采集系統。

1 手指靜脈成像模型

人體血液中含有血紅蛋白，血紅蛋白對 760 nm和850 nm附近的近紅外光有較強的吸收作用[1]。當用該種近紅外光照射手指時，會形成暗影的靜脈圖像。手指靜脈成像原理模型如圖1所示，實驗采用峰值為850 nm的近紅外光從手指背部照射手指，采用透射方式，手指正面的靜脈血管吸收了一部分近紅外光，而手指的骨骼和肌肉沒有這種特性，攝像頭從手指正面拍照，并在攝像頭上加上紅外濾光片，濾除可見光，這樣會得到靜脈暗影的手指靜脈圖像[2]。

圖1 手指靜脈成像模型

2 手指靜脈采集系統硬件研制

2.1 采集系統工作原理

手指靜脈圖像采集系統由近紅外光源模塊、攝像頭、手指靜脈采集裝置、FPGA開發(fā)板、TFT LCD顯示屏組成。其工作原理如圖2所示，通過近紅外光照射手指背面，攝像頭采集到的靜脈圖像數據經過SDRAM緩存，通過TFT LCD液晶顯示屏實時顯示。在軟件 Quartus II 13.0中用 Verilog語言設計系統中的圖像采集控制模塊、圖像緩存控制模塊、LCD顯示控制模塊[3]。

圖2 手指靜脈圖像采集系統工作原理圖

2.2 手指靜脈圖像采集硬件選型

2.2.1 FPGA開發(fā)板的選擇

因為VIP_Board Full FPGA開發(fā)板價格低、體積小、FPGA和SDRAM芯片配置比較好、圖像開發(fā)接口比較完善，所以本文選擇VIP_Board Full作為手指靜脈圖像采集系統的FPGA開發(fā)板。它的FPGA處理器為Cyclone IV系列 EP4CE15E17C8N，具有15 408個邏輯單元、166個用戶接口，516 096 bit存儲器、112個乘法器、4個 PLL、20個全局時鐘，其主時鐘為 50 MHz。它的 SDRAM圖像緩存器件為Hynix公司的 HY57V283220T-6，具有 4個 Bank、12條行地址線、8條列地址線(行列地址線共用)，單片總容量為 128 Mbit，初始化時間100 μs，速率為166 MHz。

2.2.2 光源的選擇與模塊設計

靜脈成像原理說明靜脈的成像效果受光源的影響非常大，本文選用廈門華聯電子有限公司的HIR503XDX系列的紅外二極管作為光源[4]，因為該紅外二極管發(fā)出紅外光的峰值波長為850 nm，而且每一個二極管體積適中，適合并排在一起制作成近紅外光源模塊。本系統選用了24個紅外二極管、2個130 Ω的電阻制作了一個近紅外光源模塊。

2.2.3 攝像頭和TFT LCD顯示器的選擇

攝像頭是手指靜脈圖像采集系統的關鍵組成部分，直接影響手指靜脈圖像的成像效果。根據手指靜脈成像原理，得到的靜脈圖像是黑白暗影圖像，而且所選攝像頭要對波長850 ns附近的近紅外光敏感。MT9V034是美國Micron公司開發(fā)的COMS攝像頭,分為彩色攝像頭和黑白攝像頭兩種，其對波長850 ns附近的近紅外光比較敏感，擁有752×480的感光陣列，支持752×480@60 Hz的圖像輸出，它一個像素點為8位信號，即其支持的LCD圖像輸出為60幀/s、36萬像素。因此本文選擇了MT9V034黑白攝像頭來采集手指靜脈圖像。

TFT LCD顯示器選用 LW500AC9004，其大小為5.0寸，分辨率為 800×480，為顯示手指靜脈圖像提供了載體。

2.2.4 手指靜脈采集裝置的設計

根據人手指、MT9V034攝像頭鏡頭、紅外光源模塊的形狀和大小，設計了手指靜脈采集裝置，如圖3所示。在采集裝置殼體中上部開有手指孔，在殼體內與手指孔相對應的位置設計有指尖定位槽，手指由手指孔及指尖定位槽固定；將近紅外光源模塊固定在手指孔與定位槽的正上方，在手指孔與定位槽的正下方固定攝像頭，在攝像頭上貼紅外濾光片，用于濾除可見光；攝像頭的信號輸出線與 VIP_Board Full FPGA開發(fā)平臺的攝像頭接口相連[5-7]。

圖3 手指靜脈采集裝置設計圖

3 手指靜脈圖像采集

由于MT9V034寄存器中初始值滿足本文手指靜脈圖像采集系統研制的要求，因此在設計圖像采集控制模塊時不需要對MT9V034進行初始化。在進行圖像采集控制模塊設計中，首先接收 MT9V034視頻圖像信號，并進行同步化設計。由于MT9V034需要10幀延時，所以通過場計數延時等待 MT9V034攝像頭穩(wěn)定，然后輸出行場信號。圖像采集控制模塊流程圖如圖4所示。

圖4 圖像采集控制模塊流程圖

該模塊采用Verilog HDL語言編寫，經過Quartus II 13.0綜合生成的寄存器轉換級電路(Register Transport Level，RTL)原理圖如圖 5。clk_cmos為外部 24 MHz時鐘輸入，由coms_xclk引出，作為MT9V034的驅動時鐘，其中的 24 MHz時鐘由分頻模塊將 50 MHz分頻得到。cmos_pclk對應 MT9V034輸出像素時鐘信號，cmos_vsync對應MT9V034輸出場同步信號，coms_href對應MT9V034輸出行有效信號，cmos_data對應 MT9V034輸出 8 bit像素數據。coms_frame_data相對于coms_data延時了兩個像素時鐘。coms_frame_clken為FPGA采樣后輸出的數據捕獲使能信號，外部模塊通過該信號讀取coms_frame_data。

圖5 圖像采集控制模塊RTL原理圖

MT9V034輸出分辨率為 752×480，其中 coms_href信號為高電平有效，每一行有效像素為 752個，cmos_vsync信號也為高電平有效，每一列顯示有效像素是480個。cmos_vsync信號從高電平變成低電平表示一幀信號的完畢。每個黑白像素點是8 bit信號。

SignalTap II Logic Analyzer是一款方便且實用的FPGA片上調試軟件，集成于 Quartus II中，可以捕獲和顯示實時信號 。圖6為下載圖像采集模塊工程的sof文件到FPGA中后，通過Signal II捕獲MT9V034的部分圖像采集數據。如圖6所示，在行有效信號coms_href起始時，攝像頭采集的像素數據 coms_data同步從8'h00開始輸出，在行有效信號結束時，coms_data同步從輸出變成8'h00。

圖6 截取某行有效信號放大后的波形

從圖6中分析可知，當輸出行有效信號時，coms_href從采樣點574開始，到2 554結束。由于輸入數據位的頻率為24 MHz，設置的采樣時鐘為60 MHz，所以一個數據平均被采樣2.5次，這樣每行輸出像素個數的計算如下：

NUM=(2 554-574)/2.5=752

即一行有752個像素點，則波形與設計預期完全符合。

4 手指靜脈圖像緩存與顯示

4.1 圖像緩存控制模塊設計

在設計圖像緩存控制模塊時，參考了Terasic官方開發(fā)平臺中SDRAM的Verilog HDL開發(fā)例程，官方平臺上用的是 Sdram_Control_4Port這個 SDRAM控制器，其宏定義參數列表、控制器封裝等設計都比較完善，實際運用效果很好，它有2個讀端口和2個寫端口。而本文設計的SDRAM控制器只需要一個讀端口和一個寫端口。

本系統所選擇的SDRAM的驅動時鐘是100 MHz，在往SDRAM寫視頻圖像數據的同時，需要從SDRAM讀出數據在LCD上顯示。本圖像采集緩存控制模塊設計了兩個端口，一個讀端口，一個寫端口。寫端口負責將寫入DCFIFO中的數據寫入SDRAM，讀端口需要從SDRAM中讀出圖像數據寫入DCFIFO中。在本設計中，SDRAM的讀寫均采用全頁突發(fā)模式，一次可以讀寫 256個數據[8]。由于攝像頭的分辨率是 752×480，所以圖像數據存入SDRAM的地址空間是0～752×480。

由于所用FPGA開發(fā)板的 LCD接口電路需要的圖像數據信號是24位的 RGB（R、G、B各8位）信號，而攝像頭采集的是8位的黑白信號，為了能在LCD上顯示黑白的手指靜脈圖像，需要 R=G=B=coms_frame_data，這樣SDRAM突發(fā)讀寫的每個數據是24位[9]。

4.2 LCD顯示控制模塊設計

攝像頭MT9V034輸出8位圖像數據通過SDRAM緩存處理顯示到LCD上。LCD顯示控制模塊經過綜合生成的RTL原理圖如圖7所示。該模塊的輸入信號有時鐘信號clk、復位信號rst_n、24位圖像數據信號lcd_data，輸出信號有 RGB信號 lcd_rgb、LCD使能信號 lcd_en、LCD行同步信號 lcd_hs、LCD場同步信號 lcd_vs、LCD顯示請求信號 lcd_request、LCD驅動時鐘信號 lcd_dclk[10]。LCD的的驅動時鐘為40 MHz，其由分頻模塊將50 MHz分頻得到。

圖7 LCD顯示控制模塊RTL原理圖

5 系統測試與效果分析

手指靜脈圖像采集系統的整體 Verilog工程文件經綜合生成的RTL圖如圖8所示，共有時鐘分頻、圖像采集控制、圖像緩存控制、LCD顯示控制4個模塊。

圖8 手指靜脈圖像采集系統RTL原理圖

將手指靜脈采集系統的整體 Verilog工程編譯下載到FPGA中，調好攝像頭的焦距，把采集裝置的蓋子固定好，將需要采集的手指放在采集裝置手指槽，通過調節(jié)給近紅外光源模塊供電的直流穩(wěn)壓電源的電壓大小，從而改變近紅外光源模塊的發(fā)光亮度，觀察在TFT LCD上顯示的手指靜脈圖像的清晰度，發(fā)現當給近紅外光源模塊提供14.1 V的電壓時，采集出的手指靜脈圖像最清晰，效果如圖9。圖中采集的是本文作者方軍右手食指正面的靜脈圖像，從LCD中能清晰地看到靜脈的紋路。圖10為圖9中的手指靜脈圖像。

圖9 基于FPGA的手指靜脈圖像采集系統

圖10 手指靜脈圖像

6 結束語

本文研制了一種以FPGA為主控芯片的手指靜脈采集系統，該系統由手指靜脈采集裝置、近紅外光源模塊、MT9V034攝像頭、VIP_Board Full FPGA開發(fā)板、TFT LCD顯示屏組成。經測試，該采集系統具有良好的穩(wěn)定性，采集顯示的手指靜脈圖像紋路清晰，采集顯示的實時性強，系統體積小等優(yōu)點，因而具有巨大的市場價值，并為后期進行基于FPGA的手指靜脈識別技術的研究打下堅實的基礎。

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圖7 細節(jié)部分對比

4 結論

本文在分析了雷達圖像特點的基礎上設計了一款雷達圖像壓縮系統，采用FPGA和ADV212專用圖像壓縮芯片為核心，提出了一種將雷達圖像分塊壓縮的壓縮方式，解決了雷達圖像壓縮與實時性要求之間的矛盾，使壓縮結果不僅可以用來做航行記錄儀的雷達圖像記錄，而且還可以用于實時顯示，遠程傳輸等。系統體積小、重量輕、占用空間小，而且由于系統基于FPGA實現，通過重新配置可以用于小型無人機、遠程監(jiān)控等其他場合。

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（收稿日期：2015-08-08）

作者簡介：

祁志恒 （1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：JPEG2000圖像編碼。

姜喆（1987-），男，博士研究生，主要研究方向：電路設計、分子影像。

張為（1975-），男，博士，教授，主要研究方向：通信與圖像處理 VLSI、射頻集成電路與器件設計、嵌入式系統應用開發(fā)。

Development of finger vein image acquisition system based on FPGA

Yu Chengbo，Yu Yujie，Fang Jun，Deng Shunhua
(Institute of Remote Test and Control,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054，China)

Analyses the finger vein imaging principle and develops a finger vein acquisition system based on FPGA.The system is made up of the finger vein image acquisition device,image acquisition module,image cache control module and LCD display control module.The experimental results shows that the finger vein image acquisition system that uses near-infrared light source module with wavelength of 850 nm,MT9V034 camera,VIP_Board Full FPGA development board and 5.0 inch TFT LCD display screen has small volume,strong real-time acquisition,showing the finger vein image texture clear and good stability.Finger vein acquisition system based on FPGA is stable and clear,having huge market value.

finger vein image；FPGA；collection system

TP391.4

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.023

余成波，余玉潔，方軍，等.基于 FPGA手指靜脈圖像采集系統的研制[J].電子技術應用，2015，41 (11)：81-84，88.

英文引用格式：Yu Chengbo，Yu Yujie，Fang Jun，et al.Development of finger vein image acquisition system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2015，41(11)：81-84，88.

2015-08-07）

余成波（1965-），男，博士，教授，主要研究方向：遠程測試與控制技術、信號與信息處理。

余玉潔（1988-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：FPGA的開發(fā)與應用、手指靜脈識別，E-mail：1784634125@qq.com。

國家自然科學基金資助項目（61402063）；重慶市科技人才培養(yǎng)計劃（新產品研發(fā)團隊）資助項目（CSJC2013KJRC-TDJS40012）；重慶市科技攻關資助項目（CSTC2011AC2122）