嵌入式手指靜脈圖像采集系統(tǒng)的研制

楊金鋒，賈超云

（中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

嵌入式手指靜脈圖像采集系統(tǒng)的研制

楊金鋒，賈超云

（中國(guó)民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

靜脈識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)用性提出了更高的要求.提出了一個(gè)基于嵌入式的具有調(diào)光功能的手指靜脈圖像采集系統(tǒng),并詳細(xì)討論了采集系統(tǒng)的工作原理、嵌入式系統(tǒng)下USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)、光源控制電路的實(shí)現(xiàn)以及采集應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在實(shí)現(xiàn)手指靜脈采集裝置便攜化的同時(shí),系統(tǒng)可穩(wěn)定獲取不同粗細(xì)手指的清晰靜脈血管圖像.因此,本系統(tǒng)具有較好的實(shí)際應(yīng)用與推廣價(jià)值.

手指靜脈識(shí)別；圖像采集；嵌入式系統(tǒng)；ARM11；WinCE6.0

隨著社會(huì)對(duì)信息安全性和保密性要求的不斷提高，傳統(tǒng)生物特征識(shí)別技術(shù)，如指紋、人臉和聲紋等，已不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息安全的需求。手指靜脈屬于人體內(nèi)部特征，檢測(cè)方法為非接觸式，與傳統(tǒng)的生物特征識(shí)別相比，除具有唯一性、普遍性、穩(wěn)定性和可度量性等特點(diǎn)外，還具有天然的活體性和極難被盜用的優(yōu)點(diǎn)[1-3]。因此，利用手指靜脈特征可使身份認(rèn)證的安全性得到較大提高。手指靜脈圖像采集作為手指靜脈識(shí)別關(guān)鍵的一步，其好壞將直接影響整個(gè)手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)的整體性能。

目前國(guó)內(nèi)已有多所院校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)手指靜脈圖像采集問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究，并研制出相應(yīng)的手指靜脈采集裝置[4-5]。但這些采集裝置大多依賴于普通計(jì)算機(jī)，采集裝置不便于攜帶；同時(shí)由于其體積大、成本高，降低了采集裝置的實(shí)用性，從而在一定程度上阻礙了手指靜脈識(shí)別技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。近年來(lái)，嵌入式系統(tǒng)以其體積小、成本低、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在生物特征識(shí)別領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來(lái)越突出。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化和低成本，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，將手指靜脈成像技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM11和WinCE6.0的嵌入式手指靜脈采集系統(tǒng)，可便于其更好地獨(dú)立應(yīng)用于各種信息安全需求較高的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)工作原理及組成

手指中不同組織對(duì)近紅外光的吸收特性不同。醫(yī)學(xué)研究表明，靜脈中的脫氧血紅蛋白對(duì)近紅外光具有較強(qiáng)的吸收作用[6-7]。當(dāng)近紅外光照射手指時(shí)，手指靜脈內(nèi)的脫氧血紅蛋白吸收的近紅外光線較多，因而靜脈血管在CMOS圖像傳感器上的成像較暗，從而在獲取的圖片中能夠很明顯地突出手指靜脈血管的分布。依據(jù)這一成像原理并結(jié)合嵌入式技術(shù)，研制了嵌入式手指靜脈圖像采集系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 嵌入式手指靜脈圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of embedded finger vein image acquisition system

整個(gè)嵌入式采集系統(tǒng)自上而下分別為：狀態(tài)指示燈、近紅外發(fā)光二極管陣列、紅外濾光片、CMOS成像器件、光源亮度調(diào)節(jié)電路和嵌入式系統(tǒng)控制板。系統(tǒng)的頂部是狀態(tài)指示燈，紅色的燈亮說(shuō)明采集系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，綠色的燈亮說(shuō)明手指的放置位置準(zhǔn)確，通過(guò)在采集裝置的凹槽底端放置一個(gè)觸摸開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)手指放置位置的指示；近紅外發(fā)光二極管陣列用來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的光源，選用的光源波段為850 nm；紅外濾光片的作用是濾除可見(jiàn)光，排除可見(jiàn)光對(duì)靜脈成像的干擾；COMS成像器件選用的是美國(guó)Omnivision公司的1/4英寸圖像傳感器OV7725，其主控芯片為SM3732，接口采用USB接口；光源控制電路采用PWM控制電壓輸出的方式來(lái)調(diào)節(jié)光源的亮度；嵌入式控制系統(tǒng)硬件采用三星公司的S3C64140處理器，嵌入式操作系統(tǒng)采用微軟的WinCE6.0。系統(tǒng)工作時(shí)首先初始化嵌入式采集系統(tǒng)，打開(kāi)CMOS圖像傳感器，放入手指，通過(guò)嵌入式軟件界面調(diào)節(jié)光源使亮度合適，當(dāng)手指放置的位置準(zhǔn)確時(shí)，點(diǎn)擊采集按鈕對(duì)手指靜脈進(jìn)行采集并自動(dòng)存儲(chǔ)到系統(tǒng)的內(nèi)置存儲(chǔ)器中。

2 嵌入式采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于嵌入式的手指靜脈圖像采集功能的實(shí)現(xiàn)主要完成以下4個(gè)方面的工作，分別是嵌入式控制平臺(tái)的搭建、光源控制電路的設(shè)計(jì)、WinCE6.0下USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)和嵌入式應(yīng)用采集軟件的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 嵌入式采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of embedded acquisition system

2.1 嵌入式控制平臺(tái)

2.1.1 嵌入式硬件電路

嵌入式硬件電路以ARM11處理器S3C6410為核心，外接NandFlash接口和DRAM接口。該系統(tǒng)中Nand Flash存儲(chǔ)器采用型號(hào)為K9LBG08U0D的存儲(chǔ)芯片，其容量為4G，用于固化嵌入式操作系統(tǒng)WinCE6.0內(nèi)核和存儲(chǔ)采集的手指靜脈圖片。同時(shí)，S3C6410集成了豐富的外圍擴(kuò)展電路，包括時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路以及USB接口電路等，可滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并采集的要求。

2.1.2 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)采用WinCE6.0，它是可裁剪、組件化的嵌入式操作系統(tǒng)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求設(shè)置不同的組件組合成有針對(duì)的平臺(tái)，使得系統(tǒng)更加簡(jiǎn)捷，運(yùn)行速度更快。該嵌入式手指靜脈圖像采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于攝像頭的圖像采集和顯示功能，因此所應(yīng)用的操作系統(tǒng)除了具有基本的系統(tǒng)功能外，還必須支持USB攝像頭的底層驅(qū)動(dòng)和LCD顯示。嵌入式操作系統(tǒng)的定制流程圖如圖3所示。

2.2 光源控制電路

采集系統(tǒng)近紅外光源照射強(qiáng)度的控制直接決定了原始手指靜脈圖像的質(zhì)量。由于不同人的手指厚度和靜脈粗細(xì)不同，因此需要設(shè)計(jì)一種可以針對(duì)不同厚度的手指調(diào)節(jié)近紅外光強(qiáng)度的電路。本文設(shè)計(jì)的光源亮度調(diào)節(jié)電路是基于脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的[8]，如圖4所示。其基本工作原理是：ARM控制板產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，控制信號(hào)由A點(diǎn)輸入光耦來(lái)控制開(kāi)關(guān)管Q1按照PWM的周期和占空比進(jìn)行開(kāi)關(guān)，在B點(diǎn)得到理想的PWM方波，即VH=5 V，VL=0 V，該P(yáng)WM方波再經(jīng)過(guò)R5、C1、R6、C2組成的兩極阻容濾波器在C點(diǎn)得到直流分量，再經(jīng)放大電路即可將占空比為0～100%的矩形脈沖能量轉(zhuǎn)換為0～5 V的連續(xù)直流電壓，從而控制近紅外光源的亮度。其中光電耦合器的作用是將轉(zhuǎn)換電路與ARM控制板進(jìn)行電氣隔離，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 嵌入式操作系統(tǒng)定制流程Fig.3 Procedure of customization base on embedded operating system

2.3 WinCE下USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)

由于嵌入式硬件環(huán)境的多樣性以及WinCE系統(tǒng)對(duì)USB攝像頭驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)只提供了一些底層支持，再加上許多攝像頭廠商尚未提供WinCE下的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)，所以在WinCE系統(tǒng)下編寫(xiě)USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序必須針對(duì)所選用的USB攝像頭和嵌入式硬件平臺(tái)的硬件特性自行編寫(xiě)。WinCE下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)分為2種：本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)和流接口驅(qū)動(dòng)，USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆诹鹘涌隍?qū)動(dòng)[9]。WinCE下的流接口驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架如圖5所示。在這種框架下，USB攝像頭就可以在流接口的管理下通過(guò)文件系統(tǒng)暴露給應(yīng)用層，應(yīng)用層將USB攝像頭作為一種特殊的文件進(jìn)行操作，從而達(dá)到對(duì)USB攝像頭的控制。按照流接口驅(qū)動(dòng)的框架來(lái)編寫(xiě)USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，具體分為以下3個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)[10]：

圖4 基于PWM的光源亮度調(diào)節(jié)電路Fig.4 Light brightness adjustment circuit base on PWM

1）創(chuàng)建USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序入口點(diǎn)函數(shù)

創(chuàng)建入口函數(shù)就是通過(guò)實(shí)現(xiàn)USBDeviceAttach（）、USBInstallDriver（）和USBUnin-stallDriver（）3個(gè)入口點(diǎn)函數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)獲取設(shè)備信息、為設(shè)備申請(qǐng)資源、創(chuàng)建注冊(cè)表鍵和刪除注冊(cè)表鍵釋放資源的功能。

2）創(chuàng)建控制USB攝像頭的流接口函數(shù)

圖5 WinCE下流接口驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)架Fig.5 Framework of stream interface driver under WinCE

創(chuàng)建控制USB攝像頭的各種流接口函數(shù)如表1所示。當(dāng)攝像頭插入主機(jī)時(shí)，設(shè)備管理器加載驅(qū)動(dòng)程序，系統(tǒng)調(diào)用入口點(diǎn)函數(shù)，完成設(shè)備的初始化工作，然后應(yīng)用程序通過(guò)CreateFile（）函數(shù)調(diào)用CAM_Open（）打開(kāi)設(shè)備，在CAM_IOControl（）中通過(guò)USBD模塊提供的傳輸函數(shù)從攝像頭讀取數(shù)據(jù)。

表1 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)流接口函數(shù)Tab.1 USB camera driver stream interface functions

3）在注冊(cè)表中配置USB攝像頭驅(qū)動(dòng)信息

在WinCE系統(tǒng)中，USB攝像頭的配置信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)的注冊(cè)表中。當(dāng)加載攝像頭驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，系統(tǒng)首先在注冊(cè)表中查詢配置信息，若注冊(cè)表中的信息與USB攝像頭信息相符，系統(tǒng)就會(huì)加載，否則拒絕加載。本文所用USB攝像頭的注冊(cè)表信息如下：

2.4 嵌入式系統(tǒng)采集軟件開(kāi)發(fā)

嵌入式系統(tǒng)采集軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2005，首先使用VS2005的MFC智能設(shè)備應(yīng)用程序向?qū)?chuàng)建一個(gè)基于對(duì)話框的應(yīng)用程序，并將編譯環(huán)境設(shè)置為STANDARDSDK_500（ARMV4I），然后添加采集界面的功能控件，如系統(tǒng)初始化、圖像采集以及光源亮度調(diào)節(jié)等，并創(chuàng)建相應(yīng)的類，實(shí)現(xiàn)手指靜脈圖像的顯示采集并保存的功能[11-12]。其中光源亮度調(diào)節(jié)通過(guò)一個(gè)滑動(dòng)條空間，通過(guò)滑動(dòng)條改變ARM控制板輸出PWM信號(hào)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光源亮度的功能，嵌入式采集軟件的程序流程圖如圖6所示。程序中主要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)及其功能如下：

GetAvailableCamera（）：檢測(cè)系統(tǒng)中可用USB攝像頭，并獲得可用的數(shù)量；

OpenCamera（）：打開(kāi)攝像頭并對(duì)攝像頭進(jìn)行初始化；

SetStillPictureModel（）：設(shè)置圖片的尺寸和格式；

TakeStillPicture（）：通知攝像頭拍攝一幀照片并保存；

CloseCamera（）：關(guān)閉攝像頭。

圖6 嵌入式手指靜脈圖像采集軟件工作流程Fig.6 Procedure of embedded finger vein image acquisition software

編譯程序得到采集軟件的可執(zhí)行程序，最后通過(guò)Microsoft ActiveSync同步軟件將所得可執(zhí)行程序移植到嵌入式系統(tǒng)板上。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用研制的嵌入式手指靜脈圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行了手指靜脈圖像采集實(shí)驗(yàn)，首先開(kāi)機(jī)加載編寫(xiě)的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，然后運(yùn)行編寫(xiě)的采集應(yīng)用軟件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。若光源太暗或太亮，可通過(guò)調(diào)節(jié)軟件界面下方的滑動(dòng)條來(lái)調(diào)節(jié)光源亮度，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。采集得到的手指靜脈圖像如圖8所示，其中圖8（a）為較為粗大手指，圖8（b）為較為細(xì)小的手指。由圖8可以看出，對(duì)于不同粗細(xì)的手指，經(jīng)過(guò)嵌入式手指靜脈圖像采集系統(tǒng)得到的手指靜脈圖像，靜脈紋路均清晰可靠，可以滿足后續(xù)處理的需要。

圖7 嵌入式手指靜脈圖像采集系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果Fig.7 Operation results of embedded finger vein image acquisition system

圖8 采集得到的部分手指靜脈圖像Fig.8 Some captured finger-vein images

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析手指靜脈成像原理并結(jié)合嵌入式技術(shù)，研制了一款基于嵌入式的手指靜脈圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ARM11處理器作為控制核心，降低了裝置的成本和體積；采用WinCE6.0作為嵌入式操作系統(tǒng)，有利于驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的編寫(xiě)并且具有操作界面友好性；采用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)光源的亮度，實(shí)現(xiàn)了光源亮度的連續(xù)可調(diào)；采用C/C++來(lái)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，提高了程序的可移植性；編寫(xiě)了基于WinCE6.0系統(tǒng)的嵌入式圖像采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)顯示采集并保存，使采集過(guò)程更加簡(jiǎn)單方便。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：針對(duì)不同的手指該采集系統(tǒng)均能較為清晰地獲取手指靜脈圖像，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了采集裝置的便攜化和低成本化，對(duì)手指靜脈識(shí)別技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，具有重要的推動(dòng)作用。

[1]YANG JINFENG，SHI YIHUA，YANG JINLI，et al.A Novel Fingervein Recognition Method With Feature Combination[C]//Proceedings of the 16th IEEE Internation Conference on Image Processing，Cairo，2009：2709-2712.

[2]王蘊(yùn)紅，譚鐵牛.現(xiàn)代身份鑒別——生物特征識(shí)別技術(shù)[J].中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)，2000（9）：4-10

[3]YANG JINFENG，SHI YIHUA，YANG JINLI.Finger-vein Recognition Based on a Bank of Gabor Filters[C]//9th Asian Conference on Computer Vision，Xi’an，2009：374-383.

[4]楊金鋒，劉源山.多光譜手指靜脈成像與采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，30（2）：24-29.

[5]楊金鋒，呂恩春.多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，31（2）：71-74.

[6]YANG JINFENG，ZHANG BEN，SHI YIHUA.Scattering removal for finger-vein image restoration[J].Sensors，2012，12（3）：3627-3640.

[7]李 慧，戴汝為.在體生物光學(xué)成像技術(shù)的研究進(jìn)展[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2008，34（12）：1449-1457.

[8]吳立新.實(shí)用電子技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[9]周建設(shè).Windows CE設(shè)備驅(qū)動(dòng)及BSP開(kāi)發(fā)指南[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[10]楊 振.基于S3C6410和WinCE的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].荊州：長(zhǎng)江大學(xué)，2012.

[11]汪 兵.Windows CE嵌入式高級(jí)編程及其實(shí)例詳解（用C++實(shí)現(xiàn)）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

[12]姜 波.Windows Embedded CE 6.0程序設(shè)計(jì)實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

（責(zé)任編輯：黃 月）

Development of embedded finger vein image acquisition system

YANG Jin-feng，JIA Chao-yun
（Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

The rapid development of finger-vein biometrics raises a higher requirement for the performance of real fingervein recognition systems.An embedded finger-vein image acquisition device is proposed.The principle of the acquisition system is discussed in details，as well as the embedded driver of USB camera，the light control circuit and the image acquisition software.Besides making the finger-vein acquisition device more portable，the experimental results also show that the proposed embedded system can successfully and clearly capture vein images of fingers with different thicknesses.Hence，the proposed system is applicable and valuable in practice.

finger vein recognition；image acquisition；embedded system；ARM11；WinCE6.0

TP391.41

:A

:1674-5590(2015)01-0050-05

2013-09-13；

:2013-10-29

:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61073143，61379102，61001176）

楊金鋒（1971—），男，河南淮陽(yáng)人，教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)閳D像處理、生物識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué).