《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于6416和FPGA的手部三模態(tài)識(shí)別裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第10期
湯永華,苑瑋琦
沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 視覺(jué)檢測(cè)研究所,,遼寧 沈陽(yáng)110023
摘要: 介紹了將手形,、掌紋和手掌靜脈身份識(shí)別理論與FPGA和DSP數(shù)字處理系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成能夠方便用于門(mén)禁,、考勤等的具有高可靠性和高安全性要求的快速身份識(shí)別裝置,。裝置采用可見(jiàn)光和近紅外雙攝像頭提高對(duì)手形,、掌紋和手掌靜脈圖像的有效獲取,。利用FPGA實(shí)現(xiàn)雙攝像頭圖像數(shù)據(jù)的同步采集,、數(shù)據(jù)緩存以及對(duì)液晶顯示屏、補(bǔ)光系統(tǒng)等的控制,,以減少DSP的負(fù)擔(dān),,使DSP能夠?qū)W⒂趯?duì)手形、掌紋和手掌靜脈的數(shù)據(jù)處理識(shí)別工作,,保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性,。
中圖分類(lèi)號(hào): TP391.4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)10-0015-04
Design and implementation of hand three modal identification device based on the 6416 and FPGA
Tang Yonghua,Yuan Weiqi
Computer Vision Group,,Shenyang University of Technology,,Shenyang 110023,China
Abstract: The paper introduced combinating the hand shape, palm prints and hand vein identification theory, FPGA and DSP digital processing system to make the rapid identification device, with high reliability and safety, used for access control and attendance and so on. Through visible and near infrared camera to effectively acquire hand shape, palm prints and palm vein image. Using FPGA to absolute synchronously acquire dual camera image data, achieve data cache, and control the liquid crystal display screen and lighting system, in order to reduce the burden of DSP,,so that DSP can focus on the opponent shape, palm prints and palm vein data processing and recognition work, to ensure the system run time.
Key words : infrared imaging,;hand three modality imaging,;TMS320C6416,;FPGA;VHDL

    基于單一模態(tài)的生物特征識(shí)別技術(shù)普遍存在“短板現(xiàn)象”,,沒(méi)有任何一種生物特征是完美無(wú)缺的,。因此,采用多模態(tài),,即同時(shí)采集和識(shí)別驗(yàn)證人體的兩種及以上特征能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),,全面、有效地提高生物特征識(shí)別系統(tǒng)的整體性能,,提高系統(tǒng)魯棒性,,降低檢測(cè)復(fù)雜度和對(duì)系統(tǒng)的性能要求,能夠達(dá)到單一生物特征識(shí)別無(wú)法或很難達(dá)到的品質(zhì),。

    手掌靜脈不易復(fù)制仿造,,保密性強(qiáng),活體采集,,很難被仿制,。但由于個(gè)體的差異性,如皮膚厚度,、精密性,、脂肪厚度等的差異,,很難確保所有人都能夠采集到比較清晰的手掌靜脈圖像。手形屬于手部外輪廓,,既是一種手部生物特征識(shí)別方式,,同時(shí)也是進(jìn)行掌紋和手掌靜脈識(shí)別的重要基礎(chǔ)和條件,實(shí)驗(yàn)證明在高曝光下可以比較容易得到高對(duì)比度的手形圖像,。而掌紋由于存在于手掌表面,,圖像采集比較容易,一般都可以采集到清晰的掌紋圖像,,但相對(duì)容易仿制,,保密性相對(duì)較弱。本文介紹的裝置同時(shí)采用手形,、掌紋和手掌靜脈作為進(jìn)行身份驗(yàn)證的依據(jù),,可以揚(yáng)長(zhǎng)避短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),,保證裝置具有較高的安全性,。
    本裝置硬件系統(tǒng)主要由可見(jiàn)光和紅外光補(bǔ)光模塊、雙圖像傳感器成像模塊,、雙視頻處理模塊,、FPGA圖像采集及邏輯控制模塊、DSP數(shù)據(jù)處理特征識(shí)別模塊,,以及電源等其他輔助模塊等構(gòu)成,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 補(bǔ)光模塊
    根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室先前已經(jīng)取得的對(duì)手部三種模態(tài)成像的研究成果,,即通過(guò)高曝光方式獲得良好的手形輪廓圖像(見(jiàn)圖6(a)),,通過(guò)藍(lán)色補(bǔ)光系統(tǒng)可以獲取比較清晰的、能夠滿足識(shí)別算法要求的掌紋圖像[1](見(jiàn)圖6(b)),,通過(guò)850 nm近紅外補(bǔ)光系統(tǒng)可以獲取手掌靜脈圖像[2](見(jiàn)圖6(c)),。但需要注意的是,為了取得均勻的手部各種模態(tài)圖像,,需要光源光照盡可能地均勻,,因此裝置所采用藍(lán)光和紅外光源同時(shí)分布在一塊圓形光源板上[3],藍(lán)光與紅外光相間成同心圓形均勻分布,,同時(shí)在光源前方放置勻光板,,如圖2所示。

2 圖像傳感器的選擇
    傳感器作為對(duì)手形,,特別是掌紋和手掌靜脈的直接成像部件,,在系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。為了得到盡可能清晰的三種模態(tài),,特別是掌紋和手掌靜脈圖像,,在選擇傳感器時(shí)著重考慮所用傳感器對(duì)可見(jiàn)光(藍(lán)光)和近紅外光有較好的敏感性(即感光特性),,以便對(duì)掌紋和手掌靜脈都能夠呈現(xiàn)較好的、能夠滿足識(shí)別處理要求的圖像,。傳感器感光特性曲線如圖3所示,。

3 圖像采集模塊
    圖像采集模塊主要由圖像傳感器、視頻處理器和由FPGA構(gòu)成的圖像數(shù)據(jù)保存電路等構(gòu)成,。圖像傳感器主要將手掌反射的包含掌紋和手掌靜脈信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)(即模擬視頻信號(hào)),。視頻處理器則主要是對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行一系列的處理(即對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大和抗混疊濾波),然后從中分離出圖像行場(chǎng),、像素時(shí)鐘等同步信息以及圖像像素信息,,并將所有信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出,再利用硬件描述語(yǔ)言對(duì)FPGA進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì),,按照行場(chǎng)同步信號(hào)和像素時(shí)鐘的狀態(tài)準(zhǔn)確地將所有像素?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定位置,,為后續(xù)的圖像顯示和處理提供數(shù)據(jù)源。圖像采集模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是:利用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻處理器初始化時(shí)序的設(shè)計(jì),,以及用于圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集的時(shí)序的設(shè)計(jì),。
3.1 視頻處理器初始化時(shí)序模塊
    所采用視頻處理器的各種工作特性,如視頻輸出格式,、圖像尺寸,、數(shù)據(jù)輸出速度、圖像對(duì)比度等都是通過(guò)IIC總線[3]進(jìn)行設(shè)定,。在本系統(tǒng)中,,通過(guò)硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)視頻處理器的IIC總線協(xié)議,并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻處理器的初始化控制,。IIC總線由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL兩條連接線構(gòu)成,。時(shí)序主要由起始(start),、從器件地址及應(yīng)答位,、子地址及應(yīng)答位、數(shù)據(jù)及應(yīng)答位,、停止(stop)等構(gòu)成,,如圖4所示[4]。

    IIC總線協(xié)議模塊實(shí)體如下:
    ENTITY IIC_MODULE IS
    PORT(
      SDA : OUT BIT;
      SCL : INOUT BIT;
    Sub_add: OUT BIT_VECTOR( 7 downto 0);
    Send_data:OUT BIT_VECTOR( 7 downto 0)
    );
    END IIC_MODULE;
3.2 圖像數(shù)據(jù)采集模塊
    視頻解碼器輸出的圖像數(shù)據(jù)屬于二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù),。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和圖像的完整性,,圖像數(shù)據(jù)伴隨有像素時(shí)鐘和行場(chǎng)圖像信號(hào)輸出。因此,,圖像數(shù)據(jù)采集模塊需要根據(jù)行場(chǎng)同步信號(hào)和像素時(shí)鐘的狀態(tài)準(zhǔn)確地采集和存儲(chǔ)數(shù)字圖像數(shù)據(jù),。由于對(duì)于手形、掌紋和手掌經(jīng)脈識(shí)別是針對(duì)灰度圖像進(jìn)行的,,因此圖像采集模塊只采集和保存圖像亮度分量(即Y分量),,并存儲(chǔ)到在FPGA中開(kāi)辟的數(shù)據(jù)緩存中,。而且每存儲(chǔ)完一行數(shù)據(jù)后觸發(fā)DSP通過(guò)EDMA方式存儲(chǔ)到DSP的外存儲(chǔ)器中,以便進(jìn)行識(shí)別處理,。本系統(tǒng)通過(guò)在FPGA中構(gòu)建三套相同的圖像采集模塊,,實(shí)現(xiàn)對(duì)三種手部模態(tài)圖像的同步采集。圖像數(shù)據(jù)采集時(shí)序如圖5所示,,所采集手部圖像如圖6所示,。

    圖5中,Tclk是像素時(shí)鐘,,一般在74 ns左右,;Tsu是HREF建立時(shí)間,最大為15 ns,;Thd是HREF保持時(shí)間,,最大為15 ns。
    圖像采集模塊實(shí)體如下:
    ENTITY Image_get IS
    PORT(
        VS   : IN BIT;
        HREF : IN BIT;
        PCLK : IN BIT;
        Y_data: IN BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0)
    );
    END Image_get;
    圖像采集時(shí)序如圖7所示,。

4 圖像處理模塊
    圖像處理模塊以DSP為核心,,輔以復(fù)位、晶振,、外部存儲(chǔ)器等輔助電路,,主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)通過(guò)FPGA采集的三種手部模態(tài)圖像的分析和處理。該模塊的核心在于對(duì)手部三種模態(tài)圖像處理算法,、融合算法以及處理過(guò)程中的空間的分配等問(wèn)題,,本文重點(diǎn)介紹硬件方面的空間分配問(wèn)題。系統(tǒng)所采用的DSP為TMS320C6416芯片,,其主頻為600 MHz,,內(nèi)部RAM為1 MB[6]。由于針對(duì)三種手部模態(tài)進(jìn)行處理,,程序空間和數(shù)據(jù)空間需求都比較大,,單純依靠DSP自帶的內(nèi)部存儲(chǔ)器無(wú)法滿足系統(tǒng)需要,因此,,DSP的外部存儲(chǔ)器A端口外擴(kuò)了一片4 MB(4×1 MB)×32 bit的SDRAM,。系統(tǒng)所采集的三種手部模態(tài)圖像大小都為640×480×8 bit,故同步采集三種模態(tài)圖像同時(shí)需要902 KB的存儲(chǔ)空間,。系統(tǒng)將三種圖像分段存儲(chǔ)到SDRAM中,,存儲(chǔ)地位范圍分別為0x80000000~0x8004B000、0x8004B000~0x80096000,、0x80096000~0x800E1000,。根據(jù)系統(tǒng)程序的具體情況,系統(tǒng)為程序分配0x30000×8 bit的空間,。堆棧分配在內(nèi)部存儲(chǔ)器中,,容量為0x30000×8 bit,,地址起始由系統(tǒng)自動(dòng)指定。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間比較充足,,且要保證系統(tǒng)允許的穩(wěn)定,,因此在圖像數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,不使用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器分配方式,,而是采用所有所需的中間存儲(chǔ)空間均明確固定指定存儲(chǔ)位置的方式,,以避免出現(xiàn)空間多次分配、釋放后出現(xiàn)空間分配失敗或疊加等可能出現(xiàn)的問(wèn)題,。由于訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器相對(duì)于外部存儲(chǔ)器無(wú)論在速度還是可靠性上都具有很大優(yōu)勢(shì),,為了提高系統(tǒng)允許效率,將部分使用頻率較高的中間數(shù)據(jù)分配在內(nèi)部存儲(chǔ)器中,,而將使用頻率較低的數(shù)據(jù)分配到外部的SDRAM中,。
5 其他輔助模塊
5.1 語(yǔ)音提示模塊

    語(yǔ)音模塊主要在系統(tǒng)使用過(guò)程中,針對(duì)用戶手所放置的位置等現(xiàn)場(chǎng)情況,,對(duì)用戶給出相應(yīng)的語(yǔ)音提示信息,。如手放置位置距離攝像頭過(guò)近,無(wú)法拍攝到完整的手部圖像時(shí)給出“請(qǐng)將手稍微遠(yuǎn)離攝像頭”等的提示,。語(yǔ)音模塊采用WT588D-U芯片,,利用電腦通過(guò)USB接口將實(shí)現(xiàn)編輯好的語(yǔ)音片斷下載到語(yǔ)音模塊中。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,,F(xiàn)PGA根據(jù)DSP對(duì)圖像的初步處理結(jié)果,,利用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)的語(yǔ)音模塊放音驅(qū)動(dòng)控制語(yǔ)音模塊進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音提示。FPGA中語(yǔ)音模塊放音驅(qū)動(dòng)采用一線模式,,其時(shí)序如圖8所示,。

5.2 液晶顯示模塊

 


    液晶顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示裝置拍攝到的用戶手部圖像,便于用戶直觀地感知手部放置的狀態(tài)和位置,,以及手部圖像拍攝情況等,,同時(shí)還通過(guò)顯示屏給出一些相關(guān)信息。液晶屏控制時(shí)序同樣在FPGA中通過(guò)硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),。
    本文所介紹的手部三模態(tài)身份識(shí)別裝置,,可以一次獲取手部的手形、掌紋和手掌靜脈三種模態(tài)的生物特征圖像,。獲取時(shí)間不超過(guò)40 ms,系統(tǒng)采用主頻為600 MHz的多媒體處理器DM642作為專(zhuān)用的圖像處理模塊,,保證了圖像處理的實(shí)時(shí)性,。通過(guò)嵌入相應(yīng)的生物特征處理識(shí)別算法和融合算法,可以實(shí)現(xiàn)高接收性能,、高可靠性,、高實(shí)時(shí)性的身份識(shí)別功能,。
參考文獻(xiàn)
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[5] Philips Semiconductor.SAA7113H 9-bit video input processor[M].1999
[6] Texas Instruments Incorporated.TMS320C6416 fixed-point digital signal processors[EB/OL].[2005-05-01].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320c6416.pdf.

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