文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)10-0015-04
基于單一模態(tài)的生物特征識別技術(shù)普遍存在“短板現(xiàn)象”,，沒有任何一種生物特征是完美無缺的,。因此，采用多模態(tài),，即同時采集和識別驗證人體的兩種及以上特征能夠優(yōu)勢互補,，全面、有效地提高生物特征識別系統(tǒng)的整體性能,，提高系統(tǒng)魯棒性,，降低檢測復(fù)雜度和對系統(tǒng)的性能要求，能夠達(dá)到單一生物特征識別無法或很難達(dá)到的品質(zhì),。
手掌靜脈不易復(fù)制仿造,，保密性強,，活體采集，很難被仿制,。但由于個體的差異性,，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別方式,，同時也是進(jìn)行掌紋和手掌靜脈識別的重要基礎(chǔ)和條件，實驗證明在高曝光下可以比較容易得到高對比度的手形圖像,。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,，但相對容易仿制,，保密性相對較弱。本文介紹的裝置同時采用手形,、掌紋和手掌靜脈作為進(jìn)行身份驗證的依據(jù),，可以揚長避短、優(yōu)勢互補,，保證裝置具有較高的安全性,。
本裝置硬件系統(tǒng)主要由可見光和紅外光補光模塊、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 補光模塊
根據(jù)本實驗室先前已經(jīng)取得的對手部三種模態(tài)成像的研究成果,，即通過高曝光方式獲得良好的手形輪廓圖像(見圖6(a))，通過藍(lán)色補光系統(tǒng)可以獲取比較清晰的,、能夠滿足識別算法要求的掌紋圖像[1](見圖6(b)),，通過850 nm近紅外補光系統(tǒng)可以獲取手掌靜脈圖像[2](見圖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,，在選擇傳感器時著重考慮所用傳感器對可見光(藍(lán)光)和近紅外光有較好的敏感性(即感光特性)，以便對掌紋和手掌靜脈都能夠呈現(xiàn)較好的,、能夠滿足識別處理要求的圖像,。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轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電信號(即模擬視頻信號)。視頻處理器則主要是對模擬視頻信號進(jìn)行一系列的處理(即對模擬信號進(jìn)行放大和抗混疊濾波),，然后從中分離出圖像行場,、像素時鐘等同步信息以及圖像像素信息，并將所有信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出,，再利用硬件描述語言對FPGA進(jìn)行功能模塊設(shè)計,，按照行場同步信號和像素時鐘的狀態(tài)準(zhǔn)確地將所有像素數(shù)據(jù)存儲到指定位置，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)計的重點是：利用FPGA實現(xiàn)對視頻處理器初始化時序的設(shè)計,，以及用于圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集的時序的設(shè)計。
3.1 視頻處理器初始化時序模塊
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,、圖像對比度等都是通過IIC總線[3]進(jìn)行設(shè)定,。在本系統(tǒng)中，通過硬件描述語言編程實現(xiàn)視頻處理器的IIC總線協(xié)議,，并進(jìn)而實現(xiàn)對視頻處理器的初始化控制,。IIC總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL兩條連接線構(gòu)成。時序主要由起始（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)伴隨有像素時鐘和行場圖像信號輸出,。因此，圖像數(shù)據(jù)采集模塊需要根據(jù)行場同步信號和像素時鐘的狀態(tài)準(zhǔn)確地采集和存儲數(shù)字圖像數(shù)據(jù),。由于對于手形,、掌紋和手掌經(jīng)脈識別是針對灰度圖像進(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),，并存儲到在FPGA中開辟的數(shù)據(jù)緩存中,。而且每存儲完一行數(shù)據(jù)后觸發(fā)DSP通過EDMA方式存儲到DSP的外存儲器中，以便進(jìn)行識別處理,。本系統(tǒng)通過在FPGA中構(gòu)建三套相同的圖像采集模塊,，實現(xiàn)對三種手部模態(tài)圖像的同步采集。圖像數(shù)據(jù)采集時序如圖5所示,，所采集手部圖像如圖6所示,。
圖5中，Tclk是像素時鐘,，一般在74 ns左右,；Tsu是HREF建立時間，最大為15 ns,；Thd是HREF保持時間,，最大為15 ns。
圖像采集模塊實體如下：
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,、外部存儲器等輔助電路,，主要用于實現(xiàn)對通過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手部三種模態(tài)圖像處理算法,、融合算法以及處理過程中的空間的分配等問題,，本文重點介紹硬件方面的空間分配問題。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)部存儲器無法滿足系統(tǒng)需要,，因此,，DSP的外部存儲器A端口外擴了一片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)圖像同時需要902 KB的存儲空間,。系統(tǒng)將三種圖像分段存儲到SDRAM中,，存儲地位范圍分別為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)部存儲器中,，容量為0x30000×8 bit，地址起始由系統(tǒng)自動指定,。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲空間比較充足,，且要保證系統(tǒng)允許的穩(wěn)定，因此在圖像數(shù)據(jù)處理過程中,，不使用動態(tài)存儲器分配方式,，而是采用所有所需的中間存儲空間均明確固定指定存儲位置的方式，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)的問題,。由于訪問內(nèi)部存儲器相對于外部存儲器無論在速度還是可靠性上都具有很大優(yōu)勢，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 語音提示模塊
語音模塊主要在系統(tǒng)使用過程中,，針對用戶手所放置的位置等現(xiàn)場情況,，對用戶給出相應(yīng)的語音提示信息。如手放置位置距離攝像頭過近,，無法拍攝到完整的手部圖像時給出“請將手稍微遠(yuǎn)離攝像頭”等的提示,。語音模塊采用WT588D-U芯片，利用電腦通過USB接口將實現(xiàn)編輯好的語音片斷下載到語音模塊中,。在系統(tǒng)運行過程中,，F(xiàn)PGA根據(jù)DSP對圖像的初步處理結(jié)果，利用硬件描述語言設(shè)計的語音模塊放音驅(qū)動控制語音模塊進(jìn)行相應(yīng)的語音提示,。FPGA中語音模塊放音驅(qū)動采用一線模式,，其時序如圖8所示。
5.2 液晶顯示模塊
液晶顯示屏用于實時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，同時還通過顯示屏給出一些相關(guān)信息,。液晶屏控制時序同樣在FPGA中通過硬件描述語言實現(xiàn),。
本文所介紹的手部三模態(tài)身份識別裝置，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,。獲取時間不超過40 ms,，系統(tǒng)采用主頻為600 MHz的多媒體處理器DM642作為專用的圖像處理模塊，保證了圖像處理的實時性,。通過嵌入相應(yīng)的生物特征處理識別算法和融合算法,，可以實現(xiàn)高接收性能、高可靠性,、高實時性的身份識別功能,。
參考文獻(xiàn)
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