摘 要： 為了提高傳統(tǒng)生物識(shí)別系統(tǒng)的可靠性和易接受性,，設(shè)計(jì)了一款非接觸式多模態(tài)手成像采集系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以在自然光條件下，在被采集者手掌不接觸采集設(shè)備的情況下,，同時(shí)獲取被測者的掌紋,、掌形和掌靜脈3種特征信息。為提高系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確率,，著重研究采集裝置中的光學(xué)成像部分,，其中主要包括濾光片的選取,、圖像傳感器的配置、鏡頭的參數(shù)計(jì)算以及雙路圖像傳感器與主處理器(DSP)視頻口的硬件連接,。同時(shí),，該系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸和語音播報(bào)等功能,。
關(guān)鍵詞： 多模態(tài),；非接觸式；光學(xué)成像,；圖像傳感器
多模態(tài)生物識(shí)別技術(shù)融合了多種不同生物特征來進(jìn)行身份判斷,，提高了認(rèn)證系統(tǒng)的安全性。近年來,，一些研究者開發(fā)了各種不同的手成像系統(tǒng),，主要可以分為兩類:(1)手局部成像裝置，例如：掌紋成像裝置,、手掌靜脈成像裝置,、手指靜脈成像裝置等[1-2]，這類裝置或者是可見光成像,，或者是近紅外成像;(2)是全手成像裝置[3-4],，其特征在于所采集的手圖像包括了手掌靜脈、手指靜脈,、掌紋,、掌形、指節(jié)紋信息,，但是,，由于所采用的是單一圖像傳感器，分時(shí)點(diǎn)亮可見光和近紅外光,，使得在近紅外光成像下,，其手靜脈圖像受可見光的影響難以避免，成像質(zhì)量難以滿足特征提取的要求,。
本文提出利用兩個(gè)圖像傳感器分別實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外光手成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。該系統(tǒng)由近紅外和可見光光源、近紅外和可見光濾光片,、鏡頭,、圖像傳感器、TI公司達(dá)芬奇系列DSP,、顯示屏等組成,，通過合理設(shè)計(jì)兩個(gè)鏡頭擺放角度，使兩個(gè)圖像傳感器成像重合,，以便解決復(fù)雜背景下手輪廓提取問題,。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
多模態(tài)手成像采集系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示,，主要包括紅外感應(yīng)裝置,、可見光和近紅外光源系統(tǒng),、雙路圖像采集系統(tǒng)、實(shí)時(shí)顯示電路,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路,、網(wǎng)絡(luò)接口、主處理器(DSP)及外圍電路等,。
2 光源波長選擇
掌靜脈成像是由于在近紅外區(qū)域內(nèi)體液和軟組織相對(duì)透明,，近紅外光能夠較好地透射進(jìn)入皮下組織，而血液中的血紅蛋白對(duì)近紅外光譜有較多的吸收,。掌紋成像是由于屈肌紋處留下光源的陰影,，使掌紋與非掌紋區(qū)域?qū)Ρ榷仍龃蟆Ｕ菩巫R(shí)別主要是根據(jù)手的大小和形狀來進(jìn)行判斷,。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]中對(duì)760 nm,、850 nm、890 nm,、940 nm 4種不同波長下的成像效果進(jìn)行對(duì)比,，發(fā)現(xiàn)光源波長為850 nm時(shí)掌靜脈特征清晰度最佳[5]。根據(jù)在同一光強(qiáng)下藍(lán)光,、紅光,、綠光的成像效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)[6]，發(fā)現(xiàn)470 nm的藍(lán)光條件下拍攝到的掌紋紋理最為清晰,。因此,，本設(shè)計(jì)中采用850 nm近紅外LED和470 nm藍(lán)光LED作為光源系統(tǒng)元器件。
3 圖像采集部分設(shè)計(jì)
3.1 濾光片的選擇
本系統(tǒng)要在470 nm藍(lán)光光源和850 nm近紅外光源的同時(shí)照射下進(jìn)行圖像采集,，為避免光源對(duì)手成像的影響,，需在鏡頭前面放置濾光片使每路傳感器只能接收到一種波長的光源。由于手掌靜脈分布在表皮下方,，必須使光達(dá)到一定的強(qiáng)度才可以使靜脈成像,，并且該路圖像傳感器要在光源系統(tǒng)高度曝光的條件下獲取掌形圖像。因此,，綜合考慮在使手掌靜脈成像時(shí)選用850 nm長波通濾光片,。圖2(a)為測得的鹵鎢光源光譜，圖2(b)為光譜儀的探頭覆上850 nm長波通濾光片后在同條件下測得的同一光源的光譜,。由兩幅圖對(duì)比可以看出,，850 nm長波通濾光片可以將光源中可見光部分全部濾掉，并且光強(qiáng)損耗較少,，因此該濾光片能夠去除可見光對(duì)于手掌靜脈成像的影響,。
為了提高470 nm藍(lán)光光源對(duì)掌紋成像的作用,，在掌紋采集鏡頭前加上470 nm帶通濾光片，光譜曲線如圖3所示,。圖4(a)為未加濾光片時(shí)拍攝的掌紋圖像,，圖4(b)為在同條件下鏡頭前安裝帶通濾光片時(shí)拍到的掌紋圖像。
3.2 圖像傳感器的選擇
由于人體的掌紋和掌靜脈特征圖像不易于采集,，所以要求圖像傳感器在藍(lán)光和近紅外兩種光照條件下均具有較高靈敏度,，因此本系統(tǒng)采用美國OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV7740。它是一款低功耗,、1/5 英寸VGA(480×640)攝像頭芯片,，靈敏度達(dá)到6800mV/Lus-sec，可以同時(shí)滿足掌紋和掌靜脈成像需求,。OV7740數(shù)據(jù)輸出支持8/10 bit Raw RGB data和8 bit YUV格式,。傳輸速率在VGA條件下可以達(dá)到60 f/s[7]。OV7740內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示,。
為了使系統(tǒng)能夠同時(shí)采集掌紋,、掌形和掌靜脈圖像，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)圖像傳感器分別與DSP的兩個(gè)視頻口連接,，即將帶有近紅外濾光片的圖像傳感器接到VP1上,，帶有可見光濾光片的圖像傳感器連接到VP2上。具體硬件連接如圖6所示,。
4 運(yùn)行結(jié)果
將采集裝置上電后,，系統(tǒng)將自動(dòng)完成各模塊的初始化工作，待光電開光檢查到手掌時(shí),裝置將自動(dòng)開啟主動(dòng)光源照射手表面,，此時(shí)可以通過裝置上的顯示屏觀察到手掌的位置,，便于被測者調(diào)整姿勢。當(dāng)手掌擺放在限定區(qū)域內(nèi)時(shí),，圖像傳感器將自動(dòng)獲取三模態(tài)特征信息圖像,，并將圖像存儲(chǔ)到指定的地址中。然后在圖像處理專用芯片DSP642內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)手圖像的識(shí)別操作,，即判斷被測試者是否為裝置事先已經(jīng)注冊者,，并將識(shí)別結(jié)果進(jìn)行語音播報(bào)和顯示，圖9為該裝置采集到的手部三模態(tài)信息圖像,。
本文所設(shè)計(jì)的非接觸式多模態(tài)手成像采集裝置可在不同環(huán)境中獲取成像質(zhì)量高,、特征信息豐富的掌形、掌紋和掌靜脈圖像,。采用雙路圖像傳感器同時(shí)采集,，并在DSP完全不需要干預(yù)的前提下搬運(yùn)到不同的存儲(chǔ)空間，提高了系統(tǒng)的識(shí)別速度。通過嵌入多模態(tài)特征識(shí)別算法,，使系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行,，增強(qiáng)識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。
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