文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)10-0120-04
作為第二代生物認(rèn)證技術(shù)，手指靜脈識別技術(shù)是通過人體手指中靜脈特征對人體身份進(jìn)行鑒別的技術(shù),，具有很高的防偽性[1],。手指靜脈識別的原理是：當(dāng)近紅外光線透過人體組織時(shí)，靜脈血管中的血紅蛋白對近紅外光線有非常明顯的吸收效果,，從而使靜脈血管以不同的灰度值表征在圖像中,。由于靜脈血管分布的隨機(jī)性，即使是雙胞胎的手指靜脈分布特征也不相同,，因此可以將手指靜脈識別技術(shù)作為身份認(rèn)證技術(shù),。與指紋識別技術(shù)相比，手指靜脈識別技術(shù)具有不受手指外界環(huán)境影響和安全性更高的優(yōu)點(diǎn),。
日立公司已率先研制出用于身份驗(yàn)證的手指靜脈識別系列產(chǎn)品,。國內(nèi)一些科研團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)先后設(shè)計(jì)出手指靜脈采集的實(shí)驗(yàn)裝置[2-3]。然而從這些文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了一些不足： (1)成像設(shè)備直接采用成品的網(wǎng)路攝像頭或高清CCD攝像機(jī),，不能由上位機(jī)采集軟件直接且有效地控制成像效果和下位機(jī)硬件電路工作狀態(tài),。(2)由于不同手指厚度不一致，當(dāng)紅外光以固定光強(qiáng)照射手指時(shí),會形成一組亮度不均衡,、甚至丟失靜脈紋路的圖像,，為身份識別造成不必要的麻煩。為此,本文設(shè)計(jì)了一種成本較低,、帶有自動調(diào)光模塊,、基于USB2.0芯片與CMOS圖像傳感器的手指靜脈圖像采集系統(tǒng),。
1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
為降低成本，沒有采用FPGA或CPLD等可編程器件,，但設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更加簡潔的圖像采集硬件電路,，主要部分由CMOS圖像傳感器模塊、USB2.0控制器模塊,、自動調(diào)光模塊,、E2PROM和電源模塊組成，如圖1所示,。
CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比,，具有成本低、功耗低,、集成度高等優(yōu)點(diǎn),。本設(shè)計(jì)選用擁有130 萬像素的圖像傳感芯片OV9620。OV9620能自動提供幀同步信號VSYNC,、行同步信號HREF和像素時(shí)鐘PCLK[4],。為保證圖像采集與上位機(jī)圖像處理的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)中采用VGA 640×480模式,，可以保證每秒30幀的動態(tài)圖像,。實(shí)際設(shè)計(jì)電路如圖2所示。
EZ-USB FX2芯片CY7C68013是USB2.0控制器,，擁有增強(qiáng)型8051內(nèi)核,，集成了智能串行接口引擎(SIE)、片上RAM,、4 KB FIFO存儲器,，可獨(dú)立于MCU，由硬件自動完成480 Mb/s高速數(shù)據(jù)傳輸功能[5],。既可以采用I2C總線把固件程序從E2PROM中下載到自身的RAM中執(zhí)行,，又可以讀寫OV9620寄存器，實(shí)現(xiàn)攝像頭的自動曝光,、增益控制及白平衡控制等功能,。
設(shè)計(jì)中，采用波長為850 nm的近紅外光源從手背一側(cè)照射手指,，靜脈血液中的血紅蛋白因吸收紅外線而導(dǎo)致靜脈部分的紅外光透射較少,，最終在手指另一側(cè)的CMOS圖像傳感器上產(chǎn)生手指靜脈紋路圖案。當(dāng)紅外陣列光源的發(fā)光強(qiáng)度一定時(shí),，由于不同人,、甚至每個(gè)人的不同手指的粗細(xì)都不一致，會導(dǎo)致透射紅外光的強(qiáng)弱不同,。例如,針對較粗手指形成較好的靜脈圖像(如圖3(a))的光源,，對較細(xì)手指卻產(chǎn)生透射光過強(qiáng)的成像效果(如圖3(b)),。
針對這種情況，設(shè)計(jì)出如圖4所示的紅外發(fā)射光強(qiáng)自動調(diào)節(jié)電路模塊,，這是負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng),。其實(shí)現(xiàn)過程為：先通過觀察上位機(jī)圖像處理軟件實(shí)時(shí)接收到的圖像，調(diào)節(jié)用于初始化設(shè)定的電位器旋鈕,直到確認(rèn)手指靜脈圖像達(dá)到最好效果時(shí)停止,，系統(tǒng)將該電位器輸出電壓值作為標(biāo)準(zhǔn)值(Uin),。當(dāng)不同的手指進(jìn)行采集時(shí)，紅外光接收電路將采集到的電流轉(zhuǎn)換為電壓值作為反饋值(U1),，將反饋值與標(biāo)準(zhǔn)值比較,，得到偏差電壓值(Ue),，通過積分調(diào)節(jié)器輸出電壓(Uout)控制紅外光源,，若偏差值小于0(反饋值大于標(biāo)準(zhǔn)值)，則自動調(diào)高輸出電壓Uout直至透射光強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)態(tài),；若偏差值大于0,，則自動調(diào)低輸出電壓Uout直至透射光強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。使紅外發(fā)射光強(qiáng)隨手指的厚度動態(tài)變化,，讓透射光始終保持在一個(gè)相對穩(wěn)定的光強(qiáng)值,，以保證成像效果均衡。
紅外光強(qiáng)自動調(diào)節(jié)電路工作原理：紅外接收傳感器Q0的電流隨接收的透射光強(qiáng)變化而變化,，并作為三極管Q1基極電流,，進(jìn)而引起流經(jīng)電阻R13的電流變化，因此UR13電壓隨接收光強(qiáng)電流變化而變化,。
這樣紅外發(fā)射光強(qiáng)的電流就會隨著接收光強(qiáng)而變化,。通過多次實(shí)驗(yàn)，此光強(qiáng)自動調(diào)節(jié)電路能很好地對透過手指的紅外光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié),，并可獲得清晰,、質(zhì)量穩(wěn)定的手指靜脈紋路圖像(如圖8所示)。
2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為USB固件程序,、USB驅(qū)動程序和上位機(jī)圖像處理軟件,。
(1)固件程序采用標(biāo)準(zhǔn)的EZ-USB程序框架。根據(jù)需求,，本系統(tǒng)固件的基本功能如下：
?、偻ㄟ^IFCONFIG=0x43設(shè)置Slave FIFO模式，同步方式下SLWR作為IFCLK時(shí)鐘引腳的使能信號,，以保證行同步信號HREF有效時(shí),，才能接收圖像的像素?cái)?shù)據(jù)。
?、谂浜嫌布娐?，通過設(shè)置EP2CFG=0xE0設(shè)置 EP2端口為BULK傳輸模式的IN端點(diǎn),，四重緩沖,每包字節(jié)數(shù)為1 024。并通過EP2FIFOCFG=0x08設(shè)置端口2為8位數(shù)據(jù)總線模式,。
?、墼趫D像幀接收中斷INT0處理函數(shù)中,為每一幀圖像前加上特定的幀頭[4]，以便上位機(jī)應(yīng)用程序可以準(zhǔn)確和完整地分離出每一幀圖像數(shù)據(jù),。在手指觸發(fā)按鍵中斷INT1處理函數(shù)中,，設(shè)定手指觸發(fā)的標(biāo)識位，以便上位機(jī)程序在發(fā)送Vendor指令時(shí),，通過讀取該標(biāo)識位來決定是否自動保存采集的手指靜脈圖片,。
(2)USB驅(qū)動程序直接利用EZ-USB開發(fā)包自帶的驅(qū)動程序ezusbsys.c。為滿足圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收需求,，減少在應(yīng)用程序中重復(fù)調(diào)用數(shù)據(jù)讀取函數(shù)的時(shí)間開銷,，需要修改驅(qū)動程序的讀取緩存設(shè)定值。本文設(shè)計(jì)如下：
#define TRANSSIZE 2048
…
for(j=0;j<interfaceList[0].InterfaceDescriptor-> bNumEndpoints; j++)
interfaceObject->Pipes[j].MaximumTransferSize= (TRANSSIZE * 1024) - 1;
修改完USB驅(qū)動程序文件后,需要使用類似Windows XP DDK的軟件重新編譯ezusb.sys文件,，執(zhí)行命令build-c -z即可生成測試版本或發(fā)布版本,。
另外將驅(qū)動程序的配置文件中生產(chǎn)商/銷售商(PID/VID)代碼和設(shè)備名更改為用戶的設(shè)定。
(3)上位機(jī)圖像處理軟件接收到的圖像數(shù)據(jù)是Bayer格式,，如圖5所示,。要將Bayer格式數(shù)據(jù)顯示為24位RGB彩色圖像，顏色插值算法是關(guān)鍵技術(shù),?？紤]到圖像采集的實(shí)時(shí)性和靜脈紋路特點(diǎn)，選擇最鄰近法,、雙線性算法,、邊緣導(dǎo)向法和適應(yīng)性顏色層法[6]等四種插值算法進(jìn)行對比研究。
從圖6中可以看出,，最鄰近法因運(yùn)算簡單,，只復(fù)制了鄰近的相關(guān)顏色,所以導(dǎo)致邊緣馬賽克現(xiàn)象非常明顯。雙線性法明顯優(yōu)于最鄰近法,，采用了對相鄰像素取平均的方法,，但沒有利用不同彩色分量之間的關(guān)系，所以導(dǎo)致圖像的邊緣引進(jìn)大量的錯誤數(shù)據(jù)造成圖像邊緣模糊現(xiàn)象,。邊緣導(dǎo)向法僅是對人眼較敏感的G分量進(jìn)行了沿邊緣的插值方法,，效果優(yōu)于最鄰近法，但邊緣模糊現(xiàn)象也比較嚴(yán)重,。而適應(yīng)性顏色層法對R,、G、B等三種顏色分量都進(jìn)行了沿邊緣的插值方法,，恢復(fù)的圖像效果最好,，銳化了圖像邊緣,，提高了視覺質(zhì)量。因此本系統(tǒng)采用適應(yīng)性顏色層法采集手指靜脈的紋路圖像,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文設(shè)計(jì)的手指靜脈采集系統(tǒng)的上位機(jī)圖像處理軟件如圖7所示,。在自動調(diào)光功能條件下，采集的手指靜脈圖像如圖8所示,。
本文介紹了帶有自動調(diào)光模塊,，并基于EZ-USB FX2和CMOS圖像傳感器的手指靜脈系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)針對不同厚度手指,，動態(tài)調(diào)整紅外發(fā)射光強(qiáng)度,，以保證手指靜脈圖像質(zhì)量穩(wěn)定,避免了曝光過強(qiáng)或過弱現(xiàn)象,而且通過采用適應(yīng)性顏色層插值算法還原圖像數(shù)據(jù)，保證了手指靜脈圖像紋路清晰,，而且在VGA(分辨率640×480)模式下能夠以30幀/s的視頻形式顯示,。
參考文獻(xiàn)
[1] 苑瑋琦,柯麗,白云.生物特征識別技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.
[2] 王科俊,袁智.基于小波矩融合PCA變換的手指靜脈識別[J].模式識別與人工智能,2007,20(5):692-697.
[3] MULYONO D, JINN H S. A study of finger vein biometric for personal identification[C]. 2008 International Symposium on Biometrics and Security Technologies (ISBAST′08), 2008:136-143.
[4] 周穎慧,夏麗娟.基于CMOS和USB2.0的人臉檢測系統(tǒng)[J].電子器件,2009,32(2):258-261.
[5] 王科俊,張曉雷.基于CMOS傳感器多功能USB圖像采集平臺[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(31):130-131.
[6] 賀欽,劉文予.數(shù)字圖像傳感器顏色插值算法研究[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2007,8(8):1482-1485.