手指靜脈識(shí)別技術(shù)是一種通過(guò)手指中靜脈特征信息對(duì)人體身份進(jìn)行認(rèn)證的技術(shù)[1]，作為第二代生物認(rèn)證技術(shù)它有很高的防偽性，正吸引越來(lái)越多的學(xué)者進(jìn)行研究。與其他生物識(shí)別技術(shù)相比，手指靜脈識(shí)別技術(shù)具備以下主要優(yōu)點(diǎn)：(1)由于手指靜脈血管分布于身體內(nèi)部，所以不需考慮皮膚表面因素。(2)手指靜脈識(shí)別是進(jìn)行活體檢測(cè)的技術(shù)，具有更高的安全性。(3)隨著攝像頭的廣泛應(yīng)用，其價(jià)格非常便宜，用其采集靜脈圖像極大降低了開(kāi)發(fā)成本。手指靜脈識(shí)別技術(shù)可以應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣，如銀行、法院等保密安全系統(tǒng)；智能樓宇、學(xué)校門(mén)禁及考勤等公共系統(tǒng)。這些應(yīng)用場(chǎng)合不僅要求識(shí)別算法的快速性，還要求識(shí)別設(shè)備小型化、便攜化以及穩(wěn)定性。所以擺脫計(jì)算機(jī)的約束，在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)手指靜脈識(shí)別成為今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM的嵌入式手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)，采用的ARM11處理器具有低成本、低能耗、高性能等特征。嵌入式操作系統(tǒng)采用微軟的Windows Embedded CE 6.0(WinCE 6.0)，它是一個(gè)開(kāi)放、可裁剪、32 bit的實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統(tǒng)。
1 嵌入式系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    比較完整的手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)具備采集和識(shí)別這兩個(gè)基本的功能。首先通過(guò)嵌入式采集裝置獲取使用者的相關(guān)信息，并將該使用者的手指靜脈特征添加到手指靜脈特征數(shù)據(jù)庫(kù)；然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中使用者信息與采集的手指靜脈圖像比對(duì)，判定其身份是否正確。為此，將該嵌入式手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)分為硬件平臺(tái)、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件三部分。
    嵌入式系統(tǒng)硬件主要由嵌入式微處理器S3C6410及其外圍擴(kuò)展電路組成。其中，S3C6410是一款基于ARM11內(nèi)核的微控制器，其主頻達(dá)667 MHz，具有豐富的外圍接口控制器，可以滿(mǎn)足圖像識(shí)別所需性能要求。嵌入式操作系統(tǒng)采用 WinCE6.0，其模塊化設(shè)計(jì)使得嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者能夠方便地根據(jù)需求定制產(chǎn)品，同時(shí)還具有100%開(kāi)放WinCE 6.0內(nèi)核源代碼。采用微軟的多媒體DirectShow技術(shù)，在Visual Studio 2005環(huán)境下開(kāi)發(fā)圖像采集應(yīng)用程序，在PC機(jī)上調(diào)試成功后移植到嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)下運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。
2 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，把嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)分為微處理器核心模塊、手指靜脈成像模塊、自動(dòng)調(diào)光控制模塊和輔助操作模塊。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    本設(shè)計(jì)選取S3C6410作為嵌入式微處理器，其上外接DRAM接口、Nand Flash接口以及豐富的總線(xiàn)接口電路。同時(shí)S3C6410還集成了電源電路、復(fù)位電路、RS232接口電路和USB接口電路等部分。其中，DRAM接口用于連接動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，本設(shè)計(jì)采用Mobile DDR存儲(chǔ)器，用于運(yùn)行操作系統(tǒng)及存取應(yīng)用程序。Nand Flash則用于固化嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE內(nèi)核、手指靜脈識(shí)別軟件等，以及儲(chǔ)存采集的圖像等數(shù)據(jù)資料。
    手指靜脈成像模塊包括紅外光源、紅外濾光片和圖像傳感器。本設(shè)計(jì)選用微型OV9650圖像傳感器模組，它由30針的CMOS圖像傳感器和手動(dòng)微調(diào)鏡頭組成，需要為其提供必須的電源。攝像頭電源電路如圖2所示。通過(guò)S3C6410的攝像頭接口從S3C6410獲取+5 V電源，分別轉(zhuǎn)換為3路電壓值為攝像頭電路供電。

    本文通過(guò)轉(zhuǎn)接板來(lái)實(shí)現(xiàn)攝像頭模組與S3C6410的連接，其接口電路如圖3所示。其中，J1用于 S3C6410攝像頭接口與轉(zhuǎn)接板的連接，U10則是攝像頭模組與轉(zhuǎn)接板的接口。
    對(duì)于近紅外光源，選用波長(zhǎng)為850 nm、型號(hào)為T(mén)SHG5210的高速紅外發(fā)光二極管，設(shè)計(jì)中排成直線(xiàn)形陣列。由于環(huán)境不同，可見(jiàn)光對(duì)手指靜脈成像影響也有所不同，因此，在鏡頭前放置型號(hào)為IR780的近紅外濾光片來(lái)濾除可見(jiàn)光。
    自動(dòng)調(diào)光控制模塊使紅外光源能夠根據(jù)被采集對(duì)象手指的不同粗細(xì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光，使攝像頭接收到的光強(qiáng)不變，采集到的圖像亮度適中。本設(shè)計(jì)在原來(lái)研制的積分調(diào)節(jié)電路[2]基礎(chǔ)上改進(jìn)為帶PID控制器的紅外光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)電路。當(dāng)采用PID電路進(jìn)行串聯(lián)校正時(shí)，可以使得系統(tǒng)型別提高一級(jí)；同時(shí)還為系統(tǒng)提供兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。PID控制器電路圖如圖4所示。

    輔助操作模塊包括LCD、USB鼠標(biāo)和8×8矩陣鍵盤(pán)等，用于對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行控制。
3 嵌入式識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)
    本文采用多媒體DirectShow技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)攝像頭圖像采集應(yīng)用程序。為了完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理，創(chuàng)建多個(gè)過(guò)濾器并連接，數(shù)據(jù)流從源過(guò)濾器經(jīng)過(guò)中間過(guò)濾器移動(dòng)到渲染過(guò)濾器，最終提供給用戶(hù)。在這個(gè)過(guò)程中完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀取、解碼、將數(shù)據(jù)輸出到相應(yīng)設(shè)備上。本文將視頻預(yù)覽和視頻捕捉封裝成視頻采集過(guò)濾器，如圖5所示。其中，“智能Tee”是為了調(diào)節(jié)PCI總線(xiàn)分流數(shù)據(jù)。

    通過(guò)Visual Studio 2005開(kāi)發(fā)環(huán)境的MFC智能設(shè)備應(yīng)用程序向?qū)?chuàng)建一個(gè)基于對(duì)話(huà)框的應(yīng)用程序；然后創(chuàng)建類(lèi)、設(shè)計(jì)采集界面以及編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)視頻采集與預(yù)覽、圖像保存等功能。所用到的主要函數(shù)如下：
    GetFirstCameraDriver()：獲取系統(tǒng)中注冊(cè)的第一個(gè)視頻捕捉設(shè)備名。
    FreeDShow()：釋放創(chuàng)建DirectShow接口對(duì)象。
    PreviewCamera()：用于預(yù)覽視頻，同時(shí)負(fù)責(zé)DirectShow接口的初始化工作。
    SnapPicture()：抓拍視頻中的一幅圖片，并以文件形式保存。
    此外，把手指靜脈識(shí)別算法加入到應(yīng)用程序中，并移植到WinCE 6.0操作系統(tǒng)下。該軟件功能包括：錄入手指靜脈圖像并保存所有相關(guān)信息至數(shù)據(jù)庫(kù)中，測(cè)試當(dāng)前采集手指靜脈圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)中圖像是否匹配；調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中手指靜脈圖像進(jìn)行算法研究。
    當(dāng)需要用本系統(tǒng)進(jìn)行手指靜脈識(shí)別時(shí)，先啟動(dòng)操作系統(tǒng)，用戶(hù)從可視化界面輸入相應(yīng)信息，開(kāi)始采集圖像。
4 手指靜脈識(shí)別算法
    手指靜脈識(shí)別算法是本系統(tǒng)軟件的核心部分，目前該算法在計(jì)算機(jī)上已達(dá)到較高水平。但將其移植到嵌入式系統(tǒng)時(shí)，由于受嵌入式處理器硬件性能的限制，達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，本文采用了一種適合于嵌入式系統(tǒng)的手指靜脈識(shí)別算法。
4.1 圖像預(yù)處理
    （1）格式轉(zhuǎn)換與灰度歸一化。本文中通過(guò)圖像采集裝置采集的手指靜脈圖像是24 bit JPG格式的真彩圖像，采用Imaging技術(shù)[3]循環(huán)解碼將其轉(zhuǎn)化為24 bit BMP格式的圖像。
    通過(guò)改變各個(gè)分量(R，G，B)的權(quán)重，把三個(gè)點(diǎn)合成一個(gè)點(diǎn)就可以將24 bit BMP圖像轉(zhuǎn)換成256色的灰度圖像。本設(shè)計(jì)采用加權(quán)平均值法可以得到較合理的灰度圖像，即：
    
    （4）濾波與去噪。在經(jīng)過(guò)前面圖像分割后的特征圖像中存在許多孤立點(diǎn)、塊狀噪聲以及一些細(xì)小空洞。為了便于以后處理，必須填充這些細(xì)小空洞和除去噪聲。首先采用中值濾波法，消除圖像中的高斯噪聲和脈沖干擾信號(hào)，接著進(jìn)行面積去噪，以消去孤立的噪聲。
    （5）紋路細(xì)化。經(jīng)過(guò)一系列處理后的圖像靜脈紋路很粗，所以采用改進(jìn)的條件細(xì)化算法進(jìn)行處理，即在條件細(xì)化后的靜脈圖像上，加入模板算法去掉分叉點(diǎn)處冗余的像素。目的是通過(guò)連續(xù)剝離圖像最外層元素直到獲得單像素的連通線(xiàn)，去掉冗余信息，且保留紋路的拓?fù)溥B接關(guān)系，以利于后續(xù)的特征提取。

其中，Np為點(diǎn)集P中元素的個(gè)數(shù)。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    把在PC機(jī)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件移植到ARM11板，上電開(kāi)啟操作系統(tǒng)運(yùn)行該軟件，開(kāi)始采集和測(cè)試手指靜脈圖像的效果圖如圖7所示。

    本軟件把圖像采集、預(yù)處理等一系列過(guò)程合成到一起進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)一鍵完成，使其更加接近產(chǎn)品化。錄入用戶(hù)圖像信息時(shí)，圖像處理達(dá)到了每次約0.5 s的速度，令人滿(mǎn)意。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，采集50個(gè)手指的靜脈圖像，每個(gè)手指采集4次，一共采集了200幅靜脈圖像，構(gòu)成手指靜脈數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)本文的方法，來(lái)驗(yàn)證算法的匹配識(shí)別效果。測(cè)試1:1匹配識(shí)別，將每個(gè)手指的1個(gè)樣本分別與其他3個(gè)樣本進(jìn)行比對(duì)完成識(shí)別，每次識(shí)別過(guò)程達(dá)到約0.4 s的速度，得到的結(jié)果如表1所示，達(dá)到了預(yù)期的效果。
    本文構(gòu)建了一種基于ARM技術(shù)的嵌入式手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)穩(wěn)定性好、集成度高；采用的WinCE 6.0界面友好、畫(huà)面清晰；開(kāi)發(fā)的識(shí)別應(yīng)用軟件可以開(kāi)機(jī)啟動(dòng)，便于操作，使本識(shí)別系統(tǒng)具有很好的人機(jī)交互特性。同時(shí)針對(duì)嵌入式系統(tǒng)采用一套合適的手指靜脈識(shí)別算法。實(shí)驗(yàn)表明，該手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速圖像處理和識(shí)別，與基于PC機(jī)的識(shí)別系統(tǒng)相比，具有體積小、重量輕、易于移動(dòng)與操作、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。
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