《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于自動調(diào)光功能的手指靜脈圖像采集系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第10期
管鳳旭, 王科俊
哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱150001
摘要: 當(dāng)固定光強(qiáng)的紅外光透射厚度不相同的手指時,會在圖像傳感器上呈現(xiàn)質(zhì)量不一的靜脈圖像,產(chǎn)生曝光過強(qiáng)或過暗的現(xiàn)象。為采集到質(zhì)量一致的手指靜脈圖像,設(shè)計一種自動調(diào)光電路,可根據(jù)紅外透射光的強(qiáng)度自動調(diào)整紅外發(fā)射光強(qiáng),以保證紅外透射光強(qiáng)度維持在一個相對穩(wěn)定的范圍。同時設(shè)計了一種基于USB2.0和CMOS圖像傳感器的手指靜脈采集系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)采集的手指靜脈紋路圖像清晰、質(zhì)量穩(wěn)定。
中圖分類號: TP391.41
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2010)10-0120-04
A finger vein image collection system based on auto-dimming function
GUAN Feng Xu, WANG Ke Jun
College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
Abstract: Because each figure has different thickness, the sensor will get different quality of fingers vein images through the fixed infrared intensity light. That means the exposure of these images will be too strong or too dark. In order to get consistency quality finger vein images, auto-dimming circuit is designed which can automatically adjust intensity of the crossing infrared light and keep it relatively stable. At the same time, a finger vein image collection system is designed based on USB2.0 and CMOS. Experimental results show that the finger vein image collected by this system can be clear and stable quality.
Key words : finger vein image; auto-dimming; CMOS image sensor; USB2.0; interpolation algorithm

 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,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。
 日立公司已率先研制出用于身份驗證的手指靜脈識別系列產(chǎn)品。國內(nèi)一些科研團(tuán)隊也已經(jīng)先后設(shè)計出手指靜脈采集的實驗裝置[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,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圖像傳感器手指靜脈圖像采集系統(tǒng)。
1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計
 為降低成本,沒有采用FPGA或CPLD等可編程器件,但設(shè)計出結(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。本設(shè)計選用擁有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和像素時鐘PCLK[4]。為保證圖像采集與上位機(jī)圖像處理的實時性,設(shè)計中采用VGA 640×480模式,可以保證每秒30幀的動態(tài)圖像。實際設(shè)計電路如圖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,由于不同人、甚至每個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)。其實現(xiàn)過程為:先通過觀察上位機(jī)圖像處理軟件實時接收到的圖像,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,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。通過多次實驗,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
    采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為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時鐘引腳的使能信號,以保證行同步信號HREF有效時,才能接收圖像的像素數(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,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,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)的實時接收需求,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]到圖像采集的實時性和靜脈紋路特點,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 實驗結(jié)果
 本文設(shè)計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&times;480)模式下能夠以30幀/s的視頻形式顯示。
參考文獻(xiàn)
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