多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊金鋒，呂恩春

（中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

手指靜脈識別憑借其特有的優(yōu)越性在生物識別領(lǐng)域倍受關(guān)注。然而單光譜手指靜脈成像模式已經(jīng)無法充分利用人體不同對象生物組織的光學(xué)特性[1-2]，這也會影響真實(shí)手指靜脈特征信息的分析與提取。因此，對于手指靜脈識別來說，探索多光譜手指靜脈成像模式具有重要的理論與實(shí)際意義[3-6]。本實(shí)驗(yàn)室較早地提出了多光譜手指靜脈成像理論并對其展開深入研究。已經(jīng)初步設(shè)計(jì)出多光譜手指靜脈成像與采集系統(tǒng)[7]，為多光譜手指靜脈識別奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。這對促進(jìn)手指靜脈識別技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。然而該系統(tǒng)尚欠完善，存在3個問題：①該系統(tǒng)LED光源控制電路較為復(fù)雜，且經(jīng)常出現(xiàn)控制失敗等故障；②系統(tǒng)的光源光路結(jié)構(gòu)問題始終沒有解決，光線不能均勻聚集在手指上方，致使靜脈成像質(zhì)量有較大變化；③該系統(tǒng)在采集的時候，LED的點(diǎn)亮和亮度調(diào)節(jié)還要單獨(dú)用串口通信助手來完成，每次都要手動編寫命令發(fā)送命令，這樣造成采集步驟比較繁瑣，無法實(shí)現(xiàn)對多光譜圖像的自動采集。因此本文從這3個問題出發(fā)，設(shè)計(jì)出較為簡單有效的光源控制電路，對光源結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了新的采集裝置外殼，在新硬件的基礎(chǔ)上將光源亮度調(diào)節(jié)的串口通信過程嵌入采集軟件系統(tǒng)，建立了新的較為完善的多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)。通過較為詳細(xì)的比較試驗(yàn)，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的有效性。

1 多光譜手指靜脈成像系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的手指靜脈成像系統(tǒng)主要包括光源控制電路的優(yōu)化和采集裝置外殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 光源控制電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

多光譜光源控制電路的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)兩個主要目的：①實(shí)現(xiàn)多波段光源發(fā)光的順序控制；②實(shí)現(xiàn)光源發(fā)光強(qiáng)度的量化控制。順序控制的目的是為了獲得不同波段下的手指圖像，量化控制的目的在于設(shè)定光源的發(fā)光強(qiáng)度以適應(yīng)手指尺寸大小變化的實(shí)際情況，避免單一LED光源輻射峰值波動。因此，光源控制電路設(shè)計(jì)要圍繞這兩個主要目的來研究實(shí)現(xiàn)。

在文獻(xiàn)[7]中，光源控制電路主要是由單片機(jī)控制數(shù)碼管驅(qū)動芯片CH452A驅(qū)動LED陣列，單片機(jī)用的是PLCC封裝的AT89C52，該芯片現(xiàn)已經(jīng)停產(chǎn)。重要的是C52燒寫程序時需把芯片從線路板上摳下來放到編程器上之后再放回去，極不方便。另外用CH452A驅(qū)動LED陣列控制程序比較復(fù)雜。

針對以上問題，設(shè)計(jì)優(yōu)化策略是電路盡量簡單，電路板體積盡量小。故重新設(shè)計(jì)光源控制電路：

1）用DIP封裝的單片機(jī)AT89S52代替AT89C52，其好處是S52可在線編程,非常方便，并且還便宜。

2）本文設(shè)計(jì)放棄使用數(shù)碼管控制芯片CH452A驅(qū)動，采用單片機(jī)直接控制驅(qū)動LED陣列，這樣使得電路更為簡單實(shí)用。

優(yōu)化后本電路的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，LED發(fā)光強(qiáng)度的控制由數(shù)字電位器芯片限流實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)對多光譜LED發(fā)光順序和數(shù)字電位器開關(guān)量的控制通過USB總線轉(zhuǎn)接芯片CH341T實(shí)現(xiàn)R485通信，譯碼器的作用是點(diǎn)亮共陽極的LED陣列。圖2是完成的電路板。

1.2 光路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

手指成像效果依賴于光在手指組織介質(zhì)中的傳播狀態(tài)，影響光傳播狀態(tài)的外界因素則是入射光的結(jié)構(gòu)模式和照射模式。因此光源結(jié)構(gòu)和光路形式設(shè)計(jì)是滿足系統(tǒng)成像條件的一個基本研究內(nèi)容。

醫(yī)學(xué)研究已證明[8]，波長在700～900 nm的近紅外光對生物組織具有最強(qiáng)的穿透能力。因此設(shè)計(jì)中的手指靜脈成像光譜也選擇了這個范圍。考慮到近紅外LED輸出峰值一般有動態(tài)變化，采用正常輸出峰值在735～870 nm之間的LED作為近紅外光源。本設(shè)計(jì)中近紅外光源LED陣列由三排線陣構(gòu)成，每排包含兩種光譜，分別為760 nm與780 nm、770 nm與830 nm、810 nm與850 nm這3組，每排2個光譜間隔排列。

LED光源雖有指向性，但指向性并不高，不能集中穿透手指，即有較多余光發(fā)散到空間反射回來影響成像質(zhì)量。如圖3所示，如果3排LED陣列平行排列在平面上，那么3排LED光線是平行照在手指的不同位置上，而不是集中打在手指正上方，由圖3（a）模式可知只有中間那排燈照在手指的正上方，旁邊2排會打在手指邊緣，這樣采集出的圖像會出現(xiàn)局部偏亮的情況，如圖4（a）所示的就是原裝置采集出的圖像。

針對光照不集中的問題，本文的設(shè)計(jì)策略是將3排LED陣列排列在凹面上，如圖3（b）所示，圖3（b）的原理是，假設(shè) 3 個 LED 的發(fā)光角分別為 θ1、θ2、θ3（其中θ1≈θ2≈θ3），距離為 △d。若使 3 個 LED 發(fā)出的光能聚集在中間LED下方的中心位置上，根據(jù)三角形和圓的有關(guān)知識，它們應(yīng)該位于半徑為h（其中h為LED的指向距離）的圓周上。先將右側(cè)LED的位置在中點(diǎn)處向下傾斜 θ角，計(jì)算得 θ=（θ2+ θ3）/2 ≈ θ2，左側(cè)同理。這樣如果把手指放在圖中的中心位置上，光就可集中打在手指上。本文就是基于這樣一個原理來設(shè)計(jì)的。

最后給出本文設(shè)計(jì)的采集裝置基本構(gòu)造，如圖4所示。圖中給出了原裝置的光路結(jié)構(gòu)圖、新裝置的外殼以及內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)示意圖，原裝置的光源光路結(jié)構(gòu)是平行排列在平面上，缺點(diǎn)上文已陳述，現(xiàn)重點(diǎn)介紹本文設(shè)計(jì)的外殼內(nèi)部構(gòu)造，如圖4（b）所示，根據(jù)外殼圖4（c）可以看出這是個縱切面，上面3個LED代表排列在凹面上的三排LED陣列，手指就放在距離中間排LED為Δh的位置上，在光源的下方，為了能夠保證光線更好的聚集照射，用兩片對稱的隔光片將光擋住，中間留出一條縫隙，這條縫隙的大小設(shè)計(jì)成了可調(diào)方式，這樣保證了光從這個縫隙中集中射出。從圖4（b）中可以看到，還使用了濾光片和偏振片，濾光片的作用是濾除700 nm以下的雜光。

偏振片對入射光具有遮蔽和透過的功能，可使縱向光或橫向光一種透過，一種遮蔽。一般成對使用，自然光通過偏振片后成為線偏振光，線偏振光的振動方向與偏振片的偏振化方向一致，在這里偏振片起著起偏器的作用，故稱為起偏片；偏振光通過偏振片后在轉(zhuǎn)動偏振片的過程中，透射光強(qiáng)度發(fā)生變化，在這里偏振片起著檢偏器的作用，稱為檢偏片。這里用它是為了抑制光的散射。

另外，由圖4（c）看到，在裝置的最低端有兩個旋鈕，可以微調(diào)鏡頭位置，達(dá)到理想位置之后再將其固定，這樣做的目的是使鏡頭調(diào)節(jié)更加方便、準(zhǔn)確。

2 多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)完善

采集系統(tǒng)軟件平臺是在VC++環(huán)境下編寫而成，具有手指靜脈圖像采集、存儲建立數(shù)據(jù)庫、注冊、識別用戶等基本功能（本文現(xiàn)在只關(guān)注采集部分）。

原有采集系統(tǒng)的工作方式如圖5所示。

1）打開采集界面，并初始化；

2）打開串口調(diào)試界面，發(fā)送指令點(diǎn)亮760 nm的LED（如果亮度不好，需再發(fā)送指令調(diào)節(jié)）；

3）轉(zhuǎn)到采集界面輸入用戶信息，進(jìn)行采集。

上面所述的是單個光譜的采集過程，6個波段都要重復(fù)采集需求響應(yīng)的過程，因此重復(fù)的工作太多，采集效率相當(dāng)?shù)?。針對這樣的問題，本文給出的解決策略是，將串口調(diào)試助手完成的過程用C++編寫成一個小的LED光源控制界面，然后嵌入到采集界面里，并且完成6個波段自動順序采集。采集過程如圖6所示，將點(diǎn)亮LED和亮度調(diào)節(jié)的過程轉(zhuǎn)化成一個個單選按鈕來完成，這樣如果想點(diǎn)亮LED和亮度調(diào)節(jié)時，只需點(diǎn)擊相應(yīng)單選按鈕即可，比較方便。

綜上，經(jīng)過優(yōu)化后的采集界面單獨(dú)就可完成整個軟件功能。可以完成單個波段手動采集。另外設(shè)置6個波段間隔一定時間點(diǎn)亮，就可完成自動采集了。

3 結(jié)果與分析

上面已對控制電路、裝置外殼、采集系統(tǒng)界面給出優(yōu)化設(shè)計(jì)。這里給出設(shè)計(jì)好的整個采集系統(tǒng)如圖7所示，其中LED點(diǎn)亮和亮度調(diào)節(jié)就是由上述的串口通信完成的，當(dāng)手指放入采集裝置中，采集界面中的橙色框就開始對手指輪廓進(jìn)行跟蹤，在手指放置恰當(dāng)?shù)臅r候會顯示一個綠框（綠框?yàn)楦信d趣區(qū)域[9-10]），此時點(diǎn)擊圖像采集按鈕便可對6個波段的圖像進(jìn)行手動或自動采集了。

最后運(yùn)用經(jīng)過本文改進(jìn)的多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)手指靜脈圖像采集實(shí)驗(yàn)，采集了一定數(shù)目的樣本，抽選了一個手指的6個波段，跟原有裝置的同一手指采集結(jié)果進(jìn)行比較，如圖8所示。

通過比較可以看出，原來的圖像兩側(cè)一亮一暗的問題得到了解決，光路結(jié)構(gòu)也得到了有效的改善，而且現(xiàn)在采集的圖像質(zhì)量也比原來的好許多。另外在采集的過程中，本系統(tǒng)的使用更加的方便快捷，采集效率得到了顯著提高。因此可以認(rèn)為本文的設(shè)計(jì)已顯成效，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文的主要目的就是設(shè)計(jì)出較為完善的多光譜手指靜脈采集系統(tǒng)，然后采集出質(zhì)量較高的靜脈圖像，因此本文內(nèi)容主要可以分為兩大塊：①對多光譜手指靜脈成像系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，首先重新設(shè)計(jì)了光源控制電路，改進(jìn)了光源光路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了新的采集裝置，建立采集系統(tǒng)的硬件平臺；②在硬件的基礎(chǔ)上搭建了軟件平臺。

本文的設(shè)計(jì)成果為手指靜脈識別奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為后續(xù)的手指靜脈處理減輕了困難。當(dāng)然本設(shè)計(jì)并非完美，也有不太理想之處，如采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)LED亮度控制部分：亮度等級雖有8個等級，但等級變化不是很明顯，并且未能根據(jù)需要自動改變亮度，這方面還有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

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