虹膜圖像采集裝置的設(shè)計(jì)

苑瑋琦，金 爽

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)研究所，遼寧沈陽(yáng) 110870)

0 引言

為了能夠清晰便捷地觀察到虹膜的情況，人們對(duì)虹膜采集技術(shù)的研究一直在進(jìn)行。一個(gè)優(yōu)秀的虹膜圖像采集系統(tǒng)能夠大大提高虹膜診斷的正確率，為醫(yī)生觀察虹膜特征提供極大的方便。

現(xiàn)有的虹膜圖像采集裝置還存在各種不足，例如有的裝置會(huì)在檢測(cè)時(shí)受到各方面影響，造成被測(cè)者眨眼或轉(zhuǎn)動(dòng)眼球，檢測(cè)難以準(zhǔn)確；有的裝置過(guò)于龐大、復(fù)雜和昂貴，使得使用范圍受到限制。另外，光源強(qiáng)度過(guò)大傷害人眼，存在光斑等都是目前虹膜檢測(cè)領(lǐng)域存在的問(wèn)題。

文中所設(shè)計(jì)的是一種便攜式的虹膜采集裝置，通過(guò)USB接口即可將圖像顯示在電腦上，攜帶方便，使用方法簡(jiǎn)單。該裝置根據(jù)虹膜特點(diǎn)以及醫(yī)療診斷的要求選取合適的光源和鏡頭，設(shè)計(jì)了抗干擾性強(qiáng)、對(duì)人眼無(wú)損傷的光學(xué)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸電路以USB2．0接口芯片CY7C68013A為主控芯片，圖像的處理分析均在上位機(jī)進(jìn)行，響應(yīng)速度快，圖像質(zhì)量好，可滿足大部分虹膜醫(yī)療診斷的要求。

1 虹膜圖像采集裝置的結(jié)構(gòu)

虹膜圖像采集裝置以人眼虹膜為采集對(duì)象，由光學(xué)系統(tǒng)、圖像傳感器、USB接口芯片等組成。光學(xué)系統(tǒng)采集用戶的虹膜圖像，圖像信息由圖像傳感器進(jìn)行數(shù)字化處理。處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入U(xiǎn)SB接口芯片，快速上傳至計(jì)算機(jī)主機(jī)端進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等操作，如圖1所示。

圖1 虹膜圖像的采集過(guò)程

2 光學(xué)系統(tǒng)

在虹膜圖像的采集過(guò)程中，光學(xué)系統(tǒng)提供光源和鏡頭，并配以輔助的遮擋裝置。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾個(gè)主要問(wèn)題：

(1) 光源強(qiáng)度適中、顯色性好、位置合理。既能滿足圖像質(zhì)量的要求又不給被采集者的眼睛造成傷害。

(2) 選擇合適的鏡頭，充分考慮各方面因素使圖像質(zhì)量達(dá)到最佳。

(3) 遮擋裝置一方面要消除外界雜光干擾，一方面又起到固定拍攝位置的作用。

2．1 光源的選擇與設(shè)計(jì)

虹膜診斷需要觀察虹膜的形態(tài)變化，如顏色、色斑，結(jié)構(gòu)和瞳孔變化等[1]。單色光的顯色性很差，會(huì)極大地影響觀察到的物體顏色，而白光顯色性很好[2]，作為光源時(shí)能最大程度地還原虹膜顏色信息。

設(shè)計(jì)選用的是一款高指向性白光LED。目前市場(chǎng)上同類虹膜采集設(shè)備的光源發(fā)光強(qiáng)度多在2 500～3 500 mcd范圍內(nèi)，而本裝置的光源發(fā)光強(qiáng)度為1 500～1 800 mcd，低于大部分同類產(chǎn)品，被采集者并無(wú)不適感。另外，CMOS傳感器要求的最低照度一般在6～15 Lux范圍內(nèi)，該光源照度遠(yuǎn)高于該值。

采集過(guò)程中光線要盡量避免直射瞳孔，因此需要根據(jù)虹膜直徑和瞳孔直徑來(lái)確定拍攝距離、光源的安裝位置與角度。除此之外光源方向性、體積、發(fā)光角度等均需要考慮。

光源安裝位置如圖2所示，兩燈位于主光軸兩側(cè)，直線距離L=30 mm，照射方向與光軸夾角φ=60°。人眼虹膜直徑約為10～12 mm，瞳孔直徑2～4 mm．光源直射位置要在瞳孔之外，虹膜之內(nèi)。取虹膜直徑R=10 mm，瞳孔直徑r=4 mm。已知光源直徑1 mm，由于拍攝距離很近，且高指向性光源的散射角很小，光斑直徑r′可視為與光源直徑一致，即r′=1 mm．計(jì)算裝置允許的最遠(yuǎn)拍攝距離：

(1)

最近拍攝距離：

(2)

將拍攝位置固定在S=6.5 mm處，光線照射在距瞳孔中心約3.75 mm處，不會(huì)直射入瞳孔。

圖2 光源安裝位置

當(dāng)有光線照射在虹膜上時(shí)，會(huì)在虹膜區(qū)域上反光，形成位于虹膜區(qū)內(nèi)的光斑，造成該部分虹膜區(qū)域信息被破壞。該裝置光源形成的光斑位于瞳孔兩側(cè)的虹膜上，直徑1 mm左右。為消除光斑干擾，照明裝置(圖3)中兩個(gè)LED發(fā)光管的開啟可以分別控制。使用時(shí)依次打開左燈、右燈，采集兩幅圖像，即可觀察到光斑遮擋的區(qū)域。

若被測(cè)人眼睛受到自然光或景物影響，會(huì)眨眼或轉(zhuǎn)動(dòng)眼球[3]，影響檢測(cè)效果。因此設(shè)計(jì)添加了遮擋裝置，用于避免外界干擾，而且遮擋裝置與被測(cè)人接觸，起到固定拍攝位置的作用。

圖3 照明裝置平面示意圖

2．2 鏡頭的計(jì)算與選擇

光學(xué)鏡頭在虹膜采集裝置中具有非常重要的作用。虹膜直徑僅10 mm左右，必須使用光學(xué)鏡頭放大虹膜圖像。焦距決定了放大倍數(shù)，分辨率則影響圖像的清晰度[4]。另外景深、視場(chǎng)角、拍攝距離等也決定圖像的質(zhì)量。選取鏡頭時(shí)要充分考慮各種因素，保證虹膜圖像滿足醫(yī)療分析的要求。

如圖4所示，當(dāng)已知被攝物體的大小及該物體到鏡頭距離，則可根據(jù)下式計(jì)算所選取配鏡頭的焦距：

(3)

式中：f為鏡頭焦距；D為被攝物體到鏡頭的距離；W和H為被攝物體的寬度和高度；w和h為被攝物體在傳感器靶面上成像寬度和高度。

圖4 鏡頭成像示意圖

鏡頭是否能拍攝到完整的虹膜圖像由視場(chǎng)角決定。計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

帶入各值進(jìn)行計(jì)算，得水平視角θah=22.62°，垂直視角θav=17.06°。鏡頭的視場(chǎng)角要大于該值，且鏡頭尺寸要與圖像傳感器靶面大小匹配。綜合以上計(jì)算，選擇靶面大小為1/4英寸，焦距9 mm，視場(chǎng)角25.0°×18.5°的鏡頭。

2．3 光學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該裝置為接觸式采集設(shè)備，使用時(shí)將遮擋裝置緊貼眼眶，即可固定人眼到鏡頭的距離，但虹膜在視場(chǎng)中的位置并不能精確固定，因此將整個(gè)眼部納入到成像范圍內(nèi)。

光源、鏡頭、傳感器和遮擋裝置的位置關(guān)系如圖5。遮擋裝置將人眼固定在距光源約6.5 mm的拍攝區(qū)域內(nèi)，使眼部基本布滿整個(gè)視場(chǎng)。鏡頭距拍攝位置約50 mm，根據(jù)鏡頭焦距，將圖像傳感器放置在距鏡頭9 mm處。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 硬件電路結(jié)構(gòu)

圖像數(shù)據(jù)的傳輸由USB接口芯片完成。本裝置使用EZ-USB FX2LP系列中的CY7C68013A芯片作為核心處理器。數(shù)據(jù)傳輸通常需要微處理器通過(guò)固件訪問(wèn)接口芯片的端點(diǎn)FIFO和外圍設(shè)備接口，固件程序執(zhí)行較慢會(huì)限制數(shù)據(jù)傳輸速率，而CY7C68013A提供了一種獨(dú)特的“量子FIFO”架構(gòu)，USB接口和應(yīng)用環(huán)境直接共享FIFO存儲(chǔ)器，無(wú)需執(zhí)行固件程序便可實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)FIFO與外部的數(shù)據(jù)交換[6]。端點(diǎn)FIFO可工作在5～48 MHz時(shí)鐘頻率下，而圖像傳感器的信號(hào)輸出頻率為24 MHz，CY7C68013A符合要求。

硬件電路如圖6所示，圖像傳感器輸出8位數(shù)字視頻信號(hào)，并提供行信號(hào)、場(chǎng)信號(hào)及像素時(shí)鐘信號(hào)對(duì)端點(diǎn)FIFO進(jìn)行外部邏輯控制。IIC總線用于圖像傳感器與USB接口芯片的通信。整個(gè)裝置由USB總線提供5 V電壓源，電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換后為各部分供電。接口芯片內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器，需要外部程序存儲(chǔ)器裝載固件程序。LED光源的開關(guān)由I/O接口控制。

圖6 虹膜采集裝置硬件電路

3．2 數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計(jì)

3．2．1 硬件連接

圖7是圖像傳感器OV7725與USB2．0接口芯片CY7C68013A的連接方式。接口芯片的時(shí)鐘輸出引腳CLKOUT為傳感器提供24 MHz時(shí)鐘信號(hào)。圖像傳感器像素時(shí)鐘輸出PCLK為CY7C68013A提供外部參考時(shí)鐘。將OV7725設(shè)置為每個(gè)PCLK的上升沿輸出一個(gè)像素點(diǎn)。每當(dāng)檢測(cè)到FIFO時(shí)鐘接口IFCLK信號(hào)的上升沿時(shí)(端點(diǎn)FIFO寫使能情況下)圖像傳感器就將一個(gè)8位數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)SB端口FIFO緩沖區(qū)中，達(dá)到圖像傳感器與USB控制器同步傳輸?shù)男Ч?/p>

圖7 圖像傳感器與USB接口芯片的連接

系統(tǒng)設(shè)置為從屬FIFO模式，即將外設(shè)作為主控方，控制端點(diǎn)FIFO與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳輸。信號(hào)時(shí)序如圖8所示，圖像傳感器輸出的行信號(hào)(HREF)控制端點(diǎn)FIFO的寫信號(hào)(SLWR)，行信號(hào)高電平期間使端點(diǎn)FIFO寫有效，保證傳輸有效的圖像數(shù)據(jù)。場(chǎng)信號(hào)(VSYNC)與外部中斷引腳(INT0)連接，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)觸發(fā)中斷服務(wù)子程序，通知USB控制器新一幀圖像的到來(lái)以達(dá)到與CMOS圖像場(chǎng)同步的目的。在中斷程序中進(jìn)行從屬FIFO模式轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)便可在PC機(jī)命令下開始采集傳輸。

圖8 圖像傳感器輸出信號(hào)時(shí)序圖

對(duì)圖像傳感器的配置通過(guò)I2C總線(SCL與SDA)實(shí)現(xiàn)。傳感器的數(shù)據(jù)輸出管腳Y[7：0] 和接口芯片的FD[7：0] 相連，傳輸實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)。

3．2．2 數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

若圖像傳感器輸出YUV4：2：2格式圖像，則每?jī)蓚€(gè)像素點(diǎn)占用四字節(jié)存儲(chǔ)空間，圖像大小為640×480像素，每秒輸出30幀，計(jì)算有效圖像數(shù)據(jù)傳輸速度為：

640×480×2×30≈17.6 MB/s

(6)

USB2．0協(xié)議規(guī)定USB總線速度上限為60 MB/s，考慮各種通信協(xié)議開銷后，理論傳輸速度如表1[7]，其中每微幀為125 μs．由表1可知中斷傳輸、批量傳輸、同步傳輸?shù)膫鬏斔俣染笥趫D像傳感器的17.6 MB/s．但實(shí)際應(yīng)用中傳輸速度受其他因素的影響會(huì)大大降低，為確保圖像數(shù)據(jù)正常傳送，選擇傳輸速度為53.248 MB/s，最接近總線速度上限的批量傳輸方式。

表1 USB2．0數(shù)據(jù)最大傳輸速度

接口芯片CY7C68013A工作在Auto-In(自動(dòng)打包)機(jī)制下，數(shù)據(jù)在“量子FIFO”中以數(shù)據(jù)包而非字節(jié)的形式傳輸，即對(duì)端點(diǎn)FIFO進(jìn)行寫操作時(shí)，寫滿協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)封包容量后便自動(dòng)啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。工作時(shí)，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)由通用接口進(jìn)入端點(diǎn)緩沖區(qū)，再以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳送。USB串行接口引擎(SIE)通過(guò)USB總線將數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)端。一般情況下使用雙重或三重、四重緩沖在通用接口與串行接口間輪換，如圖9所示。

圖9 圖像數(shù)據(jù)傳輸示意圖

4 軟件設(shè)計(jì)

虹膜采集裝置的軟件系統(tǒng)由3部分組成：固件程序、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序。

4．1 固件程序

固件程序是指USB接口芯片CY7C68013A的片內(nèi)程序。為減少設(shè)計(jì)人員的工作量，Cypress公司提供了一個(gè)固件框架firmware，大部分與USB協(xié)議相關(guān)的工作都已在固件中完成了。固件程序主要實(shí)現(xiàn)以下3方面功能：對(duì)USB端口和FIFO進(jìn)行初始化配置；完成對(duì)圖像傳感器的編程配置；其他自定義功能的設(shè)定。

進(jìn)行固件開發(fā)時(shí)，首先要根據(jù)設(shè)備情況來(lái)定義USB描述符。然后進(jìn)行端點(diǎn)配置和操作模式設(shè)定，該設(shè)計(jì)使用slave FIFO模式，數(shù)據(jù)自動(dòng)打包，批量傳輸，設(shè)置四重緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)大小1 024字節(jié)。

對(duì)圖像傳感器進(jìn)行配置時(shí)，主機(jī)向OV7725傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)分為三個(gè)部分，依次為芯片的ID地址、目地寄存器地址和要寫的數(shù)據(jù)。使用時(shí)不必配置所有的寄存器，只針對(duì)設(shè)計(jì)中需要的寄存器進(jìn)行配置即可，主要包括圖像分辨率、輸出格式、時(shí)鐘、攝像頭和影像處理功能等。

4．2 驅(qū)動(dòng)程序

驅(qū)動(dòng)程序使用Cypress公司提供的通用USB驅(qū)動(dòng)程序CYUSB．SYS。相應(yīng)地，主機(jī)則使用CyAPI控制函數(shù)類庫(kù)方法進(jìn)行編程。

4．3 應(yīng)用程序

CyAPI控制函數(shù)類庫(kù)為EZ-USB系列接口芯片提供了精細(xì)的控制接口。進(jìn)行應(yīng)用程序編程時(shí)，以Cypress提供的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榛A(chǔ)，在主機(jī)程序中加入頭文件CyAPI．h和庫(kù)文件CyAPI．lib即可調(diào)用CyAPI函數(shù)庫(kù)中的基礎(chǔ)函數(shù)。

為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，主程序中單獨(dú)開啟一個(gè)批量傳輸線程。在該線程中使用設(shè)備控制類下的Open()函數(shù)打開USB設(shè)備，然后調(diào)用3個(gè)函數(shù)BeginDataXfer()、WaitForXfer()、FinishDataXfer()讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，最后調(diào)用Close()函數(shù)結(jié)束程序。圖像數(shù)據(jù)存放于計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，設(shè)計(jì)中圖像傳感器輸出YUV422格式的數(shù)據(jù)，不能直接在計(jì)算機(jī)顯示，需先轉(zhuǎn)化為RGB24數(shù)據(jù)格式。轉(zhuǎn)化公式如下：

R=Y+1.042×(V-128)

(7)

G=Y-0.344 14×(U-128)-0.714 14×(V-128)

(8)

B=Y+1.772×(U-128)

(9)

傳輸過(guò)程中達(dá)到一幀數(shù)據(jù)量并完成格式轉(zhuǎn)化后即開始顯示圖像，直到下一幀數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換完成，進(jìn)行刷新，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。圖像以BMP格式保存。采集虹膜圖像時(shí)，觀察上位機(jī)顯示的視頻，滿足要求時(shí)即可拍照并保存圖像，應(yīng)用程序流程如圖10。

圖10 應(yīng)用程序流程圖

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)基于USB2．0接口芯片的虹膜圖像采集裝置，輸出VGA格式(30萬(wàn)像素)圖像，速度達(dá)到30 fps，具備實(shí)時(shí)顯示、拍照、存儲(chǔ)等功能。該虹膜圖像采集裝置光源強(qiáng)度較小，抗干擾性強(qiáng)，為虹膜醫(yī)療診斷提供了良好的硬件基礎(chǔ)。圖11為該裝置采集到的虹膜圖像。

圖11 裝置采集的虹膜圖像

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