非接觸式多模態(tài)手成像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

苑瑋琦，張寧寧

(沈陽工業(yè)大學(xué) 視覺檢測技術(shù)研究所，遼寧 沈陽110870)

多模態(tài)生物識(shí)別技術(shù)融合了多種不同生物特征來進(jìn)行身份判斷，提高了認(rèn)證系統(tǒng)的安全性。近年來，一些研究者開發(fā)了各種不同的手成像系統(tǒng)，主要可以分為兩類：(1)手局部成像裝置，例如：掌紋成像裝置、手掌靜脈成像裝置、手指靜脈成像裝置等[1-2]，這類裝置或者是可見光成像，或者是近紅外成像;(2)是全手成像裝置[3-4]，其特征在于所采集的手圖像包括了手掌靜脈、手指靜脈、掌紋、掌形、指節(jié)紋信息，但是，由于所采用的是單一圖像傳感器，分時(shí)點(diǎn)亮可見光和近紅外光，使得在近紅外光成像下，其手靜脈圖像受可見光的影響難以避免，成像質(zhì)量難以滿足特征提取的要求。

本文提出利用兩個(gè)圖像傳感器分別實(shí)現(xiàn)可見光和近紅外光手成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)由近紅外和可見光光源、近紅外和可見光濾光片、鏡頭、圖像傳感器、TI公司達(dá)芬奇系列DSP、顯示屏等組成，通過合理設(shè)計(jì)兩個(gè)鏡頭擺放角度，使兩個(gè)圖像傳感器成像重合，以便解決復(fù)雜背景下手輪廓提取問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多模態(tài)手成像采集系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要包括紅外感應(yīng)裝置、可見光和近紅外光源系統(tǒng)、雙路圖像采集系統(tǒng)、實(shí)時(shí)顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、網(wǎng)絡(luò)接口、主處理器(DSP)及外圍電路等。

2 光源波長選擇

掌靜脈成像是由于在近紅外區(qū)域內(nèi)體液和軟組織相對(duì)透明，近紅外光能夠較好地透射進(jìn)入皮下組織，而血液中的血紅蛋白對(duì)近紅外光譜有較多的吸收。掌紋成像是由于屈肌紋處留下光源的陰影，使掌紋與非掌紋區(qū)域?qū)Ρ榷仍龃?。掌形識(shí)別主要是根據(jù)手的大小和形狀來進(jìn)行判斷。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]中對(duì)760 nm、850 nm、890 nm、940 nm 4種不同波長下的成像效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)光源波長為850 nm時(shí)掌靜脈特征清晰度最佳[5]。根據(jù)在同一光強(qiáng)下藍(lán)光、紅光、綠光的成像效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)[6]，發(fā)現(xiàn) 470 nm的藍(lán)光條件下拍攝到的掌紋紋理最為清晰。因此，本設(shè)計(jì)中采用850 nm近紅外LED和470 nm藍(lán)光LED作為光源系統(tǒng)元器件。

3 圖像采集部分設(shè)計(jì)

3.1 濾光片的選擇

本系統(tǒng)要在470 nm藍(lán)光光源和850 nm近紅外光源的同時(shí)照射下進(jìn)行圖像采集，為避免光源對(duì)手成像的影響，需在鏡頭前面放置濾光片使每路傳感器只能接收到一種波長的光源。由于手掌靜脈分布在表皮下方，必須使光達(dá)到一定的強(qiáng)度才可以使靜脈成像，并且該路圖像傳感器要在光源系統(tǒng)高度曝光的條件下獲取掌形圖像。因此，綜合考慮在使手掌靜脈成像時(shí)選用850 nm長波通濾光片。圖 2(a)為測得的鹵鎢光源光譜，圖2(b)為光譜儀的探頭覆上850 nm長波通濾光片后在同條件下測得的同一光源的光譜。由兩幅圖對(duì)比可以看出，850 nm長波通濾光片可以將光源中可見光部分全部濾掉，并且光強(qiáng)損耗較少，因此該濾光片能夠去除可見光對(duì)于手掌靜脈成像的影響。

圖2 實(shí)測光譜

為了提高470 nm藍(lán)光光源對(duì)掌紋成像的作用，在掌紋采集鏡頭前加上470 nm帶通濾光片，光譜曲線如圖3所示。圖4(a)為未加濾光片時(shí)拍攝的掌紋圖像，圖4(b)為在同條件下鏡頭前安裝帶通濾光片時(shí)拍到的掌紋圖像。

圖3 470 nm帶通濾光片光譜

圖4 可見光濾光片測試圖片

3.2 圖像傳感器的選擇

由于人體的掌紋和掌靜脈特征圖像不易于采集，所以要求圖像傳感器在藍(lán)光和近紅外兩種光照條件下均具有較高靈敏度，因此本系統(tǒng)采用美國OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV7740。它是一款低功耗、1/5英寸VGA(480×640)攝像頭芯片，靈敏度達(dá)到 6800mV/Lussec，可以同時(shí)滿足掌紋和掌靜脈成像需求。OV7740數(shù)據(jù)輸出支持8/10 bit Raw RGB data和8 bit YUV格式。傳輸速率在VGA條件下可以達(dá)到60 f/s[7]。OV7740內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

為了使系統(tǒng)能夠同時(shí)采集掌紋、掌形和掌靜脈圖像，本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)圖像傳感器分別與DSP的兩個(gè)視頻口連接，即將帶有近紅外濾光片的圖像傳感器接到VP1上，帶有可見光濾光片的圖像傳感器連接到VP2上。具體硬件連接如圖6所示。

圖5 OV7740結(jié)構(gòu)框圖

圖6 圖像傳感器與DSP硬件連接圖

DM642的視頻口在采集模式下可配置成單/雙通道8/10 bit BT.656、單/雙通道 8/10 bit RAW、單通道16/20 bit Y/C、單通道16/20 bit RAW或 8 bit TSI模式。由于OV7740只能并行輸出8/10 bit的數(shù)據(jù)，所以本設(shè)計(jì)采用單通道RAW數(shù)據(jù)采集模式。在此模式下，數(shù)據(jù)只有在使能信號(hào)有效的情況下才進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集取決于發(fā)送方的時(shí)鐘速率。設(shè)計(jì)中RAW模式下的使能信號(hào)(CAPEN)對(duì)應(yīng)為VCTL0，由OV7740的HREF引腳提供。時(shí)鐘信號(hào)由OV7740的PCLK引腳提供，DSP在行信號(hào)(HREF)高電平時(shí)，在每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿采樣數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)緩存于各自VP口的緩沖器(FIFO)中，由于每幅圖像的大小設(shè)置為 640×480，即 307 200 B，而每路視頻口自帶的FIFO大小為2 560 B，因此無法存儲(chǔ)整幅圖像，所以本設(shè)計(jì)中將一行圖像數(shù)據(jù)大小640作為閾值。當(dāng)FIFO中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到640 B時(shí)觸發(fā)增強(qiáng)型直接內(nèi)存存取(EDMA)事件產(chǎn)生，將數(shù)據(jù)從VP口的FIFO中搬運(yùn)到外部存儲(chǔ)器中[8]。EDMA搬運(yùn)無需CPU參與運(yùn)算，使DSP能夠有足夠的時(shí)間來完成其他工作，節(jié)省資源。

3.3 鏡頭的選擇及設(shè)計(jì)

光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量主要取決于圖像傳感器的像素大小和鏡頭的選擇。在確定鏡頭參數(shù)之前需要明確被測目標(biāo)的大小、工作距離、傳感器靶面大小等要求。對(duì)于本系統(tǒng)，為了在手掌閉合和自然張開兩種狀態(tài)下均能夠拍攝到完整的手掌圖像，所以將目標(biāo)大小設(shè)定為250 mm×200 mm的長方形平面，該設(shè)定范圍可以滿足正常人手掌自然張開的最大范圍。為了滿足非接觸式的設(shè)計(jì)要求，將工作距離設(shè)為200 mm。由上一節(jié)可知，圖像傳感器大小為1/5英寸(即 2.55 mm×1.91 mm)。

根據(jù)焦距公式：

其中，f為鏡頭焦距；D為被攝物體距鏡頭的距離；W為被攝物體需攝取的寬度；H為被攝物體需攝取的高度；w為CMOS靶面的寬度；h為CMOS靶面的高度，如圖7所示。由此公式可以計(jì)算得出鏡頭焦距f＜1.91 mm，才能保證工作距離在200 mm以內(nèi)。由此選定一款焦距為1.11 mm、水平視場角95°、垂直視場角72°的光學(xué)聚焦鏡頭。

圖7 鏡頭焦距計(jì)算圖

在確定了鏡頭的焦距之后，還需要確定該款鏡頭的視場角是否滿足要求。視場角計(jì)算公式為：

當(dāng)D=200 mm時(shí)，根據(jù)上述計(jì)算得出，水平視場角為64°，垂直視場角為 53°,均在鏡頭角度參數(shù)范圍之內(nèi)。因此選定該款鏡頭配合圖像傳感器作為系統(tǒng)的采集模塊。

由于本次設(shè)計(jì)采用兩路傳感器同時(shí)采集，那么兩個(gè)傳感器的擺放位置和角度將對(duì)成像效果產(chǎn)生一定影響。為使兩傳感器位置盡可能靠近同時(shí)又能滿足PCB制板要求，將兩傳感器之間距離設(shè)為10 mm。為了使手掌在不同圖片中的位置偏差最小，降低掌紋、掌形和掌靜脈算法融合難度，將兩路采集模塊傾斜一定角度，使圖像傳感器芯片盡可能聚焦到同一范圍內(nèi)。若手掌到鏡頭表面的距離為200 mm時(shí)，則由幾何知識(shí)計(jì)算傾斜角度θ約為 2.6°，如圖 8所示。

圖8 兩路傳感器空間位置擺放

4 運(yùn)行結(jié)果

將采集裝置上電后，系統(tǒng)將自動(dòng)完成各模塊的初始化工作，待光電開光檢查到手掌時(shí),裝置將自動(dòng)開啟主動(dòng)光源照射手表面，此時(shí)可以通過裝置上的顯示屏觀察到手掌的位置，便于被測者調(diào)整姿勢(shì)。當(dāng)手掌擺放在限定區(qū)域內(nèi)時(shí)，圖像傳感器將自動(dòng)獲取三模態(tài)特征信息圖像，并將圖像存儲(chǔ)到指定的地址中。然后在圖像處理專用芯片DSP642內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)手圖像的識(shí)別操作，即判斷被測試者是否為裝置事先已經(jīng)注冊(cè)者，并將識(shí)別結(jié)果進(jìn)行語音播報(bào)和顯示，圖9為該裝置采集到的手部三模態(tài)信息圖像。

圖9 系統(tǒng)采集的手部三模態(tài)信息圖像

本文所設(shè)計(jì)的非接觸式多模態(tài)手成像采集裝置可在不同環(huán)境中獲取成像質(zhì)量高、特征信息豐富的掌形、掌紋和掌靜脈圖像。采用雙路圖像傳感器同時(shí)采集，并在DSP完全不需要干預(yù)的前提下搬運(yùn)到不同的存儲(chǔ)空間，提高了系統(tǒng)的識(shí)別速度。通過嵌入多模態(tài)特征識(shí)別算法，使系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行，增強(qiáng)識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。

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