苑瑋琦，董 康

(沈陽工業(yè)大學(xué) 視覺檢測技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110178)

隨著社會(huì)的迅速發(fā)展，生物特征識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到人們的日常生活中，身份鑒別和驗(yàn)證已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)必不可少的安全措施。掌紋識(shí)別由于其易于被用戶接受、具有豐富且穩(wěn)定的信息以識(shí)別個(gè)體、識(shí)別系統(tǒng)的硬件標(biāo)準(zhǔn)化程度比較高、識(shí)別速度快能夠達(dá)到實(shí)時(shí)識(shí)別的需要等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在生物識(shí)別領(lǐng)域[1]。

掌紋圖像的采集方式主要有離線采集和在線采集2種[2]。在線采集由于其速度快和實(shí)時(shí)性，優(yōu)勢明顯大于離線采集。目前，在線采集的方法基本是接觸式的，用卡槽、立棍等方法來固定手掌的位置，然后在裝置盒里采集圖像。這些完全拒絕自然光的方法減少了噪聲，但是卻禁錮了用戶，存在以下缺點(diǎn)：(1)每次采集都要花很長時(shí)間來擺放手掌的位置；(2)由于是接觸式的容易有細(xì)菌的傳染，不易被接受；(3)由于每次采集到的圖像都是部分手圖像，所以不易和其他生物特征相結(jié)合；(4)偏離了掌紋識(shí)別在實(shí)際生活中的運(yùn)用。在這種情形下，本文提出一種非接觸掌紋圖像采集裝置，用戶不用接觸任何定位物件，只需將手伸到攝像頭近前，就能完成采集工作。本系統(tǒng)是基于攝影技術(shù)中的傘燈原理，光源部分由主光源和輔光源組成。雖然將攝像機(jī)和光源從采集盒里移出來帶來了光噪聲、視角、硬件電路設(shè)計(jì)等問題，但本裝置成功地解決了這一系列的問題。

1 非接觸采集裝置的光源設(shè)計(jì)

不僅在攝影技術(shù)中光被廣泛運(yùn)用，在生物識(shí)別里光也占據(jù)著舉足輕重的地位。利用攝影技術(shù)中的傘燈原理，本裝置有1個(gè)主光源，2個(gè)輔光源。攝像頭、濾光片、勻光板一起構(gòu)成主光源，如圖1所示。輔光源根據(jù)傘燈原理制作而成(圖1中輔光源的勻光板已移除)。

圖1 裝置實(shí)物圖與采集裝置分解圖

1.1 光線較暗和光照角度的解決

以往的采集是在采集盒里進(jìn)行的，采集盒將所有的自然光屏蔽，用自身光源照明。將采集盒移除必然帶來光噪聲的干擾，所以本系統(tǒng)的光源不僅要照明還要解決干擾問題。

如圖1所示，攝像頭垂直照向手掌，這樣得到的圖像易于做算法處理，此時(shí)如果光源也垂直照向手掌時(shí)，反射光也垂直反射回來，剛好照到攝像頭里，這樣的點(diǎn)就較亮，得到的圖像會(huì)有光斑；如果光源呈30°角照向手掌，則不會(huì)出現(xiàn)這種情況，光線照射如圖2所示。

圖2 光線照射示意圖

把光源平著照向手掌(0°照射)時(shí)部分掌紋又會(huì)被手掌的凸起部位遮擋。所以通常采用30°～60°來成像。圖3分別為照射光源以 0°、30°、90°照向手掌時(shí)的成像圖。從圖中可以看出，30°的照射效果明顯好于0°和 90°的。

圖3 照射光角度對比圖

1.2 照射光顏色的選擇

波長越長的色光越容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，反之容易留下陰影。在做掌紋的采集時(shí)照射光在屈肌紋處留下的陰影越暗，即掌紋和手掌的對比度越大，越有利于圖像的識(shí)別，因此選取波長較短的光。在可見光中紅光的波長最長紫光的最短，可是市面上的紫光二極管并不多見且成本太高不符合本系統(tǒng)的低成本的要求，而價(jià)格低廉的藍(lán)光二極管已經(jīng)符合本裝置的硬件條件。

由瑞利判據(jù)[3]可知：當(dāng)1個(gè)愛里斑的中心與另1個(gè)愛里斑的第1級(jí)暗環(huán)重合時(shí)，剛好能分辨出是2個(gè)圖像，2個(gè)圖像中心之間的距離即分辨極限為：I=1.22λk/d，其中λ為照射光的波長，k為系數(shù)因子，d為鏡頭里的鏡片直徑。當(dāng)采用白光光源照明時(shí)，光源的平均波長可等效為550 nm；而采用430 nm的藍(lán)光做照明光源時(shí)，分辨率提高了1.28倍多，與波長為650 nm的紅光相比則提高了1.51倍，所以本實(shí)驗(yàn)中選用藍(lán)光作為照射光。圖4(a)～圖4(c)分別為紅光、白光和藍(lán)光照射手掌的比對圖，圖 4(d)～圖 4(f)分別是圖 4(a)～圖 4(c)的局部放大圖，可以看出，對于手掌細(xì)紋的捕捉藍(lán)光較占優(yōu)勢。

圖4 不同色光照射手掌對比圖

1.3 照射光不勻的解決

1.3.1 勻光二極管的選擇

本設(shè)計(jì)中采用的是由LED發(fā)光二極管構(gòu)成的環(huán)形光源，選取二極管的標(biāo)準(zhǔn)是勻光度及照射角度?，F(xiàn)在市場的二極管主要有草帽頭、圓柱平頭、子彈頭、尖頭4種，其勻光度、照射距離也各不一樣。圖5是4種二極管的光打在白紙上的勻光度的比較，可以看出草帽頭二極管的光比較均勻。

圖5 4種二極管勻光比對

照射角度方面草帽頭和平頭二極管的照射角度是120°，而子彈頭和尖頭的照射角度是30°。在本裝置中要做勻光光源，因此從光勻度和照射角度這2個(gè)原因，本系統(tǒng)選取草帽頭二極管作為光源。

1.3.2 勻光板的使用

因?yàn)槎O管是點(diǎn)光源不可能給出完全均勻的面光源，所以在本裝置中，光源的外面加了勻光板(又稱導(dǎo)光板)，通過各種疏密、大小不一的導(dǎo)光點(diǎn)，使導(dǎo)光板均勻發(fā)光，從而將線光源或點(diǎn)光源(熒光燈管或 LED)轉(zhuǎn)變?yōu)槊婀庠础D6是點(diǎn)光源到面光源的變化圖。

圖6 添加勻光板效果變化圖

1.4 順光和外界光太強(qiáng)的解決

順光和外界光強(qiáng)都會(huì)造成成像困難，所以要盡量減少外界光的影響。因本裝置的采集是在藍(lán)光下完成，所以在攝像頭前加1個(gè)帶通的濾光片，這樣可以消除大部分的外界光的干擾又不會(huì)給本裝置的光源色光帶來影響。加濾光片的效果圖如圖7所示。

圖7 加濾光片的效果比較圖

藍(lán)光的波長范圍是410～470 nm，所以濾光片用的是DBT430，中心波長為 430 nm，半帶寬為 40 nm，這樣就減少了帶通范圍以外色光的干擾。

2 采集裝置的選取

從接觸式到非接觸的轉(zhuǎn)變，必然存在視角問題，因此，非接觸式必須選擇合適的傳感器和鏡頭才能完整清晰地捕捉整個(gè)掌紋圖像。

2.1 非接觸的理論依據(jù)

每一個(gè)鏡頭成像的原理都是利用凸透鏡，在焦點(diǎn)前后各有1個(gè)容許彌散圓，這2個(gè)彌散圓之間的距離稱為景深[4]，即在被攝主體(對焦點(diǎn))前后，其影像仍然有一段清晰范圍(即景深)。

如圖8所示，L1加上L2的距離就是景深，被拍攝物體在這個(gè)范圍內(nèi)的圖像都是清晰的，因?yàn)樵谌菰S彌散圓內(nèi)的點(diǎn)都是小于傳感器的最小分辨率。景深與鏡頭的光圈成反比，光圈F=f/D，其中，f為鏡頭焦距，D為鏡頭光孔直徑。作為定焦鏡頭，可以靠調(diào)節(jié)光孔直徑來調(diào)節(jié)景深，本系統(tǒng)的鏡頭景深最大可以調(diào)節(jié)到30 cm。

基于這個(gè)原理只要手掌在這個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，都可以采集到較清晰的圖像。這樣在采集過程中，采集者不用把手固定，只要在一定的范圍內(nèi)就能順利地完成非接觸采集工作。

圖8 鏡頭景深示意圖

2.2 攝像頭的傳感器選擇

攝像頭的選取主要有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：光譜相對響應(yīng)、景深、視角，其中光譜相對響應(yīng)是由傳感器決定的，而景深和視角是由鏡頭決定的。

在本采集系統(tǒng)中所用的照射光由中心波長為430 nm的藍(lán)色二極管發(fā)射，所以要求所用的攝像頭對藍(lán)色光的相對響應(yīng)要較高。本系統(tǒng)采用的是一款可見光傳感器PO188。大多數(shù)傳感器因?yàn)橐骖櫦t外光其最敏感波長通常為800 nm左右，這樣不利于藍(lán)光照射的采集工作。PO188是 30萬像素的 CMOS傳感器，支持 640×480的VGA模式，每秒可以拍攝30幀圖像，典型入射波長為λp=520 nm，可見光范圍內(nèi)高度敏感，輸出電流隨照度呈線性變化。在光波長為430 nm時(shí)其相對響應(yīng)為60%，且暗電流小，低照度響應(yīng)靈敏度高，符合本裝置的要求。

2.3 攝像頭的鏡頭選擇

人的手以男性的較大，按照較大的手估算：長約20 cm、寬約 12 cm(含大拇指)，如果是自然放松狀態(tài)下寬約為15 cm，長寬再各自放寬3 cm，這意味著要在保證清晰的情況下將1個(gè)長23 cm、寬18 cm的圖片完全捕捉到視角范圍內(nèi)。

PO188的鏡頭是1/3英寸、焦距f為8 mm的定焦鏡頭，其光圈指數(shù) F為 1:1.2，理論視角為 90°(鏡頭的理論視角指的是1個(gè)圓形的覆蓋面)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)無論是通過采集卡界面顯示還是在CCS界面上顯示，都是方形的。所以必須由公式α=2arctan(L/2H)重新測出實(shí)際視角，本系統(tǒng)水平視角為87°，豎直視角為 62°。當(dāng)手離攝像頭15 cm時(shí)，視野范圍為 28 cm×18 cm，已能捕捉整個(gè)手的圖像，且在景深的范圍之內(nèi)。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

以往的接觸式掌紋采集，由于手掌是固定的，所以要找出屈肌紋區(qū)域只要采 200 bit×200 bit×8 bit大小的圖像就能完成識(shí)別工作。而本系統(tǒng)中的非接觸不能確定屈肌紋區(qū)域所在位置，要利用手形定位，所以采集的范圍相對較大 ，1 幅圖像為 640 bit×480 bit×8 bit， 約占用300 KB的空間，而且系統(tǒng)還需要對圖像進(jìn)行大量預(yù)處理的計(jì)算和中間圖像的暫存，需要使用存儲(chǔ)量大且速度快的外擴(kuò)存儲(chǔ)器。由于DSP的內(nèi)部RAM只有240 KB(L1112 KB和L2128 KB)，所以系統(tǒng)外擴(kuò)了 512 MB的 Flash和64 MB的DDR2，掌紋特征的獲取運(yùn)算主要在外擴(kuò)的DDR2中進(jìn)行。

圖9 外圍芯片

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)電路主要以TMS320DM6437為核心，外圍芯片如圖9所示。加電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化及引導(dǎo)，將存儲(chǔ)在Flash中的程序及數(shù)據(jù)加載到DDR2中。其中數(shù)據(jù)主要包括人的掌紋特征向量和比對模板等信息。通過按鍵中斷給DSP 1個(gè)中斷信號(hào)，利用I2C總線控制圖像傳感器采集圖像，采集的圖像傳到外擴(kuò)DDR2中，程序在此處理圖像后獲得掌紋特征，最后將掌紋特征向量與模板比對，給出識(shí)別結(jié)果。根據(jù)識(shí)別的相似度閾值，DSP會(huì)通過多通道緩沖口給LCD發(fā)送相應(yīng)信號(hào)，LCD將識(shí)別結(jié)果顯示出來。

針對現(xiàn)有的掌紋采集的不足之處，在保證采集掌紋圖像清晰的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于DSP的非接觸掌紋采集方式，這種裝置更接近于掌紋識(shí)別在現(xiàn)實(shí)生活中的運(yùn)用，而且由于其非接觸的特點(diǎn)易被用戶接受。整個(gè)設(shè)計(jì)電路簡單、穩(wěn)定性好、速度較快，實(shí)驗(yàn)證明有較高的識(shí)別率。本系統(tǒng)還可以和手形采集相結(jié)合。

[1]黎明，嚴(yán)超華，劉高航.基于掌紋圖像分析的身份識(shí)別系統(tǒng)[J].中國圖像圖形學(xué)報(bào)，2000，5(2)：134-137.

[2]盧光明.掌紋識(shí)別系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[3]王志波，王鵬.瑞利判斷與斯托列爾準(zhǔn)則[J].光子學(xué)報(bào)，2000，29(7)：621-625.

[4]NARAYANSWAMY R，SILVEIRA P E X.Extended depthof-field iris recognition system for a workstation environment[C].Proceedings of SPIE 2005，2005：41-50.