裴成龍，楊 亮，付倜儻

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

中國古代醫(yī)學(xué)家早在一千年前就發(fā)現(xiàn)了眼與肺腑間的相互關(guān)系，提出五輪八廓學(xué)說，現(xiàn)存醫(yī)籍中以宋代《太平圣惠方》的記載為最早[1]。經(jīng)過多年醫(yī)學(xué)發(fā)展與研究，虹膜診斷已成為醫(yī)學(xué)上的一個(gè)臨床技術(shù)。專用于醫(yī)療診斷的虹膜成像裝置——虹膜檢測(cè)儀，從出現(xiàn)到現(xiàn)在經(jīng)過近150年的發(fā)展，目前已具備了良好的性能，應(yīng)用人群日益廣泛。但多數(shù)虹膜儀存在著光源強(qiáng)度過大傷害人眼，而如果降低光照強(qiáng)度又會(huì)造成圖像模糊的問題。如圖1所示，可看出強(qiáng)光照射下圖像效果更好，如圖1a），但此時(shí)光源對(duì)人眼具有刺激性。若如圖1b）所示的減弱光強(qiáng)，則能避免刺激人眼，但圖像效果差。而本文介紹了一種解決此問題的方法。

圖1 不同光強(qiáng)下的虹膜圖Fig.1 IRIS under different light intensities

1 設(shè)計(jì)方案

本裝置由照明系統(tǒng)、圖像傳感器系統(tǒng)、USB接口芯片傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)四部分組成，如圖2所示。光學(xué)系統(tǒng)包括照明裝置（光源、遮擋裝置）與光學(xué)鏡頭，用于采集用戶的虹膜圖像、固定使用者拍攝位置[2]。圖像傳感器對(duì)光學(xué)系統(tǒng)采集到的圖像信息進(jìn)行數(shù)字化和一些特殊效果的處理，之后傳送數(shù)據(jù)到USB接口芯片。USB2.0接口芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并快速上傳至計(jì)算機(jī)主機(jī)端進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等操作。PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和傳輸進(jìn)行控制，顯示并存儲(chǔ)圖像、進(jìn)行圖像處理、光源控制等。

圖2 虹膜圖像的采集圖Fig.2 The iris image capture

對(duì)于光源強(qiáng)度過大，會(huì)刺激人眼以及形成光斑的問題，通過降低光照系統(tǒng)的光照強(qiáng)度，同時(shí)通過設(shè)置圖像傳感器系統(tǒng)采取手動(dòng)曝光來實(shí)現(xiàn)虹膜采集，得到較好的圖像質(zhì)量。OV7725圖像傳感器內(nèi)部帶有一個(gè)16位AEC寄存器，用戶可以根據(jù)不同的光照條件來設(shè)置圖像傳感器的曝光值，從而使圖像曝光時(shí)間得到調(diào)整。

2 整體硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要在光照較弱的條件下工作，因此要求圖像傳感器在弱光環(huán)境中也能提供卓越的性能[3]。經(jīng)選擇比較后采用OmniVision公司1/4英寸CMOS傳感器OV7725，可輸出30 fps的VGA格式圖像，且具有低光照下靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。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)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鸞4]。

硬件電路如圖3所示，圖像傳感器輸出8位圖像數(shù)據(jù)，以并行的方式送入U(xiǎn)SB接口芯片。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過USB總線上傳至計(jì)算機(jī)主機(jī)端，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、顯示、拍照和存儲(chǔ)等操作。IIC總線用于配置傳感器的寄存器。整個(gè)裝置由USB總線提供5 V電壓源，由電源模塊轉(zhuǎn)換為3.3 V和1.8 V為傳感器、接口芯片和光源供電。接口芯片內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器，掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，需要外部程序存儲(chǔ)器裝載固件程序。

圖3 虹膜采集裝置硬件電路圖Fig.3 The IRIS acquisition device hardware circuit diagrams

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)流程

軟件系統(tǒng)程序主要分為單片機(jī)內(nèi)部控制處理程序和PC端程序兩部分。單片機(jī)內(nèi)部程序指USB接口芯片CY7C68013A的片內(nèi)程序。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。主要包括：初始化子程序，中斷處理子程序，USB 固件子程序等。

PC端程序包括USB驅(qū)動(dòng)程序與主機(jī)應(yīng)用程序。USB驅(qū)動(dòng)程序使操作系統(tǒng)能夠識(shí)別和控制USB設(shè)備，為軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備搭建相互連接的接口，主機(jī)和外部設(shè)備之間的通訊也是由驅(qū)動(dòng)程序完成的。主機(jī)應(yīng)用程序主要任務(wù)是通過USB接口讀取圖像數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)圖像、截取幀圖像等功能。和外部設(shè)備之間的通訊也是由驅(qū)動(dòng)程序完成的。整個(gè)系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart

4 測(cè)試結(jié)果分析

由于虹膜采集裝置都必須有光源部分來給整個(gè)眼球照明，來使得圖像傳感器采集到比較明亮的虹膜圖片。但是過亮的光照會(huì)使人感覺到刺眼，特別是當(dāng)光照在人的瞳孔上時(shí)，長時(shí)間的照射會(huì)使人眼難受，眼球會(huì)有發(fā)酸刺眼的感覺。本實(shí)驗(yàn)嘗試降低發(fā)光二級(jí)光光照強(qiáng)度，使光照不刺眼，同時(shí)為了保證圖片質(zhì)量，通過對(duì)圖像傳感器的手動(dòng)曝光設(shè)置來增加曝光時(shí)間，使圖像在較暗條件上仍然能夠得到明亮的圖片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 在81.8Lux光照強(qiáng)度下采集的虹膜圖像對(duì)比Fig.5 81.8Lux IRIS images captured under illumination intensity contrast

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在限流電阻為2 k，光強(qiáng)為81.8 Lux時(shí)，自動(dòng)曝光已經(jīng)開始變得模糊和發(fā)黃，而通過手動(dòng)曝光來改變曝光時(shí)，當(dāng)曝光寄存器設(shè)為0x8fff時(shí)，圖片比較清晰，比自動(dòng)曝光有所改善，而設(shè)置值過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)曝光過度，圖片出現(xiàn)亮斑，而設(shè)置值過小時(shí)，曝光時(shí)間不夠，圖片偏暗。所以，通過設(shè)定手動(dòng)曝光時(shí)間可以改善光照強(qiáng)度變小時(shí)的圖片質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于CMOS傳感器和USB2.0接口芯片的虹膜圖像采集系統(tǒng)，通過降低的光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)光強(qiáng)度，改變圖像傳感器OV7725的曝光時(shí)間來改善圖像質(zhì)量，現(xiàn)實(shí)虹膜圖像的實(shí)現(xiàn)采集與顯示。該設(shè)計(jì)能有效減少由于光照強(qiáng)度大給被采集者帶來的眼部不適感，能夠?yàn)楹缒ぴ\斷提供滿足各項(xiàng)要求的圖像，且具有無刺激，抗干擾性強(qiáng)，體積小，價(jià)格低廉的特點(diǎn)。

[1]王齡.觀虹膜知健康[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[2]吉林大學(xué).虹膜圖像采集裝置:中國,發(fā)明專利，02274108.9，2002-7-9.

[3]王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003:136-139.

[4]胡宗星.虹膜采集關(guān)鍵問題的研究與實(shí)踐[D].長春：吉林大學(xué)，2011.