LabVIEW嵌入式心音身份識別系統(tǒng)方案

心音身份識別是指一種利用人體心音信號進行身份識別的技術(shù)，心音是心臟及心血管系統(tǒng)機械運動狀況的反映，包含了心臟各個部分本身及相互之間作用的生理和病理信息。因此，心音信號在不同的人身上有著完全不同的特征并且具有極高的穩(wěn)定性，可以用作生物識別技術(shù)的識別特征。心音信號除了很難偽裝，偽造及篡改外還具有容易獲取的優(yōu)勢，因此人體心音信號可以為一種新型生物識別方法。

本文開發(fā)了一種基于LabVIEW的嵌入式心音身份識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用方便靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)對用戶身份的注冊、辨識和確認。

1、心音信號身份識別原理

心音信號用于個人身份識別主要包括兩步:特征提取和模式匹配，特征提取是從心音信號中提取到唯一的表現(xiàn)被測者身份的有效且穩(wěn)定可靠的特征，模式匹配是對訓(xùn)練和鑒別時的特征模式做相似性匹配，本文采用基于梅爾頻率倒譜系數(shù)(MelFrequencyCepstrumCoefficient，MFCC)特征提取和矢量量化(VectorQuantization，VQ)模型匹配的識別算法設(shè)計心音身份識別系統(tǒng)。

MFCC主要運用于說話人識別，它將頻譜轉(zhuǎn)化為基于頻率的非線性頻譜，然后再轉(zhuǎn)換到倒頻譜上。

對MFCC做適當(dāng)?shù)母倪M，即可適用于心音的身份識別。根據(jù)心音信號的頻域特性，Mel濾波器組截止頻率選擇為500Hz;由于心音信號具有準周期性，沒有語音信號那么強的非平穩(wěn)性，所以信號的幀長選擇為256ms而非語音信號的20ms;MFCC系數(shù)選擇為32階，并且心音信號的高階MFCC系數(shù)所含信息更多，加上一階差分的系數(shù)可使信號動態(tài)特性強。VQ是由標(biāo)量量化推廣和發(fā)展而來的。標(biāo)量量化是用若干個離散的數(shù)字值來表示每一個幅度具有連續(xù)取值的離散時域信號，矢量量化則是將若干個幅度連續(xù)取值的時域采樣信號分成一組，即構(gòu)成矢量，然后用若干離散的數(shù)字值來表示各種矢量，在模式識別的研究中，需要完成對每一個所要識別的矢量進行分類的任務(wù)。基于VQ的心音身份識別模型，相對于其它的識別模型(如高斯混合模型)來說，計算簡單，具有實時性。

2、系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1硬件系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)硬件由上位機和下位機組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。上下位機之間通過HC-06藍牙模組進行通信，HC-06藍牙模組采用CSRBC04藍牙技術(shù)，內(nèi)置藍牙天線，發(fā)射功率為Class2，靈敏度可達-80dBm。

下位機以dsPIC數(shù)字信號處理器為核心來控制心音信號的采集、放大以及ADC，而后通過HC-06藍牙模組(從)將心音信號發(fā)送到上位機，下位機主要包括模擬電路和數(shù)字電路兩部分。模擬電路包括心音傳感器，30Hz高通、500Hz低通Butterworth濾波器和增益可調(diào)節(jié)音頻放大器。心音傳感器由聽診器探頭、駐極體話筒和導(dǎo)管組成;Butterworth濾波器都為4階，選用Sallen-Key結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可于進行獨立的增益設(shè)定。增益可調(diào)節(jié)音頻放大器選用LM4811，其CLOCK和UP/DN腳與dsPIC的RG6、RG7腳相連，實現(xiàn)對心音信號放大的控制。數(shù)字電路主要是dsPIC主控芯片和HC-06藍牙模組，選用dsPIC33FJ128MC506作為主控芯片，系統(tǒng)時鐘設(shè)為40MHz，采樣頻率設(shè)為2kHz，波特率設(shè)為11.5kbps;模擬信號經(jīng)其12位ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后由UART傳輸至HC-06藍牙模組(從)發(fā)送。

上位機是以工控主板為核心的終端，對心音信號進行顯示、分析、存儲和識別。包括HC-06藍牙模塊(主)、TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換電路、工控主板以及液晶觸摸顯示屏，HC-06藍牙模塊(主)接收傳輸?shù)男囊粜盘柾ㄟ^電平轉(zhuǎn)換電路將TTL電平變?yōu)镽S232電平;工控主板通過RS232接口連接藍牙模組(主)完成心音信號的接收工作;液晶觸摸顯示屏則作為人機交互設(shè)備，通過LVDS總線和USB總線與工控主板相連，LVDS總線傳輸視頻信號，USB總線傳輸觸摸信號。

2.2軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

選用自行設(shè)計的WindowsEmbeddedStandard操作系統(tǒng)，由于它是組件化的XP系統(tǒng)，不需要設(shè)計文件系統(tǒng)和開發(fā)驅(qū)動程序，大大縮短了開發(fā)周期和開發(fā)難度。獨特的增強型寫過濾器技術(shù)將選定的磁盤I/O重新路由到內(nèi)存或其它的存儲媒體，從而讓操作系統(tǒng)認為您的只讀存儲器是可寫的;可定制開機畫面和自定義殼作為系統(tǒng)啟動的運行Shell，防止人為惡意修改系統(tǒng)配置或是誤操作而破壞系統(tǒng)，保證平臺穩(wěn)定和數(shù)據(jù)安全。

3、心音身份識別軟件開發(fā)

本文使用LabVIEW虛擬儀器開發(fā)基于MFCC特征提取和VQ模式匹配算法的心音身份識別軟件，軟件設(shè)計過程中需要用到NI公司的DatabaseConnectivityToolkit工具包，DatabaseConnectivityToolkit提供完整的SQL功能，使用MicrosoftADO技術(shù)與大多數(shù)常用數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)與本地或遠程數(shù)據(jù)庫的交互式操作。心音身份識別軟件實現(xiàn)3個功能:用戶注冊、用戶辨識和用戶確認，每個功能都有獨立的功能界面，利用Subpanel實現(xiàn)動態(tài)載入界面。

用戶注冊分為兩步:第一步為基本信息的輸入存儲，包括用戶名、年齡、性別等;第二步為采集心音信號，提取其MFCC特征參數(shù)，利用LBG算法生成一個最佳碼本存儲在本地的數(shù)據(jù)庫中。用戶辨識是1:N的模式，采集待識別的用戶的心音信號，提取MFCC特征參數(shù)，與本地數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在的所有用戶碼本進行比較，根據(jù)最小平均量化失真度準則，選擇最優(yōu)碼本進行匹配。用戶確認則是1∶1的模式，首先用戶輸入已注冊的用戶名，而后采集待識別的用戶的心音信號，提取MFCC特征參數(shù)，與用戶指定身份的碼本進行比較，如果其平均量化失真度小于既定的閾值，則確認其身份。

今后將研究基于自適應(yīng)增強技術(shù)的心音去噪方案，提高識別算法的魯棒性;雖然在本次小容量模板實驗情況下EER為6.67%，但在大容量模板情況下，為保證EER仍然是一個比較小的值，用戶確認模式下的閾值選取將是下一步研究的重點。

4、結(jié)束語

本文在MFCC特征提取和VQ模式匹配識別原理的基礎(chǔ)上，基于LabVIEW開發(fā)了一種嵌入式心音身份識別系統(tǒng)，具有用戶注冊、用戶辨識和用戶確認功能。在小容量心音模板下具有較高CRR和較低EER，充分證明了嵌入式心音身份識別技術(shù)的可行性，這將為當(dāng)前社會所面臨的各種身份鑒定和信息安全問題提供一種準確率高、防偽能力強的生物識別新設(shè)備。