掌脈圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證有足夠的近紅外光被血紅蛋白吸收，應(yīng)保持光照強(qiáng)度不變。通過(guò)視頻解碼芯片將對(duì)比度調(diào)高，以增強(qiáng)靜脈紋理與背景的對(duì)比度，同時(shí)通過(guò)視頻解碼芯片將亮度調(diào)低，使圖像不至于產(chǎn)生曝光。但此種方法會(huì)對(duì)定位和有效區(qū)域截取造成障礙。其原因是由于手掌、手指邊緣圖像與背景顏色接近，二值化、邊界提取后無(wú)法正確定位，如圖5所示。

本系統(tǒng)采用2次配置視頻解碼芯片TVP5146光亮度寄存器和亮度對(duì)比度寄存器，連續(xù)分別采2幅圖像的方法，正確截取掌脈有效區(qū)域。第一次將光亮度寄存器設(shè)置為0x14，亮度對(duì)比度寄存器設(shè)置為0xA0，此時(shí)所采圖像為掌脈圖像。在光強(qiáng)恒定的條件下，第二次將光亮度寄存器設(shè)置為0xFF，亮度對(duì)比度寄存器設(shè)置為0xFF，此時(shí)所采圖像是背景為黑色、手部為白色的手形圖像，如圖6所示。TVP5146時(shí)鐘頻率為27 MHz，像素時(shí)鐘為時(shí)鐘頻率的1/2，即13.5 MHz，采集一幅640×480圖像所用時(shí)間為約為0.023 s，即23 ms。此外，對(duì)TVP5146和DSP中的部分寄存器的重新配置還需要一定的時(shí)間。TMS320DM6437 DSP工作頻率為594 MHz，通過(guò)CCS仿真軟件中的Profile功能測(cè)得采集兩幅圖像共用了187 004個(gè)時(shí)鐘周期，所用時(shí)間約為0.3 ms。開(kāi)始采集第一幅圖像到開(kāi)始采集第二幅圖像之間只相差23.3ms，時(shí)間間隔很小，因此可以認(rèn)為在采集兩幅圖像時(shí)手的位置沒(méi)有變化。這樣就可以通過(guò)在第二幅圖上定位出有效區(qū)域，然后在第一幅圖上截取有效區(qū)域。

2.2 圖像預(yù)處理單元
　　本系統(tǒng)所采圖像大小為640×480，TMS320DM6437片上RAM難以滿足處理圖像的需要，因此需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。系統(tǒng)需要對(duì)圖像進(jìn)行大量預(yù)處理計(jì)算和中間圖像暫存，需要使用存儲(chǔ)量大且速度快的外擴(kuò)存儲(chǔ)器。DDR2 SDRAM可以滿足設(shè)計(jì)需求。DDR2和DDR一樣，都采用了在時(shí)鐘的上升沿和下降沿同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉绞?，但DDR2擁有2倍于DDR的預(yù)讀取系統(tǒng)命令數(shù)據(jù)的能力，可以很好地滿足系統(tǒng)對(duì)速度的要求。本系統(tǒng)采用的DDR2 SDRAM其容量為512 MB，滿足系統(tǒng)對(duì)外擴(kuò)存儲(chǔ)空間的需求。TMS320DM6437的EMIF接口可以與SDRAM實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接[4]，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
由于FLASH具有掉電后不丟失的特點(diǎn)，因此選用其存放采集到的掌脈圖像。但原始灰度掌脈圖像為640×480，占用存儲(chǔ)空間大小為300 KB，如果存放整張掌脈圖像會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)有限的存儲(chǔ)空間。另外，每次匹配登入圖像時(shí)都需要對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，因此占用系統(tǒng)資源，增加匹配時(shí)間。所以本文采用先對(duì)原始圖像做有效區(qū)域截取，存儲(chǔ)歸一化后的掌脈圖像的方法來(lái)節(jié)約存儲(chǔ)空間。
在手形圖像中，可利用手指根部與手掌交叉處的輪廓特征點(diǎn)對(duì)掌脈有效區(qū)域進(jìn)行定位。只選取圖像的上半部分最大連續(xù)邊界計(jì)算每點(diǎn)的曲率，根據(jù)曲率計(jì)算確定各個(gè)指根之間的交叉點(diǎn)，共3個(gè)。3個(gè)點(diǎn)中橫坐標(biāo)最大和最小的2個(gè)點(diǎn)為有效區(qū)域截取的基準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)截取出方形圖像并歸一化為128×128，大小為16KB的圖像存入FLASH。相比原始掌脈圖片，預(yù)處理后的圖片大小只為原始圖像大小的4/75，有效節(jié)約了存儲(chǔ)空間。
3 識(shí)別測(cè)試
在半封閉的取樣裝置中，用近紅外光做主動(dòng)光源所拍攝的掌脈圖像受外界光強(qiáng)變化影響很小，本系統(tǒng)所采圖像經(jīng)歸一化后，使用二維Fisher線性判別器對(duì)所采圖像進(jìn)行分類測(cè)試。通過(guò)計(jì)算每個(gè)測(cè)試樣本的特征與訓(xùn)練庫(kù)中每個(gè)樣本的特征的歐氏距離，使用最近鄰法決策出待測(cè)樣本所屬類別。對(duì)10人進(jìn)行靜脈圖像采集，每人10幅圖像，共100幅靜脈圖像。測(cè)試時(shí)用每一個(gè)類的兩幅圖像作為訓(xùn)練樣本集，每個(gè)類的剩余圖像作為測(cè)試樣本集。特征子空間維數(shù)分別取1、2、3時(shí)對(duì)應(yīng)的識(shí)別率分別為93.75%、97.5%和100%，表明系統(tǒng)采集到的掌脈圖像完全能夠滿足識(shí)別算法的需要。采集者可以通過(guò)顯示器方便地確定手的位置是否合適。
在分析了目前對(duì)掌脈圖像采集裝置研究較少的現(xiàn)狀后，本文構(gòu)建了一種基于TMS320DM6437 DSP和視頻解碼芯片TVP5146的掌脈圖像采集系統(tǒng)并設(shè)計(jì)出了機(jī)械裝置和光學(xué)結(jié)構(gòu)。在光照強(qiáng)度恒定的條件下能夠清晰并快速地拍攝出手掌靜脈圖像和方便定位的手形圖像。
通過(guò)該方法可以同時(shí)解決提高靜脈圖像對(duì)比度和降低掌脈圖像有效區(qū)域截取算法復(fù)雜度的問(wèn)題。系統(tǒng)可以脫離PC機(jī)的束縛方便地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有非接觸、快速和抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，所采集到的掌脈圖像完全滿足識(shí)別算法的需要。