掌形識別數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

摘要： 人體掌形識別對掌形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求很高，本文的DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對CCD獲得的人體掌型圖像實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的采集和處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞： 掌形識別;DSP;CCD;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引言

生物特征識別技術(shù)，系指利用人體所固有的生理特征或行為特征來進(jìn)行個(gè)人身份鑒定[1]。一些代表性的生理特征有指紋、掌形、臉形、虹膜、視網(wǎng)膜、聲音等，但是虹膜識別、臉型識別、聲音識別、指紋識別等又存在著設(shè)備價(jià)格昂貴、受環(huán)境影響比較大、容易偽造、存在特殊人群等問題。掌形識別技術(shù)是新的一種生物識別技術(shù)，可以很好的解決了現(xiàn)有生物識別技術(shù)的瓶頸。 本設(shè)計(jì)討論的掌形數(shù)據(jù)采集電路為這種新的識別技術(shù)提供準(zhǔn)確、可靠的原始數(shù)據(jù)。

硬件設(shè)計(jì)方案

基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)、可編程控制技術(shù)、噪聲處理技術(shù)和圖像處理技術(shù)等相結(jié)合，構(gòu)成了具有人體掌形數(shù)據(jù)采集的圖像處理系統(tǒng);實(shí)現(xiàn)了對人體掌形圖像快速、準(zhǔn)確的采集與處理?？傮w方案的框圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理

東芝公司TCD1206的光敏單元受亮度制動調(diào)整的白熾燈光的激發(fā)將人體手掌的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為按時(shí)序串行輸出的電信號，并在脈沖驅(qū)動電路發(fā)出的驅(qū)動脈沖作用下把模擬圖像信號串行輸出到前置放大電路前端。經(jīng)前置放大電路隔直放大后的模擬圖像信號再經(jīng)過濾波電路近一步降噪后輸出到TMS320C5509 DSP處理器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。DSP處理器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字圖像信號存入外擴(kuò)SDRAM中，并在采集過程中DSP處理器開始對其進(jìn)行預(yù)處理得到手掌輪廓，再根據(jù)特征提取分類器的結(jié)構(gòu)算法從處理后的圖像中得到有效的特征參數(shù)，最后與事先采集到的樣本信息進(jìn)行比對，完成采集識別過程。

CCD驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采用的TCD1206線陣CCD有2160個(gè)有效像素單元，其定時(shí)時(shí)序如圖2所示。其中ΦSH是轉(zhuǎn)移脈沖，F(xiàn)1、F2是相時(shí)鐘，F(xiàn)RS是輸出單元的復(fù)位脈沖，F(xiàn)OS是采樣脈沖。在 FSH脈沖正跳變的作用下，CCD上所有光敏單元內(nèi)的電荷信號一起轉(zhuǎn)移到各自相應(yīng)的轉(zhuǎn)移寄存器中，接著在相時(shí)鐘F1、F2的作用下順序向輸出單元輸出[2]。從ΦSH正跳變開始的第64個(gè)脈沖以后是有效的光敏信號，輸出的信號的大小與入射光的光強(qiáng)及光照時(shí)間成正比關(guān)系。輸出信號中像元位置的確定由相時(shí)鐘F1、F2的脈沖個(gè)數(shù)決定 ,與脈沖的寬度無關(guān)，且 CCD上一維位置精度取決于CCD上各光敏單元的制造精度[3] 。

圖2 TCD1206的定時(shí)時(shí)序

在本設(shè)計(jì)中，使用6MHz作為輸入脈沖信號CLK，將它12分頻后得到F1、F2，6分頻后產(chǎn)生FRS，由圖2的時(shí)序可知[3]，F(xiàn)SH信號周期至少為FRS信號周期的2236倍，所以FSH信號由CLK信號13416次分頻才能產(chǎn)生。系統(tǒng)在EP1C3T144C8 FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)了硬件測試。VHDL驅(qū)動信號產(chǎn)生程序如下：

SH: PROCESS(clk) ;

BEGIN

IF (clk ’event AND clk=’1’)THEN

IF(count1<”11010001100111”)THEN

IF(count1<”00000000000010”)THEN

SH_OUT<=’0’;

ELSE

IF(count1<”00000000000101”)THEN

SH OUT<=’1’;

else

SH_OUT<=’0’;

END IF ;

END IF ;

Count1<=count1 + ‘1’;

ELSE

END IF;

END IF;

END PROCESS;

擴(kuò)展和時(shí)序存儲電路設(shè)計(jì)

TCD1206線陣CCD光敏單元大小為：14mm ×14mm ×14mm(相鄰像元中心距);如果采集1000行數(shù)據(jù)(對應(yīng)的手掌大小約為30.24cm ×14cm，大于世界上最長的手29.6 cm×12cm)，則對應(yīng)的數(shù)據(jù)量=2106 ×1000字節(jié)，即本系統(tǒng)每次識別需處理得最大數(shù)據(jù)量約為2M字節(jié)。為了能及時(shí)快速地暫存這么大量的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)計(jì)中外擴(kuò)了數(shù)據(jù)寬度為16位、內(nèi)部分為4個(gè)Bank、存儲總?cè)萘繛?M字節(jié)的HY57V641620HG SDRAM做為掌形數(shù)據(jù)存儲器。其外擴(kuò)SDRAM如圖3所示。

圖3 SDRAM存儲器外擴(kuò)框圖

CCD前級處理電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所選CCD，其直流輸出信號約為4.1V，最大飽和輸出為450mV。因此為了便于后級的相關(guān)雙采樣及數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理[6]，必須對該信號進(jìn)行隔直、放大等前級處理。前級處理的電路如圖3所示，其中Q1、Q2、Q3、是射極跟隨器，U2、R3、R4構(gòu)成前置放大電路，放大倍數(shù)為21倍;C1為隔直電容;C2對前置放大電路的帶寬進(jìn)行限制，以濾除信號中的高頻噪聲和尖峰毛刺;輸出端串接幾歐姆電阻與后級電路做阻抗匹配。

跟隨器的輸出阻抗由式(1)得到，其中RS為CCD輸出電阻250W，RB電阻即圖4中的R2，b和rbe分別為三級管的電路放大倍數(shù)和體電阻。

圖4 前級處理電路圖

RO≈(RS//RB)+rbe/b (1)

Q1選擇ADI公司的低噪聲、低偏移、高電流放大倍數(shù)的三極管MAT-02，Ic低至1mA時(shí)其電流放大倍數(shù)b>500,體電阻為0.3W。由式(1)求得射隨電路輸出阻抗小于1W。電路中前置放大器選擇低噪聲電流反饋型運(yùn)放AD844，其電壓噪聲密度En為2nV/，同相端電流噪聲密度In為12pA/，因此In×Ro<

軟件設(shè)計(jì)

采集處理部分軟件包括系統(tǒng)初始化子程序、CCD工作判斷子程序、驅(qū)動電路功能設(shè)置子程序、A/D采集子程序、數(shù)據(jù)的存儲與讀取、數(shù)字圖像預(yù)處理及特征提取處理子程序等幾部分。

系統(tǒng)上電初始化，等待外部中斷信號，決定是否啟動CCD工作。啟動CCD工作后，DSP對驅(qū)動電路的功能進(jìn)行設(shè)置，CCD對人體手掌圖像信息進(jìn)行采集，然后對采集的圖像信號進(jìn)行預(yù)處理以后送再對其進(jìn)行處理分析[7]。

圖5為DSP數(shù)據(jù)處理程序流程圖，雖然在A/D前端加了濾波電路，濾除了一部分噪聲。但由于測得的光信號的數(shù)字化信號往往帶有電路噪聲等隨機(jī)誤差，為了保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，必須對它們再進(jìn)行一定的預(yù)處理，進(jìn)一步濾除圖像信號中的噪聲，這樣才能作為數(shù)據(jù)處理算法下一步計(jì)算的數(shù)據(jù)。

圖5 圖像采集處理軟件流程圖

在用SDRAM對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲時(shí)，首先要經(jīng)過輸出穩(wěn)定200ms周期、對L-Bank進(jìn)行預(yù)充電、8個(gè)刷新周期、模式寄存器設(shè)置等初始化階段。而初始化完成后，要想對一個(gè)L-Bank中的陣列進(jìn)行尋址，首先就要確定行(Row)，使之處于有效狀態(tài)(Active)，然后再確定列。雖然之前要進(jìn)行片選和L-Bank的定址，但它們與行有效可以同時(shí)進(jìn)行。在CS、L-Bank定址的同時(shí)，RAS(Row Address Strobe，行地址選通脈沖)也處于有效狀態(tài)。此時(shí)An地址線發(fā)送具體的行地址。由于行有效的同時(shí)也是相應(yīng)L-Bank有效，所以行有效也可稱為L-Bank有效。行地址確定之后，就要對列地址進(jìn)行尋址了。在SDRAM中，行地址與列地址線是共用的。一個(gè)信號是發(fā)送讀或?qū)懙拿鞔_命令的，是通過芯片的可寫狀態(tài)的控制來達(dá)到讀/寫的目的。顯然WE信號就是一個(gè)關(guān)鍵。WE無效時(shí)，當(dāng)然就是讀取命令。

列尋址信號與讀寫命令是同時(shí)發(fā)出的。雖然地址線與行尋址共用，但CAS(Column Address Strobe，列地址選通脈沖)信號則可以區(qū)分開行與列尋址的不同，

然而，在發(fā)送列讀寫命令時(shí)必須要與行有效命令有一個(gè)間隔，這個(gè)間隔被定義為tRCD，即RAS至CAS延遲，也可以理解為行選通周期，這是根據(jù)芯片存儲陣列電子元件響應(yīng)時(shí)間所制定的延遲。

實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果

本設(shè)計(jì)在Altera公司Cyclone系列EP1C3T144C8 FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)了CCD電路的驅(qū)動，驅(qū)動電路產(chǎn)生的CCD名驅(qū)動脈沖彼此之間時(shí)序延時(shí)誤差很小。

從圖6中可以看出，CCD輸出信號在復(fù)位高電平和參考電平上還存在紋波，其原因有兩個(gè)：1、系統(tǒng)時(shí)鐘線的串?dāng)_;2、由于前級放大器的阻抗不完全匹配引起信號反射。解決辦法是：1、采用相關(guān)雙采樣電路;2、加端接阻值可調(diào)的電阻變換電路進(jìn)行匹配。將在后續(xù)工作種進(jìn)行進(jìn)一步降噪處理。

圖6 高分辨率示波器顯示的CCD輸出信號波形

圖7為最后采集到的手掌數(shù)據(jù)圖像，從圖像可以看出，圖像輪廓比較清晰，但是細(xì)節(jié)有點(diǎn)模糊。原因可能有：

1、 電路產(chǎn)生的實(shí)際驅(qū)動時(shí)序與CCD最佳工作時(shí)序有一定的差別

2、 CCD的驅(qū)動信號全部是時(shí)鐘信號，而且具有相同的諧波頻率，產(chǎn)生強(qiáng)電磁輻射，影響了CCD輸出信號的質(zhì)量，還有由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率較高而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。

3、 線陣CCD在對手掌掃描時(shí)步進(jìn)電機(jī)控制精度還不足夠高。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的手掌圖像

但是掌形識別注重的是手掌形狀，細(xì)節(jié)掌紋的模糊不會影響掌形儀的準(zhǔn)確性和精度。

參考文獻(xiàn)：

1. 李雄軍，蘇廷弼.基于生物特征的Auto ID 技術(shù)—BioID.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用.2002[16]

2. 鄭黎明. TC237B型CCD圖像傳感器的原理及應(yīng)用.電路與設(shè)計(jì),2006[8]:16-18.

3. 東芝公司線陣CCD數(shù)據(jù)手冊[Z].1997

4. Texas Instruments Incorporated, DSP for Smart Biometric Solutions,2003.5.

5. Texas Instruments Incorporated, Real-Time Digital Video Transfer via High-Speed RTDX,2002.5

6. 高光天主編，《儀表放大器應(yīng)用技術(shù)》，科學(xué)出版社，1995年

7. 何祥宇. 基于DSP的CCD圖像處理系統(tǒng)在點(diǎn)鈔機(jī)中的應(yīng)用.電子科技,2006(8):66-69