CN102117403B

CN102117403B - 手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置及方法

Info

Publication number: CN102117403B
Application number: CN201110062993A
Authority: CN
Inventors: 管凤旭; 姜智超; 王科俊; 吴秋雨
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: CN102117403A

Abstract

本发明提供的是一种手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置及方法。上半部分结构为包含顶板的开放式结构，顶板的下表面安装有可发射红外光的LED阵列，下半部分结构为六面箱体，箱体上盖中部有一处镂空，镂空处有安装于位移导轨上的滤光镜片，位移导轨的两端设置与光源切换电路相连的转换开关，箱体内安装有一套控制电路，控制电路主要包括光源切换电路、USB2.0控制电路和CMOS摄像头电路，CMOS摄像头电路连接一个CMOS摄像头和配套镜头形成成像设备，成像设备两侧安装可发射可见光的LED阵列。本发明采集速度快，构成双模态生物特征识别，其识别性能好于仅基于手指指节折痕、或手指静脉的单模态生物特征识别系统。

Description

手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种生物特征图像采集装置，特别是一种手指指节折痕和静脉的双模态生物特征图像采集装置。本发明还涉及一种生物特征图像采集方法。

背景技术

生物特征鉴别个人身份的技术有指纹、人脸、语音、虹膜等，各种身份认证技术在用户亲和力、成本和性能方面各有优缺点。人脸对姿势、附加装饰物、表情和光线变化敏感；虹膜的识别要求特定的照明条件，其采集过程使用户倍感不适；指纹识别则要求手指有较完整的表皮，将近3-4％的人由于指纹特征不够明晰、爆皮或损伤等原因而无法注册与识别。因此，任何单一生物特征识别在可靠性及准确性上存在一定局限性，因此双模态、甚至多模态生物特征识别系统具有更广阔的应用前景。

目前已有一些关于双模态或多模态生物特征识别系统的公开报道。例如申请号为200910106894.1、名称为“基于手指静脉纹与手指背纹的成像设备及多模态身份认证方法”的专利文件中公开的技术方案，主要包括手指静脉纹与手指背纹的采集装置结构、成像设备及多模态身份认证方法，身份认证方法包括注册过程和认证过程，它具有较好的抗伪造性能，能有效提高生物特征识别系统的稳定性和适用性。但是该技术方案的图像采集部分主要特征是通过2个摄像头分别获取手指指背纹和静脉纹，因此这种采集装置的硬件电路比较复杂，成本高；另外，专利申请号为200910071283.8，名称为“基于指纹和手指静脉纹的双模态生物图像采集装置”的专利文件中，公开的技术方案主要包括手指指纹和手指静脉的采集装置结构、两路成像设备和电路，其性能好于仅基于指纹或静脉的单模态生物特征识别系统。同样这一技术方案也是通过2个摄像头分别获取手指指纹和静脉纹，导致硬件电路比较复杂，提高成本，并且其两种图像数据必须依靠可编程逻辑器件CPLD的正常工作才能通过USB接口传输到计算机中，这不仅增加成本，而且加大了不稳定因素。

手指的指节折痕与手指静脉这两种特征，所处的人体位置相对隐蔽、不易磨损，具有生物特征稳定、终生不变等性质。手指指节折痕(又被称作指节横断纹)，它是由人的手指弯曲自然形成的，具有遗传性和后天性，是人固有生理特征，具有普遍性。由于生物个体生长发育的随机性及后天经历的不同，指节折痕也呈现出一定的特异性，研究表明可将其作为一种用于身份识别的生物特征。而且手指的指节折痕所处位置，与指纹所处的指尖位置相比，不宜发生爆皮与磨损现象，而且受到伤害的几率也非常低。手指静脉藏匿于身体内部，不存在仿制或失窃的风险，而且表面皮肤不会对识别工作造成影响。

目前已经有很多关于手指静脉采集装置的公开报道，但是没有查询到任何关于手指指节折痕采集装置的公开文献，而且也并没有同时将这两种生物特征图像连续采集的采集装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单实用，可连续采集手指指节折痕图像及手指静脉图像的手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置。本发明的目的还在于提供一种手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置主要分上下两部分结构，上半部分结构为包含顶板的开放式结构，顶板的下表面安装有可发射红外光的LED阵列，下半部分结构为六面箱体，箱体上盖中部有一处镂空，镂空处有安装于位移导轨上的滤光镜片，位移导轨的两端设置与光源切换电路相连的转换开关，箱体内安装有一套控制电路，控制电路主要包括光源切换电路、USB2.0控制电路和CMOS摄像头电路，CMOS摄像头电路连接一个CMOS摄像头和配套镜头形成成像设备，成像设备两侧安装可发射可见光的LED阵列。

本发明的手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置还包括滤光镜片执行机构，所述执行机构包括连接于箱体与滤光镜片之间的压紧弹簧、固定于滤光镜片上的位移按钮、位于位移按钮端部的扣锁。

本发明的手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集方法为：

(1)手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置配的USB线接到计算机USB2.0接口上，USB2.0接口提供+5V电源，并通过驱动程序连接USB2.0控制电路的USB主芯片68013A，检查I²C总线上的是否存在EEPROM，并判断首字节是否为0xC2，如果是0xC2，则把固件程序从EEPROM中自动下载到USB主芯片自身的RAM中并执行，实现重枚举；这时USB主芯片通过SCCB总线初始化CMOS摄像头电路的参数，实现摄像头的自动曝光、增益控制及白平衡控制，同时USB驱动程序开始正常工作；

(2)拉动采集装置的滤光镜片的位移按钮，压紧弹簧至扣锁处，将滤光镜片挡在箱体上盖中部的镂空处；

(3)滤光镜片与可发射可见光的LED光源控制开关断开，可见光源电路不工作；这时滤光镜片与可发射红外光的LED光源控制开关接通，红外光LED光源电路工作，发射红外光；

(4)摄像头接收到不可见的近红外光线，形成手指静脉图像；通过USB主芯片，实时将动态视频数据上传到计算机中，计算机图像采集软件将接收到的YUV图像数据转换为RGB图像数据，并显示到屏幕上，同时将手指静脉图像保存起来；

(5)然后按下滤光镜片位移按钮，压紧弹簧自由弹开，带动滤光镜片迅速移开箱体上盖中部的镂空处，可发射红外光的LED光源控制开关断开，可发射红外光的LED阵列不发光；滤光镜片接通可发射可见光的LED光源控制开关，可发射可见光LED阵列发光；

(6)摄像头接收到可见光线，形成手指指节折痕图像，通过USB主芯片，实时将动态视频数据上传到计算机中，上位机图像采集软件将接收到的YUV图像数据转换为RGB图像数据，并显示到屏幕上，同时将手指指节折痕保存起来；

(7)通过上述过程先后将一个手指的2幅不同类型的图像保存在计算机中，重复步骤(1)-(6)连续采集多个手指的手指指节折痕图像和手指静脉图像。

本发明具有以下特点和优点：

(1)根据手指指节折痕和手指静脉两种生物特征的特点，利用可见光与不可见近红外光的成像方法，构成双模态生物特征图像采集装置。可以采集一个手指的同一位置两种不同性质的生物特征图像，一种是皮肤表面的手指指节折痕图像，一种是皮肤内部的手指静脉图像。

(2)设计的可移动的通近红外光阻可见光滤光镜片和配套执行机构，以及一个成像设备和配套电路，可以连续采集两幅不同性质的生物特征图像。利用可见光并且不使用滤光镜片时，可以采集位于皮肤表面的手指指节折痕图像；利用红外灯并且使用滤光镜片，可以采集皮肤内部的手指静脉图像。这种连续采集两幅图像方法，对比采用两个成像设备分别采集的方法，不仅可以提高采集速度、而且可以大大降低采集装置的制作成本。

(3)设计的硬件电路中没有可编程逻辑器件CPLD，并且只有一套成像设备，对比实现类似功能的发明专利，本设计硬件电路更加简单实用、成本低。

(4)由于采集装置可以采集两种生物特征图像，以此装置为基础的双模态生物特征识别系统，只要配合合适的模式识别分类算法，其性能必然优于仅仅基于手指指节折痕，或仅仅基于手指静脉的单模态生物特征识别系统。

附图说明

图1-a和图1-b：双模态生物特征图像采集原理示意图；

图2-a：采集装置外形结构图；

图2-b：采集装置侧视剖面示意图；

图3：采集装置可移动滤光镜片及相应执行机构示意图；

图4：采集装置的硬件电路原理示意图；

图5：摄像头模组接口电路；

图6：USB接口电路；

图7：EEPROM电路；

图8：两种光源切换电路；

图9：电源电路；

图10：采集装置工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

采集手指静脉图像和手指指节折痕图像的采集原理示意图如图1-a和图1-b所示。当波长光谱为720nm～1100nm的不可见近红外线照射手指，并透过人体组织时，静脉血管中的血红蛋白对近红外光线有非常明显的吸收效果，导致静脉部分的透射光较少，通过摄像头形成静脉纹路图像，为防止可见光对静脉纹路成像的影响，需要在成像设备前(且手指后面)，增加一片通近红外光阻可见光的滤光片，这样就可以将近红外光源安装在手指背上方，向下方向照射，最终形成手指静脉纹路图像。手指指节折痕位于手指皮肤表面，只需要普通的可见白光直接照射手指表面，反射光通过摄像头形成手指指节折痕纹路图像。

基于两种不同生物特征图像形成的原理，本发明设计的采集装置主要分上下两部分结构，如图2所示，图2-a为外形结构立体图，图2-b为侧视剖面图。装置上半部1为开放式结构，其上盖的下表面安装有可发射红外光的LED阵列3；装置下半部为六面箱体2，箱体上盖中部有一处镂空，安装可切换的滤光镜片和相应执行机构，镜片位移导轨与光源电路转换开关相连；箱体内安装有一套控制电路板6，电路板主要包括光源切换电路、USB2.0控制电路和CMOS摄像头电路，该CMOS摄像头电路连接一个CMOS摄像头和配套镜头，形成一个成像设备7，在这个成像设备两侧安装可发射可见光的LED阵列5。

装置六面箱体的上盖中部有一处镂空4(图2和图3)，其下面安装可移动的滤光镜片和相应执行机构，详细见图3所示。正常情况下，通过压紧弹簧10至扣锁处，带动通红外光滤光镜片8挡在中部隔板镂空处，触发红外光LED光源控制开关11，红外光LED光源电路工作；此时，安装在底部成像镜头两侧的可见光光源停止工作。将手指置于滤光镜的正上方，安装在上盖下表面的红外LED光源照射手指，透射的红外光通过滤光镜片，在成像设备上成像。按下镜片位移按钮9，扣锁松开，处于压缩状态的弹簧迅速弹开，带动通红外滤光镜片沿位移导轨13移开中部隔板镂空处时，红外光光源电路自动断开，触发可见光LED光源控制开关12，可见光源电路工作，可见光直接照射在手指上，底部成像设备接收反射光并成像。

本发明还包括：

用于实现图像采集和光源控制的硬件控制电路原理示意图如图4所示，主要包括数字摄像头电路、可擦除程序存储器电路、USB2.0控制电路、随滤光镜片移动而切换的光源控制电路、电源电路等，其各个功能模块详细说明如下：

(1)一路数字摄像头电路。主要是采用OmniVision公司拥有130万像素的CMOS数字图像传感器芯片OV9650，CMOS摄像头可以接收成像的光谱范围较宽，既可以接收可见光成像，又可以接收不可见的近红外光成像。但由于OV9650摄像芯片比较微小，只能直接采用OV9650摄像头模组，这样只需要为其提供必须的电源、控制与接收信号和接口电路即可。摄像头模组接口电路如图5所示。

(2)USB2.0控制电路。采用Cypress公司集成USB2.0(高速)协议的微处理器EZ-USB FX2CY7C68013A。通过IFCONFIG＝0x43设置Slave FIFO模式，在同步方式下SLWR作为IFCLK时钟引脚的使能信号，以保证行同步信号HREF有效时，才能接收图像的像素数据。配合硬件电路，通过设置EP2CFG＝0xE0设置EP2端口为BULK传输模式的IN端点，4重缓冲，每包字节数为1024；并通过EP2FIFOCFG＝0x08设置端口2为8位数据总线模式。这样USB主控芯片就可以直接接收CMOS摄像头实时传输的图像数据，并通过缓存以BULK传输模式传输给计算机。这样就可以避免使用可编程逻辑器件CPLD，不仅可以降低成本、又可以减少不稳定因素。USB2.0控制电路如图6所示。

(3)可擦除程序存储器电路。设计中将USB固件程序下载到EEPROM中，当采集装置连接到计算机后，USB主芯片68013A首先检I²C总线上的EEPROM，判断如首字节是0xC2，则把固件程序从EEPROM中自动下载到自身的RAM中并执行，实现重枚举。从而提高系统的便携性能。EEPROM电路如图7所示。

(4)随滤光镜片移动而切换的光源控制电路(图8)。当滤光镜片接触红外光源电路触发开关时，产生触发高电平，控制1号MOS管导通，为红外光源电路提供电压，红外LED阵列工作；同时，触发高电平经过反相器变成低电平，导致2号MOS管不导通，切断可见光源电路的电压，可见光LED阵列不工作。当滤光镜片接触可见光源电路触发开关时，产生触发低电平，导致1号MOS管不导通，切断红外光源电路的电压，红外LED阵列不工作；同时，触发低电平经过反相器变成高电平，控制2号MOS管导通，为可见光源电路提供电压，可见光LED阵列工作。

(5)电源电路(图9)。通过USB接口从计算机获得+5V电源，然后分别处理为+5V、+3.3V、+2.5V和1.8V电源，提供给光源电路、USB芯片电路、EEPROM电路、摄像头电路等，其中摄像头需要3路不同类型电源，分别为DOVDD＝3.3V、AVDD＝2.5V、DVDD＝1.8V。

当然，还可以设计自动化更强的执行机构来移动滤光镜片，但是这需要微型电机和牵引部件，还需要更为复杂的硬件电路，这不仅导致机械加工更加困难，而且增加的电机驱动电路也提高成本。另外，由于本硬件电路电源是通过计算机USB口提供，USB口提供的电流最大额定电流为500毫安。当设计的硬件电路越复杂，功能越多，需要的电流也就越大。一般来讲，电机驱动电路需要较大的电流，增加的电机驱动电路会导致整个电路增加不稳定的因素。鉴于以上因素，本设计没有采用这种自动化更强的设计方案，而采用装置结构和硬件电路相对简单、且容易实现的设计方案。

结合图10，图像采集工作具体步骤如下：

(1)采集系统开机。将采集装置配有的USB线接到计算机USB2.0接口上，USB接口提供+5V电源，并通过驱动程序连接USB主芯片68013A，检查I²C总线上的是否存在EEPROM，并判断首字节是否为0xC2，如果是0xC2，则把固件程序从EEPROM中自动下载到USB主芯片自身的RAM中并执行，实现重枚举；这时USB主控芯片通过SCCB(简化I²C)总线初始化CMOS图像芯片的各种参数，实现摄像头的自动曝光、增益控制及白平衡控制等功能。同时USB驱动程序开始正常工作；

(2)拉动采集装置的镜片位移按钮9，压紧弹簧10至扣锁处，将可切换的滤光镜片8挡在隔板镂空4处；

(3)可切换的滤光镜片与可见光LED光源控制开关12断开，可见光源电路不工作；这时滤光镜片与红外光LED光源控制开关11接通，红外光LED光源电路工作，发射红外光；

(4)摄像头接收到不可见的近红外光线，形成手指静脉图像；通过USB主芯片，实时将动态视频数据上传到计算机中，上位机图像采集软件将接收到的YUV图像数据转换为RGB图像数据，并显示到屏幕上，同时将手指静脉图像保存起来；

(5)然后按下镜片位移按钮9，弹簧10自由弹开，带动可切换的滤光镜片8迅速移开隔板镂空4处，红外光源控制开关11断开，红外LED灯不发光；滤光镜片8接通可见光LED光源控制开关12，可见光LED发光；

(7)通过上述方法先后将一个手指的2幅不同类型的图像保存在计算机中，重复上述步骤可以连续采集多个手指的手指指节折痕图像和手指静脉图像。

Claims

1.一种手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置，主要分上下两部分结构，其特征是：上半部分结构为包含顶板的开放式结构，顶板的下表面安装有可发射红外光的LED阵列，下半部分结构为六面箱体，箱体上盖中部有一处镂空，镂空处有安装于位移导轨上的滤光镜片，位移导轨的两端设置与光源切换电路相连的转换开关，箱体内安装有一套控制电路，控制电路主要包括光源切换电路、USB2.0控制电路和CMOS摄像头电路，CMOS摄像头电路连接一个CMOS摄像头和配套镜头形成成像设备，成像设备两侧安装可发射可见光的LED阵列；手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置还包括滤光镜片执行机构，所述执行机构包括连接于箱体与滤光镜片之间的压紧弹簧、固定于滤光镜片上的位移按钮、位于位移按钮端部的扣锁。

2.一种基于权利要求1所述的手指指节折痕和静脉双模态生物特征图像采集装置的采集方法，其特征是：

(2)拉动采集装置的固定于滤光镜片上的位移按钮，压紧弹簧至扣锁处，将滤光镜片挡在箱体上盖中部的镂空处；

(3)滤光镜片与可发射可见光的LED光源控制开关断开，可发射可见光的LED阵列不工作；这时滤光镜片与可发射红外光的LED光源控制开关接通，可发射红外光的LED阵列工作，发射红外光；

(4)摄像头接收到不可见的红外光线，形成手指静脉图像；通过USB主芯片，实时将动态视频数据上传到计算机中，计算机图像采集软件将接收到的YUV图像数据转换为RGB图像数据，并显示到屏幕上，同时将手指静脉图像保存起来；

(5)然后按下固定于滤光镜片上的位移按钮，压紧弹簧自由弹开，带动滤光镜片迅速移开箱体上盖中部的镂空处，可发射红外光的LED光源控制开关断开，可发射红外光的LED阵列不发光；滤光镜片接通可发射可见光的LED光源控制开关，可发射可见光LED阵列发光；

(6)摄像头接收到可见光线，形成手指指节折痕图像，通过USB主芯片，实时将动态视频数据上传到计算机中，计算机图像采集软件将接收到的YUV图像数据转换为RGB图像数据，并显示到屏幕上，同时将手指指节折痕保存起来；

(7)通过步骤(1)-(6)先后将一个手指的2幅不同类型的图像保存在计算机中，重复步骤(1)-(6)连续采集多个手指的手指指节折痕图像和手指静脉图像。