CN104200205A - 一种基于fpga的开放式手掌静脉采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置及方法，其中，装置包括用于采集手掌静脉图像的摄像头；用于照亮摄像头采集图像区域且光强可调的LED点光源阵列；用于感应手掌位置的接近感应开关；用于与手掌静脉图像采集者交互的显示装置；用于处理手掌静脉图像的FPGA控制单元，所述摄像头、LED点光源阵列、接近感应开关以及显示装置均受控于所述FPGA控制单元。本发明基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，能够工作在开放的环境中，不需要设置手掌支架以及外部遮光板等辅助设备，运行于嵌入式平台上，不需要PC机的在线支持，所提供的方法能够快速获得理想的手掌静脉图像，运行速度快，信息采集准确。

Description

一种基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置及方法

技术领域

本发明涉及生物识别技术领域，具体涉及一种基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置及方法。

背景技术

根据人体肌肉和血管对不同波长的光吸收率不同，当采用波长在一定范围内的近红外光照射人体时，人体的静脉血管相比于皮肤更多的吸收近红外辐射，因此，可以很好的呈现出静脉血管结构。医学研究也证明，每个人的静脉血管结构千差万别，没有任何两个人的静脉血管结构是相同的，也即静脉血管结构具有唯一性。

现有技术中，基于口令和知识的认证系统(例如，基于身份证号码、密码等外部资料)容易被未经授权的人窃取或者破解，因此，不易被窃取且识别性高的生物特征正逐步成为认证系统所青睐的选择。

生物特征识别技术是基于个体的生理或行为特征进行的，因此，能够用来进行生物识别的特征需是具有明显个体差异性的特征，例如，指纹、虹膜、静脉等。

与手背静脉和手指静脉相比，手掌静脉包含更多的信息，具有更高的安全性，并且从使用者的角度来说，手掌静脉图像的采集更方便。

但是，现有的手掌静脉采集装置几乎都存在着体积庞大，需要辅助手掌支架，或者需要在密闭遮光环境下使用等苛刻的要求，又或者是仅仅在计算机上实现了手掌静脉图像采集的算法，并未能集成到一个装置内完成手掌静脉信息的提取和识别的一体化。由于受到种种因素的制约，现有的手掌静脉采集装置都不能工作在开放式的环境中。

发明内容

本发明提供了一种基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，能够工作在开放的环境中，且不需要辅助设置手掌支架以及外部遮光板等设备，运行于嵌入式平台上，不需要PC机的在线支持。

一种基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，包括用于采集手掌静脉图像的摄像头，还包括：

用于照亮摄像头采集图像区域且光强可调的LED点光源阵列；

用于感应手掌位置的接近感应开关；

用于与手掌静脉图像采集者交互的显示装置；

用于处理手掌静脉图像的FPGA控制单元，所述摄像头、LED点光源阵列、接近感应开关以及显示装置均受控于所述FPGA控制单元。

本发明提供的开放式手掌静脉采集装置还包括用于存储手掌静脉图像的存储单元，存储单元接入所述的FPGA控制单元。

本发明采用FPGA作为控制单元的核心(FPGA与必要的外围电路共同构成FPGA控制单元)，与传统的ASIC芯片相比，FPGA的可重构性能够使手掌静脉采集装置适应不断变化的应用需求，一方面FPGA的使用能够提高控制单元的灵活性和通用性，缩短研发周期；另一方面，与通用DSP处理器相比，FPGA具有更强的专用性。

FPGA片内丰富的可编程硬件资源，可以直接用来实现手掌静脉采集装置要求的复杂算法，提高算法的运算速度，用FPGA做手掌静脉图像的预处理系统，实质上是用硬件来实现图像预处理算法，具有并行性的特点，可以满足视频预处理的实时性要求，除此之外，FPGA的可编程性，能够在不改变硬件设置的条件下，改变图像的预处理算法，具有较高的灵活性。

采用本发明提供的开放式手掌静脉采集装置进行手掌静脉采集时，将需要采集的手掌放置在摄像头的图像采集区域，接近感应开关检测到手掌放置到位后，将到位信号传递至FPGA控制单元，FPGA控制单元点亮LED点光源阵列，显示装置实时显示摄像头拍摄到的手掌静脉图像，FPGA控制单元依据摄像头采集的手掌静脉图像，进行LED点光源的光强调节，当LED点光源的光强调节至最佳时，摄像头采集的图像即为所需的手掌静脉图像。

手掌静脉图像采集完毕，手掌撤离后，接近感应开关将撤离信号传递至FPGA控制单元，FPGA控制单元关闭LED点光源阵列，从而节约能耗。

使用本发明提供的开放式手掌静脉采集装置时，不需要设置手掌支架以及遮光板等辅助设备，通过调节LED点光源阵列的光强并配合摄像头的参数即可消除环境光的影响，获得理想的手掌静脉图像。

显示装置的显示界面可以依据需要进行人性化的设置，例如，显示界面包括提示界面和报警界面，提示界面用于指示手掌是否放置到位，并实时显示摄像头的拍摄图像；报警界面用于提示使用过程中出现的故障等。

LED点光源阵列的设置并非简单地起到照明的作用，LED点光源阵列的布置方式还需要配合摄像头共同调节手掌静脉图像中背景与手掌的明暗对比度。

作为优选，所述LED点光源阵列为环绕摄像头布置的内外两个LED环形阵列，两个LED环形阵列中的LED点光源错位排布。两个LED环形阵列中，靠近摄像头的为内LED环形阵列，内LED环形阵列中各点光源距离摄像头的距离为2.8～3cm；远离摄像头的为外LED环形阵列，外LED环形阵列中各点光源距离摄像头的距离为3.7～4cm。

进一步优选，内LED环形阵列中各点光源距离摄像头的距离为2.85cm；外LED环形阵列中各点光源距离摄像头的距离为3.75cm。

内LED环形阵列中的点光源波长为850nm，外LED环形阵列中的点光源波长为940nm。

内LED环形阵列中的各点光源围绕摄像头以相同间隔均匀排布，同样的，外LED环形阵列中的各点光源围绕摄像头以相同间隔均匀排布。

内LED环形阵列和外LED环形阵列的点光源的个数相等，内LED环形阵列或外LED环形阵列中点光源的个数为6～10个。优选地，内LED环形阵列或外LED环形阵列中点光源的个数为8个。

内LED环形阵列中各点光源的发射角度为120度，外LED环形阵列中各点光源的发射角度为60度。

手掌的中心区域的光照主要来自内LED环形阵列，手掌的边缘区域的光照主要来自外LED环形阵列。外LED环形阵列中60度发射角度的各点光源增强了手掌边缘区域的轮廓，使手掌轮廓边缘的光照度得到提高，明显区别于采集环境。

内LED环形阵列中的各LED点光源采用串联形式连接，保证每个LED点光源的光强相同，同样的，外LED环形阵列中的各LED点光源采用串联形式连接，保证每个LED点光源的光强相同。

FPGA控制单元调整LED点光源的光强采用脉宽调制(PWM)的方式控制升压电路，根据实时采集到的手掌静脉图像的效果，反馈得到合适的LED点光源的光强，内LED环形阵列和外LED环形阵列中的点光源的光强分别独立调节。

本发明提供的开放式手掌静脉采集装置还包括壳体，壳体包括平行设置的顶板和底板、以及连接顶板和底板的侧壁，所述摄像头和FPGA控制单元位于壳体的内部，所述LED点光源阵列以及接近感应开关设置在顶板上。所述接近感应开关位于外LED环形阵列的外缘。

所述壳体的顶板上开设有拍摄窗，所述摄像头位于拍摄窗的正下方。壳体内设有用于放置摄像头的支撑架。

本发明还提供了一种利用所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置进行手掌静脉采集的方法，包括以下步骤：

a、开放式手掌静脉采集装置处于开启状态时，若接近感应开关检测到手掌，则FPGA控制单元点亮LED点光源阵列；

b、摄像头实时采集手掌静脉图像，同时显示装置显示该手掌静脉图像，FPGA控制单元调整LED点光源阵列的光强，直至手掌静脉图像中背景区域与手掌区域的对比度符合要求；

c、摄像头采集该对比度符合要求的手掌静脉图像，得到手掌静脉信息。

开放式手掌静脉采集装置处于开启状态时，通过预设的摄像头参数(例如对比度、亮度等)进行手掌图像的采集，原则上在手掌静脉采集的过程中仅调节LED点光源阵列的光强，但是，由于LED点光源阵列的光强调节有一定范围，在此范围内，若始终不能得到理想的手掌静脉图像，则考虑调整摄像头的参数。

判断手掌静脉图像中背景区域与手掌区域的对比度是否符合要求，可以采用现有技术，例如，图像的二维熵评估等，对比度的阈值依据实际需要进行选择。

本发明基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，能够工作在开放的环境中，不需要设置手掌支架以及外部遮光板等辅助设备，运行于嵌入式平台上，不需要PC机的在线支持，所提供的方法能够快速获得理想的手掌静脉图像，运行速度快，信息采集准确。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置的系统结构框图；

图2为本发明基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明基于FPGA的开放式手掌静脉采集方法的流程图；

图5为利用本发明基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置得到的手掌静脉图像在不同占空比PWM下的效果对比图，其中，(a)PWM占空比为5％；(b)PWM占空比为20％；(c)PWM占空比为35％；(d)PWM占空比为50％。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置及方法做详细描述。

如图1所示，一种基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，包括用于采集手掌静脉图像的摄像头，还包括：

用于照亮摄像头采集图像区域且光强可调的LED点光源阵列；

用于感应手掌位置的接近感应开关；

用于与手掌静脉图像采集者交互的显示装置；

用于处理手掌静脉图像的FPGA控制单元，摄像头、LED点光源阵列、接近感应开关以及显示装置均受控于FPGA控制单元。

其中LED点光源阵列、摄像头以及接近感应开关(采用接近红外开关)构成光路与采集模块，LED点光源阵列由内LED环形阵列和外LED环形阵列构成。

摄像头采用CMOS摄像头，可以直接输出黑白图像，方便后续的图像处理。

FPGA控制单元包括图像采集控制单元、光路控制单元、感应信号处理单元、显示接口单元、图像存储单元以及核心处理单元。

其中，图像采集控制单元配置摄像头的参数，配置的参数包括采集的手掌静脉图像的大小，对比度，白平衡，亮度等，图像采集单元对摄像头进行参数配置时，按照采集时所处的环境光照，将图像采集状态设置为手掌亮度与背景环境光明显区分，从而不需要加滤光片来进行限制。

光路控制单元产生自适应的PWM波，根据采集到的手掌静脉图像反馈得到适合的PWM波的占空比，使手掌静脉图像不会太亮或者太暗，从而影响图像的采集质量。

如图5所示，利用本发明提供的手掌静脉采集装置得到的手掌静脉图像如图5所示，图5中的(a)，(b)，(c)，(d)四幅图分别对应光路控制单元的产生自适应的PWM波占空比分别为5％，20％，35％，50％的采集效果，其中，PWM波占空比为50％时，手掌区域与背景区域具有很好的对比度，由此可以证明通过调节PWM波占空比可以对LED点光源的光强进行控制，从而进一步影响手掌静脉图像的质量。

感应信号处理单元用于处理接近感应开关的信号，当有手掌进入摄像头的图像采集区域时，接近感应开关发送信号给FPGA控制单元中的感应信号处理单元，经过核心处理单元的处理，通过光路控制单元输出不同占空比PWM，分别对内LED环形阵列和外LED环形阵列的点光源强度进行调节，使采集到的手掌静脉图像具有合适的明暗对比度；当手掌撤离时，接近感应开关发送信号给FPGA控制单元中的感应信号处理单元，经核心处理单元向光路控制单元发出信号，关闭内LED环形阵列和外LED环形阵列的点光源，从而在非采集状态下达到降低功率损耗的作用。

显示接口单元与显示装置相通信，显示装置的显示界面在HDMI接口的显示器上显示，显示界面由提示界面和报警界面组成，提示界面主要针对手掌放置的角度、距离做出矫正的提示，在手掌静脉图像采集的过程中，被采集这在没有任何支架固定的情况下很容易放置错误的姿势导致手掌静脉信息采集失败，显示装置能够实时显示手掌图像的信息，被采集者能够清楚地看到手掌的放置状态，通过提示界面看出是否复合手掌静脉采集的需求，报警界面用于提示故障信息等，当采用手掌静脉采集装置进行身份识别时，报警界面也用于对非认证的人员产生报警提示，提示当前身份并未通过认证。

图像存储单元使用大存储空间的存储卡，用于存储不同人的手掌静脉图像，作为手掌静脉图像的数据库存储，同时，摄像头配置的参数也会保存在图像存储单元中。

核心处理单元由Xilinx的XC7Z020型号的FPGA及其外围电路组成，内部除了拥有FPGA的逻辑功能，还搭载了ARM cotex-A9双核处理器，FPGA逻辑功能负责图像的采集，光路控制等逻辑功能，还实现了图像的硬件加速，而ARM cotex-A9核负责图像的处理算法以及显示界面和存储接口等，摄像头采集到的图像传送到核心处理单元，然后进行后续的手掌静脉图像处理，包括图像预处理，图像特征提取，模式识别等。

基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置的结构如图2所示，包括壳体，壳体包括平行设置的顶板和底板、以及连接顶板和底板的侧壁，摄像头1和FPGA控制单元2位于壳体的内部，LED点光源阵列以及接近感应开关4设置在顶板上。

如图3所示，LED点光源阵列为环绕摄像头1布置的内外两个LED环形阵列，两个LED环形阵列中的LED点光源错位排布。

两个LED环形阵列中，靠近摄像头1的为内LED环形阵列5，内LED环形阵列5中各点光源距离摄像头1的距离为2.85cm；远离摄像头1的为外LED环形阵列4，外LED环形阵列4中各点光源距离摄像头1的距离为3.75cm。

内LED环形阵列5中的点光源波长为850nm，外LED环形阵列4中的点光源波长为940nm，内LED环形阵列5或外LED环形阵列4中点光源的个数为8个。

内LED环形阵列5中的点光源采用串联的电路连接方式，保证每个点光源的发光强度相同，在手掌上的投射效果均匀，同样的，外LED环形阵列4中的点光源也采用串联的电路连接方式。

内LED环形阵列5和外LED环形阵列4分别采用独立的LED驱动电路，LED驱动电路采用升压驱动方式，不需要添加额外的功耗电阻，调节采用数字调节方式，直接从光路控制单元输出的PWM占空比的不同对Led的电流进行控制。

如图3所示，接近感应开关4位于外LED环形阵列4的外缘，壳体的顶板上开设有拍摄窗，摄像头1位于拍摄窗的正下方。

如图4所示，本发明还提供了一种利用所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置进行手掌静脉采集的方法，包括以下步骤：

a、开放式手掌静脉采集装置处于开启状态时，对摄像头参数进行初始化，若接近感应开关检测到手掌，则FPGA控制单元点亮LED点光源阵列；

b、摄像头实时采集手掌静脉图像，同时显示装置显示该手掌静脉图像，并在提示界面给予手掌是否放置到位的提示，FPGA控制单元调整LED点光源阵列的光强，直至手掌静脉图像中背景区域与手掌区域的对比度符合要求；

c、摄像头采集该对比度符合要求的手掌静脉图像，得到手掌静脉信息。

将本发明提供的手掌静脉采集装置用于身份识别时，预先在装置中预先存储用户的注册手掌静脉信息，进行识别时，首先采集得到手掌静脉图像，然后通过特征提取，将得到手掌静脉信息与注册手掌静脉信息进行比对，如果这两者信息相同，则身份识别通过，如果未能与注册手掌静脉信息相对应，则报警界面提示报警。

上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替代、组合、裁剪，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，包括用于采集手掌静脉图像的摄像头，其特征在于，还包括：

用于照亮摄像头采集图像区域且光强可调的LED点光源阵列；

用于感应手掌位置的接近感应开关；

用于与手掌静脉图像采集者交互的显示装置；

用于处理手掌静脉图像的FPGA控制单元，所述摄像头、LED点光源阵列、接近感应开关以及显示装置均受控于所述FPGA控制单元。

2.如权利要求1所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，其特征在于，所述LED点光源阵列为环绕摄像头布置的内外两个LED环形阵列，两个LED环形阵列中的LED点光源错位排布。

3.如权利要求2所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，其特征在于，两个LED环形阵列中，靠近摄像头的为内LED环形阵列，内LED环形阵列中各点光源距离摄像头的距离为2.8～3cm；远离摄像头的为外LED环形阵列，外LED环形阵列中各点光源距离摄像头的距离为3.7～4cm。

4.如权利要求3所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，其特征在于，内LED环形阵列中的点光源波长为850nm，外LED环形阵列中的点光源波长为940nm。

5.如权利要求4所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，其特征在于，内LED环形阵列或外LED环形阵列中点光源的个数为6～10个。

6.如权利要求5所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，其特征在于，还包括壳体，壳体包括平行设置的顶板和底板、以及连接顶板和底板的侧壁，所述摄像头和FPGA控制单元位于壳体的内部，所述LED点光源阵列以及接近感应开关设置在顶板上。

7.如权利要求6所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，其特征在于，所述接近感应开关位于外LED环形阵列的外缘。

8.如权利要求7所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置，其特征在于，所述壳体的顶板上开设有拍摄窗，所述摄像头位于拍摄窗的正下方。

9.一种利用如权利要求1～8任一所述的基于FPGA的开放式手掌静脉采集装置进行手掌静脉采集的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、开放式手掌静脉采集装置处于开启状态时，若接近感应开关检测到手掌，则FPGA控制单元点亮LED点光源阵列；

b、摄像头实时采集手掌静脉图像，同时显示装置显示该手掌静脉图像，FPGA控制单元调整LED点光源阵列的光强，直至手掌静脉图像中背景区域与手掌区域的对比度符合要求；

c、摄像头采集该对比度符合要求的手掌静脉图像，得到手掌静脉信息。