CN106372565A - 一种基于pid控制算法的三路调光手指静脉图像采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及手指静脉认证识别系统的前端设备，手指静脉图像采集装置，特别涉及一种基于PID控制算法三路调光策略的手指静脉图像采集装置。该装置主要包括五个部模块。分别是光源驱动模块、图像采集模块、图像传输模块、主控模块和上位机采集程序模块。三个通道的光源分别位于手指的前端，中部，后端，图像采集模块中光强采集模块来检测LED发出的光强，将其转化为电信号，并进行低通滤波处理；本发明采用三个通道同时进行PID调节，均采用PWM调光方式，实现了三路红外光强精确稳定地调节。解决了传统采集装置因为人体手指生理特点和个体之间手指薄厚、粗细差异出现采集到的手指静脉图像局部曝光、或者曝光不足，从而丢失手指静脉信息的问题。

Description

一种基于PID控制算法的三路调光手指静脉图像采集装置

技术领域

本发明涉及手指静脉认证识别系统的前端设备---手指静脉图像采集装置，特别涉及一种基于PID控制算法三路调光策略的手指静脉图像采集装置。

背景技术

手指静脉识别技术是生物特征识别技术中新的成员。本技术是利用静脉血管在手指中分布具有个体差异，且长时间稳定不变的特性进行身份认证。然而，手指静脉识别认证技术的实用价值，很大程度取决于手指静脉图像采集装置的研发。如何获取高质量的手指静脉图像，关系到手指静脉识别算法复杂程度以及识别的准确率，进而影响到手指静脉识别技术在生活中的实际使用。

目前手指静脉图像采集装置的研究主要集中在使用单路光照进行采集，或者是多路光照手动调节进行采集。无法根据人体手指生理特点和个体之间手指薄厚、粗细差异进行自动调节光强，这样采集到的手指静脉图像出现局部曝光、或者曝光不足，从而丢失手指静脉信息，加大了手指静脉认证识别算法的处理难度，造成识别困难，以及误识率高等问题。在手指静脉图像采集装置光强控制上，目前只有一篇论文提到了基于模糊控制三路采集两路调光的手指静脉图像采集装置^[1]。但是由于模糊控制的控制精度有限，无法对光强精确控制。

本发明关于如何根据人体手指生理特点和个体之间手指薄厚、粗细差异进行快速、稳定的自动调节光强的三路调光手指静脉图像采集装置进行了研究。

与发明相关的公开报道包括：

[1]杨数强.手指静脉身份识别智能系统的研究[D].重庆理工大学,2009.

发明内容

本发明的目的在于研制一种根据人体手指生理特点和个体之间手指薄厚、粗细差异进行快速，稳定的自动调节光强的三路调光手指静脉图像采集装置。

本发明的目的是这样实现的：

手指静脉图像采集装置由光源驱动模块、主控模块、图像采集模块、图像传输模块、上位机采集模块组成。

红外光源发出的光强由主控模块中的红外检测电路检测、并通过滤波后进行AD转换为数字量反馈给主控芯片。主控芯片根据反馈信号通过PID控制算法计算出控制信号，并转换为PWM调制波，控制光源驱动模块到达光强控制的目的。根据不同的手指，或者同一手指的薄厚的不同部分，本发明设计的三个通道的光源自动根据反馈信号强弱进行调整，到达手指静脉图像亮度一致的目的，解决静脉图像可能出现局部曝光、或者曝光不足，从而丢失手指静脉信息的现象。

附图说明

图1手指静脉图像采集装置光照示意图；

图2手指静脉图像采集装置系统结构框图；

图3手指静脉图像采集装置光源驱动硬件电路图；

图4手指静脉图像采集装置光强检测电路硬件电路图；

图5手指静脉图像采集装置光强PID调节控制算法流程图；

图6手指静脉图像采集装置PID控制算法实际效果图；

图7手指静脉图像采集装置单路恒定光强采集静脉图片；

图8手指静脉图像采集装置三路可调节光强采集静脉图片。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

图1是本发明方法中光照方式的示意图，为了更好的实现三路光源自动调节，达到手指静脉图像亮度一致的目的，采用的照射方式如下：红外LED位于手指上方，红外检测滤波电路以及图像传感器位于手指下方用来检测透过的手指红外光强度，并采用三通道进行光强调整，三个通道的光源分别位于手指的前端，中部，后端。手指位于光源与光强检测传感器之间。光源发出的光透过手指后被光强检测传感器检测，并对检测信号进行滤波、AD转换处理。同时，本设计可以实现手指位置就位检测，并触发采集。

图2所是手指静脉图像采集装置系统结构框图，由光源驱动模块、主控模块、图像采集模块、图像传输模块、上位机采集模块组成。下面进行各个模块的功能介绍：

1)光源驱动模块：该模块是用来作为850nm红外光的发射源，要求光源稳定，输出均匀。本文使用光源驱动器进行光源驱动，并使用PWM开关调制控制光源发出的光强。

2)光强采集模块：该模块是用来检测光源发出的光强，将其转化为电信号，并进行低通滤波处理。为了进行红外光源光强调节，系统必须有光强反馈。并且要求反馈的信息测量准确，抗干扰能力强。

3)图像采集传输模块：该模块是用来采集手指静脉图像，并将图像传输至PC端。本设计使用850nm的光源，则要求图像采集芯片在该波段具有优秀的响应，包括信噪比、光谱灵敏度等。将图像传输给PC端，系统要求传输方式稳定，并有足够的传输速度。

4)主控模块：该模块是对整个系统进行协调，控制。包括PWM调节光源光强的实现，光强采集信号的AD转换与数据处理，光强调节算法进行参数校正，图像传感器的初始化和配置等。

5)上位机采集程序：该模块是对采集装置采集的图像进行实时接收。并且能控制是否采集图像，对图像数据进行处理、显示，并具有保存的能力。

图3是手指静脉图像采集装置系统光源模块硬件原理图。光源驱动模块采用本文采用三路调光，每一路有两个光源，这两个光源具有相同的亮度。光源驱动器采用LM3405，其输出的电流经过L1并因C3而变得平滑，为光源进行恒流供电。C3与C5并联，提高电路的稳定性。电流由R2检测，R2的电压与电流成正比并反馈至FB(反馈)管脚。IC控制内部开关的占空比，在FB管脚上产生205mv的电压。R2和FB管脚之间需要简单的RC器来抑制反馈至IC内部的噪声。

图4所体现的是手指静脉图像采集装置光强检测模块硬件原理图。光电三极管输入信号为IN1。电阻R23和可调电阻R29串联。调节电阻R29可以改变三极管Q2的静态工作点，使Q2在要测量的光强范围内具有较好的线性，也可以避免电路饱和的现象(增大光强，Q2的基极电位不变)。R29与R32共同构成采样电阻。当无光照时光电三极管输入信号IN1为0，此时通过调节可调电位器R29使得Q2进入放大区；当加强光照时，光电三极管电阻减小，与采样电阻分压，输入信号IN1增大。此电路最大输出电压是接近5V(电源电压减去Q2的Uce的值)。

整个电路是一个由Q2组成的共集电路。共集电路只能放大电流，相比于共基电路和共射电路，具有输入电阻最大，输出电阻最小，并具有电压跟随的特点。

同时设计了由电阻R24、R28、R34以及运算放大器U4A组成的AD转换接口电路，实现采样电压变化到AD模块可以接受的电压范围。以及由电阻R25、R30、R31、R35、电容C15、C18以及运算放大器U4B组成的基于无限增益多端反馈电路的二阶巴特沃斯低通滤波器。实现对采样信号进行滤波处理。

图5是手指静脉图像采集装置光强PID调节控制算法流程图。本发明使用STM32F103微处理器，通过该处理器的AD转换模块对采集到的信号进行AD转换为数字量后，并用增量式PID控制算法计算，并通过STM32F103的定时器功能输出PWM波，通过改变占空比，控制光源输出的光照强度，在完成PID参数整定后，控制算法通过根据目标值与AD采样值求出控制量Uk，并对Uk进行限幅控制。之后将控制量Uk映射到PWM占空比，并将改变后的PWM占空比输出给光源驱动芯片LM3405，从而控制照射手指的光源亮度，实现一个完整的闭环调节。

图6是手指静脉图像采集装置PID控制算法参数整定之后，实际控制效果图。图6显示的曲线为系统反馈信号，即光强亮度信号。图6中，系统设定的目标值为1.6V，可见系统调节过程快速稳定的。

结合图2，系统实现根据人体手指生理特点和个体之间手指薄厚、粗细差异进行快速，稳定的自动调节光强之后，将开启手指静脉图像采集，图像通过图像采集模块和图像传输模块进行数据采集和传输，并由上位机程序接受数据。由图7、图8，可以看出本发明的对于手指静脉成像的优越性。

本发明是基于PID控制算法的三路调光手指静脉图像采集装置，操作简单，准确性高，为高质量手指静脉图像采集提供了新的方法，具有很高的使用价值。

上述实施例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改变、修饰、替代、组合、简化，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 (5)

1.一种基于PID控制算法三路调光策略的手指静脉图像采集装置，其特征在于包括以下步骤：第一步，LED驱动器对三路红外光源进行LED驱动；第二步，检测LED发出的光强，将其转化为电信号，并进行低通滤波处理；第三步，采用基于STM32F103控制器对滤波后的红外光强信号进行AD转换，其数字量用于PID控制算法，再将PID控制算法求出的控制量变换为PWM占空比；第四步，对采集到的手指静脉图像进行实时接收。本发明根据人体手指生理特点：同一手指的薄厚的不同部分，或个体之间手指薄厚、粗细差异进行自动调节光强，设计了三个通道的光源自动依据反馈信号调整强弱，到达手指静脉图像亮度一致的目的，解决静脉图像可能出现局部曝光、或者曝光不足，从而丢失手指静脉信息的现象。

2.根据权利要求1所述的一种基于PID控制算法三路调光策略的手指静脉图像采集装置，其特征在于所述的手指静脉图像采集装置，作为手指静脉认证系统的前端设备，手指静脉图像采集装置采集高质量的手指静脉图像对认证系统的快速识别、高识别率至关重要。

3.根据权利要求1、2所述的一种基于PID控制算法三路调光策略的手指静脉图像采集装置，其特征在于所述的三路调光策略用来解决手指静脉图像亮度不均的问题。

4.根据权利要求3所述的一种基于PID控制算法三路调光策略的手指静脉图像采集装置，其特征在于所述的手指静脉图像亮度不均的问题来源于目前手指静脉图像采集装置的研究主要集中在使用单路光照进行采集，或者是多路光照手动调节进行采集，无法根据人体手指生理特点和个体之间手指薄厚、粗细差异进行自动调节光强，这样采集到的手指静脉图像出现局部曝光、或者曝光不足，从而丢失手指静脉信息，加大了手指静脉认证识别算法的处理难度，造成识别困难，以及误识率高等问题。

5.根据权利要求1所述的一种基于PID控制算法三路调光策略的手指静脉图像采集装置，其特征在于所述的三路红外光源，高亮度的850nm红外LED位于手指上方，红外检测滤波电路以及图像传感器位于手指下方用来检测透过的手指红外光强度，并采用三通道进行光强调整，三个通道的光源分别位于手指的前端，中部，后端。手指位于光源与光强检测传感器之间。光源发出的光透过手指后被光强检测传感器检测。并对检测信号进行滤波、AD转换处理。同时，本设计可以实现手指位置就位检测，并触发采集。