基于單一模態(tài)的生物特征識(shí)別技術(shù)普遍存在“短板現(xiàn)象”，沒(méi)有任何一種生物特征是完美無(wú)缺的。因此，采用多模態(tài)，即同時(shí)采集和識(shí)別驗(yàn)證人體的兩種及以上特征能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，全面、有效地提高生物特征識(shí)別系統(tǒng)的整體性能，提高系統(tǒng)魯棒性，降低檢測(cè)復(fù)雜度和對(duì)系統(tǒng)的性能要求，能夠達(dá)到單一生物特征識(shí)別無(wú)法或很難達(dá)到的品質(zhì)。

    手掌靜脈不易復(fù)制仿造，保密性強(qiáng)，活體采集，很難被仿制。但由于個(gè)體的差異性，如皮膚厚度、精密性、脂肪厚度等的差異，很難確保所有人都能夠采集到比較清晰的手掌靜脈圖像。手形屬于手部外輪廓，既是一種手部生物特征識(shí)別方式，同時(shí)也是進(jìn)行掌紋和手掌靜脈識(shí)別的重要基礎(chǔ)和條件，實(shí)驗(yàn)證明在高曝光下可以比較容易得到高對(duì)比度的手形圖像。而掌紋由于存在于手掌表面，圖像采集比較容易，一般都可以采集到清晰的掌紋圖像，但相對(duì)容易仿制，保密性相對(duì)較弱。本文介紹的裝置同時(shí)采用手形、掌紋和手掌靜脈作為進(jìn)行身份驗(yàn)證的依據(jù)，可以揚(yáng)長(zhǎng)避短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，保證裝置具有較高的安全性。
    本裝置硬件系統(tǒng)主要由可見光和紅外光補(bǔ)光模塊、雙圖像傳感器成像模塊、雙視頻處理模塊、FPGA圖像采集及邏輯控制模塊、DSP數(shù)據(jù)處理特征識(shí)別模塊，以及電源等其他輔助模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 補(bǔ)光模塊
    根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室先前已經(jīng)取得的對(duì)手部三種模態(tài)成像的研究成果，即通過(guò)高曝光方式獲得良好的手形輪廓圖像(見圖6(a))，通過(guò)藍(lán)色補(bǔ)光系統(tǒng)可以獲取比較清晰的、能夠滿足識(shí)別算法要求的掌紋圖像[1](見圖6(b))，通過(guò)850 nm近紅外補(bǔ)光系統(tǒng)可以獲取手掌靜脈圖像[2](見圖6(c))。但需要注意的是，為了取得均勻的手部各種模態(tài)圖像，需要光源光照盡可能地均勻，因此裝置所采用藍(lán)光和紅外光源同時(shí)分布在一塊圓形光源板上[3]，藍(lán)光與紅外光相間成同心圓形均勻分布，同時(shí)在光源前方放置勻光板，如圖2所示。

2 圖像傳感器的選擇
    傳感器作為對(duì)手形，特別是掌紋和手掌靜脈的直接成像部件，在系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。為了得到盡可能清晰的三種模態(tài)，特別是掌紋和手掌靜脈圖像，在選擇傳感器時(shí)著重考慮所用傳感器對(duì)可見光(藍(lán)光)和近紅外光有較好的敏感性(即感光特性)，以便對(duì)掌紋和手掌靜脈都能夠呈現(xiàn)較好的、能夠滿足識(shí)別處理要求的圖像。傳感器感光特性曲線如圖3所示。

3 圖像采集模塊
    圖像采集模塊主要由圖像傳感器、視頻處理器和由FPGA構(gòu)成的圖像數(shù)據(jù)保存電路等構(gòu)成。圖像傳感器主要將手掌反射的包含掌紋和手掌靜脈信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)(即模擬視頻信號(hào))。視頻處理器則主要是對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行一系列的處理(即對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大和抗混疊濾波)，然后從中分離出圖像行場(chǎng)、像素時(shí)鐘等同步信息以及圖像像素信息，并將所有信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，再利用硬件描述語(yǔ)言對(duì)FPGA進(jìn)行功能模塊設(shè)計(jì)，按照行場(chǎng)同步信號(hào)和像素時(shí)鐘的狀態(tài)準(zhǔn)確地將所有像素?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定位置，為后續(xù)的圖像顯示和處理提供數(shù)據(jù)源。圖像采集模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是：利用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻處理器初始化時(shí)序的設(shè)計(jì)，以及用于圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集的時(shí)序的設(shè)計(jì)。
3.1 視頻處理器初始化時(shí)序模塊
    所采用視頻處理器的各種工作特性，如視頻輸出格式、圖像尺寸、數(shù)據(jù)輸出速度、圖像對(duì)比度等都是通過(guò)IIC總線[3]進(jìn)行設(shè)定。在本系統(tǒng)中，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)視頻處理器的IIC總線協(xié)議，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻處理器的初始化控制。IIC總線由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL兩條連接線構(gòu)成。時(shí)序主要由起始（start）、從器件地址及應(yīng)答位、子地址及應(yīng)答位、數(shù)據(jù)及應(yīng)答位、停止（stop）等構(gòu)成，如圖4所示[4]。

    IIC總線協(xié)議模塊實(shí)體如下：
    ENTITY IIC_MODULE IS
    PORT(
      SDA : OUT BIT;
      SCL : INOUT BIT;
    Sub_add: OUT BIT_VECTOR( 7 downto 0);
    Send_data：OUT BIT_VECTOR( 7 downto 0)
    );
    END IIC_MODULE;
3.2 圖像數(shù)據(jù)采集模塊
    視頻解碼器輸出的圖像數(shù)據(jù)屬于二維數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性和圖像的完整性，圖像數(shù)據(jù)伴隨有像素時(shí)鐘和行場(chǎng)圖像信號(hào)輸出。因此，圖像數(shù)據(jù)采集模塊需要根據(jù)行場(chǎng)同步信號(hào)和像素時(shí)鐘的狀態(tài)準(zhǔn)確地采集和存儲(chǔ)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。由于對(duì)于手形、掌紋和手掌經(jīng)脈識(shí)別是針對(duì)灰度圖像進(jìn)行的，因此圖像采集模塊只采集和保存圖像亮度分量(即Y分量)，并存儲(chǔ)到在FPGA中開辟的數(shù)據(jù)緩存中。而且每存儲(chǔ)完一行數(shù)據(jù)后觸發(fā)DSP通過(guò)EDMA方式存儲(chǔ)到DSP的外存儲(chǔ)器中，以便進(jìn)行識(shí)別處理。本系統(tǒng)通過(guò)在FPGA中構(gòu)建三套相同的圖像采集模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)三種手部模態(tài)圖像的同步采集。圖像數(shù)據(jù)采集時(shí)序如圖5所示，所采集手部圖像如圖6所示。

    圖5中，Tclk是像素時(shí)鐘，一般在74 ns左右；Tsu是HREF建立時(shí)間，最大為15 ns；Thd是HREF保持時(shí)間，最大為15 ns。
    圖像采集模塊實(shí)體如下：
    ENTITY Image_get IS
    PORT(
        VS   : IN BIT;
        HREF : IN BIT;
        PCLK : IN BIT;
        Y_data: IN BIT_VECTOR(7 DOWNTO 0)
    );
    END Image_get;
    圖像采集時(shí)序如圖7所示。

4 圖像處理模塊
    圖像處理模塊以DSP為核心，輔以復(fù)位、晶振、外部存儲(chǔ)器等輔助電路，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)通過(guò)FPGA采集的三種手部模態(tài)圖像的分析和處理。該模塊的核心在于對(duì)手部三種模態(tài)圖像處理算法、融合算法以及處理過(guò)程中的空間的分配等問(wèn)題，本文重點(diǎn)介紹硬件方面的空間分配問(wèn)題。系統(tǒng)所采用的DSP為TMS320C6416芯片，其主頻為600 MHz，內(nèi)部RAM為1 MB[6]。由于針對(duì)三種手部模態(tài)進(jìn)行處理，程序空間和數(shù)據(jù)空間需求都比較大，單純依靠DSP自帶的內(nèi)部存儲(chǔ)器無(wú)法滿足系統(tǒng)需要，因此，DSP的外部存儲(chǔ)器A端口外擴(kuò)了一片4 MB(4×1 MB)×32 bit的SDRAM。系統(tǒng)所采集的三種手部模態(tài)圖像大小都為640×480×8 bit，故同步采集三種模態(tài)圖像同時(shí)需要902 KB的存儲(chǔ)空間。系統(tǒng)將三種圖像分段存儲(chǔ)到SDRAM中，存儲(chǔ)地位范圍分別為0x80000000~0x8004B000、0x8004B000~0x80096000、0x80096000~0x800E1000。根據(jù)系統(tǒng)程序的具體情況，系統(tǒng)為程序分配0x30000×8 bit的空間。堆棧分配在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，容量為0x30000×8 bit，地址起始由系統(tǒng)自動(dòng)指定。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間比較充足，且要保證系統(tǒng)允許的穩(wěn)定，因此在圖像數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，不使用動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器分配方式，而是采用所有所需的中間存儲(chǔ)空間均明確固定指定存儲(chǔ)位置的方式，以避免出現(xiàn)空間多次分配、釋放后出現(xiàn)空間分配失敗或疊加等可能出現(xiàn)的問(wèn)題。由于訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器相對(duì)于外部存儲(chǔ)器無(wú)論在速度還是可靠性上都具有很大優(yōu)勢(shì)，為了提高系統(tǒng)允許效率，將部分使用頻率較高的中間數(shù)據(jù)分配在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，而將使用頻率較低的數(shù)據(jù)分配到外部的SDRAM中。
5 其他輔助模塊
5.1 語(yǔ)音提示模塊
    語(yǔ)音模塊主要在系統(tǒng)使用過(guò)程中，針對(duì)用戶手所放置的位置等現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)用戶給出相應(yīng)的語(yǔ)音提示信息。如手放置位置距離攝像頭過(guò)近，無(wú)法拍攝到完整的手部圖像時(shí)給出“請(qǐng)將手稍微遠(yuǎn)離攝像頭”等的提示。語(yǔ)音模塊采用WT588D-U芯片，利用電腦通過(guò)USB接口將實(shí)現(xiàn)編輯好的語(yǔ)音片斷下載到語(yǔ)音模塊中。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，F(xiàn)PGA根據(jù)DSP對(duì)圖像的初步處理結(jié)果，利用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)的語(yǔ)音模塊放音驅(qū)動(dòng)控制語(yǔ)音模塊進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音提示。FPGA中語(yǔ)音模塊放音驅(qū)動(dòng)采用一線模式，其時(shí)序如圖8所示。

5.2 液晶顯示模塊

    液晶顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示裝置拍攝到的用戶手部圖像，便于用戶直觀地感知手部放置的狀態(tài)和位置，以及手部圖像拍攝情況等，同時(shí)還通過(guò)顯示屏給出一些相關(guān)信息。液晶屏控制時(shí)序同樣在FPGA中通過(guò)硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。
    本文所介紹的手部三模態(tài)身份識(shí)別裝置，可以一次獲取手部的手形、掌紋和手掌靜脈三種模態(tài)的生物特征圖像。獲取時(shí)間不超過(guò)40 ms，系統(tǒng)采用主頻為600 MHz的多媒體處理器DM642作為專用的圖像處理模塊，保證了圖像處理的實(shí)時(shí)性。通過(guò)嵌入相應(yīng)的生物特征處理識(shí)別算法和融合算法，可以實(shí)現(xiàn)高接收性能、高可靠性、高實(shí)時(shí)性的身份識(shí)別功能。
參考文獻(xiàn)
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[2] 苑瑋琦，萬(wàn)文博.掌脈圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36(3)：24-30.
[3] 左鐵東.手掌靜脈識(shí)別系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（11）：2243-2248.
[4] 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.I2C總線規(guī)范[EB/OL].[2003-05-02].http：//www.zlgmcu.com/philips/iic/xuanxing/I2Cgiufan.pdf.
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[6] Texas Instruments Incorporated.TMS320C6416 fixed-point digital signal processors[EB/OL].[2005-05-01].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320c6416.pdf.