赵嘉懿 公瑾 马思腾
（西安电子科技大学电子工程学院 陕西 西安 710126）
摘要：传统的手指静脉图像采集系统存在光照强度不够、无法完全覆盖手指的原因，导致了图像光照分布均匀性较差，影响到采集的图像质量。由此，本文设计了一种新型手指静脉图像采集硬件系统，该系统硬件主要由发光单元、手指固定器、CMOS摄像头、存储单元、通讯单元和DSP控制器组成。将手指放置在手指固定器中，防止手指静脉纹络采集过程中发生抖动；采用LED光源阵列和导光片，增加光照强度，消除手指阴影，使其趋于近红外照度，光照完全覆盖手指，增强图像均匀性，从而获得更清晰的静脉纹络图像信息，提高了图像的采集质量。
关键词：手指静脉 CMOS DSP LED光源阵列
1.前言
随着社会的发展与进步，信息技术已经逐渐融入了人们的工作和生活，在给人类社会带来便利的同时，对信息的安全和保密也提出了更高、更新的要求[1]。然而，目前普遍使用的身份鉴别方法，如口令、密码、钥匙、ID卡等，存在容易损毁、遗忘、被盗用、被破译等问题，给人们的日常生活带来诸多麻烦，甚至造成重大的财产和人生安全隐患[2-3]。
现有的生物识别技术主要有语音认证、指纹识别、虹膜扫描、人脸识别等，其中指纹识别是生物特征识别技术中比较成熟且较为方便的一种身份确认技术。但由于指纹存在于皮肤表面，导致其有一些不可避免的缺点，如手指过湿、过干或出现手指表皮受损、手指表面存在污物等都会影响识别效果，而静脉识别技术能克服上述缺点，使身份认证更加便捷。
静脉识别技术是根据人类静脉中的血红蛋白可以吸收一定波长的光线原理，在使用该波长范围内的光线照射静脉时，获得静脉图像，然后把获得的图像进行分析处理，最后将得到的静脉特征值在数据库中进行匹配，实现对个体的身份鉴别，静脉识别技术分为手掌静脉识别技术、手背静脉识别技术和手指静脉识别技术，由于手掌的血管比较细，同时脂肪比较厚，此外明显的掌纹信息也会影响掌静脉的图像采集，所以采集到的血管信息较少并且不稳定；手背静脉信息最为丰富，且皮肤比较薄，可以方便的进行图像采集，但是采集中必须握紧拳头才能获取静脉图像，进而使手背的固定成为问题，很容易出现采集位置的移动与偏转，影响识别率[4]；手指静脉信息比较丰富，手指位置好固定，采集装置小巧简便，皮肤脂肪较少，容易透射近红外光，可以很方便的采集到清晰稳定的静脉图像，因此，手指静脉图像的采集和识别是目前国内外生物识别技术研究热点。
传统的手指静脉图像采集系统存在光照强度不够、无法完全覆盖手指的原因，导致了图像光照分布均匀性较差，影响到采集的图像质量[5]。因此本文设计了一套智能指静脉识别系统，可以进行单机识别，也可与计算机或其它控制系统互联，如：门禁、考务系统等，具有更高的保密性、安全性，在防盗、考勤、安全、考务等方面具有重要的应用价值和重要的意义。
硬件设计
2. 硬件组成如下图图1所示。硬件电路主要包括发光单元、手指固定器、CMOS摄像头、存储单元、通讯单元和DSP控制器组成。DSP控制器通过控制光源电路，进而控制发光单元发光；然后通过DSP控制器，控制CMOS光学控制电路实现对手指的拍照，DSP将CMOS光学摄像头传回的信息进行处理识别，与数据库中的手指静脉数据进行比较确定身份信息。系统还可以实现对数据的保存与传输。
图像采集流程图如图2。实现流程为: 将手指放于手指放置槽中，由光源亮度控制电路调整光源的亮度，CMOS 摄像头进行图像采集，采集完成后指示灯由红灯变为绿灯。镜头采集到光学图像之后，将图像投射到CMOS 图像传感器上转化为电信号，然后经过A/D 转换将模拟信号转为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片中处理，最后通过USB 接口传输到上位机进行图像显示，最终将获取解析为手指静脉图像。
图1 手指静脉图像采集硬件系统结构图 图2 手指静脉图像采集流程图
DSP控制器
2.1 DSP芯片，又被称为数字信号处理器。设计采用TI公司的TMS320C5402作为控制器芯片。TMS320C5402的运行速度为40MIPS，指令周期为25ns。其被广泛应用于数字电路开发中，其成本低，开发周期短。故本文选其作为控制芯片。
2.2发光单元
发光单元主要有LED光源阵列和导光片组成，LED光源阵列和导光片的使用提高了光照强度。光照增强可以消除手指阴影，使光照更趋于近红外照度，光照完全覆盖手指，增强CMOS摄像头摄取图像的均匀性。
2.3CMOS摄像头
CMOS摄像头选用的是OV2710 CMOS Sensor。其照度可以达到0.05Lux，模块搭配1080P高清镜头配合使用。速度最高可以达到1920X1080@30fps，完全符合本系统的设计需要。
2.4存储单元
存储单元主要是将图像传感器采集的数据进行实时保存，为后面对数据的处理与显示做准备，并且将数据处理结果进行保存。数据存储单元采用的是低功耗的SRAM存储器。
2.5其他电路设计
其他电路主要有电源电路，其主要实现对硬件控制电路以及LED阵列和CMOS摄像头的供电。通讯单元主要实现本系统和PC机之间的通信，系统可以通过通信接口电路将所采集处理的数据传输给上位机。
3.软件设计
系统软件包括控制器控制逻辑程序，其主要实现对LED阵列和CMOS摄像头功能的控制。DSP数据处理程序，其主要是将CMOS采集到的指静脉信息，进行处理与识别。此外还包括控制器和上位机通信程序等。
4.结语
本系统实现了对手指静脉图像的采集，通过本系统可以准确的实现对手指静脉信息的识别。克服了目前市场上手指静脉采集系统光照强度不够、无法完全覆盖手指而导致图像光照分布均匀性较差的缺点。本系统具有成本低，精度高，具有广阔的应用市场。
参考文献：
[1]杨金锋,张海金.手指静脉图像感兴趣区域提取方法研究[J].山东大学学报(工学版),2012,42(03):6-12.
[2]杨颖,杨公平.手指静脉识别技术[J].计算机科学与探索,2014,6(04):343-354.
[3]谭营,王军.手指静脉身份识别技术最新进展[J].智能系统学报,2016,6(06):471-482.
[4]邱英,谭定忠,孙晖.手指静脉识别技术研究发展现状综述[J].实验技术与管理,2010,27(03):39-40.
[5]陆永刚,黄建元,丁海龙,赵新荣.智能型手指静脉图像采集与控制系统的研究[J].电子测量与仪器学报,2010,24(02):184-189.
项目基金：西安电子科技大学国家大学生创新创业训练计划项目
论文作者:赵嘉懿 公瑾,马思腾
论文发表刊物:《科技新时代》2019年2期
论文发表时间:2019/4/10
标签：静脉论文; 手指论文; 图像论文; 单元论文; 摄像头论文; 控制器论文; 技术论文; 《科技新时代》2019年2期论文;