基于Debian系统的指静脉图像采集系统

周卫斌，胡阳阳，夏雅楠，赵子龙，吴嘉奕，李建良

(1. 天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222；2. 天津科技大学机械工程学院，天津 300222)

目前市场上大部分指静脉识别设备都是在芯片上运行的裸板程序，优点是启动速度快，但是开发难度较大、交互性差[1]．相比裸板开发，系统级开发则无需考虑底层硬件驱动[2]．杨金锋等[3]利用嵌入式设备进行指静脉图像的采集；余成波等[4]以FPGA为主控芯片实现指静脉图像的采集；杨数强等[5]采用基于模糊控制和多传感器融合的参数调节算法解决指静脉采集中个体差异的问题．但是，上述研究均没有涉及指静脉图像采集核心部件(光源、滤光片、摄像头)之间的精确定位，以及指静脉图像的远距离无线传输.

本文着眼于解决指静脉图像采集装置核心部件精确定位、图像远距离无线传输问题，设计了一套基于Debian系统的指静脉图像采集系统．

1 系统概述

指静脉图像采集系统采用 Debian系统开发，其基于 Linux内核，具有丰富的开源资源，并集成了Opencv(3.0版本)库函数，极大便利了图像的提取、保存和后期识别算法的实现[6]．指静脉图像采集系统主要由硬件平台、嵌入式操作系统和应用软件构成，其架构如图1所示．

当通过采集装置内的触摸开关启动系统后，指静脉采集装置在图像采集软件的控制下开始采集指静脉图像，图像经 USB接口传输到嵌入式开发平台，再经无线网络传输到上位机．

图1 指静脉图像采集系统架构Fig. 1 Architecture of finger vein image acquisition system

2 硬件设计

图像采集装置由光源、触摸开关、滤光片、CMOS成像模块、壳体构成．整个装置为垂直结构，当触摸开关感应到手指放入时打开光源，光源同时发出红外光和可见光．红外光透射过手指，并经滤光片过滤掉可见光，在 CMOS成像模块中形成指静脉图像．指静脉图像采集装置原理如图2所示．

图2 指静脉图像采集装置原理图Fig. 2 Schema of the finger vein image acquisition device

2.1 光源

光源是指静脉成像装置的中重要组成部分，光照强度、光源的波长和照射角度对指静脉图像的采集都有较大的影响[7]．根据文献[8]，当波长大于 880,nm时，水分和脂肪对光的吸收能力增强，影响成像的效果，所以选择波长为850,nm的近红外LED灯作为主要光源．由于红外光是肉眼无法观察到的，所以使用1个绿色可见光 LED灯作为辅助光源，指示其工作状态，以方便系统的调试和故障的排查．

经实验确定系统光源采用 3个近红外LED灯；同时，为获取较好的成像质量，避免光源过于集中造成指静脉局部信息的丢失，设计了一个遮光罩用于分散光．

2.2 滤光片

为消除可见光的影响，指静脉图像采集装置中使用滤光片消除可见光对成像产生的噪声．IR780滤光片对800,nm以上的红外光有90%,的透光率，大部分可见光(400～680,nm)不会通过．经实验证明，选择此滤光片可采集到高质量的指静脉图像．

2.3 CMOS成像模块

目前，图像传感器主要有CCD和CMOS两种，由于制作工艺不同，两者在灵敏度、功耗方面有较大的差异[9]．从成本和反应速度方面考虑，CMOS传感器的性能优于CCD，所以选择了CMOS传感器．

CMOS成像模块主要是由 OV9712图像传感器和光学镜头构成．图像传感器的有效像素为 100万，同时支持 YUV和 RGB格式的输出．镜头的焦距为2.5,mm，视角为 130°，最大畸变小于 10%,，光圈为F2.5．模块内集成了用于图像处理的DSP芯片，极大提高了图像的采集速率．

2.4 触摸开关

采用 TTP223触摸开关作为指静脉采集系统的开关．当检测到手指放入时，I/O接口的电平发生变化(默认高电平有效)，用此电平信号作为整个指静脉采集系统的开关信号．

TTP223是基于 arduino的电容式触摸开关，通过更改模块上触点的连接方式，可以切换不同的工作模式．具体有点动高电平输出、自锁高电平输出、点动低电平输出和自锁低电平输出．

2.5 核心部件的定位

根据图 2可知，光源、滤光片、CMOS成像模块是垂直放置的，确定其相互间的距离是系统的关键．

指静脉认证、识别的准确率和精度是由指静脉原始图像的清晰度决定的．如果手指位置偏移量过大会导致局部静脉信息丢失；当近红外光源的照射强度较低时，采集的指静脉图像会有一定的噪声，不利于后期的图像处理[10]；当近红外光源照射强度过高时，采集的指静脉图像会出现细小静脉丢失的现象．所以指静脉原始图像的质量主要取决于手指及核心部件的精确定位．

为实现精确定位，设计了用于调节光源、滤光片、摄像头之间相对距离的定位装置，见图 3．定位装置的立柱上设有凹槽，以保证3个悬臂在同一个平面内，3个悬臂上设有刻度．首先分别调节 3个悬臂上的滑块，使光源、滤光片、摄像头的中心在一条直线上，然后通过滑动悬臂1和悬臂2来调节三者之间的相对位置，实时观察计算机屏幕上显示的指静脉图像，直至获取清晰、稳定的指静脉图像，此时固定悬臂 1和悬臂 2．经多次试验，确定光源与滤光片间的距离 d1＝(27±3)mm，滤光片与摄像头底部的距离d2＝(35±3)mm．

图3 定位装置Fig. 3 Positioning device

2.6 壳体

指静脉图像采集需要一个相对密闭的环境．参考定位装置的测量结果，考虑小型化、便携化实际应用背景，利用 Rhino3D NURBS进行壳体的设计．壳体结构如图4所示．

图4 壳体结构图Fig. 4 Structure diagram of the shell

2.7 嵌入式开发平台

主控芯片采用基于 Cortex-A9架构的四核处理器S5P4418(主频1.4,GHz)，内存为1,G DDR3，再加上其丰富的外设资源，构成了一套小型化、便于携带的嵌入式开发平台，见图5．

图5 嵌入式开发平台硬件资源Fig. 5 Hardware resources of embedded development platform

装置的硬件资源主要包括：

(1)SD卡，用于存放Debian系统；

(2)LCD显示屏，用于显示采集到的指静脉图像和软件的调试；

(3)USB接口，用于传输采集到的指静脉图像；

(4)WiFi模块，用于嵌入式平台与上位机的通信以及指静脉图像的传输和远程监测；

(5)串口，用于软件的调试；

(6)GPIO接口，用于连接触摸开关和光源．

3 软件设计

指静脉图像采集软件的开发环境是 Linux+Windows，首先在 Linux系统下实现软件的编译和链接，然后再结合 Windows系统中的串口终端进行软件的调试和完善．软件功能主要包括指静脉图像的采集、存储和无线传输．

3.1 开发环境

进行指静脉采集软件开发多采用在 Windows下安装带有Linux系统的虚拟机方式．此方法虽然节约硬件资源，但是由于计算机配置的限制，编译、调试软件会耗费大量时间．为了缩短开发周期，利用一台计算机安装 Windows系统，另一台计算机安装Ubuntu14.04系统，并在两台计算机之间搭建 Samba服务器，便于文件的共享．嵌入式开发平台和上位机间搭建Samba和NFS服务器．Samba服务器用于嵌入式开发平台与 Windows系统之间共享文件．NFS服务器用于嵌入式开发平台与Ubuntu系统之间共享文件和软件的烧写．软件开发架构如图6所示．

图6 软件开发架构Fig. 6 Architecture for software development

上位机 1安装 Windows系统，用于辅助上位机2实现软件的调试和数据传输．通过观察软件运行时串口显示的信息，对指静脉图像采集软件进行调试和完善；通过远程桌面连接嵌入式开发平台在线调试软件；利用Samba服务器实现指静脉图像的存储．

上位机 2安装 Ubuntu系统．Ubuntu系统和Debian系统都是基于Linux的操作系统，其开源资源比较丰富，所以，本系统也采用 Ubuntu来搭建上位机开发环境．并在系统中安装版本为 arm-Linux-gcc-4.9.3的交叉编译器，用于软件的编译、链接和调试，再利用其对 Opencv源码(与 Debian系统集成的Opencv版本一致)进行交叉编译，生成适用于嵌入式平台的Opencv库．

3.2 程序模块

指静脉采集程序主要由触发函数、图像采集函数、图像传输函数组成．图像采集是通过 C++程序调用 Opencv库实现的．图像传输则是采用基于 UDP传输协议的Socket技术[11]．在TCP协议及ISO 7层协议的基础上，实现了一套基于 UDP的可靠图像传输协议，以确保大图像远距离传输的稳定性[12]．

3.2.1 图像的采集和保存

图像采集是利用 Debian系统集成的 Opencv库函数实现的．Opencv是一个跨平台的计算机视觉库，集成了多种图像处理算法，可以运行在多种操作系统上．其支持C和 C++编程语言，同时还支持 Python、Matlab等语言的接口[13]．因为Oepncv库对函数和接口有较好的封装，与直接在 Linux系统中利用 v4l2操作 USB接口的图像采集装置相比，利用 Opencv库函数更容易实现．图像采集流程见图7．

采集的指静脉图像是用于识别，图像质量及其稳定性很重要．识别算法的主要流程是：采集→比对→输出结果．比对就是用采集的指静脉图像同指静脉模板库中的图像作对比，当其相似度大于某一个阈值的时候，可以认为识别成功[14]．为了提高识别的准确率和精度，同一个手指将被采集 3次，作为指静脉模板．指静脉采集序列如图8所示．

图7 指静脉图像采集流程Fig. 7 Flow chart of finger vein image acquisition

图8 指静脉采集序列图Fig. 8 Sequence of finger vein acquisition

3.2.2 触发函数

触发函数的作用是作为整个系统的开关．当触摸开关感应到手指放入时，会引起触摸开关输出电平的变化，此电平被触发函数监测到，随后打开光源，然后再调用Opencv函数模块即可实现指静脉图像的采集和保存．触发函数的流程如图9所示．

图9 触发函数流程Fig. 9 Flow chart of trigger functio n

3.2.3 图像传输函数

采用 Socket技术传输采集到的指静脉图像[15]，在通信过程中，上位机作为服务器端，对通信端口进行监听，并准备接收数据．嵌入式开发板作为客户端，主动连接服务器，进行图像的传输．图像传输函数的流程如图10所示．

图10 图像传输函数流程Fig. 10 Flow chart of image transfer function

4 实 验

系统采集到的指静脉图像是24位深度的彩色图像，大小为 600像素×480像素，分辨率为 96,DPI，并以bmp格式保存，经识别算法测试，满足指静脉识别的要求．图 11为在嵌入式开发平台采集到的指静脉图像及传输到上位机后的图像．对比可知，传输过程中的图像质量是可以保证的．

图11 在开发平台上采集及传输到上位机的指静脉图像Fig. 11 Finger vein image sampled from the development platform and in host computer after transmission

5 结 语

本文设计了基于Debian系统的嵌入式指静脉图像采集系统及定位装置，准确地确定了指静脉成像装置中核心部件间的光学距离；通过嵌入式平台和上位机软件配合，实现了指静脉图像的采集和远距离传输．系统可采集到清晰可见的指静脉图像，基本实现指静脉采集装置的便携化和远程化，为后期的深入研究奠定了基础．

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