Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　基于自动调光功能的手指静脉图像采集系统　管凤旭，王科俊　（哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）　

术　

摘要：＂－３固定光强的红外光透射厚度不相同的手指时，会在图像传感器上呈现质量不一的静脉　图像，产生曝光过强或过暗的现象。为采集到质量一致的手指静脉图像，设计一种自动调光电路，可　根据红外透射光的强度自动调整红外发射光强，以保证红外透射光强度维持在一个相对稳定的范　围。同时设计了一种基于ＵＳＢ２．０和ＣＭＯＳ图像传感器的手指静脉采集系统。实验结果表明，该系统采　集的手指静脉纹路图像清晰、质量稳定。　关键词：手指静脉图像；自动调光；ＣＭＯＳ图像传感器；ＵＳＢ２．０；插值算法　中图分类号：ＴＰ３９１．４１　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５８—７９９８（２０１０）１０—０１２０－０４　

Ａ　ｆｉｎｇｅｒ　ｖｅｉｎ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｕｔｏ—ｄｉｍｍｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ＧＵＡＮ　Ｆｅｎｇ　Ｘｕ，ＷＡＮＧ　Ｋｅ　Ｊｕｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ　ｅａｃｈ　ｆｉｇｕｒｅ　ｈａｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｌｌ　ｇｅｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｆｉｎｇｅｒｓ　ｖｅｉｎ　ｉｍａｇｅｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｆｉｘｅｄ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｌｉｇｈｔ．Ｔｈａｔ　ｍｅａｎｓ　ｔｈｅ　ｅｘｐｏｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅｓｅ　ｉｍａｇｅｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｔｏｏ　ｓｔｒｏｎｇ　ｏｒ　ｔｏｏ　ｄａｒｋ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｆｉｎｇｅｒ　ｖｅｉｎ　ｉｍａｇｅｓ，ａｕｔｏ—ｄｉｍｍｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ａｄｊｕｓｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｌｉｇｈｔ　ａｎｄ　ｋｅｅｐ　ｉｔ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｓｔａｂｌｅ．Ａｔ’ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ａ　ｆｉｎｇｅｒ　ｖｅｉｎ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＵＳＢ２．０　ａｎｄ　ＣＭＯＳ．　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒ　ｖｅｉｎ　ｉｍａｇｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｌｅａｒ　ａｎｄ　ｓｔａｂｌｅ　ｑｕａｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｇｅｒ　ｖｅｉｎ　ｉｍａｇｅ：ａｕｔｏ－ｄｉｍｍｉｎｇ；ＣＭＯＳ　ｉｍａｇｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ＵＳＢ２．０：ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　

作为第二代生物认证技术，手指静脉识别技术是通　过人体手指中静脉特征对人体身份进行鉴别的技术，具　有很高的防伪性…。手指静脉识别的原理是：当近红外　光线透过人体组织时，静脉血管中的血红蛋白对近红外　光线有非常明显的吸收效果，从而使静脉血管以不同的　灰度值表征在图像中。由于静脉血管分布的随机性，即　使是双胞胎的手指静脉分布特征也不相同，因此可以将　手指静脉识别技术作为身份认证技术。与指纹识别技术　相比，手指静脉识别技术具有不受手指外界环境影响和　安全性更高的优点。　日立公司已率先研制出用于身份验证的手指静脉　识别系列产品。国内一些科研团队也已经先后设计出手　指静脉采集的实验装置［２　３１。然而从这些文献中发现了　一些不足：（１）成像设备直接采用成品的网路摄像头或　高清ＣＣＤ摄像机，不能由上位机采集软件直接且有效　地控制成像效果和下位机硬件电路工作状态。ｆ２）由于　基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目ｆ２００８ＡＡＯ１ｚ１４８）；国家自然科学　基金（６０９７５０２２）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（ＨＥＵＣＦ１００４２５）　１２０　欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｍ　不同手指厚度不一致，当红外光以固定光强照射手指　时，会形成一组亮度不均衡、甚至丢失静脉纹路的图像，　为身份识别造成不必要的麻烦。为此，本文设计了一种　成本较低、带有自动调光模块、基于ＵＳＢ２．０芯片与　ＣＭＯＳ图像传感器的手指静脉图像采集系统。　１采集系统硬件设计　为降低成本，没有采用ＦＰＧＡ或ＣＰＬＤ等可编程器　件，但设计出结构更加简洁的图像采集硬件电路，主要　部分由ＣＭＯＳ图像传感器模块、ＵＳＢ２．０控制器模块、自　动调光模块、Ｅ２ＰＲＯＭ和电源模块组成，如图１所示。　ＣＭＯＳ图像传感器与ＣＣＤ图像传感器相比，具有成　本低、功耗低、集成度高等优点。本设计选用拥有１３０　万像素的图像传感芯片０Ｖ９６２０。０Ｖ９６２０能自动提供帧　同步信号ＶＳＹＮＣ、行同步信号ＨＲＥＦ和像素时钟ＰＣＬＫ￣。　为保证图像采集与上位机图像处理的实时性，设计中采　用ＶＧＡ　６４０ｘ４８０模式，可以保证每秒３０帧的动态图　像。实际设计电路如图２所示。　ＥＺ—ＵＳＢ　ＦＸ２芯片ＣＹ７Ｃ６８０１３是ＵＳＢ２．０控制器，拥　

《电子技术应用》２０１０年第３６卷第１Ｏ期　红　外　接　收　管　

ｌ—　ｌ　调光模块　

口　ｏＶ　９６２０　…　

ＤＶＤＬ）　ＡＶｍ　ＤｏＶＩｍ　

ＳＣＬ　２４ＬＣ６５　ＳＤＡ　

２．５Ｖ　３．３Ｖ　５Ｖ　３．３ｖ电源　

ＩＮＴ１　ＣＬＫ０ＵＴ　ＳＬＷＲ　ＩＦＣＬＫ　ＩＮＴ０　Ｄ２～Ｄ９　

图１采集系统硬件组成　ＸＣＬＫ　Ｉ　Ｉ　Ｉ。　Ｃ３５　＿１卜－ＡＧＮＤ　

０　１　ＬＬＦ　ＵＳ　０Ｖ９６２０　呈雪吝冒全：　昌要　罢　曼吴　堇　

三Ｉ：－吾星目彗巴　弓ｌ　蓦星。　｜ｌ　§　臣　

ＵＳＢ　计　算　机　

ＶＧＡ　０　１　Ｆ　ＤＧＮＤ　

ｌ　ｌＯＧｇｅＤ　上ｃ　ｃ３２　…　ＧＡ　０．１ｔｚＦ　Ｄｏ。ｖ　

图２图像传感器电路图　有增强型８０５１内核，集成了智能串行接口引擎（ＳＩＥ）、片　上ＲＡＭ、４　ＫＢ　ＦＩＦＯ存储器，可独立于ＭＣＵ，由硬件自动　完成４８０Ｍｂ／ｓ高速数据传输功能１５１。既可以采用Ｉ２Ｃ总　线把固件程序从Ｅ２ＰＲＯＭ中下载到自身的ＲＡＭ中执　行，又可以读写ＯＶ９６２０寄存器，实现摄像头的自动曝　光、增益控制及白平衡控制等功能。　设计中，采用波长为８５０ｎｍ的近红外光源从手背一　侧照射手指，静脉血液中的血红蛋白因吸收红外线而导　致静脉部分的红外光透射较少，最终在手指另一侧的　ＣＭＯＳ图像传感器上产生手指静脉纹路图案。当红外阵　列光源的发光强度一定时，由于不同人、甚至每个人的　不同手指的粗细都不一致，会导致透射红外光的强弱不　同。例如，针对较粗手指形成较好的静脉图像（如图３（ａ））　《电子技术应用》２０１０年第３６卷第１０期　

（ａ）粗手指　（ｂ）细手指　图３固定光强条件下手指图像　

的光源，对较细手指却产生透射光过强的成像效果ｆ如　图３（ｂ））。　针对这种情况，设计出如图４所示的红外发射光强　自动调节电路模块，这是负反馈闭环控制系统。其实现　过程为：先通过观察上位机图像处理软件实时接收到　的图像，调节用于初始化设定的电位器旋钮，直到确认　手指静脉图像达到最好效果时停止，系统将该电位器　输出电压值作为标准值（　）。当不同的手指进行采集　时，红外光接收电路将采集到的电流转换为电压值作　为反馈值（　），将反馈值与标准值比较，得到偏差电压　值（　），通过积分调节器输出电压（％）控制红外光源，　若偏差值小于０（反馈值大于标准值），则自动调高输出　电压　直至透射光强达到稳态；若偏差值大于０，则　自动调低输出电压　直至透射光强达到稳态。使红外　

Ｕ　Ｉ　ＤＧＮＤ　

ＤＧＮＤ　

发射光强随手指的厚度动态变化，让透射光始终　保持在一个相对稳定的光强值，以保证成像效果　均衡。　红外光强自动调节电路工作原理：红外接　收传感器ＱＯ的电流随接收的透射光强变化而　变化，并作为三极管Ｑｌ基极电流，进而引起流　经电阻Ｒ１３的电流变化，因此　。　电压随接收光　强电流变化而变化。　－，＝（＋　Ｖ）一　（１）　

５Ｖ　

图４红外光强自动调节电路图　ｌ２１　

３　ｌ　Ｏ　８　６　Ｃ　７　Ｙ　Ｃ　Ｌ　Ａ　Ｃ　Ｄ　Ｓ　Ｓ　Ｋ　Ｃ　７　Ｌ　Ａ　Ｐ　Ｂ　Ｄ∞Ｇ　Ｎ　Ａ　Ｂ　Ｅ　Ｔ　Ｔ一　一３　２　膪∞一。　

呲　町腿呻∞吣　ｒ∽№　一　∞寸　ｌＩ　一Ⅳ　上卫　●　

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　

通过运放构成的减法器，可求得Ｕ　：　（１＋　）　×（＋５　ｖ）一　（２）　

当Ｒ９＝Ｒ１０、Ｒｌｌ：Ｒ１２时，Ｕｌ＝　（（＋５　Ｖ）一　）；当　ＲＩＯ：　１２时，ＵＩ＝（＋５　Ｖ）一Ｕｏ，这时ＵＪ＝　Ｊ］，即　随接收　光强电流而变化，因此，　可以近似为接收光强的反馈　电压。　同理，当Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４时，通过运放构成的减法　器，可求偏差电压：　＝Ｕｌ—　（３）　当Ｒ５＝Ｒ６时，通过运放构成的积分电路，可求输出　电压　：　１　ｆ　１　ｆ　一　Ｊ　Ｕ．ｄ　一　Ｊ（５Ｖ—Ｕｏ一　ｎ）ｄ￡（４）　

积分电路主要起调节作用，使系统消除稳态误差，　提高无差度。即当存在偏差时，积分调节功能启动，直至　无偏差时，积分调节功能停止，积分电路输出一常值。积　分作用的强弱取决于积分时问常数Ｔ，Ｔ＝Ｒ５ＸＣ１，Ｔ越小，　积分作用越强；反之，　越大，则积分作用越弱。三极管Ｑ２　

基极电流为，　：（％一　）／Ｒ７，红外发光二极管Ｄ１的电　流，　。：　，随三极管Ｑ２基极电流变化而变化。　这样红外发射光强的电流就会随着接收光强而变　化。通过多次实验，此光强自动调节电路能很好地对透　过手指的红外光强度进行调节，并可获得清晰、质量稳　定的手指静脉纹路图像（如图８所示）。　２采集系统软件设计　采集系统的软件设计主要分为ＵＳＢ固件程序、ＵＳＢ　驱动程序和上位机图像处理软件。　（１）固件程序采用标准的ＥＺ—ＵＳＢ程序框架。根据需　求，本系统固件的基本功能如下：　①通过ＩＦＣ０ＮＦＩＧ＝０）（４３设置Ｓｌａｖｅ　ＦＩＦＯ模式，同步　方式下ＳＬＷＲ作为ＩＦＣＬＫ时钟引脚的使能信号，以保证　行同步信号ＨＲＥＦ有效时，才能接收图像的像素数据。　②配合硬件电路，通过设置ＥＰ２ＣＦＧ＝０ｘＥＯ设置ＥＰ２　端口为ＢＵＬＫ传输模式的ＩＮ端点，四重缓冲，每包字节　数为１　０２４。并通过ＥＰ２ＦＩＦＯＣＦＧ＝Ｏｘ０８设置端口２为８　位数据总线模式。　⑧在图像帧接收中断ＩＮＴＯ处理函数中，为每一帧图　像前加上特定的帧头Ｉ４１，以便上位机应用程序可以准确　和完整地分离出每一帧图像数据。在手指触发按键中断　ＩＮＴ１处理函数中，设定手指触发的标识位，以便上位机　程序在发送Ｖｅｎｄｏｒ指令时，通过读取该标识位来决定是　否自动保存采集的手指静脉图片。　（２）ＵＳＢ驱动程序直接利用ＥＺ—ＵＳＢ开发包自带的　驱动程序ｅｚｕｓｂｓｙｓ．Ｃ。为满足图像数据的实时接收需求，　减少在应用程序中重复调用数据读取函数的时间开销，