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重庆理工大学 硕士学位论文 基于omapl137嵌入式平台的手指静脉身份识别系统的研制 姓名：李彦林 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：余成波 2011-05-31 摘 要 i i 摘摘 要要 在信息安全系统中，身份认证是一个非常关键的环节，也是系统正常运行的前提 保障。人们希望找到一种更加方便、可靠的方法来进行身份认证，而生物特征识别技 术使得这种愿望成为可能。在诸多生物特征识别技术里，手指静脉身份认证具有巨大 的优势，手指静脉血管藏匿于身体内部，具有速度快、安全等级高、精度高、内部特 征、活体识别、非接触式等独特的优点。为此，国内外展开了广泛的研究，也形成了 许多手指静脉身份识别产品，而这些产品往往都是在 pc 上面完成识别过程的，pc 存 在体积大、价格高、功耗高、不便于携带等缺点。针对这些缺点，本文研制了一种基 于 omapl137 嵌入式平台的手指静脉身份识别系统，该系统具有体积小巧、方便携带、 功耗低、成本可控等优点。 本研究的主要工作集中在以下几个方面： 介绍了现阶段国内外手指静脉身份识别 产品的研发现状，分析了手指静脉身份识别产品的功能需求，在此基础上，提出了一 种基于 omapl137 双核处理器和 montavista-linux 操作系统的产品解决方案。 研制了 前端静脉图像采集装置， 对目前比较流行的静脉特征提取算法和识别算法做了综合的 分析和评价，提出了适合于嵌入式实现的特征提取算法和识别算法。最后利用 qt-embedded 开发工具，开发了一个具有图形化界面的嵌入式手指静脉身份识别系 统。测试表明，该系统具有识别率高、实时性高等优点，具有广泛的市场前景 关键词： 手指静脉；身份识别；omapl137；montavista-linux；嵌入式系统。 abstract ii abstract personal identification plays an important role in information security system, and it can guarantee the normal operation for this system. the biometric identification is an easy and reliable way to achieve personal identification. among the different biometrics patterns, the finger vein pattern has many advantages, such as high speed, high safety, high precision, alive identification and untouchable detection. recently many institutes and scholars put efforts on finger vein patterns study, and develop some application devices. but most of them are on the basis of pc machine and achieve the identification process, but with high cost, high power consumption and difficult to take. this paper propose a identification system for finger vein identification based on omapl 137 embedded system, which is a small and portable device, as well with low cost and low power consumption. in this paper main tasks are as below. firstly we introduce the current study situation of personal identification based on finger vein and figure out the functional requirement of this biometrics. secondly the identification system is put forward based on omapl 137 processor and montavista- linux operation system. the capturing system for finger vein is a study focus. thirdly a new algorithm of capturing and identification for finger vein pattern is proposed based on the synthesis analysis of common algorithm. finally a human-machine interface is developed by qt-embedded tool. the experimental result shows that the system has the advantage of high resolution, real time operation and so on. key words： finger vein; personal identification; omap 137; montavista-linux; embedded system 重庆理工大学重庆理工大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的 成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果、作品。对本文的研究做出重要贡献的集体和个人，均已在文中以明确方 式标明。 本人承担本声明的法律后果。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“” ） ： 1.保密，在 年解密后适用本授权书。 2.不保密。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 1. 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题的研究意义及选题依据 在信息安全系统中，身份认证是一个非常关键的环节，也是系统正常运行的前提 保障。随着银行和企业间的网络交易以及电子政务、政府oa、crm、erp等各种电 子商务系统的广泛普及，极大的提高了我们的工作效率，而与此同时，对信息系统的 安全也提出了更为严格的要求。 目前，身份识别认证的主要方法有两种： （1） 根据你所知道的信息来证明身份， 比如个人识别号码 （personal identification number）和密码等。 （2）根据你所拥有的物品来证明身份，如usb-key、身份证、工作证、动态密 码卡和智能卡等。 然而这些方法存在容易遗忘或丢失，防伪性能差，容易被破解、复制、偷盗，携 带不便等诸多缺点。这些缺点使得信息系统变得非常的不安全，据master card公司统 计，每年有4.5亿美元的信用卡诈骗案发生，由于pin被盗而造成的移动通话费用损失 高达10亿美元。 生物特征识别技术指的是利用人固有的生理或者行为特征来进行个人身份鉴别 认证的技术。其技术包括采用人体固有的生理特征（如指纹、人脸、静脉、虹膜、视 网膜）进行的身份认证技术或者是利用后天形成的行为特征（如签名、声音、笔迹、 步态）进行的身份认证技术。与传统的身份认证手段相比，基于生物特征的身份认证 技术具有如下优点： （1）不会丢失或遗忘； （2）防伪性能高，不易伪造或被盗； （3） “随身携带” ，随时随地都可以使用。正是由于生物特征身份识别技术具有上述优点， 该技术受到了各个国家越来越多的关注1。 1.1.1 手指静脉身份识别的背景及意义 用来进行识别身份的生物特征，应该具备以下特点： （1）普遍性：生物识别所依赖的人体特征，应该是与生俱来的，除非是因为残 疾或者天生缺陷等特殊情况而导致缺失。 （2）惟一性：对于不同的个体，同一种特征应该具有较大的差异。 （3）稳定性：在一定的时期内，个体的生物特征应该保持相对稳定。 （4）不可复制性：复制这些生物特征应该存在很大的困难。 （5）可采集性：选择的特征应该便于测量。 重庆理工大学硕士学位论文 2 目前，用于身份识别的生物统计特征主要有：声音、人脸、指纹、虹膜、笔迹、 步态、耳廓、dna、红外温光谱图、手形、视网膜、掌纹、体味、足迹等。表1.1列 出了当前比较流行的人体生物特征的参数比较，每个参数分高、中、低三个等级。其 中， “高”表示该参数特征性能最好， “中”表示一般， “低”表示差4。 表1.1 各种人体生物特征比较 从表中可以看出，步态、声音、签名在多个参数中存在严重缺陷；dna、虹膜、 视网膜在可采集性、 易接受性方面存在严重不足， 不适合用于大量人群和实时的应用； 指纹识别技术是当前最为方便、可靠、成熟的生物识别技术，但是,某些人或某些群 体的指纹特征很少，达不到建档要求，接触式的采集方式，也使得人们的使用意愿降 低；此外，指纹还存在着可复制性高，防伪程度低等缺陷 5-8。可见，这些生物特征 识别方法都存在不足，甚至一些比较成熟的识别技术存在缺陷。 手指静脉身份识别认证技术利用每个人的每根手指的静脉纹路都不相同， 来识别 人的身份。 与其它生物特征识别技术相比而言， 手指静脉认证技术具有以下主要优势： (1)手指静脉隐藏于身体内部，人类手指表面皮肤的条件也不会影响识别工作。 同时，这种内部特征使得它无法被复制，因此不存在被仿制或失窃的风险，提高了系 统的安全性。 (2)获取的静脉特征，是手指在活体的情况下才存在的特征，非活体的手指是得 不到静脉图像特征的，这一特点更进一步的提高了系统的防伪性。 (3)在采集手指静脉图像的过程中，使用了红外成像技术，其采集过程是非侵入 1. 绪 论 3 性和非接触性的，在确保使用的便捷性和清洁性的同时，也提高了人们的使用意愿。 (4)手指静脉形状是相对稳定的，其纹路也比较明显，所以低分辨率相机拍摄到 的图像，即可以进行处理识别，因此降低了产品的成本。 (5)在识别过程中，只使用指头部位的静脉图像特征，而不是使用手部或者身体 其它部位较大范围的图像特征，因此识别的计算量小，速度快。 手指静脉检测不仅容易被大众所接受，而且操作方便、成本低廉。加上其采用活 体内部特征检测，防伪性远高于当前广泛使用的指纹、掌纹等技术。虽然在识别精度 上略差于虹膜、dna 等技术。但凭借识别速度快、成本低廉、可采集性高、便于民用 化、可大规模推广等方面的优势，使得其作为具有高防伪性的第二代生物认证技术备 而备受瞩目，正越来越受到人们的重视，开始进入我们社会生活的各个领域。 1.1.2 嵌入式手指静脉识别系统的背景及意义 经过多年来的研究，所在课题组在手指静脉识别领域取得了丰硕的研究成果，在 大量实验的基础上，提出了一套成熟的从图像采集、增强、分割到模式识别的算法， 形成了一套系统、完整的静脉身份识别理论。研制了智能化的前端手指静脉图像采集 装置，并成功的研制了基于pc机上的产品，经实际使用证明，识别效果良好。 但是由于pc机体积庞大，成本高、不便携带等缺点，必将影响产品的市场推广与 应用。 而嵌入式设备因其高效、高稳定性、低成本、低功耗、体积小、携带方便、可移 植性等一系列优点，当前已越来越成为民用系统和工业系统的主力军，特别是在信息 化产品中，越来越多地应用到嵌入式系统的概念。 更为重要的是，嵌入式系统无论是硬件还是软件上，都是可以裁减、可以自主配 置的系统。因此，针对不同的应用场合、不同的用户需要，就可以灵活的配置，构建 合适的系统。极大的拓宽了手指静脉识别技术的应用场合，使得该项技术更加具有市 场适应性。 因此，将该系统移植到嵌入式芯片上，开发出嵌入式的识别装置，具有重要的意 义与价值。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外静脉识别产品研究现状 在手指静脉身份识别产品开发方面，最为成功的是日本的日立公司（hitachi） 、 富士通（fujitsu）公司以及索尼公司（sony） 。这些公司近年来已经分别推出了多款 基于手指静脉和手掌静脉识别技术的产品，如：atm 系统和门禁系统。最近更是发布 重庆理工大学硕士学位论文 4 了面向普通个人用户的桌面 usb 产品和笔记本产品。他们均认为，新一代的静脉身份 识别技术将会取代传统的手部特征识别技术。 日立研究所与日立软件工程（software engineering）联合开发了可与个人电脑 连接使用的小型手指认证装置。如图 1.1 所示，该产品于 2006 年 10 月 12 日开始上 市， 主要应用于企业业务系统中的客户信息管理及登陆不同业务系统的信息管理等认 证用途，此次将与手指静脉认证装置一起，面向认证服务器推出手指静脉认证数据管 理系统10。价格方面，手指静脉认证装置为 29400 日元，认证管理系统平均每个客户 端 21000 日元，09 年进入中国市场，cny9000 元。 图 1.1 日立公司的小型手指认证装置 2008 年， 在东京汽车展上， 日立公司对外展示了一种具有“手指静脉认证设备” 的汽车锁。图 1.2 所示，安装在车把手后面的一个传感器利用近红外线采集一个人手 指上的静脉纹理图像并进行识别。 车把手的独特设计能够引导司机的手巧好进入他们 每次打开车门的位置，确保系统每次读取数据时手指静脉都处在同一位置。日立公司 宣称，即使偷车贼有汽车钥匙，也无法发动汽车16。 图 1.2 “手指静脉认证设备” 的汽车锁图 1. 绪 论 5 索尼日前发布了一款全球最小最轻的 usb 接口手指静脉识别装置 fva-u1，如图 1.3 所示，该产品于 2009 年 12 月中旬上市销售， fva-u1 搭载高亮度红外 led 光源， 搭配 1/10 英寸 cmos 图像传感器， 整机尺寸 705814.5mm， 重量仅 33g， usb 接口， 支持 windows xp/vista 32/64bit 操作系统，该机主要针对企业、医疗等高安全要求 机构，售价在 3 万日元左右12。 图 1.3 索尼公司开发的手指静脉识别装置 图 1.4 为富士通公司开发的手掌静脉识别装置 palmsecure，该产品使用近红外 线感应器取得手掌静脉分布图，进而通过计算机存储，建立个人的手掌静脉数据库。 它脱离了单纯依靠生命体表温度的感应进行判断的方式， 更高端的产品在先进的感应 技术帮助下，甚至可以对静脉的血液流速进行模糊判断，达到了“活体识别”的判断 标准。这较之指纹、眼纹(视网膜)等识别技术，该产品的本人拒绝率小于 0.01%，数 据扫描错误率则小于 0.00008%，先进性和安全性更高12。 图 1.4 富士通手掌静脉识别装置 palmsecure 1.2.1 国内研究现状 国内手指静脉识别技术研究起步较晚， 在中国民航大学的天津市智能信号与图像 处理重点实验室。 杨金锋博士获得国家一项自然科学基金资助，研究内容为:手指静 脉识别， 这也是国内目前手指静脉识别领域第一项获得国家自然科学基金资助的研究 项目。 由深圳大学信息工程学院研究的手背静脉身份识别系统将人体手背静脉生物信 重庆理工大学硕士学位论文 6 息作为特征对特定人进行识别，从而控制储物柜的开启，实现了浴场泳池等特殊场合 无须佩戴钥匙、安全方便的物品管理。产品如图 1.5 所示： 图 1.5 手背静脉身份识别系统 重庆理工大学远程测控研究所在余成波教授的带领下， 在手指静脉识别技术方面 也开展了大量的研究，取得了丰硕的研究成果，在大量的实验的基础上，提出了一套 从图像采集、增强、分割到模式识别的算法，形成了一套系统、完整的手指静脉身份 识别理论并出版专著，该专著也是国内第一部系统论述手指静脉识别技术的著作。研 制了智能化的前端手指静脉图像采集装置，并成功的研制了基于 pc 机上的产品，如 图 1.6 所示，经过实际使用证明，该产品识别效果良好。 图 1.6 基于 pc 的手指静脉识别系统 综上国内外研究情况： （1）国外已有产品发布，但是成本高，价格昂贵，市场占有率低，无嵌入式产 1. 绪 论 7 品发布。 （2）国内研究起步晚，技术还不是非常成熟，市场推广程度不高，无嵌入式产 品发布 1.3 1.3 本课题研究的主要内容 课题的研究目标：研制具有一定市场前景的嵌入式手指静脉身份识别产品，并获 得完善、成熟的基于嵌入式的手指静脉身份识别算法。 课题选用 ti 公司生产的 omapl137 高性能双核控制器作为控制处理单元， 加载 montavista-linux 操作系统，并以此为核心，搭建嵌入式手指静脉身份识别系统。研 究的主要内容包括： （1）根据手指静脉识别产品的事务处理、计算需求，综合考虑成本、可扩展性、 开发难度等，选择合适的嵌入式处理器和操作系统来搭建系统。 （2）选择合适红外光源，根据红外光源和手指静脉的成像特点，确定适合的图 像传感器，搭建前端静脉图像采集装置。并针对 omapl137+montavista-linux 嵌入式 平台，完成该硬件模块驱动程序的移植，编写图像采集程序。测试表明，该图像采集 装置具有成像质量高、成本低、便于采购等优点。 （3）研究各种比较流行的静脉图像处理和识别算法，从算法效果、编程复杂度、 计算时间需求等角度出发， 分析各种算法的优劣， 针对嵌入式计算平台硬件资源较少、 运算速度较慢的特点，提出适合在嵌入式平台上运行的静脉图像处理和识别算法，并 且完成程序的编写和效果测试。 （4）在以上研究的基础上，作为总体测试，开发一个实际的手指静脉身份识别 系统。 1.4 1.4 本文结构 本文分 6 章展开论述: 第一章 绪论。 主要介绍手指静脉识别技术以及开发相应的嵌入式产品的意义和必要性， 介绍了 国内外相关产品的研究开发现状。 第二章 嵌入式技术概述及系统总体解决方案。 介绍嵌入式技术的特点以及当前比较流行的嵌入式系统和嵌入式处理器， 分析手 指静脉身份识别系统的事务处理需求、计算需求，在此分析基础上，提出了以 omapl137+montavista-linux 为核心的解决方案，并从硬件和软件两个角度阐述系统 的组成以及各个组成部分的实现方法。 重庆理工大学硕士学位论文 8 第三章 前端手指静脉图像采集装置的研制。 概括介绍手指静脉的成像原理、红外光源的选择、图像传感器的选择，详细的说 明前端采集装置的硬件设计结构及其驱动程序的移植方法，最后介绍该模块在 linux 环境下的图像采集应用程序的编写方法。 第四章 手指静脉图像处理与识别核心算法研究。 对比一些比较流行的静脉图像处理及特征提取方法 （如： 均值方法、 模板加权法、 inblack 法、免疫克隆法） ，分析各种算法的优劣，提出一种基于方向的改进型 inblack 法，并给出该方法在嵌入式平台上的处理结果。最后提出一种基于手指静脉结构的识 别方法，并在嵌入式实现。 第五章 手指静脉识别系统在 omapl137 嵌入式平台上的实现。 介绍一个用 qt 开发的，具有实际应用功能的嵌入式手指静脉身份识别系统。 第六章 总结与展望。 对全文工作进行总结，分析目前研究工作中需要进一步完善的地方，结合当前嵌 入式芯片发展的情况，指出今后工作的研究方向。 2. 嵌入式技术概述及系统总体解决方案 9 第二章第二章 嵌入式技术概述及系统总体解决方案嵌入式技术概述及系统总体解决方案 2.1 嵌入式技术概述 计算机技术已经开始进入后 pc 技术时代，嵌入式系统也将拥有巨大的市场。计 算机网络已经全面渗透到日常生活的各个角落。 各种各样的新型嵌入式设备在应用上 已经远远超过通用计算机， 任何一个普通人都可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技 术的电子产品，小到 mp3、pda、手机等微型数字化产品，大到网络家电，智能家 电、 车载电子设备。 而在工业和服务领域中， 使用嵌入式技术的数控机床、 智能工具、 工业机器人、服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式9。 嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，并且其软硬件是可裁剪的，具 有高度的针对性；对功能、可靠性、体积、成本、功耗有严格要求的专用计算机系统 17。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序等 四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或者管理等功能。 2.1.1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统与通用的操作系统相比较，其主要特点体现在： （1）小内核，稳定可靠。 （2）需要可装卸、可裁剪，以便能灵活针对各种不同的硬件平台。 （3）面向应用，强实时性，可用于各种设备控制当中。 目前比较流行的嵌入式操作系统大约有 40 种左右10，他们基本可以分成两类， 一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如 windriver 公司的 vxworks、isi 的 psos、qnx 系统软件公司的 qnx、ati 的 nucleus 等；另一类则是面向消费电子产品的非 实时操作系统，这类产品包括个人数字助理(pda)、移动电话、机顶盒、电子书、 webphone 等，系统有 microsoft 的 wince，3com 的 palm，以及 symbian 和 google 的 android 等。 （1）windows ce windows ce 与 windows 系列有较好的兼容性，无疑是 windows ce 推广的一大 优势。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系 统。但从技术角度上讲，windows ce 作为嵌入式操作系统有很多的缺点：没有开放 源代码， 使得应用开发人员很难实现产品的定制； 在效率、 功耗方面的表现并不出色， 而且和 windows 一样占用过多的系统内存；版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。 （2）vxworks 重庆理工大学硕士学位论文 10 vxworks 操作系统是美国 windriver 公司开发的一种嵌入式实时操作系统 （rtos） 。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌人式 实时操作系统领域占据了一席之地。但是其价格昂贵，其操作系统本身以及开发环境 都是专有的，价格一般都比较高，通常需花费 10 万元人民币以上才能建起一个开发 环境，对每一个应用还要另外收取版税。一般不通供源代码，只提供二进制代码。由 于它们是专用操作系统，需要专门的技术人员来进行开发和维护，因此软件的开发和 维护成本都非常高。支持的硬件数量有限。 （3）嵌入式 linux linux最大的特点是源代码公开且遵循gpl协议， 在近年来成为研究热点， 据idg 预测，嵌入式 linux 将占未来嵌入式操作系统份额的 50%。 由于其源代码公开， 人们可以任意修改， 以满足自己的应用， 并且查错也很容易。 遵从 gpl，无须为每例应用交纳许可证费，有大量的应用软件可用，其中大部分都 遵从 gpl，是开放源代码和免费的，可以稍加修改后应用于自己的系统。优秀的网 络功能，这在 internet 时代尤其重要。稳定这是 linux 本身具备的一个很大优点。 内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。linux 支持的硬件数量庞大，而 且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到， 为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来 很大方便。 2.1.2 嵌入式处理器 嵌入式处理器可以分为三类14：嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式 dsp(digital signal processor)。 嵌入式微控制器又被称为单片机，它将 cpu、存储器(少量的 ram、rom)和其 它接口 i/o 封装在一片集成电路里。常见的有 holtek mcu 系列、microchip mcu 系列及 8051 等，一般来说，这一类控制器的计算速度较低。 嵌入式微处理器是从通用计算机中的 cpu 演变而来的15。它的特征是具有 32 位以上的处理器，具有较高的性能。而 arm 微处理器则是其中的佼佼者，在 32 位 嵌入式 risc 领域内有着重要的影响。arm 继承了 risc 体系结构 cpu 的所有典型 特征，此外，arm 的体系结构还进行了更精细的设计，缩小了芯片体积的同时还保 证了低功耗、高性能的特点。 嵌入式 dsp 处理器是专门用于信号处理的处理器，是一种经过专门设计、具有 特殊结构的微处理器16。 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构， 具有专用的硬 件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的 dsp 指令，可以用来快速地实现各种数字 信号处理算法。在数字滤波、fft、图像处理分析、谱分析等各种领域，dsp 获得了 2. 嵌入式技术概述及系统总体解决方案 11 大规模的应用。 综上所述，arm 使用 risc 指令集，支持操作系统能力较强，其通用 i/o、标准 接口也比较多，适合用于控制、事务密集型的应用场合。而 dsp 数据处理能力较强， 数据处理的指令效率比较高，适合于数据处理、运算密集型的应用场合。 2.2 嵌入式手指静脉身份识别系统工作原理及功能需求分析 2.2.1 嵌入式手指静脉身份识别系统工作原理 嵌入式手指静脉身份识别系统的工作原理如图 2.1 所示：该系统主要由图像的采 集模块、图像处理与特征提取模块、特征存储模块以及识别决策模块组成。采集模块 主要完成手指静脉原始图像的采集和传输的任务。在图像处理与特征提取模块中，确 定有效的图像的区域，再进行图像的增强、缩放、特征提取。提取到的特征交给存储 模块或识别模块。存储模块负责特征数据或特征模版库的存储，识别的时候，将待识 别特征与模板库中存储的特征进行比较，根据设定的决策分类方法来给出识别结果。 图 2.1 手指静脉识别系统的工作原理 2.2.2 嵌入式手指静脉身份识别系统功能需求分析 嵌入式手指静脉身份识别系统应该具备以下功能特点： （1）嵌入式手指静脉身份识别系统应该具有较快的识别速度。 当前社会是一个快节奏的社会，如果识别的速度过于缓慢，无疑是不能接受的。 静脉身份识别系统中包含了大规模的复杂的图像处理以及匹配运算量。 而嵌入式处理 器的计算速度相比 pc 而言，是比较低的，且目前比较流行的控制器，都是基于事务 处理型的，并不适合用于大规模的计算场合。如何让嵌入式静脉身份识别系统具有较 快的识别速度，是在系统规划之初，就应该考虑的问题。 （2）嵌入式手指静脉身份识别系统应该具有友好的用户界面。 图像处理与特征提取模块 图像处理图像处理 图 像 预 处 理 图像滤波 图像分割 . 特征提取特征提取 静 脉 纹 路 膨胀 静 脉 纹 路 细化. 存储模块 匹配识别模块 手指静 脉特征 数据库 特征匹配 识别结果 图像采集模块 手指静脉 采集装置 手指静脉 采集装置 手指静脉 红外图像 手指静脉 红外图像 重庆理工大学硕士学位论文 12 用户界面(user interface)是指对软件的人机交互、操作逻辑、界面美观的整体设 计。好的 ui 设计不仅是让软件变得有个性有品味，还要让软件的操作变得舒适、简 单、自由、充分体现软件的定位和特点。如何获得一个友好的操作界面，也是本课题 的一个主要目标之一。 （3）系统的各个模块还应该具有良好的可移植性、兼容性、扩展性。 2.3 嵌入式手指静脉身份识别系统解决方案概述 针对上述系统功能需求分析， 课题选用 ti 公司生产的 omapl137 高性能双核处 理器作为控制处理单元，加载 montavista-linux 操作系统，并以此为核心，搭建嵌入 式手指静脉身份识别系统。 t i 公司的o m a p ( o p e n multimedia applications platform)平台是基于dsp的 开放式多媒体应用平台18。它采用双核结构，把高性能、低功耗的 dsp 核与控制性 能强的 arm 微处理器结合起来，具有集成度高、硬件可靠性和稳定性强、速度快、 数据处理能力强、功耗低、开放性好等优点。omap 平台透过先进的操作系统平台 不仅开放了 arm，而且开放了 dsp。通过 dsp/bios 桥，dsp 的资源就如同 arm 的外设一样通过操作系统的 a p i 被调用。 dsp/bios 桥在 o m a p 平台上实现了双 核的无缝连接。o m a p 平台支持 w i n c e 、e p o c 、n u c l e u s 、v x w o r k s 和 linux 等多种操作系统，提供了易于使用的开放式编程环境。 omap 平台采用双核技术使操作系统的效率和多媒体代码的执行更加优化。在 手指静脉身份识别系统设计过程中， 可以把系统的任务分成事务密集型和计算密集型 两个部分。如图 2.2 所示：实时性任务、大规模的图像信号处理运算由 dsp 完成，非 实时性任务和系统控制工作由 arm 完成。 从而使系统的功耗降至最低， 有效地解决 了性能与功耗的最佳组合问题。 图 2.2 omap 中的任务分配 事务处理事务处理 输入输出控制 运行操作系统 界面控制 omap 大规模运算大规模运算 静脉图象增强 静脉图象分割 模式匹配、识别 d s p a r m 2. 嵌入式技术概述及系统总体解决方案 13 2.3.1 omapl137 主控制器omapl137 主控制器 主控制器资源： 采用 omap-l137 低功耗应用处理器， 300m arm926ej 和 300m c674x 浮点 dsp，便于实现数据处理、工业控制和电机控制等场合18。开发平台采 用北京合众达公司的 seed-dec137 板，该平台具有丰富的资源： （1）外扩 sdram：两片 hy57v561620ftp-h，共 512mb 空间。 （2）外扩 nand flash：容量 512mb。 （3）2 路 uart 接口：接口标准分别为 rs232 和 rs485/rs232(跳线选择)。 （4） usb 接口： 2 个 usb 口。usb0 做 otg2.0 接口， usb1 做 host 接口。 （5）mmc/sd: 一个 mmc/sd 接口。 （6）网口：一个 10/100 mbps 网口。 （7）电机接口：3 组 ehrpwm。 （8）片外 rtc （9）ad: 8 组 16 位模数转换器，支持-5v+5v 输入。 （10）da: 4 路 12 位数模转换器，输出范围-10v+10v 或 0v+10v（跳线可 选） 。 （11）ext_bus:扩展总线包括数据总线，地址总线，控制信号，i2c0，spi1， mcasp1（收发各一路） ，接口电平兼容+3.3v+5v。 （12）lcd: 支持 tft565 模式 2.3.2 montavista linux 操作系统 montavista 专门提供实时嵌入式 linux 操作系统以及嵌入式开发工具，通常会将 它的 montavista linux（即原来的 hard har linux）与 vxworks 和 windows ce 相提 并论。不同的是 montavista linux 是基于 linux 内核开发的嵌入式操作系统。 montavista linux 不需要用户支付版税，而且 montavista linux 提供的开发工具和附 加应用包都是开放源码的；montavista linux 基于 linux 内核，而 linux 是从 unix 发 展而来，所以它很稳定；montavista linux 能支持广泛的 cpu 芯片系列，支持多种目 标板结构，同时提供强大的网络协议支持，拥有丰富的驱动程序和 api19。 本课题使用的montavista linux版本为linux-2.6.18_pro500， 其内核版本为2.6.18。 2.4 手指静脉身份识别系统组成 2.4.1 手指静脉身份识别系统组成 系统的硬件组成如图 2.3 所示： 重庆理工大学硕士学位论文 14 图 2.3 系统的硬件组成 主要分为三个部分： （1）前端图像采集模块：由一个 usb 摄像头、红外光源及控制电路组成，主要 负责采集手指静脉图像。通过 usb 端口，将图像传递给控制器。 （2）omapl137 核心处理模块：由 omapl137 核心板扩展而来，主要负责图 像处理、匹配计算、事务处理。 （3）输出模块：主要包括人机界面（触摸屏） ，以及其他输出接口。 2.4.1 手指静脉身份识别软件结构 根据 linux 操作系统的运行模式，整个体系分为四个部分，如图 2.4 所示： 图 2.4 系统的软件组成 （1）最底层为硬件层：包括以 omap-l137 为核心的最小系统，以及一些功能 模块，如存储器模块、lcd 显示模块、i/o 控制模块、图形采集模块等。 （2）硬件驱动层：设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，它为 应用程序屏蔽硬件的细节，本系统主要涉及到的驱动为视频采集设备驱动程序和 i/o 前端采集 装 置 omap-l137 usb 人机接口 （触摸屏） 输出接口 基于omap-l137 硬件平台 应用程序 montavista-linux 操作系统 硬件驱动程序 输出控制程序 人机接口程序 静脉图像采集程序 2. 嵌入式技术概述及系统总体解决方案 15 控制驱动程序。 （3）操作系统：操作系统提供了完善的任务管理机制，也是应用程序生存的环 境。本系统使用的操作系统为 montavista-linux，其内核版本为 2.6.18。由于开发板 自带了系统的移植包，操作系统的移植并非本文的主要工作，本文也未像其他文章那 样，大篇幅的介绍操作系统的移植过程。 （4）应用程序：利用 qt-embedded 开发工具，开发了一个具有图形化界面的嵌 入式手指静脉身份识别应用程序。 2.5 本章小结 本章首先介绍了嵌入式技术概况， 介绍了一些比较流行的嵌入式操作系统以及嵌 入式处理器，其中 arm 处理器适用于事务密集型的系统，而 dsp 则擅长于复杂的、 大规模的数据运算，适用于计算密集型的系统。本章还分析了嵌入式手指静脉身份识 别系统工作原理及功能需求分析，针对于系统的事务处理和大规模运算的需求，提出 了一种基于 omapl137 双核处理器和 montavista-linux 操作系统的产品解决方案， 并 从硬件、软件两个角度，阐述了系统的组成结构。 3. 前端手指静脉图像采集装置的研制 16 第三章第三章 前端手指静脉图像采集装置的研制前端手指静脉图像采集装置的研制 在手指静脉的生物特征识别系统中， 高质量的原始静脉图像是识别精度的重要保 障，图像采集模块在整个系统中起着至关重要的作用。如果采集到的图像质量很差， 则后面的图像处理算法是很难弥补的。为此，手指静脉识别系统的第一步就是设计前 端图像采集装置，以获取满足实验要求的图像。 3.1 手指静脉的成像原理 手指静脉成像的基本原理是使用近红外线照射手指，此时静脉红血球中的血红蛋 白会因照射会失脱氧份，而还原的血红蛋白对波长 760nm 附近的近红外线会有吸收 作用，从而导致静脉部分的透射较少，在影像上就会产生静脉暗影图案。因为人体手 指静脉比较靠近指腹表皮，当近红外线照射手指时，比较容易读取信息，且静脉图案 的样本数量较多，曲线和分叉也相当复杂，每个人的差别十分明显50。本文所采用的 红外光源透射及成像方案如图 3.1 所示： 图 3.1 手指静脉成像机理示意图 红外发光二极管发射峰值为 850nm 的近红外光从手指背部照射手指，利用滤光 片来滤除可见光从而减小外界光线的影响，相机在指腹一侧拍摄静脉纹路图像。 3.2 红外光源及其控制电路 3.2.1 红外发光管的选择 近红外光源的选择对静脉的成像效果致关重要。当入射光波长在 720nm1100nm 时， 能够较好地穿透骨骼和肌肉， 凸现出血管结构。 本系统采用红外发射二极管 （led） 作为红外光源。 重庆理工大学硕士学位论文 17 红外发光二极管由红外辐射效率高的材料制成 （常用砷化嫁 gaas） ， 光谱功率中 心波长 830950nm，半峰带宽约 40nm 左右，为窄带分布，为普通 ccd/cmos 黑白 摄像机可感受的范围44-45。红外发光二极管的最大辐射强度在光轴的正前方，并随着 辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值 50%的角度称为半强度辐射 角，不同工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。本文选用厦门华联电子有 限公司生产的 hir503xdx 系列的二极管作为光源46。该型号的峰值波长为 850nm， 其特性曲线如图 3.2 所示。 图 3.2 hir503xdx 二极管特性曲线 3.2.2 红外发光源强度控制电路 由于测试过程中有时候需要调节 led 光源的强度，也考虑到产品的可升级性， 所以增加了一个光源强度控制功能。控制电路如图 3.3 所示。 图 3.3 led 光源强度控制电路 控制电路采用 pwm 方式，对照射光源的强度进行控制。power 为系统供电电 3. 前端手指静脉图像采集装置的研制 18 源，在 pwm_ctrl 端口中输入占空比不同的 pwm 方波，即可以在 power_led 端得 到连续可变的光源供电电压，由此控制 led 的发光强度。 3.2.3 滤光片的选择 在进行静脉图像采集时，采集的图像容易受到外界环境可见光线的影响，造成成 像质量下降。因此，还需要增加滤光片来滤除可见光的干扰。滤光片能滤掉一定波长 范围内的光线的一种光学镜片。 按照工作的光谱波段不同， 滤光片可分为紫外滤光片、 可见滤光片、红外滤光片。本文选择的 led 光源峰值波长为 850nm，选择的滤光片 应该允许 800nm 以上的光线通过且使 800nm 以下的光截止。本文选用了江苏海安恒 星光学元件厂的型号为 hwb780 的红外滤光片48。其特性曲线如图 3.4 所示。 图 3.4 hwb 系列红外滤光片特性曲线 3.3 图像传感器的选择及图像采集程序的实现 图像传感器是手指静脉图像采集装置最关键的部分，他直接关系到获取图像的 质量，从而影响到整个系统的性能。也是本章主要的内容。 3.3.1 图像传感器的选择 根据嵌入式手指静脉识别系统的工作特点， 所选择的图像传感器应该具有以下特 点： （1）体积小、功耗低 嵌入式产品本身的体积较小、方便携带，并且嵌入式设备一般来说，其功耗也比 较低，所以，选择的图像传感器也必须具有体积小、功耗低的优点。 （2）近红外段成像 因为 led 红外入射光源的峰值波长为 850nm，选择的相机应该对该波段的光线 比较敏感，从而获得跟高质量的静脉图像。 （3）集成信号转换和图像压缩功能 重庆理工大学硕士学位论文 19 因为嵌入式设备本身的处理能力较弱，为了提高系统的识别速度，应该采用自带 信号转换和图像压缩功能的成像设备，以降低嵌入式处理器的处理压力。 通过大量的实验， 综合了比较了成像效果、 成本、 体积、 功耗等方面的考虑因素， 本课题最终选择一款重庆七彩虹公司销售的型号为 camg130 的摄像机来进行改装。 camg系列 usb2.0 高清摄像机由高速 usb2.0接口和大面阵cmos 图像传感器 组成的高分辨率数字摄像机。该系列产品有 130 万、300 万像素高分辨率彩色、黑白 图像传感器等多种型号产品。 在采集完美图像的同时， 提供丰富的实时图像接口控制， 可广泛的应用于计算机图像采集、人像及人体生物特征采集、模式识别、工业检测、 医学显微图像以及交通管理和机器视觉等领域20。 camg130 产品主要参数如下20： （1）高速 usb2.0 接口，可达 480mbs （2）130 万像素彩色 cmos 逐行扫描图像传感器 （3）支持静态的图像捕捉（jpg、bmp）与动态 avi 图像捕捉，mp4 （4）硬件及底层软件支持曝光时间、色差、亮度、对比度、饱和度等后期图像 增强功能 （5）图像色彩丰富、逼真，高档画质 （6）全面支持 direct、show、msn 等所有 windows 相关应用 （7）即插即用，无需外接电源 （8）支持标准 c 口镜头及各类定制镜头 （9）图像传感器：12“彩色 cmos 图像传感器 （10）灵敏度：1.8vlux-sec550nm （11）分辨率：12801024、640480，320x240 （12）传输速率：10fs12801024 （13）工作温度：0c50c 3.3.2 基于 linux 的图像采集方法概述 在 linux 中， 操作系统将所有外部设备看成是一类特殊文件， 称之为“设备文件”， 如果说系统调用是 linux 内核和应用程序之间的接口， 那么设备驱动程序则可以看成 是 linux 内核与外部设备之间的接口。 设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件在实现上 的细节，使得应用程序可以像操作普通文件一样来操作外部设备。linux 访问硬件设 备的方式如图 3.5 所示： 3. 前端手指静脉图像采集装置的研制 20 图 3.5 linux 访问硬件设备的方式 从另外一个角度看，linux 并不允许应用程序直接访问硬件，而必须通过系统调 用的方式，使用驱动程序才能访问硬件。其工作模式如图 3.6 所示：驱动程序工作在 内核态， 而应用程序工作在用户态。 要想在应用程序和驱动程序之间传递数据 （指针） ， 就要经过转换，把用户态“看”到的空间地址转换成内核态可访问的地址。 图 3.6 linux 运行的模式 综上所述， 本课题先移植了一个具有广泛支持能力的视频设备驱动程序 （uvc） ， 用来支持该视频设备在 linux 下工作， 然后在此驱动的基础上， 遵循 v4l2 （video for linux two）编程规范，编写图像采集应用程序。 3.3.3 uvc 视频驱动程序的移植 当前， 市面上大部分的摄像头， 都提供了基于 windows 的驱动程序， 而对于 linux 系统的支持则相对要少得多，本课题使用的摄像机，也并未提供针对 linux 的驱动程 序。因此，本课题先移植了一个 uvc 驱动程序用于支持该摄像设备。 系统调用接口 设备1 设备2 设备3 驱动1 驱动2