（光学工程专业论文）基于dm642的嵌入式虹膜图像获取系统研究.pdf

中文摘要 生物识别技术在当今世界中已经得到了广泛的应用。虹膜身份识别是一种新 兴的生物身份识别技术。由于虹膜具有唯一性、稳定性、非侵犯性等优点，近年 来，虹膜识别技术研究和应用方面都得到了长足的发展，并表现出广阔的应用前 景和较大的市场需求。因此，基于虹膜识别技术的身份识别系统是目前国内外发 展很快的一个研究热点。 本文提出了以d s p 为核心的嵌入式虹膜身份识别系统设计方案，设计开发 一种由d s p 、c p l d 、网络接口和c m o s 图像传感器组成的嵌入式实时图象处理 硬件平台。本文首先根据系统的要求选用了专用视频d s p 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为图像处理主芯片和c m o s 图像传感器o v 7 1 2 0 作为虹膜图像采集中的图像 传感芯片。本文的虹膜图像采集系统是建立在t m s 3 2 0 d m 6 4 2 核心板的基础上 的，通过其扩展背板接口设计了一块转接板，完成t m s 3 2 0 d m 6 4 2 核心板与 o v 7 1 2 0 的通信，并充分利用d m 6 4 2 内部集成的v i d e op o r t 和e d m a 设备特性， 完成d m 6 4 2 与图像采集设备的无缝连接，实现无需c p u 参与的自动图像采集。 针对系统的硬件，本文还在t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 的集成开发环境c c s 中完 成了虹膜图像采集软件设计，并在系统平台上得到验证。系统软件的模块化设计， 包括驱动模块，图像采集、处理、网络传输模块，使后续视频处理时可以很方便 更换不同的图像处理算法模块，而保持软件的其他部分不变。 在此基础上，设计了用于虹膜图像采集的l e d 近红外环形光源，并从照明 光源的均匀性和电路干扰两方面对虹膜图像采集造成的影响进行了分析，用光学 软件l i g h t t o o l s 建立照明模型并进行模拟实验，检查照明均匀度。最后从图像清 晰度和虹膜可见度两方面对采集的虹膜图像进行了初步的评价。 关键词：虹膜图像采集，d m 6 4 2 ，c m o s 图像传感器，l i g h t t o o l s 仿真 a b s t r a c t i r i sr e c o g n i t i o ni san e wb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hi s w i d e l y u s e d t o d a y b e c a u s e o fi t s u n i q u e n e s s ，r e l i a b i l i t y ，a n da g a i n s ta r t i f i c em e r i t s ，i r i s r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nm a k i n gf a s td e v e l o p m e n t f u r t h e r m o r e ，i tw i l lb e p r o v e dt ow i d e l ya p p l y t h e r e f o r e ，h o wt od e v e l o pa l li r i sr e c o g n i t i o ns y s t e mi st h eh o t f i e l d t h i sp a p e rp r o p o s e sal l e wp r o j e c to ni r i sr e c o g n i t i o ns y s t e mw i t ho n ee m b e d d e d k e m e l ，w h i c hi st h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s i tw i l lb ed e s i g n e da so n ee m b e d d e d p l a t f o r mf o rr e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n g ，w h i c hi sc o m p o s e do fd s p ，c p l d ，n e t w o r k i n t e r f a c e ，a n dc m o si m a g es e n s o r a c c o r d i n gt ot h en e e do ft h ei r i si m a g ea c q u i s i t i o n s y s t e m ，t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s po ft e x a si n s t r u m e n t si sc h o s ea st h em a i ni m a g e p r o c e s s o rw h i c hi sd e s i g n e df o rv i d e oa p p l i c a t i o ns p e c i f i c a l l y w ea l s oc h o s eo v 7 1 2 0 c m o sc a m e r aa st h ei m a g es e n s o ri nt h ei r i si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m t h ei r i s i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e md e s c r i b e di nt h i sp a p e ri sb a s e do nt h e t m s 3 2 0 d m 6 4 2c o r eb o a r d t h r o u g ht h ee x t e n d e di n t e r f a c e so ft h ec o r eb o a r da d a u g h t e r c a r di s d e s i g n e db yu s ，t h r o u g hw h i c ht h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t m s 3 2 0 d m 6 4 2c o r eb o a r da n do v 712 0i sa c c o m p l i s h e d w i t ht h es p e c i a lf u n c t i o n s o fv i d e op o r ta n de d m ai nd m 6 4 2 ，d m6 4 2i sc o n n e c t e dw i t h i m a g ec a p t u r e s y s t e m t h ei m a g ec a nb ec a p t u r e dw i t h o u tt h es u p p o r to fc p u a l lo fd r i v e ra n da l g o r i t h m sp r o g r a mw e r ed e v e l o p e di nc o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to f f e r e db yt e x a si n s t r u m e n t s ( t i ) a n d i m p l e m e n t e di nt h es y s t e mh a r d w a r e t h es o f t w a r eo fi r i si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m i n c l u d e sd i v e rm o d u l e ，i m a g ea c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，n e t w o r km o d u l e b a s e do nt h e m o d u l ed e s i g ns t r a t e g yi ns o f t w a r e ，w ec a nr e p l a c et h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mm o d u l e e a s il ya n dm a i n t a i no t h e rp a r t so ft h ew h o l e p r o g r a mu n c h a n g e d f u r t h e r m o r e ，n i rr i n gl e d s s o u r c ei n i r i s i m a g ea c q u i s i t i o n w a s d e s i g n e d m o d e l i n go fi r i si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mf o ro p t i m i z i n gi l l u m i n a t i o n s c h e m e sw a sb u i l tu pa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw a sm a d ef o rb e t t e ri ll u m i n a t i o n u n i f o r m i t y k e yw o r d s ：i r i s i m a g ea c q u i s i t i o n ，d m 6 4 2 ，c m o si m a g es e n s o r , l i g h t t o o l s s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蚕! j 盏竿字日期：) 莎年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：抄万年 导师签名： h 训锐格 i 签字日期棚3 年7 月日 、枞蚰 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 虹膜识别技术 第一章绪论 虹膜识别是最近十年新兴的生物识别技术，相对于其他的生物识别技术，虹 膜识别有独特的优势。 1 ) 非侵犯性 虹膜图像通过非接触方式获取，可以避免疾病传播，容易被人接受，为非接 触式生物特征识别技术。 2 )稳定性好 稳定性是指识别特征是会否随着环境和时间的变化而发生变化，是否能保持 同一性。而虹膜在人类从出生后一年虹膜特征就基本稳定，而且不会随着年龄的 增长而发生变化，环境因素的影响也基本上没有，只会受到破坏性疾病和伤害的 影响，而人类对于眼睛的保护是非常谨慎的，所以虹膜特征具有相当高的稳定性。 3 )唯一性 尽管虹膜的基本结构依赖于内在的遗传基因，但是个体胚胎发育时的内环境 对虹膜的细微结构起到决定的作用，此外，经过大量的观察发现虹膜具有独特的 结构，即使对于同一个人，左眼和右眼的虹膜也有很有的区别，因此虹膜图像具 有唯一性。 4 )精确度最高 虹膜识别技术是精确度最高的生物识别技术，具体描述如下： 两个不同的虹膜信息有7 5 匹配信息的可能性是1 1 0 6 等错率：l ：1 2 0 0 0 0 0 两个不同的虹膜产生相同虹膜代码的可能性是l ：1 0 5 2 ，这要比其他的生物特征的 精确度高几个甚至几十个数量级。 5 ) 活体检测 由于虹膜本身的以下生理和光学特征，其本身可实现活体检测。 ( 1 ) 虹膜震颤 虹膜上附着有环形的瞳孔收缩肌和辐射状的瞳孔扩张肌，二者共同决定了瞳 孔的大小。在正常的条件下，瞳孔一直处于有节奏的收缩和扩张状态，称为虹膜 震颤，因此瞳孔的大小随着时间在不停的变化。虹膜震颤的范围在瞳孔平均直径 的l o 左右，频率大约为0 5 次秒。因此可通过检测在震颤周期内瞳孔大小的变 化实现虹膜活体检测。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 光照反应 瞳孔对光照的变化十分敏感。当光照强度增加时，瞳孔迅速收缩变小：光照 强度减弱时，瞳孔迅速扩张变大。这种变化是瞳孔半径占整个虹膜半径的比值的 变化，非常迅速和明罹。 ( 3 ) 频谱范围 伪造虹膜图像( 如打印或印刷的图像、各种显示器碌示的图像、玻璃限等) 存在的物理介质极大的不同于人眼睛的组成结构。6 q 1 对光的吸收率和反射率都 不同于活体虹膜，这些差异清晰地反映存图像的傅立叶频谱中。 l2 虹膜图像采集系统的研究现状 l21 虹膜生物特征识别技术中存在的关键问题 虹膜图像的采集系统主要元件是摄像头i 】”。该模块直接影响到使用者的眼 睛，而且虹膜几何尺寸相对较小，一般直径11 m m ，要在尽可能少的要求使用者 合作的情况下，获得足够清晰的高质量的图像对硬件设计就有了很多要求，主 要有以下几点： ( 1 ) 虹膜直径比较小，耍获得的虹膜图像足够清晰，分辨率高有挑战性。 ( 2 ) 图像摄取装置的照明，光照强度要适中，不能让使用者感到不舒月或者 刺眼，光源强度和人眼所能承受的光强度之间的比例适当。 ( 3 )对使用者的限制不能太多，理想的状况是：只要使用者向摄像装置瞪大 眼睛看一下就可以， ( 4 ) 为保证识别系统的非侵犯性，不能刺激使用者的眼靖，以及不能要求使 用者与装置有直接物理接触。 ( 5 )获取图像过程中的人为因素，比如反光点，人的视力，以及人眼活动引 起的图像模糊等。 1 惶 图i - 1 虹膜图慷 天津大学硕士学位论文第一章绪论 对于黄种人，眼球大都是黑色或深褐色，获取的图像大都偏暗，比较难读取， 瞳孔与虹膜的对比度偏低。虹膜图像的采集系统是整个识别系统的第一部分，也 是最关键的部分之一，图1 1 是获取的- - n 清晰的虹膜图像。下面将详细介绍目 前国内外技术较成熟的一些虹膜图像获取装置1 3 】【4 1 。 1 2 2 国外虹膜图像采集系统的研究 1 ) d a u g m a n 系统的虹膜图像获取装置 d a u g m a n 的采集系统包括光源、镜头、摄像头、光束分离片、l c d 显示屏及 图像帧采集器等。由图1 2 可看到，d a u g m a n 的系统将l e d 点光源与摄像机连在 一起，是一个比较简单紧凑的系统。 d a u g m a n 的虹膜图像采集系统使用单色黑白摄像头，分辨率为4 8 0 x 6 4 0 线， 它的镜头焦距f = 3 3 m m 。使用者虹膜与镜头的间距在1 5 - 4 6 c m 之间。采集的虹膜 图像上的虹膜直径约10 0 2 0 0 个象素点。 最初d a u g m a n 设计的系统使用的光源是可见光点光源，后来2 0 0 1 年新改进 的系统中采用了近红外光照明，波段在7 0 0 n m 9 0 0 n m 。点光源的缺点在于光照 不均匀，并且在采集到的虹膜图像上有点光源的反光，这些影响在后面的模式识 别匹配中采取算法预先去除掉。由图可看到因为考虑光源不刺激人眼睛，光照强 度相对较小，所以摄像头镜头的景深较小，约l c m 。摄像的捕获速度足够高，使 用者总保持着凝视镜头的状态，足够消除眼球不停运动带来的模糊不清晰。 虹膜最佳的对焦位置需要使用者自己移动眼睛在摄像头前的位置实现。摄像 头将采集到的虹膜图像传输到l c d 面阵上，显示出来，这样使用者可以根据l c d 面阵的信息来移动眼睛到合适的位置上。当成像的质量足够时系统自动采集图像 样本。成像的质量是根据巩膜和虹膜边界的灰度对比度来定义的。 、 图l 一2d a u g m a n 的虹膜图像采集系统 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 2 )w i l d e s 系统的虹膜图像获取装置 w i i d e s 等研制的系统也是使用黑白摄像头，与d a u g m a n 的系统一样没有利用 虹膜的颜色信息。据研究数据结果表明，虹膜图像的纹理信息已经足够用来进行 身份鉴别。特别对于我国人民是黄色人种，眼睛多为黑褐色，本身的颜色信息就 不丰富，因此，应用于我国的虹膜识别系统完全可以采用黑白摄像头【7 2 8 1 。 w i l d e s 的系统采用的镜头为8 0 m m ，使用者虹膜与镜头的间距约2 0 c m ，采 集的虹膜图像上的虹膜直径约为2 5 6 个象素点。摄像头镜头的景深同样也较小， 约l c m 。 如图1 3 ) 自f i 示w i l d e s 设计的虹膜图像采集系统有一个复杂的光照设备。采用 的是低照明度摄像头，漫射光源，并且利用了偏光现象。由此带来了很多有利的 地方。在光源和摄像机处匹配使用了环形偏光器。经过环形偏光器后的光线，具 有特殊的旋转特性。当这种光线射到某种特殊的反射表面，比如角膜，反射光线 仍然是偏振光，但是相位相反了，反相偏振光不能通过摄像头的滤光镜，最后反 射光则成功地被过滤掉了，而与此相反地，由眼睛散射出来的光可以通过滤镜被 摄像头接收，可以用来成像，成像结果不会有点光源的反光点噪音，基本有效地 减少了虹膜对光源的反射，可以得到更多虹膜的细节以便后期的匹配识别工作。 w i l d e s 的系统采用的是低照度摄像机，对光照强度要求较低，因此不会对人眼睛 有很大刺激，但光源仍然是可见光。 k 眼 瞄准器 边框 瞄准器 边框 漫射屏 漫射屏 图1 3w i l d e s 的虹膜图像采集系统 该系统也要求使用者自己调节在摄像机前的位置。它提供了一个标线来帮助 使用者定位。在摄像头的镜头中间位置画出了一个正方形的边界，以便使用者能 够看见。在这个边界线前的位置就会得到一个小一点儿，相同形状的边界。这些 边界的相对尺寸和位置被提取出来，以便当眼睛处于一个适当的位置时，两个正 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 方形的边界相重叠，而对使用者来说，即成为一个边界。当使用者在调整位置时， 正方形边界之间的相对误差则会不停的提供有关现在眼睛位置的准确反馈信息。 当测试者对准位置时，就可以按下按钮，系统将保存此时的图像。 这样，避免了身体接触。但是要求使用者注意合作，这些要求仍阻碍系统使 用的方便性及应用的广泛性。 w i l d e s 的系统中人眼虹膜位置的对准和焦距的调整是利用一大一小两个瞄 准框来实现的，如图1 4 。测试人员只需调整眼睛的位置和距离使得从视线看到 的两个瞄准框重合( 包括框架边界和中心点) ，这样就能保证虹膜与相机间的位 置和距离满足要求。 人眼位置 方形框架 图1 4w i l d e s 的系统中用来让用户调整眼睛位置的两个瞄准框示意图 1 2 3 国内虹膜图像采集系统的研究 1 ) 中科院自动化所模式识别实验室的虹膜图像获取装置 中科院自动化所模式识别国家重点实验室于2 0 0 0 年成功开发出具有自主知 识产权的虹膜识别原型系统。他们利用研制的虹膜图像获取装置建立和共享了用 于科学研究的虹膜数据库一a s i a 虹膜数据库，是当前国际上最大的共享虹膜 数据库，正逐渐成为虹膜识别研究领域的公共平台。他们设计的虹膜图像采集系 统已经获得国家专利。如图1 5 所示该采集装置属于一种小型便携式光电装置。 该装置由外壳及放在外壳内壁第一圆台上的毛玻璃环片，在第二层圆台上对称的 装有两个红外发射管及两个发光二极管，外壳下端与c c d 摄像头连接。将该装置 外壳的上端扣在被试者的眼睛上，在红外发射管及发光二极管的照射下，虹膜图 像被c c d 摄像头采集并输入到计算机中。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 该装置左端被扣在被试者的眼睛上。通过计算机来控制可调节二极管的发光 亮度，c c d 摄像头拍摄红外管照射下的虹膜图像，并输入计算机存储。图1 5 中 的毛玻璃用于消除虹膜上光源的高光反射点，减少图像的噪声。 利用该虹膜图像采集装置的虹膜示意框图如图1 6 所示，虹膜图像通过c c d 摄像头拍摄输入计算机，通过算法判断所采集图像是否符合要求，如果不符合， 则通过计算机发出机电控制信号，调节采集装置，直到达到采集的图像符合要求 为i 匕。 图1 5中科院虹膜图像采集装置 图1 6 虹膜识别系统示意框图 2 ) 浙江大学的虹膜图像获取装置 浙江大学光学工程系在硬件方面的工作比较有特色。主要体现在图像传感器 的选择上面。图像采集系统结构如图1 7 所示。采用f = 1 2 m m 的光学镜头，光学镜 头的分辨率为5 0 线对。图像传感器采用数字式c m o s 图像传感器o v 7 11 0 ，分辨 率为6 4 0 4 8 0 ，8 位灰度数字输出。照明光源采用近红外线波段位于8 0 0 9 0 0 n m 6 天津大学硕士学位论文第章绪论 附近。采用u s b 传输方式实现了图像传感器o v 7 i1 0 与计算机主机的数据传输， 传输速度达8 mb i f f s 。 该系统的优点在于集成度高，使用c m o s 图像传感器可将图像传感阵列、驱 动和控制电路、信号处理电路、a d 转换电路、全数字接口电路等集成在一起， 可实现单芯片成像系统。c m o s 图像传感器不仅易于系统集成，另一方面，它的 光响应曲线值得引起重视。如图1 8 所示，c m o s 图像传感器o v 7 1 1 0 的光响应曲 线，其响应峰值在8 5 0 n m 附近，正好是虹膜采集系统的光源所在频段，而普通黑 白c c d 的光响应曲线尽管频宽很大，但是峰值在绿光5 5 0 n m 左右，因此比较下来， c m o s 的优点值得关注。该系统在采集过程中仍需用户很好的配合，才能保证将 人眼定位在合适的距离。 人眼镜头强像传感器耨u s b 接口芯片单元 r1r r 计 必 u 叫y 骂u 一 篝 机 图1 7 浙江大学设计的图像采集系统结构 警零毋静毒枣枣孝哲毋拳痧爹梦$ 、 _ _ 瞻轴蚋 图1 8c m o s 图像传感器o v 7 11 0 的光响应曲线 船 瓣 钾 盼妒 ， ， o 让 驻 o o 孙莓擎 天津大学硕士学位论文第章绪论 1 3 本文的研究内容 本文的研究内容是如何设计一套嵌入式虹膜图像采集装置，包括从核心电路 部分的设计到最后的机械设计的完成。具体内容如下： 第一章是绪论，主要介绍了生物特征识别技术的发展应用，着重指出了虹膜 识别技术中存在的关键技术。并且对国内外虹膜图像采集系统的研究做了比较和 总结。 第二章是嵌入式虹膜识别系统的总体设计，本章主要介绍了虹膜识别技术的 基本原理，阐述了现有虹膜识别系统的工作流程，最后根据实验室现有条件，提 出了自己的设计方案，包括光源的设计、照明系统的照明与优化、关键器件的选 择和虹膜采集装置的样机设计。 第三章是嵌入式虹膜识别系统的硬件设计，包括c m o s 图像采集子板的设 计、d m 6 4 2 上视频端口的配置、e d m a 寄存器的配置以及e d m a 控制的大量数 据搬移。 第四章是嵌入式虹膜识别系统的驱动软件设计与实现，提出了在d s p 操作 系统d s p b i o s 调度下的图像采集、图像处理和识别、图像的网络传输多线程任 务协调；着重探讨了c m o s 图像采集驱动程序中的微驱动( m i n i d r i v e r ) 结构， 大大方便了程序的设计与开发。 第五章是虹膜图像质量评价与实验，主要从图像清晰度、内外偏心度和虹膜 可见度三个方面对采集的虹膜图像进行了评估和筛选。 第六章是总结和展望，总结了一些研究成果，提出了不足和未来的努力方向。 天津大学硕士学位论文 第二章嵌入式虹膜识别系统总体设计 第二章嵌入式虹膜识别系统总体设计 2 1 虹膜识别基本原理 虹膜特征识别系统逻辑上包括2 个模块，注册模块和识别模块。在注册模块 中，首先对用户的虹膜图像进行采集、预处理、特征提取等过程得到虹膜特征信 息，并将此信息与其姓名或其标识( i d ) 联系起来，然后一并存储在数据库中，创 建用户模板。在识别模块中，同注册过程一样获取用户的虹膜特征信息，然后与 事先注册在数据库中的模板相匹配，检验用户的身份6 1 。 图2 1 验证流程图 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式虹膜识别系统总体设计 图2 - 2 辨识流程图 利用虹膜识别技术进行身份鉴别可以分为两类，即验证和辨识。验证就是通 过把一个现场采集到的虹膜与一个已经注册的虹膜进行一对一的比对，来确定身 份的合法性。实际上就是通过回答“他是他自称的这个人吗? ”来辨别身份的真伪， 其框架如图2 1 所示。辨识则是将现场采集到的虹膜同虹膜库中的虹膜进行逐一 比对，即一对多匹配，直到找到相匹配的虹膜或搜索完整个样本数据库后给出无 对应虹膜的结论( 没找到) ，也就是通过回答：“他是谁? 来确定用户的身份， 其框架图如图2 2 所示。图2 2 中假设样本数据库共有m 个虹膜，按n = ln n = m j l 页序查找。 2 1 1 虹膜图像采集 人类虹膜的直径约l 厘米。为了获得足够信息量，虹膜图像通常要求由特制 的摄像器材组成的采集系统，拍摄距离一般不超过十几厘米。适度的照明对虹膜 图像采集也是非常重要的，太强的照明会令人眼感到不适，光照太弱则图像缺乏 必要的灰度对比，增大量化误差。另外，在图像采集的过程中照明光源常常会在 虹膜上留下较明显的光斑，形成了噪声污染7 】【8 】【9 1 。 1 0 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式虹膜识别系统总体设计 2 1 2 虹膜图像质量评估 实际应用中，并非所有采集到的图像质量都能够满足识别算法的要求，系统 必须能够自动拒绝质量差的图像，并提示用户重新拍照。造成图像质量差的主要 原因有：( 1 ) 由于定焦不准或眼球运动而使成像模糊。( 2 ) 过多的睫毛和眼睑的 干扰使得有效的虹膜区域太小。 因此，我们通过图像清晰度和虹膜完整度两方面来进行质量评估。 2 1 3 虹膜定位和归一化 采集的图像包含了大量的非虹膜区域( 例如部分人脸、眼巩膜、眼睫毛等) 信息，这些信息不能为虹膜识别所利用，需要进行虹膜定位( 即确定虹膜的内外 边界) 以去除这些无用的信息。所做的研究工作是快速精确地从包含大量非虹膜 部分的图像中定位虹膜，并对其边界或位置用数学模型进行描述。 图像采集时不同的两次拍摄人眼到镜头的距离不可能保持完全一致，造成虹 膜图像有一定的尺寸差异。如果当拍摄时人的头部的倾斜，也会造成图像有一定 角度的旋转。进行图像归一化可以避免上述情况带来的误差。归一化后的虹膜图 像具有瞳孔缩放不变性，消除了人眼球转动和瞳孔缩放对图像识别的影响。所做 的研究工作是如何利用几何变换抵消拍摄时的虹膜图像变形的干扰。 2 1 4 特征提取和编码 图像归一化完成后，我们需要利用较小数据量的特征矢量来描述一幅较大数 据量的虹膜图像，即提取有用的虹膜特征信息。这种信息必须具有唯一性、完备 性。为减小虹膜特征在系统中占用的存储空间，并且便于系统虹膜特征数据库的 建立和维护，需要对虹膜特征信息进行编码。 2 1 5 模式匹配 获取一幅虹膜图像，经过预处理、特征提取与编码的处理，得到该虹膜特征 信息的编码，将该编码与系统虹膜特征数据库中的编码逐一进行比较，利用编码 之间的相似程度加以判决，得到识别结果。 2 2 虹膜图像采集方案 本论文文中所设计的虹膜图像采集系统是通过基于c m o s 图像传感器的图 像采集系统来实现的，其系统在结构上主要由三部分组成：1 光源；2 c m o s 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式虹膜识别系统总体设计 摄像头；3 d s p 虹膜识别硬件平台。如图2 3 所示： c m o sd s p 虹膜识别 摄像头硬件平台 图2 3 系统结构图 1 由于虹膜的特殊性，通常用于可见光的成像系统所获得的虹膜图像纹理细节 不清楚，经过查阅文献资料，采用近红外光( 7 0 0 - - 9 0 0 n m ) 成像，可以获得 比较具有丰富纹理细节的虹膜图像，而且波长在8 5 0 n m 附近时，获得的图像 虹膜与瞳孔对比度最高，而且随着近年来l e d 的广泛使用，产品质量有了很 大提升，寿命长，功耗低，成本也不高，因此决定采用峰值波长在8 5 0 n m 附 近的近红外l e d 作为光源； 2 为了避免由于照明光源的不均匀带来不利的影响，因此要设计满足均匀度要 求的光源。本论文中采用将l e d 环形排列，可以对眼睛周围的圆形区域实现 均匀照明。并用l i g h tt o o l s 软件建立照明模型并进行模拟实验，检查照明均 匀度，这部分将在第五章实验部分作详细阐述； 3 虹膜成像单元使用足够分辨率的c m o s 图像传感器，并且对近红外光有足够 的响应； 4 为了最大限度的利用传感器资源，眼睛部分应该尽量布满整幅图像，这样就 对成像镜头提出了一定的要求，应该选择焦距较大、景深也较大的镜头，使 采集到的虹膜图像的细节更加丰富，采集时也更加容易调整； 5 基于d s p 的嵌入式虹膜识别硬件平台的开发是我硕士阶段的研究重点，主要 包括d s p 虹膜识别电路板的设计和硬件驱动程序的编写和调试。这两部分内 容将在第三章和第四章分别予以介绍。 2 2 1 虹膜图像采集照明光源设计 通过对l e d 的组合设计，可以对一个直径为3 0 m m 的区域进行均匀照明，即 对眼睛的周围部分实现均匀照明。如2 2 节所述，本设计中将l e d 排成一个圈可 以对眼睛周围部分均匀照明。经过对众多近红外l e d 的筛选，最终决定采用邦臣 光电有限公司的近红夕b l z d ( 型号为b c 3 i r 4 h c 3 3 8 1 c ) 作为照明光源。本型 号的l e d 参数如表2 1 和表2 - 2 所示： 表2 1l e d 极限参数特性( t a = 2 5o c ) 1 2 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式虹膜识别系统总体设计 参数符号极限参数单位 f o r w a r dc u r r e n t 正向最大电流 l f 6 0m a p e a kf o r w a r dc u r r e n t 峰值电流 i f p 2 8 0m a r e v e r s ev o l t a g e 反向电压 v r 5 v p o w e rd i s s i p a t i o n 损耗功率p d8 0m w e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e 防静电电压 h b m5 0 0v o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e t 作温度范围t o p 一4 0 0 c - 8 0o co c s t o r a g et e m p e r a t u r e 储存温度范围t s t g 4 0 0 c 1 0 0o co c l e a ds o l d e r i n gt e m p e r a t u r e 焊接温度 t s o l2 6 0o cf o r5s e c o n 】3 s i f pc o n d i t i o n s ：p u l s ew i d t h 1 0 m s e c a n dd u t y 1 1 0 表2 2l e d 光电参数特性( t a = 2 5o c ) p a r a m e t e r s y m b o j c o n d i t i o nu n i t 参数符号测试条件 m i n t y p m a x 单位 f o r w a r dv o l t a g e j e 向电压v fi f = 2 0 m a1 3i 5v r e v e r s ec u r r e n t 反向电流l rv r = 5 v5 u a v i e wa n g l e 发光角度 2 0 i n i f = 5 0 m a 9 0 8 d e g l u m i n o u si n t e n s i t y 辐射强度i ei f = 5 0 m a38m w s r d o m i n a n tw a v e l e n g t h 主波长k di f - - 5 0 m a8 5 0n m h a l fw i d t h 半波宽度九i f = 5 0 m a5 0n m 4 - r i mf-q 图2 4l e d 驱动电路方案 l e d 驱动电路方案如 图2 4 所示。这是一种简单、自l e d 面世以来至今还一直在用的经典电路。此电 路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高，电阻发热消耗功率，导致用 电效率低，仅适用于小功率l e d 范围。 根据所选用的l e d 型号参数，设计如图2 5 的驱动电路： 天津太学硕士学位论文 第二章嵌入式虹膜识别系统总体设计 此驱动电路采用的方案是将6 个l e d 串联起来，并接八一个限流电阻组成 个支路，再将四条支路并联起来组成一个光源，电源使用1 2 v 直流电源。 l e d 的正向伏安特性曲线如图26 所示： 1 lji 卜q鞘黑一 ”j iiil ! ， q 霪 j i i ” 臻 ；。| i f i 5 f i ， i l i ，i ，。l 、ll | ，l 。l4 “算士 图2 - 6 正向伏安特性曲线 【，m ! a0e ( 横坐标是电压，纵坐标是电流 曲线的线性部分可用方程：v f - - v 。+ r s i 睐表示。将曲线上两点( 2 0 m a ， i5 v ) 和( 5 0 m a ，l6 v ) 代入上式中得到：v u = l4 3 v ，r s - 33 n 。 下面计算限流电阻的大小：设限流电阻为r ，l e d 的工作电流为5 0 m a ，则 l e d 的正向压降为16 v ，由串联电路可列方程：1 2 6 i6 = r 帕0 5 解得r = 4 8 n ： 设l e d 的工作电流为2 0 m a ，则l e d 的正向压降为15 v ，由串联电路可列方程： 1 2 - - 6 i5 - r o0 2 解得r = i 5 0 f 2 ：因此，r 的取值范围在4 8 q i5 0 n 之旬。 根据实际情况，将r 取值为1 0 0 d 。 天津大学硕士学位论文第二章嵌八式虹膜识别系统蓉体设计 下面计算限流电阻r 的功率：由串联电路和l e d 的线性拟台方程可列下式： r 】件6 ( v o r s i f ) = 1 2 ，将r - 1 0 0 n ，vc 产14 3 v r s - 33 q 代八上式中町得： i f = 2 95 m a ，因此通过限漉电阻r 的功率p = r 【佗= o0 8 2 4 ，为了罚有余量，选择 i s w 功率的贴片电阻，封装规格为1 2 0 6 。h 上就是l e d 光源的驱动电路设计，可 以满足使用要求。 为了适应不同镜头相机配置下的情况，将p c b 设计为可以容纳8 0 多个l e d ， 分战三圈排列，三圈l e d 为并联的关系。根据实际的情况u r 以单独使用其中的 任意一圈l e d ，也可以组合其中的几圈l e d 。 为了便于调整l e d 的照射角度，设计将l e d 的管脚沿圆周方向排列。 通过寅验，本设计最终使用了圈的l e d 即可满足使用要求。其中加入了两 个可见光的i 。e d ( 蓝色光) ，目的是控制瞳孔的大小，虹膜图像中的纹理特征便 于提取和识别。图2 7 是照明光源的p c b 设计图和实物图： 囤2 ，7 照明光源的p c b 设计囤和实物图 2 22 图像传感器的选择 c c d 和c m o s 图像传感器f 1 2 i i c c d 和c m o s 图像传感嚣是目前应用最为广泛的固体成像器件。 c c d ( 电荷祸台器件，c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 足7 0 年代初发展起来的新型 半导体光电成像器件；1 9 7 0 黄国贝尔实验室发明了c c d ，经过大约3 0 年的生产 和制造工艺改进，c c d 图像传感器已经高度优化，可以产生最优秀的数字图像质 量。目前，已经成为数字静止摄像机和便携式摄像机的流行技术，且c c d 技术成 为现代光电子学和测试技术巾最活跃、最富有成果的领域之j 。 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式虹膜识别系统总体设计 c m o s 图像传感器最早出现于1 9 6 9 年，是一种用c m o s 工艺方法将光敏元 件、放大器、a d 转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在 一块硅片上的图像传感器件，这种器件具有结构简单、处理功能多、成品率高和 价格低廉等特点，己广泛应用于手机、视频会议使用的p c 摄像机、扫描仪、条 形码闻读机和安全摄像机等领域。 但两者在特性上有一定差别，具体比较如下： ( i ) 成像过程 c m o s 图像传感器与c c d 采用相同的光敏材料，光电转换的原理相同。但是 读取过程不同。c m o s ，被称作“增幅型传感器一，图2 - 8 为其原理示意图，图像 传感器每个像素旁直接连着m o s 场效应管，产生的信号经过放大器放大后，由 行列开关导通时以类 l i ) d r a m 的方式读出信号，工作仅需单一工作电压供电： c c d 被称作“非增幅传感器”，图2 - 9 为其原理示意图，以电荷信号的形式进行存 储及转移，其信号的读取需要多路外部驱动脉冲及电源的支持，系统电路相对复 杂，每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每个像素( p i x e l ) 的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至c c d 旁的放大器进行 放大，再串联a d c 输出。 x 移位寄存器 图28c m o s 图像传感器原理围 天津大学硕士学位论文 第一章嵌八式虹膜识别系统总体设训 絮”。警9 絮8 硼” 输出信号 图2 - 9c c d 图像传感器示意图 ( 2 j 集成性 c m o s 图像传感器可将光敏元阵列，信号读取电路、a d 转换电路、图像信 号处理电路及控制器等集成到一块芯片上，从而易于实现单芯片的成像系统：由 于c c d 和c m o s 工艺不兼容，难以将时序发生器、驱动电路及信号处理及控制 器等集成在同一芯片上，这牡功能必须出3 8 个芯片组合实现，使系统的体积 和重量增大，不利于系统的微型化。 ( 3 ) 速度 c m o s 图像传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单 元的图像信息，速度较快；而c c d 电荷耦台器需在同步时钟的捧制下，以行为 单位一位一位地输出信息，速度比c m o s 图像传感器慢很多。 ( 4 ) 噪声 由于c m o s 图像传感器每个感光二极体旁都搭配一个a d c 放大器，如果以 百万像素计，那么就需要百万个以上的a d c 放大器，虽然是统- - n 造下的产品， 但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比 单一放大器的c c d ，c m o s 最终输出图像的噪声就比较多。并且c m o s 集成度 高，各元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图 像质量影像很人；c c d 技术较为成熟，其采用p n 结或二氧化硅隔离层隔离噪声， 成像质量相对c m o s 图像有一定的优势。 ( 5 ) 功耗 c m o s 图像传感器只有一路电源( 3 5 v ) 供电，影像电荷驱动方式为主动 式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出，其功耗仅为 c c d 的1 1 0 而c c d 却为被动式，必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传 输通道。而这外加电压通常需要12 v 以上的水平，因此c c d 还必须要有更精密 罨骂 惭 一 一 天津大学硕士学位论文第二章嵌入式虹膜识别系统总体设计 的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使c c d 的电量远高于c m o s ，其功耗 相对较大。 ( 6 ) 灵敏度 由于c m o s 每个像素包含了放大器与a d 转换电路，过多的额外设备压缩 单一像素的感光区域的表面积，开口率较低，因此相同像素下，同样大小之感光 器尺寸，c m o s 的灵敏度低于c c d 。 ( 7 ) 分辩率 在灵敏度中，由于c m o s 每个像素的结构比c c d 复杂，其感光开口率不及 c c d 大，所以比较相同尺寸的c c d 与c m o s 感光器时，c c d 的分辩率通常会 优于c m o s 。不过，如果摆脱尺寸限制，目前业界的c m o s 感光原件已经可达 到1 4 0 0 万像素的设计，c m o s 技术在良率上的优势可以克服大尺寸感光原件制 造上的困难。 ( 8 ) 成本差异 c m o s 应用半导体工业常用的m o s 制造工艺，可以一次整合全部周边设施 于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失；相对地c c d 采用电 荷传递的方式输出信号，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素损坏，就会 导致一整排的信号拥塞，无法传递，因此c c d 的良率比c m o s 低，加上另辟传 输通道和外加a d c 等周边，c c d 的制造成本相对高于c m o s 。 c m o s 与c c d 图像传感器的性能比较，详见表2 3 。 表2 3 c m o s 图像传感器c c d 图像传感器 暗电流l o 1 0 01 0 灵敏度低高 噪声电子数 2 0 0 虹膜采集中对图像传感器的需求 由于在进行虹膜图像采集的时候，为了获得对比度更好的虹膜图像以及避免 光照对人眼的刺激，选用近红外照明，因此也就忽略了人眼的彩色信息，故