手部三模态图像采集系统的设计与实现.pdf

7 8 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 2 0 1 3年 第3 2卷 第 5期 手部三模 态 图像采集 系统 的设计与 实现 苑玮琦 王黎黎 张宁宁 沈阳工业大学 视觉检测技术研 究所 辽宁 沈 阳 1 1 0 8 7 0 摘要 设计了一种新的适用于安防 考勤等场合的非接触式手部三模态图像采集系统 解决了传统采集 系统易传染疾病和单一模态图像变形模糊导致识别率下降的问题 分析手掌静脉 掌纹及掌形成像原理 设计选择可在多光谱条件下采集的双 C C D图像传感器和镜头 并分析设计了系统补光系统 区域定位功 能和上位机界面 可一次拍摄同时获取高质量的手掌静脉 掌纹及掌形特征图像 并可融合三模态特征识 别算法进行在线识别 具有良好的人机交互界面 实用性强 关键词 三模态图像 采集系统 图像传感器 光源 融合 中图分类号 T P 3 9 1 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 9 7 8 7 2 0 1 3 0 5 0 0 7 8 0 4 De s ig n a nd r e a l iz a t io n 0 f h a n d t h r e e m o da l ima g e J J aC qUl S l t l 0n S VS t em YUAN We i q i W ANG Li l i ZHANG Nin g nin g C o mp u t e r Vi s io n G r o u p S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y S h e n y a n g 1 1 0 8 7 0 C h in a Ab s t r a c t A n e w n o n c o n t a c t h a n d t h r e e mo d a l ima g e a c q u is it io n s y s t e m wh ic h is s u it a b l e f o r s e c u r it y c h e c k wo r k a t t e n d a n c e is d e s ig n e d I t s o l v e s t h e p r o b l e ms o f s e n s in g d is e a s e s a n d t h e l o w r e c o g n it io n r a t e Ac c o r d in g t o t h e c h a r a c t e r is t ic s t h e ima g e s e n s o r a n d l e n s w h ic h c a n o b t a in ima g e s u n d e r mu l t is p e c t r al a r e d e s ig n e d a n d s e l e c t e d a n d l ig h t s y s t e m r e g io n a l l o c a t io n f u n c t io n a n d u p p e r P C in t e r f a c e a y e d e s ig n e d a n d a n aly z e d T h e s y s t e m c a n o bt a in hig h qu a l it y ima g e o f p a l m v e in palm p r in t a nd p a l m s ha pe f e a t u r e I t c a n e x e c u t e o n l ine r e c o g n it io n f u s in g a l g o r i t h m o f t h r e e mo d a l f e a t u r e r e c o g n i t io n a n d h a s g o o d ma n ma c h i n e in t e r f a c e I t h a s s t r o n g p r a c t ic a b i l i t y Ke y wo r d s t h r e e mo d a l ima g e a c q u is it io n s y s t e m ima g e s e n s o r l ig h t in g s o u r c e f u s io n 0引 言 手掌皮下静脉和掌纹具有很好的稳定性和唯一性 自 然状态下手掌为半握状态 特征信息不易被获取 手掌掌 形特征简单 测量量小 认证速度快 可作 为静脉和掌纹 识别的重要条件 虽然手部指纹特征也具有不变性 但指纹特征极易被窃取 与单一模态系统相比 采用手掌 静脉 掌纹和掌形3种模态相结合设计的采集系统优势互 补 降低了检测复杂度 能更好地适用于安防 考勤等要 求较高安全性的场合 并结合非接触方式采集 避免了疾 病的传染 本文设计了一种在非接触条件下采集手掌静脉 掌纹 和掌形三模态图像的采集系统 它为非接触手多模态信息 融合识别技术搭建了理想的硬件平台 分析手部三模态成像原理和特征 设计并选择能够同 时清晰获取3种模态特征的图像传感器和镜头 使三幅图 像手掌位置不发生改变 配合图像传感器采用可见光与 8 5 0n m近红外光补光系统 设计系统光源的均匀性排布和 控制电路 拍摄的三模态图像数据通过千兆网线上传到计 算机中 通过手限定区域定位功能使手掌限定在可识别的 范围内 解决了非接触式手掌位置不固定影响识别的问题 最终 对三模态图像进行融合识别 通过上位机软件实时显 示识别结果 本系统可实时快速获取手部三模态特征图像 进行身份识别 实用性强 1 系统总体硬件结构 图l为系统总体框图 此系统为非接触式采集图像 被采集者站立时水平 自然伸出手掌 即可进行采集 控制 电路主要用于光源切换和光强调整 采用可在多光谱下成 像的双 C C D摄像机 符合系统焦距 景深 视角等要求的镜 头 以及由近红外及可见光 L E D组成的系统光源 摄像 机 镜头 光源和采集箱体构成了采集环境 另外 若实验 收稿日期 2 0 1 2 一 l 1 2 1 基金项目 国家自然科学基金资助项 目 6 0 9 7 2 1 2 3 教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目 2 0 0 9 2 1 0 2 1 1 0 0 0 2 辽宁省教育厅 科研项目 2 0 0 9 A 5 6 1 沈阳市科技计划资助项目 F 1 2 2 7 7 1 1 0 F 1 0 2 1 3 1 0 0 第5期 苑玮琦 等 手部三模态图像采集系统的设计与实现 7 9 需要 本系统也可以单独采集任一模态的手部特征图像 y 丽 y 丽 图 1 系统总体框 图 Fi g 1 Bl o c k di a g r a m o f s y s t e m 2 手部三模态特征成像原理 计算机视觉系统中的红外光主要用于半透明等的物体 检测 而在近红外 区域内体液和软组织相对透明 7 2 0 l 1 0 0 n m波长的近红外光能够较好地透射进入皮下组织 J 而血液中的血红蛋 白对近红外光谱有较多的吸收 此时采 用对近红外光敏感度高的图像传感器就会获取到静脉图 案 掌纹 掌形特征分布在手掌表面 主要获取掌纹的纹理 特征和掌形的尺寸特征 肉眼在可见光下可观察到 因此 采用对可见光敏感度高的图像传感器 即可获取包含掌纹 掌形特征的图像 3 成像单元设计 图像传感器和镜头对成像质量起着非常关键的影响 必须在极短的时间内拍摄 3种模态特征的图像 并使成像 的分辨率 对比度 景深等能够达到系统的使用要求 3 1 光学摄像机 本系统要求的摄像机能够同时采集手掌静脉 掌纹 掌 形 3种模态特征的图像 即能够在可见光波段和近红外波 段都能清晰地成像 并且 3种模态特征的图像手掌位置一 致 以便识别 时能 准确定位 简化算 法 电荷耦合器 件 c h a r g e c o u p l e d d e v i c e C C D 摄像机解析度高 灵敏度高 分 辨率高 畸变小 噪声低 能够很好地满足本设计要求 采用双 C C D多光谱摄像机 内部集成双图像传感器 图2 为本系统图像传感器光谱 对可见光和近红外都有 较好的感光特性 并且采用 1 3 i n逐行扫描传感器 有效像 素为 1 0 2 4 7 6 8 对于手掌静脉和掌纹的细微纹理特征都能 够清晰地捕获 该相机内部集成可见光和近红外 2只感光 元件和分光棱镜 如图 3 可将入射相机里的光线分离成 2路射入可见光传感器和近红外传感器 分别进行光电转 换 2片 C C D上 可 以获得 2张 角度 和视 场完 全一 致 的 图 像 因此 采用本摄像机在成像时 三模态特征可以分别 鲻 1 f t 搭 一 f Il f 图2 图像传 感器近红 外与可见光响应 曲线 Fi g 2 Re s p o n s e c u r v e o f s e n s o r i n NI R a nd v i s i b l e l i g ht 成像 互不干扰 通过对上位机软件的二次开发 实现了同 时采 集 厂 I l ccIE 图 3 双 C C D相机成像过程 Fi g 3 I ma g i n g pr o c e s s o f d u a l CCD c a me r a 3 2 镜头的计算与选择 镜头应用于多光谱成像 成像距离为 2 0 0 m m左右 并 应使手掌能够成像完整 摄像机的传感器尺寸为 1 3 i n 即4 8 mm x 6 4 m m 焦距可计算为 w D h D 百 其中 为镜头焦距 D为被摄物体距镜头的距离 和 H分别为被摄物体的宽度和高度 W和 h分别为 C C D靶面 的宽度和高度 如图4 计算得到系统镜头焦距 约为4 m m 此时修正的手掌表面距离镜头为 2 2 2 2 2 m m 图 4镜头成像原理示意图 Fi g 4 S c h e m a t i c o f l e ns i ma g i n g 镜头需拍摄全整个手掌以便进行识别 即镜头的视场 角 如图5 水平和垂直视场角 0 0 由下式计算得到 0 2 a r c t a w 2 a r c t a n 2 0 2 a r c t a h 2a r c t a H 3 式中垂直视角 O h 5 8 7 6 水平视角 0 4 8 4 9 只有大 于或等于该值镜头才能使手掌全部被捕捉到 另外 为了使 3幅图像能够有相同的焦点 需选用不带红外滤光片的3 C C D 镜头 基于以上计算 选择镜头焦距为4m m 靶面大小为 1 2 i n 视角为6 4 5 x 4 9 2 能够与摄像机配套使用 a 水平视场角 b 垂直视场角 a h o r i z o n t a l fi e l d o f v i e w a n g l e b v e r t i c a l fi e l d o f v i e w a n g l e 图 5 镜头视场角计算图 Fi g 5 Ca l c u l a t i o n o f l e n s fi e l d o f v i e w a n g l e 本系统为非接触设备 被采集者手掌放置位置会有偏 差 需考察所选镜头的景深 图 6 即在手掌被 聚焦清晰 后 在该位置前面和后面也可聚焦清晰的区域大小 通过下 式计算 日 C F 4 第 5期 陈晓燕 等 基于 Z i g B e e 网络的温室节水灌溉系统设计 器节点 2 4 6不带控制节点 即只采集土壤含水量 不进行 自动灌溉调节 测试时间为早上 9 O O 一 下午 1 7 o 0 期间 每 6 0 rai n采集一次土壤湿度 设定土壤湿度范围在 6 0 一 8 O R H之间 测得的数据如表 2 表3 由表2可以看出 在 自动灌溉区域 当土壤湿度超出设 定区间时 3个控制节点均能够根据监控计算机的灌溉指 令驱动电磁阀进行灌溉 土壤湿度基本能保持在设定范围 由表 3可知 在非自动灌溉区域 土壤湿度不能很好地保持 在设定范围间 表 2 自动灌溉节点土壤湿度数据表 Ta b 2 S o il mo is t u r e da t a o f a u t o ma ti c ir Hg a fio n no de 不同时间的湿度 R H 节 点 9 0 0 l O 0 0 1 1 O 0 1 2 O 0 1 3 0 0 1 4 O 0 1 5 O 0 1 6 0 0 1 7 O 0 1 5 5 2 2 7 8 2 0 7 2 6 4 6 5 4 0 5 8 3 6 7 8 1 2 6 9 8 0 5 8 2 4 7 7 5 6 3 5 8 5 7 7 7 9 2 7 2 1 2 6 6 1 2 5 7 9 6 7 9 1 0 7 1 2 2 6 3 3 4 5 8 3 4 5 6 6 2 0 5 4 3 4 7 8 2 0 7 1 2 2 6 4 5 4 5 8 3 0 7 6 7 4 鼹 9 4 6 1 2 3 表 3 非 自动灌溉 节点土壤湿度数据表 Ta b 3 S o il mo is t u r e d a ta o f no na u t o m a ti c ir r ig a ti o n n o d e 节点 不同时间的湿度 R H 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 l 4 O O 1 5 O 0 1 6 O 0 1 7 O O 2 6 6 2 4 5 8 7 9 5 4 6 8 5 2 8 O 5 1 4 2 5 0 0 6 4 9 1 4 4 8 5 6 4 8 2 4 4 7 0 4 4 6 4 3 4 6 0 5 6 5 6 4 3 5 3 9 5 5 2 0 4 5 1 1 2 5 0 1 6 4 9 1 0 6 8 4 6 2 8 0 8 8 7 5 4 5 6 8 9 4 6 3 4 2 5 8 4 5 5 5 1 2 5 3 0 5 5 2 4 7 5 结论 1 该系统以温室的土壤湿度作为控制对象 完成了无 线传感器节点 阀门控制节点和协调器节点的软硬件开发 2 该系统实现了监测信号的实时采集 数据显示 控 上接第8 1页 图 1 5 系统采集的三模态图像 F ig l 5 Th r e e mo d a l im a g e a c q uir e d b y s y s t e m 设计一种完整的非接触式手多模态特征采集系统 能 够同时清晰获取手掌静脉 掌纹 掌形三种模态特征图像 采用带有双图像传感器的双 C C D摄像机 配合 8 5 0 4 7 0 n m 补光系统 很好地解决接触式采集方法的局限性和单一模 态采集方法的识别率受限等问题 为非接触手多模态信息 融合识别技术搭建了理想的硬件平台 参考文献 1 B mn e l l i R F ala v i g n a D P e r s o n i d e n t i fic a t i o n u s i n g m u l t ip l e C U e S J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P A M I 1 9 9 5 9 5 5 9 6 6 制信号的输出 达到了节水灌溉的目的 并具有无需布线 低功耗 低成本 可靠性好 安装维护方便等特点 3 结合数据库技术 将 L a b V I E W 与Mic r o s o ft A c c e s s 数 据库相连 实现了对数据的存储 查询 图形显示等功能 参考文献 1 Y o u n g S a m M o o r e H a n J K h al i l ia n A h m a d e t a 1 I n s t r u m e n t a t i o n f o r v a r i a b l e r a t e l a t e r a l i r r i g a t i o n s y s t e m C 2 0 0 5 A S A E An n u I n t e r n a t io n a l Me e t in g F l o ri d a 2 0 0 5 1 7 2 0 2 李秀娟 现代化农业设施节水灌溉控制系统的研究 D 合 肥 合肥工业大学 2 0 0 7 3 韩华峰 杜克明 孙忠富 等 基于Z i g B e e 网络的温室环境远 程监控系统设计与应用 J 农业工程学报 2 0 0 9 2 5 7 1 5 8 1 6 3 4 肖 德琴 古志春 冯健昭 等 稻田水分监测无线传感器网络 优化设计与试验 J 农业工程学报 2 0 1 1 2 7 2 1 7 4 1 7 9 5 高峰 俞立 张文安 等 基于茎直径变化的无线传感器 网络作物精量灌溉系统 J 农业工程学报 2 0 0 8 2 4 1 1 7 1 2 6 张瑞瑞 赵春江 陈立平 等 农田信息采集无线传感器网络 节点设计 J 农业工程学报 2 0 0 9 2 5 1 1 2 1 3 2 1 8 7 李莉 张彦娥 汪懋华 现代通信技术在温室中的应用 J 农业机械学报 2 0 0 7 3 8 2 1 9 5 2 0 0 8 包长春 石瑞珍 马玉泉 等 基于 Z ig B e e 技术的农业设施测 控系统的设计 J 农业工程学报 2 0 0 7 2 3 8 1 6 0 1 6 4 作者简介 陈晓燕 1 9 7 9 一 女 四川自贡人 硕士 讲师 研究方向为嵌 入式系统 计算机控制 控制理论与控制工程 2 李俊 吴怀宇 李鹏飞 等 指纹图像采集系统的设计与实 现 J 传感器与微系统 2 0 0 5 2 4 1 3 8 4 2 3 Ma t c h e r S J E l w e H