掌形識別數據采集系統(tǒng)介紹

摘要： 人體掌形識別對掌形數據的準確性要求很高，本文的DSP數據采集系統(tǒng)可對CCD獲得的人體掌型圖像實現快速準確的采集和處理。實驗結果表明，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性好。

關鍵詞： 掌形識別;DSP;CCD;數據采集系統(tǒng)

引言

生物特征識別技術，系指利用人體所固有的生理特征或行為特征來進行個人身份鑒定[1]。一些代表性的生理特征有指紋、掌形、臉形、虹膜、視網膜、聲音等，但是虹膜識別、臉型識別、聲音識別、指紋識別等又存在著設備價格昂貴、受環(huán)境影響比較大、容易偽造、存在特殊人群等問題。掌形識別技術是新的一種生物識別技術，可以很好的解決了現有生物識別技術的瓶頸。 本設計討論的掌形數據采集電路為這種新的識別技術提供準確、可靠的原始數據。

硬件設計方案

基于DSP的數據采集系統(tǒng)，將傳感器技術、可編程控制技術、噪聲處理技術和圖像處理技術等相結合，構成了具有人體掌形數據采集的圖像處理系統(tǒng);實現了對人體掌形圖像快速、準確的采集與處理?？傮w方案的框圖1所示。

圖1 總體結構框圖

數據采集系統(tǒng)工作原理

東芝公司TCD1206的光敏單元受亮度制動調整的白熾燈光的激發(fā)將人體手掌的光學圖像轉化為按時序串行輸出的電信號，并在脈沖驅動電路發(fā)出的驅動脈沖作用下把模擬圖像信號串行輸出到前置放大電路前端。經前置放大電路隔直放大后的模擬圖像信號再經過濾波電路近一步降噪后輸出到TMS320C5509 DSP處理器內部的A/D轉換器進行A/D轉換。DSP處理器將轉換后的數字圖像信號存入外擴SDRAM中，并在采集過程中DSP處理器開始對其進行預處理得到手掌輪廓，再根據特征提取分類器的結構算法從處理后的圖像中得到有效的特征參數，最后與事先采集到的樣本信息進行比對，完成采集識別過程。

CCD驅動電路設計

系統(tǒng)中采用的TCD1206線陣CCD有2160個有效像素單元，其定時時序如圖2所示。其中ΦSH是轉移脈沖，F1、F2是相時鐘，FRS是輸出單元的復位脈沖，FOS是采樣脈沖。在 FSH脈沖正跳變的作用下，CCD上所有光敏單元內的電荷信號一起轉移到各自相應的轉移寄存器中，接著在相時鐘F1、F2的作用下順序向輸出單元輸出[2]。從ΦSH正跳變開始的第64個脈沖以后是有效的光敏信號，輸出的信號的大小與入射光的光強及光照時間成正比關系。輸出信號中像元位置的確定由相時鐘F1、F2的脈沖個數決定 ,與脈沖的寬度無關，且 CCD上一維位置精度取決于CCD上各光敏單元的制造精度[3] 。

圖2 TCD1206的定時時序

在本設計中，使用6MHz作為輸入脈沖信號CLK，將它12分頻后得到F1、F2，6分頻后產生FRS，由圖2的時序可知[3]，FSH信號周期至少為FRS信號周期的2236倍，所以FSH信號由CLK信號13416次分頻才能產生。系統(tǒng)在EP1C3T144C8 FPGA芯片上實現了硬件測試。VHDL驅動信號產生程序如下：

SH: PROCESS(clk) ;

BEGIN

IF (clk ’event AND clk=’1’)THEN

IF(count1<”11010001100111”)THEN

IF(count1<”00000000000010”)THEN

SH_OUT<=’0’;

ELSE

IF(count1<”00000000000101”)THEN

SH OUT<=’1’;

else

SH_OUT<=’0’;

END IF ;

END IF ;

Count1<=count1 + ‘1’;

ELSE

END IF;

END IF;

END PROCESS;

擴展和時序存儲電路設計

TCD1206線陣CCD光敏單元大小為：14mm ×14mm ×14mm(相鄰像元中心距);如果采集1000行數據(對應的手掌大小約為30.24cm ×14cm，大于世界上最長的手29.6 cm×12cm)，則對應的數據量=2106 ×1000字節(jié)，即本系統(tǒng)每次識別需處理得最大數據量約為2M字節(jié)。為了能及時快速地暫存這么大量的數據。系統(tǒng)計中外擴了數據寬度為16位、內部分為4個Bank、存儲總容量為4M字節(jié)的HY57V641620HG SDRAM做為掌形數據存儲器。其外擴SDRAM如圖3所示。

圖3 SDRAM存儲器外擴框圖

CCD前級處理電路設計

本設計所選CCD，其直流輸出信號約為4.1V，最大飽和輸出為450mV。因此為了便于后級的相關雙采樣及數模轉換等處理[6]，必須對該信號進行隔直、放大等前級處理。前級處理的電路如圖3所示，其中Q1、Q2、Q3、是射極跟隨器，U2、R3、R4構成前置放大電路，放大倍數為21倍;C1為隔直電容;C2對前置放大電路的帶寬進行限制，以濾除信號中的高頻噪聲和尖峰毛刺;輸出端串接幾歐姆電阻與后級電路做阻抗匹配。

跟隨器的輸出阻抗由式(1)得到，其中RS為CCD輸出電阻250W，RB電阻即圖4中的R2，b和rbe分別為三級管的電路放大倍數和體電阻。

圖4 前級處理電路圖

RO≈(RS//RB)+rbe/b (1)

Q1選擇ADI公司的低噪聲、低偏移、高電流放大倍數的三極管MAT-02，Ic低至1mA時其電流放大倍數b>500,體電阻為0.3W。由式(1)求得射隨電路輸出阻抗小于1W。電路中前置放大器選擇低噪聲電流反饋型運放AD844，其電壓噪聲密度En為2nV/，同相端電流噪聲密度In為12pA/，因此In×Ro<

軟件設計

采集處理部分軟件包括系統(tǒng)初始化子程序、CCD工作判斷子程序、驅動電路功能設置子程序、A/D采集子程序、數據的存儲與讀取、數字圖像預處理及特征提取處理子程序等幾部分。

系統(tǒng)上電初始化，等待外部中斷信號，決定是否啟動CCD工作。啟動CCD工作后，DSP對驅動電路的功能進行設置，CCD對人體手掌圖像信息進行采集，然后對采集的圖像信號進行預處理以后送再對其進行處理分析[7]。

圖5為DSP數據處理程序流程圖，雖然在A/D前端加了濾波電路，濾除了一部分噪聲。但由于測得的光信號的數字化信號往往帶有電路噪聲等隨機誤差，為了保證系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性，必須對它們再進行一定的預處理，進一步濾除圖像信號中的噪聲，這樣才能作為數據處理算法下一步計算的數據。

圖5 圖像采集處理軟件流程圖

在用SDRAM對數據進行存儲時，首先要經過輸出穩(wěn)定200ms周期、對L-Bank進行預充電、8個刷新周期、模式寄存器設置等初始化階段。而初始化完成后，要想對一個L-Bank中的陣列進行尋址，首先就要確定行(Row)，使之處于有效狀態(tài)(Active)，然后再確定列。雖然之前要進行片選和L-Bank的定址，但它們與行有效可以同時進行。在CS、L-Bank定址的同時，RAS(Row Address Strobe，行地址選通脈沖)也處于有效狀態(tài)。此時An地址線發(fā)送具體的行地址。由于行有效的同時也是相應L-Bank有效，所以行有效也可稱為L-Bank有效。行地址確定之后，就要對列地址進行尋址了。在SDRAM中，行地址與列地址線是共用的。一個信號是發(fā)送讀或寫的明確命令的，是通過芯片的可寫狀態(tài)的控制來達到讀/寫的目的。顯然WE信號就是一個關鍵。WE無效時，當然就是讀取命令。

列尋址信號與讀寫命令是同時發(fā)出的。雖然地址線與行尋址共用，但CAS(Column Address Strobe，列地址選通脈沖)信號則可以區(qū)分開行與列尋址的不同，

然而，在發(fā)送列讀寫命令時必須要與行有效命令有一個間隔，這個間隔被定義為tRCD，即RAS至CAS延遲，也可以理解為行選通周期，這是根據芯片存儲陣列電子元件響應時間所制定的延遲。

實驗及測試結果

本設計在Altera公司Cyclone系列EP1C3T144C8 FPGA芯片上實現了CCD電路的驅動，驅動電路產生的CCD名驅動脈沖彼此之間時序延時誤差很小。

從圖6中可以看出，CCD輸出信號在復位高電平和參考電平上還存在紋波，其原因有兩個：1、系統(tǒng)時鐘線的串擾;2、由于前級放大器的阻抗不完全匹配引起信號反射。解決辦法是：1、采用相關雙采樣電路;2、加端接阻值可調的電阻變換電路進行匹配。將在后續(xù)工作種進行進一步降噪處理。

圖6 高分辨率示波器顯示的CCD輸出信號波形

圖7為最后采集到的手掌數據圖像，從圖像可以看出，圖像輪廓比較清晰，但是細節(jié)有點模糊。原因可能有：

1、 電路產生的實際驅動時序與CCD最佳工作時序有一定的差別

2、 CCD的驅動信號全部是時鐘信號，而且具有相同的諧波頻率，產生強電磁輻射，影響了CCD輸出信號的質量，還有由于系統(tǒng)數據傳輸率較高而產生的數據傳輸錯誤。

3、 線陣CCD在對手掌掃描時步進電機控制精度還不足夠高。

圖7 數據采集系統(tǒng)采集到的手掌圖像

但是掌形識別注重的是手掌形狀，細節(jié)掌紋的模糊不會影響掌形儀的準確性和精度。

參考文獻：

1. 李雄軍，蘇廷弼.基于生物特征的Auto ID 技術—BioID.計算機工程與應用.2002[16]

2. 鄭黎明. TC237B型CCD圖像傳感器的原理及應用.電路與設計,2006[8]:16-18.

3. 東芝公司線陣CCD數據手冊[Z].1997

4. Texas Instruments Incorporated, DSP for Smart Biometric Solutions,2003.5.

5. Texas Instruments Incorporated, Real-Time Digital Video Transfer via High-Speed RTDX,2002.5

6. 高光天主編，《儀表放大器應用技術》，科學出版社，1995年

7. 何祥宇. 基于DSP的CCD圖像處理系統(tǒng)在點鈔機中的應用.電子科技,2006(8):66-69