隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，信息的安全性與保密性引起了人們普遍的高度重視。目前，指紋識(shí)別技術(shù)相對(duì)于虹膜、人臉等識(shí)別技術(shù)來(lái)說(shuō)，是生物特征識(shí)別技術(shù)中比較成熟的一種身份認(rèn)證技術(shù)，已經(jīng)在安檢、門(mén)禁、考試等很多方面得到了很好的應(yīng)用。但由于指紋存在于皮膚的表面，使其有一些不可避免的缺點(diǎn)，如手指過(guò)濕、過(guò)干或出現(xiàn)手指脫皮等損傷時(shí)，或者手指有污物等都會(huì)影響識(shí)別效果。而手指靜脈識(shí)別技術(shù)能完全克服上面的諸多缺點(diǎn)，使得身份認(rèn)證更加方便快捷。

　　作為一種安全性高，使用方便的認(rèn)證方式，手指靜脈識(shí)別技術(shù)有如下一些區(qū)別于其它生物認(rèn)證技術(shù)的突出特點(diǎn)：1、安全性高：手指靜脈識(shí)別技術(shù)的原理是匹配手指內(nèi)部靜脈的紋路圖。因?yàn)殪o脈血管是隱藏在手指內(nèi)部的，因此極難復(fù)制和盜取，與別的利用人體體外特征進(jìn)行認(rèn)證的技術(shù)相比較，這種方式的安全性更高。同時(shí)，靜脈認(rèn)證能感知手指內(nèi)的血液流動(dòng)和血壓情況，能夠在識(shí)別的過(guò)程同時(shí)進(jìn)行活體檢測(cè)。2、準(zhǔn)確率高：采樣樣本是在人體內(nèi)部，所以匹配過(guò)程中受到外界的干擾非常小。手指靜脈識(shí)別的準(zhǔn)確性很高，根據(jù)嚴(yán)格的醫(yī)學(xué)證明和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)RR（拒真率）小于0.01%，F(xiàn)AR（認(rèn)假率）小于0.0001%，F(xiàn)TE（登錄失?。?%.3、唯一性：根據(jù)醫(yī)學(xué)證明，不同人之間的手指靜脈分布完全不同，左手和右手的靜脈分布也不同，就算是雙胞胎的相同手指，其中的靜脈分布也是不同的。而且手指靜脈的紋路分布在成年后是不會(huì)變化的。對(duì)于未成年人，當(dāng)他們手指靜脈隨著年齡的增長(zhǎng)變化后，只需要花30秒就可以完成重新的注冊(cè)登記。4、非接觸式：相對(duì)于某些生物識(shí)別技術(shù)，手指靜脈認(rèn)識(shí)技術(shù)是非接觸式的，在公共場(chǎng)合會(huì)比較衛(wèi)生。5、樣本文件?。河捎谑种傅撵o脈血管相對(duì)穩(wěn)定并且很容易拍攝下來(lái)，因此使用低分辨率的攝像頭就可以達(dá)到取樣要求。這樣生成的靜脈模板文件小，匹配速度快。本文設(shè)計(jì)了一種成本較低、帶有自動(dòng)調(diào)光模塊、基于USB2.0芯片與CMOS圖像傳感器的手指靜脈圖像采集系統(tǒng)。

　　1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　為降低成本，沒(méi)有采用FPGA或CPLD等可編程器件，但設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔的圖像采集硬件電路，主要部分由CMOS圖像傳感器模塊、USB2.0控制器模塊、自動(dòng)調(diào)光模塊、E2PROM和電源模塊組成，如圖1所示。

　　CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比，具有成本低、功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用擁有130 萬(wàn)像素的圖像傳感芯片OV9620。OV9620能自動(dòng)提供幀同步信號(hào)VSYNC、行同步信號(hào)HREF和像素時(shí)鐘PCLK［4］。為保證圖像采集與上位機(jī)圖像處理的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)中采用VGA 640×480模式，可以保證每秒30幀的動(dòng)態(tài)圖像。實(shí)際設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

　　EZ-USB FX2芯片CY7C68013是USB2.0控制器，擁有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，集成了智能串行接口引擎（SIE）、片上RAM、4 KB FIFO存儲(chǔ)器，可獨(dú)立于MCU，由硬件自動(dòng)完成480 Mb/s高速數(shù)據(jù)傳輸功能［5］。既可以采用I2C總線(xiàn)把固件程序從E2PROM中下載到自身的RAM中執(zhí)行，又可以讀寫(xiě)OV9620寄存器，實(shí)現(xiàn)攝像頭的自動(dòng)曝光、增益控制及白平衡控制等功能。

　　設(shè)計(jì)中，采用波長(zhǎng)為850 nm的近紅外光源從手背一側(cè)照射手指，靜脈血液中的血紅蛋白因吸收紅外線(xiàn)而導(dǎo)致靜脈部分的紅外光透射較少，最終在手指另一側(cè)的CMOS圖像傳感器上產(chǎn)生手指靜脈紋路圖案。當(dāng)紅外陣列光源的發(fā)光強(qiáng)度一定時(shí)，由于不同人、甚至每個(gè)人的不同手指的粗細(xì)都不一致，會(huì)導(dǎo)致透射紅外光的強(qiáng)弱不同。例如，針對(duì)較粗手指形成較好的靜脈圖像（如圖3（a））的光源，對(duì)較細(xì)手指卻產(chǎn)生透射光過(guò)強(qiáng)的成像效果（如圖3（b））。

　　針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)出如圖4所示的紅外發(fā)射光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)電路模塊，這是負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：先通過(guò)觀察上位機(jī)圖像處理軟件實(shí)時(shí)接收到的圖像，調(diào)節(jié)用于初始化設(shè)定的電位器旋鈕，直到確認(rèn)手指靜脈圖像達(dá)到最好效果時(shí)停止，系統(tǒng)將該電位器輸出電壓值作為標(biāo)準(zhǔn)值（Uin）。當(dāng)不同的手指進(jìn)行采集時(shí)，紅外光接收電路將采集到的電流轉(zhuǎn)換為電壓值作為反饋值（U1），將反饋值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，得到偏差電壓值（Ue），通過(guò)積分調(diào)節(jié)器輸出電壓（Uout）控制紅外光源，若偏差值小于0（反饋值大于標(biāo)準(zhǔn)值），則自動(dòng)調(diào)高輸出電壓Uout直至透射光強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)；若偏差值大于0，則自動(dòng)調(diào)低輸出電壓Uout直至透射光強(qiáng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。使紅外發(fā)射光強(qiáng)隨手指的厚度動(dòng)態(tài)變化，讓透射光始終保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的光強(qiáng)值，以保證成像效果均衡。

　　紅外光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)電路工作原理：紅外接收傳感器Q0的電流隨接收的透射光強(qiáng)變化而變化，并作為三極管Q1基極電流，進(jìn)而引起流經(jīng)電阻R13的電流變化，因此UR13電壓隨接收光強(qiáng)電流變化而變化。

　　這樣紅外發(fā)射光強(qiáng)的電流就會(huì)隨著接收光強(qiáng)而變化。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，此光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)電路能很好地對(duì)透過(guò)手指的紅外光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并可獲得清晰、質(zhì)量穩(wěn)定的手指靜脈紋路圖像（如圖8所示）。

　　2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為USB固件程序、USB驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)圖像處理軟件。

　?。?）固件程序采用標(biāo)準(zhǔn)的EZ-USB程序框架。根據(jù)需求，本系統(tǒng)固件的基本功能如下：

　?、偻ㄟ^(guò)IFCONFIG=0x43設(shè)置Slave FIFO模式，同步方式下SLWR作為IFCLK時(shí)鐘引腳的使能信號(hào)，以保證行同步信號(hào)HREF有效時(shí)，才能接收?qǐng)D像的像素?cái)?shù)據(jù)。

　?、谂浜嫌布娐罚ㄟ^(guò)設(shè)置EP2CFG=0xE0設(shè)置 EP2端口為BULK傳輸模式的IN端點(diǎn)，四重緩沖，每包字節(jié)數(shù)為1 024.并通過(guò)EP2FIFOCFG=0x08設(shè)置端口2為8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)模式。

　　③在圖像幀接收中斷INT0處理函數(shù)中，為每一幀圖像前加上特定的幀頭［4］，以便上位機(jī)應(yīng)用程序可以準(zhǔn)確和完整地分離出每一幀圖像數(shù)據(jù)。在手指觸發(fā)按鍵中斷INT1處理函數(shù)中，設(shè)定手指觸發(fā)的標(biāo)識(shí)位，以便上位機(jī)程序在發(fā)送Vendor指令時(shí)，通過(guò)讀取該標(biāo)識(shí)位來(lái)決定是否自動(dòng)保存采集的手指靜脈圖片。

　　（2）USB驅(qū)動(dòng)程序直接利用EZ-USB開(kāi)發(fā)包自帶的驅(qū)動(dòng)程序ezusbsys.c.為滿(mǎn)足圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收需求，減少在應(yīng)用程序中重復(fù)調(diào)用數(shù)據(jù)讀取函數(shù)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，需要修改驅(qū)動(dòng)程序的讀取緩存設(shè)定值。本文設(shè)計(jì)如下：

　　#define TRANSSIZE 2048

　　…

　　for（j=0;j<interfaceList［0］.InterfaceDescriptor-> bNumEndpoints; j++）

　　interfaceObject->Pipes［j］.MaximumTransferSize= （TRANSSIZE * 1024） - 1;

　　修改完USB驅(qū)動(dòng)程序文件后，需要使用類(lèi)似Windows XP DDK的軟件重新編譯ezusb.sys文件，執(zhí)行命令build-c -z即可生成測(cè)試版本或發(fā)布版本。

　　另外將驅(qū)動(dòng)程序的配置文件中生產(chǎn)商/銷(xiāo)售商（PID/VID）代碼和設(shè)備名更改為用戶(hù)的設(shè)定。

　?。?）上位機(jī)圖像處理軟件接收到的圖像數(shù)據(jù)是Bayer格式，如圖5所示。要將Bayer格式數(shù)據(jù)顯示為24位RGB彩色圖像，顏色插值算法是關(guān)鍵技術(shù)。考慮到圖像采集的實(shí)時(shí)性和靜脈紋路特點(diǎn)，選擇最鄰近法、雙線(xiàn)性算法、邊緣導(dǎo)向法和適應(yīng)性顏色層法［6］等四種插值算法進(jìn)行對(duì)比研究。

　　從圖6中可以看出，最鄰近法因運(yùn)算簡(jiǎn)單，只復(fù)制了鄰近的相關(guān)顏色，所以導(dǎo)致邊緣馬賽克現(xiàn)象非常明顯。雙線(xiàn)性法明顯優(yōu)于最鄰近法，采用了對(duì)相鄰像素取平均的方法，但沒(méi)有利用不同彩色分量之間的關(guān)系，所以導(dǎo)致圖像的邊緣引進(jìn)大量的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)造成圖像邊緣模糊現(xiàn)象。邊緣導(dǎo)向法僅是對(duì)人眼較敏感的G分量進(jìn)行了沿邊緣的插值方法，效果優(yōu)于最鄰近法，但邊緣模糊現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。而適應(yīng)性顏色層法對(duì)R、G、B等三種顏色分量都進(jìn)行了沿邊緣的插值方法，恢復(fù)的圖像效果最好，銳化了圖像邊緣，提高了視覺(jué)質(zhì)量。因此本系統(tǒng)采用適應(yīng)性顏色層法采集手指靜脈的紋路圖像。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本文設(shè)計(jì)的手指靜脈采集系統(tǒng)的上位機(jī)圖像處理軟件如圖7所示。在自動(dòng)調(diào)光功能條件下，采集的手指靜脈圖像如圖8所示。

　　本文介紹了帶有自動(dòng)調(diào)光模塊，并基于EZ-USB FX2和CMOS圖像傳感器的手指靜脈系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)不同厚度手指，動(dòng)態(tài)調(diào)整紅外發(fā)射光強(qiáng)度，以保證手指靜脈圖像質(zhì)量穩(wěn)定，避免了曝光過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱現(xiàn)象，而且通過(guò)采用適應(yīng)性顏色層插值算法還原圖像數(shù)據(jù)，保證了手指靜脈圖像紋路清晰，而且在VGA（分辨率640&times;480）模式下能夠以30幀/s的視頻形式顯示。