專利名稱：一種人體掌紋圖像采集裝置及處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)，具體說就是一種人體掌紋圖像采集裝置及處理方法。
背景技術(shù)：
二十世紀(jì)九十年代至今，人體生物特征識(shí)別技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，在門禁控制、 身份鑒別等領(lǐng)域取得很多成果。掌紋識(shí)別技術(shù)是人體生物特征識(shí)別技術(shù)中性能最為突出的技術(shù)之一，但由于掌紋圖像采集裝置體積相對較大，使用不便，成為掌紋識(shí)別大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn)。現(xiàn)有的活體掌紋圖像實(shí)時(shí)采集裝置，都是基于面陣圖像傳感器設(shè)計(jì)。面陣圖像傳感器需要有較大的光路空間，體積難以縮小。由于設(shè)備體積較大，在空間狹小處不便安裝， 難以與其他設(shè)備集成，也無法在移動(dòng)的場合使用。同時(shí)有些設(shè)備還存在或者缺少防偽能力、 或者切換光源圖像采集速度慢等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新的人體掌紋圖像采集裝置及處理方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種人體掌紋圖像采集裝置，它是由同步單元、傳感器單元、控制單元和計(jì)算機(jī)組成的，同步單元連接傳感器單元、傳感器單元連接控制單元， 控制單元連接計(jì)算機(jī)，由多次反射的光學(xué)系統(tǒng)、滾軸對、齒輪組和光電編碼器組成的同步單元，使用一對滾軸隨著手的滑動(dòng)，由齒輪組連接同步滾動(dòng)，同時(shí)由齒輪組以一定比例將滾動(dòng)傳遞到光電編碼器發(fā)出脈沖，使得手的滑動(dòng)觸發(fā)光電編碼器的脈沖，用來對線陣圖像傳感器的采集進(jìn)行同步，所述的傳感器單元包括CCD線陣圖像傳感器和CIS線陣圖像傳感器模組，所述的控制單元為基于FPGA和USB的線陣掌紋圖像采集控制單元。一種由人體掌紋圖像采集裝置實(shí)現(xiàn)的掌紋圖像處理方法，使用CXD線陣圖像傳感器或者CIS線陣圖像傳感器模組作為采集裝置的主要傳感器，實(shí)時(shí)采集活體掌紋線陣圖像，通過同步裝置將手的運(yùn)動(dòng)與采集進(jìn)行同步，將掌紋通過光學(xué)裝置成像到線陣傳感器表面，采集到的圖像經(jīng)過實(shí)時(shí)處理拼接后得到面陣掌紋圖像，CCD線陣圖像傳感器或者CIS線陣圖像傳感器模組的驅(qū)動(dòng)及控制電路使用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM中，再用工作于FIFO模式的USB單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)平臺(tái)或嵌入式計(jì)算平臺(tái)。本發(fā)明與原有類似設(shè)備相比，在保持圖像質(zhì)量與識(shí)別精度的情況下，體積減小，是現(xiàn)有同類設(shè)備中最小的。本發(fā)明使用滾軸對作為同步裝置解決了線陣CCD圖像傳感器或者 CIS線陣圖像傳感器模組在再采集面陣掌紋圖像時(shí)的難題。這種采集方式易于使用，滾軸對容易清潔與消毒，能夠防止同類設(shè)備傳染病菌的難題。與不接觸的情況下采集到的掌紋，本發(fā)明具有更高的掌紋提取速度和識(shí)別精度。本發(fā)明采集到的圖像清晰準(zhǔn)確沒有背景干擾。 其他同類設(shè)備若要實(shí)現(xiàn)無背景，需要在手背有遮擋，體積變大。本發(fā)明采集到的掌紋圖像， 可以拼接為100dpi、200dpi等多種分辨率，適應(yīng)不同需求。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的掌紋識(shí)別，同時(shí)也可以作為固定的掌紋識(shí)別裝置。用一個(gè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)兩種不同功能，靈活易用。

圖1為本發(fā)明的CXD線陣圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的CIS線陣圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明CXD線陣圖像傳感器專用光路反射圖；圖4為本發(fā)明的手掌運(yùn)動(dòng)反饋單元結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明的電路原理框圖；圖6為本發(fā)明的線陣掌紋圖像預(yù)處理算法流程圖；圖7為本發(fā)明采集到的掌紋圖像與提取的掌紋中心塊示例。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明一種人體掌紋圖像采集裝置，它是由同步單元、 傳感器單元、控制單元和計(jì)算機(jī)組成的，同步單元連接傳感器單元、傳感器單元連接控制單元，控制單元連接計(jì)算機(jī)，由多次反射的光學(xué)系統(tǒng)、滾軸對、齒輪組和光電編碼器組成的同步單元，使用一對滾軸隨著手的滑動(dòng)，由齒輪組連接同步滾動(dòng)，同時(shí)由齒輪組以一定比例將滾動(dòng)傳遞到光電編碼器發(fā)出脈沖，使得手的滑動(dòng)觸發(fā)光電編碼器的脈沖，用來對線陣圖像傳感器的采集進(jìn)行同步，所述的傳感器單元包括CCD線陣圖像傳感器和CIS線陣圖像傳感器模組，所述的控制單元為基于FPGA和USB的線陣掌紋圖像采集控制單元。本發(fā)明一種由所述的人體掌紋圖像采集裝置實(shí)現(xiàn)的掌紋圖像處理方法，使用CXD 線陣圖像傳感器或者CIS線陣圖像傳感器模組作為采集裝置的主要傳感器，實(shí)時(shí)采集活體掌紋線陣圖像，通過同步裝置將手的運(yùn)動(dòng)與采集進(jìn)行同步，將掌紋通過光學(xué)裝置成像到線陣傳感器表面，采集到的圖像經(jīng)過實(shí)時(shí)處理拼接后得到面陣掌紋圖像，CCD線陣圖像傳感器或者CIS線陣圖像傳感器模組的驅(qū)動(dòng)及控制電路使用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM 中，再用工作于FIFO模式的USB單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)平臺(tái)或嵌入式計(jì)算平臺(tái)。實(shí)施例2 結(jié)合圖1-圖7，本發(fā)明一種基于線陣傳感器的人體掌紋采集裝置以及相對應(yīng)的掌紋圖像處理方法，分別使用CCD線陣圖像傳感器和CIS線陣圖像傳感器模組進(jìn)行活體掌紋在線實(shí)時(shí)采集。根據(jù)兩種線陣圖像傳感器的特殊要求，本發(fā)明設(shè)計(jì)了由滾軸和光電編碼器組成的同步單元；并根據(jù)CCD線陣圖像傳感器的使用要求和特點(diǎn)設(shè)計(jì)多次反射的光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于FPGA和USB的線陣掌紋圖像采集控制單元。結(jié)合同步單元、 線陣圖像傳感器單元和光學(xué)系統(tǒng)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新的節(jié)約空間的外形結(jié)構(gòu)。使用本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)軟件，本發(fā)明適用于通用計(jì)算機(jī)(PC)平臺(tái)，也適用于嵌入式計(jì)算平臺(tái)(ARM，“達(dá)芬奇系統(tǒng)”)。如圖1，圖2所示，本發(fā)明所述的基于CCD線陣圖像傳感器和CIS線陣圖像傳感器模組的活體掌紋在線實(shí)時(shí)采集裝置，使用CCD線陣圖像傳感器或者CIS線陣圖像傳感器模組作為采集裝置的主要傳感器，實(shí)時(shí)采集活體掌紋線陣圖像。通過同步裝置將手的運(yùn)動(dòng)與采集進(jìn)行同步，將掌紋通過光學(xué)裝置成像到線陣傳感器表面。采集到的圖像經(jīng)過實(shí)時(shí)處理拼接后得到面陣掌紋圖像。CCD線陣圖像傳感器或者CIS線陣圖像傳感器模組的驅(qū)動(dòng)及控制電路使用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM中，再用工作于FIFO模式的USB單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸出去。如圖4所示，本發(fā)明所述的由滾軸對、齒輪組和光電編碼器組成的同步單元，使用一對滾軸隨著手的滑動(dòng)，由齒輪組連接同步滾動(dòng)；同時(shí)由齒輪組以一定比例將滾動(dòng)傳遞到光電編碼器發(fā)出脈沖。使得手的滑動(dòng)觸發(fā)光電編碼器的脈沖，用來對線陣圖像傳感器的采集進(jìn)行同步。計(jì)算如下設(shè)滾軸直徑為d，齒輪組傳動(dòng)比例r，光電編碼器旋轉(zhuǎn)每周發(fā)出脈沖數(shù)p，則滾軸旋
一周發(fā)出脈沖數(shù)P = rp，則縱向圖像采樣分辨率(dpi)為R = :^ X P設(shè)置圖像
2ΒΛ
分辨率在IOOdpi時(shí)，通過調(diào)節(jié)齒輪的齒距和位置，保證運(yùn)動(dòng)反饋精度不低于0. 1mm。如圖3所示，本發(fā)明所述的多次反射光學(xué)系統(tǒng)，使用一組反光鏡或一個(gè)多次反射棱鏡延長線陣掌紋采集裝置的光路，縮小線陣掌紋采集裝置的體積，反光鏡的尺寸和角度如圖3所示。光路前部的三面反光鏡較寬大，后三面較窄小，這樣可以節(jié)省體積，又不互相遮擋光路。圖5為本發(fā)明的電路框圖。本發(fā)明所述的基于FPGA和USB的線陣掌紋圖像采集控制單元，將CCD線陣圖像傳感器或CIS線陣圖像傳感器模組的控制電路集成在FPGA內(nèi)，用一個(gè)FPGA內(nèi)核完成全部控制邏輯，包括線陣圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)、AD轉(zhuǎn)換模塊的控制、SDRAM 緩沖存儲(chǔ)、光電編碼器反饋信號的解碼、采集到的圖像數(shù)據(jù)的緩沖與發(fā)送，最后送到USB芯片輸出。所有芯片集成在一塊電路板上，體積小、集成度高、便于控制和調(diào)試。本發(fā)明的節(jié)約空間的外形結(jié)構(gòu)，將滾軸與光電編碼器置于整體設(shè)備的最上方，對于CCD線陣圖像傳感器，將其多次反射光學(xué)系統(tǒng)和傳感器依次置于滾軸下方，在側(cè)面放置 FPGA與USB控制單元；對于CIS線陣圖像傳感器模組，將CIS模組置于滾軸對中間，將FPGA 與USB控制單元置于整體的下方。該外形結(jié)構(gòu)可以達(dá)到最小體積。本發(fā)明所述的驅(qū)動(dòng)軟件，針對通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)(x86，xp, vista, win7)和嵌入式平臺(tái)(linux，arm)，編寫了兩種功能相同的驅(qū)動(dòng)，該裝置可以不加更改的適用于兩種平臺(tái)，便于使用。PC(Windows)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)說明BOOL DeviceIoControl(HANDLE hDevice,DWORD dwIoControlCode,LPVOID IpInBuffer,DWORD nlnBufferSize,LPVOID IpOutBuffer,DWORD nOutBufferSize,LPDffORD IpBytesReturned,LPOVERLAPPED IpOverlapped)；hDevice (CreateFile 返回的設(shè)備句柄)dwIoControlCode (應(yīng)用程序調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的控制命令，例如讀，寫)IpInBuffer (應(yīng)用程序傳遞給驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址)nlnBufferSize (應(yīng)用程序傳遞給驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小，字節(jié)數(shù))
5
IpOutBuffer (驅(qū)動(dòng)程序返回給應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址)
nOutBufferSize (驅(qū)動(dòng)程序返回給應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小，字節(jié)數(shù))
lpBytesReturnecK驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H返回給應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)地址)
IpOverlapped (重疊操作結(jié)構(gòu)，一般為 NULL)
嵌入式平臺(tái)(Iinux)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)說明
fd = open(〃 /dev/cypress〃，0_RDWI )打開設(shè)備文件
read (fd，buf，size)
如圖6所示，為本發(fā)明所述的圖像處理方法，a把采集到線陣掌紋圖像直接進(jìn)行拼接；b去除背景噪聲，提取輪廓；c定位掌紋指縫端點(diǎn)；d連接指縫端點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，提取坐標(biāo)系中的掌紋中心塊。具體詳述如下
a.拼接圖像
采集到的l*n線陣圖像按行順次排列為m*n圖像。m，η根據(jù)傳感器不同，分別設(shè)置。當(dāng)使用TCD1208 C⑶傳感器時(shí)m = 500,η = 1024，當(dāng)使用183Ν CIS傳感器模組，工作與 IOOdpi 模式時(shí)，m = 1500，η = 1436 ；
b.去除背景噪聲，提取輪廓
根據(jù)線陣傳感器的成像原理，行內(nèi)信號噪聲由傳感器各個(gè)像素成像性能差異決定，行間信號比例由各行曝光時(shí)間差異決定。截取各行邊緣黑色圖像50列，求平均，作為各行亮度基準(zhǔn)，對各行曝光時(shí)間造成的差異進(jìn)行補(bǔ)償。再將圖像減去由10張純黑圖像中提取的暗噪聲均值，以便消去線陣圖像的背景噪聲。使用otsu方法，將所得圖像根據(jù)自動(dòng)閾值進(jìn)行二值化。膨脹、腐蝕二值化圖像消除毛刺。提取二值化圖像輪廓。
c.定位指縫端點(diǎn)
跟蹤圖像輪廓邊緣，計(jì)算據(jù)圖像輪廓中心距離。尋找極小值點(diǎn)，其中在輪廓中心上方的三個(gè)區(qū)域最大的極小值點(diǎn)即為四指間指縫的端點(diǎn)。
d.建立坐標(biāo)系、提取中心塊
取三個(gè)指縫端點(diǎn)中的左右兩點(diǎn)。取這兩點(diǎn)所在直線作為y軸，取連線線段中點(diǎn)作為原點(diǎn)0，取垂直y軸于0點(diǎn)，方向向下的直線作為χ軸。
根據(jù)建立的坐標(biāo)系，在原始圖像上提取( ，h/2)，(x0, -h/2)，(x0+w, h/2)， (x0+w, -h/2)四點(diǎn)間區(qū)域作為中心塊。其中&為中心塊據(jù)手掌邊緣距離，h、w分別為中心塊的高和寬。取值根據(jù)設(shè)備略有調(diào)整，在使用CIS傳感器模組，IOOdpi分辨率時(shí)，分別取& =50、h = w = 224。
圖7為采集到的掌紋圖像和提取的中心塊。該設(shè)備采集到的掌紋圖像沒有背景干擾，清晰準(zhǔn)確對比度高。
權(quán)利要求
1.一種人體掌紋圖像采集裝置，它是由同步單元、傳感器單元、控制單元和計(jì)算機(jī)組成的，其特征在于同步單元連接傳感器單元、傳感器單元連接控制單元，控制單元連接計(jì)算機(jī)，由多次反射的光學(xué)系統(tǒng)、滾軸對、齒輪組和光電編碼器組成的同步單元，使用一對滾軸隨著手的滑動(dòng)，由齒輪組連接同步滾動(dòng)，同時(shí)由齒輪組以一定比例將滾動(dòng)傳遞到光電編碼器發(fā)出脈沖，使得手的滑動(dòng)觸發(fā)光電編碼器的脈沖，用來對線陣圖像傳感器的采集進(jìn)行同步，所述的傳感器單元包括CCD線陣圖像傳感器和CIS線陣圖像傳感器模組，所述的控制單元為基于FPGA和USB的線陣掌紋圖像采集控制單元。
2.一種由權(quán)利要求1所述的人體掌紋圖像采集裝置實(shí)現(xiàn)的掌紋圖像處理方法，其特征在于使用CCD線陣圖像傳感器或者CIS線陣圖像傳感器模組作為采集裝置的主要傳感器， 實(shí)時(shí)采集活體掌紋線陣圖像，通過同步裝置將手的運(yùn)動(dòng)與采集進(jìn)行同步，將掌紋通過光學(xué)裝置成像到線陣傳感器表面，采集到的圖像經(jīng)過實(shí)時(shí)處理拼接后得到面陣掌紋圖像，CCD線陣圖像傳感器或者CIS線陣圖像傳感器模組的驅(qū)動(dòng)及控制電路使用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM中，再用工作于FIFO模式的USB單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)平臺(tái)或嵌入式計(jì)算平臺(tái)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種人體掌紋圖像采集裝置及處理方法。它是由同步單元、傳感器單元、控制單元和計(jì)算機(jī)組成的，同步單元連接傳感器單元、傳感器單元連接控制單元，控制單元連接計(jì)算機(jī)，由多次反射的光學(xué)系統(tǒng)、滾軸對、齒輪組和光電編碼器組成同步單元，傳感器單元包括CCD線陣圖像傳感器和CIS線陣圖像傳感器模組，控制單元為基于FPGA和USB的線陣掌紋圖像采集控制單元。本發(fā)明在保持圖像質(zhì)量與識(shí)別精度的情況下，體積減小。本發(fā)明采集到的掌紋圖像，可以拼接為100dpi、200dpi等多種分辨率，適應(yīng)不同需求。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的掌紋識(shí)別，同時(shí)也可以作為固定的掌紋識(shí)別裝置。用一個(gè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)兩種不同功能，靈活易用。
文檔編號G06K9/20GK102521584SQ20111036206
公開日2012年6月27日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者周劍, 張大鵬, 曲曉峰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)