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基于FPGA手指静脉图像采集系统的研制
2015年电子技术应用第11期
余成波,余玉洁,方 军,邓顺华
(重庆理工大学 远程测试与控制研究所,重庆400054)
摘要:分析了手指静脉成像原理,研制了以FPGA为主控芯片的手指静脉采集系统,该系统由手指静脉图像采集装置、图像采集控制模块、图像缓存控制模块和LCD显示控制模块等构成。实验结果表明,采用波长为850 nm的近红外光源模块、MT9V034摄像头、VIP_Board Full FPGA开发板、5.0寸TFT LCD显示屏组成的手指静脉采集显示系统体积小、采集实时性强,显示的手指静脉图像纹路清晰,具有良好的稳定性。基于FPGA手指静脉采集系统稳定清晰,具有巨大市场价值
中图分类号:TP391.4
文献标识码:A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.023

中文引用格式:余成波,余玉洁,方军,等. 基于FPGA手指静脉图像采集系统的研制[J].电子技术应用,2015,41(11):81-84,88.
英文引用格式:Yu Chengbo,Yu Yujie,Fang Jun,et al. Development of finger vein image acquisition system based on FPGA[J].Application of Electronic Technique,2015,41(11):81-84,88.
Development of finger vein image acquisition system based on FPGA
Yu Chengbo,Yu Yujie,Fang Jun,Deng Shunhua
Institute of Remote Test and Control, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054,China
Abstract:Analyses the finger vein imaging principle and develops a finger vein acquisition system based on FPGA. The system is made up of the finger vein image acquisition device, image acquisition module, image cache control module and LCD display control module. The experimental results shows that the finger vein image acquisition system that uses near-infrared light source module with wavelength of 850 nm, MT9V034 camera, VIP_Board Full FPGA development board and 5.0 inch TFT LCD display screen has small volume, strong real-time acquisition, showing the finger vein image texture clear and good stability. Finger vein acquisition system based on FPGA is stable and clear, having huge market value.
Key words :finger vein image;FPGA;collection system

0 引言

  近几年,手指静脉识别方面的研究与应用越来越丰富,如在ATM机、门禁系统、电脑登录等领域的应用。国内手指静脉识别技术还处于研究阶段,相关产品比较少。国外手指静脉识别技术做得最好的是日本金立公司,已推出多款手指静脉识别应用产品,比如ATM机不需输入密码,直接进行手指静脉识别取款。手指静脉图像采集的效果直接影响手指静脉识别系统的性能,目前手指静脉图像采集系统广泛使用的控制器是ARM、DSP或PC机。现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)是基于硬件的处理器,具有强大的并行处理能力,与DSP、ARM相比,FPGA能够实现硬件加速和流水线技术,因而在处理数据流量大的图像方面具有得天独厚的优势。因此,采用FPGA进行图像采集,其实时性和稳定性较好。为此,本文进行了基于FPGA的手指静脉图像采集技术的研究,以FPGA为控制芯片、SDRAM为缓存介质,结合具有功耗低、体积小等优点的MT9V034摄像头和TFT LCD显示器,研制了一种手指静脉图像采集系统。

1 手指静脉成像模型


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  人体血液中含有血红蛋白,血红蛋白对760 nm和850 nm附近的近红外光有较强的吸收作用[1]。当用该种近红外光照射手指时,会形成暗影的静脉图像。手指静脉成像原理模型如图1所示,实验采用峰值为850 nm的近红外光从手指背部照射手指,采用透射方式,手指正面的静脉血管吸收了一部分近红外光,而手指的骨骼和肌肉没有这种特性,摄像头从手指正面拍照,并在摄像头上加上红外滤光片,滤除可见光,这样会得到静脉暗影的手指静脉图像[2]。

2 手指静脉采集系统硬件研制

  2.1 采集系统工作原理


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  手指静脉图像采集系统由近红外光源模块、摄像头、手指静脉采集装置、FPGA开发板、TFT LCD显示屏组成。其工作原理如图2所示,通过近红外光照射手指背面,摄像头采集到的静脉图像数据经过SDRAM缓存,通过TFT LCD液晶显示屏实时显示。在软件Quartus II 13.0中用Verilog语言设计系统中的图像采集控制模块、图像缓存控制模块、LCD显示控制模块[3]。

 2.2 手指静脉图像采集硬件选型

  2.2.1 FPGA开发板的选择

  因为VIP_Board Full FPGA开发板价格低、体积小、FPGA和SDRAM芯片配置比较好、图像开发接口比较完善,所以本文选择VIP_Board Full作为手指静脉图像采集系统的FPGA开发板。它的FPGA处理器为Cyclone IV系列EP4CE15E17C8N,具有15 408个逻辑单元、166个用户接口,516 096 bit存储器、112个乘法器、4个PLL、20个全局时钟,其主时钟为50 MHz。它的SDRAM图像缓存器件为Hynix公司的HY57V283220T-6,具有4个Bank、12条行地址线、8条列地址线(行列地址线共用),单片总容量为128 Mbit,初始化时间100 s,速率为166 MHz。

  2.2.2 光源的选择与模块设计

  静脉成像原理说明静脉的成像效果受光源的影响非常大,本文选用厦门华联电子有限公司的HIR503XDX系列的红外二极管作为光源[4],因为该红外二极管发出红外光的峰值波长为850 nm,而且每一个二极管体积适中,适合并排在一起制作成近红外光源模块。本系统选用了24个红外二极管、2个130 的电阻制作了一个近红外光源模块。

  2.2.3 摄像头和TFT LCD显示器的选择

  摄像头是手指静脉图像采集系统的关键组成部分,直接影响手指静脉图像的成像效果。根据手指静脉成像原理,得到的静脉图像是黑白暗影图像,而且所选摄像头要对波长850 ns附近的近红外光敏感。MT9V034是美国Micron公司开发的COMS摄像头,分为彩色摄像头和黑白摄像头两种,其对波长850 ns附近的近红外光比较敏感,拥有752×480的感光阵列,支持752×480@60 Hz的图像输出,它一个像素点为8位信号,即其支持的LCD图像输出为60帧/s、36万像素。因此本文选择了MT9V034黑白摄像头来采集手指静脉图像。

  TFT LCD显示器选用LW500AC9004,其大小为5.0寸,分辨率为800×480,为显示手指静脉图像提供了载体。

  2.2.4 手指静脉采集装置的设计

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  根据人手指、MT9V034摄像头镜头、红外光源模块的形状和大小,设计了手指静脉采集装置,如图3所示。在采集装置壳体中上部开有手指孔,在壳体内与手指孔相对应的位置设计有指尖定位槽,手指由手指孔及指尖定位槽固定;将近红外光源模块固定在手指孔与定位槽的正上方,在手指孔与定位槽的正下方固定摄像头,在摄像头上贴红外滤光片,用于滤除可见光;摄像头的信号输出线与VIP_Board Full FPGA开发平台的摄像头接口相连[5-7]。

3 手指静脉图像采集

  由于MT9V034寄存器中初始值满足本文手指静脉图像采集系统研制的要求,因此在设计图像采集控制模块时不需要对MT9V034进行初始化。在进行图像采集控制模块设计中,首先接收MT9V034视频图像信号,并进行同步化设计。由于MT9V034需要10帧延时,所以通过场计数延时等待MT9V034摄像头稳定,然后输出行场信号。图像采集控制模块流程图如图4所示。

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  该模块采用Verilog HDL语言编写,经过Quartus II 13.0综合生成的寄存器转换级电路(Register Transport Level,RTL)原理图如图5。clk_cmos为外部24 MHz时钟输入,由coms _xclk引出,作为MT9V034的驱动时钟,其中的24 MHz时钟由分频模块将50 MHz分频得到。cmos_pclk对应MT9V034输出像素时钟信号,cmos_vsync对应MT9V034输出场同步信号,coms_href对应MT9V034输出行有效信号,cmos_data对应MT9V034输出8 bit像素数据。coms_frame_data相对于coms_data延时了两个像素时钟。coms_frame_clken为FPGA采样后输出的数据捕获使能信号,外部模块通过该信号读取coms_frame_data。

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  MT9V034输出分辨率为752×480,其中coms_href信号为高电平有效,每一行有效像素为752个,cmos_vsync信号也为高电平有效,每一列显示有效像素是480个。cmos_vsync信号从高电平变成低电平表示一帧信号的完毕。每个黑白像素点是8 bit信号。

  SignalTap II Logic Analyzer是一款方便且实用的FPGA片上调试软件,集成于Quartus II中,可以捕获和显示实时信号 。图6为下载图像采集模块工程的sof文件到FPGA中后,通过Signal II捕获MT9V034的部分图像采集数据。如图6所示,在行有效信号coms_href起始时,摄像头采集的像素数据coms_data同步从8’h00开始输出,在行有效信号结束时,coms_data同步从输出变成8’h00。

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  从图6中分析可知,当输出行有效信号时,coms_href从采样点574开始,到2 554结束。由于输入数据位的频率为24 MHz,设置的采样时钟为60 MHz,所以一个数据平均被采样2.5次,这样每行输出像素个数的计算如下:

  NUM=(2 554-574)/2.5=752

  即一行有752个像素点,则波形与设计预期完全符合。

4 手指静脉图像缓存与显示

  4.1 图像缓存控制模块设计

  在设计图像缓存控制模块时,参考了Terasic官方开发平台中SDRAM的Verilog HDL 开发例程,官方平台上用的是Sdram_Control_4Port这个SDRAM控制器,其宏定义参数列表、控制器封装等设计都比较完善,实际运用效果很好,它有2个读端口和2个写端口。而本文设计的SDRAM控制器只需要一个读端口和一个写端口。

  本系统所选择的SDRAM的驱动时钟是100 MHz,在往SDRAM写视频图像数据的同时,需要从SDRAM读出数据在LCD上显示。本图像采集缓存控制模块设计了两个端口,一个读端口,一个写端口。写端口负责将写入DCFIFO中的数据写入SDRAM,读端口需要从SDRAM中读出图像数据写入DCFIFO中。在本设计中,SDRAM的读写均采用全页突发模式,一次可以读写256个数据[8]。由于摄像头的分辨率是752×480,所以图像数据存入SDRAM的地址空间是0~752×480。

  由于所用FPGA开发板的LCD接口电路需要的图像数据信号是24位的RGB(R、G、B各8位)信号,而摄像头采集的是8位的黑白信号,为了能在LCD上显示黑白的手指静脉图像,需要R=G=B=coms_frame_data,这样SDRAM突发读写的每个数据是24位[9]。

 4.2 LCD显示控制模块设计


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  摄像头MT9V034输出8位图像数据通过SDRAM缓存处理显示到LCD上。LCD显示控制模块经过综合生成的RTL原理图如图7所示。该模块的输入信号有时钟信号clk、复位信号rst_n、24位图像数据信号lcd_data,输出信号有RGB信号lcd_rgb、LCD使能信号lcd_en、LCD行同步信号lcd_hs、LCD场同步信号lcd_vs、LCD显示请求信号lcd_request、LCD驱动时钟信号lcd_dclk[10]。LCD的的驱动时钟为40 MHz,其由分频模块将50 MHz分频得到。

5 系统测试与效果分析

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  手指静脉图像采集系统的整体Verilog工程文件经综合生成的RTL图如图8所示,共有时钟分频、图像采集控制、图像缓存控制、LCD显示控制4个模块。

  将手指静脉采集系统的整体Verilog工程编译下载到FPGA中,调好摄像头的焦距,把采集装置的盖子固定好,将需要采集的手指放在采集装置手指槽,通过调节给近红外光源模块供电的直流稳压电源的电压大小,从而改变近红外光源模块的发光亮度,观察在TFT LCD上显示的手指静脉图像的清晰度,发现当给近红外光源模块提供14.1 V的电压时,采集出的手指静脉图像最清晰,效果如图9。图中采集的是本文作者方军右手食指正面的静脉图像,从LCD中能清晰地看到静脉的纹路。图10为图9中的手指静脉图像。

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6 结束语

  本文研制了一种以FPGA为主控芯片的手指静脉采集系统,该系统由手指静脉采集装置、近红外光源模块、MT9V034摄像头、VIP_Board Full FPGA开发板、TFT LCD显示屏组成。经测试,该采集系统具有良好的稳定性,采集显示的手指静脉图像纹路清晰,采集显示的实时性强,系统体积小等优点,因而具有巨大的市场价值,并为后期进行基于FPGA的手指静脉识别技术的研究打下坚实的基础。

参考文献

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