非接觸掌靜脈圖像采集系統設計方案

設計并實(shí)現了一種以TMS320DM6437 DSP為核心的掌靜脈圖像采集系統。本系統采用了波長(cháng)為470 nm藍光和波長(cháng)為850 nm近紅外光作為主要光源，通過(guò)手掌和光源系統非接觸的方式采集手部圖像，采集完手部圖像后，提取手部的特征信息，然后結合特征識別算法進(jìn)行身份識別。該系統主要包括CMOS傳感器、TMS320DM6437的視頻處理子系統(VPSS)和顯示器。實(shí)驗結果表明：該系統采集到的圖像清晰、系統穩定性好、采集速度快，滿(mǎn)足了系統的設計要求。

TMS320DM6437是一款32位定點(diǎn)DSP達芬奇(DaVinci(TM))技術(shù)的處理器，主要適用于對系統性能要求比較高而又要求價(jià)格低廉的客戶(hù)。該器件采用TI第2代超長(cháng)指令字(VLIW)結構(VelociTI.2)的TMS320C64x+DSP內核，主頻可達700MHz，支持8個(gè)8位或4個(gè)16位并行MAC(multiplyaccumulates)運算，峰值處理能力高達5 600 MIPS。

1 系統總體硬件結構及工作原理

本系統的基本設計思想是采用470 nm的藍光和850 nm的近紅外光主動(dòng)照射手掌，手掌和光源以非接觸的方式通過(guò)CMOS攝像頭采集手掌圖像，CMOS攝像頭把采集的圖像由光信號變成了電信號傳送到DSP進(jìn)行處理，DM6437把CMOS攝像頭傳過(guò)來(lái)的手掌圖像進(jìn)行處理，在DSP中進(jìn)行模數轉換以及一些必要的處理等，最后將處理結果通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)。

文中基于這個(gè)思想從結構上主要可分為：光源模塊、手掌圖像采集模塊、圖像信息處理模塊、數據通信與傳輸模塊、圖像顯示處理模塊5部分構成。系統結構框圖如圖1所示。

圖1：系統結構框圖

CMOS攝像頭把采集到的圖像傳送到視頻解碼芯片TVP5146中，通過(guò)視頻解碼芯片把數字信號轉換成模擬信號，DM6437通過(guò)I2C總線(xiàn)對 TVP5146芯片進(jìn)行配置，TVP5146芯片在同步信號的控制下，把采集到的手掌圖像數據以YCbCr的格式傳送到視頻處理前端進(jìn)行處理，YCbCr 的比例是4：2：2。視頻處理前端的CCDC控制器會(huì )對圖像數據進(jìn)行預處理，把處理后的圖像數據存放在DDR2里，如果要顯示圖像視頻信號，則可以在行場(chǎng)同步信號下，通過(guò)視頻處理后端讀取存儲在DDR2中的視頻數據在經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)顯示屏進(jìn)行顯示。

2 TVP5146簡(jiǎn)介

TVP5146芯片是一款專(zhuān)門(mén)用于圖像和視頻的解碼芯片，可以把模擬視頻信號轉換為數字視頻信號。

TVP5146有以下特點(diǎn)：它可以把復合視頻信號和PAL制信號解碼成數字信號;它有4路模數轉換通道，能把Y/C信號、CVBS信號、RGB信號與 YCbCr信號等進(jìn)行模數轉換。模擬信號以2倍的頻率進(jìn)行采樣或者通過(guò)ITU—R BT.601頻率進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過(guò)降低頻率和濾波到像素頻率進(jìn)行輸出;CVBS信號解碼：通過(guò)芯片內部的5線(xiàn)自適應梳狀濾波器可以把亮度和色度分離出來(lái)，這樣可以增強亮度和色度分離的效果，有效的降低了亮度與色度的互相干擾;TVP5146主要功能模塊包括：4路10通道A/D轉換的模擬前端模塊;可進(jìn)行同步檢測的時(shí)鐘處理模塊;VBI數據處理模塊;復合視頻信號和Y信號處理模塊;RGB格式信號及YCbCr格式信號處理模塊;輸出格式模塊;I2C總線(xiàn)模塊;拷貝保護檢測模塊。

3 圖像采集模塊的設計

在本系統中，DM6437的YI[0：7]視頻輸入口與TVP5146輸出接口Y2-Y9連接，通過(guò)I2C總線(xiàn)的方式對解碼器的寄存器進(jìn)行初始化操作。由于信號輸入端口選擇的是VI_2_B，所以需要將模擬通道寄存器設置為05H，由于輸出的是PAL制式，所以需要將視頻標準寄存器設置為02H。制式選擇寄存器設置成3FH，它表示的是NTSC制式和PAL制式自動(dòng)選擇。顏色控制寄存器設置成04H，它的作用是NTSC和PAL最優(yōu)化顏色捕捉。初始化寄存器1設置成43H，它的作用是選擇10位4：2：2的輸出格式。把初始化寄存器2設置成11H，它的作用是YC bCr和時(shí)鐘輸出使能。把初始化寄存器4設置成AFH，它的作用是垂直同步信號和水平同步信號輸出使能。DM6437的PCLK時(shí)鐘信號由解碼器的 DATACLK，作為視頻輸入的時(shí)鐘信號，DM6437的行場(chǎng)同步信號都是由視頻解碼器提供。電路連接圖如圖2所示。

圖2：TVP5146與DM6437連接圖

4 視頻處理子系統(VPSS)

TMS320DM6437的視頻處理部分主要包括視頻處理前端(VPFE)系統和視頻處理后端(VPBE)系統，這兩個(gè)部分也被稱(chēng)為 DM6437的視頻子系統VPSS。視頻處理前端的主要功能是接受圖像傳感器或者視頻解碼器傳過(guò)來(lái)的數字視頻數據，主要有CVBS數據、RGB格式數據、 YCbCr格式數據等數據類(lèi)型，視頻處理前端會(huì )把接收到的數據做一些處理。視頻處理后端的主要功能是輸出視頻前端處理器處理后的數字數據，經(jīng)過(guò)視頻處理后端的一些處理后把數字視頻數據傳送到顯示窗口進(jìn)行顯示等。VPSS功能結構圖如圖3所示。

圖3：VPSS功能結構框圖

4.1 視頻處理前端(VPFE)

CCDC控制器接受來(lái)自CMOS的視頻信號，依次經(jīng)過(guò)數據和采樣模塊、光黑鉗位模塊、黑電平補償模塊、數據格式化和視頻端像素選擇模塊來(lái)對視頻信號進(jìn)行處理，處理后把圖像傳輸到預覽器模塊，在預覽器模塊中主要進(jìn)行中值濾波、噪聲濾波器、CFA插值、Gamam校正、RGB到YCbCr的轉換，將圖像數據變成YCbCr4：2：2的格式。把處理后的圖像存入緩沖區DDR2中，Y存入0X82000000，Cb存入0X8204B000，Cr存入 0X82096000，等待視頻處理后端(VPBE)進(jìn)行處理。

4.2 視頻處理后端(VPBE)

TMS320DM6437的視頻處理后端主要包括OSD模塊和VENC模塊，它的主要作用是輔助圖像和視頻在顯示屏上進(jìn)行顯示。OSD模塊的主要作用是把圖像數據和視頻數據轉換成同一個(gè)數字視頻的格式。VENC主要包括視頻編碼模塊、數字LCD控制器模塊和時(shí)序產(chǎn)生器模塊3部分，視頻編碼模塊主要是完成數字視頻到模擬視頻的轉換;數字LCD控制器模塊主要的作用是控制各種數據輸出時(shí)所需要的時(shí)鐘信號;時(shí)序產(chǎn)生器主要是給編碼模塊和數字控制器模塊提供時(shí)鐘信號。

5 實(shí)時(shí)顯示電路的設計

實(shí)時(shí)顯示電路主要是依靠DM6437、輸出驅動(dòng)OPA361、顯示屏來(lái)完成的，DM6437把數字信號輸入到OPA361中，OPA361允許經(jīng)過(guò)模數轉換器的直流共模視頻信號輸入，從而驅動(dòng)顯示器進(jìn)行顯示。圖4為系統實(shí)時(shí)顯示電路的框圖。

圖4：顯示電路框圖

顯示屏主要是用于顯示圖像以及識別結果，在使用前需要對液晶顯示模塊進(jìn)行初始化的操作，主要包括選擇數據的傳輸接口、顯示器的亮度、顯示窗口大小的設定等。在本設計中，采用的是A/V數據接口，顯示模式為NTSC制式，寬屏顯示，所以我選擇了JSC-70MD這個(gè)型號的產(chǎn)品。

6 外部存儲模塊

TMS320DM6437有一個(gè)專(zhuān)用的存儲器DDR2接口，DDR2存儲器的主要作用是用來(lái)存儲程序和數據以及當做視頻圖像處理過(guò)程中的緩沖區，它的內部存儲大小為256 MB。異步存儲器接口主要是用來(lái)接口Flash，主要作用是存儲固化代碼，大小為64 MB。DM6437設備提供了一條32-bit寬的DDR2總線(xiàn)，EVM通過(guò)該總線(xiàn)可與16-bit或32-bit的DDR2 SDRAM設備相連，內部存儲空間大小為128 MB，主要的作用是存儲程序和數據。

7 音頻輸出模塊設計

語(yǔ)音模塊主要功能是對用戶(hù)進(jìn)行操作提示和播報識別結果，如果用戶(hù)手掌放置錯誤則系統會(huì )通過(guò)語(yǔ)音模塊進(jìn)行提示用戶(hù)。

7.1 語(yǔ)音芯片的選擇

本設計選用的語(yǔ)音芯片型號為WT588D-U，該模塊的工作電壓為直流電壓2.8伏到5.5伏之間可調，內部存儲的空間大小為32 MB;內部有一個(gè)13位的數模轉換器，一個(gè)12位的脈沖寬度調制控制音頻輸出方式;PWM可以直接驅動(dòng)0.5 W的揚聲器;它有DAC/PWM兩種輸出方式;可以加載500段語(yǔ)音;下載方式為USB下載。

7.2 語(yǔ)音模塊連接圖

語(yǔ)音模塊的控制方式主要有一線(xiàn)串口控制、三線(xiàn)串口控制和按鍵控制3種方式。本管腳描述如下：PWM+和PWM-表示的是輸出管腳，兩者組合可以直接驅動(dòng)外接揚聲器工作;VDD是數字電源輸入腳;BUSY引腳表示的是語(yǔ)音忙信號;P03是一線(xiàn)數據和地址輸入管腳。本系統控制方式為一線(xiàn)控制模式，電路中使用到的管腳描述如圖5所示。

圖5：語(yǔ)音模塊電路連接圖

M6437通過(guò)GPIO45和語(yǔ)音模塊的P03相連，采用一根信號線(xiàn)傳送數據和命令。PWM+與PWM-引腳驅動(dòng)額定功率為0.5 W的外接揚聲器，沒(méi)有使用的引腳接通過(guò)10k電阻直接接地，它的作用是保護電路。

7.3 語(yǔ)音模塊控制方式

本系統采用的是一線(xiàn)串口控制模式，一線(xiàn)串口控制方式就是通過(guò)一條信號線(xiàn)控制語(yǔ)音輸出，通過(guò)不同的電平占空比來(lái)表示數據位0和數據位1。語(yǔ)音模塊在傳送數據前，先把數據信號延遲5 ms在進(jìn)行傳送。在發(fā)送數據時(shí)，通過(guò)發(fā)送地址數據就能直接觸發(fā)播放語(yǔ)音。未發(fā)送的地址或者命令數據用D0到D7表示，地址指令為00H到DBH，音量調節命令的地址為EOH到E7H，循環(huán)命令用F2H表示，暫停命令用FEH表示，圖6為控制時(shí)序圖。

圖6：語(yǔ)音模塊控制時(shí)序圖

8 紅外感應模塊設計

為了使該裝置能夠實(shí)現自動(dòng)檢測用戶(hù)手掌是否到來(lái)以便打開(kāi)采集系統，因此系統采用了紅外感應模塊;當用戶(hù)手掌垂直距離鏡頭表面20 cm時(shí)，可以使手掌信息完整呈現在圖像傳感器視野范圍內，所以紅外感應模塊的感應距離應該至少為20 cm。本裝置采用的漫反射型紅外感應模塊IR-08H，由能發(fā)射近紅外光的二極管和接收反射回來(lái)光線(xiàn)的二極管組成，當用戶(hù)手掌到達檢測位置時(shí)會(huì )阻礙發(fā)射管持續發(fā)出的近紅外光線(xiàn)，此時(shí)接收管開(kāi)始接收光線(xiàn)，然后驅動(dòng)輸出端OUT電平變化，通過(guò)調整距離調節旋鈕來(lái)控制發(fā)射紅外線(xiàn)的長(cháng)度，以達到要求的檢測距離。

紅外感應模塊與DSP連接圖如圖7所示，將GPIO59引腳作為輸入端口，檢測輸入信號電平變化，實(shí)現感應功能;若感應到手掌，系統進(jìn)入登陸模式;若沒(méi)有感應到手掌，系統維持省電模式，即圖像傳感器和液晶顯示模塊不工作。

圖7：紅外感應模塊與DSP連接圖

9 結論

文中設計了一套基于TMS320DM6437的非接觸式手多模態(tài)特征采集系統，本套系統具有很強的實(shí)用性和可行性，有效的提高了身份識別的準確率，受到了用戶(hù)的高度贊揚。