（电路与系统专业论文）基于dsp的静脉图像处理系统研究.pdf

摘要 随着社会的发展和技术的进步，生物识别技术的应用越来越广泛。静脉识别技术 以其独特的优势，近年来受到了越来越广泛的关注。 本文针对“基于手静脉信息的身份识别技术研究”课题的要求，在介绍了静脉识 别技术发展现状的基础上，给出了基于d s p 的嵌入式系统设计方案。 本文以1 r i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 处理器为核心进行系统硬件设计。系统主要包 括c c d 传感器、a d 转换器、可编程逻辑器件f p g a 、同步静态存储器s r a m 及f l a s h 。 在此基础上，针对手静脉图像的特点，对静脉图像处理算法进行研究，主要完成了静 脉图像的二值化、细化、特征提取和特征匹配等算法。并进行了静脉图像处理应用程 序设计。 系统通过调试后，实现了对手静脉图像的处理，基本满足系统设计要求。 关键词：生物识别手背静脉识别d s pf p g a a b s t r a c t b i o l c i g i c a lr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g ya p p l i e sm o r ea n dm o r ew i d e l y 邪t h es o c i a l d e v e l o p i n ga n dt e c h n o l o g yi m p r o v i n g v e i nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yh a st a k e nm o r ea t t e n t i o n i nr e c e n ty e a r sw i t hi t su n i q u ea d v a n t a g e s t h i st h e s i sa i m sa tt h er e q u e s to ft h er e s e a r c ho fh o wt oi d e n t i f yw i mt h ev e i n i n f o r m a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ev e i ni d e n t i f yt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d ad e s i g nm e t h o d o f e m b e d d e ds y s t e mb a s e d0 1 1d s pi sp r o p o s e d t h i st h e s i sd e s i g n st h es y s t e mh a r d w a r ea c c o r d i n gt ot m s 3 2 0 v c 5 4 1 6p r o c e s s o ro f t i 1 1 1 es y s t e mi n c l u d e s ：c c ds e n s o r a dc o n v e r t e r , f p g a s y n c h r o n o u sr a ma n df l a s h r o m b a s e do nt h es y s t e m ，t h ev e i ni m a g ep r o c e s s i n ga r i t h m e t i ci sr e s e a r c h e df o rt h e c h a r a c t e r i s t i co fh a n d sv e i ni m a g ea n dt h eb i n a r i z a t i o n , t h i n ，f e a t u r ee x t r a c t i o na n df e a t u r e m a t c h i n go ft h ev e i ni m a g ea r ed o n e ，t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo fv e i ni m a g ep r o c e s s i n gi s d e s i g n e d n l es y s t e ma c h i e v e sv e i ni m a g ep r o c e s s i n go fh a n d sa sp a s s i n gt h et e s t sa n ds a t i s f i e s t h es y s t e md e s i g nr e q u e s t s k e yw o r d s ：b i 0 i o g i c a ir e o o g n i t i 0 1 1v e i nr e c o g n i t i o nb a c ko fh a n dd s pf p g a i l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，手背静脉信息采集装置的研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：盔9 骛鲤年旦月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 荔鹂 堕年互月旦日 燧各学吻孙 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 传统的身份鉴定方法包括身份标识物品( 如钥匙、证件、a t m 卡等) 和身份标识 知识( 如用户名和密码) 。传统的身份鉴定方法主要借助体外物，一旦证明身份的标识 物品和标识知识被盗或遗忘，其身份就容易被他人冒充或取代。生物特征识别是通过 利用个体特有的生理和行为特征来进行身份识别和( 或) 个体验证的一门科学( 生物 测定学) 。生物特征识别技术与传统的身份鉴定方法相比更具有可靠性。人体特征具有 不可复制的唯一性，人体本身所固有的生理特征包括面部特征、指纹、手型、基因、 体热辐射与身体气味、眼部特征( 视网膜、虹膜) 、腕部手部面部静脉血管模式等。 这些特征无法复制，失窃或被遗忘，它不随客观条件和主观意愿而改变，因此可用于 人体的身份识别。生物识别技术比传统的身份鉴定方法更具安全、保密和方便性，越 来越受到人们的重视，并开始进入社会生活的各个领域”1 。 生物识别技术0 1 可广泛用于政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务、安全防 务等。例如，在美国德克萨斯洲联合银行营业部：一位储户走进了银行，他既没带银 行卡，也没有回忆密码就径直提款，当他在提款机上提款时，一台摄象机对该用户的 眼睛扫描，然后迅速而准确地完成了用户身份鉴定并办理完业务。而该营业部所使用 的正是现代生物识别技术中的“虹膜识别系统”。美国9 1 1 事件后，反恐怖活动已成为 各国政府的共识，加强机场的安全防务十分重要。美国维萨格公司的脸象识别技术在 美国的两家机场大显神通，它能在拥挤的人群中挑出某一张面孔，判断他是不是通缉 犯。 静脉识别是以人体静脉血管图像为身份识别的应用依据。手背静脉作为重要的身 份鉴别特征，具有唯一性、稳定性、可采集性、非侵犯性等特点，非侵犯性( 非接触性) 的识别是身份鉴别研究与应用发展的必然趋势，与脸像、声音等非接触式的身份鉴别 方法相比，人的静脉具有更高的准确性。尤其近年来，随着红外技术的发展，对人体 手背血管分布的探测已越来越精确。 早期生物特征识别技术产品均借助于计算机技术实现，虽然很容易配合电脑和安 全、监控、管理系统整合，实现自动化管理，但其应用范围受到限制。为使生物识别 技术广泛应用于公共安全、金融业务、社会福利保障、电子商务，直至家居保安和个 人私隐等消费类市场，嵌入式需求至关重要。数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 简称d s p “1 ，是指专用于数字信号处理的高速器件。d s p 最突出的两大特色 是强大的数据处理能力和高速运行速度，加上具有可编程性，实时运行速度可以达到 每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器。因此丌发基于d s p 技术的静 脉识别系统将具有很重要的现实意义。 1 2 静脉识别原理 生物识别所依据的不是传统的标识物品或标识知识，而是依靠人类自身所固有的 生理或行为特性进行身份验证的一种解决方案。生物识别技术是通过计算机与光学、 声学和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特征和行为特征 来进行个人身份的鉴定。人们会丢失他们的卡片或忘记密码，但是人们却完全不可能 遗忘或者丢失自己的生物特征。能够用来进行生物识别的生物特征应具有广泛性、唯 一性、稳定性等特点。生物特征识别技术可分为基于生理特征的识别技术与基于行为 特征的生物特征识别技术。生理特征是与生俱来的，大多是先天形成的，生理特征识 别包括：面部特征、指纹、手型、虹膜、面部或手部静脉模式等。行为特征主要是后 天的生活环境和生活习惯决定的，包括：语音、签名、步态、击键等“。 在所有的生物特征中，指纹相对稳定，但采集指纹具有侵犯性的。面相特征具有 很多优点，如主动性、非侵犯性和用户界面友好等，但面相会随年龄变化，而且容易 伪装。语音特征具有与面相特征相似的优点，也会随年龄、健康状况及环境等因素而 变化，而且语音识别系统也比较容易被录音所欺骗、伪造。虹膜特征识别解决了上述 问题，同时也具有上述其他生物特征所具有的一些优点，不过技术没有指纹成熟，而 且造价高。 医学研究以及国际上对手背静脉识别的研究表明，根据人体骨骼、肌肉组织的特点， 当入射光波长在0 7 2 一1 1 0 u m 时”1 ，能够较好地穿透骨骼和肌肉，凸现出血管结构。所 有人的静脉血管图像都不一样，绝大多数人的静脉血管图像随着年龄增长不会发生根 本性的变化嘲。静脉识别作为一种生物识别技术，其优点为： ( 1 ) 具有很强的普遍性和唯一性； ( 2 ) 静脉血管位于体表内，是非接触性的信息采集，不会造成采集界面污染； ( 3 ) 由于是身体内部的血管特征，很难伪造或是手术改变； ( 4 ) 可以避免一旦皮表受损害而无法进行指纹识别的缺陷： ( 5 ) 相比d n a 、虹膜识别，采集过程十分友好； ( 6 ) 不会有使人联想到犯罪数据库的恐慌： ( 7 ) 设备成本低廉，具有广泛的应用前景。 静脉识别的过程是比较复杂的，为了保证提取静脉图像的特征对静脉在图像中的 大小不变性，要在特征提取和识别前对静脉图像进行静脉图像处理算法处理，提取出 静脉图像特征值并与特征值数据库中的静脉图像特征值进行匹配，从而实现静脉识别。 静脉识别流程如图1 1 所示： 2 图i i 静脉识别流程图 1 3 静脉识别技术国内外研究现状 国内最早开始研究手背静脉识别的是清华大学，清华大学精密测试技术及仪器国 家重点实验室2 0 0 3 年发表过文章，主要工作是利用自行设计的静脉图像识别仪采集手 背静脉血管的原始图像，并对手背静脉血管图像的特征提取以及匹配算法进行研究。 文中给出了6 5 个小范围样本的匹配试验结果，在拒真率为4 6 条件下，误识率为0 。 2 0 0 5 年哈尔滨工程大学王科俊等，提出了一种新的手背静脉图像阈值分割方法，其中 静脉的特征提取和匹配方法与清华大学的文章类似。 韩国汉城大学电子工程系有一篇关于手背静脉识别算法的文献( a nb i o m e t r i e i d e n t i f i c a t i o ns y s t e mb ye x t r a c t i n gh a n dv e i np a a e m s ) 介绍了传统的静脉识别算法以及 如何用昂贵的d s p 处理器处理浮点运算和提高实时性要求，缩短识别时间，文献中描 述静脉识别算法主要包括三大部分：静脉图像的获取：静脉图像预处理；静脉识别。 图像预处理部分主要由高斯低通滤波、高斯高通滤波、阈值处理、双线性滤波、以及 改进的中值滤波等组成。通过对5 0 0 0 个样本进行实验，识别率达到9 4 8 8 。 韩国n e x t e r n 公司采用该技术自1 9 9 8 年以来分别研制出了4 套手背静脉识别系 统的产品b k l 0 0 ，b k 2 0 0 ，b k 3 0 0 ，b k 5 0 0 ，前3 套已经陆续投入使用，b k 系列产品 已经是比较成熟的产品。其中b k 3 0 0 系统利用红外线采集手掌静脉血管分布图，采集 比对响应时间为1 秒，而且脱机独立工作9 1 。日本富士通公司采用手掌静脉影像识别的 技术，这种技术通过红外线对人的静脉影像进行记录和分析，并据此进行身份验证， 在识别人数在1 0 0 0 人之内时，未出现差错“”。 美国田纳西大学的a h m e d m b a d a w i 在论文中提到用一个c c d 视频摄像头来采集 血管的图像，c c d 物镜端装有红外滤光片以避免可见光到达传感器，来构建一个手部 静脉的纯红外图像，并且通过电脑转化为数字图像，以便于处理和存储。 南洋理工大学计算机工程学院的l i n g y uw a n g 和g r a h a ml e e d h a m 在论文中提到， 静脉隐藏在皮肤下面，通常我们肉眼以及其它的可见光检测系统是不可见的。人体的 浅表静脉的温度比周围组织的温度要高，因此，通过一个热摄像机获取手背静脉的图 像。在这项工作中，使用了一个n e c 热跟踪仪来获取手背图像。该论文所提出的系统 包含五个独立的处理阶段：手部图像获取，图像增强，静脉图像分割，结构化以及匹 配。 1 4 论文研究的内容 本论文以静脉识别系统为应用背景，研究了静脉识别系统的设计方案。静脉图像 处理系统采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 处理器作为图像数据处理平台，并外扩一片 现场可编程逻辑门阵列f p g a ，利用f p g a 进行系统时序逻辑控制，可使整个系统体 积减小，增强d s p 访问外设的能力，提高系统可扩展性以及资源利用率。本文的研究 主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 以静脉识别系统为应用背景，提出了基于d s p 的嵌入式系统设计方案。完成 了核心处理器d s p 的选型。并在充分研究通用数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的结构 特点和提供的软件开发支持能力的基础上，完成了静脉图像处理系统的设计。 ( 2 ) 在充分研究通用数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的结构特点和提供的软件开 发支持能力的基础上，完成静脉识别系统的硬件和软件设计。 ( 3 ) 深入研究手背静脉图像识别算法。在硬件系统基础上，充分发挥v c 5 4 1 6 d s p 的处理特点实现背静脉图像识别算法。 4 2 1 系统设计方案 第二章系统总体方案设计 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软 硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用 计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的 应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。与传统 p c 机相比，嵌入式系统具有低功耗、体积小、集成度、可靠性强高等特点。像现在已 经广泛应用的指纹识别考勤机就是嵌入式系统。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间， 从而使内部的代码和实时内核心的执行时| 日j 减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化， 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能， 同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处 理器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信 设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至u w 级。 本文的静脉识别系统就采用了嵌入式系统的的设计方案，系统的核心处理器选择 了d s p 芯片。并且采用了d s p + f p g a 架构的信号处理模式，f p g a 负责系统的时序逻辑控 制。静脉识别系统框图如图2 1 所示。 图2 1 静脉识别系统框图 2 2 d s p 的选型 目前市场上，生产d s p 的厂商众多，有a d 、m o t o r o l a 、t i 、l u c e n t 、a t & t 5 等。美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ) 是世界上最知名的d s p 芯片生产厂商，其产品 应用也最广泛，1 r i 公司生产的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片广泛应用于各个领域。由于 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所以逐渐成为目 前最有影响、最为成功的d s p 系列处理器。另外，相应的开发工具也提供了有力的支 持，软件开发工具有c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ，它是一个集成性的软件开发工具。 硬件开发工具有硬件仿真器。 1 1 公司在市场上主要有三大系列产品： ( 1 ) 面向数字控制、运动控制的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，主要包括t m s 3 2 0 c 2 4 x f 2 4 x 、 i m s 3 2 0 l c 2 4 0 x l f 2 4 0 x 、t m s 3 2 0 c 2 4 x a l f 2 4 0 x a 、t m s 3 2 0 c 2 8 x x 等。 ( 2 ) 面向低功耗、手持设备、无线终端应用的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列，主要包括 t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 5 4 x x 、t m s 3 2 0 c 5 5 x 等。 ( 3 ) 面向高性能、多功能、复杂应用领域的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，主要包括 7 i m s 3 2 0 c 6 2 x x 、7 i m s 3 2 0 c 6 4 x x 、t m s 3 2 0 c 6 7 x x 等。 d s p 芯片的选型根据实际应用场合和设计目标，主要参数包括以下几个方面： ( 1 ) 运算速度：首先我们要确定数字信号处理的算法，算法确定以后其运算量和完 成时间也就大体确定了，根据运算量及其时间要求就可以估算d s p 芯片运算速度的下 限。有一下几个性能指标：指令周期，即执行一条指令所需的时自j ，通常以n s ( 纳 秒) 为单位；m i p s ：即每秒执行百万条指令，一般是指峰值指令执行速率；m f l o p s ： 每秒百万次浮点操作，它是表征浮点d s p 处理性能的重要指标；廷) m o p s ：每秒百万 次操作，除了包括c p u 的操作外，还包括地址计算、d m a 访问、数据传输、i o 操 作等； ) m a c 时间：用基本的m a c 运算的完成时间，作为比较处理器的尺度。d s p 的数据传输能力一般用m b p s ( 百万位秒) 来衡量，通常指某个总线或i o 口的带宽， 是对总线或i o 口数据吞吐率的量度。 ( 2 ) 数据类型：一般情况下，浮点d s p 芯片的运算精度要高于定点d s p 芯片的运 算精度，但是功耗和价格也随之上升。一般定点d s p 芯片的字长为1 6 位、2 4 位或者 3 2 位，浮点芯片的字长为3 2 位。累加器一般都为3 2 位或4 0 位。定点d s p 的特点 是主频高、速度快、成本低、功耗小，主要用于计算复杂度不高的控制、通信、语音 图像、消费电子产品等领域。通常可以用定点器件解决的问题，尽量用定点器件，因 为它经济、速度快、成本低，功耗小。 ( 3 ) 成本：d s p 的成本也是一个需要考虑的重要问题。对于产品来说，成本越低竞 争力自然越强，但便宜的芯片总是功能较少，性能较差。另一方面，由于d s p 发展迅 速，价格总是持续下跌的，而且订货量越大，价格越低。因此，也不必过于追求成本 的低廉。 ( 4 ) 功耗：在有些应用场合，功耗是一个需要着重考虑的问题。为此，许多芯片厂 商都推出了低功耗器件，加强了电源管理功能。 ( 5 ) 硬件资源：d s p 芯片硬件资源越丰富，与外设的接口就越方便，越容易实现系 6 统各种功能的要求。硬件资源短缺，开发起来难度就大，性能指标越不易满足。 t i 公司目前主流d s p 的综合比较如表2 - 1 所示： 表2 - 1 1 7 公司主流d s p 芯片比较 比较项目 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6t m s 3 2 0 c 5 4 1 0t m 8 3 2 0 c 6 2 0 1t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 主频( m h z ) 1 6 01 0 02 0 05 0 0 数据类型定点定点定点定点 指令字长 1 61 61 6 3 21 6 3 2 8 m 2 5 6 k 片上 存储器 8 m 5 6 k 片上r a ml m b i tl m b i t r a m ，3 2 k 片上r o m d m a 通道6 + 1 ( h p i 口)6 + l ( h p i 口)4 + l ( h p i 口)4 + l ( h p i 口) 串口3 个3 个2 个 2 个 并口 h p i 8 h p i 1 6h p i 一8 h p l 1 6h p i 1 6h p i 一1 6 电压( v ) 1 6 3 32 5 3 31 8 3 31 2 3 3 功耗 5 w 5 w 5 5 w m( 4 2 ) r 一 f ( i ，) = m o 一4 v o f ( i ，) 一m 】2 v f ( i ，j ) m( 4 3 ) 其中，f ( i ，_ ，) 为归一化后的灰度值，眠、f ( i ，j ) 为原始图象的均值、方差与( f ，_ ，) 点的灰度值。m 、v 为归一化后的均值与方差。 4 4 3 二值化处理 在手背区域内，包含着一些可能会对最终细化结果造成影响的高频噪声。噪声是 不可预测的随机信号，噪声对图像处理十分重要，它影响图像处理的输入、采集、处 理的各个环节以及输出结果的全过程。因此，采用邻域平均法在二值化处理之前对图 像进行平滑操作以消除高频噪声对后续处理的干扰。 邻域平均法是简单的空域处理方法。这种方法的基本思想是用几个像素灰度的平 均值来代替每个像素的灰度。假定当前像素为f ( x ，y ) ，其邻域s 为一n x n 个像素的 图像区域，平滑处理后得到的当前像素为g ( x ，y ) 。g ( x ，y ) 由下式决定： 1 g ( x ，力= 言艺f ( m ，功 ( 4 4 ) o u ( m n ) e s 式中，s 是( x ，j ，) 点邻域中点的坐标的集合，肘是集合内坐标点的总数。该式说明， 平滑的图像g ( x ，y ) 的灰度值均由包含在( x ，y ) 的邻域中的几个像素的灰度值的平均值 来决定。出于对实际效果的观察和计算开销的考虑，这里选择对当前像素进行7 7 邻 域取平均值代替当前像素灰度值的方法。 二值化处理就是区分图像中的前景目标和背景。由于静脉图像静脉线条与背景灰 度在一定范围内存在混叠，利用全局阈值对图像进行分割可能会把图像的局部细节忽 略，本算法采用动念阂值进行分割。 二值化处理的模板的大小为5 x 5 ，求5 x 5 范围内图像像素灰度的均值，把它作为 模板中心处像素灰度( 模板大小根据实际情况选择) 。新创建一个位图t ( x ，y ) ，设置新创 建的位图的每一个像素点灰度初始值都为0 ，原始图像为f ( x ，y ) ，位图的第一个像素在 图像的左下角，从f ( x ，y ) 左下角开始，用模板计算得到第一个灰度值t o ，它对应的像素 位置应该是( 2 ，2 ) ，于是我们就设置新位图的( 2 ，2 ) 点的灰度值为t o ，即t ( 2 ，2 ) = t o ，然 后把整个模板右移一个像索，计算出新阈值t o 作为新位图( 2 ，3 ) 点的灰度，即t ( 2 ，3 ) 为 t l 。以此类推，直到计算出整个阈值图像t ( x ，y ) 。把得到的新图像t ( x ，y ) 称为阈值图 像，之所以称之为阈值图像，是因为要把整幅图像作为原始图像的阙值，拿原始图像 和阈值图像逐点比较： if ( x ，y ) = o ，( 厂( x ，y ) r ( x ，y ) )、 l f ( x ，y ) = l ，( 厂( x ，y ) r ( x ，y ) ) 、7 图4 6 为利用上述算法进行二值化处理后的结果。图4 7 为采用降噪算法后的结果。 图4 6 二值化处理后的效果图图4 7 降噪后的效果图 4 4 4 细化处理 求一个图象骨架的过程通常称为图象细线化的过程。经过细线化后，图象中的所有 线条的幅宽均为一个像素。将所有连通域处于外界的点一层一层地剥掉，最后剩下的 中间部分的点构成了中轴。在去层时，需要不改变原有区域的连通性。为此，在这个 逐步消去边界点的过程中，需要考虑在何种情况下当i j 点不能被删除。显然，内部点、 端点、孤立点不能删除。此外，如果删除该点会改变连接情况的点也不能删除。如果 当前点为连通域的边界点，并且删除它后，不改变连通性，则可以删除。图4 8 为细化 后的最终结果。 图4 8 细化后的效果图 4 4 5 特征提取 本文选择手背静脉图像线条角度参考值对构成图像中的线条进行描述，利用线条 间彼此顺序关系，形成角度参考值向量，该向量在含有线条数量信息的同时也含有线 条的度量信息。 线条角度参考值向量是指由一个端点a 出发，按顺时针方向，计算该端点与下一端 点b 构成线条的角度参考值，然后再以下一端点b 出发，计算与其相邻端点c 构成线条 的角度参考值，依次计算直到回到端点a 为止。虽然一个线条的角度参考值不具有描述 线条的特性，但按顺序形成的线条角度参考值序列可以描述整幅静脉图像。静脉线条 角度参考值如图4 9 所示。 图4 9 线条角度参考值 d 这里编号l 的线条起点为a ，终点为b ，按上面描述的角度参考值算法进行计算， 得到该线条方差；线条2 、3 、4 、5 均按该思路进行。从而得到对线条角度参考值序列， 即为静脉图像的特征值。将特征值保存在系统外扩的f l a s h 中，建立特征值数据库。 4 4 6 特征匹配 在实际应用时在数据库中搜索与待匹配特征值个数相同的特征值，然后将待匹配 序列的第一个元素与原始序列中的每一个元素进行比较，判别准则为三二； 2 0 ( 这 a 里y 为待匹配序列元素，x 为原始序列元素) ，如果满足该判定准则，则比较待匹配序 列下一元素和原始序列下一个元素是否满足该判定条件，依次进行判定，若均满足判 定条件，则认为匹配通过，否则匹配失败。 4 5 串口通信程序 串口通信部分分为信息接收和信息发送，编程时信息接收采用中断方式，信息发 送采用查询方式。图4 1 0 为串口通信流程图： 图4 1 0 串口通信流稗图 编程工作需要对t l l 6 c 5 5 0 进行必要的初始化，并编写简单的中断程序，在中断 服务程序种完成数据的接收和发送。 首先需要对t l l 6 c 5 5 0 进行必要的初始化，程序如下： 1 6 c 5 5 0 # d e f i n er b rp o r t 2 0 0 0接收缓冲寄存器 # d e f i n et h rp o r t 2 0 0 0 发送缓冲寄存器 # d e f i n ei e r p o r t 2 0 0 l ，中断使能寄存器 # d e f i n ei i r p o r t 2 0 0 2 中断标忠寄存器 # d e f i n ef c rp o r t 2 0 0 2f i f o 控制寄存器 # d e f i n el c rp o r t 2 0 0 3线路控制寄存器 # d e f i n em c rp o r t 2 0 0 4m o d e m 控制寄存器 # d e f i n el s r p o r t 2 0 0 5 线路状态寄存器 # d e f i n em s rp o r t 2 0 0 6 m o d e m 状态寄存器 # d e f i n es c rp o r t 2 0 0 7 糟存蔫存器 # d e f i n ed l l p o r t 2 0 0 0 低位除数寄存器 # d e f i n ed l mp o r t 2 0 0 1 ，低位除数寄存器 并编写简单的中断程序，在中断服务程序种完成数据的接收和发送。 v o i dr e c i v e ( u n s i g n e dc h a r + p ) u n s i g n e di n tu w o r k ； i n t i ： f 0 “i = o ；j w i d t h h e i g h t ；i 抖) d o u w o r k = l s r ； ) w h i l e ( ( u w o r k & 1 ) = 0 ) ； + ( p + i ) = r b r ； i f ( i = 一r o w 2 ) d a t r o w 2 + = r b r ； e l s e d a t r o w 2 = ( r b r 8 ) & 0 x f f 0 0 ； 4 6 时序控制程序 系统采用一片f p g a 对外部芯片的时序进行控制，在时序控电路中的程序设计主 要是对外部电路的控制信号的时序设计。f p g a 在本系统中主要完成系统读写外扩存储 器和读取双口r a m 的时序控制设计。 本系统外扩了一片2 5 6 k 字的f l a s h 和一片1 m 字的s r a m 芯片，因此存储器的控 制信号除了通常的片选、读写控制、等待、清除控制信号外，还包括了分页片选信号。 图4 1 1 为系统时序控制设计图。图4 1 2 为顶层原理图。 图4 1 l 系统时序控制设计图 图4 1 2 时序控制电路顶层原理图 第五章系统调试 5 1 系统硬件调试 ( 1 ) j t a g 接口 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议( i e e e 1 1 4 9 1 兼容) ，主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持j t a g 协议，如d s p 、 f p g a 器件等。标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d 0 ，分别为模式选择、时钟、 数据输入和数据输出线。j t a g 最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部 定义一个t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ；测试访问口) 通过专用的j t a g 测试工具对进行内部 节点进行测试。j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链， 能实现对各个器件分别测试。 j t a g 接口结合配套的仿真软件可以提供一个实时的硬件仿真与调试环境。在系统 设计中d s p 的设计都通过j t a g 接口实现。 ( 2 ) d s p 系统硬件调试 首先进行模块级调试，按照各模块功能调试相应电路，包含静脉图像数据采集电路、 f p g a 电路、d s p 及外围接口电路、电源电路。在此基础上，进行各模块间逻辑功能调 试，最后进行系统硬件总联调。 5 2 系统软件调试 5 2 1 时序控制程序调试 m a x + p l u si i 是a l t e r a 公司提供的f p g a c p l d 开发集成环境，m a x + p l u si i 界面友好， 使用便捷，被誉为业界最易用易学的e d a 软件。在m a x + p l u s i i 上可以完成设计输入、 元件适配、时序仿真和功能仿真、编程下载整个流程，它提供了一种与结构无关的设 计环境，是设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。 d s p 存储空蚓的扩展主要包括对数据空间和程序空间的扩展。根据d s p 片上及片 外存储空间的分配情况，在d s p 外扩了一片以s r a m 用于数据空间，同时外扩了一片 f l a s h 用于掉电过程中存储程序而用。根据d s p 的b o o t l o a d e r 的特点，在上电 b o o t l o a d e r 时将f l a s h 映射到d s p 的数据空间，b o o t l o d e r 后将f l a s h 映射到d s p 的程序空间，同时将r a m 映射到d s p 的数据空间，对二者的区分主要是通过f p g a 的译码电路对r a m 和f l a s h 的片选信号进行区分的。 d s p 中的读写信号为同一个信号线，当读外部的芯片时，此信号线代表的是读信 号，为高电平；当写外部的芯片时，此信号上出现的是写信号，为低电平。因为外部 的芯片的读写信号都是低电平有效，因此得在f p g a 中经过逻辑改变后，才能控制外 部器件。d s p 的读写信号线缺省的状态是读信号状态，即为高电平。 s r a m 和f l a s h 的波形仿真图如图5 1 和图5 2 所示。 i 一) f1 卜d s p _ r w 十d s p 且 1 _ 卜d s p _ m s i r 6 o _ 卜d s p _ i o s t r b l 卜d s pd s0 p d s pa 1 51 t s r m c e 0 _ $ r a m w e o _ - s r a mo e 1 厂 图5 is r a m 控制信号仿真图 _ - d s p _ r w i一卜，d s p _ p s 卜d s pm f f r r b - d s p _ i o s t r bl ，d s p _ o s - ，- d s f _ a 1 5 - - o $ pa 2 2 卜d s pa 2 1 i d - o s p _ 船a - ，f l s hc e 自f l a s h _ w e _ f l a s h o e 图5 2f l a s h 控制信号仿真图 5 2 2 集成化开发环境c c s c c s t u d i o ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 是t i 公司推出的一个集成性d s p 软件开发工 具，c c s 一般包含如下功能： 集成可视化代码编辑界面，可直接编写c 、汇编、h 文件、c m d 文件等 集成代码生成工具，包括汇编器、优化c 编译器、连接器等 基本调试工具，包括装入执行代码( o u t 文件) 、查看寄存器、存储器、反汇 编、变量窗口等，支持c 源代码级调试 支持多d s p 调试 断点工具，包括硬件断点、数据空间读写断点，条件断点( 使用g e l 编写表 达式) 等 探针工具( p r o b ep o i n t s ) ，可用于算法仿真，数据监视等 分析工具( p r o f i l ep o i n t s ) ，可用于评估代码执行的时钟数 数据的图形显示工具，可绘制时域频域波形、眼图、星座图、图像等，并可自 动刷新( 使用a n i m a t e 命令运行) 提供g e l 工具，用户可以编写自己的控制面板菜单，方便直观的修改变量， 配置参数等 支持r t d x ( r e a lt i m ed a t ae x c h a n g e ) 技术，可在不中断目标系统运行的情 况下，实现d s p 于其他应用程序( 0 l e ) 的数据交换 开放式的p l u g i n s 技术，支持其他第三方的a c t i v e x 插件，支持包括软仿真 在内的各种仿真器 提供d s p b i o s 工具，增强对代码的实时分析能力，如分析代码执行效率、调 度程序执行的优先级、方便管理或使用系统资源 5 2 3 静脉图像处理算法调试 图像处理程序运行在d s p 中，完成处理的全部算法，主要包括图像的归一化、二 值化、细化、特征提取、特征比对等处理，从而完成静脉识别。d s p 的程序全部用标 准c 语言写成，并在t i 的c c s t u d i o 中调试完成。工作过程：d s p 接收到静脉图像数据， 并存入外扩的s r a m 中；d s p 对静脉图像数据进行静脉识别算法处理。 图5 3 为d s p 接收到静脉图像数据后，在c c s 中的m e m o r y g 窗口中可以观察到接 收到的静脉图像数据。利用v i e w 中的图像窗口可以把接收到的静脉图像数据以图像的 方式显示，便于直观的观察。 5 3 接收静脉图像数据 接收到静脉图像数据后，设定阈值去除图片外围的黑色区域。并对图像进行平滑 处理。 v o i dv e i n ( ：v o i d ) f o r ( i = 0 ；i h e i g h t ；i + + ) f o r 0 = 0 ；j w i d t h ；j + + ) c d 】 i 】= c j i 】； f o r ( i 2 0 ；i h e i g h t ；i + + ) f o r 0 = o ；j w i d t h o + + ) i f 【c d 】 i 】 5 0 ) c j 】 i 】2 2 5 5 ； f o r ( i 2 0 ；i h e i g h t ；i + + ) f o r o = o ；j w i d t h ；j + + ) ，闽值设定为5 0 4 丁5 0 的像素点灰度值变为2 5 5 x 【j 】【i 】= c d 】【i 】； f o r ( i = 5 ；i h e i g h t 一5 ；i + + ) f o r 0 = 5 ；j w i d t h 一5 0 + + ) s u m = 0 ； f o r ( k = 0 ；k l1 ；k + + ) ，采用11 11 邻域进行平滑处理 f o r ( 1 = 0 ；1 11 ；l + + ) s u m = s u m + c j 一5 + l 】【i 5 + k 】； x d 【i 】- s u m 1 2 1 ； ) f o r ( i = 0 ；i h e i g h t ；i + + ) f o r 0 = o ；j w i d t h ；j + + ) c d 】【i 】= x d 】【i 】； 在图5 4 中，在c c s 中的m e m o r y 窗口中可以观察到去除背景后的静脉图像数据。 利用图像窗口可以看到静脉图像的外围黑色区域已经去掉。 5 4 去除背景 5 2 4 程序的加载 本系统是嵌入式系统，所以需要脱机运行，要求用户代码能够在加电后自动装载 运行。d s p 的b o o tl o a d e r 方法是对单片机的一种改进。通用单片机的程序是通过把单 片机放入专用的烧写器中将程序烧入其中的e e p r o m 中，然后将单片机装入功能板上 工作。d s p 为了增加软件下载的灵活性，将这个e e r p o m 等存储器放置到片外，由一 片或几片f l a s h 来代替。d s p 的内部固化了一个称为b o o t 的程序，在上电硬件复位 后( m p m c = 0 ) ，d s p 自动执行这个b o o t 程序，将外部f l a s h 的程序读入d s p 内部的 高速r a m 程序区中。所以，所谓的b o o t l o a d e r 就是d s p 上电后自动将固化在f l a s h 中的程序读入到d s p 的片上r a m 或片外r a m 映射成的存储空间的一个过程。本系 统中采用了并口模式进行b o o t 。 1 ) 硬件复位时，如果v c 5 4 1 6 的m p ，m c 引脚为低电平，则从片内r o m 的f f 8 0 h 起 执行程序，选择自启动方式。 ( 2 ) 初始化：i n t m = l ，关闭可屏蔽中断：* o v l y = i ，将片内双寻址r a m 和单寻 址r a m 映象到程序数据空问；s w w s r = 7 f f f h ，所有程序和数据空白j 的操作都插入7 个等待状态；* b s c r = f f f f h ，设定外部存储区分区为4 k 字，当程序和数据空间切换时， 插入一个等待周期。 ( 3 ) 检查i n t 2 ，决定是否从主机接口( h p i ) 加载。 ( 4 ) 从i o 空间f f f f h 读入自启动程序选择字( b r s ) 。b r s 的低8 位决定了自启动 加载的方式。如果低两位为0 1 则选择8 位并行方式。 ( 5 ) b r s 的高6 位规定了f l a s h 源地址的1 6 位起始地址( b r s 右移2 位再左移1 0 位 得到) 。地址应为8 0 0 0 h ，r i 】b r s = 8 l h 。 ( 6 ) 读入自启动表：在8 位方式下，b o o t l o a d e r 程序从f l a s h 的起始地址读入4 个字