非接觸掌靜脈圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種以TMS320DM6437 DSP為核心的掌靜脈圖像采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了波長(zhǎng)為470 nm藍(lán)光和波長(zhǎng)為850 nm近紅外光作為主要光源，通過手掌和光源系統(tǒng)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(jié)合特征識(shí)別算法進(jìn)行身份識(shí)別。該系統(tǒng)主要包括CMOS傳感器、TMS320DM6437的視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)和顯示器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)采集到的圖像清晰、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、采集速度快，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

TMS320DM6437是一款32位定點(diǎn)DSP達(dá)芬奇(DaVinci(TM))技術(shù)的處理器，主要適用于對(duì)系統(tǒng)性能要求比較高而又要求價(jià)格低廉的客戶。該器件采用TI第2代超長(zhǎng)指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)(VelociTI.2)的TMS320C64x+DSP內(nèi)核，主頻可達(dá)700MHz，支持8個(gè)8位或4個(gè)16位并行MAC(multiplyaccumulates)運(yùn)算，峰值處理能力高達(dá)5 600 MIPS。

1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想是采用470 nm的藍(lán)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CMOS攝像頭采集手掌圖像，CMOS攝像頭把采集的圖像由光信號(hào)變成了電信號(hào)傳送到DSP進(jìn)行處理，DM6437把CMOS攝像頭傳過來的手掌圖像進(jìn)行處理，在DSP中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及一些必要的處理等，最后將處理結(jié)果通過顯示屏顯示出來。

文中基于這個(gè)思想從結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)通信與傳輸模塊、圖像顯示處理模塊5部分構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

CMOS攝像頭把采集到的圖像傳送到視頻解碼芯片TVP5146中，通過視頻解碼芯片把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，DM6437通過I2C總線對(duì) TVP5146芯片進(jìn)行配置，TVP5146芯片在同步信號(hào)的控制下，把采集到的手掌圖像數(shù)據(jù)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(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，把處理后的圖像數(shù)據(jù)存放在DDR2里，如果要顯示圖像視頻信號(hào)，則可以在行場(chǎng)同步信號(hào)下，通過視頻處理后端讀取存儲(chǔ)在DDR2中的視頻數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后通過顯示屏進(jìn)行顯示。

2 TVP5146簡(jiǎn)介

TVP5146芯片是一款專門用于圖像和視頻的解碼芯片，可以把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)。

TVP5146有以下特點(diǎn)：它可以把復(fù)合視頻信號(hào)和PAL制信號(hào)解碼成數(shù)字信號(hào);它有4路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，能把Y/C信號(hào)、CVBS信號(hào)、RGB信號(hào)與 YCbCr信號(hào)等進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)以2倍的頻率進(jìn)行采樣或者通過ITU—R BT.601頻率進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過降低頻率和濾波到像素頻率進(jìn)行輸出;CVBS信號(hào)解碼：通過芯片內(nèi)部的5線自適應(yīng)梳狀濾波器可以把亮度和色度分離出來，這樣可以增強(qiáng)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(zhuǎn)換的模擬前端模塊;可進(jìn)行同步檢測(cè)的時(shí)鐘處理模塊;VBI數(shù)據(jù)處理模塊;復(fù)合視頻信號(hào)和Y信號(hào)處理模塊;RGB格式信號(hào)及YCbCr格式信號(hào)處理模塊;輸出格式模塊;I2C總線模塊;拷貝保護(hù)檢測(cè)模塊。

3 圖像采集模塊的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，DM6437的YI[0：7]視頻輸入口與TVP5146輸出接口Y2-Y9連接，通過I2C總線的方式對(duì)解碼器的寄存器進(jìn)行初始化操作。由于信號(hào)輸入端口選擇的是VI_2_B，所以需要將模擬通道寄存器設(shè)置為05H，由于輸出的是PAL制式，所以需要將視頻標(biāo)準(zhǔn)寄存器設(shè)置為02H。制式選擇寄存器設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置成AFH，它的作用是垂直同步信號(hào)和水平同步信號(hào)輸出使能。DM6437的PCLK時(shí)鐘信號(hào)由解碼器的 DATACLK，作為視頻輸入的時(shí)鐘信號(hào)，DM6437的行場(chǎng)同步信號(hào)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(tǒng)(VPSS)

TMS320DM6437的視頻處理部分主要包括視頻處理前端(VPFE)系統(tǒng)和視頻處理后端(VPBE)系統(tǒng)，這兩個(gè)部分也被稱為 DM6437的視頻子系統(tǒng)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來的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，主要有CVBS數(shù)據(jù)、RGB格式數(shù)據(jù)、 YCbCr格式數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)類型，視頻處理前端會(huì)把接收到的數(shù)據(jù)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(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過視頻處理后端的一些處理后把數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳送到顯示窗口進(jìn)行顯示等。VPSS功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3：VPSS功能結(jié)構(gòu)框圖

4.1 視頻處理前端(VPFE)

CCDC控制器接受來自CMOS的視頻信號(hào)，依次經(jīng)過數(shù)據(jù)和采樣模塊、光黑鉗位模塊、黑電平補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)格式化和視頻端像素選擇模塊來對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理，處理后把圖像傳輸?shù)筋A(yù)覽器模塊，在預(yù)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Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換，將圖像數(shù)據(jù)變成YCbCr4：2：2的格式。把處理后的圖像存入緩沖區(qū)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(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成同一個(gè)數(shù)字視頻的格式。VENC主要包括視頻編碼模塊、數(shù)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(shù)字視頻到模擬視頻的轉(zhuǎn)換;數(shù)字LCD控制器模塊主要的作用是控制各種數(shù)據(jù)輸出時(shí)所需要的時(shí)鐘信號(hào);時(shí)序產(chǎn)生器主要是給編碼模塊和數(shù)字控制器模塊提供時(shí)鐘信號(hào)。

5 實(shí)時(shí)顯示電路的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)顯示電路主要是依靠DM6437、輸出驅(qū)動(dòng)OPA361、顯示屏來完成的，DM6437把數(shù)字信號(hào)輸入到OPA361中，OPA361允許經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的直流共模視頻信號(hào)輸入，從而驅(qū)動(dòng)顯示器進(jìn)行顯示。圖4為系統(tǒng)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(shí)別結(jié)果，在使用前需要對(duì)液晶顯示模塊進(jìn)行初始化的操作，主要包括選擇數(shù)據(jù)的傳輸接口、顯示器的亮度、顯示窗口大小的設(shè)定等。在本設(shè)計(jì)中，采用的是A/V數(shù)據(jù)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(hào)的產(chǎn)品。

6 外部存儲(chǔ)模塊

TMS320DM6437有一個(gè)專用的存儲(chǔ)器DDR2接口，DDR2存儲(chǔ)器的主要作用是用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)以及當(dāng)做視頻圖像處理過程中的緩沖區(qū)，它的內(nèi)部存儲(chǔ)大小為256 MB。異步存儲(chǔ)器接口主要是用來接口Flash，主要作用是存儲(chǔ)固化代碼，大小為64 MB。DM6437設(shè)備提供了一條32-bit寬的DDR2總線，EVM通過該總線可與16-bit或32-bit的DDR2 SDRAM設(shè)備相連，內(nèi)部存儲(chǔ)空間大小為128 MB，主要的作用是存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。

7 音頻輸出模塊設(shè)計(jì)

語音模塊主要功能是對(duì)用戶進(jìn)行操作提示和播報(bào)識(shí)別結(jié)果，如果用戶手掌放置錯(cuò)誤則系統(tǒng)會(huì)通過語音模塊進(jìn)行提示用戶。

7.1 語音芯片的選擇

本設(shè)計(jì)選用的語音芯片型號(hào)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(diào)，內(nèi)部存儲(chǔ)的空間大小為32 MB;內(nèi)部有一個(gè)13位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個(gè)12位的脈沖寬度調(diào)制控制音頻輸出方式;PWM可以直接驅(qū)動(dòng)0.5 W的揚(yáng)聲器;它有DAC/PWM兩種輸出方式;可以加載500段語音;下載方式為USB下載。

7.2 語音模塊連接圖

語音模塊的控制方式主要有一線串口控制、三線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(qū)動(dòng)外接揚(yáng)聲器工作;VDD是數(shù)字電源輸入腳;BUSY引腳表示的是語音忙信號(hào);P03是一線數(shù)據(jù)和地址輸入管腳。本系統(tǒng)控制方式為一線控制模式，電路中使用到的管腳描述如圖5所示。

圖5：語音模塊電路連接圖

M6437通過GPIO45和語音模塊的P03相連，采用一根信號(hào)線傳送數(shù)據(jù)和命令。PWM+與PWM-引腳驅(qū)動(dòng)額定功率為0.5 W的外接揚(yáng)聲器，沒有使用的引腳接通過10k電阻直接接地，它的作用是保護(hù)電路。

7.3 語音模塊控制方式

本系統(tǒng)采用的是一線串口控制模式，一線串口控制方式就是通過一條信號(hào)線控制語音輸出，通過不同的電平占空比來表示數(shù)據(jù)位0和數(shù)據(jù)位1。語音模塊在傳送數(shù)據(jù)前，先把數(shù)據(jù)信號(hào)延遲5 ms在進(jìn)行傳送。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過發(fā)送地址數(shù)據(jù)就能直接觸發(fā)播放語音。未發(fā)送的地址或者命令數(shù)據(jù)用D0到D7表示，地址指令為00H到DBH，音量調(diào)節(jié)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：語音模塊控制時(shí)序圖

8 紅外感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

為了使該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)用戶手掌是否到來以便打開采集系統(tǒng)，因此系統(tǒng)采用了紅外感應(yīng)模塊;當(dāng)用戶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(xiàn)在圖像傳感器視野范圍內(nèi)，所以紅外感應(yīng)模塊的感應(yīng)距離應(yīng)該至少為20 cm。本裝置采用的漫反射型紅外感應(yīng)模塊IR-08H，由能發(fā)射近紅外光的二極管和接收反射回來光線的二極管組成，當(dāng)用戶手掌到達(dá)檢測(cè)位置時(shí)會(huì)阻礙發(fā)射管持續(xù)發(fā)出的近紅外光線，此時(shí)接收管開始接收光線，然后驅(qū)動(dòng)輸出端OUT電平變化，通過調(diào)整距離調(diào)節(jié)旋鈕來控制發(fā)射紅外線的長(zhǎng)度，以達(dá)到要求的檢測(cè)距離。

紅外感應(yīng)模塊與DSP連接圖如圖7所示，將GPIO59引腳作為輸入端口，檢測(cè)輸入信號(hào)電平變化，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)功能;若感應(yīng)到手掌，系統(tǒng)進(jìn)入登陸模式;若沒有感應(yīng)到手掌，系統(tǒng)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(yīng)模塊與DSP連接圖

9 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一套基于TMS320DM6437的非接觸式手多模態(tài)特征采集系統(tǒng)，本套系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可行性，有效的提高了身份識(shí)別的準(zhǔn)確率，受到了用戶的高度贊揚(yáng)。