一種掌紋采集與識別系統

井榮枝，李 萍，張云龍

（1.鄭州大學 西亞斯國際學院，河南 鄭州 451150；2.華中科技大學 湖北 武漢 430074）

在基于生物統計的自動身份鑒別技術中，指紋身份鑒別技術比較成熟使用最為廣泛。掌紋識別近幾年來興起，并發展成為人體生物特征識別技術的研究熱點。與指紋相比，掌紋識別具有很多優點[1-3]，如獲取掌紋的方式與刑事和訴訟關聯較小，用戶接受度高；面積較大，涵括的信息量豐富，因此具有更好的區分性；分類特征明顯穩定，提取的特征受噪聲干擾較小；采集設備簡單易行，且成本遠低于虹膜識別的采集設備等。因為掌紋圖像中包含有十分豐富的信息，不容易出現磨損，這點好于指紋；掌紋識別的識別精度比人臉識別要高；簽名識別會受到人自身情緒和外界因素影響，所以掌紋在穩定性方面要高于簽名識別。所以，目前掌紋識別研究和識別系統的設計受到很多學者的廣泛關注[4]。但是掌紋識別發展較晚，還沒有像虹膜、人臉、指紋識別那樣得到廣泛的關注和研究。本文簡單介紹掌紋識別系統和掌紋圖像采集系統。

1 掌紋識別系統

掌紋識別系統同其他生物特征識別系統在結構上是一樣的，他們都由兩個部分構成：訓練樣本錄入階段和測試樣本分類階段。訓練樣本錄入階段可以描述如下：首先對采集的掌紋訓練樣本進行預處理，然后進行特征提取，把提取的掌紋特征存入特征數據庫中留待與被分類樣本進行匹配。測試樣本分類階段是對獲取的測試樣本經過與訓練樣本相同的預處理、特征提取步驟后，送入分類器進行分類。

掌紋圖像采集，首先利用某種設備（基于CCD的專門掌紋圖像采集儀、數碼照相機等）對掌紋圖像進行采集，然后掌紋圖像轉換成可以用計算機處理的矩陣數據，一般采集利用的都是二維灰度圖像。

掌紋系統一般包括以下5部分：1）掌紋圖像采集。根據不同的采集設備（例如CCD照像機）采集掌紋區域圖像。2）圖像預處理。根據手形或者特定設備提供基準線對圖像預處理，提取掌紋感興趣（ROI）區域。預處理的目的是使所采集的掌紋圖像能方便的對圖像后續處理，如去除噪聲使圖像更清晰，對輸入測量引起或其他因素所造成的退化現象進行復原，并對圖像進行歸一化處理。最常見的掌紋預處理就是切割ROI區域。3）提取特征與選擇。根據不同的特征提取方法從掌紋ROI區域中提取不同的特征，并且建立相應的數據庫用于存儲處理過的特征信息。特征提取與選擇，有時經過了預處理的信息仍然比較龐大和冗余，這就需要我們對預處理過的信息進行數據特征提取與選擇，并且建立相應的數據庫用于存儲處理過的信息。4）特征匹配，對應不同方法使用某種特定距離進行特征匹配。5）特征分類，根據預先設置的閾值進行分類與識別。

掌紋識別的基本框架見圖1。

圖1 掌紋識別系統Fig.1 The system of the palmprint identification

2 掌紋圖像采集系統

掌紋采集技術是掌紋識別系統的基礎，采集到的掌紋圖像數據的質量直接影響帶識別系統的精確和可行性。目前，掌紋采集儀很多，其中，超聲波型掌紋采集儀因價格昂貴，所以應用較少；光學掌紋采集儀體積較大，不易于嵌入；半導體型掌紋采集儀集成度高，但由于體積大、價格高等缺點，所以沒有得到廣泛應用。本文從市場的需求出發，介紹一種便攜式的、低成本的掌紋采集系統。

在本采集系統中，采用具有USB接口的控制核心，主要考慮以下兩方面的因素：1）作為控制核心，需要具有進行嵌入開發的功能，實現掌紋數據采集的控制；2）實現與計算機高速通訊，保證系統的實時性。

Cy7c68013是Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片，其中包括一個480 Mb/s的USB2.0收發器PLL和SIE、雙緩沖、三緩沖和四緩沖，四緩沖的FIFOS端點能提供480 Mb/s的USB2.0數據速率、內建8051標準內核，USB固件可在內部RAM上軟配置，簡化了硬代碼存儲器[5-6]。

掌紋傳感器的選擇直接影響著掌紋采集系統的質量。隨著半導體技術的進步，出現了很多掌紋傳感器，如CMOS掌紋傳感器、超聲波掌紋傳感器、刮擦式傳感器等新型傳感器，這些傳感器的體積小、價格比較低。結合本采集系統小型化、低功耗、低成本的實際需要，筆者選擇AuthenTec公司的AES2510。掌紋傳感器與處理器的接口設計是掌紋采集系統的核心。在設計時需要考慮開發成本與周期和通訊速度等。設計硬件連接如圖2所示。

圖2 掌紋采集系統的硬件連接圖Fig.2 The hardware connection diagram of the palmprint acquisition system

傳感器AES2510的4種接口方式的選擇可通過設置IOSEL1和IOSEL0引腳來實現。由于基本并口協議簡單、速度較高的特點，所以筆者采用并口接口模式。

通用可編程接口是Cypress公司FX2系列USB芯片端點FIFO的內部控制器。它可以由軟件編寫讀寫控制時序，幾乎可以與所有8/16bit接口的控制器、存儲器和總線進行無縫連接。這對于具體的采集系統十分方便，由此實現傳感器AES2510的數據高速同步采集及傳輸。

系統軟件設計由USB固件和USB設備驅動程序兩部分組成[6]。其中USB固件是軟件設計的重點，它是運行在FX2芯片CY7C68013中的代碼，包括兩部分USB協議的代碼和與掌紋傳感器通訊實現采集控制的代碼：1）能夠經過枚舉，標識連接到計算機的是USB設備，符合USB的協議。該功能模塊的代碼可以利用Cypress公司提供的固件程序架構；2）利用Cy7c68013內部增強型8051能夠實現對掌紋傳感器AES2510的控制。該功能模塊的代碼也可以在Cypress公司提供的固件程序架構的基礎上，通過添加其他端點接收和發送數據的通信代碼，控制外圍電路的程序代碼來實現的。利用EZ-USB來開發控制AES2510的代碼，通過Cypress公司的通用可編程外部接口GPIF波形描述符，編寫符合AES2510需要的并口通訊協議的波形圖，內嵌至固件程序中，實現與傳感器的通訊，并命令傳感器進行掌紋數據的采集。

USB設備驅動程序是應用程序與EZ-USB外設進行通信的橋梁。它是基于通用目的的設備驅動程序GPD（General Purpose Driver）開發。對Cypress公式提供的GPD中的參數文件進行修改，再在Windows DDK與VC++6.0利用Build命令重新編譯即可生成用戶定制驅動程序。同時，為了實現與USB設備的通訊，驅動層中需要定義一些功能函數。完成初始化USB、釋放USB、讀操作、寫操作和USB芯片模式設置等功能。

3 掌紋ROI提取技術

當采集掌紋圖像時，掌紋與手掌的位置、方向甚至姿勢都會有所變化，這使得不同時刻采集同一手部掌紋圖像會有不同程度的旋轉與平移。同時，由于每個人的手掌大小不一樣，采集到的掌紋區域大小也不一致，這些都不利于手掌特征的提取與匹配。因此在特征提取前，應該先進行預處理，提取出每個手掌的感興趣區域（ROI）。聯機掌紋識別的掌紋ROI分割方式主要分為基于正方形的分割方式和基于圓的分割方式。第二種方法是在最大內切圓的基礎上提取手掌的中心區域，具有旋轉不變的優點。但相對而言，最大內切圓的搜索過程比較耗時，而基于正方形的分割方式首先找到一個手掌的指尖指縫關鍵點，然后利用這些關鍵點建立直角坐標系，再在該坐標系下的特定位置提取出一定大小的正方形，目前基于正方形的掌紋ROI分割方法主要有3種：第一種方法是先確定三個指谷關鍵點，掌紋坐標系的Y軸由第一個指谷與第三個指谷的連線確定，而X軸由過第一個指谷點到Y軸的垂線確定（見圖3），兩直線的交點即為原點，最后提取一定大小的子圖，該子圖的中心與Y軸的距離為某一特定值；第二種方法以中指兩邊的指谷建立坐標系，從而對齊不同的掌紋圖像；第三種方法與第一種方法相似，所不同的是只有第一和第三個指谷被用于建立坐標系，Y軸第一和第三個指谷的連線，原點為第一和第三個指谷的中點。

圖3 連接第一和第三個指谷點，構造新的坐標系Fig.3 Connecting P1 and point P2 and constructing a new coordinate system

4 結 論

文中利用了AES2510的并口方式和Cy7c68013的GPIF接口的可編程性，快速有效地實現它們之間的通信。基于Cypress公司的Cy7c68013和Authentec公司的掌紋傳感器AES2510，設計和實現了一種比較實用的掌紋采集系統。該系統有望應用在門禁、汽車防盜、便攜設備信息保護等身份鑒別系統。

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