文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.023
中文引用格式： 余成波，余玉潔，方軍，等. 基于FPGA手指靜脈圖像采集系統的研制[J].電子技術應用，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.
0 引言
近幾年，手指靜脈識別方面的研究與應用越來越豐富，如在ATM機、門禁系統、電腦登錄等領域的應用。國內手指靜脈識別技術還處于研究階段，相關產品比較少。國外手指靜脈識別技術做得最好的是日本金立公司，已推出多款手指靜脈識別應用產品，比如ATM機不需輸入密碼，直接進行手指靜脈識別取款。手指靜脈圖像采集的效果直接影響手指靜脈識別系統的性能，目前手指靜脈圖像采集系統廣泛使用的控制器是ARM、DSP或PC機。現場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）是基于硬件的處理器，具有強大的并行處理能力，與DSP、ARM相比，FPGA能夠實現硬件加速和流水線技術，因而在處理數據流量大的圖像方面具有得天獨厚的優勢。因此，采用FPGA進行圖像采集，其實時性和穩定性較好。為此，本文進行了基于FPGA的手指靜脈圖像采集技術的研究，以FPGA為控制芯片、SDRAM為緩存介質，結合具有功耗低、體積小等優點的MT9V034攝像頭和TFT LCD顯示器，研制了一種手指靜脈圖像采集系統。
1 手指靜脈成像模型
人體血液中含有血紅蛋白，血紅蛋白對760 nm和850 nm附近的近紅外光有較強的吸收作用[1]。當用該種近紅外光照射手指時，會形成暗影的靜脈圖像。手指靜脈成像原理模型如圖1所示，實驗采用峰值為850 nm的近紅外光從手指背部照射手指，采用透射方式，手指正面的靜脈血管吸收了一部分近紅外光，而手指的骨骼和肌肉沒有這種特性，攝像頭從手指正面拍照，并在攝像頭上加上紅外濾光片，濾除可見光，這樣會得到靜脈暗影的手指靜脈圖像[2]。
2 手指靜脈采集系統硬件研制
2.1 采集系統工作原理
手指靜脈圖像采集系統由近紅外光源模塊、攝像頭、手指靜脈采集裝置、FPGA開發板、TFT LCD顯示屏組成。其工作原理如圖2所示，通過近紅外光照射手指背面，攝像頭采集到的靜脈圖像數據經過SDRAM緩存，通過TFT LCD液晶顯示屏實時顯示。在軟件Quartus II 13.0中用Verilog語言設計系統中的圖像采集控制模塊、圖像緩存控制模塊、LCD顯示控制模塊[3]。
2.2 手指靜脈圖像采集硬件選型
2.2.1 FPGA開發板的選擇
因為VIP_Board Full FPGA開發板價格低、體積小、FPGA和SDRAM芯片配置比較好、圖像開發接口比較完善，所以本文選擇VIP_Board Full作為手指靜脈圖像采集系統的FPGA開發板。它的FPGA處理器為Cyclone IV系列EP4CE15E17C8N，具有15 408個邏輯單元、166個用戶接口，516 096 bit存儲器、112個乘法器、4個PLL、20個全局時鐘，其主時鐘為50 MHz。它的SDRAM圖像緩存器件為Hynix公司的HY57V283220T-6，具有4個Bank、12條行地址線、8條列地址線(行列地址線共用)，單片總容量為128 Mbit，初始化時間100 s，速率為166 MHz。
2.2.2 光源的選擇與模塊設計
靜脈成像原理說明靜脈的成像效果受光源的影響非常大，本文選用廈門華聯電子有限公司的HIR503XDX系列的紅外二極管作為光源[4]，因為該紅外二極管發出紅外光的峰值波長為850 nm，而且每一個二極管體積適中，適合并排在一起制作成近紅外光源模塊。本系統選用了24個紅外二極管、2個130 的電阻制作了一個近紅外光源模塊。
2.2.3 攝像頭和TFT LCD顯示器的選擇
攝像頭是手指靜脈圖像采集系統的關鍵組成部分，直接影響手指靜脈圖像的成像效果。根據手指靜脈成像原理，得到的靜脈圖像是黑白暗影圖像，而且所選攝像頭要對波長850 ns附近的近紅外光敏感。MT9V034是美國Micron公司開發的COMS攝像頭,分為彩色攝像頭和黑白攝像頭兩種，其對波長850 ns附近的近紅外光比較敏感，擁有752×480的感光陣列，支持752×480@60 Hz的圖像輸出，它一個像素點為8位信號，即其支持的LCD圖像輸出為60幀/s、36萬像素。因此本文選擇了MT9V034黑白攝像頭來采集手指靜脈圖像。
TFT LCD顯示器選用LW500AC9004，其大小為5.0寸，分辨率為800×480，為顯示手指靜脈圖像提供了載體。
2.2.4 手指靜脈采集裝置的設計
根據人手指、MT9V034攝像頭鏡頭、紅外光源模塊的形狀和大小，設計了手指靜脈采集裝置，如圖3所示。在采集裝置殼體中上部開有手指孔，在殼體內與手指孔相對應的位置設計有指尖定位槽，手指由手指孔及指尖定位槽固定；將近紅外光源模塊固定在手指孔與定位槽的正上方，在手指孔與定位槽的正下方固定攝像頭，在攝像頭上貼紅外濾光片，用于濾除可見光；攝像頭的信號輸出線與VIP_Board Full FPGA開發平臺的攝像頭接口相連[5-7]。
3 手指靜脈圖像采集
由于MT9V034寄存器中初始值滿足本文手指靜脈圖像采集系統研制的要求，因此在設計圖像采集控制模塊時不需要對MT9V034進行初始化。在進行圖像采集控制模塊設計中，首先接收MT9V034視頻圖像信號，并進行同步化設計。由于MT9V034需要10幀延時，所以通過場計數延時等待MT9V034攝像頭穩定，然后輸出行場信號。圖像采集控制模塊流程圖如圖4所示。
該模塊采用Verilog HDL語言編寫，經過Quartus II 13.0綜合生成的寄存器轉換級電路(Register Transport Level，RTL)原理圖如圖5。clk_cmos為外部24 MHz時鐘輸入，由coms _xclk引出，作為MT9V034的驅動時鐘，其中的24 MHz時鐘由分頻模塊將50 MHz分頻得到。cmos_pclk對應MT9V034輸出像素時鐘信號，cmos_vsync對應MT9V034輸出場同步信號，coms_href對應MT9V034輸出行有效信號，cmos_data對應MT9V034輸出8 bit像素數據。coms_frame_data相對于coms_data延時了兩個像素時鐘。coms_frame_clken為FPGA采樣后輸出的數據捕獲使能信號，外部模塊通過該信號讀取coms_frame_data。
MT9V034輸出分辨率為752×480，其中coms_href信號為高電平有效，每一行有效像素為752個，cmos_vsync信號也為高電平有效，每一列顯示有效像素是480個。cmos_vsync信號從高電平變成低電平表示一幀信號的完畢。每個黑白像素點是8 bit信號。
SignalTap II Logic Analyzer是一款方便且實用的FPGA片上調試軟件，集成于Quartus II中，可以捕獲和顯示實時信號 。圖6為下載圖像采集模塊工程的sof文件到FPGA中后，通過Signal II捕獲MT9V034的部分圖像采集數據。如圖6所示，在行有效信號coms_href起始時，攝像頭采集的像素數據coms_data同步從8’h00開始輸出，在行有效信號結束時，coms_data同步從輸出變成8’h00。
從圖6中分析可知，當輸出行有效信號時，coms_href從采樣點574開始，到2 554結束。由于輸入數據位的頻率為24 MHz，設置的采樣時鐘為60 MHz，所以一個數據平均被采樣2.5次，這樣每行輸出像素個數的計算如下：
NUM=(2 554-574)/2.5=752
即一行有752個像素點，則波形與設計預期完全符合。
4 手指靜脈圖像緩存與顯示
4.1 圖像緩存控制模塊設計
在設計圖像緩存控制模塊時，參考了Terasic官方開發平臺中SDRAM的Verilog HDL 開發例程，官方平臺上用的是Sdram_Control_4Port這個SDRAM控制器，其宏定義參數列表、控制器封裝等設計都比較完善，實際運用效果很好，它有2個讀端口和2個寫端口。而本文設計的SDRAM控制器只需要一個讀端口和一個寫端口。
本系統所選擇的SDRAM的驅動時鐘是100 MHz，在往SDRAM寫視頻圖像數據的同時，需要從SDRAM讀出數據在LCD上顯示。本圖像采集緩存控制模塊設計了兩個端口，一個讀端口，一個寫端口。寫端口負責將寫入DCFIFO中的數據寫入SDRAM，讀端口需要從SDRAM中讀出圖像數據寫入DCFIFO中。在本設計中，SDRAM的讀寫均采用全頁突發模式，一次可以讀寫256個數據[8]。由于攝像頭的分辨率是752×480，所以圖像數據存入SDRAM的地址空間是0～752×480。
由于所用FPGA開發板的LCD接口電路需要的圖像數據信號是24位的RGB（R、G、B各8位）信號，而攝像頭采集的是8位的黑白信號，為了能在LCD上顯示黑白的手指靜脈圖像，需要R=G=B=coms_frame_data，這樣SDRAM突發讀寫的每個數據是24位[9]。
4.2 LCD顯示控制模塊設計
攝像頭MT9V034輸出8位圖像數據通過SDRAM緩存處理顯示到LCD上。LCD顯示控制模塊經過綜合生成的RTL原理圖如圖7所示。該模塊的輸入信號有時鐘信號clk、復位信號rst_n、24位圖像數據信號lcd_data，輸出信號有RGB信號lcd_rgb、LCD使能信號lcd_en、LCD行同步信號lcd_hs、LCD場同步信號lcd_vs、LCD顯示請求信號lcd_request、LCD驅動時鐘信號lcd_dclk[10]。LCD的的驅動時鐘為40 MHz，其由分頻模塊將50 MHz分頻得到。
5 系統測試與效果分析
手指靜脈圖像采集系統的整體Verilog工程文件經綜合生成的RTL圖如圖8所示，共有時鐘分頻、圖像采集控制、圖像緩存控制、LCD顯示控制4個模塊。
將手指靜脈采集系統的整體Verilog工程編譯下載到FPGA中，調好攝像頭的焦距，把采集裝置的蓋子固定好，將需要采集的手指放在采集裝置手指槽，通過調節給近紅外光源模塊供電的直流穩壓電源的電壓大小，從而改變近紅外光源模塊的發光亮度，觀察在TFT LCD上顯示的手指靜脈圖像的清晰度，發現當給近紅外光源模塊提供14.1 V的電壓時，采集出的手指靜脈圖像最清晰，效果如圖9。圖中采集的是本文作者方軍右手食指正面的靜脈圖像，從LCD中能清晰地看到靜脈的紋路。圖10為圖9中的手指靜脈圖像。
6 結束語
本文研制了一種以FPGA為主控芯片的手指靜脈采集系統，該系統由手指靜脈采集裝置、近紅外光源模塊、MT9V034攝像頭、VIP_Board Full FPGA開發板、TFT LCD顯示屏組成。經測試，該采集系統具有良好的穩定性，采集顯示的手指靜脈圖像紋路清晰，采集顯示的實時性強，系統體積小等優點，因而具有巨大的市場價值，并為后期進行基于FPGA的手指靜脈識別技術的研究打下堅實的基礎。
參考文獻
[1] 劉秀穎.便攜式血紅蛋白濃度檢測系統的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.
[2] 管鳳旭，姜智超，吳秋雨，等.指靜脈與折痕雙模態圖像采集系統設計[J].傳感器與微系統，2013，32(2)：124-127.
[3] 高戰立，余桂英，唐瑋.FPGA圖像采集系統研究與設計[J].中國計量學院學報，2014，25(1)：75-79.
[4] 楊數強，余成波.手指靜脈智能采集裝置的研制[J].計算機工程與設計，2009(21)：4977-4979.
[5] N Venkata Vara Prasad，K Venkata Murali Mohan.A real time embedded finger vein recognition system for authenti-cation on mobile devices[J].International Journal of Engi-neering Trends and Technology，2014(2)：105-108.
[6] C Praveen，G Magdalin joenita，S Yamuna devi.Enhanced security system using an embedded real-time finger-vein detection[J].International Journal of Applied Engineering Research，2015(8)：21501-21507.
[7] Goh Kah Ong Michael，Tee Connie，Andrew Beng Jin Teoh. A contactless biometric system using multiple hand features[J].Journal of Visual Communication and Image Representation，2012(7)：1068-1084.
[8] 陳建軍.基于嵌入式技術的高精度組合導航技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.
[9] Stefan Langemeyer，Peter Pirsch，Holger Blume.Using SDRAM memories for high-performance accesses to two-dimensional matrices without transpose[J].International Journal of Parallel Programming，2013(2)：331-354.
[10] 韓彬，于蕭宇，張雷鳴.FPGA設計技巧與案例開發詳解[M].北京：電子工業出社，2014：364-368.