掌靜脈圖像采集裝置設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧資料
2025-07-20 15:19本頁(yè)面
【正文】 到的手掌靜脈圖像信息不丟失，因此本裝置采用粗糙的黑色橡膠作為手掌靜脈的成像背景。濾光片按照濾光特性分為長(zhǎng)波通濾光片、短波通濾光片和高帶通濾光片。因而，根據(jù)成像系統(tǒng)和攝像機(jī)參數(shù)要求，本系統(tǒng)將選用手動(dòng)調(diào)焦的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。為了能充分覆蓋整個(gè)CCD傳感器以減少鏡頭邊緣造成的變形，鏡頭的尺寸應(yīng)該大于CCD的尺寸。鏡頭的性能指標(biāo)主要有焦距、相對(duì)孔徑和視角場(chǎng)。鏡頭的質(zhì)量會(huì)影響識(shí)別系統(tǒng)的整體性能，合理選擇并安裝鏡頭，是近紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。相機(jī)鏡頭選用焦距為4 mm的M12接口定焦鏡頭，當(dāng)手掌距攝像頭的距離低至10 cm時(shí)，就能捕捉整個(gè)掌心區(qū)域，減小了采集裝置的體積。本裝置采用CMOS采集手掌靜脈。所以選擇普通的攝像機(jī)，CMOS圖像傳感器對(duì)近紅外光有響應(yīng)，同時(shí)CMOS圖像傳感器在800~980nm范圍內(nèi)其靈敏度比CCD圖像傳感器的靈敏度要高，隨著波長(zhǎng)的增加CMOS圖像傳感器的衰減梯度要慢一些。手掌靜脈成像裝置采用波長(zhǎng)為850nm的近紅外LED作為光源，這要求圖像傳感器對(duì)近紅外波段的響應(yīng)較高。圖像傳感器是攝像機(jī)的重要組成部分，手掌靜脈采集裝置中是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。圖34 光源控制板的結(jié)構(gòu)圖近紅外成像系統(tǒng)由攝像機(jī)和鏡頭組成，攝像機(jī)的核心部件為圖像傳感器，圖像傳感器的好壞直接關(guān)系到所獲得手掌靜脈圖像的質(zhì)量。單片機(jī)采用AT89C2051，AT89C2051是低電壓、高性能的CMOS 8位微控器，片內(nèi)含有2KB的Flash可編程且可擦除的只讀存儲(chǔ)器。PC機(jī)通過(guò)串口發(fā)送指令來(lái)控制近紅外二極管陣列光源的通與斷。LED 作為光源。通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn)，光線在入射角小于45176。光源優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)二維單線或雙線陣列光源簡(jiǎn)單化的官員，成本低且容易實(shí)現(xiàn)發(fā)射光的強(qiáng)度分布不均勻，圖像的對(duì)比度較低矩形陣列光源圖像的清晰度有較大提高成本高且光不夠均勻，四周的光強(qiáng)，中間的光弱環(huán)形陣列光源光強(qiáng)分布均勻，圖像的對(duì)比度較高設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)比較困難，設(shè)計(jì)到個(gè)數(shù)及角度的設(shè)計(jì)表33 三種不同陣列結(jié)構(gòu)光源的比較由于本系統(tǒng)采用的是散射型近紅外二極管，其輻射的方向性差，在每個(gè)角度的光強(qiáng)分布差別不大，因而環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)的近紅外光源發(fā)射的近紅外光可以比較均勻的覆蓋整個(gè)手掌，強(qiáng)度分布比較均勻。一般采用的主要有三種陣列結(jié)構(gòu)，即二維的單線或雙線陣列、矩形陣列和環(huán)形陣列，如圖 32 所示。本系統(tǒng)將采用直流電流驅(qū)動(dòng)的方式，驅(qū)動(dòng)電路的連接形式采用并聯(lián)的形式。紅外發(fā)光二極管是由PN結(jié)組成的注入電流型發(fā)光器件。常用的近紅外光源波長(zhǎng)有 760 nm，850 nm，940 nm，一般相機(jī)對(duì)940 nm 的光譜響應(yīng)很低，靜脈成像差。近紅外光源波長(zhǎng)對(duì)采集裝置性能的影響主要有以下幾點(diǎn)：（1）靜脈血管里的脫氧血紅蛋白的吸收系數(shù)隨著波長(zhǎng)的增加而逐漸減小，使靜脈血管漫反射到成像裝置的光強(qiáng)與周圍的組織差別逐漸減小，成像質(zhì)量變差；（2）光在皮膚中的穿透深度隨著波長(zhǎng)的增加而增加，對(duì)于手掌組織較厚、脂肪較多的人的靜脈成像更明顯；（3）波長(zhǎng)越長(zhǎng)紅暴越弱，成像質(zhì)量越好。因此本系統(tǒng)將選用近紅外發(fā)光二極管作為光源。根據(jù)光源的輻射光譜曲線，能夠滿足此要求的光源有以下幾種：電熱光源(如鹵鎢燈)、氣體放電光源(高壓氙燈)、半導(dǎo)體光源(大功率砷化鎵發(fā)光二極管)等三類，這幾種近紅外光源的比較如表31所示。在700~900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，散射系數(shù)范圍為：5~20 cm1。光的散射可以用散射系數(shù)μs來(lái)表示，它表示單位光程上一個(gè)光子被散射的幾率，常用單位為“cm1”，主要反映生物組織對(duì)光散射程度的大小。此系數(shù)主要反映生物組織對(duì)光的吸收程度的大小，其表示：α=dAAds其中，dA 表示單位路徑上光子因被吸收而損失的能量，A表示吸收事件發(fā)生前的光能量，ds 表示單位路徑。（1）吸收系數(shù)：吸收系數(shù)是單位長(zhǎng)度上一個(gè)光子被吸收的幾率，在生物組織光學(xué)中，吸收系數(shù)常用單位為“cm1”。由紅外采集原理可知，近紅外光線可射入生物體組織的深度大約只有3毫米，可獲得的生物信息是很有限的，因而，獲得的靜脈圖像在質(zhì)量上受到一些限制。圖23 靜脈采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第3章 掌靜脈圖像采集裝置的設(shè)計(jì)靜脈圖像質(zhì)量直接影響整個(gè)系統(tǒng)的識(shí)別性能，獲取高質(zhì)量的靜脈圖像是進(jìn)行靜脈識(shí)別的首要前提。近紅外成像系統(tǒng)由攝像機(jī)和鏡頭組成，用來(lái)拍攝掌靜脈圖像；光源系統(tǒng)由光源陣列和光源控制板組成，用來(lái)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、均勻的近紅外光。本文主要研究手掌靜脈圖像采集裝置的設(shè)計(jì)，該裝置由近紅外成像系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、采集卡組成。圖21 生物特征識(shí)別系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)結(jié)合手掌靜脈成像原理以及生物特征識(shí)別系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)出手掌靜脈識(shí)別系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，如圖22所示。生物特征識(shí)別系統(tǒng)主要包括成像單元、圖像采集單元、圖像處理單元和圖像顯示單元。近紅外采集原理是根據(jù)人體骨骼和肌肉組織的特點(diǎn)，當(dāng)近紅外光照射手背或者手掌時(shí)，靜脈血管中的血色素相比于皮下的其他組織能吸收更多近紅外光，所以靜脈血管紋路反射回圖像傳感器的光線就會(huì)比其他組織反射回的光線弱。第2章 手掌靜脈識(shí)別的原理及系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)靜脈識(shí)別是基于近紅外成像的原理來(lái)獲取靜脈圖像，對(duì)獲取到的靜脈圖
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