一种掌纹采集与识别系统

井荣枝，李 萍，张云龙

（1.郑州大学 西亚斯国际学院，河南 郑州 451150；2.华中科技大学 湖北 武汉 430074）

在基于生物统计的自动身份鉴别技术中，指纹身份鉴别技术比较成熟使用最为广泛。掌纹识别近几年来兴起，并发展成为人体生物特征识别技术的研究热点。与指纹相比，掌纹识别具有很多优点[1-3]，如获取掌纹的方式与刑事和诉讼关联较小，用户接受度高；面积较大，涵括的信息量丰富，因此具有更好的区分性；分类特征明显稳定，提取的特征受噪声干扰较小；采集设备简单易行，且成本远低于虹膜识别的采集设备等。因为掌纹图像中包含有十分丰富的信息，不容易出现磨损，这点好于指纹；掌纹识别的识别精度比人脸识别要高；签名识别会受到人自身情绪和外界因素影响，所以掌纹在稳定性方面要高于签名识别。所以，目前掌纹识别研究和识别系统的设计受到很多学者的广泛关注[4]。但是掌纹识别发展较晚，还没有像虹膜、人脸、指纹识别那样得到广泛的关注和研究。本文简单介绍掌纹识别系统和掌纹图像采集系统。

1 掌纹识别系统

掌纹识别系统同其他生物特征识别系统在结构上是一样的，他们都由两个部分构成：训练样本录入阶段和测试样本分类阶段。训练样本录入阶段可以描述如下：首先对采集的掌纹训练样本进行预处理，然后进行特征提取，把提取的掌纹特征存入特征数据库中留待与被分类样本进行匹配。测试样本分类阶段是对获取的测试样本经过与训练样本相同的预处理、特征提取步骤后，送入分类器进行分类。

掌纹图像采集，首先利用某种设备（基于CCD的专门掌纹图像采集仪、数码照相机等）对掌纹图像进行采集，然后掌纹图像转换成可以用计算机处理的矩阵数据，一般采集利用的都是二维灰度图像。

掌纹系统一般包括以下5部分：1）掌纹图像采集。根据不同的采集设备（例如CCD照像机）采集掌纹区域图像。2）图像预处理。根据手形或者特定设备提供基准线对图像预处理，提取掌纹感兴趣（ROI）区域。预处理的目的是使所采集的掌纹图像能方便的对图像后续处理，如去除噪声使图像更清晰，对输入测量引起或其他因素所造成的退化现象进行复原，并对图像进行归一化处理。最常见的掌纹预处理就是切割ROI区域。3）提取特征与选择。根据不同的特征提取方法从掌纹ROI区域中提取不同的特征，并且建立相应的数据库用于存储处理过的特征信息。特征提取与选择，有时经过了预处理的信息仍然比较庞大和冗余，这就需要我们对预处理过的信息进行数据特征提取与选择，并且建立相应的数据库用于存储处理过的信息。4）特征匹配，对应不同方法使用某种特定距离进行特征匹配。5）特征分类，根据预先设置的阈值进行分类与识别。

掌纹识别的基本框架见图1。

图1 掌纹识别系统Fig.1 The system of the palmprint identification

2 掌纹图像采集系统

掌纹采集技术是掌纹识别系统的基础，采集到的掌纹图像数据的质量直接影响带识别系统的精确和可行性。目前，掌纹采集仪很多，其中，超声波型掌纹采集仪因价格昂贵，所以应用较少；光学掌纹采集仪体积较大，不易于嵌入；半导体型掌纹采集仪集成度高，但由于体积大、价格高等缺点，所以没有得到广泛应用。本文从市场的需求出发，介绍一种便携式的、低成本的掌纹采集系统。

在本采集系统中，采用具有USB接口的控制核心，主要考虑以下两方面的因素：1）作为控制核心，需要具有进行嵌入开发的功能，实现掌纹数据采集的控制；2）实现与计算机高速通讯，保证系统的实时性。

Cy7c68013是Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片，其中包括一个480 Mb/s的USB2.0收发器PLL和SIE、双缓冲、三缓冲和四缓冲，四缓冲的FIFOS端点能提供480 Mb/s的USB2.0数据速率、内建8051标准内核，USB固件可在内部RAM上软配置，简化了硬代码存储器[5-6]。

掌纹传感器的选择直接影响着掌纹采集系统的质量。随着半导体技术的进步，出现了很多掌纹传感器，如CMOS掌纹传感器、超声波掌纹传感器、刮擦式传感器等新型传感器，这些传感器的体积小、价格比较低。结合本采集系统小型化、低功耗、低成本的实际需要，笔者选择AuthenTec公司的AES2510。掌纹传感器与处理器的接口设计是掌纹采集系统的核心。在设计时需要考虑开发成本与周期和通讯速度等。设计硬件连接如图2所示。

图2 掌纹采集系统的硬件连接图Fig.2 The hardware connection diagram of the palmprint acquisition system

传感器AES2510的4种接口方式的选择可通过设置IOSEL1和IOSEL0引脚来实现。由于基本并口协议简单、速度较高的特点，所以笔者采用并口接口模式。

通用可编程接口是Cypress公司FX2系列USB芯片端点FIFO的内部控制器。它可以由软件编写读写控制时序，几乎可以与所有8/16bit接口的控制器、存储器和总线进行无缝连接。这对于具体的采集系统十分方便，由此实现传感器AES2510的数据高速同步采集及传输。

系统软件设计由USB固件和USB设备驱动程序两部分组成[6]。其中USB固件是软件设计的重点，它是运行在FX2芯片CY7C68013中的代码，包括两部分USB协议的代码和与掌纹传感器通讯实现采集控制的代码：1）能够经过枚举，标识连接到计算机的是USB设备，符合USB的协议。该功能模块的代码可以利用Cypress公司提供的固件程序架构；2）利用Cy7c68013内部增强型8051能够实现对掌纹传感器AES2510的控制。该功能模块的代码也可以在Cypress公司提供的固件程序架构的基础上，通过添加其他端点接收和发送数据的通信代码，控制外围电路的程序代码来实现的。利用EZ-USB来开发控制AES2510的代码，通过Cypress公司的通用可编程外部接口GPIF波形描述符，编写符合AES2510需要的并口通讯协议的波形图，内嵌至固件程序中，实现与传感器的通讯，并命令传感器进行掌纹数据的采集。

USB设备驱动程序是应用程序与EZ-USB外设进行通信的桥梁。它是基于通用目的的设备驱动程序GPD（General Purpose Driver）开发。对Cypress公式提供的GPD中的参数文件进行修改，再在Windows DDK与VC++6.0利用Build命令重新编译即可生成用户定制驱动程序。同时，为了实现与USB设备的通讯，驱动层中需要定义一些功能函数。完成初始化USB、释放USB、读操作、写操作和USB芯片模式设置等功能。

3 掌纹ROI提取技术

当采集掌纹图像时，掌纹与手掌的位置、方向甚至姿势都会有所变化，这使得不同时刻采集同一手部掌纹图像会有不同程度的旋转与平移。同时，由于每个人的手掌大小不一样，采集到的掌纹区域大小也不一致，这些都不利于手掌特征的提取与匹配。因此在特征提取前，应该先进行预处理，提取出每个手掌的感兴趣区域（ROI）。联机掌纹识别的掌纹ROI分割方式主要分为基于正方形的分割方式和基于圆的分割方式。第二种方法是在最大内切圆的基础上提取手掌的中心区域，具有旋转不变的优点。但相对而言，最大内切圆的搜索过程比较耗时，而基于正方形的分割方式首先找到一个手掌的指尖指缝关键点，然后利用这些关键点建立直角坐标系，再在该坐标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纹ROI分割方法主要有3种：第一种方法是先确定三个指谷关键点，掌纹坐标系的Y轴由第一个指谷与第三个指谷的连线确定，而X轴由过第一个指谷点到Y轴的垂线确定（见图3），两直线的交点即为原点，最后提取一定大小的子图，该子图的中心与Y轴的距离为某一特定值；第二种方法以中指两边的指谷建立坐标系，从而对齐不同的掌纹图像；第三种方法与第一种方法相似，所不同的是只有第一和第三个指谷被用于建立坐标系，Y轴第一和第三个指谷的连线，原点为第一和第三个指谷的中点。

图3 连接第一和第三个指谷点，构造新的坐标系Fig.3 Connecting P1 and point P2 and constructing a new coordinate system

4 结 论

文中利用了AES2510的并口方式和Cy7c68013的GPIF接口的可编程性，快速有效地实现它们之间的通信。基于Cypress公司的Cy7c68013和Authentec公司的掌纹传感器AES2510，设计和实现了一种比较实用的掌纹采集系统。该系统有望应用在门禁、汽车防盗、便携设备信息保护等身份鉴别系统。

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