非接触掌静脉图像采集系统设计方案

设计并实现了一种以TMS320DM6437 DSP为核心的掌静脉图像采集系统。本系统采用了波长为470 nm蓝光和波长为850 nm近红外光作为主要光源，通过手掌和光源系统非接触的方式采集手部图像，采集完手部图像后，提取手部的特征信息，然后结合特征识别算法进行身份识别。该系统主要包括CMOS传感器、TMS320DM6437的视频处理子系统(VPSS)和显示器。实验结果表明：该系统采集到的图像清晰、系统稳定性好、采集速度快，满足了系统的设计要求。

TMS320DM6437是一款32位定点DSP达芬奇(DaVinci(TM))技术的处理器，主要适用于对系统性能要求比较高而又要求价格低廉的客户。该器件采用TI第2代超长指令字(VLIW)结构(VelociTI.2)的TMS320C64x+DSP内核，主频可达700MHz，支持8个8位或4个16位并行MAC(multiplyaccumulates)运算，峰值处理能力高达5 600 MIPS。

1 系统总体硬件结构及工作原理

本系统的基本设计思想是采用470 nm的蓝光和850 nm的近红外光主动照射手掌，手掌和光源以非接触的方式通过CMOS摄像头采集手掌图像，CMOS摄像头把采集的图像由光信号变成了电信号传送到DSP进行处理，DM6437把CMOS摄像头传过来的手掌图像进行处理，在DSP中进行模数转换以及一些必要的处理等，最后将处理结果通过显示屏显示出来。

文中基于这个思想从结构上主要可分为：光源模块、手掌图像采集模块、图像信息处理模块、数据通信与传输模块、图像显示处理模块5部分构成。系统结构框图如图1所示。

图1：系统结构框图

CMOS摄像头把采集到的图像传送到视频解码芯片TVP5146中，通过视频解码芯片把数字信号转换成模拟信号，DM6437通过I2C总线对 TVP5146芯片进行配置，TVP5146芯片在同步信号的控制下，把采集到的手掌图像数据以YCbCr的格式传送到视频处理前端进行处理，YCbCr 的比例是4：2：2。视频处理前端的CCDC控制器会对图像数据进行预处理，把处理后的图像数据存放在DDR2里，如果要显示图像视频信号，则可以在行场同步信号下，通过视频处理后端读取存储在DDR2中的视频数据在经过处理后通过显示屏进行显示。

2 TVP5146简介

TVP5146芯片是一款专门用于图像和视频的解码芯片，可以把模拟视频信号转换为数字视频信号。

TVP5146有以下特点：它可以把复合视频信号和PAL制信号解码成数字信号;它有4路模数转换通道，能把Y/C信号、CVBS信号、RGB信号与 YCbCr信号等进行模数转换。模拟信号以2倍的频率进行采样或者通过ITU—R BT.601频率进行采样，然后经过降低频率和滤波到像素频率进行输出;CVBS信号解码：通过芯片内部的5线自适应梳状滤波器可以把亮度和色度分离出来，这样可以增强亮度和色度分离的效果，有效的降低了亮度与色度的互相干扰;TVP5146主要功能模块包括：4路10通道A/D转换的模拟前端模块;可进行同步检测的时钟处理模块;VBI数据处理模块;复合视频信号和Y信号处理模块;RGB格式信号及YCbCr格式信号处理模块;输出格式模块;I2C总线模块;拷贝保护检测模块。

3 图像采集模块的设计

在本系统中，DM6437的YI[0：7]视频输入口与TVP5146输出接口Y2-Y9连接，通过I2C总线的方式对解码器的寄存器进行初始化操作。由于信号输入端口选择的是VI_2_B，所以需要将模拟通道寄存器设置为05H，由于输出的是PAL制式，所以需要将视频标准寄存器设置为02H。制式选择寄存器设置成3FH，它表示的是NTSC制式和PAL制式自动选择。颜色控制寄存器设置成04H，它的作用是NTSC和PAL最优化颜色捕捉。初始化寄存器1设置成43H，它的作用是选择10位4：2：2的输出格式。把初始化寄存器2设置成11H，它的作用是YC bCr和时钟输出使能。把初始化寄存器4设置成AFH，它的作用是垂直同步信号和水平同步信号输出使能。DM6437的PCLK时钟信号由解码器的 DATACLK，作为视频输入的时钟信号，DM6437的行场同步信号都是由视频解码器提供。电路连接图如图2所示。

图2：TVP5146与DM6437连接图

4 视频处理子系统(VPSS)

TMS320DM6437的视频处理部分主要包括视频处理前端(VPFE)系统和视频处理后端(VPBE)系统，这两个部分也被称为 DM6437的视频子系统VPSS。视频处理前端的主要功能是接受图像传感器或者视频解码器传过来的数字视频数据，主要有CVBS数据、RGB格式数据、 YCbCr格式数据等数据类型，视频处理前端会把接收到的数据做一些处理。视频处理后端的主要功能是输出视频前端处理器处理后的数字数据，经过视频处理后端的一些处理后把数字视频数据传送到显示窗口进行显示等。VPSS功能结构图如图3所示。

图3：VPSS功能结构框图

4.1 视频处理前端(VPFE)

CCDC控制器接受来自CMOS的视频信号，依次经过数据和采样模块、光黑钳位模块、黑电平补偿模块、数据格式化和视频端像素选择模块来对视频信号进行处理，处理后把图像传输到预览器模块，在预览器模块中主要进行中值滤波、噪声滤波器、CFA插值、Gamam校正、RGB到YCbCr的转换，将图像数据变成YCbCr4：2：2的格式。把处理后的图像存入缓冲区DDR2中，Y存入0X82000000，Cb存入0X8204B000，Cr存入 0X82096000，等待视频处理后端(VPBE)进行处理。

4.2 视频处理后端(VPBE)

TMS320DM6437的视频处理后端主要包括OSD模块和VENC模块，它的主要作用是辅助图像和视频在显示屏上进行显示。OSD模块的主要作用是把图像数据和视频数据转换成同一个数字视频的格式。VENC主要包括视频编码模块、数字LCD控制器模块和时序产生器模块3部分，视频编码模块主要是完成数字视频到模拟视频的转换;数字LCD控制器模块主要的作用是控制各种数据输出时所需要的时钟信号;时序产生器主要是给编码模块和数字控制器模块提供时钟信号。

5 实时显示电路的设计

实时显示电路主要是依靠DM6437、输出驱动OPA361、显示屏来完成的，DM6437把数字信号输入到OPA361中，OPA361允许经过模数转换器的直流共模视频信号输入，从而驱动显示器进行显示。图4为系统实时显示电路的框图。

图4：显示电路框图

显示屏主要是用于显示图像以及识别结果，在使用前需要对液晶显示模块进行初始化的操作，主要包括选择数据的传输接口、显示器的亮度、显示窗口大小的设定等。在本设计中，采用的是A/V数据接口，显示模式为NTSC制式，宽屏显示，所以我选择了JSC-70MD这个型号的产品。

6 外部存储模块

TMS320DM6437有一个专用的存储器DDR2接口，DDR2存储器的主要作用是用来存储程序和数据以及当做视频图像处理过程中的缓冲区，它的内部存储大小为256 MB。异步存储器接口主要是用来接口Flash，主要作用是存储固化代码，大小为64 MB。DM6437设备提供了一条32-bit宽的DDR2总线，EVM通过该总线可与16-bit或32-bit的DDR2 SDRAM设备相连，内部存储空间大小为128 MB，主要的作用是存储程序和数据。

7 音频输出模块设计

语音模块主要功能是对用户进行操作提示和播报识别结果，如果用户手掌放置错误则系统会通过语音模块进行提示用户。

7.1 语音芯片的选择

本设计选用的语音芯片型号为WT588D-U，该模块的工作电压为直流电压2.8伏到5.5伏之间可调，内部存储的空间大小为32 MB;内部有一个13位的数模转换器，一个12位的脉冲宽度调制控制音频输出方式;PWM可以直接驱动0.5 W的扬声器;它有DAC/PWM两种输出方式;可以加载500段语音;下载方式为USB下载。

7.2 语音模块连接图

语音模块的控制方式主要有一线串口控制、三线串口控制和按键控制3种方式。本管脚描述如下：PWM+和PWM-表示的是输出管脚，两者组合可以直接驱动外接扬声器工作;VDD是数字电源输入脚;BUSY引脚表示的是语音忙信号;P03是一线数据和地址输入管脚。本系统控制方式为一线控制模式，电路中使用到的管脚描述如图5所示。

图5：语音模块电路连接图

M6437通过GPIO45和语音模块的P03相连，采用一根信号线传送数据和命令。PWM+与PWM-引脚驱动额定功率为0.5 W的外接扬声器，没有使用的引脚接通过10k电阻直接接地，它的作用是保护电路。

7.3 语音模块控制方式

本系统采用的是一线串口控制模式，一线串口控制方式就是通过一条信号线控制语音输出，通过不同的电平占空比来表示数据位0和数据位1。语音模块在传送数据前，先把数据信号延迟5 ms在进行传送。在发送数据时，通过发送地址数据就能直接触发播放语音。未发送的地址或者命令数据用D0到D7表示，地址指令为00H到DBH，音量调节命令的地址为EOH到E7H，循环命令用F2H表示，暂停命令用FEH表示，图6为控制时序图。

图6：语音模块控制时序图

8 红外感应模块设计

为了使该装置能够实现自动检测用户手掌是否到来以便打开采集系统，因此系统采用了红外感应模块;当用户手掌垂直距离镜头表面20 cm时，可以使手掌信息完整呈现在图像传感器视野范围内，所以红外感应模块的感应距离应该至少为20 cm。本装置采用的漫反射型红外感应模块IR-08H，由能发射近红外光的二极管和接收反射回来光线的二极管组成，当用户手掌到达检测位置时会阻碍发射管持续发出的近红外光线，此时接收管开始接收光线，然后驱动输出端OUT电平变化，通过调整距离调节旋钮来控制发射红外线的长度，以达到要求的检测距离。

红外感应模块与DSP连接图如图7所示，将GPIO59引脚作为输入端口，检测输入信号电平变化，实现感应功能;若感应到手掌，系统进入登陆模式;若没有感应到手掌，系统维持省电模式，即图像传感器和液晶显示模块不工作。

图7：红外感应模块与DSP连接图

9 结论

文中设计了一套基于TMS320DM6437的非接触式手多模态特征采集系统，本套系统具有很强的实用性和可行性，有效的提高了身份识别的准确率，受到了用户的高度赞扬。