基于TMS320DM6437的掌靜脈圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種以TMS320DM6437 DSP為核心的掌靜脈圖像采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了波長(zhǎng)為470 nm藍(lán)光和波長(zhǎng)為850 nm近紅外光作為主要光源，通過(guò)手掌和光源系統(tǒng)非接觸的方式采集手部圖像，采集完手部圖像后，提取手部的特征信息，然后結(jié)合特征識(shí)別算法進(jìn)行身份識(shí)別。該系統(tǒng)主要包括CMOS傳感器、TMS320DM6437的視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)和顯示器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)采集到的圖像清晰、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、采集速度快，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

TMS320DM6437是一款32位定點(diǎn)DSP達(dá)芬奇(DaVinci(TM))技術(shù)的處理器，主要適用于對(duì)系統(tǒng)性能要求比較高而又要求價(jià)格低廉的客戶。該器件采用TI第2代超長(zhǎng)指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)(VelociTI.2)的TMS320C64x+DSP內(nèi)核，主頻可達(dá)700MHz，支持8個(gè)8位或4個(gè)16位并行MAC(multiplyaccumulates)運(yùn)算，峰值處理能力高達(dá)5 600 MIPS。

文中設(shè)計(jì)了一種在非接觸的方式下進(jìn)行采集手掌圖像，本系統(tǒng)是在470 nm的藍(lán)光和850 nm的近紅外光的垂直照射下采集手部圖像，采集到的掌形、掌紋和掌靜脈圖像達(dá)到了系統(tǒng)的識(shí)別要求，能準(zhǔn)確的完成身份的識(shí)別。

1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想是采用470 nm的藍(lán)光和850 nm的近紅外光主動(dòng)照射手掌，手掌和光源以非接觸的方式通過(guò)CMOS攝像頭采集手掌圖像，CMOS攝像頭把采集的圖像由光信號(hào)變成了電信號(hào)傳送到DSP進(jìn)行處理，DM6437把CMOS攝像頭傳過(guò)來(lái)的手掌圖像進(jìn)行處理，在DSP中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換以及一些必要的處理等，最后將處理結(jié)果通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)。

文中基于這個(gè)思想從結(jié)構(gòu)上主要可分為：光源模塊、手掌圖像采集模塊、圖像信息處理模塊、數(shù)據(jù)通信與傳輸模塊、圖像顯示處理模塊5部分構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

CMOS攝像頭把采集到的圖像傳送到視頻解碼芯片TVP5146中，通過(guò)視頻解碼芯片把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，DM6437通過(guò)I2C總線對(duì) TVP5146芯片進(jìn)行配置，TVP5146芯片在同步信號(hào)的控制下，把采集到的手掌圖像數(shù)據(jù)以YCbCr的格式傳送到視頻處理前端進(jìn)行處理，YCbCr 的比例是4：2：2。視頻處理前端的CCDC控制器會(huì)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，把處理后的圖像數(shù)據(jù)存放在DDR2里，如果要顯示圖像視頻信號(hào)，則可以在行場(chǎng)同步信號(hào)下，通過(guò)視頻處理后端讀取存儲(chǔ)在DDR2中的視頻數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)顯示屏進(jìn)行顯示。

2 TVP5146簡(jiǎn)介

TVP5146芯片是一款專門用于圖像和視頻的解碼芯片，可以把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)。

TVP5146有以下特點(diǎn)：它可以把復(fù)合視頻信號(hào)和PAL制信號(hào)解碼成數(shù)字信號(hào);它有4路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，能把Y/C信號(hào)、CVBS信號(hào)、RGB信號(hào)與 YCbCr信號(hào)等進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。模擬信號(hào)以2倍的頻率進(jìn)行采樣或者通過(guò)ITU—R BT.601頻率進(jìn)行采樣，然后經(jīng)過(guò)降低頻率和濾波到像素頻率進(jìn)行輸出;CVBS信號(hào)解碼：通過(guò)芯片內(nèi)部的5線自適應(yīng)梳狀濾波器可以把亮度和色度分離出來(lái)，這樣可以增強(qiáng)亮度和色度分離的效果，有效的降低了亮度與色度的互相干擾;TVP5146主要功能模塊包括：4路10通道A/D轉(zhuǎn)換的模擬前端模塊;可進(jìn)行同步檢測(cè)的時(shí)鐘處理模塊;VBI數(shù)據(jù)處理模塊;復(fù)合視頻信號(hào)和Y信號(hào)處理模塊;RGB格式信號(hào)及YCbCr格式信號(hào)處理模塊;輸出格式模塊;I2C總線模塊;拷貝保護(hù)檢測(cè)模塊。

3 圖像采集模塊的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，DM6437的YI[0：7]視頻輸入口與TVP5146輸出接口Y2-Y9連接，通過(guò)I2C總線的方式對(duì)解碼器的寄存器進(jìn)行初始化操作。由于信號(hào)輸入端口選擇的是VI_2_B，所以需要將模擬通道寄存器設(shè)置為05H，由于輸出的是PAL制式，所以需要將視頻標(biāo)準(zhǔn)寄存器設(shè)置為02H。制式選擇寄存器設(shè)置成3FH，它表示的是NTSC制式和PAL制式自動(dòng)選擇。顏色控制寄存器設(shè)置成04H，它的作用是NTSC和PAL最優(yōu)化顏色捕捉。初始化寄存器1設(shè)置成43H，它的作用是選擇10位4：2：2的輸出格式。把初始化寄存器2設(shè)置成11H，它的作用是YC bCr和時(shí)鐘輸出使能。把初始化寄存器4設(shè)置成AFH，它的作用是垂直同步信號(hào)和水平同步信號(hào)輸出使能。DM6437的PCLK時(shí)鐘信號(hào)由解碼器的 DATACLK，作為視頻輸入的時(shí)鐘信號(hào)，DM6437的行場(chǎng)同步信號(hào)都是由視頻解碼器提供。電路連接圖如圖2所示。

4 視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)

TMS320DM6437的視頻處理部分主要包括視頻處理前端(VPFE)系統(tǒng)和視頻處理后端(VPBE)系統(tǒng)，這兩個(gè)部分也被稱為 DM6437的視頻子系統(tǒng)VPSS。視頻處理前端的主要功能是接受圖像傳感器或者視頻解碼器傳過(guò)來(lái)的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，主要有CVBS數(shù)據(jù)、RGB格式數(shù)據(jù)、 YCbCr格式數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)類型，視頻處理前端會(huì)把接收到的數(shù)據(jù)做一些處理。視頻處理后端的主要功能是輸出視頻前端處理器處理后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)視頻處理后端的一些處理后把數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳送到顯示窗口進(jìn)行顯示等。VPSS功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4.1 視頻處理前端(VPFE)

CCDC控制器接受來(lái)自CMOS的視頻信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)和采樣模塊、光黑鉗位模塊、黑電平補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)格式化和視頻端像素選擇模塊來(lái)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理，處理后把圖像傳輸?shù)筋A(yù)覽器模塊，在預(yù)覽器模塊中主要進(jìn)行中值濾波、噪聲濾波器、CFA插值、Gamam校正、RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換，將圖像數(shù)據(jù)變成YCbCr4：2：2的格式。把處理后的圖像存入緩沖區(qū)DDR2中，Y存入0X82000000，Cb存入0X8204B000，Cr存入 0X82096000，等待視頻處理后端(VPBE)進(jìn)行處理。

4.2 視頻處理后端(VPBE)

TMS320DM6437的視頻處理后端主要包括OSD模塊和VENC模塊，它的主要作用是輔助圖像和視頻在顯示屏上進(jìn)行顯示。OSD模塊的主要作用是把圖像數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成同一個(gè)數(shù)字視頻的格式。VENC主要包括視頻編碼模塊、數(shù)字LCD控制器模塊和時(shí)序產(chǎn)生器模塊3部分，視頻編碼模塊主要是完成數(shù)字視頻到模擬視頻的轉(zhuǎn)換;數(shù)字LCD控制器模塊主要的作用是控制各種數(shù)據(jù)輸出時(shí)所需要的時(shí)鐘信號(hào);時(shí)序產(chǎn)生器主要是給編碼模塊和數(shù)字控制器模塊提供時(shí)鐘信號(hào)。

5 實(shí)時(shí)顯示電路的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)顯示電路主要是依靠DM6437、輸出驅(qū)動(dòng)OPA361、顯示屏來(lái)完成的，DM6437把數(shù)字信號(hào)輸入到OPA361中，OPA361允許經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的直流共模視頻信號(hào)輸入，從而驅(qū)動(dòng)顯示器進(jìn)行顯示。圖4為系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示電路的框圖。

顯示屏主要是用于顯示圖像以及識(shí)別結(jié)果，在使用前需要對(duì)液晶顯示模塊進(jìn)行初始化的操作，主要包括選擇數(shù)據(jù)的傳輸接口、顯示器的亮度、顯示窗口大小的設(shè)定等。在本設(shè)計(jì)中，采用的是A/V數(shù)據(jù)接口，顯示模式為NTSC制式，寬屏顯示，所以我選擇了JSC-70MD這個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品。

6 外部存儲(chǔ)模塊

TMS320DM6437有一個(gè)專用的存儲(chǔ)器DDR2接口，DDR2存儲(chǔ)器的主要作用是用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)以及當(dāng)做視頻圖像處理過(guò)程中的緩沖區(qū)，它的內(nèi)部存儲(chǔ)大小為256 MB。異步存儲(chǔ)器接口主要是用來(lái)接口Flash，主要作用是存儲(chǔ)固化代碼，大小為64 MB。DM6437設(shè)備提供了一條32-bit寬的DDR2總線，EVM通過(guò)該總線可與16-bit或32-bit的DDR2 SDRAM設(shè)備相連，內(nèi)部存儲(chǔ)空間大小為128 MB，主要的作用是存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。

7 音頻輸出模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音模塊主要功能是對(duì)用戶進(jìn)行操作提示和播報(bào)識(shí)別結(jié)果，如果用戶手掌放置錯(cuò)誤則系統(tǒng)會(huì)通過(guò)語(yǔ)音模塊進(jìn)行提示用戶。

7.1 語(yǔ)音芯片的選擇

本設(shè)計(jì)選用的語(yǔ)音芯片型號(hào)為WT588D-U，該模塊的工作電壓為直流電壓2.8伏到5.5伏之間可調(diào)，內(nèi)部存儲(chǔ)的空間大小為32 MB;內(nèi)部有一個(gè)13位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個(gè)12位的脈沖寬度調(diào)制控制音頻輸出方式;PWM可以直接驅(qū)動(dòng)0.5 W的揚(yáng)聲器;它有DAC/PWM兩種輸出方式;可以加載500段語(yǔ)音;下載方式為USB下載。

7.2 語(yǔ)音模塊連接圖

語(yǔ)音模塊的控制方式主要有一線串口控制、三線串口控制和按鍵控制3種方式。本管腳描述如下：PWM+和PWM-表示的是輸出管腳，兩者組合可以直接驅(qū)動(dòng)外接揚(yáng)聲器工作;

VDD是數(shù)字電源輸入腳;BUSY引腳表示的是語(yǔ)音忙信號(hào);P03是一線數(shù)據(jù)和地址輸入管腳。本系統(tǒng)控制方式為一線控制模式，電路中使用到的管腳描述如圖5所示。

M6437通過(guò)GPIO45和語(yǔ)音模塊的P03相連，采用一根信號(hào)線傳送數(shù)據(jù)和命令。PWM+與PWM-引腳驅(qū)動(dòng)額定功率為0.5 W的外接揚(yáng)聲器，沒(méi)有使用的引腳接通過(guò)10k電阻直接接地，它的作用是保護(hù)電路。

7.3 語(yǔ)音模塊控制方式

本系統(tǒng)采用的是一線串口控制模式，一線串口控制方式就是通過(guò)一條信號(hào)線控制語(yǔ)音輸出，通過(guò)不同的電平占空比來(lái)表示數(shù)據(jù)位0和數(shù)據(jù)位1。語(yǔ)音模塊在傳送數(shù)據(jù)前，先把數(shù)據(jù)信號(hào)延遲5 ms在進(jìn)行傳送。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)發(fā)送地址數(shù)據(jù)就能直接觸發(fā)播放語(yǔ)音。未發(fā)送的地址或者命令數(shù)據(jù)用D0到D7表示，地址指令為00H到DBH，音量調(diào)節(jié)命令的地址為EOH到E7H，循環(huán)命令用F2H表示，暫停命令用FEH表示，圖6為控制時(shí)序圖。

8 紅外感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

為了使該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)用戶手掌是否到來(lái)以便打開(kāi)采集系統(tǒng)，因此系統(tǒng)采用了紅外感應(yīng)模塊;當(dāng)用戶手掌垂直距離鏡頭表面20 cm時(shí)，可以使手掌信息完整呈現(xiàn)在圖像傳感器視野范圍內(nèi)，所以紅外感應(yīng)模塊的感應(yīng)距離應(yīng)該至少為20 cm。本裝置采用的漫反射型紅外感應(yīng)模塊IR-08H，由能發(fā)射近紅外光的二極管和接收反射回來(lái)光線的二極管組成，當(dāng)用戶手掌到達(dá)檢測(cè)位置時(shí)會(huì)阻礙發(fā)射管持續(xù)發(fā)出的近紅外光線，此時(shí)接收管開(kāi)始接收光線，然后驅(qū)動(dòng)輸出端OUT電平變化，通過(guò)調(diào)整距離調(diào)節(jié)旋鈕來(lái)控制發(fā)射紅外線的長(zhǎng)度，以達(dá)到要求的檢測(cè)距離。

紅外感應(yīng)模塊與DSP連接圖如圖7所示，將GPIO59引腳作為輸入端口，檢測(cè)輸入信號(hào)電平變化，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)功能;若感應(yīng)到手掌，系統(tǒng)進(jìn)入登陸模式;若沒(méi)有感應(yīng)到手掌，系統(tǒng)維持省電模式，即圖像傳感器和液晶顯示模塊不工作。

9 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一套基于TMS320DM6437的非接觸式手多模態(tài)特征采集系統(tǒng)，本套系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可行性，有效的提高了身份識(shí)別的準(zhǔn)確率，受到了用戶的高度贊揚(yáng)。