虹膜图像采集装置的设计

苑玮琦，金 爽

(沈阳工业大学视觉检测技术研究所，辽宁沈阳 110870)

0 引言

为了能够清晰便捷地观察到虹膜的情况，人们对虹膜采集技术的研究一直在进行。一个优秀的虹膜图像采集系统能够大大提高虹膜诊断的正确率，为医生观察虹膜特征提供极大的方便。

现有的虹膜图像采集装置还存在各种不足，例如有的装置会在检测时受到各方面影响，造成被测者眨眼或转动眼球，检测难以准确；有的装置过于庞大、复杂和昂贵，使得使用范围受到限制。另外，光源强度过大伤害人眼，存在光斑等都是目前虹膜检测领域存在的问题。

文中所设计的是一种便携式的虹膜采集装置，通过USB接口即可将图像显示在电脑上，携带方便，使用方法简单。该装置根据虹膜特点以及医疗诊断的要求选取合适的光源和镜头，设计了抗干扰性强、对人眼无损伤的光学结构。数据传输电路以USB2．0接口芯片CY7C68013A为主控芯片，图像的处理分析均在上位机进行，响应速度快，图像质量好，可满足大部分虹膜医疗诊断的要求。

1 虹膜图像采集装置的结构

虹膜图像采集装置以人眼虹膜为采集对象，由光学系统、图像传感器、USB接口芯片等组成。光学系统采集用户的虹膜图像，图像信息由图像传感器进行数字化处理。处理后的数据进入USB接口芯片，快速上传至计算机主机端进行显示、存储等操作，如图1所示。

图1 虹膜图像的采集过程

2 光学系统

在虹膜图像的采集过程中，光学系统提供光源和镜头，并配以辅助的遮挡装置。设计时需要考虑以下几个主要问题：

(1) 光源强度适中、显色性好、位置合理。既能满足图像质量的要求又不给被采集者的眼睛造成伤害。

(2) 选择合适的镜头，充分考虑各方面因素使图像质量达到最佳。

(3) 遮挡装置一方面要消除外界杂光干扰，一方面又起到固定拍摄位置的作用。

2．1 光源的选择与设计

虹膜诊断需要观察虹膜的形态变化，如颜色、色斑，结构和瞳孔变化等[1]。单色光的显色性很差，会极大地影响观察到的物体颜色，而白光显色性很好[2]，作为光源时能最大程度地还原虹膜颜色信息。

设计选用的是一款高指向性白光LED。目前市场上同类虹膜采集设备的光源发光强度多在2 500～3 500 mcd范围内，而本装置的光源发光强度为1 500～1 800 mcd，低于大部分同类产品，被采集者并无不适感。另外，CMOS传感器要求的最低照度一般在6～15 Lux范围内，该光源照度远高于该值。

采集过程中光线要尽量避免直射瞳孔，因此需要根据虹膜直径和瞳孔直径来确定拍摄距离、光源的安装位置与角度。除此之外光源方向性、体积、发光角度等均需要考虑。

光源安装位置如图2所示，两灯位于主光轴两侧，直线距离L=30 mm，照射方向与光轴夹角φ=60°。人眼虹膜直径约为10～12 mm，瞳孔直径2～4 mm．光源直射位置要在瞳孔之外，虹膜之内。取虹膜直径R=10 mm，瞳孔直径r=4 mm。已知光源直径1 mm，由于拍摄距离很近，且高指向性光源的散射角很小，光斑直径r′可视为与光源直径一致，即r′=1 mm．计算装置允许的最远拍摄距离：

(1)

最近拍摄距离：

(2)

将拍摄位置固定在S=6.5 mm处，光线照射在距瞳孔中心约3.75 mm处，不会直射入瞳孔。

图2 光源安装位置

当有光线照射在虹膜上时，会在虹膜区域上反光，形成位于虹膜区内的光斑，造成该部分虹膜区域信息被破坏。该装置光源形成的光斑位于瞳孔两侧的虹膜上，直径1 mm左右。为消除光斑干扰，照明装置(图3)中两个LED发光管的开启可以分别控制。使用时依次打开左灯、右灯，采集两幅图像，即可观察到光斑遮挡的区域。

若被测人眼睛受到自然光或景物影响，会眨眼或转动眼球[3]，影响检测效果。因此设计添加了遮挡装置，用于避免外界干扰，而且遮挡装置与被测人接触，起到固定拍摄位置的作用。

图3 照明装置平面示意图

2．2 镜头的计算与选择

光学镜头在虹膜采集装置中具有非常重要的作用。虹膜直径仅10 mm左右，必须使用光学镜头放大虹膜图像。焦距决定了放大倍数，分辨率则影响图像的清晰度[4]。另外景深、视场角、拍摄距离等也决定图像的质量。选取镜头时要充分考虑各种因素，保证虹膜图像满足医疗分析的要求。

如图4所示，当已知被摄物体的大小及该物体到镜头距离，则可根据下式计算所选取配镜头的焦距：

(3)

式中：f为镜头焦距；D为被摄物体到镜头的距离；W和H为被摄物体的宽度和高度；w和h为被摄物体在传感器靶面上成像宽度和高度。

图4 镜头成像示意图

镜头是否能拍摄到完整的虹膜图像由视场角决定。计算公式如下：

(4)

(5)

带入各值进行计算，得水平视角θah=22.62°，垂直视角θav=17.06°。镜头的视场角要大于该值，且镜头尺寸要与图像传感器靶面大小匹配。综合以上计算，选择靶面大小为1/4英寸，焦距9 mm，视场角25.0°×18.5°的镜头。

2．3 光学系统整体结构

该装置为接触式采集设备，使用时将遮挡装置紧贴眼眶，即可固定人眼到镜头的距离，但虹膜在视场中的位置并不能精确固定，因此将整个眼部纳入到成像范围内。

光源、镜头、传感器和遮挡装置的位置关系如图5。遮挡装置将人眼固定在距光源约6.5 mm的拍摄区域内，使眼部基本布满整个视场。镜头距拍摄位置约50 mm，根据镜头焦距，将图像传感器放置在距镜头9 mm处。

图5 光学系统结构示意图

3 硬件系统设计

3．1 硬件电路结构

图像数据的传输由USB接口芯片完成。本装置使用EZ-USB FX2LP系列中的CY7C68013A芯片作为核心处理器。数据传输通常需要微处理器通过固件访问接口芯片的端点FIFO和外围设备接口，固件程序执行较慢会限制数据传输速率，而CY7C68013A提供了一种独特的“量子FIFO”架构，USB接口和应用环境直接共享FIFO存储器，无需执行固件程序便可实现端点FIFO与外部的数据交换[6]。端点FIFO可工作在5～48 MHz时钟频率下，而图像传感器的信号输出频率为24 MHz，CY7C68013A符合要求。

硬件电路如图6所示，图像传感器输出8位数字视频信号，并提供行信号、场信号及像素时钟信号对端点FIFO进行外部逻辑控制。IIC总线用于图像传感器与USB接口芯片的通信。整个装置由USB总线提供5 V电压源，电压经转换后为各部分供电。接口芯片内部无程序存储器，需要外部程序存储器装载固件程序。LED光源的开关由I/O接口控制。

图6 虹膜采集装置硬件电路

3．2 数据传输电路设计

3．2．1 硬件连接

图7是图像传感器OV7725与USB2．0接口芯片CY7C68013A的连接方式。接口芯片的时钟输出引脚CLKOUT为传感器提供24 MHz时钟信号。图像传感器像素时钟输出PCLK为CY7C68013A提供外部参考时钟。将OV7725设置为每个PCLK的上升沿输出一个像素点。每当检测到FIFO时钟接口IFCLK信号的上升沿时(端点FIFO写使能情况下)图像传感器就将一个8位数据写入USB端口FIFO缓冲区中，达到图像传感器与USB控制器同步传输的效果。

图7 图像传感器与USB接口芯片的连接

系统设置为从属FIFO模式，即将外设作为主控方，控制端点FIFO与外设间的数据传输。信号时序如图8所示，图像传感器输出的行信号(HREF)控制端点FIFO的写信号(SLWR)，行信号高电平期间使端点FIFO写有效，保证传输有效的图像数据。场信号(VSYNC)与外部中断引脚(INT0)连接，当一帧数据到来时触发中断服务子程序，通知USB控制器新一帧图像的到来以达到与CMOS图像场同步的目的。在中断程序中进行从属FIFO模式转换，系统便可在PC机命令下开始采集传输。

图8 图像传感器输出信号时序图

对图像传感器的配置通过I2C总线(SCL与SDA)实现。传感器的数据输出管脚Y[7：0] 和接口芯片的FD[7：0] 相连，传输实际的图像数据。

3．2．2 数据传输方式选择

若图像传感器输出YUV4：2：2格式图像，则每两个像素点占用四字节存储空间，图像大小为640×480像素，每秒输出30帧，计算有效图像数据传输速度为：

640×480×2×30≈17.6 MB/s

(6)

USB2．0协议规定USB总线速度上限为60 MB/s，考虑各种通信协议开销后，理论传输速度如表1[7]，其中每微帧为125 μs．由表1可知中断传输、批量传输、同步传输的传输速度均大于图像传感器的17.6 MB/s．但实际应用中传输速度受其他因素的影响会大大降低，为确保图像数据正常传送，选择传输速度为53.248 MB/s，最接近总线速度上限的批量传输方式。

表1 USB2．0数据最大传输速度

接口芯片CY7C68013A工作在Auto-In(自动打包)机制下，数据在“量子FIFO”中以数据包而非字节的形式传输，即对端点FIFO进行写操作时，写满协议规定的数据封包容量后便自动启动一次数据传输过程。工作时，图像数据经由通用接口进入端点缓冲区，再以数据包的形式进行传送。USB串行接口引擎(SIE)通过USB总线将数据上传至主机端。一般情况下使用双重或三重、四重缓冲在通用接口与串行接口间轮换，如图9所示。

图9 图像数据传输示意图

4 软件设计

虹膜采集装置的软件系统由3部分组成：固件程序、驱动程序、应用程序。

4．1 固件程序

固件程序是指USB接口芯片CY7C68013A的片内程序。为减少设计人员的工作量，Cypress公司提供了一个固件框架firmware，大部分与USB协议相关的工作都已在固件中完成了。固件程序主要实现以下3方面功能：对USB端口和FIFO进行初始化配置；完成对图像传感器的编程配置；其他自定义功能的设定。

进行固件开发时，首先要根据设备情况来定义USB描述符。然后进行端点配置和操作模式设定，该设计使用slave FIFO模式，数据自动打包，批量传输，设置四重缓冲区，每个缓冲区大小1 024字节。

对图像传感器进行配置时，主机向OV7725传输的有效数据分为三个部分，依次为芯片的ID地址、目地寄存器地址和要写的数据。使用时不必配置所有的寄存器，只针对设计中需要的寄存器进行配置即可，主要包括图像分辨率、输出格式、时钟、摄像头和影像处理功能等。

4．2 驱动程序

驱动程序使用Cypress公司提供的通用USB驱动程序CYUSB．SYS。相应地，主机则使用CyAPI控制函数类库方法进行编程。

4．3 应用程序

CyAPI控制函数类库为EZ-USB系列接口芯片提供了精细的控制接口。进行应用程序编程时，以Cypress提供的驱动程序为基础，在主机程序中加入头文件CyAPI．h和库文件CyAPI．lib即可调用CyAPI函数库中的基础函数。

为提高数据传输速率，主程序中单独开启一个批量传输线程。在该线程中使用设备控制类下的Open()函数打开USB设备，然后调用3个函数BeginDataXfer()、WaitForXfer()、FinishDataXfer()读取FIFO中的数据，最后调用Close()函数结束程序。图像数据存放于计算机内存中，设计中图像传感器输出YUV422格式的数据，不能直接在计算机显示，需先转化为RGB24数据格式。转化公式如下：

R=Y+1.042×(V-128)

(7)

G=Y-0.344 14×(U-128)-0.714 14×(V-128)

(8)

B=Y+1.772×(U-128)

(9)

传输过程中达到一帧数据量并完成格式转化后即开始显示图像，直到下一帧数据传输转换完成，进行刷新，实现实时显示。图像以BMP格式保存。采集虹膜图像时，观察上位机显示的视频，满足要求时即可拍照并保存图像，应用程序流程如图10。

图10 应用程序流程图

5 结论

文中设计了一个基于USB2．0接口芯片的虹膜图像采集装置，输出VGA格式(30万像素)图像，速度达到30 fps，具备实时显示、拍照、存储等功能。该虹膜图像采集装置光源强度较小，抗干扰性强，为虹膜医疗诊断提供了良好的硬件基础。图11为该装置采集到的虹膜图像。

图11 装置采集的虹膜图像

参考文献：

[1] 王龄．观察虹膜知健康．沈阳：辽宁科学技术出版社，2010：2．

[2] 曾华阳，刘宝林，黄文达，等．发光二极管的色度分析．光电器件与材料，2009，24(2)：40-43．

[3] 杨思蕴．一种虹膜检测装置：中国，200910039113．1[P] ．2009-04-30．

[4] 胡宗星．虹膜采集关键问题的研究与实践：[学位论文] ．长春：吉林大学，2011．

[5] OmniVision Technologies，lnc．OV7725_CSP2_DS_(1．5) [DB/OL]． (2008-08-04)．[2013-11-03] ．http：//www．ovt．com/products/category．php?id=15．

[6] 焦斌亮，韩志学．基于EZ-USB FX2实现的高速数据采集系统．仪表技术与传感器，2005(7)：21-22．

[7]刘思久，赵蔚．实现USB2．0高速数据传输的问题探讨．计算机工程与应用，2007，43(2)：75-77．