多模态生物特征识别系统采集前端硬件描述
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多模态手部生物特征识别技术分析作者:夏鹏来源:《电子技术与软件工程》2015年第07期摘要生物特征识别技术即利用人独特的生理以及行为特征为依据,来实现不同人身份的鉴别,减少身份窃取事件的发生。
多模态手部生物特征识别技术,虽然目前作为主要研究方向已经取得了一定的成果,但是在实际应用上来说还存在部分亟需解决的问题,必须要对其做更进一步的研究。
本文分析了手部生物特征识别技术与特点,并对识别技术的实现方式进行了简要分析。
【关键词】多模态手部生态特征识别科学技术的快速发展,使得现在逐渐涌现出更多安全识别技术,其中生物特征识别已经成为最具潜力的身份认证技术之一。
为保证信息与人身安全,需要以提高安全性为前提,对各项识别技术进行更深的研究。
多模态手部生物特征识别技术的实现,需要通过手指生物特征采集系统以及手背静脉采集系统对各项数据的收集,建立新的识别算法,做好关键性技术的管理,实现多模态手部生物特征识别技术的功能。
1 多模态手部生物特征识别技术概述生物特征识别系统一般由传感器、特征提取、匹配以及决策四个模块组成,其中单生物特征组合与多生物特征融合可以体现在任何一个模块,则应用多模态生物特征识别时,可以通过单生物特征多传感器、多生物特征、单生物特征多表达方式、单生物特征多单位以及单生物特征多匹配器几种方式实现[1]。
多模态手部生物特征识别技术,即以人手部为基础,通过掌纹、手形、手指纹理以及静脉等生物特征来达到身份识别的目的。
对于多模态手部生物特征识别技术的研究,需要明确手部各特征识别技术原理以及特点,然后确定相应的采集系统与算法,利用专业技术进行处理,实现多模态手部生物特征识别功能。
2 多种手部生态特征识别技术原理与特点分析2.1 指纹识别指纹即与手掌同侧并位于手指末端皮肤上凹凸相间的乳突状纹理,对于不同人其指纹在几何形态、端点以及分叉点等特征上都存在明显的区别,并且此项特征具有永久性特点,因此可以将其作为一个身份识别的特征,通过验证来确定其身份。
嵌入式多模态生物特征识别系统设计本文主要针对嵌入式多模态生物特征识别系统设计进行重点探讨和分析,以此能够更好地体现出基于生物特征的身份鉴定技术。
标签:多模态;嵌入式系统;生物特征识别所谓的生物识别技术就是指通过对多个高科技手段技术的有效应用,即计算机与光学、声学、生物传感器及生物统计学原理等,借助人体本身所具有的生理特征,来对个人身份进行鉴定。
一、嵌入式生物特征识别系统的总体设计(一)嵌入式系统概述随着近几年我国社会经济的不断发展,计算机和网络的应用越发广泛。
而其中所包含的各种嵌入式系统设备在应用数量上明显超过通用计算机,使得任何人在日常生活和工作中都能够拥有嵌入式技术的相关电子产品,如MP3、PDA等。
(二)嵌入式系统的特点(1)嵌入式系统通常是面向特点而应用的。
其中,CPU与通用型存在明显的差异,也就是嵌入式系统具有低功耗、体积小以及集成度高的特点,能够按照要求将通用CPU中由板卡所完成的任务集成在芯片内部,進而使得嵌入系统在设计上更加小型化。
(2)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业中的实际应用结合后的产物。
(3)嵌入式系统的相关硬件和软件设备在设计上具有高效率,促使其在实际应用中所选择的处理器具有一定的竞争力。
(三)嵌入式系统的选型1.嵌入式芯片的选择众所周知,嵌入式系统的核心就是处理器。
在传统嵌入式处理器中,主要是根据具体应用而分为两类,分别是以单片机为主的微处理器和注重数字化后的各种快速算法的数字信号处理器DSP。
对于单片机为主的微处理器,在此类芯片产品中,只有8/16位的单片机,具体指Intel的80C51等。
该单片机在特征上具有体积小、指令系统简单以及抗感染能力强等。
而后者主要应用在大量数据计算的领域中。
2.嵌入式操作系统的选型近几年我国社会经济的不断发展,推动了嵌入式技术水平的提升。
而对实际操作中的系统管理资源也越来越多。
在此环境下,相关软件开发的复杂度明显上升。
ISO联手IEC发布多模态生物特征识别技术方案比利是法国人,受雇日本某实验室已经有3年的时间了,但前天他被自己的实验室拒之了“门外”,原因并不是“他被解雇了”。
这一切都是感冒惹的祸。
比利介绍,因为感冒,他的声音发生了变化,安装有生物特征识别系统的实验室的门“听”不出了他的声音,因而一直拒绝给他开门。
现在,国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)正在谋求解决比利遇到的此类麻烦。
日前,由ISO和IEC联合公布的《信息技术—生物特征—多模态和其他多生物特征融合》(ISO/IECTR24722∶2007),为比利提供了技术解决方案。
该方案能融合多种生物指令,将相同身份的多种证据输入传感器,如除了输入声音外,还可以将比利的脸、指纹和手的几何特征等输入传感器,以保证在一种生物特征失真的情况下,即使像比利声音失真,传感器还能够对他输入的脸、指纹等“验明正身”。
“基于多模态或多生物特征融合的解决方案代表了一个新兴趋势,某些应用承诺会比单一方法的识别系统具有更好的技术性能。
”开发该新技术报告的小组委员会主席费尔南多·珀迪尔(音译)这样说道:“这项最新的ISO/IEC技术报告提供了多模态和其他多生物识别系统的总的概述,并给出了关于多生物特征融合的一个参考——标准的开拓者和生物特征识别系统的实施者需要一种以上的生物模态。
”这项新技术报告由ISO/IEC联合技术委员会JTC1、信息技术小组委员会SC37(生物特征研究)组织编写。
新的ISO/IECTR24722∶2007包含了目前就多模态和多生物特征融合做法的描述和分析,它还研讨了需求、可能的路径和标准化来支持多生物特征识别系统,以提高其通用性和实用性。
生物特征识别系统是利用个人特征来鉴别或验证用户身份的。
如果有生物特征被察觉或检测到是“有噪音的”(比如指纹中带有疤痕或者因感冒而改变声音时),这个生物特征识别系统的性能可能会受到损害,此时的匹配评分计算是不可靠的。
人工智能专题讲座(一)单选题(共10题,每题3分)1、(C),为落实《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》,加快人工智能产业发展,国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、中央网信办制定了《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》。
A、2016年1月12日B、2017年7月12日C、2016年5月18日D、2017年5月18日2、2017年,国务院印发了《新一代人工智能发展规划》,其中提到主攻方向是(D)。
A、提升人工智能技术B、扩大人工智能应用场景C、引进人工智能人才D、提升新一代人工智能科技创新能力3、(B)是规范类脑计算算法基本模型、性能和应用,为人工智能系统提供新的计算架构,提高人工智能处理复杂问题的能力。
A、机器学习标准B、类脑智能计算标准C、知识图谱标准D、量子智能计算标准4、“十四五”规划纲要提出,分级分类推进新型(C)建设,将物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规划建设,推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智能化改造。
A、智慧农村B、智慧交通C、智慧城市D、智慧物流5、杭州市提出,要打造电子商务、视觉智能、人工智能、云计算、大数据、物联网、区块链等具有国际竞争力的数字产业集群。
推动智能网联汽车等若干个(C)先进制造业集群发展。
A、十亿级B、百亿级C、千亿级D、万亿级6、人工智能通用芯片主要用于(B)使用。
A、降低能耗B、GAN推断C、深度学习D、测试终端7、“十四五”规划纲要提出,加强社会治安防控,编织全方位、立体化、智能化社会安全网,推进(B)大数据智能化平台建设。
A、司法B、公安C、法院D、城管8、(C)训练指在后台进行训练。
A、在线B、智能C、离线D、行为9、下列不属于人机交互标准的是(D)。
A、智能感知C、多模态交互D、生物特征描述10、(C)阶段非常接近于人的智能,需要脑科学的突破。
A、弱人工智能B、中级人工智能C、强人工智能D、超级人工智能多选题(共10题,每题4分)1、智能芯片标准包括(ABCDE)。
生物特征识别中多模态生物信息融合一、生物特征识别技术概述生物特征识别技术是一种利用人体固有的生理特征或行为特征来进行个人身份验证的技术。
随着科技的发展,生物特征识别技术在安全验证、身份认证等领域得到了广泛的应用。
生物特征识别技术的核心在于其唯一性和不易被复制的特性,使得其在安全性方面具有显著优势。
1.1 生物特征识别技术的核心特性生物特征识别技术的核心特性主要体现在以下几个方面:- 唯一性:每个人的生物特征都是独一无二的,如指纹、虹膜、面部等。
- 稳定性:生物特征在一定时间内具有较高的稳定性,不易发生显著变化。
- 难以伪造:生物特征难以被复制或伪造,提高了身份验证的安全性。
- 便捷性:生物特征识别技术操作简单,用户易于接受。
1.2 生物特征识别技术的应用场景生物特征识别技术的应用场景非常广泛,包括但不限于以下几个方面:- 安全验证:用于银行、政府机构等需要高安全性的场所。
- 身份认证:用于机场、车站等需要快速身份验证的场所。
- 智能家居:用于家庭安全系统,提高家庭的安全性。
- 医疗健康:用于病人身份识别,确保医疗信息的准确性。
二、多模态生物信息融合技术多模态生物信息融合技术是指将多种生物特征信息进行综合分析,以提高识别的准确性和可靠性。
随着技术的发展,单一的生物特征识别技术已经难以满足日益复杂的应用需求,多模态生物信息融合技术应运而生。
2.1 多模态生物信息融合技术的原理多模态生物信息融合技术的原理在于将不同的生物特征信息进行综合分析,通过算法优化,提高识别的准确性和可靠性。
常见的生物特征包括指纹、虹膜、面部、声音、步态等,每种特征都有其独特的优势和局限性。
2.2 多模态生物信息融合技术的关键技术多模态生物信息融合技术的关键技术包括以下几个方面:- 特征提取:从不同的生物特征中提取关键信息,为后续的融合分析提供基础。
- 特征匹配:将提取的特征进行匹配,确定其相似性和差异性。
- 融合算法:采用先进的算法对不同特征进行融合,提高识别的准确性。
生物特征识别技术概述【摘要】生物特征识别技术是一种通过识别个体独特的生物特征来进行身份验证和识别的技术。
本文首先介绍了生物特征识别技术的定义,包括指纹识别、虹膜识别、人脸识别等不同形式。
分析了生物特征识别技术的分类和应用,涵盖了安全领域、医疗领域、金融领域等多个方面。
然后,探讨了生物特征识别技术的发展趋势,指出随着技术的不断进步,生物特征识别将在各个领域得到广泛应用。
分析了生物特征识别技术的优势和挑战,提出了未来发展中需要克服的问题。
总结指出生物特征识别技术在安全领域和便利性方面的重要性,展望未来生物特征识别技术将逐渐取代传统识别方式,成为主流技术。
【关键词】生物特征识别技术、定义、分类、应用、发展趋势、优势、挑战、重要性、未来展望1. 引言1.1 生物特征识别技术概述生物特征识别技术是一种通过分析和识别个体不可复制的生物特征来进行身份确认的技术。
这些生物特征包括指纹、虹膜、人脸、声音等个体独特的生理特征。
生物特征识别技术在安全性、便捷性和准确性方面有着明显的优势,因此被广泛应用于各个领域。
随着科技的不断进步,生物特征识别技术也在不断发展和完善。
从最初的单一生物特征识别到多模态融合识别,生物特征识别技术已经越来越多样化和灵活化。
生物特征识别技术在金融安全、智能家居、医疗健康等领域的应用也日益广泛,为人们的生活带来了便利和安全保障。
未来,随着人工智能、大数据等技术的不断发展,生物特征识别技术将迎来更多的机遇和挑战。
生物特征识别技术在保护个人隐私、数据安全等方面仍需要不断探索和完善。
我们有理由相信生物特征识别技术将会在未来发挥越来越重要的作用,并为人类社会的发展带来更多的可能性。
2. 正文2.1 生物特征识别技术的定义生物特征识别技术是一种通过人体独特的生物特征进行身份验证的技术。
这些生物特征可以是生理特征,比如指纹、虹膜、人脸等,也可以是行为特征,比如声音、步态等。
通过采集这些生物特征的数据,并将其与事先录入的样本进行比对,系统可以准确地确认用户的身份。
多模态生物特征识别系统采集前端硬件描述
多模态生物特征识别系统采集前端总体结构如图1所示:主要包括AVR单片机与计算机实现通信的接口电路部分和与单片机相连接的外围电路部分。
其中外围电路分为电源控制部分、灯光控制部分和传感器检测部分。
这三部分电路都通过I/O端口和单片机连接,用以实现感知手指放置就绪,打开灯光,进行拍照的目的。
灯光控制又包括PWM红外电源、红外分组控制以及造影可见光控制三部分。
由于系统需要识别指腹截痕以增加识别精度,所以在灯光控制部分中需要进行造影可见光控制,用来获取自然光条件下的指腹截痕照片。
本系统在采集静脉纹理图像时使用的红外发光二极管共有三组,由红外分组控制电路进行分组控制,以方便在不同场合环境下的红外灯光要求,也方便了系统的调试过程。
PWM 红外电源用来提供发光二极管稳定的0~VDD连续可调的工作电压。
图1 系统框图
中央微处理器
中央微处理器采用美国Atmel公司具有8KB系统内可编程Flash的8位AVR 微控制器ATmega8。
ATmega8是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的 CISC微控制器最高至 10倍的数据吞吐率,由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega8 的数据吞吐率高达 1MIPS MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega8 有如下特点 8K 字节的系统内可编程 Flash( 具有同时读写的能力,即 RWW),512 字节 EEPROM,1K 字节 SRAM,32 个通用 I/O 口线,32 个通用工作寄存器,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数 (T/C),片内/外中断,
可编程 USART ,面向字节的两线串行接口, 10 位 6 路 (8 路为 TQFP 与 MLF 封装 )ADC ,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个 SPI 串行端口,以及五种可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式 CPU 停止工作,而 SRAM 、 T/C 、 SPI 端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态; ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作,以降低 ADC 转换时的开关噪声; Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力。
系统电源部分
系统电源部分原理图如图2所示。
由于本系统设计红外光控制、可见光控制、系统状态传感器检测和摄像机控制,所以采用了适合摄像机的供电电源作为系统外接电源,同时考虑到系统调试的便捷性和系统工作的鲁棒性,系统采用依条线JP1、JP2可选双电源供电。
电源部分属于一个软开关型电源,实现的功能是当手指按下按键开关并松开,外部电源通过本电路对整个系统(包括单片机、灯光控制、传感器检测等)进行供电,手指再次按下开关,电源停止供电。
这样的程控开关与传统开关不同,按键过程只是发出一个控制信号,不会在触点处产图2 系统电源部分原理图
生电火花,当内部电路元件出现故障时,整个供电系统随即停止工作,不会造成其他系统的损坏。
PW 是外部供电部分,提供有15V (摄像机工作要求电源)和可调节电源两种类型的供电,根据实际外部光线情况,通过跳线PJ1和PJ2进行选用。
当按下开关时,PNP 型三极管PQ1基极被拉低,三极管导通,同时,单片机通过检测PC2端口,使POWERCTRL 产生一个高电平,使NPN 型三极管导通,从而和电阻PR2一起对稳压管PZ1提供偏置,并使NPN 型三极管PQ2导通。
因为三极管正向发射结导通电压be v 是0.7V 左右,而稳压管的稳定电压在5.7V 左右,因此在VCC 端就
可以得到约为5V 的电压,在VDD 端得到15V 的电压。
松开开关后,由于POWERCTRL 仍处于高电平,PQ3导通,PQ1基极仍然是低电平,电路仍然保持稳定。
当再次按下开关,单片机通过POWERCTRL 端产生一个低电平,使三极管PQ3处于截止状态,从而稳压管截止,同时PNP 型三极管PQ1的基极为高电平,处于截止状态。
三极管PQ2截止,VCC 没有电压。
当松开开关后,PQ1基极仍然是高电平,电路仍然保持稳定。
电路中PR1是上拉电阻,电解电容作用是当电源负载产生变化时,通过它的充放电保护电路,电容PC1、PC2作用是滤波,二极管PD1是防止电路内部电流对单片机PC2口产生影响。
传感器部分
在本系统中,传感器检测电路在系统自动控
制状态中起到非常关键的作用,传感器电路主要
实现检测手指放置就绪,发出信号从而控制后续
电路进行相应动作。
虽然传统的按键方式设计电
路简单,容易实现,但为了使采集过程更加友好、
方便,更加人性化,我们采用无接触感应的控制
电路。
目前,能够实现无接触式感应的传感器(方
案)有很多,下图对几种常用的传感器(方案)
进行了优缺点比较:
图3 传感器检测电路原理图
此外,利用触摸开关也可以进行控制,但是触摸开关价格较为昂贵,接口电路也较为复杂,因此不进行采用。
在本系统中,我们采用硅光电池以及光敏电阻两种传感器综合进行系统检测,将两种传感器优缺点互补,以达到提高系统检测灵敏度和增强系统冗余的目的,电路原理图如图3所示。
当手指放置在平台上,会挡住光敏电阻接受到的可见光,同时也会使硅光电池受光面的光通量减少,电压下降,通过单片机的端口读入相应电平,从而控制用于获得静脉图像的照射灯光以及摄像头等器件,实现无接触开关。
灯光控制部分
灯光控制部分主要包括红外灯光控制和可见光打光控制,其控制部分电路原理图如图4所示。
图中左边部分是红外灯光控制。
通过单片机的PB0、PB1、PB2口分组控制。
单片机发出一定占空比的脉冲信号,使三极管EQ2处于截止和导通的交替状态,进而使三极管EQ3也处于相同状态,发出脉冲信号。
脉冲信号经过EL1、EE1、EE2、EC1组成的∏型滤波整形电路,将脉冲波形整形成为近似于直流的电压信号,使得发光二极管发出持续稳定的红外光线。
通过软件单片机的PWM (脉宽调制器)改变输出脉冲占空比,可以实现0V 到电源电压可调的电压,加在发光管上,使其亮度连续可调,方便后期的调试。
其中的电阻ER5、ER6为偏置电阻。
图中右边为可见灯光控制电路,通过控制三极管EQ1的导通和截止来控制发光二极管ED1发出可见光,从而可以获得手指指腹戒痕图像。
考虑到系统的调试便捷性和工作的冗余性,采用双电源供电模式进行供电,可见光电路电源根据实际情况选用VDD (15V )或VCC (5V ),从而可以提供两个亮度级别的可见光打光。
红外打光分组控制部分
红外打光分组控制主要是为了提高系统调
试的灵活性和增强系统工作的鲁棒性而设置的,
其电路原理图如图5所示。
图中各个红外发光二
极管采用串联的方式,以保证通过各个二极管的
电流相同,有相同的亮度,保证采集出的静脉图
像均匀清晰。
单片机的PD7口与NPN 型三极管相
连用于控制所有发光二极管的亮灭。
这样的红外
发光二极管共有三组,由于波长在850~930nm 的红外光对手指静脉的造影特性十分显著,所以三组分组控制的红外发光管分别图4 灯光控制部分电路原理图
图5 红外打光分组控制原理图
采用波长分为930nm 、850nm 、930nm 并且都能够分组控制,亮度连续可调(如上所述)。
配置部分
单片机的编程和配置部分电路原理如图6
所示。
mega8单片机提供了一个真正的同时读-
写(Read-While-Write ,简称RWW) 自编程机
制,可以使用户在编写程序的同时进行调试。
通过设置跳线JBOOT ,控制单片机由
BOOTLOADER 启动工作,通过串行口、IIC 、SIP
或TWI 等通信端口可以实现远程在应用程序编
程功能,从而大大方便了系统调试和升级的。
通信部分
图7是利用MAX232芯片进行单片机和电脑进行通信的接口电平点评转换电路电路。
MAX232是由德州仪器公司(TI )推出的一款兼容RS232标准的芯片。
由于电脑串口RS232电平是-10v +10v ,而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL 电平0 +5v,MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F 电平。
其中4只电容的功能是产生+12v 和-12v 两个电源,来提供给
RS-232串口电平的需要。
电路
只选用MAX232的第一组数据通
道。
11脚和12脚与单片机相连
接,13脚14脚和PC 机相连接,
以实现它们之间的相互通信。
图6 配置部分电路原理图
图7 通信接口部分原理图。