專利名稱：一種基于虛擬儀器的心音身份識別系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于身份識別技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于虛擬儀器的心音身份識別系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在高度信息化的現(xiàn)代社會，隨著交通、通訊和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類的活動范圍越來越大，身份鑒別的難度和重要性也越來越突出，對人類自身身份別的準(zhǔn)確性、安全性與實(shí)用性提出了更高的要求。虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計(jì)定義、具有虛擬面板、測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)與方便。生物識別被美國麻省理工學(xué)院列為21世紀(jì)十大技術(shù)之一，生物識別技術(shù)的核心社會功能可以歸納為以下四條基本社會功能①可以為被密碼、口令困擾的人提供安全與便利；②可以擴(kuò)展成為信息安全領(lǐng)域的認(rèn)證系統(tǒng)平臺，可以為重要身份或重要信息提供安全的強(qiáng)認(rèn)證；③可以提供給行政部門或其它機(jī)構(gòu)精確、快捷地確認(rèn)他人身份的技術(shù)手段；④可以提供精確、快速、安全的人與設(shè)備的匹配。目前商業(yè)上采用的生物識別方法主要有人臉識別、虹膜識別、指紋識別和聲音識別等。這些生物特征識別技術(shù)身份識別方面雖然取得了初步推廣，但在實(shí)際應(yīng)用中也面臨許多挑戰(zhàn)，其中比較突出的是生物特征識別的安全問題。有人成功利用明膠制成的假手指騙過了指紋識別系統(tǒng)；利用打印下的虹膜圖片或者在隱形眼鏡上蝕刻出的虛假虹膜，可以讓虹膜識別系統(tǒng)真假難辨，聲音容易被模仿，臉形也容易從用戶的相片中提取出來等等。因此，生物特征識別系統(tǒng)所采用的生物特征信息最好是從現(xiàn)場實(shí)時(shí)地從活體采集，為了增加生物識別技術(shù)的可靠性和安全性，探索新的更具安全性的生物識別方法是身份識別領(lǐng)域的執(zhí)占之一。心音是心臟及心血管系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動狀況的反映，蘊(yùn)含著心臟各個(gè)部分本身及相互之間作用的生理和病理信息。相比于傳統(tǒng)的生物識別技術(shù)，心音識別技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢 首先心音來自于人的心臟，不易被輕易仿制；其次，任何人都有心音，具備普適性。心音所具有的獨(dú)特生理特征使其成為有前途的新型身份識別方法之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種基于虛擬儀器的心音身份識別系統(tǒng)和一種基于虛擬儀器的心音身份識別方法，能夠?qū)崟r(shí)采集人體心音信號，并且對心音信號進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析、注冊、識別和存儲。本發(fā)明基于虛擬儀器的心音身份識別系統(tǒng)，主要包括心音采集傳輸模塊、包含虛擬儀器的嵌入式工控主板模塊、USB藍(lán)牙Dongle模塊以及用于顯示的液晶顯示屏模塊。其中，心音采集傳輸模塊包括心音傳感器模塊、有源濾波器模塊、音頻放大模塊、dsPIC主控單元模塊、藍(lán)牙串口模組模塊以及3. 3V電源模塊，心音采集傳輸模塊通過藍(lán)牙串口模組模塊發(fā)送采集信號；工控主板通過USB藍(lán)牙Dongle模塊接收心音信號，通過LVDS接口和USB接口與液晶顯示屏相連。所述心音傳感器模塊將心音振動信號轉(zhuǎn)換為電信號。所述有源濾波器模塊接收心音信號，對其進(jìn)行濾波，去除環(huán)境噪聲。所述音頻放大模塊對心音信號進(jìn)行放大并控制放大倍數(shù)。所述dsPIC主控單元模塊接收用戶指令進(jìn)行心音信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換。所述藍(lán)牙串口模組模塊用于心音信號無線傳輸。所述3. 3V電源模塊用于提供3. 3V穩(wěn)壓電源。所述USB藍(lán)牙Dongle模塊通過USB接口虛擬串口接收心音信號。所述嵌入式工控主板是基于x86平臺的一體機(jī)工控主板，包含虛擬儀器，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理和存儲。所述液晶顯示屏是工業(yè)級的帶有觸摸功能的液晶顯示屏，用于實(shí)時(shí)顯示和人機(jī)交互。所述虛擬儀器安裝在工控主板模塊中，接受用戶指令并根據(jù)用戶指令選擇心音采集模式、用戶注冊模式以及用戶識別模式，對心音信號進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析、注冊、識別和存儲。本發(fā)明還提出一種基于嵌入式虛擬儀器的心音身份識別方法，虛擬儀器選用 LabVIEW程序，包括用戶注冊模塊和用戶識別模塊。用戶注冊模塊中包括串口模塊、信號預(yù)處理模塊、Mel頻率倒譜系數(shù)(MFCC-Mel FrequencyC印strum Coefficient)特征參數(shù)提取模塊和數(shù)據(jù)庫存儲模塊；用戶注冊模塊包括串口模塊、信號預(yù)處理模塊、矢量量化 (VQ-Vector Quantization)模型匹配模塊和數(shù)據(jù)庫讀取模塊。所述串口模塊是虛擬儀器通過配置串口收發(fā)無線傳輸信號。所述信號預(yù)處理模塊依次包括對心音信號去均值、歸一化、去噪、分幀和加窗步馬聚ο所述MFCC特征參數(shù)提取模塊依次包括快速傅立葉變換(FFT)、Me 1濾波器組濾波、求Log對數(shù)能量和DCT求倒譜步驟。所述VQ模型匹配模塊包括LBG算法、平均量化失真計(jì)算和歐式距離測度步驟。所述數(shù)據(jù)庫存儲模塊用于存儲數(shù)據(jù)至本地?cái)?shù)據(jù)庫。所述數(shù)據(jù)庫讀取模塊用于讀取本地?cái)?shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)。所述用戶注冊模塊通過虛擬儀器接收用戶指令，完成心音信號實(shí)時(shí)顯示、分析、用戶身份注冊和心音模版存儲。
所述用戶識別模塊通過虛擬儀器接收用戶指令，讀取用戶注冊心音模版，完成心音信號實(shí)時(shí)顯示、分析和用戶身份識別。本發(fā)明的技術(shù)方案，首先采集心音信號，將心音振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，而后對心音信號進(jìn)行濾波和放大，然后再對經(jīng)濾波放大后的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和藍(lán)牙傳輸；工控主板通過USB藍(lán)牙Dongle模塊接收無線傳輸信號；虛擬儀器通過調(diào)用用戶注冊模塊實(shí)現(xiàn)用戶心音信號的實(shí)時(shí)顯示、分析和注冊；通過調(diào)用用戶識別模塊實(shí)現(xiàn)心音信號實(shí)時(shí)顯示、分析和識別。本發(fā)明有益效果如下本發(fā)明將人體心音信號與身份識別相結(jié)合，開發(fā)基于虛擬儀器的心音身份識別系統(tǒng)及方法，利用心音信號不易復(fù)制性、普適性和唯一性等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)身份注冊和識別功能，克服了傳統(tǒng)生物識別方法存在的較為突出的安全性問題。本發(fā)明操作簡單、使用方便、安全可靠，整個(gè)系統(tǒng)具備無線傳輸功能，體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)施。 針對生物特征識別技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明提供了一種準(zhǔn)確率高、防偽能力強(qiáng)的生物識別新途徑， 為當(dāng)前社會所面臨的各種身份鑒定和信息安全問題提供較為理想的解決方案，具有很好的市場前景，良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。


圖1為基于虛擬儀器的心音身份識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2為心音采集傳輸模塊框圖3為30Hz4階Butterworth高通濾波器電路圖4為500Hz4階Butterworth低通濾波器電路圖5為音頻放大模塊電路圖6為dsPIC主控模塊芯片引腳圖7為藍(lán)牙串口模組模塊電路圖8為模擬3. 3V電源模塊電路圖9為數(shù)字3. 3V電源模塊電路圖10為基于虛擬儀器的心音身份識別方法的流程圖
圖11為信號預(yù)處理模塊流程圖12為MFCC特征提取模塊流程圖13為VQ模型匹配流程圖14為LBG算法流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明本實(shí)施例提出基于虛擬儀器的心音身份識別系統(tǒng)，如圖1所示，包括依次連接的心音采集傳輸模塊、USB藍(lán)牙Dongle模塊、嵌入式工控主板模塊以及用于顯示的液晶顯示屏模塊。其中，心音采集模塊用于采集傳輸人體心音信號；USB藍(lán)牙Dongle模塊用于接收無線傳輸?shù)男囊粜盘枺磺度胧焦た刂靼迥K用于分析和存儲心音信號；液晶顯示屏模塊用于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示以及人機(jī)交互。本實(shí)施例中，心音采集傳輸模塊如圖2所示由心音傳感器模塊、有源濾波器模塊、音頻放大模塊、dsPIC主控單元模塊、藍(lán)牙串口模組模塊以及3. 3V電源模塊組成。心音傳感器為駐極體話筒，用于將心音振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，駐極體話筒輸出與有源濾波器模塊相連。有源濾波器模塊由4階30Hz巴特沃斯高通濾波器和4階500Hz巴特沃斯低通濾波器組成，用于對信號進(jìn)行濾波。4階30Hz巴特沃斯高通濾波器電路如圖3所示，MCP609-1 和MCP609-2運(yùn)放單元實(shí)現(xiàn)濾波功能，MCP6271運(yùn)放單元向MCP609-1和MCP609-2運(yùn)放單元提供VDD/2的偏置電壓，MCP609-2運(yùn)放單元7腳與4階500Hz巴特沃斯低通濾波器相連。 4階500Hz巴特沃斯低通濾波器電路如圖4所示，MCP609-3和MCP609-4運(yùn)放單元實(shí)現(xiàn)濾波功能，MCP609-4運(yùn)放單元14腳與音頻放大模塊相連，輸出濾波后的心音信號。音頻放大模塊電路如圖5所示，用于放大經(jīng)濾波后的心音信號。1腳輸入心音信號，2腳輸出經(jīng)放大后的心音信號；4腳連接dsPIC主控單元的RG6腳，用于接收時(shí)鐘信號； 6腳連接dsPIC主控單元的RG7腳，用于控制音頻放大倍數(shù)。dsPIC主控單元模塊如圖6所示，用于控制心音采集模塊和3. 3V模擬電源模塊，實(shí)現(xiàn)心音信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，音頻放大倍數(shù)控制和藍(lán)牙模組模塊連接，采樣頻率為2000，UART波特率為115200。藍(lán)牙串口模組模塊使用HC-06藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口無線模塊，波特率設(shè)置為115200，電路如圖7所示。1腳和2腳分別連接dsPIC主控單元的RF2腳和RF3腳，實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)信號； 24腳用于連接LED燈，指示模組工作狀態(tài)。3. 3V電源模塊由模擬3. 3V電源模塊和數(shù)字3. 3V電源模塊組成。模擬3. 3V電源模塊用于為心音傳感器模塊、有源濾波器模塊和音頻放大模塊提供3. 3V電源，電路圖如 8圖所示，1腳接外部輸入電壓，3腳輸出3. 3V電壓，2腳接dsPIC主控單元的RE6腳，實(shí)現(xiàn) dsPIC主控單元控制電源芯片的關(guān)斷開啟功能；數(shù)字3. 3V電源模塊用于為dsPIC主控單元模塊和藍(lán)牙模組模塊提供3. 3V電源，電路圖如圖9所示，1腳接外部輸入電壓，2腳通過一個(gè)IOK的上拉電阻與1腳相連，3腳輸出3. 3V電壓。本實(shí)施例中的心音采集模塊供電電壓應(yīng)大于等于4. 5V小于等于6. 5V，采用三節(jié)干電池供電。本實(shí)施例中USB藍(lán)牙Dongle模塊為免驅(qū)的USB藍(lán)牙適配器，通過USB接口與工控主板相連接。本實(shí)施例中嵌入式工控主板模塊采用3. 5寸ATOM凌動N270低功耗車載主板一體機(jī)工控主板，支持LVDS接口，支持?jǐn)U展前置USB和Audio接口，有8個(gè)USB接口和2個(gè)串口， 通過USB藍(lán)牙Dongle模塊接收無線傳輸信號。本實(shí)施例中液晶顯示屏模塊含有觸摸功能，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互功能。通過LVDS接口和USB接口與工控主板相連，LVDS接口傳輸數(shù)字視頻信號，USB接口傳輸觸摸信號。本實(shí)施例中虛擬儀器接收用戶控制指令，根據(jù)控制指令實(shí)時(shí)采集心音信號并對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析處理和存儲功能。工作過程如下用戶首先打開心音采集模塊，dsPIC 主控單元接收虛擬儀器發(fā)送的用戶指令采集心音信號經(jīng)濾波放大后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過藍(lán)牙模組模塊無線傳輸，虛擬儀器通過USB藍(lán)牙Dongle模塊接收無線傳輸信號，并在液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示心音信號和分析結(jié)果。本實(shí)施例提出一種基于虛擬儀器的心音身份識別方法，如圖10所示。
信號預(yù)處理模塊依次包括以下步驟，如圖11所示(1)去均值求出心音信號序列的均值，將心音信號序列減去這個(gè)均值，得到新的心音序列。(2)歸一化求出新心音序列的絕對值的最大值，將新的心音序列除以這個(gè)最大值，得到歸一化后的心音序列。(3)去噪使用小波去噪方法，小波基為db6，分解5層，軟閾值量化處理。(4)分幀采用交疊分段的方法，幀長為256點(diǎn)，幀移為128點(diǎn)。(5)加窗為了減小信號在分幀時(shí)的截?cái)嚯A段效應(yīng)，降低幀兩端的坡度，信號幀分別乘以harming窗函數(shù)。MFCC特征提取模塊依次包括以下步驟，如圖12所示(1)將預(yù)處理之后的信號做快速傅里葉變換，獲得信號頻譜函數(shù)。(2)將頻譜函數(shù)通過一組Mel尺度的三角形濾波器組，濾波器的個(gè)數(shù)為32。(3)計(jì)算每個(gè)濾波器組輸出的對數(shù)能量，其中Hm(k)為三角濾波器的頻率響應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種基于虛擬儀器的心音身份識別系統(tǒng)，包括心音采集傳輸模塊、包含虛擬儀器的嵌入式工控主板模塊、USB藍(lán)牙Dongle模塊以及用于顯示的液晶顯示屏模塊，其特征在于 心音采集傳輸模塊包括心音傳感器模塊、有源濾波器模塊、音頻放大模塊、dsPIC主控單元模塊、藍(lán)牙串口模組模塊以及3. 3V電源模塊，心音采集傳輸模塊通過藍(lán)牙串口模組模塊發(fā)送采集信號；工控主板通過USB藍(lán)牙Dongle模塊接收心音信號，通過LVDS接口和USB接口與液晶顯示屏相連；所述心音傳感器模塊將心音振動信號轉(zhuǎn)換為電信號； 所述有源濾波器模塊接收心音信號，對其進(jìn)行濾波，去除環(huán)境噪聲； 所述音頻放大模塊對心音信號進(jìn)行放大并控制放大倍數(shù)； 所述dsPIC主控單元模塊接收用戶指令進(jìn)行心音信號采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換； 所述藍(lán)牙串口模組模塊用于心音信號無線傳輸； 所述3. 3V電源模塊用于提供3. 3V穩(wěn)壓電源； 所述USB藍(lán)牙Dongle模塊通過USB接口虛擬串口接收心音信號； 所述嵌入式工控主板是基于x86平臺的一體機(jī)工控主板，包含虛擬儀器，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析處理和存儲；所述液晶顯示屏是工業(yè)級的帶有觸摸功能的液晶顯示屏，用于實(shí)時(shí)顯示和人機(jī)交互； 所述虛擬儀器安裝在工控主板模塊中，接受用戶指令并根據(jù)用戶指令選擇心音采集模式、用戶注冊模式以及用戶識別模式，對心音信號進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析、注冊、識別和存儲。
2.利用如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)識別心音身份的方法，其特征在于該方法中使用用戶注冊模塊和用戶識別模塊；所述的用戶注冊模塊中包括串口模塊、信號預(yù)處理模塊、Mel頻率倒譜系數(shù)特征參數(shù)提取模塊和數(shù)據(jù)庫存儲模塊；用戶注冊模塊包括串口模塊、信號預(yù)處理模塊、矢量量化模型匹配模塊和數(shù)據(jù)庫讀取模塊；所述串口模塊是虛擬儀器通過配置串口收發(fā)無線傳輸信號； 所述信號預(yù)處理模塊依次包括對心音信號去均值、歸一化、去噪、分幀和加窗步驟； 所述Mel頻率倒譜系數(shù)特征參數(shù)提取模塊依次包括快速傅立葉變換、Mel濾波器組濾波、求Log對數(shù)能量和DCT求倒譜步驟；所述矢量量化模型匹配模塊包括LBG算法、平均量化失真計(jì)算和歐式距離測度步驟； 所述數(shù)據(jù)庫存儲模塊用于存儲數(shù)據(jù)至本地?cái)?shù)據(jù)庫； 所述數(shù)據(jù)庫讀取模塊用于讀取本地?cái)?shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)；所述用戶注冊模塊通過虛擬儀器接收用戶指令，完成心音信號實(shí)時(shí)顯示、分析、用戶身份注冊和心音模版存儲；所述用戶識別模塊通過虛擬儀器接收用戶指令，讀取用戶注冊心音模版，完成心音信號實(shí)時(shí)顯示、分析和用戶身份識別；該方法的具體過程是首先采集心音信號，將心音振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，而后對心音信號進(jìn)行濾波和放大，然后再對經(jīng)濾波放大后的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和藍(lán)牙傳輸；工控主板通過USB藍(lán)牙Dongle模塊接收無線傳輸信號；虛擬儀器通過調(diào)用用戶注冊模塊實(shí)現(xiàn)用戶心音信號的實(shí)時(shí)顯示、分析和注冊；通過調(diào)用用戶識別模塊實(shí)現(xiàn)心音信號實(shí)時(shí)顯示、分析和識別。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于虛擬儀器的心音身份識別系統(tǒng)及方法。本發(fā)明包括心音采集傳輸模塊、包含虛擬儀器的嵌入式工控主板模塊、USB藍(lán)牙Dongle模塊以及用于顯示的液晶顯示屏模塊。其中，心音采集傳輸模塊包括心音傳感器模塊、有源濾波器模塊、音頻放大模塊、dsPIC主控單元模塊、藍(lán)牙串口模組模塊以及3.3V電源模塊，心音采集傳輸模塊通過藍(lán)牙串口模組模塊發(fā)送采集信號；工控主板通過USB藍(lán)牙Dongle模塊接收心音信號，通過LVDS接口和USB接口與液晶顯示屏相連。本發(fā)明操作簡單、使用方便、安全可靠，整個(gè)系統(tǒng)具備無線傳輸功能，體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)施。
文檔編號A61B5/117GK102362810SQ20111031278
公開日2012年2月29日 申請日期2011年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月15日
發(fā)明者王佳, 趙治棟, 駱懿 申請人:杭州電子科技大學(xué)