心音身份識別是指一種利用人體心音信號進(jìn)行身份識別的技術(shù)，心音是心臟及心血管系統(tǒng)機(jī)械運動狀況的反映,，包含了心臟各個部分本身及相互之間作用的生理和病理信息,。因此，心音信號在不同的人身上有著完全不同的特征并且具有極高的穩(wěn)定性,，可以用作生物識別技術(shù)的識別特征,。心音信號除了很難偽裝，偽造及篡改外還具有容易獲取的優(yōu)勢,，因此人體心音信號可以為一種新型生物識別方法,。
本文開發(fā)了一種基于LabVIEW 的嵌入式心音身份識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用方便靈活,，能夠?qū)崿F(xiàn)對用戶身份的注冊,、辨識和確認(rèn)。
1 心音信號身份識別原理
心音信號用于個人身份識別主要包括兩步: 特征提取和模式匹配,，特征提取是從心音信號中提取到唯一的表現(xiàn)被測者身份的有效且穩(wěn)定可靠的特征,，模式匹配是對訓(xùn)練和鑒別時的特征模式做相似性匹配，本文采用基于梅爾頻率倒譜系數(shù)( Mel Frequency Cepstrum Coefficient,，MFCC) 特征提取和矢量量化( Vector Quantization,，VQ) 模型匹配的識別算法設(shè)計心音身份識別系統(tǒng)。
（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
MFCC 主要運用于說話人識別,，它將頻譜轉(zhuǎn)化為基于頻率的非線性頻譜,，然后再轉(zhuǎn)換到倒頻譜上。
對MFCC 做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),，即可適用于心音的身份識別,。根據(jù)心音信號的頻域特性，Mel 濾波器組截止頻率選擇為500Hz; 由于心音信號具有準(zhǔn)周期性,，沒有語音信號那么強(qiáng)的非平穩(wěn)性,，所以信號的幀長選擇為256ms 而非語音信號的20ms; MFCC 系數(shù)選擇為32 階，并且心音信號的高階MFCC 系數(shù)所含信息更多,，加上一階差分的系數(shù)可使信號動態(tài)特性強(qiáng),。VQ 是由標(biāo)量量化推廣和發(fā)展而來的,。標(biāo)量量化是用若干個離散的數(shù)字值來表示每一個幅度具有連續(xù)取值的離散時域信號，矢量量化則是將若干個幅度連續(xù)取值的時域采樣信號分成一組,，即構(gòu)成矢量,，然后用若干離散的數(shù)字值來表示各種矢量，在模式識別的研究中,，需要完成對每一個所要識別的矢量進(jìn)行分類的任務(wù),。基于VQ 的心音身份識別模型,，相對于其它的識別模型( 如高斯混合模型) 來說,，計算簡單，具有實時性,。
2 系統(tǒng)實現(xiàn)
2. 1 硬件系統(tǒng)實現(xiàn)
本系統(tǒng)硬件由上位機(jī)和下位機(jī)組成,，整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。上下位機(jī)之間通過HC-06 藍(lán)牙模組進(jìn)行通信,，HC-06 藍(lán)牙模組采用CSR BC04 藍(lán)牙技術(shù),，內(nèi)置藍(lán)牙天線，發(fā)射功率為Class 2,，靈敏度可達(dá)- 80dBm,。
下位機(jī)以dsPIC 數(shù)字信號處理器為核心來控制心音信號的采集、放大以及ADC,，而后通過HC-06藍(lán)牙模組( 從) 將心音信號發(fā)送到上位機(jī),，下位機(jī)主要包括模擬電路和數(shù)字電路兩部分。模擬電路包括心音傳感器,，30Hz 高通,、500Hz 低通Butterworth 濾波器和增益可調(diào)節(jié)音頻放大器。心音傳感器由聽診器探頭,、駐極體話筒和導(dǎo)管組成; Butterworth 濾波器都為4 階,，選用Sallen-Key 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可于進(jìn)行獨立的增益設(shè)定,。增益可調(diào)節(jié)音頻放大器選用LM4811,，其CLOCK 和UP /DN 腳與dsPIC 的RG6、RG7 腳相連,，實現(xiàn)對心音信號放大的控制,。數(shù)字電路主要是dsPIC 主控芯片和HC-06 藍(lán)牙模組，選用dsPIC33FJ128MC506 作為主控芯片,，系統(tǒng)時鐘設(shè)為40MHz,，采樣頻率設(shè)為2kHz，波特率設(shè)為11. 5kbps;模擬信號經(jīng)其12 位ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后由UART 傳輸至HC-06 藍(lán)牙模組( 從) 發(fā)送。
上位機(jī)是以工控主板為核心的終端,，對心音信號進(jìn)行顯示,、分析、存儲和識別,。包括HC-06 藍(lán)牙模塊( 主) ,、TTL-RS232 電平轉(zhuǎn)換電路、工控主板以及液晶觸摸顯示屏,，HC-06 藍(lán)牙模塊( 主) 接收傳輸?shù)男囊粜盘柾ㄟ^電平轉(zhuǎn)換電路將TTL 電平變?yōu)镽S232 電平; 工控主板通過RS232 接口連接藍(lán)牙模組( 主) 完成心音信號的接收工作; 液晶觸摸顯示屏則作為人機(jī)交互設(shè)備,，通過LVDS 總線和USB 總線與工控主板相連,，LVDS 總線傳輸視頻信號,，USB 總線傳輸觸摸信號。
2. 2 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)
選用自行設(shè)計的Windows Embedded Standard 操作系統(tǒng),，由于它是組件化的XP 系統(tǒng),，不需要設(shè)計文件系統(tǒng)和開發(fā)驅(qū)動程序，大大縮短了開發(fā)周期和開發(fā)難度,。獨特的增強(qiáng)型寫過濾器技術(shù)將選定的磁盤I /O 重新路由到內(nèi)存或其它的存儲媒體,，從而讓操作系統(tǒng)認(rèn)為您的只讀存儲器是可寫的; 可定制開機(jī)畫面和自定義殼作為系統(tǒng)啟動的運行Shell，防止人為惡意修改系統(tǒng)配置或是誤操作而破壞系統(tǒng),，保證平臺穩(wěn)定和數(shù)據(jù)安全 ,。
3 心音身份識別軟件開發(fā)
本文使用LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)基于MFCC 特征提取和VQ 模式匹配算法的心音身份識別軟件，軟件設(shè)計過程中需要用到NI 公司的Database Connectivity Toolkit 工具包,，Database Connectivity Toolkit提供完整的SQL 功能,，使用Microsoft ADO 技術(shù)與大多數(shù)常用數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)與本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的交互式操作,。心音身份識別軟件實現(xiàn)3 個功能: 用戶注冊,、用戶辨識和用戶確認(rèn)，每個功能都有獨立的功能界面,，利用Subpanel 實現(xiàn)動態(tài)載入界面,。
用戶注冊分為兩步: 第一步為基本信息的輸入存儲，包括用戶名,、年齡,、性別等; 第二步為采集心音信號，提取其MFCC 特征參數(shù),，利用LBG 算法生成一個最佳碼本存儲在本地的數(shù)據(jù)庫中,。用戶辨識是1: N 的模式，采集待識別的用戶的心音信號,，提取MFCC 特征參數(shù),，與本地數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存在的所有用戶碼本進(jìn)行比較，根據(jù)最小平均量化失真度準(zhǔn)則，選擇最優(yōu)碼本進(jìn)行匹配,。用戶確認(rèn)則是1 ∶ 1 的模式,，首先用戶輸入已注冊的用戶名，而后采集待識別的用戶的心音信號,，提取MFCC 特征參數(shù),，與用戶指定身份的碼本進(jìn)行比較，如果其平均量化失真度小于既定的閾值,，則確認(rèn)其身份,。
今后將研究基于自適應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)的心音去噪方案，提高識別算法的魯棒性; 雖然在本次小容量模板實驗情況下EER 為6． 67%,，但在大容量模板情況下,，為保證EER 仍然是一個比較小的值，用戶確認(rèn)模式下的閾值選取將是下一步研究的重點,。
4 結(jié)束語
本文在MFCC 特征提取和VQ 模式匹配識別原理的基礎(chǔ)上,，基于LabVIEW 開發(fā)了一種嵌入式心音身份識別系統(tǒng)，具有用戶注冊,、用戶辨識和用戶確認(rèn)功能,。在小容量心音模板下具有較高CRR 和較低EER，充分證明了嵌入式心音身份識別技術(shù)的可行性,，這將為當(dāng)前社會所面臨的各種身份鑒定和信息安全問題提供一種準(zhǔn)確率高,、防偽能力強(qiáng)的生物識別新設(shè)備。（生物谷Bioon.com）
