心音身份識(shí)別是指一種利用人體心音信號(hào)進(jìn)行身份識(shí)別的技術(shù)，心音是心臟及心血管系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀況的反映,，包含了心臟各個(gè)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(hào)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(shí)別技術(shù)的識(shí)別特征,。心音信號(hào)除了很難偽裝,，偽造及篡改外還具有容易獲取的優(yōu)勢(shì)，因此人體心音信號(hào)可以為一種新型生物識(shí)別方法,。
本文開(kāi)發(fā)了一種基于LabVIEW 的嵌入式心音身份識(shí)別系統(tǒng),，該系統(tǒng)使用方便靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶(hù)身份的注冊(cè),、辨識(shí)和確認(rèn),。
1 心音信號(hào)身份識(shí)別原理
心音信號(hào)用于個(gè)人身份識(shí)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(hào)中提取到唯一的表現(xiàn)被測(cè)者身份的有效且穩(wěn)定可靠的特征,，模式匹配是對(duì)訓(xùn)練和鑒別時(shí)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(shí)別算法設(shè)計(jì)心音身份識(shí)別系統(tǒng),。
（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
MFCC 主要運(yùn)用于說(shuō)話(huà)人識(shí)別，它將頻譜轉(zhuǎn)化為基于頻率的非線(xiàn)性頻譜,，然后再轉(zhuǎn)換到倒頻譜上,。
對(duì)MFCC 做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，即可適用于心音的身份識(shí)別,。根據(jù)心音信號(hào)的頻域特性,，Mel 濾波器組截止頻率選擇為500Hz; 由于心音信號(hào)具有準(zhǔn)周期性，沒(méi)有語(yǔ)音信號(hào)那么強(qiáng)的非平穩(wěn)性,，所以信號(hào)的幀長(zhǎng)選擇為256ms 而非語(yǔ)音信號(hào)的20ms; MFCC 系數(shù)選擇為32 階,，并且心音信號(hào)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(hào)動(dòng)態(tài)特性強(qiáng),。VQ 是由標(biāo)量量化推廣和發(fā)展而來(lái)的,。標(biāo)量量化是用若干個(gè)離散的數(shù)字值來(lái)表示每一個(gè)幅度具有連續(xù)取值的離散時(shí)域信號(hào)，矢量量化則是將若干個(gè)幅度連續(xù)取值的時(shí)域采樣信號(hào)分成一組,，即構(gòu)成矢量,，然后用若干離散的數(shù)字值來(lái)表示各種矢量，在模式識(shí)別的研究中,，需要完成對(duì)每一個(gè)所要識(shí)別的矢量進(jìn)行分類(lèi)的任務(wù),。基于VQ 的心音身份識(shí)別模型,，相對(duì)于其它的識(shí)別模型( 如高斯混合模型) 來(lái)說(shuō),，計(jì)算簡(jiǎn)單，具有實(shí)時(shí)性,。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2. 1 硬件系統(tǒng)實(shí)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(guò)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(xiàn),，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(hào)處理器為核心來(lái)控制心音信號(hào)的采集,、放大以及ADC，而后通過(guò)HC-06藍(lán)牙模組( 從) 將心音信號(hào)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(tīng)診器探頭、駐極體話(huà)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(dú)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(shí)現(xiàn)對(duì)心音信號(hào)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(shí)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(hào)經(jīng)其12 位ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(duì)心音信號(hào)進(jìn)行顯示、分析,、存儲(chǔ)和識(shí)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?hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路將TTL 電平變?yōu)镽S232 電平; 工控主板通過(guò)RS232 接口連接藍(lán)牙模組( 主) 完成心音信號(hào)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(guò)LVDS 總線(xiàn)和USB 總線(xiàn)與工控主板相連,，LVDS 總線(xiàn)傳輸視頻信號(hào),，USB 總線(xiàn)傳輸觸摸信號(hào)。
2. 2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
選用自行設(shè)計(jì)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(jì)文件系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序,，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)難度。獨(dú)特的增強(qiáng)型寫(xiě)過(guò)濾器技術(shù)將選定的磁盤(pán)I /O 重新路由到內(nèi)存或其它的存儲(chǔ)媒體,，從而讓操作系統(tǒng)認(rèn)為您的只讀存儲(chǔ)器是可寫(xiě)的; 可定制開(kāi)機(jī)畫(huà)面和自定義殼作為系統(tǒng)啟動(dòng)的運(yùn)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(tái)穩(wěn)定和數(shù)據(jù)安全 ,。
3 心音身份識(shí)別軟件開(kāi)發(fā)
本文使用LabVIEW 虛擬儀器開(kāi)發(fā)基于MFCC 特征提取和VQ 模式匹配算法的心音身份識(shí)別軟件,，軟件設(shè)計(jì)過(guò)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(kù)連接,，實(shí)現(xiàn)與本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的交互式操作。心音身份識(shí)別軟件實(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能: 用戶(hù)注冊(cè),、用戶(hù)辨識(shí)和用戶(hù)確認(rèn),，每個(gè)功能都有獨(dú)立的功能界面，利用Subpanel 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)載入界面,。
用戶(hù)注冊(cè)分為兩步: 第一步為基本信息的輸入存儲(chǔ),，包括用戶(hù)名、年齡,、性別等; 第二步為采集心音信號(hào),，提取其MFCC 特征參數(shù)，利用LBG 算法生成一個(gè)最佳碼本存儲(chǔ)在本地的數(shù)據(jù)庫(kù)中,。用戶(hù)辨識(shí)是1: N 的模式,，采集待識(shí)別的用戶(hù)的心音信號(hào)，提取MFCC 特征參數(shù),，與本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存在的所有用戶(hù)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(hù)確認(rèn)則是1 ∶ 1 的模式,，首先用戶(hù)輸入已注冊(cè)的用戶(hù)名，而后采集待識(shí)別的用戶(hù)的心音信號(hào),，提取MFCC 特征參數(shù),，與用戶(hù)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(shí)別算法的魯棒性; 雖然在本次小容量模板實(shí)驗(yàn)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(gè)比較小的值，用戶(hù)確認(rèn)模式下的閾值選取將是下一步研究的重點(diǎn),。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文在MFCC 特征提取和VQ 模式匹配識(shí)別原理的基礎(chǔ)上,，基于LabVIEW 開(kāi)發(fā)了一種嵌入式心音身份識(shí)別系統(tǒng),，具有用戶(hù)注冊(cè)、用戶(hù)辨識(shí)和用戶(hù)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(shí)別技術(shù)的可行性，這將為當(dāng)前社會(huì)所面臨的各種身份鑒定和信息安全問(wèn)題提供一種準(zhǔn)確率高,、防偽能力強(qiáng)的生物識(shí)別新設(shè)備,。（生物谷Bioon.com）
