基于嵌入式心音信號(hào)身份識(shí)別原理分析及設(shè)計(jì)

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)（MelFrequencyCepstrumCoefficient，MFCC）特征提取和矢量量化（VectorQuantization，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)。

MFCC主要運(yùn)用于說(shuō)話人識(shí)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(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)?；赩Q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CSRBC04藍(lán)牙技術(shù)，內(nèi)置藍(lán)牙天線，發(fā)射功率為Class2，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)?a href="http://wenjunhu.com/tags/rs/" target="_blank">RS232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總線和USB總線與工控主板相連，LVDS總線傳輸視頻信號(hào)，USB總線傳輸觸摸信號(hào)。

2.2軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

選用自行設(shè)計(jì)的WindowsEmbeddedStandard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DatabaseConnectivityToolkit工具包，DatabaseConnectivityToolkit提供完整的SQL功能，使用MicrosoftADO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：用戶注冊(cè)、用戶辨識(shí)和用戶確認(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。用戶辨識(shí)是1:N的模式，采集待識(shí)別的用戶的心音信號(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(cè)的用戶名，而后采集待識(shí)別的用戶的心音信號(hào)，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(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)，具有用戶注冊(cè)、用戶辨識(shí)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(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。