一種新型指紋識別系統的設計與實(shí)現

2.1 系統核心處理器
TMS320VC5501是美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的16 bit定點(diǎn)DSP芯片[1]。該芯片時(shí)鐘頻率最高可達300 MHz，配以雙乘加結構，每秒最高可以完成600萬(wàn)次乘加運算。采用改進(jìn)的哈佛結構，芯片內部有1組程序總線(xiàn)、3組數據讀總線(xiàn)和2組數據寫(xiě)總線(xiàn)，使得系統在一個(gè)時(shí)鐘周期內能完成3次讀和2次寫(xiě)的操作，并且提供了專(zhuān)用的匯編指令，極大地提高了數據處理能力。
2.2 存儲器擴展
TMS320VC5501的內部存儲空間僅有32 KB，無(wú)法滿(mǎn)足系統程序的需要，因此需要通過(guò)外部存儲器接口(EMIF)擴展存儲空間[2]。本系統同時(shí)擴展了SDRAM和FLASH。其中，SDRAM采用了Hynix公司的HY57V161610D，用于運行程序與指紋圖像處理數據的暫存。針對圖像的算法在片內DARAM上實(shí)現的效率要遠遠高于外擴存儲器的情況，將指紋采集器輸出的圖像大小設置為280×280，并經(jīng)過(guò)圖像壓縮成大小140×140，再采用高低位分開(kāi)放置圖像數據，整個(gè)圖像數據就不到20 KB。同時(shí)，指紋圖像處理算法的程序也不超過(guò)8 KB。這樣，圖像識別過(guò)程中的程序和數據都在片內DARAM上完成，可以緩解EMIF總線(xiàn)接口的壓力并提高系統的數據處理能力。
本系統中FLASH主要有2個(gè)作用：(1)用于存放程序代碼，上電以后，FLASH中的各段程序代碼被裝入SDRAM或DSP內部DARAM中，系統開(kāi)始正常工作；(2)存放指紋處理程序處理完指紋后所獲得的指紋特征以及一些相關(guān)的信息數據等。本系統采用FLASH芯片為SST39VF3201，存儲容量為2M字。但是，DSP片上僅有20根地址線(xiàn)，最多可以擴展到1M字。設計中將GPIO7直接連接到SST39VF3201的A22管腳，使用GPIO7模擬地址線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)FLASH空間。高地址位存儲指紋模板，低地址位存儲引導程序，可以有效地利用FLASH空間資源。
2.3 圖像采集電路設計
系統采用MagnaChip Semiconductor公司的HV7131R彩色CMOS圖像傳感器作為指紋采集頭的核心器件[3]。該芯片有很強的實(shí)用性，可在復雜環(huán)境中工作。其支持VGA模式，有效像素640×480，帶有可編程自動(dòng)曝光、增益控制及白平衡控制功能，可通過(guò)編程設定成像窗口和幀傳輸速率。芯片集成I2C總線(xiàn)接口，10 bit A/D輸出。但是，一般只用高8 bit傳輸像素點(diǎn)灰度值。最大幀速度30幀/s，最高工作頻率25 MHz。
芯片采用Bayer濾光陣列把輸入光信號分解成RGB三原色，每一像素點(diǎn)僅保留一種原色。由于綠色像素對亮度影響最大，所以保留最多，占1/2；紅色像素和藍色像素各占1/4。在實(shí)際處理時(shí)，每個(gè)像素的R、G、B信號由像素本身輸出的某種顏色信號和相鄰像素輸出的其他顏色信號構成，這種采樣方式，在基本上不降低圖像質(zhì)量的同時(shí)，可以將采樣頻率降低60%左右。本系統中，DSP的8 bit主機接口HPI.HD[7：0]配置為GPIO，通過(guò)讀寫(xiě)HGPIODAT1寄存器實(shí)現數據傳輸。如圖3所示，HV7131R外接25MHz時(shí)鐘，A/D轉換輸出的高8 bit DATA[9：2]接HPI.HD[7：0]作為數據輸入；幀同步信號（VSYNC）和行同步信號（HSYNC）作為外部中斷源分別接到TIM0和TIM1引腳；SDA和SCL與DSP片上集成的I2C引腳連接，用以訪(fǎng)問(wèn)或者修改傳感器的寄存器值。整個(gè)系統運行過(guò)程中，DSP只需讀取指紋采集頭的數據，但是，LCD作為輸出顯示，僅寫(xiě)入數據即可。LCD采用并口連接方式設計，通過(guò)6 800時(shí)序接收DSP數據，與指紋采集模塊復用HPI.HD[7：0]管腳。實(shí)驗證明，這種連接方式不僅可以節約核心處理器片上管腳資源，而且編程緊湊，易于移植。

3 指紋識別算法
指紋處理和識別算法是整個(gè)系統的核心，且都在DSP上實(shí)現。整個(gè)流程如圖4所示，主要包括圖像預處理、特征提取和指紋匹配3部分。預處理又可分為圖像分割、歸一化、圖像增強、二值化以及圖像細化等。