SoPC自動(dòng)指紋識別系統設計

　　摘 要： 設計了一種基于SoPC的新型結構的自動(dòng)指紋識別系統。指紋識別系統是一個(gè)典型的模式識別系統，包括指紋圖像獲取、處理、特征提取和比對等模塊。通過(guò)專(zhuān)門(mén)的指紋采集儀可以采集活體指紋圖像。目前，指紋采集儀主要有活體光學(xué)式、電容式和壓感式。對于分辨率和采集面積等技術(shù)指標，公安行業(yè)已經(jīng)形成了國際和國內標準，但其他還缺少統一標準。根據采集指紋面積大體可以分為滾動(dòng)捺印指紋和平面捺印指紋，公安行業(yè)普遍采用滾動(dòng)捺印指紋。另外，也可以通過(guò)掃描儀、數字相機等獲取指紋圖像。

　　目前，基于FPGA的自動(dòng)指紋識別系統主要有純硬件方式實(shí)現和在以Nios II為CPU的軟核中實(shí)現[2-4]兩種方式。以純硬件方式實(shí)現雖然速度較快，但由于指紋處理算法比較復雜，實(shí)現困難，同時(shí)算法精度差，設計周期長(cháng)；而以下載到FPGA的軟核Nios II為控制模塊，具有靈活的設計方式，并具備軟硬件在系統可編程的功能，較大程度上提高了系統速度，但是該方案中軟硬件處理交替進(jìn)行，涉及到軟硬件之間頻繁的指紋數據傳輸，限制了系統的速度，同時(shí)增加了系統的復雜度。

　　本文提出了一種基于SoPC的新型結構的自動(dòng)指紋識別設計方案。具有以下特點(diǎn)：

　?。?）根據對指紋識別算法的分析和優(yōu)化，在軟、硬件結合的基礎上將軟件設計和硬件設計分開(kāi)，把指紋識別系統中耗時(shí)較大的圖像預處理部分用硬件來(lái)實(shí)現，而耗時(shí)較少的特征提取、匹配和操作控制等部分則在NiosⅡ軟核中實(shí)現。從而使得系統結構明晰，處理性能得到提升。

　?。?）用一塊SRAM作指紋處理中間數據的緩存。指紋圖像前期處理以硬件實(shí)現，中間數據緩存于SRAM中；指紋圖像后期處理軟件從SRAM中將所有數據讀入NiosⅡ的數據存儲器。這樣的存儲設計使得軟件處理和硬件處理之間不涉及大量的數據流傳輸，使軟硬件數據接口簡(jiǎn)單，數據流的控制更加簡(jiǎn)單易行，同時(shí)避免了頻繁的軟硬件數據傳輸帶來(lái)的時(shí)間消耗。

　?。?）在軟硬件處理結合的基礎上使指紋處理時(shí)間大大降低，1.5 s內可以完成一幅指紋圖像的預處理，3 s內可以完成一幅指紋圖像的比對。

　　1 設計思路

　　1.1 指紋系統結構

　　在的計算機應用中，包括許多非常機密的文件保護，大都使用用戶(hù)ID+密碼的方法來(lái)進(jìn)行用戶(hù)的身份認證和訪(fǎng)問(wèn)控制。但是，如果一旦密碼忘記，或被別人竊取，計算機系統以及文件的安全問(wèn)題就受到了威脅。

　　從整個(gè)指紋處理系統的角度來(lái)考慮，根據各算法處理特性仔細地劃分系統子模塊。通過(guò)對指紋處理算法的分析發(fā)現，指紋的預處理部分使用到多次數據循環(huán)運算，運算量較大而且單一，使用硬件實(shí)現明顯降低時(shí)間消耗，所以選擇對指紋的預處理部分實(shí)行整體硬件化；對于指紋匹配部分，運算量相對較少但算法復雜多樣，使用軟件算法相對比較簡(jiǎn)單而且可以達到很高的精度，所以使用Nios II軟件算法來(lái)實(shí)現。選擇預處理部分整體硬件化，匹配部分整體軟件化的另外一個(gè)好處是軟硬件處理不需要進(jìn)行頻繁的數據交換傳輸，節省時(shí)間的同時(shí)降低了系統的復雜度。