基于DSP的自動(dòng)指紋識別系統

摘要：文章介紹了一種基于TI公司的TMS320VC5402來(lái)構造指紋識別系統的方法。詳細論述了系統的各個(gè)組成部分以及指紋識別算法的實(shí)現流程，結合VC5402的指令集和自身結構特點(diǎn)，討論了如何高效的設計應用程序的方法。文章對如何將DSP的主機接口（HPI）改造成通用輸入輸出口（GPIO）、將多通道緩沖串行口（McBSP）設置成SPI接口進(jìn)行了詳細的說(shuō)明，對數據圖像處理需要較大空間而DSP可尋址的數據空間又過(guò)小的矛盾，提出了切實(shí)可行的解決辦法。

關(guān)鍵詞：指紋識別；DSP；混合語(yǔ)言編程

指紋識別技術(shù)是以數字圖像處理技術(shù)為基礎，而逐步發(fā)展起來(lái)的。相對于密碼、各種證件等傳統身份認證技術(shù)和諸如語(yǔ)音、虹膜等其它生物認證技術(shù)而言，指紋識別是一種更為理想的身份認證技術(shù)。使用指紋識別具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如：每個(gè)人的指紋都不相同，極難進(jìn)行復制或被盜用；指紋比較固定，不會(huì )隨著(zhù)年齡的增長(cháng)或健康程度的變化而變化；最重要的在于指紋圖像便于獲取，易于開(kāi)發(fā)識別系統，具有很高的實(shí)用性和可行性。

1 指紋識別系統的架構

本課題設計了一個(gè)嵌入式系統，通過(guò)DSP來(lái)完成指紋圖像的采集和指紋識別的算法。另外為使系統有更廣闊的應用領(lǐng)域，在設計上還采用異步串行通訊方式實(shí)現了DSP和PC之間的數據交互。據此，系統由指紋傳感芯片、復雜可編程邏輯器件、閃爍存儲器和UART等硬件組成。系統的結構框圖和主要程序流程圖如圖1和圖2所示：

2 系統各部分設計要點(diǎn)

2.1 DSP的選擇和存儲空間的設計

TMS320VC5402具有很高的性?xún)r(jià)比，可以訪(fǎng)問(wèn)1M的程序空間和64K的數據空間。內部自帶的16K 雙尋址RAM，可以在一個(gè)指令周期內完成兩次讀操作或一次讀和一次寫(xiě)操作。鎖相環(huán)電路則可提供高達100MHz的工作頻率，從而使VC5402完全有能力在較短的時(shí)間內完成指紋的識別操作。

由于指紋圖像具有數據量大特點(diǎn)，因此程序的設計不可避免的需要較大的存儲空間。系統中所采集到的8bits灰度圖像大小為300256，則存儲一幅圖像就需要75K的空間，而VC5402可尋址的數據空間范圍總共才有64K。為此，可以參照VC5402空間分配結構圖，通過(guò)程序空間頁(yè)擴展功能來(lái)解決圖像的存儲和運算問(wèn)題，運用RPT、READA和WRITA指令完成圖像數據在程序空間和數據空間的搬移操作。

圖1 系統結構框圖

圖2 系統主要程序流程圖

2.2 指紋采集電路的設計

指紋傳感芯片選用Fujitsu公司的MBF200。它由256列300行電容陣列組成，芯片內設計有兩套采樣保持電路用于指紋圖像的采集。圖像傳輸速度最大可達30幀/秒，能夠滿(mǎn)足連續指紋圖像的采集和比對。MBF200具有手指自動(dòng)檢測電路（AFD），它允許DSP在沒(méi)有指紋時(shí)處在低功耗待命模式，當有手指時(shí)才通過(guò)中斷喚醒它進(jìn)行相應的處理。然而實(shí)驗證明，AFD功能的可靠性較差，不能滿(mǎn)足設計要求。為此，在設計上采用了手動(dòng)開(kāi)關(guān)加軟件查詢(xún)方式來(lái)判斷是否進(jìn)行指紋的采集。當主機接口（HPI）中的HPIENA管腳通過(guò)電阻接地，則系統復位上電后，HPI接口將作為通用輸入輸出口（GPIO）來(lái)使用。將手動(dòng)開(kāi)關(guān)的輸出信號線(xiàn)和GPIO的一個(gè)指定的輸入口相連接，當要進(jìn)行指紋采集時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)輸出信號；而系統初始化后DSP不斷的查詢(xún)GPIO中指定的輸入口狀態(tài)，一旦發(fā)現狀態(tài)發(fā)生變化，就進(jìn)行指紋圖像的采集。實(shí)驗證明，這種方式很好的解決了圖像采集的問(wèn)題，提升了系統的可靠性。除此之外，GPIO中其它的管腳可作為輸出管腳來(lái)使用，用于控制聲光報警電路。

2.3 DSP與PC接口的設計

為了充分利用VC5402的片上資源，降低成本。系統中使用MAXIM公司的通用異步串行收發(fā)器MAX3111E實(shí)現DSP和PC的通信。MAX3111E應用SPI接口與主控制器進(jìn)行通信，它具有四個(gè)RS-232電平轉換器，這樣無(wú)需再接入MAX232進(jìn)行電平轉換，從而應用一個(gè)芯片就實(shí)現了具有SPI接口的主控器與PC進(jìn)行異步數據傳輸的功能。

VC5402的時(shí)鐘停止模式兼容SPI通信協(xié)議。當McBSP被設置成時(shí)鐘停止模式時(shí)，可將發(fā)送幀同步信號（FSX）用作SPI協(xié)議中/SS，將發(fā)送時(shí)鐘（CLKX）用作SPI協(xié)議中SCK；接收串行數據（DR）和發(fā)送串行數據（DX）分別作為協(xié)議中的MISO和MOSI。由于發(fā)送器與接收器在芯片內部實(shí)現了同步，所以接收時(shí)鐘（CLKR）和接收幀同步信號（FSR）不用于SPI模式中。當將VC5402配置為主器件，MAX3111E配置為從器件時(shí)，系統中McBSP各個(gè)寄存器參數的設置如表1所示：

表1 DSP作為SPI協(xié)議主器件時(shí)，McBSP的配置信息

2.4 握手信號與程序加載的設計

系統中使用EPM7128SLC84作為全局邏輯控制器件。FLASH用于存儲系統的應用程序，當系統復位后，通過(guò)Bootloader完成程序的搬移。設計上將FLASH映射到數據空間的后32K處，選用XF來(lái)區分是對SRAM尋址還是對FLASH尋址。當系統上電復位后，XF引腳輸出高電平，這時(shí)FLASH將映射到數據空間中；當程序加載結束后，在系統初始化期間拉低XF信號屏蔽FLASH，從而使SRAM占據數據空間。另外，將MBF200映射到I/O空間的前32K處，使用A15和/IS作為片選信號。在設計上采用原理圖形式編寫(xiě)CPLD程序，部分程序代碼如圖3所示：

圖3 CPLD原理圖程序

3 指紋識別算法設計概述

原始指紋圖像通常含有較多噪聲，因此需要進(jìn)行預處理來(lái)改善圖像的質(zhì)量，以便進(jìn)行特征提取和比對。預處理包括方向圖計算、圖像增強、二值化及去噪、圖像細化及去噪。

由于指紋的紋線(xiàn)具有緩慢變化的特點(diǎn)，在局部通常具有明確的方向性，所以可以利用方向圖對圖像進(jìn)行平滑和銳化處理。沿紋線(xiàn)的切線(xiàn)方向對圖像進(jìn)行平滑，以起到連接不應有的間斷的作用：沿紋線(xiàn)的法線(xiàn)方向對圖像進(jìn)行銳化，以突出紋線(xiàn)的邊緣信息。二值化就是把8灰度的指紋圖像變成0和255的二值圖像。二值化后的圖像通常在脊線(xiàn)上會(huì )有白色的斑點(diǎn)，程序上使用種子填充法把斑點(diǎn)去掉。為了進(jìn)一步壓縮數據，需要對二值化圖像進(jìn)行細化處理。細化時(shí)應保持紋線(xiàn)的連接性、方向性不變，還應保持紋線(xiàn)的中心基本不變。細化后的紋線(xiàn)會(huì )出現搭橋及豁口，因此必須進(jìn)行細化后的去噪工作。預處理中各步驟的圖像如圖4所示。

設計中使用紋線(xiàn)端點(diǎn)和分叉點(diǎn)作為指紋特征點(diǎn)，這不僅是因為這兩類(lèi)特征點(diǎn)出現的幾率最高且容易檢測，更重要的是它們足以描述指紋的唯一性。程序中使用紋線(xiàn)跟蹤方法提取特征點(diǎn)，其中紋線(xiàn)端點(diǎn)的屬性由橫縱坐標和紋線(xiàn)角度來(lái)表示；分叉點(diǎn)的屬性由橫縱坐標，紋線(xiàn)角度和三個(gè)分支間的夾角（從大到?。﹣?lái)表示。在提取出指紋特征點(diǎn)后，便會(huì )得到一組矢量點(diǎn)，同樣在指紋模板庫中保存的指紋模板也是一組矢量點(diǎn)，要判斷兩個(gè)指紋是否相同的問(wèn)題也就轉化成判斷兩組矢量點(diǎn)是否相同的點(diǎn)模式匹配問(wèn)題。

4 識別算法在DSP上的實(shí)現

程序設計上使用混合語(yǔ)言編程，用C語(yǔ)言設計程序中對運行時(shí)間影響不大的模塊，而用匯編語(yǔ)言設計嚴格要求實(shí)時(shí)性的核心算法。為達到最佳利用DSP資源的目的，在程序的設計中要注意以下幾個(gè)方面：

（1）VC5402指令集中提供了一些零開(kāi)銷(xiāo)的循環(huán)指令，如RPT和RPTB等。為進(jìn)一步提高效率，在執行循環(huán)指令時(shí)，應充分利用輔助寄存器和累加器。數組盡量用寄存器間接尋址，中間變量盡量存放于累加器中，以盡可能地減少中間變量存放所消耗的時(shí)間。

（2）VC5402采用流水線(xiàn)結構，允許多條指令同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)CPU資源，從而提高系統的執行速度。但當CPU的某一資源同時(shí)被流水線(xiàn)的幾個(gè)階段訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，就會(huì )發(fā)生流水線(xiàn)沖突。因此，必須通過(guò)合理的調整匯編程序的代碼順序或加入適當的NOP指令來(lái)解決這一問(wèn)題。

（3）識別算法中涉及到了卷積和乘累加操作，這可以通過(guò)使用循環(huán)尋址功能和乘累加指令來(lái)實(shí)現。另外，VC5402提供了可延遲的轉移、調用和返回指令。這些指令的執行時(shí)間比它們對應的非延遲指令要少2個(gè)周期，需要注意的是有時(shí)要在延遲指令后插入NOP指令，以保證適當的操作順序。

（4）在涉及數字信號處理算法時(shí)應盡可能地使用DSPLIB庫中的函數，因為這些函數均用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，優(yōu)化程度很高。另外，在C程序中盡可能地采用內聯(lián)（inline）函數，以便提高代碼的集成度。由于采用混合編程方法，因此在程序設計上要嚴格遵循函數調用規則和寄存器的使用約定。

5 結束語(yǔ)

本系統采用TMS320VC5402完成了從指紋圖像的采集到特征匹配的功能，并結合DSP的結構特點(diǎn)和相應的指令詳細的闡述了系統硬件設計和程序的優(yōu)化。實(shí)踐證明本系統工作穩定、實(shí)時(shí)性好，具有很強的實(shí)用性和指導性。