基于MTK和DSP的雙目視角非接觸3D指紋識別系統

　　采用指紋信息作為身份識別手段的應用已經(jīng)很廣泛，但傳統的指紋信息識別身份時(shí)存在容易被仿造的缺點(diǎn)。3D指紋信息不但可以進(jìn)一步提高指紋識別率而且可以很好地克服該缺點(diǎn)。在此主要介紹利用雙目視角技術(shù)采集3D指紋信息，提出了一種3D指紋信息采集的解決方案。詳細介紹了以MTK平臺作為控制平臺，DSP芯片做算法處理的硬件設計。該設計的硬件成本低且安全性高。在C/S結構的系統設計中，通過(guò)測試該硬件方案可以直接在客戶(hù)端上采集信息，便攜性好。

　　近代指紋識別系統就指紋的采集方式而言總體可分為接觸式和非接觸式。接觸式的識別方式，如指紋鎖，手續簡(jiǎn)化識別率較高，但由于模仿手指蘸墨壓印的方式，得到的指紋圖像容易被模仿，反偵查能力差，同時(shí)容易受手指的環(huán)境條件干擾；非接觸式的指紋識別系統，可以排除手指環(huán)境及壓印等外部因素，進(jìn)一步提高了識別率，卻有脊紋不明顯而失配率高的缺點(diǎn)。新近提出的基于雙目視角的非接觸式3D指紋識別系統，解決了二維指紋圖像脊紋不明顯而失配率高的問(wèn)題，但以計算機為處理中心，系統體積大，便攜性差，硬件成本高。

　　為了完成指紋信息庫的建立及信息的網(wǎng)絡(luò )化要求，一個(gè)完善的指紋采集系統按功能把系統劃分為客戶(hù)端和服務(wù)器兩部分。以往的采集系統客戶(hù)端大多僅僅完成信息采集任務(wù)，把采集的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器完成對比算法任務(wù)后，再將信息識別的結果通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳遞給客戶(hù)端，這樣的系統實(shí)時(shí)性不高，且便攜性不好，客戶(hù)端離開(kāi)服務(wù)器后無(wú)法單獨完成信息識別任務(wù)，獨立性較差。

　　本文提出了一種雙目視角的非接觸式3D指紋識別系統的方案，應用該方案能夠很好地解決以下問(wèn)題。

　?。?）指紋信息采集采用雙目視角光學(xué)采集模塊，具有識別率高，不易被模仿，反偵察能力強的特點(diǎn)。

　?。?）客戶(hù)端采用聯(lián)合MTK 和DSP作為嵌入控制雙核心，將傳感器采集的指紋信息通過(guò)DSP器件做識別算法，并由MTK 集成平臺完成與服務(wù)器無(wú)線(xiàn)方式的信息傳遞。

　　1 3D指紋信息采集原理

　　1.1 3D指紋

　　3D指紋是一種新興的技術(shù)手段，能深刻地呈現手指上的山脊和山谷般的紋線(xiàn)。通常，采用非接觸的工作方式采集而成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）真實(shí)性高，排除了擠壓帶來(lái)的皮膚扭曲，獲得的指紋自然舒展；

　?。?）環(huán)境容限率好，各種條件的手指皮膚條件，如干濕、骯臟等，都不影響正常采樣；

　?。?）舒適程度高，非接觸式模式下采樣，可以實(shí)現隱秘采集指紋，抵抗反偵查的各種虛假手段成功率高；

　?。?）兼容性好，3D 指紋展平后可以兼容現有二維指紋數據庫。

　　1.2 雙目視角

　　雙目視角（Binocular Vision）成像技術(shù)可以用于非接觸3D 指紋圖像采集，結合現有的兩種3D 成像技術(shù)——多目視角（N-Views）和結構光（Structured-Light，SI）掃描，而形成的一種3D成像技術(shù)，其原理是：采用光投影的方式，在事物上投影出一定式樣的結構光，形成一定角度的兩臺高清攝像頭采集數據，經(jīng)過(guò)后臺處理該兩組數據，還原出某一視覺(jué)范圍內的3D 圖像。該技術(shù)采集設備數量少、結構簡(jiǎn)單、采集速度快。

　　1.3 雙目視角3D指紋采集系統結構圖

　　如圖1 所示的雙目視角3D 指紋采集結構圖，即為本系統的采集傳感部分。為了獲得高清圖像，本系統中選擇了OmniVision 公司生產(chǎn)的800 萬(wàn)像素手機攝像頭模組OV8820和三星公司生產(chǎn)的、具有1 920×1 080高清分辨率的A600B 投影儀。由于OV8820 具有移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）以及A600B具有高清晰度多媒體接口（HDMI），方便了系統的集成。

　　圖1 雙目視覺(jué)的3D指紋采集原理

　　2 系統總體設計

　　3D指紋識別系統采用了客戶(hù)端/服務(wù)器（C/S）模式，如圖2所示。服務(wù)器作為數據庫管理中心，主要接收客戶(hù)端的傳輸請求，解析指紋數據包的命令和建立數據庫反饋識別結果。

　　客戶(hù)端主要包括控制單元、指紋算法實(shí)現單元和信息采集單元三部分?？刂茊卧瓿扇蠊δ埽号c服務(wù)器交互進(jìn)行結果反饋、控制光學(xué)采集系統獲得數據、與指紋算法核心有效溝通處理數據；指紋算法單元則進(jìn)行復雜的圖像處理；信息采集單元接收控制核心的控制命令，瞬間實(shí)現指紋采集并傳輸數據。本設計以雙核MTK 和DSP 為雙控制核心取代以往的單一內核，功能分離、權責分明，系統的實(shí)時(shí)性、穩定性以及開(kāi)放性得到大大的提高。如圖2 所示，MTK6577 芯片內部的雙核CPU可以完美地實(shí)現控制與傳輸功能分離，TMS320C5515型DSP分擔復雜的圖像處理事務(wù)。

　　圖2 實(shí)時(shí)3D指紋識別系統的結構圖

　　2.1 MTK平臺

　　聯(lián)發(fā)科技（Media Tek，MTK）平臺，是一款通用的嵌入式手機開(kāi)發(fā)平臺；系統方案內部采用開(kāi)放式的軟硬件接口，具有強大的技術(shù)支持，用戶(hù)可以快速地定制無(wú)線(xiàn)通信的應用。在本系統中，MTK平臺作為控制核心，其功能從硬件底層來(lái)看是實(shí)現數據流的輸入/輸出；從3D指紋識別系統上層來(lái)看是實(shí)現雙目視角的照相機驅動(dòng)、結構光的產(chǎn)生和控制、圖像數據的采集、與服務(wù)器無(wú)線(xiàn)傳輸通信等。MTK芯片的選擇主要考慮了以下三個(gè)因素：

　?。?）控制投影儀產(chǎn)生結構光投影，需要支持高清晰度多（HDMI）；

　?。?）控制雙攝像頭采集，需要高性能高速度的MTK芯片；

　?。?）為保證數據與服務(wù)器的實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸，需快速的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )。

　　在MTK 公司的眾多基帶芯片中，MTK6577 是一款高性能的雙核處理器。其主頻只高達1.2 GHz，不僅芯片內核強大：采用Cortex A9構架，二級緩存高達1 MB，集成3G移動(dòng)寬帶連接，支持單模HSPA+網(wǎng)絡(luò )，上傳下載速度不低于5.6 Mb/s，集成了圖像信號處理器、JPEG硬件編碼和解碼器，最高可以以15 f/s的速度進(jìn)行800 萬(wàn)像素圖像采集等；而且外圍接口豐富，具有一個(gè)高清晰度多媒體接口（HDMI）和雙攝像頭接口。

　　2.2 DSP功能

　　數字信號處理器（DSP）在本系統中作為控制核心的附屬機構，主要實(shí)現與MTK 芯片之間指紋數據的輸入和輸出、指紋算法運行處理這兩大功能。前一個(gè)功能主要是依賴(lài)于硬件外部接口間實(shí)現，而后一個(gè)功能偏向于DSP芯片內部資源。因此，在選型方面主要考慮以下因素：

　?。?）與MTK 芯片之間實(shí)現數據通信，需要專(zhuān)用的外部存儲器接口（External Memory Interface，EMIF）；

　?。?） 為了保證實(shí)時(shí)性，專(zhuān)用的快速傅立葉（FastFourier Transform，FFT）運算硬件器更有利于指紋圖像算法的執行。

　　TI 公司的TMS320C5515是一款高性?xún)r(jià)比的DSP芯片，專(zhuān)為生物模式識別應用而開(kāi)發(fā)的。芯片采用定點(diǎn)數的TMS320C55xDSP 處理器核，內部有一個(gè)緊耦合式的FFT硬件加速器，主頻可高達120 MHz，320 KB片上RAM，外加一個(gè)EMIF 接口，利于指紋識別系統的設計與開(kāi)發(fā)。

　　3 系統硬件設計

　　3.1 雙目視角的硬件接口

　　MTK6577 采用標準的移動(dòng)應用處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）協(xié)議，方便了用戶(hù)開(kāi)發(fā)影像方面的應用。本文所設計的系統運用了MTK6577芯片自帶的高速照相機串行接口（Camera serial interface，CSI）與相機模塊OV8820 進(jìn)行數據通信，并采用了串行相機控制總線(xiàn)（Serial Camera ControlBus，SCCB）控制相機進(jìn)行采集事務(wù)，如圖3所示。

　　圖3 雙目視角的硬件接口

　　3.2 雙控制核心協(xié)同接口設計

　　雙目視角的3D 指紋識別系統采用了雙核心的模式?？紤]到指紋識別系統需要完成圖像采集、處理、存儲并與服務(wù)器進(jìn)行傳輸等事務(wù)，本系統中采用了兩片由Micron公司生產(chǎn)的SDRAM存儲器MT48LC16M16A2，通過(guò)Altera公司的CPLD 芯片，形成大容量雙動(dòng)態(tài)的數據存取方式，協(xié)同雙控制核心的工作事務(wù)，如圖4所示。MT48LC16M16A2 存儲器片是一款具有256 MB 的大容量，位寬為16 b，4 個(gè)大小為4 MB 大小的存儲Bank，不但片內Bank間可以實(shí)現乒乓式數據存取，而且片間的乒乓式數據存取，極大方便指紋采集與處理、暫存與傳輸等事務(wù)交替運行。

　　圖4 雙控制核心協(xié)同接口

　　4 系統軟件設計

　　整個(gè)基于雙目視角的3D指紋采集系統軟件的設計主要包括客戶(hù)端模塊、服務(wù)器端模塊和C/S結構下的協(xié)同開(kāi)發(fā)三部分，系統軟件框架如圖5所示。

　　圖5 系統軟件框架

　　4.1 客戶(hù)端模塊設計

　　客戶(hù)端模塊基于Android平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。在Android平臺的應用層、應用框架層、組件庫層和虛擬機等應用框架的基礎上，開(kāi)發(fā)了3D 指紋采集系統的指紋算法、圖像采集等應用層的程序；在Android平臺的Linux內核層經(jīng)過(guò)可裁剪處理，改進(jìn)雙攝像頭、增加結構光協(xié)同事務(wù)等硬件驅動(dòng)。

　　客戶(hù)端模塊工作時(shí)，會(huì )請求與服務(wù)器連接，然后開(kāi)啟多任務(wù)多線(xiàn)程，監測采集事務(wù)，進(jìn)行存儲，指紋數據處理后，啟動(dòng)通信線(xiàn)程，發(fā)送至服務(wù)器，等待服務(wù)器匹配響應命令。

　　4.2 服務(wù)器端模塊設計

　　服務(wù)器端模塊設計基于Java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，功能的實(shí)現采用報文偵聽(tīng)方式。如圖5所示，當服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)，首先加入到一個(gè)組播地址中，然后初始化 Socket，并對規定的端口進(jìn)行偵聽(tīng)。在客戶(hù)端與服務(wù)器端連接請求并雙方握手成功后，即進(jìn)入等待請求解析命令等狀態(tài)，可以接收客戶(hù)端面的指紋數據，響應客戶(hù)端的指紋匹配任務(wù)，根據匹配結果反饋給客戶(hù)端。

　　5 結語(yǔ)

　　本文基于雙目視角的 3D 成像原理，采用MTK 和DSP相結合的方法構建了一套指紋識別系統。該方案采用的3D指紋識別技術(shù)使得指紋識別度高且反偵察能力強；采用C/S 結構的同時(shí)，在客戶(hù)端就可以實(shí)現指紋信息的識別功能，具有很好的實(shí)時(shí)性和便攜性。同時(shí)該方案與能達到相似性能的方案相比硬件成本低，非常適合即要求安全性高又要求便攜性好的場(chǎng)所，如出入境關(guān)口等環(huán)境的信息檢測。硬件系統經(jīng)過(guò)反復測試，實(shí)現了客戶(hù)端的指紋采集、數據的存儲及3D指紋算法運算。