圖像采集綜合評估的嵌入式指紋識別系統設計

　　由于具有其持久性和唯一性，指紋被廣泛應用在個(gè)人身份識別系統。指紋識別在全世界范圍內的廣泛應用，不僅為防范犯罪，同時(shí)也作為處理個(gè)人事務(wù)和信息安全的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

　　在指紋識別技術(shù)領(lǐng)域，歐美國家在研究和開(kāi)發(fā)中處于領(lǐng)先地位。美國ZK Software 在1992 年就發(fā)布了ZKFinger 1.0 版，2008 年發(fā)布了ZKTime7.0、ADMS 解決方案、指紋鎖、集成具有美國聯(lián)邦政府推出的FIPS201 認證的Lumidign 和Secugen指紋儀；法國Segam 公司，是安全解決方案的市場(chǎng)領(lǐng)導者之一，有遍布5 大洲超過(guò)85 個(gè)分公司和分支機構，其生產(chǎn)的集成系統部署在100 多個(gè)國家和地區。亞洲在指紋識別技術(shù)上較為先進(jìn)的公司有：韓國現代、朝鮮的培富士、日本的NEC 等。

　　中國雖然在指紋識別技術(shù)方面發(fā)展較晚，但目前也已有具備指紋識別專(zhuān)用芯片研發(fā)生產(chǎn)和應用能力的企業(yè)，如杭州晟元芯片技術(shù)有限公司、國民技術(shù)股份有限公司等。

　　在指紋圖像評估算法研究領(lǐng)域，Tabassi 等人通過(guò)提取指紋圖像各子塊的對比度和曲率特征評估指紋圖像質(zhì)量，但這種方法只是從指紋圖像局部紋理進(jìn)行分析，不足以反映指紋圖像全局信息；Hong 等人通過(guò)計算指紋圖像每一圖塊指紋紋線(xiàn)垂直方向上的灰度方差評估指紋圖像質(zhì)量，它在圖像噪聲較大時(shí)并不能很好獲得指紋圖像的方向圖，從而影響最后的評估效果。

　　文中采用一種指紋圖像綜合評估算法，設計具有信息提示功能的指紋識別系統，并將評估結果輸出到顯示屏，實(shí)現了提高指紋識別成功率，讓用戶(hù)直觀(guān)了解指紋采集的某個(gè)環(huán)節出現問(wèn)題，以及如何進(jìn)行修正的目的。

　　1 指紋識別系統硬件設計

　　1.1 嵌入式指紋采集系統組成

　　具有提示信息的指紋識別裝置包括處理器，系統結構圖如圖1 所示。處理器以不同的接口分別連接LCD 漢字顯示屏、指紋傳感器、JTAG 調試接口、復位電路、外部SRAM 數據存儲器、串口及USB 接口；電源管理模塊為上述各部分中的芯片和電路提供電源管理。其中，漢字顯示屏用來(lái)顯示指紋圖像初始評估的結果，提示用戶(hù)手指的放置是否正確、若不正確如何修正；指紋傳感器用來(lái)獲取手指的指紋圖像信息；JTAG 調試接口用來(lái)與上位機連接進(jìn)行調試；復位電路用來(lái)初始化指紋識別裝置；FLASH 程序存儲器用來(lái)存儲指紋識別裝置運行的程序；外部SRAM 數據存儲器用來(lái)存儲指紋識別裝置運行過(guò)程中產(chǎn)生的臨時(shí)數據；串口和USB 接口用于與上位機的連接通信；安全控制器是指紋識別裝置的核心，控制指紋識別裝置的運行。

　　圖1 指紋采集系統結構圖

　　指紋專(zhuān)用芯片，是指內嵌指紋識別技術(shù)的芯片產(chǎn)品，能夠片上實(shí)現指紋的圖像采集、特征提取、特征比對的芯片，使開(kāi)發(fā)過(guò)程變得簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)者可以方便的實(shí)現指紋識別的功能，同時(shí)芯片價(jià)格適中，利于普及使用。

　　指紋專(zhuān)用芯片采用杭州晟元芯片技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AS602 芯片，采用哈佛結構32 位RISC 處理器內核，內置專(zhuān)用DSP 指令集和加速器。其主要特點(diǎn)是具有SEA/RSA 加速引擎、內置存儲器（Flash/OTP）、指紋處理加速器和專(zhuān)用算法軟件。AS602 芯片主頻高達128 MHz，內置128 KB 高速靜態(tài)隨機存儲器（SRAM），嵌入了1 MB 大容量FLASH，64 kB ROM 和4 kB OTP ROM，并具備豐富的對外接口：除了USB2.0 全速接口外，還具備3 組USART 接口、4 通道PWM接口、ISO7816 智能卡接口、APC 主接口、片上實(shí)時(shí)鐘、對稱(chēng)算法引擎（SEA）加速器、RSA 加解密引擎、真隨機數產(chǎn)生器（TRNG），以及51 路GPIO。

　　1.3 指紋采集傳感器

　　FPC1011F 指紋傳感器由152×200 個(gè)傳感器陣列組成，每一個(gè)陣列是一個(gè)金屬電極。放在傳感面上的手指的對應點(diǎn)則作為另外一極，其工作原理是改變極板間距的電容式傳感器，整個(gè)傳感器（或其中的一部分）是通過(guò)讀取感應器的指令來(lái)讀取的，采集區域的大小是由寄存器XSHIFT 和YSHIFT值的決定的。

　　FPC1011F 與處理器芯片的接口原理圖如圖2 所示。將AS602 的USART0 配置為SPI 模式。AS602 的61 腳作為時(shí)鐘輸出，60 腳作為數據主輸出，連接FPC1011F 的6 號腳；59腳作為數據主輸入，連接FPC1011F 的1 號腳。FPC1011F 4號引腳SPI_CK 與AS602 的61 腳連接得到系統時(shí)鐘。

　　圖2 AS602 與FPC1011F 的接口原理圖

　　將FPC1011F 的CPHA 和CPOL 分別置為0， 此時(shí)FPC1011F 為從設備。指紋圖像數據通過(guò)傳感器輸入FIFO.指紋采集通過(guò)查詢(xún)方式，用rd_spidtat 指令不停地查詢(xún)SPI_STATUS 寄存器的DA 狀態(tài)是否為1。當SPI_STATUS 的DA狀態(tài)為1 時(shí)，用rd_spidata 指令來(lái)讀取FPC1011F 的FIFO 中的數據。

　　1.4 指紋圖像評估狀態(tài)顯示模塊

　　HS1602A LCD 是16×2 行，5×7 字符點(diǎn)陣液晶模塊，其內部的字符發(fā)生器ROM 中自帶數字和英文字母及一些特殊符號的字符庫，雖然沒(méi)有漢字，但是利用HS1602A 可以建立5×7 點(diǎn)陣自定義字庫的特點(diǎn)，形成所需要的漢字點(diǎn)陣。HS1602A 與傳感器芯片的接口原理圖如圖3 所示。

　　圖3 AS602 與HS1602A LCD 顯示屏模塊接口原理圖

　　2 指紋圖像評估研究與分析

　　2.1 指紋圖像評估流程

　　在指紋采集輸入過(guò)程中，由于手指的指紋質(zhì)量、安放位置及干濕狀態(tài)等原因，都可能無(wú)法正確識別指紋信息。為提高指紋識別效率，先對采集的指紋信息進(jìn)行評估。安全控制器對指紋圖像進(jìn)行指紋灰度圖像隔點(diǎn)采樣，指紋圖像點(diǎn)方向圖計算，指紋灰度圖像的前、背景圖分離，指紋前景圖面積分析，指紋圖像質(zhì)量分析等圖像處理過(guò)程，并對評估的結果用漢字進(jìn)行顯示。若評估不合格，根據顯示信息，重新采集指紋圖像信息，直到通過(guò)評估。系統工作流程圖如圖4 所示。

　　圖4 系統工作流程圖

　　2.2 指紋圖像隔點(diǎn)采樣

　　用隔點(diǎn)的方式對指紋灰度圖像進(jìn)行采樣，隔點(diǎn)獲得原始指紋灰度圖像，在不改變指紋特征碼的基礎上減少數據采集量。

　　2.3 指紋灰度圖像的前、背景分離

　　用點(diǎn)方向圖表示所述隔點(diǎn)原始指紋灰度圖像中每一像素點(diǎn)處的局部紋理走向，具體如下：

　　指紋圖像是由局部平行的脊線(xiàn)和谷線(xiàn)構成的一種方向模式。通過(guò)指紋圖像點(diǎn)方向圖計算，可將指紋圖像中的各個(gè)圖像塊劃分為前景塊或背景塊。采用7×7 模板，基準點(diǎn)位于模板中心，從水平位置開(kāi)始每隔π/4 確定一個(gè)方向，定義I=1，2，3，4，對應0，π/4，2π/4，3π/4，π 四個(gè)方向。按公式（1）計算各個(gè)方向的灰度變化DI，比較DI，找到最小值，就代表該點(diǎn)的方向，見(jiàn)公式（1）：

　　式中，是沿I方向上點(diǎn)的灰度均值，f1（ik ， jk） 是I方向上點(diǎn)的灰度值。

　　圖像的前景塊是分布有指紋脊線(xiàn)的圖像塊，其余部分為背景塊。將前景塊設置為1，背景塊設置為0，實(shí)現指紋灰度圖像的前、背景圖分離。具體如下：

　　1）使用公式（2）進(jìn)行計算：

　　其中，f（i， j）為（i， j）點(diǎn)的灰度值；為I方向上灰度值的累加和；Smax 為累加和值的上限值；Smin 為累和值的下限值。如果滿(mǎn)足公式（2） 的條件，則當前點(diǎn)為前景點(diǎn)；否則為背景點(diǎn)。

　　2）依據小塊內背景點(diǎn)的比例，判斷各圖像塊是前景塊或背景塊。如果小塊內背景點(diǎn)的數量超過(guò)閾值Tb，則認為該圖像塊屬于背景塊，否則為前景塊。

　　2.4 指紋圖像質(zhì)量分析

　　通過(guò)圖像質(zhì)量判斷條件，比較質(zhì)量評估參數Q 與閾值TQ.若Q ≤ TQ，說(shuō)明圖像質(zhì)量未達到要求，需要進(jìn)行手指干/ 濕狀態(tài)分析，并在漢字顯示屏上提示分析結果；若Q 》TQ，說(shuō)明圖片質(zhì)量達到要求，但還需判斷手指位置是否放置正確。具體如下：

　　1）依據該塊內的各點(diǎn)是否大部分屬于某一特定方向，判斷一個(gè)前景圖像塊是否具有方向優(yōu)勢；

　　2）計算各圖像塊的方向，求出各塊的方向直方圖。如果具有某一個(gè)方向D 的像素數目超過(guò)預設值T1，則該塊的優(yōu)勢方向被標記為D；

　　3）指紋圖像的質(zhì)量可以通過(guò)計算連續的優(yōu)勢方向區域占所有指紋前景圖的比例進(jìn)行描述。采取一種加權的方法，距離參考點(diǎn)越遠的圖像塊，它所包含的信息越可靠，其權值也就越高；

　　4）對于指紋前景圖中的任一圖像塊xi，可以用公式具有連續優(yōu)勢方向塊的權值與所有指紋前景塊的權值之比來(lái)確定其圖像質(zhì)量；

　　q 為相對權值常數，xc為指紋前景質(zhì)心，Q 為質(zhì)量比例；

　　5）將指紋圖像質(zhì)量比例Q 與指紋圖像質(zhì)量評價(jià)的下限值TQ 進(jìn)行比較，若Q 》TQ，表示指紋圖像質(zhì)量合格。若手指位置正確，則提示“指紋輸入正確”，進(jìn)行圖像預處理；若手指位置有偏向，則對手指位置的偏向進(jìn)行分析，并顯示相應的提示內容。

　　6）若Q ≤ TQ，表示指紋圖像質(zhì)量不合格，則進(jìn)入手指干/ 濕狀態(tài)分析，根據分析結果，提示手指的干/ 濕狀態(tài)。

　　2.5 手指干/ 濕度分析

　　根據指紋圖像分析，過(guò)干手指的指紋圖像對比度較小，灰度較大；過(guò)濕手指的指紋圖像對比度較小，灰度較小。手指干/ 濕度分析算法要計算指紋圖像的灰度均值和標準差。具體步驟如下：

　　1）分別計算每一個(gè)前景圖像塊的灰度均值m、各前景塊所有像素的標準差δ、塊內小于均值m 的所有像素的灰度均值μ；

　　2）求圖像塊的對比度Cd：

　　Cd = μ / δ （5）

　　若Cd 大于干圖像塊對比度閾值DTH1，則該圖像塊確認為干圖像塊；

　　3） 若Cd ≤ DTH1， 還需用圖像塊8 鄰域中對比度最大值和最小值的差值Var（Cd） 與閾值DTH2 進(jìn)行比較。如果Var（Cd）》 DTH 2，則將該圖像塊標記為干圖像塊；

　　4）計算所有干圖像塊占前景圖像的比例，即為干度。如果干度超過(guò)閾值DTH3，則認為該手指過(guò)干，在漢字顯示屏上提示用戶(hù)手指過(guò)干；否則進(jìn)行手指濕度分析；

　　5）為分析、計算手指濕度，引入濕度特征量：

　　Cs = μ / δ （6）

　　如果Cs 小于預設的閾值STH1，則標記該圖像塊為濕圖像塊；

　　6）統計所有濕圖像塊占前景圖像的比例，即為濕度。若濕度超過(guò)濕圖像塊比例閾值STH2，則提示用戶(hù)手指過(guò)濕。若濕度≤ STH2，則該指紋圖像判定為低質(zhì)量圖像。

　　2.6 手指位置分析

　　無(wú)論何種類(lèi)型的指紋，其脊線(xiàn)都呈拋物線(xiàn)形，可通過(guò)分析指紋圖像中心區域是否存在一條較為完整的脊線(xiàn)來(lái)確定手指是否放偏。本文使用基于方向圖的跟蹤方法判斷手指的放置位置是否正確。具體如下：

　　1）構造坐標系，以前景圖的質(zhì)心為原點(diǎn)，構建坐標系；

　　2）在x 軸的左半軸，選擇一個(gè)優(yōu)勢方向不為0 的圖像塊作為起始參考位塊；

　　3）根據塊內的各點(diǎn)是否大部分屬于某一特定方向來(lái)判斷圖像塊的優(yōu)勢方向。若塊優(yōu)勢方向為0，則重新選擇起始參考位塊；若塊優(yōu)勢方向不為0，則根據當前圖像塊的方向，向右搜索下一個(gè)圖像塊；

　　4）判斷該圖像塊與前一個(gè)圖像塊的方向變化。如果圖像塊與前一個(gè)圖像塊的方向變化超過(guò)90°，表明當前圖像塊的方向發(fā)生突變，根據脊線(xiàn)的連續性，將當前圖像塊的方向替代前一個(gè)圖像塊的方向，在此基礎上搜索下一個(gè)圖像塊；

　　5）若圖像塊的方向沒(méi)超過(guò)90°，則還需判斷是否搜索到一條完整的脊線(xiàn)。

　　若找到完整的脊線(xiàn)，采集的指紋圖像正確，在顯示屏上提示輸入正確，結束指紋圖像搜索；否則，說(shuō)明當前圖像塊沒(méi)有足夠接近x 軸的正半軸，還需繼續搜索下一個(gè)圖像塊；

　　6）判斷x 軸的負半軸是否完成搜索。若未搜索完畢，則繼續搜索；若x 軸的負半軸已經(jīng)完成搜索，還需搜索x 軸的正半軸；

　　7）搜索x 軸的正半軸的方法與x 軸負半軸類(lèi)似，方向相反。

　　如果搜索到一條完整的脊線(xiàn)，則在顯示屏上提示輸入正確，結束指紋圖像搜索；否則還需繼續搜索。如果從x 軸的正、負半軸都無(wú)法確定一條完整的脊線(xiàn)，則表明該指紋圖像過(guò)偏，按照質(zhì)心的位置提示用戶(hù)，需重新采集指紋。

　　根據所選質(zhì)心的位置和判斷的結果，分別在信息提示顯示屏上進(jìn)行顯示。

　　3 指紋信息的數字水印技術(shù)應用

　　具有指紋采集狀態(tài)顯示功能的指紋識別儀可應用于多種場(chǎng)合，如基于指紋技術(shù)的門(mén)禁系統、交易系統、電子病歷和電子處方的簽名認證、銀行內部管理、電子政務(wù)系統和企業(yè)內部辦公系統等諸多領(lǐng)域。

　　實(shí)現電子病歷（EMR） 是醫院信息系統的一個(gè)重要研究課題。應用本文設計的系統，已建立醫療機構的EMR 系統，如圖5、圖6 所示。

　　圖5 EMR 系統指紋采集界面

　　圖6 EMR 系統病號信息錄入界面

　　XML 可在不同平臺下進(jìn)行數據交換。利用XML 語(yǔ)言將電子病歷生成XML 文檔，使用Rijindael 算法，加密、解密使用同一密鑰。加密時(shí)，用密鑰將明文加密后寫(xiě)入文檔；解密后，將明文寫(xiě)入結果文件中。

　　部分電子病歷的XML 文檔：

　　圖5 EMR 系統指紋采集界面

　　4 結論

　　文中設計的指紋識別系統和指紋圖像綜合評估算法，對指紋圖像進(jìn)行前、背景分離，對圖像做出圖像質(zhì)量、圖像有效面積大小、手指干濕程度、手指位置偏向性的綜合分析，實(shí)現人體指紋的采集和評估，便于指紋圖像的后續處理。運用本文提出的指紋識別系統和指紋圖像綜合評估算法，在醫療系統建立了EMR 系統。在實(shí)際應用中，提高了指紋識別的效率，具有很好的穩定性。