基于FPS200傳感器和DSP的指紋識別系統

　　0 引言

　　指紋以其唯一性、穩定性及非遺失性而成為個(gè)人身份識別的有效手段。計算機圖像處理和模式識別技術(shù)的發(fā)展使指紋自動(dòng)識別技術(shù)更加成熟。指紋識別技術(shù)主要是通過(guò)分析指紋的局部特征，從中抽取詳盡的特征點(diǎn)，從而可靠地確認個(gè)人身份。目前的多數指紋識別系統是將指紋圖像采集到計算機中，然后利用計算機進(jìn)行識別。但該方法不但占用了主機系統的資源，同時(shí)也限制了指紋圖像處理的速度。而本文介紹的基于DSP的指紋識別系統不但可脫機工作，也可通過(guò)接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并可快捷地整合到其它系統中。該系統采用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320VC5416(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：C5416)作為核心處理器，同時(shí)選擇Veridicom公司的固態(tài)指紋傳感器件FPS200。

　　1 指紋識別原理

　　1.1 指紋識別系統的組成

　　指紋識別是用取像設備讀取指紋圖像，并通過(guò)識別軟件提取指紋圖像中的特征數據，然后根據匹配算法得到的結果來(lái)鑒別指紋所有人的身份，這種生物特征識別技術(shù)主要涉及指紋圖像采集、圖像預處理、特征提取、特征匹配等過(guò)程。識別時(shí)，可由計算機對預存的模板與當前獲得的特征數據進(jìn)行比較，以計算出它們的相似程度，從而得到兩幅指紋圖像的匹配結果。指紋自動(dòng)識別系統(AFIS)的簡(jiǎn)單流程如圖1所示。

　　1.2 指紋采集的操作原理

　　FPS200指紋傳感器由256×300個(gè)電容傳感陣列組成，其分辨率高達500 dpi，工作電壓范圍為3.3～5 V，傳感器內部有8位ADC，并具有兩組采樣保持電路。FPS200的結構框圖如圖2所示。

　　FPS200是一種基于電容充放電原理的觸摸式CMOS傳感器，其外面是絕緣表面，傳感器陣列的每一點(diǎn)都是一個(gè)金屬電極，手指則充當電容器的另一極，而兩者之間的傳感面形成電容兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同，導致硅表面電容陣列的各個(gè)電容值不同，這樣，電容陣列值就描述了一幅指紋圖像。FPS200的每一列都有兩組采樣保持電路。紋采集按行實(shí)現，選定一行，對該行所有電容充電，并用采樣保持電路保存電壓值；然后放電，再用另一組采樣保持電路保存剩余電壓值。兩組電壓值通過(guò)內置的8位模數轉換器，便可以獲得具有灰度等級的指紋圖像。

　　2 系統硬件設計

　　本指紋識別系統中的特征匹配和數據庫模塊可在主機上通過(guò)軟件實(shí)現，指紋采集、圖像的預處理以及特征提取部分則可由DSP+CPLD完成。系統的硬件結構如圖3所示。

　　該指紋自動(dòng)識別系統由DSP、CPLD、FPS200指紋傳感器、SRAM、FLASH和USB接口等硬件組成。圖3中的CPLD可作為系統中的接口和邏輯控制器件，控制著(zhù)整個(gè)系統的邏輯，同時(shí)負責協(xié)調取指器、DSP和USB三部分之間的工作；FPS200指紋傳感器負責現場(chǎng)采集用戶(hù)的指紋，CPLD則可將指紋圖像存儲到SRAM中，并在采集完一幅圖像后通知DSP數據已準備好。進(jìn)行數據處理時(shí)，由DSP將SRAM中的數據分塊取到其內部的128 KB RAM中，以進(jìn)行指紋圖像預處理及特征提取，再由DSP將指紋模板經(jīng)USB接口上傳給PC，然后與指紋庫中的特征指紋進(jìn)行匹配，最后顯示匹配結果。

　　2.1 系統存儲空間的分配

　　指紋圖像的數據量大(FPS200采集的指紋圖像為256×300象素)，因此，運行指紋識別算法和存儲特征模板均需大量存儲空問(wèn)。本系統對存儲資源進(jìn)行了合理的分配管理。系統外部存儲器包括256 KB的FLASH和256 KB的SRAM。程序代碼放在FLASH中；算法運行過(guò)程中的臨時(shí)指紋圖像數據則存放于片外SRAM，最后的指紋特征模板則存儲于FLASHEEPROM中。

　　TMS320VC5416有23根地址線(xiàn)可以用來(lái)對程序空間進(jìn)行尋址，并可直接對8 MB空間進(jìn)行尋址，本系統只需512 KB的尋址空間，所以只需使用其中19根地址線(xiàn)。設計時(shí)可利用高位地址A19來(lái)區分FLASH和SRAM，可將DSP地址線(xiàn)中低15位直接與FLASH中的A0～A14相連，地址高3位通過(guò)CPLD來(lái)控制尋址。為了對存儲器進(jìn)行統一的邏輯控制，本系統由CPLD并完成片選、中斷、復位、讀寫(xiě)使能等功能

　　2.2 CPLD電路的設計

　　CPLD作為接口和邏輯控制器件，其內部集成有地址發(fā)生器和與DSP的握手控制電路，可用于完成整個(gè)系統的片選、中斷、通用I／O的配置等功能，同時(shí)可將指紋圖像直接存儲到SRAM中，并在采集完一幅圖像后通知DSP數據已準備好。本設計中的CPLD選用美國Altera公司的MAX3000系列EPM3128ATC100-10。

　　2.3 鍵盤(pán)與LCD電路的設計

　　LCD模塊采用FM12864I作為指紋圖形和處理結果顯示的用戶(hù)界面。FM12864I是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅動(dòng)器／列驅動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字。本設計為了便于調試，將DSP輸出與LCD連接的控制引腳一起連人CPLD，便以靈活地調整時(shí)序。鍵盤(pán)上有12個(gè)按鍵，可用10 kΩ電阻拉高組成3×4鍵盤(pán)，輸出的邏輯電平與CPLD的I／O相連，并通過(guò)VHDL程序來(lái)控制鍵值的讀入。

　　2.4 USB接口電路

　　USB接口芯片選用Cypress公司EZ-USB FX2系列USB芯片CY7C68013。該芯片集USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎SIE、增強的8051內核、I2C總線(xiàn)接口以及通用可編程接口GPIF于一體，該電路既能完成USB事務(wù)處理，又具備微處理器的控制功能，還可用作USB外設的主控制芯片，其最高傳輸速率可達480 Mbps。

　　3 軟件設計

　　指紋圖像預處理是指紋自動(dòng)識別過(guò)程中的第一步，它的好壞直接影響著(zhù)指紋自動(dòng)識別系統的效果。圖像預處理包括濾波、銳化、二值化、細化和去噪。由于在局部范圍內，指紋圖中的紋線(xiàn)具有方向性一致、寬度基本相等、間距基本相同等特性，所以可采用方向圖濾波來(lái)對指紋圖像進(jìn)行處理。

　　銳化就是指示強化指紋紋線(xiàn)間的界線(xiàn)，以便突出邊緣信息，增強脊和谷間的對比度，以利于二值化。設計時(shí)可采用拉普拉斯單一掩模算法來(lái)實(shí)現銳化。

　　二值化處理是指整幅圖像處理成僅黑(灰度值為0)和白(灰度值為1)的過(guò)程。二值化的方法很多，關(guān)鍵在于閾值T的選取。采用以邊緣強度為權值的灰度平均法可直接得到分割閾值，其具體實(shí)現步驟如下：

　　(1)將指紋圖像分為w×w子塊，然后根據圖像的邊沿強度算子公式分別計算每一子塊的邊緣強度；其圖像的邊緣強度算子可以定義為：

　　細化是將紋線(xiàn)粗細不均勻的指紋圖像轉化為線(xiàn)寬僅為1個(gè)像素的條紋中心線(xiàn)圖像的過(guò)程。細化可以減少冗余信息，突出紋線(xiàn)的主要特征，以便于后續處理。采用快速細化算法對二值化圖像進(jìn)行處理，可得到一幅指紋圖像的骨架。

　　特征提取與匹配主要是選擇脊線(xiàn)端點(diǎn)和分歧點(diǎn)作為特征點(diǎn)，來(lái)記錄每一特征點(diǎn)的類(lèi)別、位置和方向信息，從而得到特征點(diǎn)集(特征模板)?？刹捎?鄰域法來(lái)抽取二值化后的指紋圖像特征點(diǎn)，同時(shí)提取分叉點(diǎn)和端點(diǎn)，并去除偽特征點(diǎn)?？梢灾讣y最內層弧的頂點(diǎn)作為中心點(diǎn)，也就是紋線(xiàn)上曲率最大之處。若最內層弧頂點(diǎn)處有分叉線(xiàn)存在，且此分叉線(xiàn)走向與兩旁紋線(xiàn)走向一致，則定義分叉點(diǎn)為中心點(diǎn)，并進(jìn)一步確定各特征點(diǎn)相對于中心點(diǎn)的方向。本系統中就是用特征點(diǎn)的類(lèi)型、特征點(diǎn)與中心點(diǎn)的方向、特征點(diǎn)與中心點(diǎn)的紋線(xiàn)數這三個(gè)參量來(lái)表征一個(gè)特征點(diǎn)的特征信息。兩個(gè)指紋圖像的匹配實(shí)際就是兩幅圖像特征點(diǎn)信息(3個(gè)參量)的比對。若兩幅指紋有12個(gè)以上的特征點(diǎn)匹配即可基本判定兩幅指紋屬同一個(gè)指紋。

　　本文選用的是TI公司的DSP集成開(kāi)發(fā)工具CCS2.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，調試工具選用JTAG仿真器。指紋圖像的預處理和匹配程序先用軟件仿真，仿真環(huán)境為Simulator；應當說(shuō)明的是通常應當在算法正確的情況下，再進(jìn)行硬件仿真。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文給出了DSP+FPS200指紋傳感器的指紋識別系統設計方案，實(shí)驗證明，該系統能實(shí)現快速的指紋采集，并可利用USB接口方便地與計算機進(jìn)行通信。本系統既能脫機工作，又可以通過(guò)接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，因而可拓寬指紋識別系統的應用范圍。