一種基于SOPC技術(shù)的指紋識別系統設計方案

　　0 引言

　　人的指紋具備的唯一性、終身不變性、易獲取和難以復制等特點(diǎn)，使得指紋識別很早就成為身份識別中的一種技術(shù)手段。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，指紋識別已經(jīng)成為目前最為實(shí)用、應用最為廣泛的生物識別技術(shù)，尤其在民用生物識別技術(shù)中。指紋識別技術(shù)已經(jīng)在金融、醫療、公安、門(mén)禁系統等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

　　傳統的指紋識別系統都是基于PC機的，這種系統具有識別速度快、樣本存儲量大、軟件設計技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但是，基于PC機的指紋識別系統由于價(jià)格昂貴、移動(dòng)性能差、功耗高等缺點(diǎn)限制了其應用的進(jìn)一步擴大。自二十世紀末以來(lái)，半導體技術(shù)和嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，為人們設計廉價(jià)的便攜式指紋識別系統提供了一個(gè)技術(shù)上的實(shí)現平臺。 本文介紹了一種基于ALTERA公司推出的SOPC(System on a Programmable Chip，片上可編程系統)技術(shù)的指紋識別系統的設計方案。該系統以ALTERA公司的Cyclone II系列FPGA和NIOSII軟核處理器為核心，并采用富士通公司的MBF200指紋采集芯片設計，是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的嵌入式指紋識別系統。

　　1 指紋識別系統原理

　　指紋識別系統一般由指紋圖像采集、指紋圖像預處理、指紋特征提取、指紋特征匹配、特征數據庫等幾部分組成。指紋識別系統的原理框圖如圖1所示。該系統首先由指紋采集設備采集到指紋圖像并將其轉化為數字圖像;然后對指紋數字圖像進(jìn)行預處理，再通過(guò)圖像增強、分割、平滑、細化等處理過(guò)程得到便于指紋特征提取的數字圖像：接著(zhù)提取細化后的圖像細節特征點(diǎn);最后將提取到的特征與特征數據庫中的特征數據進(jìn)行匹配，并輸出識別結果。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 SOPC技術(shù)與NIOS II軟核處理器

　　SOPC (System on a Programmable Chip，片上可編程系統)是ALTERA公司提出來(lái)的一種靈活、高效的SOC解決平臺。它將處理器、存儲器、I/O口、LVDS、CDR等系統設計所需要的功能模塊集成到一個(gè)PLD器件上，從而構建成一個(gè)可編程的片上系統?；赟OPC技術(shù)的系統設計十分靈活，用戶(hù)可以根據自己的實(shí)際要求，并利用 IPCore資源組合構建出不同的應用系統，從而實(shí)現軟硬件協(xié)同設計。

　　NIOS II軟核處理器是ALTERA公司于2004年推出的通用32位RISC CPU，它能滿(mǎn)足任何應用32位嵌入式微處理器的需要.用戶(hù)可以獲得超過(guò)200 DMIPS的性能。NIOS II軟核處理器具有32位處理器的基本結構單元(32位指令大小，32位數據和地址路徑，32位通用寄存器和32個(gè)外部中斷源)，設計者可以根據系統需求的變化來(lái)調整嵌入式系統的特性，以選擇滿(mǎn)足性能和成本的最佳方案。Nios II系列可支持用戶(hù)自定義指令，而NIOS II ALU則直接與用戶(hù)自定義的指令邏輯相連。由于設計者能為系統中使用的每個(gè)Nios II處理器創(chuàng )建多達256個(gè)專(zhuān)用指令，因此，設計者能夠調整系統硬件以增強對實(shí)時(shí)軟件算法的處理能力。ALTERA公司同時(shí)還推出了Nios II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)和一些常用的免費IP核，以方便設計者的軟件開(kāi)發(fā)。另外，設計者使用Altera公司Quartus II開(kāi)發(fā)軟件中的SOPC Builder系統開(kāi)發(fā)工具還能夠很容易地創(chuàng )建專(zhuān)用的處理器系統，并能夠根據系統的需求添加Nios II處理器核的數量。

　　2.2 系統硬件結構

　　一般的指紋識別系統主要由指紋采集模塊、系統核心模塊、數據存儲模塊和輸出顯示模塊等幾部分組成。其系統硬件結構框圖如圖2所示。

　　本系統中的采集模塊采用富士通公司的MBF200指紋傳感器芯片，該芯片的分辯率高達500dpi(dots per inch)，并帶有8bit數據接口，可以采集300×256大小的指紋數字圖像。MBF200芯片提供有三種接口(SPI、USB和MCU)方式，本系統中采用MCU方式，其內置的標準8位微處理器總線(xiàn)使其性能大大加強。MBF200的工作流程分為兩部分：首先是初始化參數的設置，即使MBF200設置相應的參數，然后選擇其工作方式;其次是采用查詢(xún)等待方式采集指紋數據。

　　由于系統每次采集的指紋圖像數據量達幾十KB，故在系統核心模塊中集成了一個(gè)硬邏輯協(xié)處理器。這個(gè)協(xié)處理器負責查詢(xún)指紋芯片的狀態(tài)和指紋圖像數據采集存儲任務(wù)。該協(xié)處理器是用硬件描述語(yǔ)言設計的一個(gè)有限狀態(tài)機，其狀態(tài)機模型如圖3所示。系統復位后，協(xié)處理器將進(jìn)入空閑狀態(tài)并等待主處理器的復位信號;當正確接收到主處理器的復位信號后，協(xié)處理器進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài);查詢(xún)狀態(tài)主要查詢(xún)指紋芯片的中斷狀態(tài)位，當查詢(xún)到有效中斷狀態(tài)位后，系統將進(jìn)人數據采集存儲狀態(tài);在數據采集存儲狀態(tài)，協(xié)處理器從指紋芯片讀出數據并保存在系統的存儲區SRAM中，讀完整個(gè)指紋圖像后即向NIOS II處理器發(fā)出中斷信號并重新進(jìn)入空閑狀態(tài)，以等待主處理器復位。

　　本系統的核心模塊是在A(yíng)LTERA公司的Cy-clone II 2C35上實(shí)現的，相應的軟件開(kāi)發(fā)套件包括Quartus II 5.0和NIOS II 5.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)。Cyclone II系列FPGA是ALTERA公司最新推出的低成本、高性?xún)r(jià)比的通剛FPGA，CycloneII 2C35具有32,216個(gè)LE單元、105個(gè)M4K RAM塊、35個(gè)嵌入式乘法器，完全可以滿(mǎn)足系統的性能要求。通過(guò)QuartusII中的軟件工具SOPC Builder可實(shí)現NIOS II處理器的創(chuàng )建和各種IP模塊的管理和配置，以構建系統的核心模塊。圖2中，根據系統的實(shí)際要求由SOPC Builder配置的處理器核心包括NIOS II處理器、指紋卡PIO、協(xié)處理器PIO、Avalon Tri-Atate Bridge、UART模塊和LCD PIO等模塊。配置好這些模塊后，便可進(jìn)行系統生成。SOPC Builder在系統生成過(guò)程中可生成HDL源文件和BDF文件。SOPC Builder為定制的NIOS II核心模塊創(chuàng )建的一個(gè)符號(Symbol)就存放在BDF文件中，用戶(hù)可以在Quartus軟件中使用該符號。本系統核心模塊是使用Quartus的符號表文件編譯生成的。

　　數據存儲模塊包括512 KB的SRAM和4 MB的FLASH。SRAM用來(lái)存放采集到的指紋圖象數據和程序運行時(shí)的臨時(shí)數據。4 MB的FLASH則用于存放系統應用程序和特征數據庫。系統的識別結果可以通過(guò)LCD輸出。

　　3 系統軟件的設計

　　系統軟件可利用C語(yǔ)言在NIOS II集成開(kāi)發(fā)境下開(kāi)發(fā)。Nios II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)是Nios II軟核處理器的主要開(kāi)發(fā)工具，包括編輯、編譯和程序調試。Nios II IDE為軟件開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)集成的設計開(kāi)發(fā)環(huán)境。它有一個(gè)包括工程管理、源代碼開(kāi)發(fā)和基于JTAG調試功能的圖形界面(GUI)，故可大大簡(jiǎn)化復雜的 Nios II處理器設計。

　　指紋識別算法流程主要包括背景分割、方向圖計算及方向濾波、二值化、細化、特征提取和特征匹配等。采集的指紋圖像容易受到各種因素的影響而使圖像質(zhì)量變差，比如手指按壓的方向和力度、皮膚的干濕程度、傳感器的特征差異等。因此，指紋識別算法首先要對指紋圖象進(jìn)行處理，以把有用的前景信息和背景區分開(kāi)。本系統算法采用方差法進(jìn)行圖像分割。然后采用基于塊方向圖計算的方向濾波。接著(zhù)利用動(dòng)態(tài)閥值法進(jìn)行二值化處理，以把指紋灰度圖像轉化為僅用0、1表示的二值圖像。對二值化后的二值圖像進(jìn)行細化可得到骨架圖象。接下來(lái)的特征提取階段是用模板匹配的方法獲取細節特征點(diǎn)(端點(diǎn)、分叉點(diǎn))的位置、方向和類(lèi)型信息。最后和特征匹配則采用基于細節特征點(diǎn)匹配的算法。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文給出了一種基于SOPC的指紋識別系統的設計方案。使用SOPC技術(shù)進(jìn)行系統設計具有開(kāi)發(fā)周期短、設計靈活、可把若干外部模塊綜合設計到一片高密度FPGA中等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)設計更小巧、成本更低、更便于系統升級。雖然目前SOPC技術(shù)還處于推廣階段，但國內外已經(jīng)有很多高校和公司進(jìn)行了實(shí)際應用方面的研究。因此，我們有理由相信，SOPC技術(shù)在不久的將來(lái)一定會(huì )有更廣闊的應用空間!