基于DSP56311和MCS-51的嵌入式指紋自動(dòng)識別系統

摘    要： 本文在指紋自動(dòng)識別技術(shù)的基礎上對指紋處理算法做了較大改進(jìn)，并給出了用Motorola DSP56311和MCS-51構建主從式指紋自動(dòng)識別系統的設計方案。
關(guān)鍵詞： 指紋自動(dòng)識別系統；特征碼；MCS-51；DSP56311

引言
目前生物識別技術(shù)發(fā)展迅速，特別是被譽(yù)為三大生物識別技術(shù)之一的指紋識別技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，將指紋自動(dòng)識別技術(shù)應用到各種需要身份驗證的系統或者嵌入到現有的大量安保系統，將會(huì )大大提高系統的安全性。本文對目前的指紋自動(dòng)識別算法做了大量的研究和改進(jìn)，不僅使得指紋識別的誤識率和拒識率降到很低(大約0.005%)，而且大大提高了指紋特征匹配速度。本文論述了使用Motorola DSP56311和MCS-51設計主從式結構的嵌入式指紋自動(dòng)識別系統的技術(shù)原理和方案要點(diǎn)。
系統框圖
嵌入式指紋自動(dòng)識別系統有兩種運行模式：主控模式和從控模式。在主控模式下，系統獨立運行，用戶(hù)指紋識別算法采用1：N的匹配方式，指紋數據和操作記錄數據都存放在Flash中。MCS-51中實(shí)現了一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式數據庫管理系統，提供添加、刪除、修改用戶(hù)指紋、查詢(xún)、導入導出操作記錄以及清空數據庫等操作。在從控模式下，該系統可作為其他系統的外設，系統不使用本地指紋庫，指紋自動(dòng)識別算法采用1：1的匹配方式，參考指紋數據來(lái)源于外部系統。其硬件組成框圖如圖1所示。
設計該系統有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是DSP56311與MCS-51單片機通信接口的軟硬件設計，這部分必須保證系統在做指紋特征碼搜索匹配時(shí)，能高效快速地交換數據；二是DSP56311中的指紋自動(dòng)識別算法的選取和軟件實(shí)現，直接影響系統的匹配速度和匹配效果。

DSP56311與MCS-51接口的HI08模塊配置
HI08(host interface)接口分為兩個(gè)部分：與主處理器接口部分和與DSP接口部分。與DSP內核的接口部分的8個(gè)寄存器被直接映射到內部的X數據存儲器中，可以使用軟件查詢(xún)，中斷驅動(dòng)或者DMA方式與DSP內核握手通信；與主處理器接口的寄存器則被映射到外部的主機總線(xiàn)地址空間的8個(gè)連續位置上，充當主處理器的一個(gè)I/O映射外設。
HI08接口模塊的工作模式、端口屬性，以及與DSP內核和MCS-51之間的數據傳輸方式等的配置信息，是在引導程序中，根據HPCR寄存器的設置實(shí)現，HPCR定義如表1所示。其中，高字節主要設置HI08接口信號極性和外接總線(xiàn)類(lèi)型，低字節則主要設置與端口信號有關(guān)的使能標志。
系統的數據傳輸采用中斷方式， 故首先要分別將HI08與DSP內核和MCS-51兩邊的中斷允許標志位HCR[HTIE]、HCR[HRIE]和ICR[TREQ]、ICR[RREQ]置1。本系統中，MCS-51向DSP56311發(fā)送各種命令或者指紋匹配所需要的特征模板數據；DSP56311則向MCS-51單片機返回各種命令的處理結果或者指紋特征碼數據。
從MCS-51向DSP56311發(fā)送數據的過(guò)程是：首先開(kāi)中斷，設置ICR[TREQ]= 1,HCR[HRIE]=1；然后將數據寫(xiě)入HI08接口的寄存器TXH:TXM:TXL中，且ISR[TXDE]自動(dòng)清零；當HSR[HRDF]=0時(shí)，寄存器TXH:TXM:TXL中的數據將被傳送到數據接收寄存器HRX中，并自動(dòng)將ISR[TXDE]和HSR[HRDF]置1；ISR[TXDE]和HSR[HRDF]都為1將會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)中斷信號，即DSP接收數據的中斷請求信號和單片機繼續傳送數據的中斷信號(對應HRRQ引腳信號)。
同理，DSP56311向MCS-51發(fā)送數據的過(guò)程是：內核首先開(kāi)中斷，HCR[HTIE]= 1,ICR[RREQ]=1;然后將數據寫(xiě)入HTX寄存器，并自動(dòng)將HSR[HTDE]清零；當ISR[RXDF]=0時(shí)，HRX中的數據將自動(dòng)被寫(xiě)入RXH:RXM:RXL中，并自動(dòng)將HSR[HTDE]位和ISR[RXDF]位都置1；HSR[HTDE]和ISR[RXDF]都為1將會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)中斷信號，即內核傳送數據的中斷信號和MCS-51接收數據的中斷信號(對應HTRQ引腳信號)；單片機檢測到該中斷信號將會(huì )從HI08接口的寄存器RXH:RXM: RXL中讀取數據，數據讀出后將自動(dòng)的將ISR[RXDF]清零。
DSP56311通過(guò)HI08接口與MCS-51的連線(xiàn)示意圖如圖2所示。
 
算法選取和改進(jìn)
在兩種工作模式下，系統采用的指紋自動(dòng)識別算法側重點(diǎn)有所不同。主控方式下，指紋庫容量小，往往要求快速準確的匹配，算法的側重點(diǎn)主要是計算指紋圖像的細節特征點(diǎn)數據；而從控方式下，指紋庫容量通常很大，這時(shí)用于指紋分類(lèi)檢索的全局特征數據的計算非常重要。兩種工作模式下的指紋處理算法的流程基本相同，如圖3所示。
指紋圖像增強算法利用Gabor濾波器具有最佳時(shí)域和頻域連接分辨率的特點(diǎn)及其良好的帶通性，能夠處理質(zhì)量很差的指紋圖像，使系統的拒識率很低。二值化處理算法采用了基于方向圖的動(dòng)態(tài)閥值二值化算法，能夠有效減少偽特征點(diǎn)的產(chǎn)生和真實(shí)特征點(diǎn)的退化和丟失。
指紋圖像的細化算法則采用了經(jīng)典的Hildtch圖像細化算法，該算法滿(mǎn)足收斂性、連接性、拓撲性、保持性、細化性、中軸性、快速性等要求。特征碼提取算法有兩種：全局特征點(diǎn)的提取算法和細節特征點(diǎn)提取算法。全局特征點(diǎn)是指指紋圖像的奇異點(diǎn),也即中心點(diǎn)和三角點(diǎn)；細節特征點(diǎn)提取算法為了減少計算量，僅僅提取脊線(xiàn)末梢(端點(diǎn))與脊線(xiàn)分支點(diǎn)這兩種關(guān)鍵點(diǎn)。通常在嵌入式應用場(chǎng)合利用這兩種特征點(diǎn)可以很好地識別指紋。指紋特征碼的匹配就是要計算這兩種特征點(diǎn)的匹配程度。全局特征點(diǎn)的計算方法采用了一種改進(jìn)的利用Poincare Index值求取算法，具有較好的抗干擾性；細節點(diǎn)的計算采用了基于脊線(xiàn)跟蹤的指紋圖細節提取算法。指紋特征碼匹配則是在D.K.Isenor等人提出的一種用圖匹配來(lái)對兩幅指紋圖像進(jìn)行匹配的方法和Andrew K.Hrechak等人用結構匹配來(lái)做指紋識別的算法基礎上，提出了一種基于動(dòng)態(tài)全局特征的結構匹配算法，該算法已經(jīng)在Matlab中驗證通過(guò)，匹配效果非常好。
該匹配算法思想是綜合利用全局特征點(diǎn)和細節特征點(diǎn)，利用某種準則，將指紋特征點(diǎn)分布圖劃分為互相獨立的若干個(gè)三角形(圖元)。每個(gè)三角頂點(diǎn)為端點(diǎn)或者分支點(diǎn)，分別求取端點(diǎn)處的切線(xiàn)方向(指紋線(xiàn)延伸方向)和分支點(diǎn)的三個(gè)分支方向，由這些方向相對值可以確定該圖元的形狀，再求取圖元(三角形)中心相對于奇異點(diǎn)的距離和方向。利用這些數據構造匹配變量：
Vi={圖元基本信息，圖元位置信息}; i=0,1,2,3……
其中圖元基本信息A={端點(diǎn)1類(lèi)型，以端點(diǎn)1為頂點(diǎn)的夾角，端點(diǎn)2類(lèi)型，以端點(diǎn)2為頂點(diǎn)的夾角，端點(diǎn)3類(lèi)型，以端點(diǎn)3為頂點(diǎn)的夾角};圖元位置信息B={圖元中心點(diǎn)到奇異點(diǎn)的距離，圖元中心點(diǎn)相對于奇異點(diǎn)的方向}。注意：圖元基本信息中，端點(diǎn)的先后次序和它們與中心點(diǎn)的遠近相對應，即最近的端點(diǎn)放在最前面，最遠的端點(diǎn)放在最后面。
從匹配變量可以看出，圖元基本信息只與圖元本身形狀有關(guān)，而與位置和圖元大小無(wú)關(guān)；圖元位置信息則與圖元位置相關(guān)而與圖元形狀無(wú)關(guān)。這樣做的理由是：在指紋圖像面積有限情況下，兩個(gè)相似但不相同的圖元(極端情況下形狀完全相同，但大小不同)，其相鄰的圖元形狀將會(huì )有很大的差別，這樣在其他的圖元匹配時(shí)這個(gè)圖元將會(huì )被剔除。
這種圖元結構匹配算法至少可以在三個(gè)方面提高和改善匹配的效果。首先，各特征點(diǎn)的匹配轉化為圖元的匹配，計算量將大大的縮減。其次，能明顯的降低指紋匹配的拒識率和誤識率。再次，只要奇異點(diǎn)(只與指紋特征有關(guān))計算比較準確，則對指紋圖像的畸變、平移和旋轉具有很好的魯棒性。

結語(yǔ)
嵌入式指紋自動(dòng)識別系統采用了目前較先進(jìn)的指紋自動(dòng)識別算法，并在自動(dòng)匹配技術(shù)上做了一些重大的改進(jìn)，特別是使用基于圖元匹配的思想，使指紋識別的拒識率和誤識率很低，匹配速度非?？?，特別適合大容量指紋庫的應用。系統設計完成后經(jīng)實(shí)際的應用測試，該系統的指紋自動(dòng)識別既快又準，完全可以實(shí)用?！?/P>

參考文獻
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