基于FPGA的指紋識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

1.主要內(nèi)容

本模塊采用xilinx公司的Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片，通過富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器對(duì)指紋圖象進(jìn)行提取，然后對(duì)提取的指紋圖像進(jìn)行灰度濾波、圖像增強(qiáng)、二值化、二值去噪、細(xì)化等預(yù)處理，得到清晰的指紋圖象，再從清晰的指紋圖象中提取指紋特征點(diǎn)，存入外部FLASH作為建檔模板。指紋比對(duì)時(shí)，采用同樣的方法獲得清晰的指紋圖像，建立比對(duì)模板，然后將比對(duì)模板與建檔模板利用點(diǎn)模式匹配算法進(jìn)行比對(duì)，得出比對(duì)結(jié)果。該模塊利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理，利用硬件實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。該識(shí)別模塊可用于門禁、考勤、安檢、保險(xiǎn)箱柜等很多方面，也可和計(jì)算機(jī)等設(shè)備聯(lián)機(jī)使用，滿足各個(gè)方面的不同需求，因此它的設(shè)計(jì)具有很廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。

2.項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)的論述

2.1.項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1指紋圖像的采集

本模塊利用美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器對(duì)指紋圖像進(jìn)行提取和保存。這款指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，含有8位A/D變換器，能在2.8 V～5 V的寬電壓范圍內(nèi)工作，能自動(dòng)檢測(cè)到是否有指紋到達(dá)傳感器，并實(shí)現(xiàn)在線采集。它能在保證指紋圖像高分辨率（500dpi）的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸（13.3×3.6mm2）。然后XC3S500E利用其SPI端口通過讀寫MFS300內(nèi)部的寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制，以完成指紋采集的任務(wù)。

2.1.2指紋圖像的預(yù)處理

圖像預(yù)處理的主要步驟包括：方向圖計(jì)算、圖像增強(qiáng)、二值化、二值去噪、細(xì)化等。預(yù)處理的目的是改善輸入指紋圖像的質(zhì)量，以提高特征提取的準(zhǔn)確性。原始指紋圖像一般存在噪聲污染、脊線斷裂或脊線模糊等問題，需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)（使用濾波技術(shù)）以改善質(zhì)量。由于指紋特征僅包含在脊線的形狀結(jié)構(gòu)中，所以，通過二值化和細(xì)化把深淺不一、寬度不同的脊線變成灰度相同、單像素寬的細(xì)脊線，以便于特征提取。

2.1.3指紋圖像的特征提取與比對(duì)

系統(tǒng)通過細(xì)節(jié)特征提取算法對(duì)預(yù)處理后的指紋圖像進(jìn)行全局特征和細(xì)節(jié)特征的提取，將獲得指紋圖像特征參數(shù)存入外設(shè)FLASH中，建立指紋數(shù)據(jù)庫。在識(shí)別模式時(shí)，系統(tǒng)用同樣的方式提取指紋圖像特征參數(shù)，存入擴(kuò)展SRAM中，然后將外設(shè)FLASH和擴(kuò)展SRAM中的數(shù)據(jù)利用點(diǎn)模式匹配算法進(jìn)行比對(duì)，最終將比對(duì)結(jié)果輸出。

2.1.4系統(tǒng)整體需要考慮的問題

有效的指紋辨識(shí)系統(tǒng)不僅僅依賴于辨識(shí)算法，還需要考慮很多其他方面的問題，它包括注冊(cè)和辨識(shí)過程、排斥欺騙和安全考慮等。我們必須對(duì)這些問題提出應(yīng)對(duì)辦法，才能實(shí)現(xiàn)有效的辨識(shí)。

2.2系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

縱覽全球諸多指紋識(shí)別事件：出入關(guān)按指紋、開門按指紋、領(lǐng)社保按指紋、上班考勤按指紋、幼兒園接送孩子按指紋、銀行取款按指紋、超市購物按指紋付款、洗衣服按指紋進(jìn)行分工、打手機(jī)按指紋、上電腦按指紋等等新現(xiàn)象層出不窮，指紋識(shí)別已經(jīng)與人們的生活休戚相關(guān)。指紋化產(chǎn)品呈現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)開發(fā)前景和巨大的利潤空間。

由于此開發(fā)板具有VGA、RS232、鍵盤/鼠標(biāo)等接口，可以很方便的在很多產(chǎn)品得到應(yīng)用，使產(chǎn)品具有指紋識(shí)別的功能。例如，它可以與指紋保險(xiǎn)箱（柜）、指紋門鎖、IC卡系統(tǒng)、汽車啟動(dòng)系統(tǒng)連接使用，也可以統(tǒng)購RS232和計(jì)算機(jī)等設(shè)備聯(lián)機(jī)使用。同時(shí)，目前的指紋識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)大都采用DSP或者ARM來實(shí)現(xiàn)，這樣的嵌入式系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)小型化集成化，更無法SOC，使得指紋識(shí)別在小型化便攜式產(chǎn)品中的應(yīng)用得到局限，而本模塊以FPGA作為核心控制系統(tǒng)，由于FPGA具有高度集成、低功耗、短開發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)，所以如果本模塊設(shè)計(jì)成功，可以實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別模塊的小型化、集成化和SOC，使得指紋識(shí)別可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，為人們的生活帶來更多的便利和安全，同時(shí)也具有更廣闊的市場(chǎng)開發(fā)前景和更大的利潤空間。

3.技術(shù)成熟性和可靠性論述

本模塊采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片，這款芯片采用90ns的先進(jìn)工藝，最大容量50萬門，足以滿足設(shè)計(jì)的要求。美國富士通公司的MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，含有8位A/D變換器，能在2.8 V～5 V的寬電壓范圍內(nèi)工作，能自動(dòng)檢測(cè)到是否有指紋到達(dá)傳感器，并實(shí)現(xiàn)在線采集。它能在保證指紋圖像高分辨率（500dpi）的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸（13.3×3.6mm2）。系統(tǒng)利用XC3S500E的SPI端口和MPS300進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得傳輸更方便，傳輸速度更快、抗干擾能力更強(qiáng)。再加上該模塊利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理，利用硬件實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。而識(shí)別算法我們采用美國FBI推薦的特征點(diǎn)匹配算法來實(shí)現(xiàn)指紋的識(shí)別，更保證了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

4.項(xiàng)目實(shí)施方案

4.1.方案基本功能框圖及描述

用框圖的方式并加以簡(jiǎn)單的描述簡(jiǎn)述實(shí)施本項(xiàng)目的技術(shù)方案。


圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用xilinx公司Spartan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制芯片，通過MFS300滑動(dòng)式電容指紋傳感器進(jìn)行指紋圖象的采集，自動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過SPI端口傳送給FPGA核心控制單元，以進(jìn)行指紋登記或指紋對(duì)比。內(nèi)擴(kuò)展的SRAM和Flash分別用作存儲(chǔ)指紋程序運(yùn)行時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)和指紋數(shù)據(jù)信息。PROM在上電時(shí)對(duì)FPGA進(jìn)行程序配置。鍵盤用于實(shí)現(xiàn)模塊模式的切換和模塊密碼設(shè)置等功能。RS23接口可以與計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作，方便系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。該系統(tǒng)利用嵌入式軟核實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理，利用硬件實(shí)現(xiàn)識(shí)別算法，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識(shí)別的正確性。

4.2.需要的開發(fā)平臺(tái)

需要的硬件開發(fā)平臺(tái)是：初級(jí)板Spartan-3E

以partan 3E系列XC3S500E型FPGA作為核心控制系統(tǒng)，利用其SPI端口訪問MFS300傳感器的寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，在其內(nèi)部嵌入DSP軟核，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的預(yù)處理、特征參數(shù)的提取和匹配，利用其外設(shè)FLASH存儲(chǔ)指紋數(shù)據(jù)信息，建立指紋數(shù)據(jù)庫；通過LCD顯示模塊建立人機(jī)交互界面等。

需要的軟件開發(fā)平臺(tái)是：Xilinx ISE 9.1i、Matlab等；

利用Xilinx ISE 9.1i完成對(duì)FPGA的控制，利用Matlab實(shí)現(xiàn)濾波器的仿真，算法的研究，軟核的制作等。

4.3.方案實(shí)施過程中需要開發(fā)的模塊

需要具體開發(fā)的模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、原始圖像的預(yù)處理模塊、算法識(shí)別驗(yàn)證模塊（通過Matlab實(shí)現(xiàn)Dsp算法，作為軟核嵌入FPGA）、鍵盤操作模塊、LCD顯示模塊等。

4.4.系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

能準(zhǔn)確有效地完成指紋特征參數(shù)的提取和指紋的辨識(shí)驗(yàn)證。