一種光學(xué)指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

0 引言

隨著電子信息技術(shù)應(yīng)用面日益拓展，不少場合需要對特定用戶群體進(jìn)行身份識別或身份記錄，如門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、安全認(rèn)證系統(tǒng)等，在各種系統(tǒng)中運(yùn)用的技術(shù)形式多樣，如視網(wǎng)膜識別、面相識別、指紋識別、RFID 射頻識別應(yīng)用等。其中，生物特征識別方式以其方便性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)得到了越來越多人的認(rèn)可和接受，特別是指紋識別技術(shù)方式，現(xiàn)已發(fā)展成為應(yīng)用最廣泛的生物識別技術(shù)之一。因此，研究基于嵌入式架構(gòu)的指紋識別系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用光學(xué)指紋傳感器(內(nèi)建格科微電子有限公司的光學(xué)GC0307 CMOS 圖像采集芯片)與ARM Cortex M3 內(nèi)核意法半導(dǎo)體公司的32 位高性能單片機(jī)STM32F205RE 組成功能主體，采用Sobel 邊緣檢測算子、Gabor 濾波、圖像二值化等圖像采集與處理算法對指紋圖像進(jìn)行識別，構(gòu)建了小體積的嵌入式指紋識別模塊，具有積木式嵌入、微功耗、程序接口簡單易用、便于二次開發(fā)、識別準(zhǔn)確度高、高性價比等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成了一體化光學(xué)指紋識別模塊。模塊設(shè)計(jì)采用光學(xué)暗背景成像原理，加入特有活體檢測芯片，在解決干手指效應(yīng)的同時解決殘留指紋誤識別、橡膠假指紋等問題。

圖1 所示為格科微電子有限公司的光學(xué)GC0307 CMOS 圖像采集芯片應(yīng)用電路原理圖。該款CMOS 圖像采集芯片是高精度、低功耗、微體積的高性能相機(jī)的內(nèi)置式組件，它把實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)VGA 影像的CMOS 影像傳感器與高度集成的影像處理器、嵌入式電源和高質(zhì)量的透鏡組結(jié)合在一起，輸出JPEG 圖像或圖像視頻流，支持8/10 位數(shù)字傳輸JPEG 圖像和YCbCr 接口，提供了完整的影像解決方案。

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CMOS 圖像采集芯功能輸出串行數(shù)據(jù)引腳、時鐘信號引腳、復(fù)位引腳、串行總線引腳等都接入到STM32F205RE的GPIO 口， 通過GPIO 口模擬時序讀取CMOS 芯片采集到的圖像信息。由于STM32F205RE 的GPIO 口工作頻率可達(dá)120 MHz,因而可以非常準(zhǔn)確高效地模擬時序，實(shí)測640×480 的原始圖像能以10 幀/s 的速度采集到主處理器STM32F205RE 中進(jìn)行圖像處理。

3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的指紋圖像采集過程如圖2 所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分則針對畸變糾正采用了四點(diǎn)轉(zhuǎn)正算法。

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通過公式(1)和公式(2)可以得到從(x,y) 到(u,v) 的變換，其中，A ~ H 由光路決定，可以由具體測定數(shù)據(jù)最終確定，通過實(shí)測可以獲得原始數(shù)據(jù)。圖3 所示展示了原始圖像和畸變糾正前后圖像的效果差異。通過變換可見，畸變糾正后的圖像通過變換可達(dá)500 DPI分辨率，為后續(xù)獲得高質(zhì)量圖像處理數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)條件。

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然后送入算法處理。由于嵌入式系統(tǒng)的圖像處理算法必須運(yùn)算量小、占用RAM 存儲器空間小，才能在運(yùn)算性能有限的單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行，故而本系統(tǒng)通過小塊方向替代點(diǎn)方向，減小RAM占用。

在圖像增強(qiáng)方面，可以將圖像以L 為長寬劃分為小塊，再按如下公式求取每一塊的均方差 :

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根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測定和分析，當(dāng)Aver>36 時，可認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)有圖像，否則認(rèn)為是背景。利用均方差區(qū)分出了前后景，還可以據(jù)此判斷圖像的對比度。根據(jù)對比度的差異分別來增強(qiáng)圖像，可以使得不同曝光亮度的圖像得到一致增強(qiáng)。對原始圖像進(jìn)行了算法處理，提取處理前后效果進(jìn)行比對，具體效果如圖4 所示。

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