基于FPS200傳感器和DSP的指紋識別系統(tǒng)

　　0 引言

　　指紋以其唯一性、穩(wěn)定性及非遺失性而成為個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)展使指紋自動識別技術(shù)更加成熟。指紋識別技術(shù)主要是通過分析指紋的局部特征，從中抽取詳盡的特征點，從而可靠地確認個人身份。目前的多數(shù)指紋識別系統(tǒng)是將指紋圖像采集到計算機中，然后利用計算機進行識別。但該方法不但占用了主機系統(tǒng)的資源，同時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(tǒng)不但可脫機工作，也可通過接口進行二次開發(fā)，并可快捷地整合到其它系統(tǒng)中。該系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320VC5416(以下簡稱：C5416)作為核心處理器，同時選擇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(tǒng)的組成

　　指紋識別是用取像設(shè)備讀取指紋圖像，并通過識別軟件提取指紋圖像中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得到的結(jié)果來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、特征匹配等過程。識別時，可由計算機對預存的模板與當前獲得的特征數(shù)據(jù)進行比較，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(jié)果。指紋自動識別系統(tǒng)(AFIS)的簡單流程如圖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(nèi)部有8位ADC，并具有兩組采樣保持電路。FPS200的結(jié)構(gòu)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都是一個金屬電極，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。紋采集按行實現(xiàn)，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。兩組電壓值通過內(nèi)置的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，便可以獲得具有灰度等級的指紋圖像。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本指紋識別系統(tǒng)中的特征匹配和數(shù)據(jù)庫模塊可在主機上通過軟件實現(xiàn)，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(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　該指紋自動識別系統(tǒng)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(tǒng)中的接口和邏輯控制器件，控制著整個系統(tǒng)的邏輯，同時負責協(xié)調(diào)取指器、DSP和USB三部分之間的工作；FPS200指紋傳感器負責現(xiàn)場采集用戶的指紋，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(shù)據(jù)已準備好。進行數(shù)據(jù)處理時，由DSP將SRAM中的數(shù)據(jù)分塊取到其內(nèi)部的128 KB RAM中，以進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行匹配，最后顯示匹配結(jié)果。

　　2.1 系統(tǒng)存儲空間的分配

　　指紋圖像的數(shù)據(jù)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。本系統(tǒng)對存儲資源進行了合理的分配管理。系統(tǒng)外部存儲器包括256 KB的FLASH和256 KB的SRAM。程序代碼放在FLASH中；算法運行過程中的臨時指紋圖像數(shù)據(jù)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根地址線可以用來對程序空間進行尋址，并可直接對8 MB空間進行尋址，本系統(tǒng)只需512 KB的尋址空間，所以只需使用其中19根地址線。設(shè)計時可利用高位地址A19來區(qū)分FLASH和SRAM，可將DSP地址線中低15位直接與FLASH中的A0～A14相連，地址高3位通過CPLD來控制尋址。為了對存儲器進行統(tǒng)一的邏輯控制，本系統(tǒng)由CPLD并完成片選、中斷、復位、讀寫使能等功能

　　2.2 CPLD電路的設(shè)計

　　CPLD作為接口和邏輯控制器件，其內(nèi)部集成有地址發(fā)生器和與DSP的握手控制電路，可用于完成整個系統(tǒng)的片選、中斷、通用I／O的配置等功能，同時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(shù)據(jù)已準備好。本設(shè)計中的CPLD選用美國Altera公司的MAX3000系列EPM3128ATC100-10。

　　2.3 鍵盤與LCD電路的設(shè)計

　　LCD模塊采用FM12864I作為指紋圖形和處理結(jié)果顯示的用戶界面。FM12864I是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器／列驅(qū)動器及128×64全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示8×4個(16×16點陣)漢字。本設(shè)計為了便于調(diào)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(diào)整時序。鍵盤上有12個按鍵，可用10 kΩ電阻拉高組成3×4鍵盤，輸出的邏輯電平與CPLD的I／O相連，并通過VHDL程序來控制鍵值的讀入。

　　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(nèi)核、I2C總線接口以及通用可編程接口GPIF于一體，該電路既能完成USB事務處理，又具備微處理器的控制功能，還可用作USB外設(shè)的主控制芯片，其最高傳輸速率可達480 Mbps。

　　3 軟件設(shè)計

　　指紋圖像預處理是指紋自動識別過程中的第一步，它的好壞直接影響著指紋自動識別系統(tǒng)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(nèi)，指紋圖中的紋線具有方向性一致、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對指紋圖像進行處理。

　　銳化就是指示強化指紋紋線間的界線，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(shè)計時可采用拉普拉斯單一掩模算法來實現(xiàn)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(quán)值的灰度平均法可直接得到分割閾值，其具體實現(xiàn)步驟如下：

　　(1)將指紋圖像分為w×w子塊，然后根據(jù)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：

　　細化是將紋線粗細不均勻的指紋圖像轉(zhuǎn)化為線寬僅為1個像素的條紋中心線圖像的過程。細化可以減少冗余信息，突出紋線的主要特征，以便于后續(xù)處理。采用快速細化算法對二值化圖像進行處理，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端點和分歧點作為特征點，來記錄每一特征點的類別、位置和方向信息，從而得到特征點集(特征模板)。可采用8鄰域法來抽取二值化后的指紋圖像特征點，同時提取分叉點和端點，并去除偽特征點?？梢灾讣y最內(nèi)層弧的頂點作為中心點，也就是紋線上曲率最大之處。若最內(nèi)層弧頂點處有分叉線存在，且此分叉線走向與兩旁紋線走向一致，則定義分叉點為中心點，并進一步確定各特征點相對于中心點的方向。本系統(tǒng)中就是用特征點的類型、特征點與中心點的方向、特征點與中心點的紋線數(shù)這三個參量來表征一個特征點的特征信息。兩個指紋圖像的匹配實際就是兩幅圖像特征點信息(3個參量)的比對。若兩幅指紋有12個以上的特征點匹配即可基本判定兩幅指紋屬同一個指紋。

　　本文選用的是TI公司的DSP集成開發(fā)工具CCS2.0集成開發(fā)環(huán)境，調(diào)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；應當說明的是通常應當在算法正確的情況下，再進行硬件仿真。

　　4 結(jié)束語

　　本文給出了DSP+FPS200指紋傳感器的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計方案，實驗證明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)快速的指紋采集，并可利用USB接口方便地與計算機進行通信。本系統(tǒng)既能脫機工作，又可以通過接口進行二次開發(fā)，因而可拓寬指紋識別系統(tǒng)的應用范圍。