嵌入式指紋檢索系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.嵌入式應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　為了使所設(shè)計(jì)的指紋檢索算法得到實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，根據(jù)嵌入式指紋檢索系統(tǒng)的要求，還需要設(shè)計(jì)嵌入式應(yīng)用平臺(tái)。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要分為硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境兩部分。

　　3.1嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的用于指紋檢索算法實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證的嵌入式硬件平臺(tái)以東南大學(xué)自主研發(fā)的高性能微處理器SEP6200為核心控制單元。SEP6200是一顆32位的高性能應(yīng)用處理器，主頻達(dá)到800Mhz，有著高效的運(yùn)算和控制能力，能夠較好的執(zhí)行指紋檢索程序。主控制器配合DDR、Nand Flash、LCD、USB指紋采集器等外圍設(shè)備，搭建成了完整的嵌入式指紋檢索硬件平臺(tái)，圖6是所設(shè)計(jì)的嵌入式指紋檢索系統(tǒng)的硬件框架結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)中主控制器SEP6200用于控制指紋采樣和進(jìn)行任務(wù)調(diào)度;DDR模塊用來臨時(shí)存儲(chǔ)指紋圖像數(shù)據(jù)和執(zhí)行軟件程序;Nand Flash用以存放算法軟件代碼和指紋數(shù)據(jù)庫;LCD顯示屏在執(zhí)行算法時(shí)用于提供良好的GUI用戶界面;USB指紋采集器則是用來采集原始指紋圖像，并將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口傳送至核心控制單元。

　　圖6嵌入式指紋檢索系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)圖

　　3.2嵌入式軟件系統(tǒng)配置

　　嵌入式軟件系統(tǒng)主要涉及到操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)配置兩個(gè)方面。

　　3.2.1.嵌入式Linux操作系統(tǒng)

　　本設(shè)計(jì)采用Linux2.6內(nèi)核操作系統(tǒng)作為嵌入式底層軟件基礎(chǔ)平臺(tái)。Linux操作系統(tǒng)作為一個(gè)開源軟件系統(tǒng)，有著良好的可配置、可裁剪特性，同時(shí)其開發(fā)周期短、成本低、安全性高，非常適用于嵌入式系統(tǒng)下指紋檢索應(yīng)用軟件的開發(fā)和測(cè)試。

　　3.2.2.驅(qū)動(dòng)程序配置

　　為了使操作系統(tǒng)能夠控制USB指紋采集器和LCD等外設(shè)工作，必須為Linux內(nèi)核配置相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。對(duì)于USB指紋采集器，本設(shè)計(jì)采用V4L2驅(qū)動(dòng)框架對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行控制管理，V4L2是Linux下開發(fā)視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)的一套新框架，該框架為驅(qū)動(dòng)程序定義了一系列對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，同時(shí)為應(yīng)用程序定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的API調(diào)用，便于用戶在應(yīng)用層通過URB獲得指紋圖像數(shù)據(jù)。此外，對(duì)于LCD液晶顯示屏也需要提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)支持，LCD通常由微處理器的LCDC(LCD Controller，LCD控制器)進(jìn)行控制。

　　4.系統(tǒng)測(cè)試與分析

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，筆者對(duì)系統(tǒng)的性能和效率等指標(biāo)做了相應(yīng)的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中采用了兩個(gè)指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，分別是國際標(biāo)準(zhǔn)指紋測(cè)試庫FVC2000-DB3和本系統(tǒng)采集自建的指紋數(shù)據(jù)庫庫OWN-DB.FVC2000-DB3包含800張指紋圖像，OWN-DB包了含500張指紋圖像，兩庫中的圖像都以8位灰度的BMP格式保存，圖7和圖8分別為兩個(gè)指紋數(shù)據(jù)庫的示例圖像。

　　圖7&8 FVC2000-DB3指紋圖 OWN-DB指紋圖

　　指紋檢索算法的性能采用檢索穿透率(Penetration Rate， PR)和檢索錯(cuò)誤率(Error Rate， ER)衡量。檢索穿透率(PR)定義為檢索得出的待匹配指紋數(shù)量占整個(gè)數(shù)據(jù)庫的比重，該比重可以由算法程序員自行設(shè)定;檢索錯(cuò)誤率(ER)則定義為在某一穿透率的限制下，在待匹配指紋中未檢測(cè)到目標(biāo)指紋的概率，即檢索失敗率。在實(shí)驗(yàn)中利用所述的兩個(gè)指紋數(shù)據(jù)庫對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，繪制出如圖9所示的曲線圖。

　　圖9指紋檢索系統(tǒng)的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖可知，在FVC2000-DB3數(shù)據(jù)庫上，當(dāng)檢索穿透率為10%時(shí)，系統(tǒng)檢索錯(cuò)誤率在6%左右。而在OWN-DB數(shù)據(jù)庫上，當(dāng)穿透率為10%時(shí)，系統(tǒng)錯(cuò)誤率則可降低至4.6%以內(nèi)，充分驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可靠性。此外作為嵌入式系統(tǒng)，軟件程序的執(zhí)行效率也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行1：800檢索時(shí)總耗時(shí)1.63秒;當(dāng)進(jìn)行1：500檢索時(shí)總耗時(shí)0.99秒?？傮w來看，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也達(dá)到了比較良好的指標(biāo)。

　　結(jié)語

　　指紋檢索算法是一種應(yīng)用于大容量指紋數(shù)據(jù)庫的快速指紋搜索方案。本文在對(duì)傳統(tǒng)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于多維向量指紋索引因子的快速指紋檢索算法，同時(shí)利用國產(chǎn)SOC芯片SEP6200，搭建了嵌入式應(yīng)用平臺(tái)，并最終將所設(shè)計(jì)的算法以應(yīng)用程序的形式在嵌入式目標(biāo)平臺(tái)上進(jìn)行映射與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，得到了良好的性能指標(biāo)，進(jìn)一步論證了本設(shè)計(jì)的可行性。