基于DSP的指紋采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李翠敏 孫文匯

（青島工學(xué)院，山東 青島266300）

0 前言

指紋識(shí)別也是模式識(shí)別領(lǐng)域中使用最早的，也是最為成熟的生物鑒定技術(shù)，而隨著科技的進(jìn)步和人們文化素質(zhì)的提高，指紋認(rèn)證系統(tǒng)己廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。隨著電子商務(wù)的發(fā)展和消費(fèi)類電子的普及，開(kāi)發(fā)高性能且實(shí)用的指紋識(shí)別系統(tǒng)也就具有了很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

指紋采集以及數(shù)據(jù)傳輸作為一個(gè)識(shí)別管理系統(tǒng)的的重要環(huán)節(jié)，也得到了人們的重視。 尤其是隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)以其易于理解、實(shí)現(xiàn)、管理和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，成為了搭建數(shù)據(jù)交互的重要平臺(tái)。筆者就是以校園的綜合管理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一款高效、低功耗且能應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹讣y采集處理系統(tǒng)。

1 指紋圖像的處理過(guò)程

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，指紋采集器所采集的指紋圖像是一幅含有較多噪聲的灰度圖像， 較強(qiáng)的噪聲勢(shì)必降低處理結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。從而影響系統(tǒng)的應(yīng)用，而預(yù)處理的目的，就是改善輸入指紋圖像的質(zhì)量，增強(qiáng)脊和谷的對(duì)比度，將它變成一幅清晰的點(diǎn)線圖，以便于進(jìn)行特征提取。 在本系統(tǒng)中主要原理過(guò)程：

指紋圖像的分割：指紋圖像分割通常位于預(yù)處理的前端，其目的是把指紋圖像中質(zhì)量很差、在后續(xù)處理中很難恢復(fù)的圖像區(qū)域與有效區(qū)域分開(kāi)來(lái)，使后續(xù)處理能夠集中于有效區(qū)域。 分割處理不僅能提高特征提取的精確度，而且還能大大減小指紋預(yù)處理的時(shí)間，因此是指紋圖像處理中的重要組成部分。 它不僅要求盡可能地去除無(wú)效區(qū)域，還要盡可能完整地保留有效區(qū)域，這就需要有較精確的分割算法。

指紋圖像的增強(qiáng)：指紋圖像的濾波增強(qiáng)是一個(gè)關(guān)鍵部分。 在整個(gè)指紋算法處理的過(guò)程中，指紋圖像增強(qiáng)約占65%的時(shí)間，因此圖像增強(qiáng)效果將直接影響指紋特征提取分類及后續(xù)的識(shí)別率。同時(shí)指紋圖像的增強(qiáng)算法也將直接影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

指紋圖像的二值化及去噪：對(duì)指紋圖像進(jìn)行二值化處理以及去噪的目的是把灰度圖像分成0、1 兩個(gè)灰度級(jí)的圖像，也就是前景點(diǎn)(指紋脊線)取1，背景點(diǎn)取0，從而將指紋脊線提取，因此對(duì)指紋圖像進(jìn)行二值化處理：一要進(jìn)行壓縮，即要留紋線的重要信息，又要節(jié)約存儲(chǔ)空間，便于后續(xù)存儲(chǔ)和處理；二要去除大量的粘連，以備指紋特征的提取和匹配。

細(xì)化：細(xì)化就是要?jiǎng)h除指紋紋線的邊緣像素，使之變成只有一個(gè)象素寬度，在細(xì)化過(guò)程要保證紋線的連接性、方向性、特征點(diǎn)不變，同時(shí)要保持紋線的中心基本不變，因此細(xì)化的好壞直接影響指紋識(shí)別的識(shí)別率。

指紋特征提?。褐讣y特征提取階段，提取指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)如：端點(diǎn)，分叉點(diǎn)，孤立點(diǎn)，及其特征點(diǎn)的X 坐標(biāo)與Y 坐標(biāo)，存放于三維數(shù)組D的數(shù)據(jù)集中。 完成特征提取后，將提取的指紋特征數(shù)據(jù)與模版進(jìn)行一對(duì)一的匹配，從而輸出結(jié)果，它是我們驗(yàn)證系統(tǒng)的核心。

2 指紋采集處理系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

指紋采集處理技術(shù)是指紋識(shí)別中的關(guān)鍵術(shù)之一，同時(shí)也是本文的一個(gè)重點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)主要采用了目前相對(duì)成熟的FPGA、DSP、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和指紋識(shí)別技術(shù)， 系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)校所有人員的信息采集、處理和信息查詢以及數(shù)據(jù)傳送，是實(shí)現(xiàn)校園綜合的智能化管理的重要一步。 （見(jiàn)圖1）

2.1 DSP 在系統(tǒng)中的應(yīng)用

系統(tǒng)通過(guò)指紋傳感器獲得指紋圖像以及數(shù)字化的輸出，然后將圖像數(shù)據(jù)傳送給中央處理器芯片DSP，DSP 對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理：分割、濾波增強(qiáng)、二值化及去噪、細(xì)化、特征提取等，同事將處理的數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)USB 或者網(wǎng)絡(luò)接口輸出傳送的上位機(jī)或者服務(wù)器。

圖1

DSP 作為一種特殊的嵌入式微處理器系統(tǒng)，具有嵌入的協(xié)處理器和用于快速數(shù)據(jù)處理的并行數(shù)據(jù)通道。本文中采用T I 公司C5000 系列低功耗高性能的定點(diǎn)芯片TMS320VC5416， 它有128K*16bit 片內(nèi)RAM，速度160MIPS，有3 個(gè)多通道緩沖串行口，主要應(yīng)用與通信服務(wù)器。 ，在嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中引入DSP 技術(shù)，通過(guò)DSP 來(lái)完成指紋圖像的采集和指紋數(shù)據(jù)處理的算法的同時(shí)完成數(shù)據(jù)的傳送， 在本系統(tǒng)中DSP 主要起到：對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行上電自檢配置的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；對(duì)指紋圖像進(jìn)行數(shù)字化處理；按照相關(guān)規(guī)范，提供設(shè)備的識(shí)別（包括USB、網(wǎng)絡(luò)）。

2.2 系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

FPGA 芯片完成整機(jī)的接口與邏輯控制，進(jìn)行地址的譯碼以及其他外圍電路的控制， 在本文中采用Altera 公司的ACEX1K 系列EP1K50 芯片，系統(tǒng)的互連、各個(gè)接口以及數(shù)據(jù)通道都是通過(guò)FPGA 完成的。 EP1K50 芯片是一款適合復(fù)雜邏輯以及有存儲(chǔ)、 緩沖功能的FPGA 芯片，最高工作頻率可達(dá)250MHz。 其特點(diǎn)是將LUT(查找表)和EAB(嵌入式陣列)相結(jié)合。 基于LUT 的邏輯對(duì)數(shù)據(jù)路徑管理、寄存器強(qiáng)度、數(shù)學(xué)計(jì)算或數(shù)字信號(hào)處理的設(shè)計(jì)提供優(yōu)化的性能和效率。 它是整個(gè)采集、處理、顯示與實(shí)時(shí)控制的邏輯控制核心，實(shí)現(xiàn)的功能包括：開(kāi)放式的圖像數(shù)據(jù)采集總線，DSP 圖像處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線，100 MB 以太網(wǎng)接口，實(shí)時(shí)顯示模塊，I2C 存儲(chǔ)器接口和PS／2 接口等。

2.3 指紋的數(shù)據(jù)采集

MBF200 是富士通公司生產(chǎn)的電容式半導(dǎo)體指紋傳感芯片，它具有高性能、低功耗和低成本等特點(diǎn),其圖像傳輸速度最大可達(dá)30frame/s，能夠滿足連續(xù)指紋圖像的采集。 在系統(tǒng)完成初始化后, 若手指按在指紋傳感器上, 則進(jìn)行一枚指紋圖像數(shù)據(jù)的采集, 否則進(jìn)入省電模式,等待手指檢測(cè)中斷喚醒CPU 進(jìn)行一次指紋數(shù)據(jù)的操作。

指紋的采集工作由MBF200 檢測(cè)到手指中斷開(kāi)始, DSP 首先向MBF200 的CTR-LA 寄存器寫入一條指令0x04, 它的作用是啟動(dòng)MBF200 內(nèi)部A /D 轉(zhuǎn)換器, 然后等待行捕獲時(shí)間結(jié)束后, 通過(guò)讀取CTRLA 寄存器, 即可獲取當(dāng)前像素點(diǎn)的一個(gè)8 位數(shù)字量數(shù)值。因其地址遞增，所以每次讀取當(dāng)前像素點(diǎn)的數(shù)值后自動(dòng)進(jìn)行下一像素點(diǎn)的A/D 轉(zhuǎn)換, 循環(huán)讀取CTRLA 的值到指定內(nèi)存空間就可以獲得一枚指紋圖像的數(shù)據(jù)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸

RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器具有高度集成的特點(diǎn)， 它可以簡(jiǎn)單的解答即插即用NE2000 兼容適配器， 該適配器具有二重和功率下降的特點(diǎn)。RTL8019AS 以太網(wǎng)控制器具有高度集成的特點(diǎn)，它可以簡(jiǎn)單的解答即插即用NE2000 兼容適配器，該適配器具有二重和功率下降的特點(diǎn)。

系統(tǒng)中的指紋傳感器芯片F(xiàn)PS200 被映射到DSP 的I/O 空間中，給FPS200 共分配了兩個(gè)I/O 地址空間，它的索引寄存器端口地址為0x8000，而數(shù)據(jù)寄存器端口地址為0x8001。 DSP 外 部 數(shù) 據(jù) 空 間 的0x4000 ～0xFFFF 部 分 是 由 系 統(tǒng) 中FLASH 和SRAM 分時(shí)占據(jù)的。

3 總結(jié)

基于DSP 驚人的發(fā)展速度以及FPGA 的運(yùn)用， 結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字圖像處理算法，采用MBF200 指紋傳感器構(gòu)成的指紋采集終端，使得指紋識(shí)別系統(tǒng)抗噪能力更強(qiáng)，尺寸更小、成本降低。使得指紋識(shí)別技術(shù)將會(huì)在校園中得到廣泛的使用， 為大學(xué)生的生活和學(xué)習(xí)帶來(lái)方便，同時(shí)也可以更好地保護(hù)個(gè)人的財(cái)產(chǎn)。

［1］張成,周媛媛,林嘉宇.指紋采集技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，11(8):1－3.

［2］王道憲.CPLD/FPGA 可編程邏輯器件應(yīng)用與開(kāi)發(fā)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

［3］清源科技.TMS320C54X DSP 硬件開(kāi)發(fā)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：50－73.

［4］林楊.基于DSP 的圖像采集和處理系統(tǒng)[D].南京：南京理工大學(xué)，2004.

［5］張雄偉，陳亮.DSP 芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：22－41.