相對(duì)于人體其他的生物特征而言我們手掌及其手指、腳、腳趾內(nèi)側(cè)表面的皮膚凸凹不平產(chǎn)生的紋路會(huì)形成各種各樣的圖案。這些紋路的存在增加了皮膚表面的摩擦力，使得我們能夠用手來(lái)抓起重物。人們也注意到，包括指紋在內(nèi)的這些皮膚的紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，也就是說(shuō)，是的。依靠這種性，我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)比較他的指紋和預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證他的真實(shí)身份。這種依靠人體的身體特征來(lái)進(jìn)行身份驗(yàn)證的技術(shù)稱為生物識(shí)別技術(shù)，指紋識(shí)別是生物識(shí)別技術(shù)的一種。驗(yàn)證和辨識(shí)在比對(duì)算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上各具技術(shù)特點(diǎn)。例如驗(yàn)證系統(tǒng)一般只考慮對(duì)完整的指紋進(jìn)行比對(duì)，而辨識(shí)系統(tǒng)要考慮殘紋的比對(duì)；驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)比對(duì)算法的速度要求不如辨識(shí)系統(tǒng)高，但更強(qiáng)調(diào)易用性；另外在辨識(shí)系統(tǒng)中，一般要使用分類技術(shù)來(lái)加快查詢的速度。

　　本系統(tǒng)采用高性能、低功耗的DSP芯片TMS320VC5501作為處理器，擴(kuò)展了SDRAM和FLASH存儲(chǔ)器，集成了CMOS圖像采集器、LCD、鍵盤、JTAG仿真接口USB等外設(shè)，設(shè)計(jì)緊湊、布局合理；充分利用了片上資源，僅用一片DSP芯片完成了從指紋圖像獲取、預(yù)處理、指紋匹配及結(jié)果顯示等功能。

　　1 指紋識(shí)別基本原理

　　指紋識(shí)別主要涉及指紋采集、圖像預(yù)處理、特征提取、特征匹配等過(guò)程。首先，通過(guò)指紋采集設(shè)備獲取指紋的數(shù)字圖像，并對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，提高圖像質(zhì)量。然后，指紋識(shí)別算法從指紋圖像中提取出所需的特征數(shù)據(jù)，根據(jù)需要將特征信息存入指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中。，用當(dāng)前獲得的特征數(shù)據(jù)與預(yù)存在特征庫(kù)中數(shù)指紋模板進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)匹配算法計(jì)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。指紋識(shí)別原理框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與研究

　　指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件平臺(tái)是應(yīng)用程序與指紋識(shí)別算法運(yùn)行的物理平臺(tái)。綜合考慮器件選型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低成本、工作穩(wěn)定、可擴(kuò)展接口與調(diào)試方便等方面的因素，確定了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，其組成部分為：處理器（DSP）、系統(tǒng)電源管理、存儲(chǔ)設(shè)備（SDRAM和FLASH）、指紋采集頭、人機(jī)交互模塊（鍵盤和LCD）、在線仿真接口（JTAG）。整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.1 系統(tǒng)處理器

　　DSP是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。

　　TMS320VC5501是美國(guó)德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的16 bit定點(diǎn)DSP芯片。該芯片時(shí)鐘頻率可達(dá)300 MHz，配以雙乘加結(jié)構(gòu)，每秒可以完成600萬(wàn)次乘加運(yùn)算。采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部有1組程序總線、3組數(shù)據(jù)讀總線和2組數(shù)據(jù)寫總線，使得系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能完成3次讀和2次寫的操作，并且提供了專用的匯編指令，極大地提高了數(shù)據(jù)處理能力。

　　2.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展

　　TMS320VC5501的內(nèi)部存儲(chǔ)空間僅有32 KB，無(wú)法滿足系統(tǒng)程序的需要，因此需要通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）擴(kuò)展存儲(chǔ)空間[2]。本系統(tǒng)同時(shí)擴(kuò)展了SDRAM和FLASH。其中，SDRAM采用了Hynix公司的HY57V161610D，用于運(yùn)行程序與指紋圖像處理數(shù)據(jù)的暫存。針對(duì)圖像的算法在片內(nèi)DARAM上實(shí)現(xiàn)的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外擴(kuò)存儲(chǔ)器的情況，將指紋采集器輸出的圖像大小設(shè)置為280×280，并經(jīng)過(guò)圖像壓縮成大小140×140，再采用高低位分開(kāi)放置圖像數(shù)據(jù)，整個(gè)圖像數(shù)據(jù)就不到20 KB。這樣，圖像識(shí)別過(guò)程中的程序和數(shù)據(jù)都在片內(nèi)DARAM上完成，可以緩解EMIF總線接口的壓力并提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。

　　本系統(tǒng)中FLASH主要有2個(gè)作用：（1）用于存放程序代碼，上電以后，F(xiàn)LASH中的各段程序代碼被裝入SDRAM或DSP內(nèi)部DARAM中，系統(tǒng)開(kāi)始正常工作；（2）存放指紋處理程序處理完指紋后所獲得的指紋特征以及一些相關(guān)的信息數(shù)據(jù)等。本系統(tǒng)采用FLASH芯片為SST39VF3201，存儲(chǔ)容量為2M字。但是，DSP片上僅有20根地址線，多可以擴(kuò)展到1M字。設(shè)計(jì)中將GPIO7直接連接到SST39VF3201的A22管腳，使用GPIO7模擬地址線訪問(wèn)FLASH空間。高地址位存儲(chǔ)指紋模板，低地址位存儲(chǔ)引導(dǎo)程序，可以有效地利用FLASH空間資源。

　　2.3 圖像采集電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用MagnaChip Semiconductor公司的HV7131R彩色CMOS圖像傳感器作為指紋采集頭的器件，其支持VGA模式，有效像素640×480，帶有可編程自動(dòng)曝光、增益控制及白平衡控制功能，可通過(guò)編程設(shè)定成像窗口和幀傳輸速率。芯片集成I2C總線接口，10 bit A/D輸出。但是，一般只用高8 bit傳輸像素點(diǎn)灰度值。幀速度30幀/s，工作頻率25 MHz。

　　芯片采用Bayer濾光陣列把輸入光信號(hào)分解成RGB三原色，每一像素點(diǎn)僅保留一種原色。由于綠色像素對(duì)亮度影響，所以保留多，占1/2；紅色像素和藍(lán)色像素各占1/4。在實(shí)際處理時(shí)，每個(gè)像素的R、G、B信號(hào)由像素本身輸出的某種顏色信號(hào)和相鄰像素輸出的其他顏色信號(hào)構(gòu)成，這種采樣方式，在基本上不降低圖像質(zhì)量的同時(shí)，可以將采樣頻率降低60%左右。本系統(tǒng)中，DSP的8 bit主機(jī)接口HPI.HD[7：0]配置為GPIO，通過(guò)讀寫HGPIODAT1寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。如圖3所示，HV7131R外接25MHz時(shí)鐘，A/D轉(zhuǎn)換輸出的高8 bit DATA[9：2]接HPI.HD[7：0]作為數(shù)據(jù)輸入；幀同步信號(hào)（VSYNC）和行同步信號(hào)（HSYNC）作為外部中斷源分別接到TIM0和TIM1引腳；SDA和SCL與DSP片上集成的I2C引腳連接，用以訪問(wèn)或者修改傳感器的寄存器值。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，DSP只需讀取指紋采集頭的數(shù)據(jù)，但是，LCD作為輸出顯示，僅寫入數(shù)據(jù)即可。LCD采用并口連接方式設(shè)計(jì)，通過(guò)6 800時(shí)序接收DSP數(shù)據(jù)，與指紋采集模塊復(fù)用HPI.HD[7：0]管腳。

　　3 指紋識(shí)別算法

　　指紋處理和識(shí)別算法是整個(gè)系統(tǒng)的，且都在DSP上實(shí)現(xiàn)。整個(gè)流程如圖4所示，主要包括圖像預(yù)處理、特征提取和指紋匹配3部分。

　　傳統(tǒng)的圖像分割算法主要有2類：一類是基于指紋圖像方向信息分割的方向法；另一類是基于圖像灰度特征分割的方差法。系統(tǒng)采用了一種基于特征融合的分割算法，對(duì)梯度、方向一致性進(jìn)行2次分割。

　　圖像歸一化是為了對(duì)不同的指紋圖像進(jìn)行統(tǒng)一處理，將源圖像的對(duì)比度和灰度調(diào)整到一個(gè)固定的級(jí)別上，為后續(xù)處理提供一個(gè)統(tǒng)一的基礎(chǔ)。方向圖計(jì)算、背景分離到頻率提取，所有算法都可以在互補(bǔ)重疊的小區(qū)域內(nèi)單獨(dú)進(jìn)行。所以本文采用分塊規(guī)一化的方法，將圖像分為14×14大小的子區(qū)域，再對(duì)子圖像進(jìn)行規(guī)一化，保證了各個(gè)小區(qū)域內(nèi)均值和方差的一致性。

　　指紋圖像增強(qiáng)新算法利用指紋圖像的結(jié)構(gòu)張量構(gòu)造擴(kuò)散張量，使得濾波沿著指紋脊線方向擴(kuò)散。該算法屬迭代算法，比Gabor濾波算法能量聚集慢，可以有效地連接斷裂脊線，而不會(huì)改變指紋脊線的連續(xù)性和奇異性。

　　圖像二值化的關(guān)鍵問(wèn)題是選取一個(gè)合適的閾值，經(jīng)過(guò)在系統(tǒng)中實(shí)測(cè)，選擇閾值To=180。圖像細(xì)化處理是指為了減少所需處理的信息量，便于提取指紋特征[5]。算法中采用了一種近鄰點(diǎn)方式來(lái)抽取紋線骨架。既可以消除短枝和斷線等噪聲，還能滿足指紋細(xì)化的保持性、連接性、中軸性和快速性要求。

　　細(xì)化之后的指紋圖像就會(huì)呈現(xiàn)出特征信息。研究表明，中斷點(diǎn)和分支點(diǎn)這2類特征點(diǎn)就可以描述指紋的性。所以，本文采用一種基于8連通域判斷法的特征點(diǎn)提取方法。該方法是在細(xì)化后的二值圖像上，對(duì)于細(xì)化圖像的任意點(diǎn)P計(jì)算其交叉數(shù)和8連通紋線點(diǎn)數(shù)，然后遍歷細(xì)化圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)，即可得到所有的端點(diǎn)和分支點(diǎn)。如圖5所示。

　　圖像匹配就是判斷2次輸入指紋的特征集合（模板）是否屬于同一枚指紋[6]。本系統(tǒng)采用基于點(diǎn)模式匹配算法進(jìn)行指紋識(shí)別，有效地解決了數(shù)量和位置都不盡相同的2幅指紋細(xì)節(jié)圖像進(jìn)行匹配的問(wèn)題。在系統(tǒng)硬件平臺(tái)上，通過(guò)HV7131R采集到的指紋圖像作為測(cè)試樣本，每一枚指紋分別測(cè)試100次來(lái)評(píng)價(jià)FRR（錯(cuò)誤拒絕率）與FAR（錯(cuò)誤接受率）。

　　本文提出了一種基于TMS320VC5501 DSP的新型指紋識(shí)別系統(tǒng)。僅用一片DSP芯片，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器擴(kuò)展、指紋圖像采集、人機(jī)交互模塊等的設(shè)計(jì)，指紋圖像識(shí)別算法是系統(tǒng)的，經(jīng)過(guò)在系統(tǒng)硬件平臺(tái)上的實(shí)際測(cè)試，算法體現(xiàn)出了運(yùn)算速度快、識(shí)別效率高等優(yōu)點(diǎn)。目前該系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入商用階段并得到用戶好評(píng)，從而充分證明了其適用性和可靠性。

參考文獻(xiàn):

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[3]. SST39VF3201 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/SST39VF3201_310719.html.
[4]. HV7131R datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/HV7131R_388617.html.
[5]. VGA datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/VGA_2568786.html.
[6]. 25MHz datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/25MHz_1136611.html.
[7]. FAR datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/FAR_1888220.html.