基于達(dá)芬奇技術(shù)的指紋圖像采集系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)*

楊 迪 ，朱 明 ，呂柯巖

(1.中國科學(xué)院航空光學(xué)成像與測量重點實驗室，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100039;3.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033)

在如今互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的時代中，人們的交流和信息獲取主要通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行各種操作的前提就是要先進(jìn)行用戶的認(rèn)證。目前網(wǎng)絡(luò)中常用的認(rèn)證方式是“用戶ID+密碼的方式”，然而這種方式存在著不小的安全隱患。網(wǎng)絡(luò)中木馬，病毒橫行，一不小心就會將個人信息泄露出去，輕則被各種垃圾信息騷擾，重則造成財產(chǎn)損失。為提高安全級別，應(yīng)采用體現(xiàn)用戶唯一性特征的認(rèn)證方式。而指紋作為人體的身體特征，具有不可復(fù)制的特點，并且具有唯一性和穩(wěn)定性，不易盜用。采用指紋作為身份驗證的方式不僅降低了用戶信息泄露的風(fēng)險，同時也為用戶省卻記住密碼的麻煩，因此指紋識別擁有很好的實用性。

實現(xiàn)通過指紋進(jìn)行身份認(rèn)證的方式利用自動指紋識別系統(tǒng)［1－2］(AFIS)來完成，而指紋采集與預(yù)處理作為指紋識別最重要的環(huán)節(jié)是必不可少的。為能夠?qū)崿F(xiàn)指紋識別的普遍與通用性，我們因此設(shè)計了一款通過USB 進(jìn)行通信的指紋采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有小巧，便攜的特點，即插即用。

達(dá)芬奇技術(shù)［3］是一種基于DSP 的系統(tǒng)解決方案組建的集合，包括基于達(dá)芬奇技術(shù)的處理器、優(yōu)化的應(yīng)用軟件、開發(fā)工具和支持。本系統(tǒng)在具有小巧，便攜特點的同時，為保證圖像處理的高效性，選擇TI 公司具有達(dá)芬奇架構(gòu)的DM6446 處理器對采集的圖像進(jìn)行處理，使用開發(fā)工具實現(xiàn)自己的指紋處理算法。

1 指紋采集系統(tǒng)硬件開發(fā)

1.1 指紋采集芯片選擇

指紋芯片的好壞直接影響到指紋圖像的質(zhì)量。芯片按照工作原理可分為:光電式、電容式、壓敏式和超聲波式。不同原理的傳感器各有其優(yōu)缺，表1中對各種傳感器的性能進(jìn)行了比較［4］。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，90年代中期開始出現(xiàn)的半導(dǎo)體電容式傳感器具有價格低，體積小的特點，而采集的圖像質(zhì)量也越來越好，得到了廣泛的應(yīng)用。

表1 傳感器性能比較

考慮到指紋采集芯片的性價比，我們選擇了Verdicom 公司生產(chǎn)的電容式指紋采集芯片F(xiàn)PS200［5］，它具有高性能、低電壓、低功耗等優(yōu)點，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝制作，在1.28 cm×1.50 cm 的指紋檢測區(qū)域，像素矩陣為256×300，產(chǎn)生的圖像分辨率為500 dpi，分辨精度為50μm。該芯片所需的供電電壓為3.3 V～5 V，芯片內(nèi)置8-bit 的數(shù)模轉(zhuǎn)換器并根據(jù)所提供的接口分為3種工作模式，MCU、SPI和USB模式，其中USB模式根據(jù)其功能又分為內(nèi)部ROM和外部ROM兩種。芯片的模式選擇由引腳MODE0和MODE1 的電壓決定，在同一時間芯片只能選擇一種工作模式，模式與MODE［1:0］的關(guān)系如表2所示。

表2 FPS200 接口工作模式

由于USB 總線只是設(shè)備和主控制器之間的通信通道，對它所發(fā)送的數(shù)據(jù)沒有任何特殊的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)上的要求，同時具有熱插拔(Hotplug)的能力，使得USB 有很好的便攜性并且成本低廉，同時只要具備驅(qū)動和上層應(yīng)用程序，即可在各種操作系統(tǒng)中實現(xiàn)采集功能，移植方便。而FPS200 內(nèi)部ROM模式能夠很好地實現(xiàn)采集要求，且設(shè)計簡單，故本文選擇USB 的內(nèi)部ROM模式［6－8］。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

達(dá)芬奇技術(shù)包含完整的開發(fā)系統(tǒng)、參考設(shè)計和全面的ARM/DSP 系統(tǒng)級集成開發(fā)環(huán)境以加速所有數(shù)字圖像和視頻應(yīng)用的設(shè)計和開發(fā)，并且達(dá)芬奇技術(shù)支持實時操作系統(tǒng)Linux 與Window CE，可移植性較好，同時用戶可以通過文件系統(tǒng)接口訪問CF－、SD/MMC、ATA 等存儲器，保存采集的數(shù)據(jù)。因此文中選取支持達(dá)芬奇技術(shù)的TMS320DM6446［9］作為圖像處理器以保證處理的實時性。該處理器是基于ARM+DSP 的系統(tǒng)級芯片(SoC)，其中ARM 處理器采用ARM926EJ-S，工作主頻為297 MHZ，DSP 處理器采用TI 的高端DSP 核C64x+，工作主頻為594 MHz，并集成了用于加速處理的協(xié)處理器引擎。其中ARM 負(fù)責(zé)Linux 下的用戶界面，OSD 屏幕菜單顯示和設(shè)備驅(qū)動，DPS 負(fù)責(zé)圖像的處理。圖1 是本文所設(shè)計的指紋采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 指紋采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

FPS200 指紋采集芯片將采集到的模擬指紋圖像進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字圖像后通過USB 接口傳送給TMS320DM6446 處理器，一方面將采集的圖像通過顯示器進(jìn)行顯示，另一方面對圖像進(jìn)行去噪增強(qiáng)，并存儲到SD 卡中，便于指紋庫的建立。

1.3 采集系統(tǒng)的輸入和輸出

采集系統(tǒng)的指紋圖像數(shù)據(jù)輸入是通過USB 接口完成的。在FPS200 芯片工作在USB 內(nèi)部ROM模式時，DP 引腳用做USB 接口的D+數(shù)據(jù)線，DM 引腳用做D－數(shù)據(jù)線。USB 接口的供電電壓為標(biāo)準(zhǔn)的5 V 電壓，而FPS200 芯片的工作電壓為3.3 V～3.6 V，因此選用AMS1117 將5 V 電壓降為3.3 V再接入電路中。ISET 引腳與模擬地之間連接一個200 kΩ 電阻設(shè)置內(nèi)部參考電流，F(xiàn)SET 引腳與數(shù)字地之間接56 kΩ，用于設(shè)置多諧振蕩器和自動指紋檢測的頻率。采集電路僅用到兩根數(shù)據(jù)線與少量電源線，設(shè)計簡單、體積小，極具靈活性，方便攜帶。

TMSDM6446 處理器通過與USB Host 相連的引腳向FPS200 寫寄存器信息，接收指紋芯片發(fā)來的中斷與指紋圖像數(shù)據(jù)。

TMS320DM6446 的MMC/SD 卡控制器提供了一個外部MMC/SD 卡接口，用于實現(xiàn)MMC/SD 卡控制器和MMC/SD 卡協(xié)議。指紋圖像經(jīng)處理后通過此接口保存在SD 卡中。使得采集的指紋數(shù)據(jù)可以構(gòu)建一個移動的指紋庫。其中MMC/SD 控制器的配置圖［10］如圖4所示。

圖2 FPS200 硬件電路圖

其中CMD 管腳用于所連接的卡與控制器之間的雙向通訊;DAT0－3為數(shù)據(jù)傳輸時SD 卡使用的數(shù)據(jù)線，SD 卡可以使用1 根或4 根數(shù)據(jù)線;CLK 用于控制器向存儲卡提供時鐘。

圖3 DM6446 與USB host 連接圖

圖4 MMC/SD 配置圖(4-bit模式)

2 指紋采集系統(tǒng)軟件開發(fā)

當(dāng)指紋圖像采集模塊與USB 接口相連時，可以采集指紋圖像到TMS320DM6446 中進(jìn)行處理。為實現(xiàn)指紋圖像的處理，軟件部分我們需要完成兩方面的內(nèi)容:①FPS200 芯片的USB 驅(qū)動開發(fā);②指紋采集處理程序的開發(fā)。

達(dá)芬奇技術(shù)體系中引入了Codec Engine［3］，并創(chuàng)建了一整套的應(yīng)用開發(fā)平臺。Codec Engine 是一系列用于表示和運(yùn)行數(shù)字多媒體標(biāo)準(zhǔn)化DSP 算法接口(XDAIS)及算法的API，它定義了4 類編解碼器算法接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是視頻、圖像、語音、音頻，簡稱VISA。Codec Engine 的特點是:①容易使用，應(yīng)用程序的開發(fā)者制定所要使用的算法，而不是如何運(yùn)行或在什么地方運(yùn)行;②可擴(kuò)展可配置，新的算法可以由任何人使用標(biāo)準(zhǔn)的工具和技術(shù)來添加;③可以轉(zhuǎn)移，API 獨立于目標(biāo)、平臺、甚至是Codec。使用Codec Engine 完成軟件開發(fā)，采用標(biāo)準(zhǔn)的API 接口，使軟件更易讀，更易更新和添加新功能。同時，Codec Engine 會協(xié)調(diào)ARM 與DSP 的使用，使處理性能得到最優(yōu)化。本文在Codec Engine 的基礎(chǔ)上實現(xiàn)指紋采集的軟件功能，結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中ARM 端完成FPS200 芯片的驅(qū)動程序，并通過USB 接口與芯片進(jìn)行通信。同時，ARM 通過TI 的Codec Engine 機(jī)制調(diào)用DSP 側(cè)的Codec，在DSP 端對采集的指紋圖像進(jìn)行處理。

圖5 軟件工作結(jié)構(gòu)圖

2.1 FPS200 芯片的USB 驅(qū)動開發(fā)

TMS320DM6446 提供Linux 操作系統(tǒng)，因此USB 驅(qū)動的設(shè)計是基于Linux 操作系統(tǒng)完成的。FPS200 的USB 驅(qū)動程序的工作［11－14］主要分為4 部分:識別驅(qū)動程序支持的設(shè)備，注冊和注銷驅(qū)動程序，探測和斷開，傳輸數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的廠商和ID 調(diào)用相應(yīng)的探測函數(shù)，在驅(qū)動程序中需要將FPS200 芯片的VENDOR_ID和PRODUCT_ID 以模塊形式加入系統(tǒng)的設(shè)備表中以便查找:

USB 驅(qū)動程序首先要向Linux 內(nèi)核注冊自己，并告訴系統(tǒng)它所支持的設(shè)備類型以及它所支持的操作。這些信息通過一個usb_driver 結(jié)構(gòu)來傳遞。當(dāng)系統(tǒng)找到設(shè)備后，會調(diào)用FPS200 指紋芯片的probe函數(shù)，為其數(shù)據(jù)輸入端點和中斷端點分配地址，并通過struct_class_driver 從USB 核心得到次設(shè)備號并將設(shè)備注冊到devfs和驅(qū)動程序核心中，系統(tǒng)在/dev下創(chuàng)建名為fps200usb 的設(shè)備文件。驅(qū)動程序與上層應(yīng)用程序通過file_operations 結(jié)構(gòu)相連。

應(yīng)用程序以文件的方式調(diào)用open 函數(shù)打開設(shè)備，read 函數(shù)從FPS200 芯片采集指紋圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥髦?。?dāng)完成采集模塊的使用與系統(tǒng)斷開時調(diào)用disconnect 函數(shù)完成設(shè)備的斷開，注銷USB 設(shè)備。

2.2 指紋采集處理程序開發(fā)

系統(tǒng)在指紋采集處理程序中主要完成指紋采集芯片F(xiàn)PS200 的打開和數(shù)據(jù)讀取與存儲。

在指紋采集處理程序中我們的設(shè)計需要符合xDM(xDAIS(eXpress DSP Algorithm Interface Standard)for Digital Media)標(biāo)準(zhǔn)。算法執(zhí)行的流程如圖6所示。

圖6 指紋采集處理算法

代碼示意如下:

FPS200 指紋芯片所采集指紋圖像的質(zhì)量與DTR，DCR，PGC 寄存器有關(guān)［5］。DTR 作為電容放電時間控制寄存器，對圖片背景有很大的影響，過小則會使得背景區(qū)域過暗;DCR 作為控制電容放電電流寄存器，對圖片背景區(qū)和前景區(qū)有很大影響;PGC是可編程增益寄存器，對圖片的前景有很大影響。另外THR 門限值寄存器收到溫度、濕度的影響，若設(shè)置不當(dāng)，當(dāng)沒有手指按下是也會產(chǎn)生中斷。經(jīng)實驗證明，當(dāng)DTR=0x40，DCR=0x01，PGC=0x0b，THR=0x2a 時圖像質(zhì)量較好。

由FPS200 芯片采集得到的指紋圖像因手指的干濕程序，按下的輕重，使得圖像存在斷裂和粘連的問題。傳統(tǒng)的濾波算法如中值濾波［15－16］可以較好地去除噪聲影響，但是卻會使邊緣模糊。指紋圖像具有明顯的紋理特征，邊緣模糊直接影響到指紋識別中特征點的獲得，本文采用偏微分進(jìn)行圖像的去噪增強(qiáng)［17－18］。利用偏微分方程進(jìn)行圖像處理有以下優(yōu)點:

①具有堅實的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，如偏微分方程的數(shù)值解法等

②能夠很好地結(jié)合尺度分析的理論，利用偏微分方程進(jìn)行圖像處理一般滿足歐式變換不變性等;

③可以很容易的將各種圖像特征引入到模型中去，如方向信息。

利用散度形式的相關(guān)擴(kuò)散方程增強(qiáng)指紋圖像最早由德國科學(xué)家Joachim Weickert 提出，主要思想是將擴(kuò)散限制在沿紋路變化的方向上進(jìn)行，可表示成如下方程:

式中:u為圖像，div為散度算子，D為2×2 的正定二維舉證，稱為擴(kuò)散向量，它反映了圖像局部的方向信息?？梢员硎緸?

根據(jù)上述方法對采集的指紋圖像進(jìn)行處理(圖7)。

圖7 指紋圖像處理對比

以上3 圖均由FPS200 芯片采集得到，因手指按壓的力度不同，手指表面的清潔度不同而有所區(qū)別。在圖像采集的過程中，并未出現(xiàn)指紋圖像中存在明顯信息丟失等問題，說明系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

從指紋芯片F(xiàn)PS200 采集得到的圖像存在斷裂和對比度低的問題，利用中值濾波的方法可以在一定程度上修補(bǔ)斷裂，但同時造成了邊緣模糊，而使用偏微分的方法可以較好地修補(bǔ)圖像中的斷裂，同時保證指紋邊緣的清晰度，而且圖像更加平滑，可以更好地為指紋識別提供方便。

作為一套指紋采集系統(tǒng)，實時性尤為重要，需要保證采集與處理同步進(jìn)行，而不會因處理速度過慢增加采集的時間間隔。FPS00 指紋芯片在USB模式下的傳輸速度為13 幀/s，平均采集一幅圖像的時間小于0.3 s，可以保證傳輸速度的高效性。在圖像處理方面DM6446 中DSP 算法的執(zhí)行時間是7 000 次/s，即應(yīng)用程序可以使用Codec Engine 來運(yùn)行或控制算法7 000 次/s。在實際的圖像處理過程中，本文算法處理256×300 的指紋圖像時，運(yùn)行時間在0.7 s 左右，采集和處理的總體時間少于1 s，足以保證系統(tǒng)工作的實時性。

3 總結(jié)與展望

文中所設(shè)計的指紋采集系統(tǒng)首次在采用達(dá)芬奇技術(shù)的硬件平臺上實現(xiàn)，同時完成了Linux 下的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)。TMS320DM6446 處理器由ARM+DSP雙核架構(gòu)組成并配備協(xié)處理器，在圖像處理方面性能強(qiáng)勁。本文所設(shè)計的系統(tǒng)具有很快的采集處理速度，同時采集和存儲分別選擇USB 方式和SD 卡，具有很好的便攜性。達(dá)芬奇技術(shù)的Codec Engine 提供了一個算法規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)，使得程序的閱讀、后續(xù)人員對程序的完善改進(jìn)變得更加方便。目前本系統(tǒng)只是完成了采集系統(tǒng)的開發(fā)，在后續(xù)的工作中，系統(tǒng)可以繼續(xù)在程序中添加指紋圖像的識別功能。

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