基于Cortex + DSP的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要 本文通過構(gòu)造以TMS320VC5416 DSP芯片為運(yùn)算核心部件，以Cortex為核心控制部件，實(shí)現(xiàn)指紋圖像處理、識(shí)別的一個(gè)較為完備的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 DSP 指紋識(shí)別 Cortex 圖像處理

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

人類的手掌及其手指、腳、腳趾內(nèi)側(cè)的表面皮膚凹凸不平產(chǎn)生的紋路稱之為指紋，指紋有兩個(gè)重要特性：一是唯一性，人人指紋不同，一個(gè)人十個(gè)手指的指紋也不相同。二是穩(wěn)定性，指紋圖案永遠(yuǎn)不會(huì)改變，它不會(huì)隨著人的年齡而改變，也不會(huì)和主體分離。

自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)主要有兩種：一種是基于指紋圖像統(tǒng)計(jì)信息的方法，一種是基于指紋本身所固有的特征點(diǎn)結(jié)構(gòu)的方法。本論文采用的是基于特征點(diǎn)匹配識(shí)別的指紋識(shí)別系統(tǒng)，主要是通過比較兩幅指紋圖的結(jié)構(gòu)特征信息來達(dá)到識(shí)別的目的。①

本論文設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)，具體內(nèi)容包括：基于Cortex與DSP芯片構(gòu)建指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件電路，包括鍵盤輸入接口電路和LCD輸出顯示電路；TMS320VC5416控制FPS200芯片進(jìn)行指紋圖像采集，并用C語言實(shí)現(xiàn)指紋圖像的邊緣算法，背景分割算法，銳化算法，二值化算法，提取特征值，完成對指紋的比對、識(shí)別，其中Cortex系列STM32單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作過程。

1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)②

系統(tǒng)總體硬件電路主要包括六部分：STM32單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)、DSP最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)，穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，指紋采集模塊，獨(dú)立鍵盤，TFT彩屏電路。其中，鍵盤電路采用獨(dú)立按鍵構(gòu)成。串口電平轉(zhuǎn)換電路利用MAX3232完成COM口TTL電平的轉(zhuǎn)換。TFT顯示接口電路，采用2.4寸TFT320X240LCD，控制器為ILI9325，利用CPU的FSMC 功能，LCD 片選CS采用FSMC_NE1（P88），F(xiàn)SMC_A16（P58）作為LCD的RS選擇，F(xiàn)SMC_nWE（P86）作為 LCD寫信號(hào)， FSMC_nOE（P85）作為LCD讀信號(hào)。

1.1 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路中采用的LM1117是一個(gè)低壓差三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路，其壓差在1.2V輸出負(fù)載電流為800mA。穩(wěn)壓電路中LM1117的輸入端接5V輸入電壓，經(jīng)過一個(gè)10 F濾波電容后接入LM1117，ADJ端和out輸出端接兩個(gè)外部電阻R1，R2，利用R2 /R1關(guān)系得到3.3V輸出電壓。LM1117穩(wěn)壓電路輸出端接入一個(gè)10uF鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

1.2 指紋采集電路設(shè)計(jì)

指紋采集模塊采用FPS200指紋傳感器，F(xiàn)PS200傳感器基于電容充放電原理，傳感陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極，相當(dāng)于電容的一個(gè)極，接觸傳感區(qū)的手指充當(dāng)電容的另一個(gè)極，則兩者之間的傳感面形成電容兩極之間的介電層，由于指紋中的脊線和谷線，會(huì)導(dǎo)致傳感陣列呈現(xiàn)的電容值不同，F(xiàn)PS200將電容值經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出，從而得到指紋信息。本系統(tǒng)指紋采集模塊采用傳感器的微處理器總線模式，傳感器的8位數(shù)據(jù)線直接與DSP的數(shù)據(jù)線相連。指紋圖像數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送電路通過芯片16C550芯片進(jìn)行并口到串口的轉(zhuǎn)換完成的，電路如圖1所示。

2 指紋圖像的預(yù)處理③

指紋圖像采集模塊位于指紋識(shí)別系統(tǒng)的前端，利用指紋傳感器FPS200得到的指紋信息中含有大量噪聲，為了提高指紋圖像特征提取的效率，必須對指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理。④本文對于指紋圖像的預(yù)處理主要進(jìn)行平滑濾波、歸一化、二值化、細(xì)化處理四個(gè)步驟。

本文首先采取直方圖均衡化來實(shí)現(xiàn)指紋圖像增強(qiáng)，⑤然后對指紋圖像進(jìn)行平滑處理，得到指紋圖像的平均灰度的分布規(guī)律。為了消除指紋圖像中出現(xiàn)有些區(qū)域顏色太淺，而有些區(qū)域顏色太深的現(xiàn)象，需對指紋圖像進(jìn)行歸一化處理，使得具有統(tǒng)一的背景色調(diào)，而又不會(huì)改變指紋的脊線紋理信息。再采用計(jì)算較為簡單的八方向場法，求出八個(gè)方向灰度變化的梯度值，取值最小的，即為像素點(diǎn)的方向；采取局部平均閾值法對指紋圖像進(jìn)行二值化處理。為了提取指紋圖像特定區(qū)域的特征，本設(shè)計(jì)利用一個(gè)3€？的細(xì)化模板和一個(gè)包含256個(gè)元素的細(xì)化查找表完成對指紋圖像的細(xì)化。⑥

3 指紋圖像的特征提取和特征匹配⑦⑧

系統(tǒng)采用從細(xì)化后的二值圖像中提取特征，⑨該方法相對比較簡單，根據(jù)細(xì)化后的二值圖上每一點(diǎn)的交叉數(shù)，確定出指紋的端點(diǎn)和分叉點(diǎn)，作為指紋的兩種特征點(diǎn)，提取出特征點(diǎn)的坐標(biāo)、方向信息。根據(jù)特征點(diǎn)信息確定平均紋線距離，對所提取出的特征點(diǎn)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，去除偽特征點(diǎn)。然后以特征點(diǎn)的坐標(biāo)、方向、鄰域內(nèi)的特征點(diǎn)數(shù)、特征點(diǎn)之間的相對位置、脊線上特征點(diǎn)所處位置的紋曲率、特征點(diǎn)鄰域內(nèi)的脊線紋密度，通過這六個(gè)變量構(gòu)建出該指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的特征向量。將所有特征向量進(jìn)行篩選，留下50個(gè)特征向量，構(gòu)成指紋特征模板。指紋匹配主要是細(xì)節(jié)特征的匹配，本系統(tǒng)利用八方向圖實(shí)現(xiàn)指紋自動(dòng)定位的快速算法進(jìn)行指紋的特征匹配。

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，首先要對硬件進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，靜態(tài)調(diào)試的目的是排除明顯的硬件故障。

軟件調(diào)試時(shí)，對于DSP5416調(diào)試工作主要在算法仿真和指紋圖像讀取，在確保硬件連接無誤的情況下，對指紋圖像采集，并提取指紋圖像數(shù)據(jù)，在軟件仿真的環(huán)境下調(diào)試各個(gè)功能算法，在得到預(yù)期效果之后，再使用硬件調(diào)試，完成基于DSP5416數(shù)據(jù)處理的實(shí)現(xiàn)。

對于STM32控制板，選用Keil軟件進(jìn)行調(diào)試，同樣在確保硬件連接無誤的情況下，同時(shí)算法達(dá)到預(yù)期效果，直接采取硬件調(diào)試的方法，控制部分主要完成不同按鍵輸入信號(hào)下，系統(tǒng)功能選擇，TFT協(xié)調(diào)顯示功能等，系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果如圖2。

注釋

① 苑瑋琦.基于DSP的指紋識(shí)別平臺(tái)設(shè)計(jì).儀器儀表學(xué)報(bào)，2002.6.

② 周韋琴.基于FPS200傳感器和DSP的指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2007.10：24-26.

③ 畢衛(wèi)紅，王娟.基于DSP的圖像采集系統(tǒng).現(xiàn)代電子技術(shù)，2008.2：10-12.

④ 劉文星，王雄沂，母國光.紋線跟蹤及其在細(xì)化指紋后處理中的應(yīng)用.光電子·激光，2002.13 （2）：184-187.

⑤⑨簡兵，莊鎮(zhèn)泉等.基于脊線跟蹤的指紋圖細(xì)節(jié)提取算法.電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2001.

⑥ 廖昌俊，李玉柏.指紋識(shí)別的二值化和細(xì)化的DSP實(shí)現(xiàn).電子產(chǎn)品世界www.eepw.com.cn， 2004.5.

⑦ 張?zhí)幂x，田捷，劉旭.基于DSP指紋識(shí)別核心算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003.6.

⑧ 鄭曉隆.指紋圖像預(yù)處理和特征提取研究[D].電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.