基于嵌入式linux的指紋識別系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

馮志偉

【摘 要】將指紋識別技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合可以使指紋識別系統(tǒng)擺脫空間與環(huán)境的限制，更加廣泛的適用于各種場合的需要。系統(tǒng)硬件平臺采用基于ARM9架構(gòu)的S3C2410嵌入式平臺。本文對指紋圖像預(yù)處理、特征值提取和指紋匹配算法進行了改進。實測結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運行在ARM平臺上，對指紋識別技術(shù)在嵌入式平臺應(yīng)用具有很大參考價值。

【關(guān)鍵詞】嵌入式；Linux；指紋識別；MiniGUI

0.引言

計算機的發(fā)展使指紋識別技術(shù)得到高速發(fā)展。目前指紋識別系統(tǒng)的發(fā)展以嵌入式系統(tǒng)為主，嵌入式指紋識別系統(tǒng)需要構(gòu)建可靠的嵌入式平臺，而且由于資源有限，對指紋識別算法要求較高。嵌入式指紋識別系統(tǒng)體積小、靈活性高、操作簡單，能夠很好的滿足實際需要。與其它生物識別技術(shù)相比，指紋具有較高的穩(wěn)定性、獨特性。指紋絕對可以通過每個指紋的細節(jié)特征進行區(qū)分。

1.指紋識別系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)以S3C2410微處理器為核心，外圍擴展了SDRAM、RAM芯片、FLASH芯片、RTL8019AS網(wǎng)卡芯片。S3C2410的通用IO口與液晶顯示屏、鍵盤相連，完成與用戶的交互操作，構(gòu)成了了本系統(tǒng)的硬件開發(fā)板。指紋采集模塊采用的是Veridicom公司的FPS200指紋傳感器模塊，并通過USB接口與開發(fā)板相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)指令的傳送，從而在開發(fā)板上完成指紋的獲取、預(yù)處理、提取特征值、特征值對比等功能。系統(tǒng)機構(gòu)框架見圖1。

操作系統(tǒng)啟動后對FPS200指紋模塊進行初始化，然后通過USB將采集到的指紋圖像傳送到ARM開發(fā)板上，應(yīng)用程序?qū)ψx入的指紋圖像進行處理并，最后進行指紋的匹配。

2.嵌入式linux開發(fā)平臺搭建與實現(xiàn)

2.1嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System，簡稱EOS）負責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部資源的分配和調(diào)度工作，管理任務(wù)和并發(fā)操作，為開發(fā)人員提供統(tǒng)一的接口和硬件抽象。嵌入式操作系統(tǒng)除具備任務(wù)調(diào)度、中斷處理、文件操作等一般操作系統(tǒng)所具有的最基本功能外，還具有小巧、穩(wěn)定可靠、可移植性好、可擴展性好、具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能及硬件支持等優(yōu)點。

2.2嵌入式Linux交叉編譯環(huán)境的搭建

交叉編譯需要一個高性能的宿主機，用來編譯應(yīng)用開發(fā)的源程序，然后可以生成目標(biāo)平臺的可執(zhí)行程序。建立交叉編譯環(huán)境需要完成兩件事：宿主機的選擇和交叉編譯環(huán)境的建立。

2.2.1宿主機的選擇

嵌入式Linux開發(fā)的宿主機可以選擇安裝Linux操作系統(tǒng)的主機或是裝有Linux虛擬機的主機。本文選擇Fedora12作為宿主機的操作系統(tǒng)，Linux宿主機與目標(biāo)機通過兩種方式進行連接：（1）網(wǎng)絡(luò)方式，通過TFTP和NFS服務(wù)；（2）串口方式minicom。

2.2.2交叉編譯環(huán)境的建立

交叉編譯就是在一個平臺上編譯生成可在另一個平臺上執(zhí)行的程序。平臺是指體系結(jié)構(gòu)（Architecture）和操作系統(tǒng)（Operating System）。為了Linux的應(yīng)用程序的開發(fā)，構(gòu)建一個多體系結(jié)構(gòu)的交叉編譯環(huán)境是非常必要的。

2.5設(shè)備驅(qū)動程序移植

在Linux系統(tǒng)下將設(shè)備分為三類：字符設(shè)備，塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備驅(qū)動程序與訪問普通文件一樣，需要至少實現(xiàn)open、close、read和write等方法，但是普通文件可以前后移動的訪問，字符設(shè)備通常只能順序訪問。塊設(shè)備與字符設(shè)備類似，塊設(shè)備上可以容納文件系統(tǒng)。但是塊設(shè)備和字符設(shè)備在內(nèi)核中數(shù)據(jù)的管理方式不同，內(nèi)核與驅(qū)動程序之間的軟件接口也不同。

Linux設(shè)備驅(qū)動的移植分為兩種，一種是內(nèi)核已經(jīng)支持的硬件，這些設(shè)備驅(qū)動移植比較簡單，只需在內(nèi)核配置時加入該設(shè)備，并添加相應(yīng)的初始化代碼即可。另一種是內(nèi)核不支持的硬件，首先要編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序，然后通過交叉編譯生成驅(qū)動模塊文件，在應(yīng)用程序使用該驅(qū)動時加載驅(qū)動模塊。與U-Boot的移植一樣，Linux內(nèi)核也需要對K9F1208U0B NAND Flash、RTL8019AS網(wǎng)卡進行驅(qū)動的移植，而且內(nèi)核中還要加入LCD、觸摸屏和USB驅(qū)動的移植。

2.6根文件系統(tǒng)的設(shè)計

嵌入式Linux可以支持的多種文件系統(tǒng)，最常用的是Cramfs、YAFFS、JFFS等。

3.指紋識別算法研究

指紋識別算法是將采集到的指紋與指紋模板進行對比，判斷它們是否為同一枚手指。目前的指紋識別過程如圖3所示。系統(tǒng)從指紋傳感器獲得原始指紋圖像，首先要對采集的圖像進行預(yù)處理，將噪聲等無用信息去除，并且將有用信息加強。其次對處理后的圖像提取特征，獲得能夠區(qū)分指紋的唯一性特征。注冊指紋是把得到的指紋加入到指紋庫中。最后對指紋匹配，通常為了節(jié)省查找時間，會將指紋數(shù)據(jù)庫分類。

3.1指紋圖像預(yù)處理

指紋模塊采集到的指紋圖像是灰度圖像，這些灰度圖像中通常包含有噪聲等無用信息，而這些無用信息嚴重影響到指紋識別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，為了提高系統(tǒng)的性能需要對指紋圖像進行預(yù)處理。指紋圖像預(yù)處理包括提取指紋圖像中指紋的有效區(qū)域，去除有效區(qū)域中的噪聲，加強指紋有效信息，為指紋特征提取和最終的識別提供好的條件。

3.1.1歸一化

歸一化的算法描述如下：假設(shè)指紋圖像大小為N×N，G（i，j）為像素點（i，j）的灰度值，N（i，j）為歸一化后像素點（i，j）的灰度值，對指紋圖像中的像素點依次應(yīng)用公式（1）實現(xiàn)歸一化。歸一化處理調(diào)整圖像灰度值的均值和方差到一個希望的范圍內(nèi)，保證采集到的指紋圖像的灰度值能夠在同一個級別上，為以后的處理算法提供一個好的條件。

3.1.2分割

指紋模塊采集到的指紋圖像包括指紋和背景兩部分，所以在預(yù)處理時需要將背景分割出去，只留下指紋部分。分割操作就是將指紋圖像的有效指紋區(qū)域保留下來進行后續(xù)的預(yù)處理操作。

3.1.3基于點方向的二值化

通常在對指紋圖像進行二值化之前要先完成濾波去噪，如卷積法、Gabor等，但是這些算法運算量較大，不適宜在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中使用，所以本文中采用將濾波和二值化合并的算法，即基于點方向的二值化，能夠在較小的運算代價下去除一定的粘連和連接斷文等。二值化操作就是將255級灰度圖像轉(zhuǎn)化為只顯示黑和白兩種顏色的指紋圖像。

3.1.4去噪

雖然二值化能夠消除一些噪聲干擾，但是可能會引入新的噪聲，而且指紋紋線上可能會存在少數(shù)氣泡噪聲，指紋圖像邊緣上也會有部分毛刺存在。這些噪聲會對后面的指紋特征提取造成影響，所以在完成二值化操作后需要進行一步去噪的操作，刪除指紋圖像邊緣的毛刺和對指紋紋線上的氣泡進行填充。

3.1.5細化

經(jīng)過上面幾步的處理，基本得到了指紋紋線，但是紋線的寬度卻是不均勻的，原因可能是采集指紋圖像時手指壓力大小不同或是手指不干凈等噪聲影響，紋線不均勻會給指紋特征提取帶來比較大的誤差。對圖像進行細化的算法有很多，常用算法有：Hitditcb算法、E.S.Deutsch算法和OPTA算法。

3.2指紋特征提取

在進行指紋特征提取前會利用紋線跟蹤算法對指紋圖像中紋線進行修復(fù)，修復(fù)后的指紋圖像會提高指紋特征提取的效果和效率，但是如果指紋圖像噪聲干擾嚴重時，指紋修復(fù)就是一件非常困難的任務(wù)，對于不同的指紋圖像，指紋修復(fù)算法效果差別會很大，從而影響到指紋識別算法。還有一種處理方法是，對細化后的指紋圖像直接進行指紋特征提取，當(dāng)然提取的特征中會包含大量的偽特征，但是這樣的提取過程簡單，簡化了算法的復(fù)雜度；然后再根據(jù)實際中真實特征點和偽特征點的特點，對提取的特征進行篩選，刪除偽特征，最終得到真實有用的特征點集。

3.3指紋特征匹配

指紋匹配是指紋識別系統(tǒng)非常關(guān)鍵的一步，目前已經(jīng)做了大量的研究，常見的匹配算法有基于點模式的指紋匹配算法，基于紋理結(jié)構(gòu)的匹配算法，基于紋線的匹配算法等。點模式匹配算法因其不高的時間和空間復(fù)雜度，非常適合在嵌入式環(huán)境下使用。本文就采用基于二維群集的點模式匹配算法進行指紋匹配。

4.結(jié)束語

本設(shè)計在S3C2410實驗箱平臺上實現(xiàn)基于Linux操作系統(tǒng)的指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，采用先進的FPS200指紋采集模塊，設(shè)計了良好的圖形交互界面。本文對基于嵌入式linux的指紋識別系統(tǒng)進行了深入研究，硬件平臺采用基于ARM9架構(gòu)的S3C2410嵌入式平臺。對指紋識別算法進行了深入的研究，選擇和改進后的算法更適用于嵌入式平臺，算法主要分為三個部分：指紋圖像預(yù)處理、特征值提取和指紋匹配。 [科]

【參考文獻】

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