基于雙目視角的嵌入式3D指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛明濤+關(guān)景新+董素鴿

摘 要： 采用指紋信息作為身份識(shí)別手段的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，但傳統(tǒng)的指紋信息識(shí)別身份時(shí)存在容易被仿造的缺點(diǎn)。3D指紋信息不但可以進(jìn)一步提高指紋識(shí)別率而且可以很好地克服該缺點(diǎn)。在此主要介紹利用雙目視角技術(shù)采集3D指紋信息，提出了一種3D指紋信息采集的解決方案。詳細(xì)介紹了以MTK平臺(tái)作為控制平臺(tái)，DSP芯片做算法處理的硬件設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的硬件成本低且安全性高。在C/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過測(cè)試該硬件方案可以直接在客戶端上采集信息，便攜性好。

關(guān)鍵詞： 雙目視角； 嵌入式系統(tǒng)； 3D指紋識(shí)別； 3D指紋信息采集

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0155?04

Design of embedded 3?D fingerprint identification system based on binocular vision

GE Ming?tao1， GUAN Jing?xin2， DONG Su?ge1

（1. Sias International University， Zhengzhou 451150， China； 2. School of Zhuhai Polytechnic， Zhuhai 519000， China）

Abstract： To take the fingerprint information as a means of identity recognition is very popular now， but the traditional means has a fault being easy to be copied. 3?D fingerprint information can further improve the recognition rate and overcome this fault. The 3?D fingerprint information acquisition realized by the aid of the binocular vision technology is introduced. A solution scheme to correct 3?D fingerprint information is proposed. The hardware design of using MTK as a control platform and DSP chip for algorithm processing is described. The testing results show that the system can directly correct information on the client?side. The system has low cost， high securety， high accuracy and good portability.

Keyword： binocular vision； embedded system； 3?D fingerprint identification； 3?D fingerprint information acquisition

0 引 言

近代指紋識(shí)別系統(tǒng)就指紋的采集方式而言總體可分為接觸式和非接觸式。接觸式的識(shí)別方式，如指紋鎖，手續(xù)簡(jiǎn)化識(shí)別率較高，但由于模仿手指蘸墨壓印的方式，得到的指紋圖像容易被模仿，反偵查能力差，同時(shí)容易受手指的環(huán)境條件干擾；非接觸式的指紋識(shí)別系統(tǒng)[1]，可以排除手指環(huán)境及壓印等外部因素，進(jìn)一步提高了識(shí)別率，卻有脊紋不明顯而失配率高的缺點(diǎn)。新近提出的基于雙目視角的非接觸式3D指紋識(shí)別系統(tǒng)[2]，解決了二維指紋圖像脊紋不明顯而失配率高的問題，但以計(jì)算機(jī)為處理中心，系統(tǒng)體積大，便攜性差，硬件成本高。

為了完成指紋信息庫(kù)的建立及信息的網(wǎng)絡(luò)化要求，一個(gè)完善的指紋采集系統(tǒng)按功能把系統(tǒng)劃分為客戶端和服務(wù)器兩部分。以往的采集系統(tǒng)客戶端大多僅僅完成信息采集任務(wù)，把采集的信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器完成對(duì)比算法任務(wù)后，再將信息識(shí)別的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給客戶端，這樣的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不高，且便攜性不好，客戶端離開服務(wù)器后無法單獨(dú)完成信息識(shí)別任務(wù)，獨(dú)立性較差。

本文提出了一種雙目視角的非接觸式3D指紋識(shí)別系統(tǒng)的方案，應(yīng)用該方案能夠很好地解決以下問題。

（1） 指紋信息采集采用雙目視角光學(xué)采集模塊，具有識(shí)別率高，不易被模仿，反偵察能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

（2） 客戶端采用聯(lián)合MTK和DSP作為嵌入控制雙核心，將傳感器采集的指紋信息通過DSP器件做識(shí)別算法，并由MTK集成平臺(tái)完成與服務(wù)器無線方式的信息傳遞。

1 3D指紋信息采集原理

1.1 3D指紋

3D指紋[2]是一種新興的技術(shù)手段，能深刻地呈現(xiàn)手指上的山脊和山谷般的紋線。通常，采用非接觸的工作方式采集而成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 真實(shí)性高，排除了擠壓帶來的皮膚扭曲，獲得的指紋自然舒展；

（2） 環(huán)境容限率好，各種條件的手指皮膚條件，如干濕、骯臟等，都不影響正常采樣；

（3） 舒適程度高，非接觸式模式下采樣，可以實(shí)現(xiàn)隱秘采集指紋，抵抗反偵查的各種虛假手段成功率高；

（4） 兼容性好，3D指紋展平后可以兼容現(xiàn)有二維指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 雙目視角

雙目視角（Binocular Vision）成像技術(shù)[2]可以用于非接觸3D指紋圖像采集，結(jié)合現(xiàn)有的兩種3D成像技術(shù)——多目視角（N?Views）和結(jié)構(gòu)光（Structured?Light，SI）掃描，而形成的一種3D成像技術(shù)，其原理是：采用光投影的方式，在事物上投影出一定式樣的結(jié)構(gòu)光，形成一定角度的兩臺(tái)高清攝像頭采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過后臺(tái)處理該兩組數(shù)據(jù)，還原出某一視覺范圍內(nèi)的3D圖像。該技術(shù)采集設(shè)備數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采集速度快。

1.3 雙目視角3D指紋采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示的雙目視角3D指紋采集結(jié)構(gòu)圖，即為本系統(tǒng)的采集傳感部分。為了獲得高清圖像，本系統(tǒng)中選擇了OmniVision公司生產(chǎn)的800萬(wàn)像素手機(jī)攝像頭模組OV8820和三星公司生產(chǎn)的、具有1 920×1 080高清分辨率的A600B投影儀。由于OV8820具有移動(dòng)產(chǎn)業(yè)處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）以及A600B具有高清晰度多媒體接口（HDMI），方便了系統(tǒng)的集成。

圖1 雙目視覺的3D指紋采集原理

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3D指紋識(shí)別系統(tǒng)采用了客戶端/服務(wù)器（C/S）模式，如圖2所示。服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理中心，主要接收客戶端的傳輸請(qǐng)求，解析指紋數(shù)據(jù)包的命令和建立數(shù)據(jù)庫(kù)反饋?zhàn)R別結(jié)果。

客戶端主要包括控制單元、指紋算法實(shí)現(xiàn)單元和信息采集單元三部分?？刂茊卧瓿扇蠊δ埽号c服務(wù)器交互進(jìn)行結(jié)果反饋、控制光學(xué)采集系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)、與指紋算法核心有效溝通處理數(shù)據(jù)；指紋算法單元?jiǎng)t進(jìn)行復(fù)雜的圖像處理；信息采集單元接收控制核心的控制命令，瞬間實(shí)現(xiàn)指紋采集并傳輸數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)以雙核MTK和DSP為雙控制核心取代以往的單一內(nèi)核，功能分離、權(quán)責(zé)分明，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性以及開放性得到大大的提高。如圖2所示，MTK6577芯片內(nèi)部的雙核CPU可以完美地實(shí)現(xiàn)控制與傳輸功能分離，TMS320C5515型DSP分擔(dān)復(fù)雜的圖像處理事務(wù)。

圖2 實(shí)時(shí)3D指紋識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.1 MTK平臺(tái)

聯(lián)發(fā)科技（Media Tek，MTK）平臺(tái)[3]，是一款通用的嵌入式手機(jī)開發(fā)平臺(tái)；系統(tǒng)方案內(nèi)部采用開放式的軟硬件接口，具有強(qiáng)大的技術(shù)支持，用戶可以快速地定制無線通信的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，MTK平臺(tái)作為控制核心，其功能從硬件底層來看是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的輸入/輸出；從3D指紋識(shí)別系統(tǒng)上層來看是實(shí)現(xiàn)雙目視角的照相機(jī)驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生和控制、圖像數(shù)據(jù)的采集、與服務(wù)器無線傳輸通信等。MTK芯片的選擇主要考慮了以下三個(gè)因素：

（1） 控制投影儀產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光投影，需要支持高清晰度多（HDMI）；

（2） 控制雙攝像頭采集，需要高性能高速度的MTK芯片；

（3） 為保證數(shù)據(jù)與服務(wù)器的實(shí)時(shí)無線傳輸，需快速的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

在MTK公司的眾多基帶芯片中，MTK6577是一款高性能的雙核處理器。其主頻只高達(dá)1.2 GHz，不僅芯片內(nèi)核強(qiáng)大：采用Cortex A9構(gòu)架，二級(jí)緩存高達(dá)1 MB，集成3G移動(dòng)寬帶連接，支持單模HSPA+網(wǎng)絡(luò)，上傳下載速度不低于5.6 Mb/s，集成了圖像信號(hào)處理器、JPEG硬件編碼和解碼器，最高可以以15 f/s的速度進(jìn)行800萬(wàn)像素圖像采集等；而且外圍接口豐富，具有一個(gè)高清晰度多媒體接口（HDMI）和雙攝像頭接口。

2.2 DSP功能

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）在本系統(tǒng)中作為控制核心的附屬機(jī)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)與MTK芯片之間指紋數(shù)據(jù)的輸入和輸出、指紋算法運(yùn)行處理這兩大功能。前一個(gè)功能主要是依賴于硬件外部接口間實(shí)現(xiàn)，而后一個(gè)功能偏向于DSP芯片內(nèi)部資源。因此，在選型方面主要考慮以下因素：

（1） 與MTK芯片之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，需要專用的外部存儲(chǔ)器接口（External Memory Interface， EMIF）；

（2） 為了保證實(shí)時(shí)性，專用的快速傅立葉（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）運(yùn)算硬件器更有利于指紋圖像算法的執(zhí)行。

TI公司的TMS320C5515[4]是一款高性價(jià)比的DSP芯片，專為生物模式識(shí)別應(yīng)用而開發(fā)的。芯片采用定點(diǎn)數(shù)的TMS320C55xDSP處理器核，內(nèi)部有一個(gè)緊耦合式的FFT硬件加速器，主頻可高達(dá)120 MHz，320 KB片上RAM，外加一個(gè)EMIF接口，利于指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 雙目視角的硬件接口

MTK6577采用標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)應(yīng)用處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）協(xié)議，方便了用戶開發(fā)影像方面的應(yīng)用。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)用了MTK6577芯片自帶的高速照相機(jī)串行接口（Camera serial interface，CSI）與相機(jī)模塊OV8820進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并采用了串行相機(jī)控制總線（Serial Camera Control Bus，SCCB）控制相機(jī)進(jìn)行采集事務(wù)，如圖3所示。

圖3 雙目視角的硬件接口

3.2 雙控制核心協(xié)同接口設(shè)計(jì)

雙目視角的3D指紋識(shí)別系統(tǒng)采用了雙核心的模式[5]。考慮到指紋識(shí)別系統(tǒng)需要完成圖像采集、處理、存儲(chǔ)并與服務(wù)器進(jìn)行傳輸?shù)仁聞?wù)，本系統(tǒng)中采用了兩片由Micron公司生產(chǎn)的SDRAM存儲(chǔ)器MT48LC16M16A2，通過Altera公司的CPLD芯片，形成大容量雙動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)存取方式，協(xié)同雙控制核心的工作事務(wù)[6]，如圖4所示。MT48LC16M16A2存儲(chǔ)器片是一款具有256 MB的大容量，位寬為16 b，4個(gè)大小為4 MB大小的存儲(chǔ)Bank，不但片內(nèi)Bank間可以實(shí)現(xiàn)乒乓式數(shù)據(jù)存取，而且片間的乒乓式數(shù)據(jù)存取，極大方便指紋采集與處理、暫存與傳輸?shù)仁聞?wù)交替運(yùn)行。

圖4 雙控制核心協(xié)同接口

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)基于雙目視角的3D指紋采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括客戶端模塊、服務(wù)器端模塊和C/S結(jié)構(gòu)下的協(xié)同開發(fā)三部分，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件框架

4.1 客戶端模塊設(shè)計(jì)

客戶端模塊基于Android平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的。在Android平臺(tái)的應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、組件庫(kù)層和虛擬機(jī)等應(yīng)用框架的基礎(chǔ)上，開發(fā)了3D指紋采集系統(tǒng)的指紋算法[7]、圖像采集等應(yīng)用層的程序；在Android平臺(tái)的Linux內(nèi)核層經(jīng)過可裁剪處理，改進(jìn)雙攝像頭、增加結(jié)構(gòu)光協(xié)同事務(wù)等硬件驅(qū)動(dòng)。

客戶端模塊工作時(shí)，會(huì)請(qǐng)求與服務(wù)器連接，然后開啟多任務(wù)多線程，監(jiān)測(cè)采集事務(wù)，進(jìn)行存儲(chǔ)，指紋數(shù)據(jù)處理后，啟動(dòng)通信線程，發(fā)送至服務(wù)器，等待服務(wù)器匹配響應(yīng)命令。

4.2 服務(wù)器端模塊設(shè)計(jì)

服務(wù)器端模塊設(shè)計(jì)基于Java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)的，功能的實(shí)現(xiàn)采用報(bào)文偵聽方式。如圖5所示，當(dāng)服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)，首先加入到一個(gè)組播地址中，然后初始化Socket，并對(duì)規(guī)定的端口進(jìn)行偵聽。在客戶端與服務(wù)器端連接請(qǐng)求并雙方握手成功后，即進(jìn)入等待請(qǐng)求解析命令等狀態(tài)，可以接收客戶端面的指紋數(shù)據(jù)，響應(yīng)客戶端的指紋匹配任務(wù)，根據(jù)匹配結(jié)果反饋給客戶端。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于雙目視角的3D成像原理，采用MTK和DSP相結(jié)合的方法構(gòu)建了一套指紋識(shí)別系統(tǒng)。該方案采用的3D指紋識(shí)別技術(shù)使得指紋識(shí)別度高且反偵察能力強(qiáng)；采用C/S結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在客戶端就可以實(shí)現(xiàn)指紋信息的識(shí)別功能，具有很好的實(shí)時(shí)性和便攜性。同時(shí)該方案與能達(dá)到相似性能的方案相比硬件成本低，非常適合即要求安全性高又要求便攜性好的場(chǎng)所，如出入境關(guān)口等環(huán)境的信息檢測(cè)。硬件系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了客戶端的指紋采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及3D指紋算法運(yùn)算。

參考文獻(xiàn)

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整個(gè)基于雙目視角的3D指紋采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括客戶端模塊、服務(wù)器端模塊和C/S結(jié)構(gòu)下的協(xié)同開發(fā)三部分，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件框架

4.1 客戶端模塊設(shè)計(jì)

客戶端模塊基于Android平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的。在Android平臺(tái)的應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、組件庫(kù)層和虛擬機(jī)等應(yīng)用框架的基礎(chǔ)上，開發(fā)了3D指紋采集系統(tǒng)的指紋算法[7]、圖像采集等應(yīng)用層的程序；在Android平臺(tái)的Linux內(nèi)核層經(jīng)過可裁剪處理，改進(jìn)雙攝像頭、增加結(jié)構(gòu)光協(xié)同事務(wù)等硬件驅(qū)動(dòng)。

客戶端模塊工作時(shí)，會(huì)請(qǐng)求與服務(wù)器連接，然后開啟多任務(wù)多線程，監(jiān)測(cè)采集事務(wù)，進(jìn)行存儲(chǔ)，指紋數(shù)據(jù)處理后，啟動(dòng)通信線程，發(fā)送至服務(wù)器，等待服務(wù)器匹配響應(yīng)命令。

4.2 服務(wù)器端模塊設(shè)計(jì)

服務(wù)器端模塊設(shè)計(jì)基于Java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)的，功能的實(shí)現(xiàn)采用報(bào)文偵聽方式。如圖5所示，當(dāng)服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)，首先加入到一個(gè)組播地址中，然后初始化Socket，并對(duì)規(guī)定的端口進(jìn)行偵聽。在客戶端與服務(wù)器端連接請(qǐng)求并雙方握手成功后，即進(jìn)入等待請(qǐng)求解析命令等狀態(tài)，可以接收客戶端面的指紋數(shù)據(jù)，響應(yīng)客戶端的指紋匹配任務(wù)，根據(jù)匹配結(jié)果反饋給客戶端。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于雙目視角的3D成像原理，采用MTK和DSP相結(jié)合的方法構(gòu)建了一套指紋識(shí)別系統(tǒng)。該方案采用的3D指紋識(shí)別技術(shù)使得指紋識(shí)別度高且反偵察能力強(qiáng)；采用C/S結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在客戶端就可以實(shí)現(xiàn)指紋信息的識(shí)別功能，具有很好的實(shí)時(shí)性和便攜性。同時(shí)該方案與能達(dá)到相似性能的方案相比硬件成本低，非常適合即要求安全性高又要求便攜性好的場(chǎng)所，如出入境關(guān)口等環(huán)境的信息檢測(cè)。硬件系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了客戶端的指紋采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及3D指紋算法運(yùn)算。

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整個(gè)基于雙目視角的3D指紋采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括客戶端模塊、服務(wù)器端模塊和C/S結(jié)構(gòu)下的協(xié)同開發(fā)三部分，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件框架

4.1 客戶端模塊設(shè)計(jì)

客戶端模塊基于Android平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)的。在Android平臺(tái)的應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、組件庫(kù)層和虛擬機(jī)等應(yīng)用框架的基礎(chǔ)上，開發(fā)了3D指紋采集系統(tǒng)的指紋算法[7]、圖像采集等應(yīng)用層的程序；在Android平臺(tái)的Linux內(nèi)核層經(jīng)過可裁剪處理，改進(jìn)雙攝像頭、增加結(jié)構(gòu)光協(xié)同事務(wù)等硬件驅(qū)動(dòng)。

客戶端模塊工作時(shí)，會(huì)請(qǐng)求與服務(wù)器連接，然后開啟多任務(wù)多線程，監(jiān)測(cè)采集事務(wù)，進(jìn)行存儲(chǔ)，指紋數(shù)據(jù)處理后，啟動(dòng)通信線程，發(fā)送至服務(wù)器，等待服務(wù)器匹配響應(yīng)命令。

4.2 服務(wù)器端模塊設(shè)計(jì)

服務(wù)器端模塊設(shè)計(jì)基于Java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)的，功能的實(shí)現(xiàn)采用報(bào)文偵聽方式。如圖5所示，當(dāng)服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)，首先加入到一個(gè)組播地址中，然后初始化Socket，并對(duì)規(guī)定的端口進(jìn)行偵聽。在客戶端與服務(wù)器端連接請(qǐng)求并雙方握手成功后，即進(jìn)入等待請(qǐng)求解析命令等狀態(tài)，可以接收客戶端面的指紋數(shù)據(jù)，響應(yīng)客戶端的指紋匹配任務(wù)，根據(jù)匹配結(jié)果反饋給客戶端。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于雙目視角的3D成像原理，采用MTK和DSP相結(jié)合的方法構(gòu)建了一套指紋識(shí)別系統(tǒng)。該方案采用的3D指紋識(shí)別技術(shù)使得指紋識(shí)別度高且反偵察能力強(qiáng)；采用C/S結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在客戶端就可以實(shí)現(xiàn)指紋信息的識(shí)別功能，具有很好的實(shí)時(shí)性和便攜性。同時(shí)該方案與能達(dá)到相似性能的方案相比硬件成本低，非常適合即要求安全性高又要求便攜性好的場(chǎng)所，如出入境關(guān)口等環(huán)境的信息檢測(cè)。硬件系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了客戶端的指紋采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及3D指紋算法運(yùn)算。

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