一種嵌入式指紋識別系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄧江洪 趙領(lǐng)

摘 要： 為了克服基于PC平臺的指紋識別系統(tǒng)體積較大、可移動性不佳、不便于攜帶等不足，對嵌入式技術(shù)實現(xiàn)的指紋識別系統(tǒng)進行研究。對指紋識別算法進行分析，從硬件與軟件兩個方面著手，使用S3C2410微處理器與MBF200指紋采集傳感器為硬件核心，拓展必要的外部設(shè)備，設(shè)計完成指紋識別系統(tǒng)。經(jīng)過實際測試，該指紋識別系統(tǒng)具有實時性好、識別準確率高的優(yōu)點，體積輕便、便于移動，為同類產(chǎn)品的設(shè)計研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 指紋識別； 嵌入式系統(tǒng)； 指紋識別算法； MBF200

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0120?03

Design and implementation of an embedded fingerprint identification system

DENG Jianghong， ZHAO Ling

（Huanghuai University， Zhumadian 463000， China）

Abstract： In order to overcome the insufficiency （large volume， poor mobility） of the fingerprint identification system based on PC platform， the fingerprint recognition system based on the embedded technology is researched， the fingerprint identification algorithm is analyzed， and the realization of the system is studied in the two aspects of hardware and software. The microprocessor S3C2410 and fingerprint sensor MBF200 are adopted as the hardware core to expand the necessary external devices. The fingerprint identification system was designed and completed. The actual testing shows that the fingerprint identification system based on S3C2410 possesses the advantages of good real?time performance， high recognition accuracy， small volume and light weight， and is easy to move. The research provided a reference for design of similar products.

Keywords： fingerprint identification； embedded system； fingerprint recognition algorithm； MBF200

0 引 言

指紋識別技術(shù)是生物特征識別技術(shù)中的一個熱點問題，當前基于PC系統(tǒng)的指紋圖像識別已經(jīng)較為成熟，并且在很多的身份確認領(lǐng)域中廣泛應用，但是基于PC的指紋識別系統(tǒng)具有體積較大、可移動性不佳、不便于攜帶的明顯不足，直接限制了指紋識別系統(tǒng)的進一步應用與普及。因此運用嵌入式技術(shù)，設(shè)計體積小、成本低、識別準確率高的指紋識別系統(tǒng)，對加快指紋識別技術(shù)的應用推廣具有重要的現(xiàn)實意義。

1 指紋識別算法

指紋識別算法決定了整個指紋識別系統(tǒng)的可靠性與工作效率，是指紋識別系統(tǒng)中的核心。

1.1 指紋識別算法流程

指紋識別算法一般要包括指紋圖像處理、提取特征值、相似特征匹配等部分。其中指紋圖像處理部分最為重要，該部分又包括了指紋圖像歸一化、指紋圖像分割、指紋圖像增強、指紋圖像二值化、指紋圖像細化等操作。指紋算法執(zhí)行過程如圖1所示。

1.2 指紋圖像處理方法

指紋圖像處理包括了歸一化、分割、增強、二值化、細化等部分，下面對其中的重要部分進行闡述。

1.2.1 圖像歸一化

指紋采集的過程中，諸多外界因素，如手指接觸的均勻性、下壓力度的均勻性、墨印密度的均勻性等均可能造成采集圖像的脊線與谷線發(fā)生偏差，使得整個采集圖像質(zhì)量降低，從而造成圖像后續(xù)使用的極大不便，甚至造成采集失敗的嚴重后果，因此使用歸一化是為了提高指紋圖像采集質(zhì)量而進行的必要處理。歸一化計算公式如下：

式中：M0為處理后的灰度值；[VAR0]為期望方差；I（i，j）表示點的灰度值；Mean，VAR為原始圖像的灰度值與方差。

1.2.2 圖像細化

指紋識別的過程中，考察的核心因素是圖像中紋脊的走向特點，紋脊的寬度如何不是指紋識別的關(guān)鍵。因此在圖像處理過程的最后一步，應對圖像進行細化處理，細化即是將紋脊的寬度降低到一個像素為佳，將紋脊邊緣的像素均做連續(xù)擦除，經(jīng)過細化后，可以提高特征提取的準確度。本設(shè)計中使用形態(tài)學細化算法，算法的實現(xiàn)方法將圖像劃分為若干個3×3的圖像區(qū)域，如圖2所示，一共9個像素點分別為P1～P9。

如果Z0表示特定點周圍8個點像素從0跳變至1的次數(shù)，則按如下公式表示：

當如下3個式子同時成立時，則考察點P1為邊界多余點，將其刪除：

將圖像中所有像素點全部執(zhí)行上述操作，直至再無像素點可刪，最終即得到細化后的指紋圖像。圖像經(jīng)歸一化與細化后效果圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件整體結(jié)構(gòu)

本指紋識別系統(tǒng)選用Samsung公司的S3C2410處理器作為控制核心。S3C2410處理器基于以ARM920T處理器為內(nèi)核，采用0.18 μm制造工藝的32位微控制器，ARM920T CPU的強大指令集可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計需要，指紋采集傳感器采用了富士通公司電容式固體指紋采集傳感器， MBF200能采集到500 DPI的指紋圖像，可以完全滿足系統(tǒng)實際采集需求。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 電源設(shè)計

電源是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的基礎(chǔ)，電源設(shè)計中有諸多因素需要充分考慮，具體包括電源的輸入與輸出電壓、電流、功率狀況、電源的體積限制、外界的干擾因素以及性價比等。

本設(shè)計中電源選用了電池2.4 V電壓的輸入方式，系統(tǒng)中使用的5 V電壓通過DC/DC轉(zhuǎn)換的形式實現(xiàn)，系統(tǒng)中的3.3 V與1.8 V電壓的輸出通過LDO調(diào)整輸出即可完成，整個系統(tǒng)供電按此方式實現(xiàn)。

2.3 復位電路設(shè)計

復位電路在指紋識別系統(tǒng)中實現(xiàn)系統(tǒng)的上電復位與按鍵復位功能，該電路設(shè)計方法多種多樣，RC電路與其他的方式均可實現(xiàn)，但無論實現(xiàn)方式如何，復位電路的穩(wěn)定性對系統(tǒng)的工作狀況起著不可替代的作用。本設(shè)計中使用RC復位電路的方式完成復位電路。其工作原理是在系統(tǒng)上電之后，由電阻對電容進行充電，電容在獲得充電過程中，達到的效果為電容電壓快速升高，至此REST與nREST分別輸出高低電平，達到系統(tǒng)復位效果。一旦電容電源升高到高電平狀態(tài)，REST與nREST將輸出相反的低高電平，此時系統(tǒng)工作達到正常狀態(tài)。設(shè)計中使用二極管加入RC復位電路中，以達到電源降低實現(xiàn)電容放電系統(tǒng)復位的功能。

2.4 指紋采集裝置設(shè)計

指紋采集裝置主要通過MBF200指紋采集傳感器實現(xiàn)指紋的采集，該傳感器的原理是通過器件表面屬于絕緣層，當手指與其接觸后，手指指紋與傳感器陣列的金屬電極產(chǎn)生了變化的電容值，引起了二維陣列上電壓值的變化，最終可以采集到對應的指紋圖像信息。MBF200與S3C2410的通信狀態(tài)如圖5所示。

圖5中MBF200數(shù)據(jù)線D0～D7實現(xiàn)與S3C2410數(shù)據(jù)的通信，S3C2410的49引腳負責為MBF200供電，讀/寫兩種信號由S3C2410的nWE，nOE與MBF200的WR，RD引腳連接完成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括兩部分：控制系統(tǒng)軟件與應用軟件，前者主要是指使用的嵌入式操作系統(tǒng)，用以實現(xiàn)整個指紋識別系統(tǒng)的運行。后者主要是指實現(xiàn)指紋識別算法與指紋數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)的移植

基于ARM指紋識別系統(tǒng)軟件實現(xiàn)基礎(chǔ)是μC/OS?Ⅱ的移植，本設(shè)計中使用的硬件可以保證C編譯器生成可重入的代碼，設(shè)計中將與處理器和編譯器相關(guān)的代碼放置在系統(tǒng)的includes.h之中，同時運用C語言編寫了與μC/OS?Ⅱ相關(guān)的多個函數(shù)，實現(xiàn)堆棧初始化、μC/OS?Ⅱ功能擴展、任務切換等功能。

3.2 指紋傳感器驅(qū)動程序設(shè)計

μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)環(huán)境下如要實現(xiàn)對指紋傳感器MBF200的管理，需要設(shè)計相應的驅(qū)動程序。設(shè)計中對MBF200的驅(qū)動寫在函數(shù)int ioctl（int f，int cmd，…）之中，通過多分支結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對多個操作命令的不同功能。驅(qū)動程序由S3C2410編譯后得到目標文件，由目標機加載后即可使用。

3.3 系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序通過C語言編寫，主要通過S3C2410實現(xiàn)對指紋采集傳感器的控制，系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié) 語

系統(tǒng)經(jīng)過對指紋識別算法和整體系統(tǒng)進行分別的測試，達到了預期的效果。指紋識別算法的測試通過PC機完成，主要通過AXD軟件將指紋原始圖片從內(nèi)存中讀出存儲到特定位置完成比對。整體測試通過相應設(shè)備連接后，由指紋傳感器采集指紋并由處理器按照指紋識別算法進行分析處理，最終識別結(jié)果通過LCD輸出。結(jié)果顯示，系統(tǒng)率可達到2.17%，認假率可達到0.73%，指標達到民用需要。

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