嵌入式系統(tǒng)在指紋識(shí)別中的應(yīng)用研究

劉帥

摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，指紋識(shí)別系統(tǒng)越來(lái)越多的被運(yùn)用到門(mén)禁以及眾多支付系統(tǒng)中。眾所周知，指紋識(shí)別系統(tǒng)是基于人體的不同手指紋路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，正如世界上沒(méi)有兩片完全相同的樹(shù)葉一樣，每個(gè)人的指紋的細(xì)節(jié)特征也不盡相同。目前，指紋識(shí)別技術(shù)可以說(shuō)是適用范圍最為廣泛的一種生物監(jiān)測(cè)方式，但是伴隨著人們對(duì)于安全系統(tǒng)的需求逐漸增多，對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)的要求也越來(lái)越高，再加上可能存在指紋會(huì)受到破壞，此時(shí)，就迫切需要設(shè)計(jì)出一款安全性能更高的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的就是一款更為安全便捷的基于嵌入式系統(tǒng)的指紋識(shí)別系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);指紋識(shí)別;硬件設(shè)計(jì)

一、引言

在信心技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)下，指紋識(shí)別技術(shù)并不是非常高端的識(shí)別技術(shù)，但是它還是在眾多生物識(shí)別技術(shù)中脫穎而出，原因并不在于它的技術(shù)含量有多高，而是在于個(gè)體的指紋具有永恒性的特征，在沒(méi)有受到外力的強(qiáng)行改變的情況下，基本上不會(huì)伴隨著個(gè)體的成長(zhǎng)和發(fā)育發(fā)生一定的變化。而人臉識(shí)別和氣味識(shí)別等方式并沒(méi)有指紋識(shí)別實(shí)用，他們更容易受到外界的影響。但是并不意味著指紋識(shí)別系統(tǒng)就沒(méi)有任何的缺點(diǎn)，現(xiàn)在還是有很多高校和居民樓使用的是單片機(jī)指紋識(shí)別系統(tǒng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，單片機(jī)指紋識(shí)別系統(tǒng)并沒(méi)有嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)高效、便捷。因此，本文設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式系統(tǒng)的指紋識(shí)別系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)嵌入式指紋系統(tǒng)的硬件條件進(jìn)行分析，以及其相關(guān)的軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

二、指紋識(shí)別技術(shù)的主要原理

就目前來(lái)說(shuō)，指紋識(shí)別系統(tǒng)是首先通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)生物識(shí)別鑒定的，屬于當(dāng)下使用范圍最廣的一種生物識(shí)別技術(shù)之一，指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及到的技術(shù)主要有：圖像獲取、圖像增強(qiáng)、指紋特征獲取、指紋信息分類(lèi)以及全局指紋的匹配。在指紋識(shí)別過(guò)程中主要分為四個(gè)部分，主要包括指紋信息收集、指紋預(yù)處理、指紋核查以及模板采集，在這四個(gè)主要的過(guò)程中還穿插著次要的步驟，其中較為重要的一環(huán)就是指紋的比對(duì)過(guò)程，而主要部分的前兩個(gè)部分也包含在指紋對(duì)比的環(huán)節(jié)中，另外還包括指紋總體特征的比對(duì)和匹配。

首先，指紋識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)中的指紋攝像裝置對(duì)正在進(jìn)行識(shí)別的指紋數(shù)字圖像進(jìn)行讀取，并利用一定的技術(shù)對(duì)于所獲取到的圖像進(jìn)行清晰化處理。其次，指紋識(shí)別算法在指紋識(shí)別系統(tǒng)初步處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行指紋圖像的建立，之后將使用數(shù)據(jù)表示的指紋的數(shù)字輸出。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，指紋識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別原理就是簡(jiǎn)單的個(gè)體指紋圖像的采集、甄別、對(duì)比以及匹配的過(guò)程，它在實(shí)質(zhì)上還是屬于對(duì)于指紋圖像的識(shí)別。

三、指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在整個(gè)指紋識(shí)別系統(tǒng)中，主要有三個(gè)層次結(jié)構(gòu)，其中指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件平臺(tái)使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，通常情況下，系統(tǒng)的硬件平臺(tái)是基于DSP的微處理結(jié)構(gòu)，微系統(tǒng)提供相應(yīng)的操作系統(tǒng)和通信接口。而操作系統(tǒng)作為指紋識(shí)別系統(tǒng)的第二層，能夠?yàn)橄到y(tǒng)的運(yùn)行提供接口驅(qū)動(dòng)程序，一旦硬件中斷，操作系統(tǒng)就能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的通信要求，不至于耽誤整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速率。第三層就是整個(gè)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)—指紋識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的指紋采集、對(duì)比和匹配。嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與普通的指紋識(shí)別系統(tǒng)還存在一定的差異，它的硬件系統(tǒng)主要包含了指紋傳感器、DSP圖像處理器以及FLASH接口等。

（一）指紋系統(tǒng)的硬件組成

1.指紋傳感器

在系統(tǒng)中，指紋傳感器的主要任務(wù)是采集指紋。在嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)中，主要是與指紋傳感器MBF200中的硅半導(dǎo)體直接觸碰。之后指紋圖像采集的指紋圖像由DSP進(jìn)行控制，并利用256進(jìn)行灰度數(shù)字量化，在通過(guò)傳感器傳遞到存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。

2、DSP圖像處理器

DSP作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要任務(wù)是對(duì)其周?chē)膬x器進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字模擬和通信功能。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，DSP首先需要做的是對(duì)所采集的圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，其次就是進(jìn)行指紋的識(shí)別，并控制其外圍的相關(guān)儀器設(shè)備，最后完成與以太網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)指紋的匹配。

3、FLASH、SDRAM接口

FLASH接口屬于一種能夠進(jìn)行電擦寫(xiě)，并且在斷電后不會(huì)出現(xiàn)信息丟失的存儲(chǔ)器，能耗低、容量大，并且能通過(guò)內(nèi)部嵌入的算法獨(dú)自完成對(duì)于芯片的一系列操作，正是因?yàn)镕LASH的操作性強(qiáng)、存儲(chǔ)方便等特點(diǎn)使得它在嵌入式系統(tǒng)中得到很大程度的使用。SDRAM接口主要作用在于運(yùn)行系統(tǒng)中的操作程序、文件系統(tǒng)以及其他的數(shù)據(jù)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，SDRAM的存取速度以及存儲(chǔ)量?jī)?yōu)于FLASH。

4、以太網(wǎng)接口

以太網(wǎng)接口是與DSP相連的，主要設(shè)計(jì)的是沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)環(huán)境下的指紋識(shí)別系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)未來(lái)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

5、人機(jī)界面

系統(tǒng)的顯示結(jié)果主要是由鍵盤(pán)輸入和界面顯示的人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在鍵盤(pán)輸入之后再進(jìn)行個(gè)體指紋的輸入和識(shí)別，界面顯示器對(duì)于所收集的指紋圖像進(jìn)行展示，識(shí)別結(jié)果就出現(xiàn)了。

（二）個(gè)體指紋采集模塊

本設(shè)計(jì)中的指紋傳感器為MBF200，該傳感器具有三種靈活的接口，其中采用的高速圖像傳輸技術(shù)能夠使得其快速在眾多圖像中選擇最為清晰的一張，并且對(duì)于環(huán)境的要求沒(méi)那么高，就算是在高溫、高濕的環(huán)境中也不會(huì)對(duì)其成像造成太大的影響。MBF200擁有微控制、USB以及SPI三種接口，其中SPI接口的存在目的是為了方便MBF能夠輕松與任意帶有同樣接口的微處理器匹配，從而提高圖像的傳輸速度。USB接口的作用在于在該指紋識(shí)別系統(tǒng)中形成USB內(nèi)核，當(dāng)該系統(tǒng)不需要USB時(shí)，使得傳感器本身成為一個(gè)USB設(shè)備，此時(shí)的圖像傳送速度會(huì)更高，能達(dá)到每秒13幀的速度。而該傳感器的微控制接口屬于8位的接口，在此模式下的傳送速度是最快的，速度高達(dá)每秒30幀。因此，這種不易磨損，對(duì)于環(huán)境沒(méi)有太大要求，并且圖像傳遞速度快的傳感器更適合嵌入式系統(tǒng)。MBF傳感器采集指紋的過(guò)程主要分為兩個(gè)階段，第一階段是數(shù)據(jù)采樣，第二階段是放電電壓的存儲(chǔ)，而最終指紋圖像的采集就是通過(guò)測(cè)量充電電壓與放電電壓之間的差值，并利用模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到的。

（三）指紋采集設(shè)備裝置

本設(shè)計(jì)的指紋采集設(shè)備還是MBF型指紋采集設(shè)備，該設(shè)備的工作原理是當(dāng)將要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的手指與該設(shè)備發(fā)生接觸時(shí)，手指的指紋會(huì)與傳感器中的電極電容產(chǎn)生交換，從而使得二維陣列上的電壓值產(chǎn)生變化，此時(shí)就形成了指紋的圖像信息。

四、總結(jié)

本文的設(shè)計(jì)是基于當(dāng)前的人臉識(shí)別以及單機(jī)片的識(shí)別無(wú)法滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的識(shí)別需求，再利用個(gè)體指紋的個(gè)性特點(diǎn)，對(duì)于原有的指紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行再次的升級(jí)，不僅充分利用了指紋的獨(dú)特性，還加強(qiáng)了指紋識(shí)別系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的關(guān)鍵性地位。但是礙于筆者本身的能力有限，無(wú)法設(shè)計(jì)出更為準(zhǔn)確的是紋識(shí)別系統(tǒng)，因此，更為方便快捷的指紋識(shí)別系統(tǒng)依舊是當(dāng)前技術(shù)研究需要攻克的一大難題。

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（湖南工業(yè)大學(xué)? 湖南? 株洲? 412007）