指紋識別系統(tǒng)

1、指紋識別系統(tǒng)1.1 指紋識別系統(tǒng)原理指紋識別系統(tǒng)的組成原理。如圖1-1所示。圖中的學(xué)習(xí)模塊負責采集用戶指紋數(shù)據(jù)，對指紋圖像進行預(yù)處理， 提取這些指紋的特征,作為將來的比對模板存人數(shù)據(jù)庫。而識別模塊然后判斷是否則負責采集和處理指紋圖像，在提取特征后與數(shù)據(jù)庫中的指紋模板進行比對,圖1-11.2 指紋采集與指紋圖像處理方法目前，主要的指紋采集方法有兩種：一種是光學(xué)采集器；另一種是用半導(dǎo)體傳感器。光學(xué)采集器采集指紋是通過把手指沾上油墨后按在白紙上，然后用攝像機把圖像轉(zhuǎn)換為電信號。光學(xué)采集受外界干擾小、采集精度較高，但是數(shù)據(jù)量較大，因此處理時問較長。而對于半導(dǎo)體傳感器來說， 手指的溫度、濕度對其測量結(jié)果

2、有影響，但是數(shù)據(jù)量不大，處理比較方便。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器的成本低、體積小、方便集成等優(yōu)點逐步體現(xiàn)，它已逐步代替光學(xué)采集器。指紋鑒定過程的第一個階段是指紋圖像的采集階段，也就是指紋模板白錄A階段。為了初步確定圖像預(yù)處理方法，我們必須首先了解指紋傳感器獲得的圖像的尺寸和質(zhì)量。根據(jù)不同的指紋傳感器， 我們設(shè)計不同的方案進行圖像采集，并將從各個圖中提出特征點儲存到數(shù)據(jù)庫中，來產(chǎn)生“活模板”，為后面的指紋鑒定做準備。指紋圖像處理是整個指紋識別過程的核心。常見的指紋圖像處理包括濾波增強、二值化、細化、提取特征點四個步驟。在采集指紋圖像的過程中，由于采集環(huán)境，皮膚表面的性質(zhì)，采集設(shè)備的差異等

3、各種因素的影響，采集的圖像會不同程度的受到各種噪聲的干擾，從而影恢復(fù)響了采集圖像的質(zhì)量。所以實際的指紋圖像首先通過一個濾波增強來改善圖像的質(zhì)量,脊線原來的結(jié)構(gòu)。特征提取算法的性能和其它指紋識別技術(shù)的好壞取決于輸入指紋圖像質(zhì)量 的好壞。本系統(tǒng)采用一種用Gabor濾波與方向濾波結(jié)合對圖像進行增強的方法該方法結(jié)合Gabor濾波器善下分離粘連脊線和方向濾波器善于連接斷裂接線的特點，能夠?qū)Φ唾|(zhì)量的指紋圖像進行有效的增強。完成圖像增強后.第二步是對圖像進行二值化處理。二值化是指把灰度指紋圖像根據(jù)所選取的值化為。1取值的二值目像。第三步，對紋路進行細化，細化能夠減少大量的多余信息.細化后的指紋圖像中的每條紋

4、線都足用單像素來表示點線，更加突出了指紋特征。最后一步則是紋路特征點的提取，在特征提取階段，選擇脊線端點和分歧點作為特征點，記錄每-特征點的類別、位置和方向信息，從而得到特征點（特征模板）。經(jīng)過以上幾個步驟，系統(tǒng)便完成對指紋圖像的處理過程，得到最終模板。依據(jù)上述指紋識另預(yù)處理算法 ,通過CCS2.2的模擬功能，實現(xiàn)了指紋識別預(yù)處理的DSP處理，達到了 DSP處理指紋圖像的應(yīng)用目的。g配次平增門用愧 枝氐期世匚脂理2.1硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件電路主要包括：DSP芯片，TMS320VC5402傳感器FPS200、FLASH、SROM以及顯示和鍵盤結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示圖3-1系統(tǒng)的核心處理單元是 TI公

5、司推出的高性能數(shù)字信號處理器TMS20VC540g具有精度高、靈活性太、可靠性高、時分復(fù)用等特點。其采用程序空間與數(shù)據(jù)空間完全獨立的哈佛總 線結(jié)構(gòu).指令的執(zhí)行采用流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有一到多個處理內(nèi)核，帶有片上硬件乘法器，指令執(zhí)行速度最快為幾十納秒，處理能力為100 MIPS。片內(nèi)有8條總線、片上存儲器和片上外圍電路等硬件，并且有高度專業(yè)化的指令系統(tǒng).MSC5402直接數(shù)據(jù)尋址空間為 64kB,程序空間尋址能力可達1 MB,但是通過程序空間來擴展數(shù)據(jù)空間將影響系統(tǒng)處理速度。但是MTS320VC540在實際使用過程中，程序和數(shù)據(jù)的一次連續(xù)處理一般都不會超過64 KB,所以把核心的程序常駐 TMS32

6、0VC540附16kB空間，一般控制在l2kB,再留78kB的空間調(diào) 用所需的程序，程序在片內(nèi)的執(zhí)行速度要比片外的快許多，通過來回到程序，就能實現(xiàn)程序的全速運行。數(shù)據(jù)空間可以通過CPLD片選來進行擴展。由于 DSP外部最多支持擴展 32 k數(shù)據(jù)空間.但是我們實際擴展了64 k的SRAM因此SRAM勺A15地址線由DSP通過CPLD中的邏輯電路來控制，由此來選擇使用SRAM勺高地址段32 k存儲空間或者地址段 32 k存儲空間，這樣既符合 DSP的外擴空間要求，又使系統(tǒng)增加了更多的數(shù)據(jù)存儲空間。CPI是由一種被IEEE認定的標準硬件描述語言 VHDL（VHD住要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能

7、 和接口）實現(xiàn)的。在系統(tǒng)終端我們選用LCM液晶顯示模塊，直接顯示需要的指紋圖像和數(shù)據(jù)結(jié)果。要顯示的圖像或數(shù)據(jù)先由DSP存人緩沖器，再由LCM賣取，這樣可以避免了由于 DSP和LCM讀寫速度不匹配而發(fā)生錯誤。由于該模塊板必'須具有完全獨立運行指紋圖像檢測；特征提??；特征提取和特征模板存儲等程序綜合各個方面因素因此采用了TI公司的DSP處理器TMS320VC5402該芯片的主要特征有最高頻率100MHz性價比極高它含 4k 16bits 片內(nèi)ROM 16k 16bits 片內(nèi)DARAM 6個DMA!道2個McBSP 2個Timer外部程序空間可擴展到 1M16bits 可工作在 3 種低功

8、耗方式(IDLE1 IDLE2 IDLE3) 本設(shè)計中為該處理器分別擴展了512k 16bits 的 Flash 和 SRAM# 1 片使用 Altera 公司的 CPLD 芯片 EPM3032朋 Flash 和 SRAM等產(chǎn)生部分控制信號利用MAX3111為DSP擴展一個與PC機通信的異步串口指紋檢測芯片采用 Veridicom 公司的 FPS200 指紋檢測芯片整個模塊板的系統(tǒng)。圖像采集電路是整個系統(tǒng)中極其重要的部分， 高質(zhì)量指紋圖像的采集大大的降低了在鑒定指紋時的誤識率和拒識率，提高整個系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)采用的是美國 Veridicom 公司的 FPS200 固態(tài)指紋感器作為圖像采集電路的

9、核心器件。芯片適用于更復(fù)雜的指紋和更惡劣的氣候條件。它采用標準 COMST藝制造，獲取圖像為 256X300像素，分辨率為 5。OPJ提 供二三種接口方式：標準 8位微處理器總線、集成高速 USB接口、串行外設(shè)接口 SPI。圖像 傳輸速度分別為30幀/s、13幀/s、10賴/s.FPS200芯片由256列和300行電容陣列組成，芯片內(nèi)設(shè)計有兩個采樣保持電路用于指紋圖像的采集。 通過測量每個傳指感單元在每次充電后的電壓值和放電后的電壓值的差來獲得每路。 系個傳感單元的電容值。 每次捕捉每行圖像后， 在該內(nèi)的每個傳感單元內(nèi)就有待數(shù)字化的電容值。因此通過改變放電電流大小和放電時間就可以改變FPS20

10、0 的靈敏度。整個圖像采集流程網(wǎng)如網(wǎng) 3-2 所示。FSP200初始化開始采集圖像開始第一次 A/D轉(zhuǎn)換升始A/D轉(zhuǎn)換。將上次結(jié)果送至緩沖區(qū)讀輸出緩沖區(qū)數(shù) 據(jù)將最后一次A/DW換結(jié)果送至輸出緩沖區(qū)讀最后一個傳感 器單元的值圖像采集結(jié)束圖3-2（1） DSP處理器與FPS200指紋檢測芯片相連指紋檢測芯片采用了 Veridicom 公司的電容式指紋傳感器 FPS200該芯片提供了 3種 可供選擇的接口分別為 USBSPI和并行接口使用了 SPI接口與DSP的McBSPI互聯(lián)DSP處 理器的McBSP接口為高速全雙工多通道緩存串行接口每個McBSP接口包含6個管腳引線分別為 BCLKX傳送參考時鐘

11、）BDX（傳送數(shù)據(jù)） BFSX（傳送幀同步信號）BCLKR（接收參考時鐘）BDR（接收數(shù)據(jù)）和BFSR假收幀同步信號）在 與FPS200的SPI接口互聯(lián)時DSP處理器采用主方式 FPS的SPI采用從方式連接如圖 3-3所示(2) DSP存儲空間擴展由于DSP本身所帶的數(shù)據(jù)存儲器只有16kB的DARAMi序存儲器也只有 4kB的ROM我們所采集的一幅原始指紋圖像就有75kB再加上指紋處理所需的數(shù)據(jù)空間以及運行和存儲程序所需的程序空間芯片上所帶空間無法符合使用要求必須擴展數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器 在該模塊板上擴展了512k 16bits 的Flash芯片用于存儲指紋處理程序和指紋特征模板此外還擴展了

12、 512k 16bits 的SRAM芯片用于運行指紋處理程序提供保存采集到的指紋圖像以及程序運行過程中所需的臨時數(shù)據(jù)所需空間Flash與SRAM的D0.15以及A0.14總線直接與 DSP的Data0.15 以及Add0.14相連另外的/WE/OE /CE和A15.18 等信號線 的控制信號將通過 CPLD產(chǎn)生相應(yīng)的譯碼信號如圖所示CPLD所產(chǎn)生的譯碼邏輯將在后面加以說明由于 DSP的數(shù)據(jù)尋址空間只有 64 16bits 在對數(shù)據(jù)空間操作時 DSP的地址線 A16-A19將處理高阻狀態(tài)，因此無法直接對512k 16bits的數(shù)據(jù)空間進行操作將128k16bits的SRAM劃分給數(shù)據(jù)空間將剩下的

13、 384k 16bits 的SRA廂全部512k 16bits 的Flash 劃分給程序存儲空間 DSP在對數(shù)據(jù)空間操彳時當標志位OVLY為1時系統(tǒng)把低32kB的尋址空間映射到片內(nèi) DARAMf口 ROM中外部擴展的數(shù)據(jù)空間若地址在0000h7FFFh范圍內(nèi)的則無法操作再把外擴的128k 16bits 的數(shù)據(jù)空間分成4頁分時影射到8000hffffh 的地址空間 中即高32kB的數(shù)據(jù)空間如圖3-4所示。最終數(shù)據(jù)空間的尋址范圍為0000hffffh 其中高32k的空間可通過頁面切換共4個頁面總共有144kB的數(shù)據(jù)空間外部程序間共有896kB尋DARAMFLASHNULLPAGE0PAGE1PAG

14、E2PAGE3圖3-4(3)擴展串行通信口DSP所提供的 McBSP的接口為高速全雙工的串口與PC機所提供的異步串口操作方式不同無法直接相連我們通過一個異步串口收發(fā)器Max3111來實現(xiàn)操作方式的轉(zhuǎn)換該芯片已包含了 2個RS322電平轉(zhuǎn)換器這樣就不再需要MAX232進行電平轉(zhuǎn)換利用 DSP的McBSP0端口與MAX3111互聯(lián)DSP的發(fā)送時鐘信號(BCLKX0)作為MAX3111的串行時鐘輸入發(fā)送幀同步脈沖信號(BFSX0)作為MAX3111的片選信號(CS) BDX0與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線BDR0與DOUT連接作為接U數(shù)據(jù)線 MAX3111的TX與T1IN連接RX與R1OUT連接以便利用

15、其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實現(xiàn) UART到RS-232電平的轉(zhuǎn)換 MAX3111的中斷信號(IRQ)與DSP的外部中斷相連連線如圖3-5所示圖3-5(4)其他電路設(shè)計除以上功能模塊外再就如下幾點作簡要說明整個模塊板采用+5V單一電源供電經(jīng)電源調(diào)整模塊TPS767D318輸出+3.3V與1.8V電壓模塊板中所有芯片均采用3.3V電壓DSP的核心電壓采用1.8V板中通過IO 口 HD0和HD1擴展了兩個功能按鈕兩個均采用低電平觸發(fā)方式兩個按鈕連線通過或門功能產(chǎn)生一個中斷信號連接DSP的/INT2管腳使用中斷方法對該兩個按鈕進行編程模塊板中提供了一個10芯JTAG接口用于對 CPLD芯片進行編程板中還提供了一個

16、14芯的JTAG接口用以對DSP進行調(diào)試模塊板中使用 3組調(diào)線分別連到 DSP圖3-7時鐘電路DINJTAG1DCL1TKS 二T心 tdi TD1VC(? EMU。TnrrTT1TTAfSTDIVCCIDOTRETTCKEMOTRSTGXDNC GND GND GND EMIRKAlRAVOSTRBR2310kvcc圖3-8 JTAG電路R2410k014圖3-9復(fù)位電路2.2. 軟件設(shè)計識別過程及軟件實現(xiàn)；邏輯功能實現(xiàn)；CPLD譯碼電路功能實現(xiàn)我們通過EPM3032ACPL比片實現(xiàn)對存儲器芯片和鍵盤按鈕進行控制鍵盤按鍵按鈕信號通過一個與運算產(chǎn)生中斷信號Flash 及SRAM的讀信號通過 D

17、SP的/MSTRB與R/W信號進行或運算得到Flash及SRAM的寫信號通過DSP的R/W信號的非運算后再與/MSTRB進行或 運算得到在選中程序存儲器時片選信Flash和SRAM芯片的片選信號由 A19產(chǎn)生Flash以及SRAM勺地址線A15.18直接由DSP的地址線Addr15.18但是要禁止用戶訪問程序空間的高 128kB 的空間即發(fā)e0000h-fffffh 的地址空間在用戶選中數(shù)據(jù)存儲空間時在用戶訪問高 32kB 的數(shù)據(jù)空間時通過分時換頁方式提供給用戶這時系統(tǒng)通過DSP 中 HD5 以及 HD6產(chǎn)生換頁信號通過Altera 公司的 Quartus II 系統(tǒng)利用 CPLD 的 JTA

18、G 接口對 EPM3032A 進行編程以下是采用 AHDL硬件描述語言對CPLD邏輯功能的說明begin% 產(chǎn)生鍵盤中斷信號%DSP_INT2= KEY1 and KEY2;%產(chǎn)生Flash和SRAM的讀信號 FLASH_SRAM_OE =DSP_MSTRB or (not DSP_RW) ;爐生Flash和SRAM的寫信號% FLASH_SRAM_WE =DSP_MSTRB or DSP_RW;if (not DSP_DS) and DSP_A15 then%產(chǎn)生SRAM的片選信號%SRAM_CE = DSP_DS ;%產(chǎn)生SRAM的選頁信號%SRAM_A15 = DSP_HD5 ;SRAM

19、_A16 = DSP_HD6 ;SRAM_A17 = not DSP_DS ;SRAM_A18 = not DSP_DS ; end if;if not DSP_PS then%產(chǎn)生SRAM的片選信號SRAM_CE = not DSP_A19;% 產(chǎn)生 FLASH 的片選信號%FLASH_CE = DSP_A19 ;% 產(chǎn)生 Flash 的地址信號%FLASH_A15 = DSP_A15 ;FLASH_A16 = DSP_A16 ;FLASH_A17 = DSP_A17 ;FLASH_A18 = DSP_A18 ;%產(chǎn)生SRAM的地址信號%SRAM_A15 = DSP_A15;SRAM_A16

20、 = DSP_A16;SRAM_A17 = DSP_A17;SRAM_A18 = DSP_A18;%禁止訪問SRAM的高128KB的地址空間%if DSP_A17 and DSP_A18 and(not DSP_PS) thenSRAM_CE = not DSP_PS;end if;end if;end;為兼容不同的應(yīng)用系統(tǒng)VC5402 共提供了 5 種不同的引導(dǎo)方法(1) 主機接口 HPI 自舉引導(dǎo)方式需執(zhí)行的程序代碼通過HPI 由外部主處理器加載至片內(nèi)存儲器中(2) 8 位并行EEPROM1舉弓I導(dǎo)方式(3) 8 位或 16 位并行自舉引導(dǎo)方式自舉引導(dǎo)程序通過外部并行接口總線讀取存放于數(shù)據(jù)存儲空間中的自舉表自舉表的內(nèi)容包括欲加載的各段代碼各