單芯片微小型指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、2010, 46(25 1引言生物識(shí)別技術(shù)是通過將計(jì)算機(jī)與光學(xué)、 聲學(xué)、 生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等高科技手段密切結(jié)合, 利用人體固有的生理 特性 (如指紋、 人臉、 虹膜等 和行為特性 (如筆跡、 聲音、 步態(tài) 等 來進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定 1。能用于作為身份鑒別的人體生 物特征應(yīng)具有普遍性 (人人具有 、 獨(dú)特性 (任意兩個(gè)人或同一 個(gè)人的不同手指的特征都不相同 、 穩(wěn)定性 (在一定時(shí)間內(nèi)相 對某種匹配準(zhǔn)則下特征不變 和可采集性 (特征可以被傳感并 定量測量 , 常見的人體生物特征主要有指紋、 人臉、 虹膜、 聲 音等。利用人體的指紋特征進(jìn)行身份識(shí)別的指紋識(shí)別技術(shù), 是 目前最為成熟, 應(yīng)用最廣

2、的生物識(shí)別技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2006年中 國生物識(shí)別市場的銷售收入約 8億 6千萬元, 其中超過 97%為 指紋識(shí)別產(chǎn)品 2, 主要應(yīng)用于海關(guān)通關(guān)、 金融系統(tǒng)、 筆記本電腦、 手機(jī)、 門鎖、 保險(xiǎn)箱等方面。嵌入式應(yīng)用作為指紋識(shí)別應(yīng)用的一個(gè)重要分支, 近幾年 也得到快速的發(fā)展, 如:指紋門鎖、 指紋保險(xiǎn)箱、 指紋遙控器 等。但是, 目前的嵌入式指紋識(shí)別產(chǎn)品, 其指紋識(shí)別算法軟件 運(yùn)行的系統(tǒng)資源要求較高, 廣泛采用以 DSP 、 ARM 等平臺(tái)為 基礎(chǔ), 外擴(kuò)展存儲(chǔ)器等方式組成指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng) 3-6, 通常內(nèi) 存 (RAM 都要求在 1MB 以上, 存儲(chǔ)器 (Flash 也都在 1MB 以 上;

3、尤其是組成嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品的體積較大, 功耗亦較大 (200mA 以上 , 成本也較高, 嚴(yán)重制約了指紋識(shí)別技術(shù)的推 廣應(yīng)用, 特別是在體積和功耗要求都極為嚴(yán)格的應(yīng)用場合, 如 手持式指紋遙控器等的應(yīng)用。提出一種基于 ARM7處理器芯片 LPC2106為核心的嵌 入 式自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該芯片內(nèi)嵌 64KB SRAM , 128KB Flash , 在系統(tǒng)資源 (內(nèi)存、 體積 非常有限的微片上系單芯片微小型指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)陳偉元, 蘇 濤CHEN Wei-yuan , SU Tao蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系, 江蘇 蘇州 215104Department of Electronic

4、 Information Engineering , Suzhou Vocational University , Suzhou , Jiangsu 215104, China E-mail :wychenCHEN Wei-yuan , SU Tao.Design and implementation of single-chip small size fingerprint identification system.Comput-er Engineering and Applications , 2010, 46(25 :61-63.Abstract :The popularization

5、 and application of the embedded fingerprint identification products have been constrained by cost and size all the time.The idea of designing a fingerprint identification system based on the System On Chip (SOC ARM7LPC2106is presented.The composition of the system structure , highly efficient embed

6、ded fingerprint recognition algo-rithm for image stitching technology , and the mechanical design to improve the performance of the new fingerprint identifica-tion guide groove are given.The results show that the system can complete fingerprint identification for 20different users within two seconds

7、.When the False Accept Rate (FAR is one hundred thousandths , the False Rejection Rate (FRR will be no more than 3percent.It s in line with national standards.In addition , this system also has a small size.The price is only about one third of similar products in market.It can be widely used in fing

8、erprint lock , fingerprint safe , fingerprint remote control and other fields in the future.Key words :fingerprint identification ; swipe fingerprint sensor ; system on chip ; embedded system ; image mosaic 摘要:嵌入式指紋識(shí)別產(chǎn)品的推廣應(yīng)用一直受到成本和體積因素的制約。提出一種基于 ARM7處理器芯片 LPC2106為核心的單芯片嵌入式自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案, 給出了系統(tǒng)組成的電路結(jié)構(gòu),

9、 運(yùn)用了一種高效率的嵌入式指紋圖像拼接及識(shí)別算法 軟件, 并設(shè)計(jì)出用于改善指紋識(shí)別性能的指紋引導(dǎo)槽方案。結(jié)果表明, 2秒內(nèi)能完成 20個(gè)指紋用戶的識(shí)別, 在認(rèn)假率為十萬分之 一時(shí), 拒真率不超過百分之三, 達(dá)到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。該產(chǎn)品體積小, 價(jià)格只有同類產(chǎn)品的約三分之一, 可應(yīng)用于指紋門鎖、 指紋保險(xiǎn)箱、 指紋遙控器等領(lǐng)域。關(guān)鍵詞:指紋識(shí)別; 刮擦式傳感器; 片上系統(tǒng); 嵌入式系統(tǒng); 圖像拼接 DOI :10.3778/j.issn.1002-8331.2010.25.018文章編號(hào):1002-8331(2010 25-0061-03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A中圖分類號(hào):TP391.4基金項(xiàng)目:蘇州市

10、工業(yè)支撐項(xiàng)目 (No.SG0401 。作者簡介:陳偉元 (1964- , 男, 博士, 副教授, 主要研究方向:嵌入式電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。 收稿日期:2010-01-15修回日期:2010-03-31Computer Engineering and Applications 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用 61Computer Engineering and Applications 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用2010, 46(25 統(tǒng) (SOC 上實(shí)現(xiàn)從指紋圖像傳感到識(shí)別處理、 存儲(chǔ)、 控制的嵌 入式指紋識(shí)別產(chǎn)品, 整個(gè)應(yīng)用產(chǎn)品只有一元硬幣的一半大小, 可廣泛應(yīng)用于對產(chǎn)品價(jià)格和體積有嚴(yán)格要求的場合, 如車庫 門、

11、汽車門指紋遙控器等。設(shè)計(jì)已在市場上得到廣泛推廣應(yīng)用。2單芯片式指紋識(shí)別系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)由 ARM7內(nèi)核的 LPC2106處理器 7和劃擦式半導(dǎo)體指紋傳感器 ATW2128組成。其中, ATW212完成指 紋的傳感和采集, LPC2106處理器主要完成指紋圖像的處理 (圖像拼接、 特征提取和比對 、 存儲(chǔ)和控制等功能。 ARM7處 理器和指紋傳感器間采用 SPI 方式連接, 通過減少它們之間的 連接線, 以此來提高產(chǎn)品的可靠性。連接關(guān)系如圖 1所示。 其中, I/O部分包括 4×4鍵盤接口及 LED 指示等輸入輸出控制。 2.1LPC2106處理器 LPC2106的內(nèi)核為 A

12、RM7TDMI-S 處理器, 具有 64KB 靜 態(tài) RAM 和 128KB 片內(nèi) Flash 存儲(chǔ)器, 整片擦除只需 400ms 。 兩個(gè) UART 口, 一個(gè) I 2C 串行接口, 一個(gè) SPI 串行接口和多個(gè)通 用 I/O口。 CPU 時(shí)鐘頻率可達(dá) 60MHz 。體積很小, 其封裝為 TQFP48(7mm×7mm 。可見, 在高效率的指紋識(shí)別算法支持 下, LPC2106的系統(tǒng)資源完全能滿足指紋存儲(chǔ)用戶要求不太 多 (20個(gè)用戶以內(nèi) 的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的要求。用其組成 小用戶容量下的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)有優(yōu)越的綜合性價(jià)比。2.2ATW212指紋傳感器ATW212是美國 Atru

13、a 公司 (現(xiàn)已被美國 AuthenTnc 公司 收購 推出的劃擦式指紋傳感器, 采用電容式指紋傳感。具有 指紋導(dǎo)航和指紋識(shí)別兩種功能。采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù), 工作 電流只有 2.5mA , 體積微小, 只有 5.0mm×19mm×0.65mm , 采 用 28pin 的 LGA 封 裝 。 可 識(shí) 別 的 手 指 最 大 劃 擦 速 度 為 48cm/s, 每幀像素為 192*8。數(shù)據(jù)接口可為 8位并口或高速串 行 SPI 口, 防靜電能力可達(dá) 15kV 。采用 SPI 方式。由于數(shù)據(jù)傳輸速率較高 (2.8MB/s , 要精 心進(jìn)行 PCB 布線, 指紋傳感器和 ARM 處

14、理器間的連接電纜不 宜過長, 否則因信號(hào)干擾, 造成采集指紋的圖像質(zhì)量下降。2.3電源管理低功耗設(shè)計(jì)是嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品, 特別是以電池供電產(chǎn)品所面臨的關(guān)鍵問題。 LPC2106處理器的內(nèi)核電壓為 1.8V , 且 是主要的電量消耗單元, 故這部分采用效率更高的 DC/DC電 路實(shí)現(xiàn)電壓變換 (降壓 ; 系統(tǒng)工作時(shí)還需另一組 3.3V 電壓, 主要用于 I/O端口驅(qū)動(dòng)。這部分消耗功率并不大, 出于成本考 慮, 采用價(jià)格更低的 LDO 電路來實(shí)現(xiàn)。3手指引導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為達(dá)到較好的指紋識(shí)別效果, 劃擦式指紋傳感要求用戶有較高的使用技巧, 手指要緊貼指紋傳感器表面勻速移動(dòng), 移 動(dòng)方向垂直于傳感器表面,

15、 不要左右擺動(dòng)。手指對指紋傳感 器表面的壓力大小恰當(dāng)。劃動(dòng)手指時(shí), 從靠近指尖的第一節(jié) 點(diǎn)開始, 至指尖結(jié)束, 這樣使用才能有較好的識(shí)別效果。因 此, 手指引導(dǎo)槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵。設(shè)計(jì)的手指引導(dǎo)槽示意圖見圖 2所示。在手指劃擦起始 和結(jié)束的地方, 均有明顯的凹槽, 使用者僅憑手指感覺就能準(zhǔn) 確定位。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見圖 3所示。其中, 前、 后引導(dǎo)區(qū) 長度要求分別大于 25mm 和 12mm , 這是根據(jù)大部分使用人 群的指節(jié)長度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后得到的優(yōu)化數(shù)據(jù)。 為防止指紋傳感器被機(jī)械劃傷, 要求指紋傳感器的安裝高度 略低于引導(dǎo)平面。另外, 為保證在手指滑動(dòng)過程中能明顯感 覺到指紋

16、傳感器的位置, 引導(dǎo)槽斜面與傳感器相交處應(yīng)有約 0.1mm 的臺(tái)階, 斜面俯角應(yīng)不大于 4°。4單芯片式指紋識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)LPC2106內(nèi)核為 ARM7的處理器, 采用 IAR C/C+編譯調(diào)試開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)。涉及的軟件功能模塊主要包括:指紋的圖像采集驅(qū)動(dòng)、 指 紋圖像拼接算法、 指紋特征提取算法和指紋匹配算法, 以及端 口驅(qū)動(dòng)及控制等。其中, 指紋圖像拼接和指紋識(shí)別算法軟件 模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心。由于 LPC2106能用于算法運(yùn)行 的內(nèi)存空間不到 48KB , 程序存儲(chǔ)空間不能超過 80KB , 且 CPU 的時(shí)鐘速度不超過 60MHz , 運(yùn)行速度較低, 因此必須開 發(fā)

17、高效的指紋識(shí)別算法, 才能滿足識(shí)別速度的要求?，F(xiàn)有的用于劃擦式指紋圖像幀序列的拼接算法, 主要有 基于相位相關(guān)的算法 9、 基于像素點(diǎn)灰度方差的方法 10或者是 基于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的方法 11, 運(yùn)算量都比較大并且需求系統(tǒng)資源 較多。本文的指紋圖像幀序列拼接算法采用基于文獻(xiàn) 12的 方法, 適用于資源有限的微小型嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)。采用基于指紋方向圖的特征提取方法。指紋特征的鑒別 主要以指紋流向 (脊線 為基準(zhǔn), 正確估計(jì)指紋流向 (即方向圖是關(guān)鍵。先估計(jì)出指紋流向方向及對應(yīng)的脊谷波形周期,圖 1單芯片式指紋識(shí)別系統(tǒng)組成框圖圖 2手指引導(dǎo)槽示意圖ATW212minimum 0.1mm>25mm

18、>12mm4degrees max圖 3手指引導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)主要參數(shù)622010, 46(25 然后設(shè)計(jì)出與該局部指紋頻域特征相適應(yīng)的帶通濾波器, 濾 除如采集儀噪聲、 手指皮膚干濕反差、 指紋紋路的殘缺及局部 指紋灰度分布的劇烈變化等引起的干擾, 從而提高脊谷差異, 增加脊線走向的連續(xù)性。經(jīng)指紋脊線增強(qiáng)、 二值分割及細(xì)化 后, 就可進(jìn)行指紋特征點(diǎn)的提取, 并經(jīng)偽特征點(diǎn)剔除后即可按 規(guī)定的存儲(chǔ)順序生成相應(yīng)的特征模板。傳統(tǒng)的指紋匹配多采用全局結(jié)構(gòu)核心點(diǎn)方法, 但在指紋 小面積采樣時(shí), 往往不存在這樣的核心點(diǎn); 若采用轉(zhuǎn)盤方式逐 點(diǎn)尋找核心點(diǎn), 則計(jì)算效率低, 不能滿足實(shí)時(shí)性要求。采用以 局部特征

19、點(diǎn)對的相似性為基礎(chǔ)作匹配時(shí)的動(dòng)態(tài)核心點(diǎn), 再進(jìn) 行全局指紋空間結(jié)構(gòu)相似性的比對。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)的單芯片式指紋識(shí)別電路模塊, 只有 25mm×15mm大小, 實(shí)現(xiàn)了指紋采集、 識(shí)別、 控制及電源管理等的功能, 在 6V 電源供電下, 工作電流小于 50mA , 在存滿 20個(gè)指紋用戶 下, 平均識(shí)別時(shí)間小于 2s 。經(jīng)按 GA701-2007指紋防盜鎖通 用技術(shù)條件 的方法進(jìn)行測試, 在認(rèn)假率小于十萬分之一時(shí), 拒真率不超過百分之三, 能滿足指紋小用戶容量下的要求。 與目前類似產(chǎn)品相比, 此設(shè)計(jì)體積最小, 綜合性能基本相當(dāng), 但設(shè)計(jì)成本只有同類產(chǎn)品的約三分之一, 目前已批量生產(chǎn)。6結(jié)語

20、嵌入式指紋識(shí)別產(chǎn)品的推廣應(yīng)用一直受到成本和體積因素的制約。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于 LPC2106的低成本單芯片 ARM7內(nèi)核的嵌入式指紋識(shí)別硬件平臺(tái), 優(yōu)化了嵌入式指紋識(shí)別算 法軟件, 使其適用于 48KB SRAM 的系統(tǒng)資源環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明, 設(shè)計(jì)開發(fā)的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng), 方案合理可行, 指 紋識(shí)別性能指標(biāo)達(dá)到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求, 能滿足指紋用戶 量要求不是太多 (少于 20個(gè) 情況下的使用, 體積小、 價(jià)格低 廉, 可廣泛應(yīng)用于指紋門鎖及指紋保險(xiǎn)箱、 指紋遙控器等 領(lǐng)域。參考文獻(xiàn):1Glossary of biometrics termsR.Associationfor Biometric

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24、隆算法不足, 提高了算法性能, 具有較 高的收斂速度和精度, 從而進(jìn)一步擴(kuò)展了克隆選擇算法的應(yīng) 用范圍。參考文獻(xiàn):1胡江強(qiáng), 郭晨, 尹建川 . 分級變異的動(dòng)態(tài)克隆選擇算法 J.控制與決策, 2007, 22(6 :608-612.2Yang Xiao-hui , Jiao Li-cheng , Li Deng-feng.Directional filter forSAR images based on nonsubsampled contourlet transform and immune clonal selectionJ.InternationalJournal of Automati

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26、support vector regression and immune clone selec-tion algorithmC/Procof Chinese Conference on Control and Decision , Guilin , Guangxi , 2009:252-260.5Wang De-zhi , Gan Jin-ying , Cui Xin-wei.Application level multi- cast routing algorithm based on clone selection strategyC/Pro-ceedings of 2008International Symposium on Distributed Com-puting and Applications for Business Engineering and Science , Dalian , Liaoning , 2008:147-156.6焦李成, 杜海峰 . 免疫優(yōu)化計(jì)算、 學(xué)習(xí)與識(shí)別 M.北京:科學(xué)出版社, 2006.7靳宗信, 劉光遠(yuǎn), 溫萬惠 .