指紋識別系統(tǒng)及系統(tǒng)硬件設(shè)計

指紋識別系統(tǒng) 系統(tǒng)硬件設(shè)計人的指紋具備的唯一性、終身不變性、易獲取和難以復(fù)制等特點，使得指紋識別很早就成為身份識別中的一種技術(shù)手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，指紋識別已經(jīng)成為目前最為實用、應(yīng)用最為廣泛的生物識別技術(shù)，尤其在民用生物識別技術(shù)中。指紋識別技術(shù)已經(jīng)在金融、醫(yī)療、公安、門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的指紋識別系統(tǒng)都是基于PC機(jī)的,這種系統(tǒng)具有識別速度快、樣本存儲量大、軟件設(shè)計技術(shù)成熟等優(yōu)點。但是，基于PC機(jī)的指紋識別系統(tǒng)由于價格昂貴、移動性能差、功耗高等缺點限制了其應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)大。自二十世紀(jì)末以來 ，半導(dǎo)體技術(shù)和嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，為人們設(shè)計廉價的便攜式指紋識別系統(tǒng)提供了個技術(shù)上的實現(xiàn)平臺。 本文介紹了一種基于ALTER/公司推出的SOPC（SystemonaProgrammableChip,片上可編程系統(tǒng)）技術(shù)的指紋識別系統(tǒng)ALTERACycloneIIFPGANIOSII軟核處理器為核心,MBF2O0旨紋采集芯片設(shè)計識別系統(tǒng)。1指紋識別系統(tǒng)原理指紋識別系統(tǒng)一般由指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理、指紋特征提取、指紋特征匹配、特征數(shù)據(jù)庫等幾部分組成。指紋識別系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)首先由指紋采集設(shè)備采集到指紋圖像并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像；然后對指紋數(shù)字圖像進(jìn)行處理，再通過圖像增強(qiáng)、分割、平滑、細(xì)化等處理過程得到便于指紋特征提取的數(shù)圖像：接著提取細(xì)化后的圖像細(xì)節(jié)特征點 ；最后將提取到的特征與特征數(shù)據(jù)庫中的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，并輸出識別結(jié)果。cu.cu.—?匹酸緇出給果團(tuán)1描紋說別系統(tǒng)框圈系統(tǒng)硬件設(shè)計SOPCNIOSII軟核處理器SOPC（SystemonaProgrammableChip,片上可編程系統(tǒng)）ALTERASO?決平臺。它將處理器、存儲器、I/O口、LVDSCDF等系統(tǒng)設(shè)計所需要的功能模塊集成到一個PLD器件上,從而構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng)?；赟OP（技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計十分靈活，用戶可以根據(jù)自己的實際要求，并利用IPCore資源組合構(gòu)建出不同的應(yīng)用系統(tǒng)，從而實現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計。LF匚…?_LF匚…?_gII■最塊松心境塊處理諸核心托戦卡|1指紋茉1n1停處珥器根煥4.'備出丞ii*SRAM三態(tài)總線橋iI卄FLASHTTlipT/~i11i111ji*i-iiILCD-1 1ilIF□i11LOCKRESKTNIOSII ALTERA200432RISCCPU,它能滿足任何應(yīng)用32位嵌入式微處理器的需要?用戶可以獲得超過200DMIPSoNIOSII32位處理器的基本結(jié)構(gòu)單元（32位指令大小,32位數(shù)據(jù)和地址路徑,3232個外部中斷源）,來調(diào)整嵌入式系統(tǒng)的特性，以選擇滿足性能和成本的最佳方案。NiosII系列可支持用戶自定義指令，NIOSIIALU連。由于設(shè)計者能為系統(tǒng)中使用的每個NiosII處理器創(chuàng)建多達(dá)256個專用指令,因此，設(shè)計者能夠調(diào)整系統(tǒng)硬件以增強(qiáng)對實時軟件算法的處理能力。 ALTERA公司同時還推出了NiosII集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和一些常用的免費IP核,以方便設(shè)者的軟件開發(fā)。另外，設(shè)計者使用Altera公司QuartusII開發(fā)軟件中的SOPCBuilder系統(tǒng)開發(fā)工具還能夠很容易地創(chuàng)建專用的處理器系統(tǒng)，并能夠根據(jù)系統(tǒng)的需求添加NiosII處理器核的數(shù)量。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)一般的指紋識別系統(tǒng)主要由指紋采集模塊、系統(tǒng)核心模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和輸顯示模塊等幾部分組成。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。本系統(tǒng)中的采集模塊采用富士通公司的MBF200旨紋傳感器芯片，該芯片的分辯率高達(dá)500dpi（dotsperinch）,并帶有8bit數(shù)據(jù)接口，可以采集300X256大小的指紋數(shù)字圖像。MBF20C芯片提供有三種接口（SPI、USB和MCU方式,本系統(tǒng)采用MCI方式,其內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)8位微處理器總線使其性能大大加強(qiáng)。 MBF200的工作流程分為兩部分：首先是初始化參數(shù)的設(shè)置，即使MBF20C設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，然后選擇其工作方式；其次是采用查詢等待方式采集指紋數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)每次采集的指紋圖像數(shù)據(jù)量達(dá)幾十 KB,故在系統(tǒng)核心模塊中集了一個硬邏輯協(xié)處理器。這個協(xié)處理器負(fù)責(zé)查詢指紋芯片的狀態(tài)和指紋圖像數(shù)據(jù)采集存儲任務(wù)。該協(xié)處理器是用硬件描述語言設(shè)計的一個有限狀態(tài)機(jī) ，其狀態(tài)模型如圖3所示。系統(tǒng)復(fù)位后，協(xié)處理器將進(jìn)入空閑狀態(tài)并等待主處理器的復(fù)位信號；當(dāng)正確接收到主處理器的復(fù)位信號后，協(xié)處理器進(jìn)入查詢狀態(tài)；查詢狀態(tài)主要查詢指紋芯片的中斷狀態(tài)位，當(dāng)查詢到有效中斷狀態(tài)位后，系統(tǒng)將進(jìn)人數(shù)據(jù)采集存儲狀態(tài)；在數(shù)據(jù)采集存儲狀態(tài)，協(xié)處理器從指紋芯片讀出數(shù)據(jù)并保存在系統(tǒng)的存儲區(qū)SRAM中,讀完整個指紋圖像后即向NIOSII處理器發(fā)出中斷信號并重新進(jìn)入空閑狀態(tài)，以等待主處理器復(fù)位。ALTERACy-cloneII2C35上實現(xiàn)的QuartusII5.0NIOSII5.0集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。CycloneII系列FPGA!ALTERAFPGA,CycloneII2C3532,216LE單元、105M4KRAM塊、35個嵌入式乘法器，完全可以滿足系統(tǒng)的QuartusIISOPCBuilderNIOSII處理器的創(chuàng)建和IP，2中根據(jù)系統(tǒng)的實際要求SOPCBuilder配置的處理器核心包括NIOSII處理器、指紋卡PIO、協(xié)處理器PIO、AvalonTri-AtateBridge、UARTLCDPIO等模塊。配置好這些模塊后，便可進(jìn)行系統(tǒng)生成。SOPCBuilderHDLBDF文件。SOPCBuilderNIOSII(Symbol)就存放在BDF文件中，Quartus軟件中使用該符號。本系統(tǒng)核心模塊是使用Quartus的符號表文件編譯生成的。512KBSRAM4MBFLASHSRAMB來存放采集到4MBFLASHLCD俞出。系統(tǒng)軟件的設(shè)計CNIOSIINiosIINiosII軟核處理器的主要開發(fā)工具，包括編輯、編譯和程序調(diào)試。NiosII為軟件開發(fā)提供了一個集成的設(shè)計開發(fā)環(huán)境。它有一個包括工程管理、源代碼開發(fā)和基于JTAG調(diào)試功能的圖形界面(GUI),故可大大簡化復(fù)雜的NiosII處理器設(shè)計。指紋識別算法流程主要包括背景分割、方向圖計算及方向濾波、二值化、細(xì)化、特征提取和特征匹配等。采集的指紋圖像容易受到各種因素的影響而使圖像質(zhì)量變差，比如手指按壓的方向和力度、皮膚的干濕程度、傳感器的特征差異等。因此，指紋識別算法首先要對指紋圖象進(jìn)行處理，以把有用的前景信息和背景區(qū)分開。本系統(tǒng)算法采用方差法進(jìn)行圖像分割。然后采用基于塊方向圖計算的方向濾波。接著利用動態(tài)閥值法進(jìn)行二值化處理，以把指紋灰度圖像轉(zhuǎn)化為僅用0、1表示的二值圖像。對二值化后的二值圖像進(jìn)行細(xì)化可得到骨架圖象。接下來的特征提取階段是用模板匹配的方法獲取細(xì)節(jié)特征點(端點、分叉點)的位置、方向和類型信息。最后和特征匹配則采用基于細(xì)節(jié)特征點匹配的算法。結(jié)束語本文給出了一種基于SOPC/r/