基于Cortex + DSP的指紋識別系統設計與實現

摘 要 本文通過構造以TMS320VC5416 DSP芯片為運算核心部件，以Cortex為核心控制部件，實現指紋圖像處理、識別的一個較為完備的嵌入式指紋識別系統。

關鍵詞 DSP 指紋識別 Cortex 圖像處理

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A

0 引言

人類的手掌及其手指、腳、腳趾內側的表面皮膚凹凸不平產生的紋路稱之為指紋，指紋有兩個重要特性：一是唯一性，人人指紋不同，一個人十個手指的指紋也不相同。二是穩定性，指紋圖案永遠不會改變，它不會隨著人的年齡而改變，也不會和主體分離。

自動指紋識別技術主要有兩種：一種是基于指紋圖像統計信息的方法，一種是基于指紋本身所固有的特征點結構的方法。本論文采用的是基于特征點匹配識別的指紋識別系統，主要是通過比較兩幅指紋圖的結構特征信息來達到識別的目的。①

本論文設計的主要工作是設計一個嵌入式指紋識別系統，具體內容包括：基于Cortex與DSP芯片構建指紋識別系統的硬件電路，包括鍵盤輸入接口電路和LCD輸出顯示電路；TMS320VC5416控制FPS200芯片進行指紋圖像采集，并用C語言實現指紋圖像的邊緣算法，背景分割算法，銳化算法，二值化算法，提取特征值，完成對指紋的比對、識別，其中Cortex系列STM32單片機控制整個系統的工作過程。

1 系統硬件電路的設計②

系統總體硬件電路主要包括六部分：STM32單片機控制電路設計、DSP最小系統板設計，穩壓電路設計，指紋采集模塊，獨立鍵盤，TFT彩屏電路。其中，鍵盤電路采用獨立按鍵構成。串口電平轉換電路利用MAX3232完成COM口TTL電平的轉換。TFT顯示接口電路，采用2.4寸TFT320X240LCD，控制器為ILI9325，利用CPU的FSMC 功能，LCD 片選CS采用FSMC_NE1（P88），FSMC_A16（P58）作為LCD的RS選擇，FSMC_nWE（P86）作為 LCD寫信號， FSMC_nOE（P85）作為LCD讀信號。

1.1 穩壓電路

穩壓電路中采用的LM1117是一個低壓差三端可調穩壓集成電路，其壓差在1.2V輸出負載電流為800mA。穩壓電路中LM1117的輸入端接5V輸入電壓，經過一個10 F濾波電容后接入LM1117，ADJ端和out輸出端接兩個外部電阻R1，R2，利用R2 /R1關系得到3.3V輸出電壓。LM1117穩壓電路輸出端接入一個10uF鉭電容來改善瞬態響應和穩定性。

1.2 指紋采集電路設計

指紋采集模塊采用FPS200指紋傳感器，FPS200傳感器基于電容充放電原理，傳感陣列的每一點是一個金屬電極，相當于電容的一個極，接觸傳感區的手指充當電容的另一個極，則兩者之間的傳感面形成電容兩極之間的介電層，由于指紋中的脊線和谷線，會導致傳感陣列呈現的電容值不同，FPS200將電容值經模數轉換后輸出，從而得到指紋信息。本系統指紋采集模塊采用傳感器的微處理器總線模式，傳感器的8位數據線直接與DSP的數據線相連。指紋圖像數據的接收和發送電路通過芯片16C550芯片進行并口到串口的轉換完成的，電路如圖1所示。

2 指紋圖像的預處理③

指紋圖像采集模塊位于指紋識別系統的前端，利用指紋傳感器FPS200得到的指紋信息中含有大量噪聲，為了提高指紋圖像特征提取的效率，必須對指紋圖像進行預處理。④本文對于指紋圖像的預處理主要進行平滑濾波、歸一化、二值化、細化處理四個步驟。

本文首先采取直方圖均衡化來實現指紋圖像增強，⑤然后對指紋圖像進行平滑處理，得到指紋圖像的平均灰度的分布規律。為了消除指紋圖像中出現有些區域顏色太淺，而有些區域顏色太深的現象，需對指紋圖像進行歸一化處理，使得具有統一的背景色調，而又不會改變指紋的脊線紋理信息。再采用計算較為簡單的八方向場法，求出八個方向灰度變化的梯度值，取值最小的，即為像素點的方向；采取局部平均閾值法對指紋圖像進行二值化處理。為了提取指紋圖像特定區域的特征，本設計利用一個3€？的細化模板和一個包含256個元素的細化查找表完成對指紋圖像的細化。⑥

3 指紋圖像的特征提取和特征匹配⑦⑧

系統采用從細化后的二值圖像中提取特征，⑨該方法相對比較簡單，根據細化后的二值圖上每一點的交叉數，確定出指紋的端點和分叉點，作為指紋的兩種特征點，提取出特征點的坐標、方向信息。根據特征點信息確定平均紋線距離，對所提取出的特征點進行有效性檢驗，去除偽特征點。然后以特征點的坐標、方向、鄰域內的特征點數、特征點之間的相對位置、脊線上特征點所處位置的紋曲率、特征點鄰域內的脊線紋密度，通過這六個變量構建出該指紋細節特征點的特征向量。將所有特征向量進行篩選，留下50個特征向量，構成指紋特征模板。指紋匹配主要是細節特征的匹配，本系統利用八方向圖實現指紋自動定位的快速算法進行指紋的特征匹配。

4 系統調試及結果

系統進行調試時，首先要對硬件進行靜態調試，靜態調試的目的是排除明顯的硬件故障。

軟件調試時，對于DSP5416調試工作主要在算法仿真和指紋圖像讀取，在確保硬件連接無誤的情況下，對指紋圖像采集，并提取指紋圖像數據，在軟件仿真的環境下調試各個功能算法，在得到預期效果之后，再使用硬件調試，完成基于DSP5416數據處理的實現。

對于STM32控制板，選用Keil軟件進行調試，同樣在確保硬件連接無誤的情況下，同時算法達到預期效果，直接采取硬件調試的方法，控制部分主要完成不同按鍵輸入信號下，系統功能選擇，TFT協調顯示功能等，系統調試結果如圖2。

注釋

① 苑瑋琦.基于DSP的指紋識別平臺設計.儀器儀表學報，2002.6.

② 周韋琴.基于FPS200傳感器和DSP的指紋識別系統設計[J].電子元器件應用，2007.10：24-26.

③ 畢衛紅，王娟.基于DSP的圖像采集系統.現代電子技術，2008.2：10-12.

④ 劉文星，王雄沂，母國光.紋線跟蹤及其在細化指紋后處理中的應用.光電子·激光，2002.13 （2）：184-187.

⑤⑨簡兵，莊鎮泉等.基于脊線跟蹤的指紋圖細節提取算法.電路與系統學報，2001.

⑥ 廖昌俊，李玉柏.指紋識別的二值化和細化的DSP實現.電子產品世界www.eepw.com.cn， 2004.5.

⑦ 張堂輝，田捷，劉旭.基于DSP指紋識別核心算法的設計與實現.計算機工程與應用，2003.6.

⑧ 鄭曉隆.指紋圖像預處理和特征提取研究[D].電子科技大學碩士學位論文，2005.