基于DSP的指紋采集處理系統的設計

李翠敏 孫文匯

（青島工學院，山東 青島266300）

0 前言

指紋識別也是模式識別領域中使用最早的，也是最為成熟的生物鑒定技術，而隨著科技的進步和人們文化素質的提高，指紋認證系統己廣泛應用于人們的日常生活中。隨著電子商務的發展和消費類電子的普及，開發高性能且實用的指紋識別系統也就具有了很強的現實意義。

指紋采集以及數據傳輸作為一個識別管理系統的的重要環節，也得到了人們的重視。 尤其是隨著網絡技術的發展，以太網技術以其易于理解、實現、管理和維護等優點，成為了搭建數據交互的重要平臺。筆者就是以校園的綜合管理為基礎設計了一款高效、低功耗且能應用于網絡數據傳輸的指紋采集處理系統。

1 指紋圖像的處理過程

在實際應用當中，指紋采集器所采集的指紋圖像是一幅含有較多噪聲的灰度圖像， 較強的噪聲勢必降低處理結果的準確性與可靠性。從而影響系統的應用，而預處理的目的，就是改善輸入指紋圖像的質量，增強脊和谷的對比度，將它變成一幅清晰的點線圖，以便于進行特征提取。 在本系統中主要原理過程：

指紋圖像的分割：指紋圖像分割通常位于預處理的前端，其目的是把指紋圖像中質量很差、在后續處理中很難恢復的圖像區域與有效區域分開來，使后續處理能夠集中于有效區域。 分割處理不僅能提高特征提取的精確度，而且還能大大減小指紋預處理的時間，因此是指紋圖像處理中的重要組成部分。 它不僅要求盡可能地去除無效區域，還要盡可能完整地保留有效區域，這就需要有較精確的分割算法。

指紋圖像的增強：指紋圖像的濾波增強是一個關鍵部分。 在整個指紋算法處理的過程中，指紋圖像增強約占65%的時間，因此圖像增強效果將直接影響指紋特征提取分類及后續的識別率。同時指紋圖像的增強算法也將直接影響系統的實時性。

指紋圖像的二值化及去噪：對指紋圖像進行二值化處理以及去噪的目的是把灰度圖像分成0、1 兩個灰度級的圖像，也就是前景點(指紋脊線)取1，背景點取0，從而將指紋脊線提取，因此對指紋圖像進行二值化處理：一要進行壓縮，即要留紋線的重要信息，又要節約存儲空間，便于后續存儲和處理；二要去除大量的粘連，以備指紋特征的提取和匹配。

細化：細化就是要刪除指紋紋線的邊緣像素，使之變成只有一個象素寬度，在細化過程要保證紋線的連接性、方向性、特征點不變，同時要保持紋線的中心基本不變，因此細化的好壞直接影響指紋識別的識別率。

指紋特征提取：指紋特征提取階段，提取指紋的細節點如：端點，分叉點，孤立點，及其特征點的X 坐標與Y 坐標，存放于三維數組D的數據集中。 完成特征提取后，將提取的指紋特征數據與模版進行一對一的匹配，從而輸出結果，它是我們驗證系統的核心。

2 指紋采集處理系統的硬件電路設計

指紋采集處理技術是指紋識別中的關鍵術之一，同時也是本文的一個重點。 本設計主要采用了目前相對成熟的FPGA、DSP、 網絡技術和指紋識別技術， 系統主要可以實現對學校所有人員的信息采集、處理和信息查詢以及數據傳送，是實現校園綜合的智能化管理的重要一步。 （見圖1）

2.1 DSP 在系統中的應用

系統通過指紋傳感器獲得指紋圖像以及數字化的輸出，然后將圖像數據傳送給中央處理器芯片DSP，DSP 對圖像進行實時處理：分割、濾波增強、二值化及去噪、細化、特征提取等，同事將處理的數據結果通過USB 或者網絡接口輸出傳送的上位機或者服務器。

圖1

DSP 作為一種特殊的嵌入式微處理器系統，具有嵌入的協處理器和用于快速數據處理的并行數據通道。本文中采用T I 公司C5000 系列低功耗高性能的定點芯片TMS320VC5416， 它有128K*16bit 片內RAM，速度160MIPS，有3 個多通道緩沖串行口，主要應用與通信服務器。 ，在嵌入式網絡設備中引入DSP 技術，通過DSP 來完成指紋圖像的采集和指紋數據處理的算法的同時完成數據的傳送， 在本系統中DSP 主要起到：對系統進行上電自檢配置的各項參數進行設置；對指紋圖像進行數字化處理；按照相關規范，提供設備的識別（包括USB、網絡）。

2.2 系統的控制系統

FPGA 芯片完成整機的接口與邏輯控制，進行地址的譯碼以及其他外圍電路的控制， 在本文中采用Altera 公司的ACEX1K 系列EP1K50 芯片，系統的互連、各個接口以及數據通道都是通過FPGA 完成的。 EP1K50 芯片是一款適合復雜邏輯以及有存儲、 緩沖功能的FPGA 芯片，最高工作頻率可達250MHz。 其特點是將LUT(查找表)和EAB(嵌入式陣列)相結合。 基于LUT 的邏輯對數據路徑管理、寄存器強度、數學計算或數字信號處理的設計提供優化的性能和效率。 它是整個采集、處理、顯示與實時控制的邏輯控制核心，實現的功能包括：開放式的圖像數據采集總線，DSP 圖像處理實時數據總線，100 MB 以太網接口，實時顯示模塊，I2C 存儲器接口和PS／2 接口等。

2.3 指紋的數據采集

MBF200 是富士通公司生產的電容式半導體指紋傳感芯片，它具有高性能、低功耗和低成本等特點,其圖像傳輸速度最大可達30frame/s，能夠滿足連續指紋圖像的采集。 在系統完成初始化后, 若手指按在指紋傳感器上, 則進行一枚指紋圖像數據的采集, 否則進入省電模式,等待手指檢測中斷喚醒CPU 進行一次指紋數據的操作。

指紋的采集工作由MBF200 檢測到手指中斷開始, DSP 首先向MBF200 的CTR-LA 寄存器寫入一條指令0x04, 它的作用是啟動MBF200 內部A /D 轉換器, 然后等待行捕獲時間結束后, 通過讀取CTRLA 寄存器, 即可獲取當前像素點的一個8 位數字量數值。因其地址遞增，所以每次讀取當前像素點的數值后自動進行下一像素點的A/D 轉換, 循環讀取CTRLA 的值到指定內存空間就可以獲得一枚指紋圖像的數據。

2.4 網絡傳輸

RTL8019AS 以太網控制器具有高度集成的特點， 它可以簡單的解答即插即用NE2000 兼容適配器， 該適配器具有二重和功率下降的特點。RTL8019AS 以太網控制器具有高度集成的特點，它可以簡單的解答即插即用NE2000 兼容適配器，該適配器具有二重和功率下降的特點。

系統中的指紋傳感器芯片FPS200 被映射到DSP 的I/O 空間中，給FPS200 共分配了兩個I/O 地址空間，它的索引寄存器端口地址為0x8000，而數據寄存器端口地址為0x8001。 DSP 外 部 數 據 空 間 的0x4000 ～0xFFFF 部 分 是 由 系 統 中FLASH 和SRAM 分時占據的。

3 總結

基于DSP 驚人的發展速度以及FPGA 的運用， 結合先進的數字圖像處理算法，采用MBF200 指紋傳感器構成的指紋采集終端，使得指紋識別系統抗噪能力更強，尺寸更小、成本降低。使得指紋識別技術將會在校園中得到廣泛的使用， 為大學生的生活和學習帶來方便，同時也可以更好地保護個人的財產。

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