優(yōu)化指紋識別算法的移動存儲器系統(tǒng)設(shè)計

王延年，屈楨

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

引 言

移動存儲器由于使用靈活、攜帶方便得到了廣泛的應(yīng)用，但也增加了信息泄漏的可能性。現(xiàn)有保密手段大多是采用軟件上的設(shè)計來確保移動存儲器的安全性，像設(shè)置口令認證、加密等方法，軟件易被攻破［1］。針對如中央國家機關(guān)、地方各級黨政機構(gòu)，以及國有企事業(yè)單位設(shè)立的保密委員會等對于數(shù)據(jù)傳輸保密性要求比較高的場合，傳統(tǒng)的移動存儲器已經(jīng)不能滿足其安全性要求。

本文綜合考慮現(xiàn)有移動存儲器保密手段，提出了軟硬件同時改進的設(shè)計思想，硬件上以SDRAM 為存儲介質(zhì)，無線方式傳輸數(shù)據(jù)，利用指紋傳感器進行用戶身份驗證并以DSP為控制核心；軟件上編寫適合移動存儲器系統(tǒng)的指紋識別算法支持硬件［2］，設(shè)計一種新型移動存儲器可有效解決現(xiàn)有移動存儲器存在的安全隱患問題。

1 系統(tǒng)概述及結(jié)構(gòu)框架

本系統(tǒng)分為移動存儲器和無線數(shù)據(jù)接收器兩部分。移動存儲器部分由指紋采集傳感器、電源管理、模式選擇開關(guān)、蜂鳴器、外部存儲器SDRAM、FLASH 和無線數(shù)據(jù)通信組成，如圖1所示。

圖1 移動存儲器

無線數(shù)據(jù)接收器部分由上位機、USB 接口、ARM、無線收發(fā)模塊組成，如圖2所示。

1.1 移動存儲器

移動存儲器以TMS320DM642 為核心，負責整個電路系統(tǒng)的片選、中斷、通用I／O 口的配置以及各種數(shù)據(jù)的處理，把處理好的數(shù)據(jù)及時傳輸出去［3］。MT9T001電路主要完成系統(tǒng)指紋數(shù)據(jù)的采集，并把所采集到的指紋數(shù)據(jù)由模擬形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。自帶電源，當出現(xiàn)突發(fā)狀況時，可人為斷電，存儲器自動銷毀存儲數(shù)據(jù)。模式選擇開關(guān)用于切換存儲器的發(fā)送／接收模式。蜂鳴器在指紋匹配失敗時發(fā)出報警。存儲器部分包括SDRAM 和FLASH。其中SDRAM 存儲空間不小于16G，用于存儲重要文件信息，利用其不斷充電保存數(shù)據(jù)的特性，處理斷電后數(shù)據(jù)不可恢復的突發(fā)事件。FLASH 用于存儲DSP 源程序。TMS320DM642通過無線數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖2 無線數(shù)據(jù)接收器

1.2 無線數(shù)據(jù)接收器

無線數(shù)據(jù)接收器以ARM 微控制芯片LPC1766及其外圍部件為基礎(chǔ)，通過串口控制無線傳輸模塊收發(fā)數(shù)據(jù)［4］。編寫相應(yīng)的程序與移動存儲器進行唯一性配對，未配對的無線數(shù)據(jù)接收器無法實現(xiàn)與移動存儲器數(shù)據(jù)的傳輸，有效地避免了存儲器丟失造成數(shù)據(jù)泄密的可能性。

發(fā)送過程：首先LPC1766 通過SPI接口對無線模塊各種配置寄存器進行設(shè)置，并將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入發(fā)送存儲區(qū)中。然后設(shè)置選擇發(fā)送狀態(tài)，使無線模塊向上位機傳輸數(shù)據(jù)。

接收過程：先通過設(shè)置選擇接收狀態(tài)。無線模塊開始檢測空氣中的信號。當無線模塊檢測到接收頻率上的載波，收到有效地址和數(shù)據(jù)包時，打開數(shù)據(jù)包，去掉包頭包尾并將接收數(shù)據(jù)準備引腳置高。通過SPI接口將上位機數(shù)據(jù)取出。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 優(yōu)化的指紋識別算法

指紋識別算法是整個移動存儲器系統(tǒng)的核心，且在DSP上實現(xiàn)，用戶通過指紋傳感器進行快速與準確的身份驗證。然而，使用指紋傳感器采集圖像的過程中，指紋紋線之間都會存在不同程度的粘連、模糊以及紋線斷裂等現(xiàn)象，這是由于采集時按壓用力不均勻和手指表面干濕度差異等因素造成的［5］。同時，從三維人體指紋到二維數(shù)字指紋圖像的轉(zhuǎn)換過程中，因為量化精度及掃描儀非線性特性影響，都會不可避免地產(chǎn)生噪聲。因此，在進行特征提取和匹配之前，必須對指紋圖像進行預處理，恢復指紋的紋線結(jié)構(gòu)，以便可靠提取正確的指紋特征。結(jié)果將直接影響特征提取和匹配的復雜度，關(guān)系到整個算法的識別率。本文針對傳統(tǒng)指紋識別算法復雜度較高、運算耗時的問題，綜合考慮系統(tǒng)硬件平臺特征，對現(xiàn)有算法進行優(yōu)化。

優(yōu)化的指紋識別算法流程如圖3所示，主要包括指紋圖像預處理和特征點提取與匹配。其中圖像預處理是整個算法的關(guān)鍵。

圖3 指紋識別算法流程圖

傳統(tǒng)的圖像分割算法主要有2類：一類是基于指紋圖像方向信息分割的方向法［6］，另一類是基于圖像灰度特征分割的方差法。本系統(tǒng)采用一種基于特征融合的分割算法，對梯度、方向一致性進行2次分割。實驗表明，該算法能夠精確地對不同類型的指紋圖像進行分割，分割效果比較理想。

本系統(tǒng)采用Gabor小波函數(shù)進行智能增強算法，Gabor小波函數(shù)由高斯函數(shù)與三角函數(shù)構(gòu)成，形成周期震蕩的函數(shù)［7］。Gabor小波函數(shù)的一維、二維表達式分別為

其中高斯分量為

坐標軸的旋轉(zhuǎn)公式為

因Gabor小波函數(shù)運算非常耗時，用模板來擬合Gabor小波函數(shù)，將矩形模板變?yōu)閮蓷l相交的線段模板，這樣作模板運算，使得優(yōu)化后的運算復雜度和運算量就小得多。

經(jīng)過上述圖像增強之后，再對圖像進行二值化。從原始的灰度圖像上來確定圖像每一點應(yīng)屬于脊線還是谷線，產(chǎn)生對應(yīng)的二值圖像。設(shè)f（x0，y0）為該點的灰度值，其方向場為O（x0，y0），δ為設(shè)定的閾值大小范圍。設(shè)H 為切向像素值和，V 為法向像素值和，則有以下公式

根據(jù)上述兩式可判斷某一點，若V＞H，則該點屬于脊線，反之，該點屬于谷線。

指紋細化采用查表法，其基本思想是列舉出像素點相鄰的所有8個像素點中那些需要被刪除的情況，將它們作為消除模板。像素點的8 個鄰域黑白變化共有28＝256種情況，為了提高細化速度，將256種情況編成一個刪除表，進行查表刪除。

對經(jīng)過指紋預處理后的指紋圖像進行特征點提取，并與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的指紋模板數(shù)據(jù)進行匹配，確定用戶身份，判斷是否進行移動存儲器文件數(shù)據(jù)傳輸。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的算法在降低運算復雜度和縮短運算時間的同時，提高了指紋圖像匹配的準確性。

2.2 軟件流程設(shè)計

移動存儲器負責指紋的檢測與識別，判定存儲數(shù)據(jù)是發(fā)送還是銷毀。無線數(shù)據(jù)接收器負責接收移動存儲器的指令，并與上位機進行文件數(shù)據(jù)傳輸。流程圖如圖4～圖6所示。

圖4 移動存儲器程序流程圖

3 實驗結(jié)果分析

圖5 發(fā)送端程序流程圖

圖6 接收端程序流程圖

本文以FVC2000、FVC2002和FVC2004訓練以及用自己采集的指紋圖像做實驗。圖7為測試示例，圖中的左下按鈕Open＿tfp打開的是模板指紋，右下按鈕Open＿ifp打開的是待匹配指紋，點擊match按鈕直接彈出匹配結(jié)果。測試總共進行了39×40次匹配驗證，其中拒識的次數(shù)為30次，誤識的次數(shù)為0，測試結(jié)果與參考文獻［8］的測試結(jié)果進行了比較，如表1、表2所列，顯示該算法復雜度較低，識別速度快，準確率也比參考文獻中的高。

表1 本算法測試結(jié)果

圖7 測試示例

表2 參考文獻［8］測試結(jié)果

結(jié) 語

本文所設(shè)計的基于優(yōu)化指紋識別算法的移動存儲器系統(tǒng)，首次將指紋傳感器和無線接收器移植到傳統(tǒng)的存儲器中，對傳統(tǒng)指紋識別算法進行優(yōu)化，形成了適合本系統(tǒng)的算法。整個系統(tǒng)由于應(yīng)用優(yōu)化的指紋算法，對用戶進行身份識別，在保證算法復雜度較低、識別速度快、準確率高的前提下實現(xiàn)了與資源的平衡，為保密性要求高的場合提供了理想的解決方案。

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