嵌入式指纹识别应用系统设计方案.pdf

1 / 6 嵌入式指纹识别应用系统设计 1、功能慨述 ,产品特色的考虑 功能慨述： 本指嵌入式纹识别系统是参考门禁、门锁、考勤、保险箱× 8bit。 数据空间 :4planes ×1kblocks ×32pages× 512Byte 。 3. 命令 / 地址 / 数据 / 复用 I/O 端口。 4. 硬件数据保护: 当电源波动时, 擦除或编程操作停止。 5. 可靠性 : 可经受 100K 次的擦写操作, 数据可保存十年。与Flash 存储器相比较,SDRAM 虽 没有掉电保持数据的特性, 但由于其集成度高, 单片存储容量大, 且读 / 写速度快 , 因此 , 在 设计嵌入式系统时, 经常用作主存储器。本系统采用HY57V561620BT-H 作为 SDRAM 芯片 , 工 作电压为 3.3V, 存储容量为 4Banks × 4Mbits × 16bits,16 位数据宽度 , 由于 S3C2440A 数 据宽度是 32位, 所以需要两片SDRAM。 三、LCD显示模块 S3C2440 的内置 LCD 控制器支持单色、每像素2 位 (4 级灰度 、每像素 4 位(16 级灰度 、 也支持每像素 8 位 (256 色 和每像素 12 为 (4096 色的彩色 LCD,并且也支持每像素16 位和 每像素 24 位的真彩显示。LCD 控制器可以通过编程选择支持不同的LCD 屏的要求 , 例如行 2 / 6 和 列 像 素 、 数 据 总 线 宽 度 、 刷 新 频 率 等 。 本 系 统 采 用 3.5 寸 真 彩 TFT 液 晶 屏 WXCAT- 35TG3#001 。 3、外围部件的考虑 机制，是一 种广播网络。数据的发送和接收就必须按以太网IEEE802.3 协议来进行。软件的实现主要 有模块的初始化、数据的发送和接收3 部分。片上移植的Clinux 系统包含了TCP-IP 协议 栈，以太网控制器集成在AT91SAM7X256内部。因此，实际上只要网关系统置开启状 态，模块的初始化也随之完成。 4、输入、输出设备的配置 先通过指纹传感器获取指纹图像信息，再由指纹处理模块进行图像的预处理、特征提取等 相关操作，最后保存到存取单元中建立指纹库。识别时，同样通过指纹传感器录入待识别 的指纹，再经过指纹处理模块完成图像处理以及特征提取，然后将提取出的指纹信息与指 纹库中信息进行匹配，显示匹配结果。 指纹采集模块 图像传感器是数字摄像头的重要组成部分,根据组件的不同,可分为 CCD 和 CMOS 两种 类型： CCD 是主要应用数字摄像的高端产品,效果好 ,但成本高；CMOS 效果不如 CCD , 但 成本要低一些。鉴于指纹识别器中对质量和成本的考虑,设计采用现代公司的指纹传感器 HB7121B, 它是使用015m CMOS 工艺开发的高度集成的单片CMOS 黑白图像传感器。该 传感器的有效像素为400 ×300 个。传感器上有三个8 位的 ADC 和 414 个比较器来数字化 像素的输出。三个片上独立的增益控制,只需要很少的几个控制信号就可从片内得到数 据, 因此很方便设计成指纹识别器。HB7121B传感器的特点有: 400 ×300 像素分辨率；像 素的大小为8 m × 8 m；集成8 位的 ADC 用于直接数字量的输出；时钟速率可达 15MHz ；传感器的接口为I2C 总线；内置自动增益控制器AGC 。 输出模块 作为独立的指纹识别系统,经过系统识别的数据可以通过LCD 直接显示出来。系统在设计 时,也可以将系统作为终端使用,即通过FPGA 扩展出以太网接口,作为需要通过网络传送指 纹库数据的大型指纹识别系统终端。 5、操作系统的选择 3 / 6 选用 Linux 嵌入式操作系统,它具有操作系统的完善功能和强大的TCP/IP 网络功能。近年来, 由于 ARM 公司的支持 ,基于 linux 的研发更是发展迅速。在市场上,基于 linux 的方案 ,产品更 是层出不穷 ,linux 系统的稳定性和可开发性受到了考验。嵌入式Linux 系统从软件的角度看 通常可以分为4 个层次 : (1引导加载程序。包括固化在固件中的启动代码(可选 和 Bootloader 两大部分。 (2内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及控制内核引导系统的参数。 (3文件系统。包括根文件系统和建立于Flash 内存设备之上的文件系统。它是提供管 理系统的各种配置文件以及系统执行用户应用程序良好运行环境的载体。 (4用户应用程序和驱动。特定于用户的应用程序和驱动程序。有时在用户应用程序和 内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。 6、开发环境 . JTAG 调式接口以及外部 串行接口单元 (SPI）。 系统硬件接口框图 Power 电源部分负责给系统供电。该系统是一个多电平系统，包括5V 电源， 3.3V 电 源以及 1.8V 电源。电源部分采用常见的LDO 电压转换芯片实现5V 输入电压到3.3V, 1.8V 的转换。 JTAG 调试接口用于程序的跟踪和调试。 SPI接口用于和RS232 互联。 核心部件是系统中最主要的部分，它包括中央处理单元DSP 芯片、外接SRAM 以及 外接 FLASH 。 4 / 6 核心处理单元 系统软件设计 对图像处理系统而言，任何一个应用都不能避免需要比较大的存储体，因为图像本身数据 量大，包含信息多。对该系统而言，一幅指纹图像的大小为300x300 像素，每一像素采用 8bits 编码， 256 级灰度，则一幅图像的数据量为：300x300x8bits=90K bytes 然而，该系统DSP 处理器的数据寻址空间总共才64K words。即使我们把两个像素的数据 合成 1 个 word 进行存储，一幅指纹图像也需要45K words 的存储空间。因此，该系统整个 数据空间只能存储一幅指纹图像。任何一个指纹识别算法也不可能在一幅指纹图像的空间 里完成所有的运算。因此，我们必须把指纹图像存放在代码空间里。DSP 处理芯片有8M 的代码寻址空间，但是我们的算法代码量不超过16K words，所以剩余的空间都可以根据 需要用来存放指纹图像数据。每处理完一个步骤，就把需要保存的数据写入代码空间。 7、工程的可行性及主要困难解决的算法 工程的可行性 指纹识别技术通过分析指纹的局部特征,从中抽取详尽的特征点,从而可靠地确认个人身 份。指纹识别的优点是指纹作为人体独一无二的特征,它的复杂度可以提供用于鉴别的足够 特征 ,具有极高的安全性。相对于其他身份认证技术,指纹识别是一种更为理想的身份认证技 术,指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点,更重要的是具有很高的实用性、可行性,已 经广泛应用于金融、电子商务以及安全性能要求教高的行业中。 主要困难解决的算法 指纹识别算法 指纹识别算法是指纹识别的核心,本系统中采用的指纹识别算法流程如图所示。 图像增强是指纹图像预处理需要解决的核心问题,指纹图像增强的主要目的是为了消除噪声, 5 / 6 改善图像质量 ,便于特征提取。 由于指纹纹理由相间的脊线和谷线组成。这些纹理蕴涵了大量的信息,如纹理方向、纹理密 度等等。在指纹图像的不同区域,这样的信息是不同的。指纹图像增强算法就是利用图像信 息的区域性差异来实现的。 传统的指纹图像增强就是利用图像的纹理方向信息,构造方向滤波器模板来实现滤波的。滤 波器构造的简单性和指纹图像复杂性的矛盾限制了其作用的有效性。本系统中采用的是参 考了指纹图像纹理频率信息,并且以 GABOR 变换这个能够同时对图像局部结构的方向和空 域频率进行解读的最优滤波器作为滤波器的模板,因而极大的改善了增强算法的效果。 1、脊线方向 除奇异区外 ,指纹图像在一个足够小的区域内,纹理近似于相互平行的直线,这就是指纹图像 的方向性特征。方向性特征是指纹图像中最为明显的特征之一,它以简化的形式直观的反映 指纹图像的基本形态特征,因而被广泛应用于指纹图像的分类、增强、特征提取等方面。 提取脊线方向方法为： 将 指 纹 图 像 分 割 成 足 够 小 的 子 块 , 以 满 足 块 中 纹 理 近 似 平 行 的 条 件 。 2、脊线频率 指纹纹理除了具有稳定的方向性特征外,还具有稳定的频率性特点。在指纹图像的一个局部 区域内 ,脊线和谷线的纹理走向平行,同时沿脊谷方向的灰度分布近似于正弦包络。 脊线频率被定义为两条脊线之间间距的倒数。通过定位该包络中极大、极小值点,就能得到 相应的脊线间距和谷线间距,进而计算出脊线频率。 3、GABOR滤波器 GABOR 变换由于具有最佳时域和频域连接分辨率的特点,能够同时对图像局部结构的方向 和 空 域 频 率 进 行 解 读 ,可 以 很 好 地 兼 顾 指 纹 图 像 的 脊 线 方 向 和 脊 线 频 率 信 息 。 本系统中采用GABOR 滤波器函数的实部作为模板,以与子块纹线方向垂直的方向作为滤波 器 方 向 ,以 脊 线 频 率 作 为 滤 波 器 频 率 来 构 建 滤 波 器 。 滤 波 过 程 如 下 式 所 示 ： 6 / 6 其中 , 为原始图像灰度, 是GABOR 滤波后的图像灰度,W为滤波器模板大小,S为模板系数和, 为子块的域方向值。需要注意的是GABOR 滤波器中的与指纹文理方向垂直。对和 的取值 需要进行折衷,取值越大 ,则滤波器的抗噪性能越好,但也容易声成假的脊线。这里取和。 4、指纹匹配 本系统中指纹匹配采用基于特征点集合匹配的校准算法,该算法多为简单的比较逻辑和加减 运算 ,不需要用到 DSP处理单元。