基于ARM和滑動指紋傳感器的采集系統(tǒng)

　　滑動時指紋傳感器獲得的每一個像素，由一個16進制數表示，對應著4個時鐘周期。當傳感器通過SPI端口傳輸獲取到一幀數據時，先傳輸一個幀同步信號F0F00200，然后再傳輸232×8像素指紋數據。因此，每傳輸一幀數據，需要n=（232×8+8）×4=7496個時鐘周期。當FingerChip以6Mbps工作時，每秒中可獲取804幀指紋數據。獲取到的指紋數據存儲在SDRAM中，通過指紋拼接程序將紋幀序列拼接成完整的指紋圖像，然后通過USB傳輸回PC主機中顯示。

4、 系統(tǒng)定制和驅動程序加載

　　4.1系統(tǒng)定制

　　為了增加系統(tǒng)的可維護性，采用Linux系統(tǒng)，Linux內核可根據需要裁減。系統(tǒng)定制過程為：（1） 首先將RomBoot.bin下載到AT91RM9200的SDRAM里;當超級終端顯示RomBoot程序界面之后，分別將RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下載存儲到DataFlash的0xc0000000和0xc0008000地址。復位開發(fā)板，進入U-Boot命令行。（2）在超級終端中，通過tftp將裁減過的Linux內核鏡像文件和文件系統(tǒng)下載到Dataflash中運行。

　　4.2 加載驅動程序

　　設備驅動程序在Linux內核中，使某個特定的硬件響應一個定義良好的內部編程接口，同時完全隱藏了設備的工作細節(jié)。用戶通過一組標準化的調用完成對硬件的操作，而這些調用是和特定的驅動程序無關的。將這些調用映射到作用了實際硬件的設備特定的操作上，就是設備驅動程序的任務。另一方面，這種編程接口使得驅動程序獨立于內核的其他部分而建立，在需要的時候，可以在運行時“插入”內核（調入內存），也即Linux中的模塊化實現(xiàn)，這也是Linux中設備驅動程序的一大特點。

　　將FingerChip驅動程序加載到Linux文件系統(tǒng)中，當系統(tǒng)運行時，使用insmod命令，即可實現(xiàn)指紋傳感器設備的裝載。通過標準化的調用，實現(xiàn)對傳感器的控制。

5、 基于滑動式指紋傳感器的指紋拼接算法

　　當手指滑過時，滑動指紋傳感器采集到是一系列指紋幀序列，因此在嵌入式系統(tǒng)中，需要對獲取的指紋幀序列進行拼接。與PC機中的CPU相比，ARM芯片速度較低。為了減少刮取指紋后的等待時間，對指紋拼接速度的要求很高。

　　從大量的指紋序列中發(fā)現(xiàn)，當采集速度足夠快時，指紋幀序列相鄰兩幀之間是連續(xù)的，而且會有部分重疊。同時，相鄰指紋幀之間的旋轉和形變微乎其微，幾乎可以被忽略，所以在相鄰指紋幀配準的時候，只需要計算出兩幀之間的偏移量就可以。

　　本文運用基于塊匹配指紋拼接算法[5]，能夠快速有效的尋找到相鄰指紋幀之間的偏移量。塊匹配算法是：（1）在圖像A中選取M×N大小的X區(qū)域;（2）在圖像B中選取所有可能的M×N大小的Y區(qū)域;（3）計算X區(qū)域和Y區(qū)域對應象素差值的平均值MAE;MAE越小，兩區(qū)域相似度越高;（4）MAE最小值對應的Y區(qū)域即為與X區(qū)域匹配。計算公式為：

(1)

其中0≤i≤M-1，0≤j≤N-1，p（i,j）為X區(qū)域的點p的象素值，q（i,j）為Y區(qū)域對應點q的象素值。MAE越小，兩區(qū)域相似度越高。理想情況下，MAE最小值為0。

　　具體實現(xiàn)步驟：（1）FingerChip AT77104A獲取到的指紋幀數據大小為232×8，設x方向為232，y方向為8。為了有效的拼接相鄰兩幀指紋，設置獲取每一幀數據的頻率，使得y方向的偏移量dy不大于8，即保證相鄰兩幀一定有重疊。（2）理想情況下，手指在y方向滑動，在x方向上偏移量為0。因此，只考慮dx不大于dy的情況。當dx超過dy時，滑動無效。（3）由（1）（2）可得，|dx|8。同時可得，最后一行，中間的（232-8×2）個象素與下一幀必有重疊。（4）取前一幀最后一行（232-8×2）個象素，即（232-8×2）×1的模板，與新獲取的一幀指紋匹配。（5）匹配方法：在新的指紋幀里面尋找所有可能的（232-8×2）×1的模板，計算求得MAE。選取MAE的最小值對應的模板，此模板與上一幀的最后一行的（232-8×2）×1的模板相匹配。即得dx，dy。（6）重復執(zhí)行以上步驟，直到得到一幅完整的指紋圖像。圖3-a為拼接前的指紋幀，圖3-b為拼接后的指紋圖像。

圖3 a.拼接前的指紋幀 b.拼接后的指紋圖像

6、 總結

　　本文實現(xiàn)了基于ARM9芯片AT91RM9200和滑動指紋傳感器AT77C104B FingerChip的指紋采集系統(tǒng)，具有低功耗，采集便捷，通信系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，具有很大的實用價值。開發(fā)的指紋拼接算法通過了AT77C104B FingerChip獲取的100幅指紋幀序列的測試，均能達到較好的效果。該系統(tǒng)獲取到的指紋幀序列和拼接后的指紋圖像，均可通過USB接口導出，可用于指紋拼接算法有效性的測試和指紋識別算法的測試。因為AT91RM9200支持以太網的接入，因此可以聯(lián)網集控。下一步的工作是，在此指紋采集和指紋拼接算法的基礎上，開發(fā)指紋識別系統(tǒng)。