一種新型SoPC自動指紋識別系統(tǒng)設(shè)計

目前，基于FPGA的自動指紋識別系統(tǒng)主要有純硬件方式實現(xiàn)[1]和在以Nios II為CPU的軟核中實現(xiàn)[2-4]兩種方式。以純硬件方式實現(xiàn)雖然速度較快，但由于指紋處理算法比較復(fù)雜，實現(xiàn)困難，同時算法精度差，設(shè)計周期長；而以下載到FPGA的軟核Nios II為控制模塊，具有靈活的設(shè)計方式，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能，較大程度上提高了系統(tǒng)速度，但是該方案中軟硬件處理交替進行，涉及到軟硬件之間頻繁的指紋數(shù)據(jù)傳輸，限制了系統(tǒng)的速度，同時增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

本文提出了一種基于SoPC的新型結(jié)構(gòu)的自動指紋識別設(shè)計方案。具有以下特點：

(1)根據(jù)對指紋識別算法的分析和優(yōu)化，在軟、硬件結(jié)合的基礎(chǔ)上將軟件設(shè)計和硬件設(shè)計分開，把指紋識別系統(tǒng)中耗時較大的圖像預(yù)處理部分用硬件來實現(xiàn)，而耗時較少的特征提取、匹配和操作控制等部分則在NiosⅡ軟核中實現(xiàn)。從而使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明晰，處理性能得到提升。

(2)用一塊SRAM作指紋處理中間數(shù)據(jù)的緩存。指紋圖像前期處理以硬件實現(xiàn)，中間數(shù)據(jù)緩存于SRAM中；指紋圖像后期處理軟件從SRAM中將所有數(shù)據(jù)讀入NiosⅡ的數(shù)據(jù)存儲器。這樣的存儲設(shè)計使得軟件處理和硬件處理之間不涉及大量的數(shù)據(jù)流傳輸，使軟硬件數(shù)據(jù)接口簡單，數(shù)據(jù)流的控制更加簡單易行，同時避免了頻繁的軟硬件數(shù)據(jù)傳輸帶來的時間消耗。

(3)在軟硬件處理結(jié)合的基礎(chǔ)上使指紋處理時間大大降低，1.5 s內(nèi)可以完成一幅指紋圖像的預(yù)處理，3 s內(nèi)可以完成一幅指紋圖像的比對。

1 設(shè)計思路

1.1 指紋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從整個指紋處理系統(tǒng)的角度來考慮，根據(jù)各算法處理特性仔細地劃分系統(tǒng)子模塊。通過對指紋處理算法的分析發(fā)現(xiàn)，指紋的預(yù)處理部分使用到多次數(shù)據(jù)循環(huán)運算，運算量較大而且單一，使用硬件實現(xiàn)明顯降低時間消耗，所以選擇對指紋的預(yù)處理部分實行整體硬件化；對于指紋匹配部分，運算量相對較少但算法復(fù)雜多樣，使用軟件算法相對比較簡單而且可以達到很高的精度，所以使用Nios II軟件算法來實現(xiàn)。選擇預(yù)處理部分整體硬件化，匹配部分整體軟件化的另外一個好處是軟硬件處理不需要進行頻繁的數(shù)據(jù)交換傳輸，節(jié)省時間的同時降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

如圖1所示，系統(tǒng)工作流程主要分為指紋硬件采集、指紋圖像硬件預(yù)處理和指紋軟件匹配。其中SRAM作為指紋數(shù)據(jù)的緩存設(shè)備，F(xiàn)lash做為指紋特征數(shù)據(jù)的存儲設(shè)備，對指紋數(shù)據(jù)的處理步驟按照箭頭所指示的方向進行。

1.2 NiosⅡ軟件功能

Nios II作為主要控制模塊，通過Avalon總線協(xié)調(diào)指紋處理各個子模塊的運行。其中預(yù)處理硬件模塊由于處理中各算法步驟順序執(zhí)行，所以以一個整體掛在Avalon總線上，方便模塊的控制。指紋圖像預(yù)處理后的特征提取匹配使用NiosⅡ軟件實現(xiàn)，指紋數(shù)據(jù)儲存于程序的數(shù)據(jù)存儲器中，按照軟件處理流程調(diào)用各個函數(shù)進行處理。為了方便觀察調(diào)試結(jié)果，在Avalon上掛有VGA和LCD顯示，每一步算法完成后調(diào)用VGA顯示查看處理結(jié)果，使用LCD提示處理步驟。

1.3 硬件優(yōu)化技術(shù)

針對FPGA算術(shù)運算中的乘法、除法易出現(xiàn)的時序問題，對浮點數(shù)運算、開方算法、反正切算法等耗費大量資源的通用性問題，特別做了如下優(yōu)化：

(1)乘除法均采用Quartus自帶的IP核進行運算，IP核采用流水線結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)中時序不滿足情況的發(fā)生，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

(2)浮點數(shù)運算均通過擴大倍數(shù)后轉(zhuǎn)為定點數(shù)再進行運算，可以在降低運算復(fù)雜度的同時降低時間消耗；

(3)開方算法采用不恢復(fù)余數(shù)開方算法實現(xiàn)，只涉及加減和移位，處理時間只有輸入位寬的1/2，可降低系統(tǒng)消耗，減少處理時間；

(4)反正切運算采用CORDIC算法，采用狀態(tài)機結(jié)構(gòu)，通過反復(fù)迭代實現(xiàn)，算法簡單。