圖像采集綜合評估的嵌入式指紋識別系統(tǒng)(一)

　　由于具有其持久性和唯一性，指紋被廣泛應用在個人身份識別系統(tǒng)。指紋識別在全世界范圍內的廣泛應用，不僅為防范犯罪，同時也作為處理個人事務和信息安全的一個關鍵技術。

　　在指紋識別技術領域，歐美國家在研究和開發(fā)中處于領先地位。美國ZK Software在1992年就發(fā)布了ZKFinger 1.0版，2008年發(fā)布了ZKTime7.0、ADMS解決方案、指紋鎖、集成具有美國聯(lián)邦政府推出的FIPS201認證的Lumidign和Secugen指紋儀;法國Segam公司，是安全解決方案的市場領導者之一，有遍布5大洲超過85個分公司和分支機構，其生產(chǎn)的集成系統(tǒng)部署在100多個國家和地區(qū)。亞洲在指紋識別技術上較為先進的公司有：韓國現(xiàn)代、朝鮮的培富士、日本的NEC等。

　　中國雖然在指紋識別技術方面發(fā)展較晚，但目前也已有具備指紋識別專用芯片研發(fā)生產(chǎn)和應用能力的企業(yè)，如杭州晟元芯片技術有限公司、國民技術股份有限公司等。

　　在指紋圖像評估算法研究領域，Tabassi等人通過提取指紋圖像各子塊的對比度和曲率特征評估指紋圖像質量，但這種方法只是從指紋圖像局部紋理進行分析，不足以反映指紋圖像全局信息;Hong等人通過計算指紋圖像每一圖塊指紋紋線垂直方向上的灰度方差評估指紋圖像質量，它在圖像噪聲較大時并不能很好獲得指紋圖像的方向圖，從而影響最后的評估效果。

　　文中采用一種指紋圖像綜合評估算法，設計具有信息提示功能的指紋識別系統(tǒng)，并將評估結果輸出到顯示屏，實現(xiàn)了提高指紋識別成功率，讓用戶直觀了解指紋采集的某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，以及如何進行修正的目的。

　　1指紋識別系統(tǒng)硬件設計

　　1.1嵌入式指紋采集系統(tǒng)組成

　　具有提示信息的指紋識別裝置包括處理器，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。處理器以不同的接口分別連接LCD漢字顯示屏、指紋傳感器、JTAG調試接口、復位電路、外部SRAM數(shù)據(jù)存儲器、串口及USB接口;電源管理模塊為上述各部分中的芯片和電路提供電源管理。其中，漢字顯示屏用來顯示指紋圖像初始評估的結果，提示用戶手指的放置是否正確、若不正確如何修正;指紋傳感器用來獲取手指的指紋圖像信息;JTAG調試接口用來與上位機連接進行調試;復位電路用來初始化指紋識別裝置;FLASH程序存儲器用來存儲指紋識別裝置運行的程序;外部SRAM數(shù)據(jù)存儲器用來存儲指紋識別裝置運行過程中產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù);串口和USB接口用于與上位機的連接通信;安全控制器是指紋識別裝置的核心，控制指紋識別裝置的運行。

　　圖1指紋采集系統(tǒng)結構圖

　　指紋專用芯片，是指內嵌指紋識別技術的芯片產(chǎn)品，能夠片上實現(xiàn)指紋的圖像采集、特征提取、特征比對的芯片，使開發(fā)過程變得簡單，開發(fā)者可以方便的實現(xiàn)指紋識別的功能，同時芯片價格適中，利于普及使用。

　　指紋專用芯片采用杭州晟元芯片技術有限公司生產(chǎn)的AS602芯片，采用哈佛結構32位RISC處理器內核，內置專用DSP指令集和加速器。其主要特點是具有SEA/RSA加速引擎、內置存儲器(Flash/OTP)、指紋處理加速器和專用算法軟件。AS602芯片主頻高達128 MHz，內置128 KB高速靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)，嵌入了1 MB大容量FLASH，64 kB ROM和4 kB OTP ROM，并具備豐富的對外接口：除了USB2.0全速接口外，還具備3組USART接口、4通道PWM接口、ISO7816智能卡接口、APC主接口、片上實時鐘、對稱算法引擎(SEA)加速器、RSA加解密引擎、真隨機數(shù)產(chǎn)生器(TRNG)，以及51路GPIO.

　　1.3指紋采集傳感器

　　FPC1011F指紋傳感器由152×200個傳感器陣列組成，每一個陣列是一個金屬電極。放在傳感面上的手指的對應點則作為另外一極，其工作原理是改變極板間距的電容式傳感器，整個傳感器(或其中的一部分)是通過讀取感應器的指令來讀取的，采集區(qū)域的大小是由寄存器XSHIFT和YSHIFT值的決定的。

　　FPC1011F與處理器芯片的接口原理圖如圖2所示。將AS602的USART0配置為SPI模式。AS602的61腳作為時鐘輸出，60腳作為數(shù)據(jù)主輸出，連接FPC1011F的6號腳;59腳作為數(shù)據(jù)主輸入，連接FPC1011F的1號腳。FPC1011F 4號引腳SPI_CK與AS602的61腳連接得到系統(tǒng)時鐘。

　　圖2 AS602與FPC1011F的接口原理圖

　　將FPC1011F的CPHA和CPOL分別置為0，此時FPC1011F為從設備。指紋圖像數(shù)據(jù)通過傳感器輸入FIFO.指紋采集通過查詢方式，用rd_spidtat指令不停地查詢SPI_STATUS寄存器的DA狀態(tài)是否為1.當SPI_STATUS的DA狀態(tài)為1時，用rd_spidata指令來讀取FPC1011F的FIFO中的數(shù)據(jù)。

　　1.4指紋圖像評估狀態(tài)顯示模塊

　　HS1602A LCD是16×2行，5×7字符點陣液晶模塊，其內部的字符發(fā)生器ROM中自帶數(shù)字和英文字母及一些特殊符號的字符庫，雖然沒有漢字，但是利用HS1602A可以建立5×7點陣自定義字庫的特點，形成所需要的漢字點陣。HS1602A與傳感器芯片的接口原理圖如圖3所示。

　　圖3 AS602與HS1602A LCD顯示屏模塊接口原理圖

　　2指紋圖像評估研究與分析

　　2.1指紋圖像評估流程

　　在指紋采集輸入過程中，由于手指的指紋質量、安放位置及干濕狀態(tài)等原因，都可能無法正確識別指紋信息。為提高指紋識別效率，先對采集的指紋信息進行評估。安全控制器對指紋圖像進行指紋灰度圖像隔點采樣，指紋圖像點方向圖計算，指紋灰度圖像的前、背景圖分離，指紋前景圖面積分析，指紋圖像質量分析等圖像處理過程，并對評估的結果用漢字進行顯示。若評估不合格，根據(jù)顯示信息，重新采集指紋圖像信息，直到通過評估。系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

　　圖4系統(tǒng)工作流程圖

　　2.2指紋圖像隔點采樣

　　用隔點的方式對指紋灰度圖像進行采樣，隔點獲得原始指紋灰度圖像，在不改變指紋特征碼的基礎上減少數(shù)據(jù)采集量。

　　2.3指紋灰度圖像的前、背景分離

　　用點方向圖表示所述隔點原始指紋灰度圖像中每一像素點處的局部紋理走向，具體如下：

　　指紋圖像是由局部平行的脊線和谷線構成的一種方向模式。通過指紋圖像點方向圖計算，可將指紋圖像中的各個圖像塊劃分為前景塊或背景塊。采用7×7模板，基準點位于模板中心，從水平位置開始每隔π/4確定一個方向，定義I=1，2，3，4，對應0，π/4，2π/4，3π/4，π四個方向。按公式(1)計算各個方向的灰度變化DI，比較DI，找到最小值，就代表該點的方向，見公式(1)：

　　式中，是沿I方向上點的灰度均值，f1(ik ， jk)是I方向上點的灰度值。

　　圖像的前景塊是分布有指紋脊線的圖像塊，其余部分為背景塊。將前景塊設置為1，背景塊設置為0，實現(xiàn)指紋灰度圖像的前、背景圖分離。具體如下：

　　1)使用公式(2)進行計算：

　　其中，f(i， j)為(i， j)點的灰度值;為I方向上灰度值的累加和;Smax為累加和值的上限值;Smin為累和值的下限值。如果滿足公式(2)的條件，則當前點為前景點;否則為背景點。

　　2)依據(jù)小塊內背景點的比例，判斷各圖像塊是前景塊或背景塊。如果小塊內背景點的數(shù)量超過閾值Tb，則認為該圖像塊屬于背景塊，否則為前景塊。