圖像采集綜合評(píng)估的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)(一)

　　由于具有其持久性和唯一性，指紋被廣泛應(yīng)用在個(gè)人身份識(shí)別系統(tǒng)。指紋識(shí)別在全世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，不僅為防范犯罪，同時(shí)也作為處理個(gè)人事務(wù)和信息安全的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

　　在指紋識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，歐美國(guó)家在研究和開發(fā)中處于領(lǐng)先地位。美國(guó)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(guó)聯(lián)邦政府推出的FIPS201認(rèn)證的Lumidign和Secugen指紋儀;法國(guó)Segam公司，是安全解決方案的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者之一，有遍布5大洲超過85個(gè)分公司和分支機(jī)構(gòu)，其生產(chǎn)的集成系統(tǒng)部署在100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。亞洲在指紋識(shí)別技術(shù)上較為先進(jìn)的公司有：韓國(guó)現(xiàn)代、朝鮮的培富士、日本的NEC等。

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

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

　　文中采用一種指紋圖像綜合評(píng)估算法，設(shè)計(jì)具有信息提示功能的指紋識(shí)別系統(tǒng)，并將評(píng)估結(jié)果輸出到顯示屏，實(shí)現(xiàn)了提高指紋識(shí)別成功率，讓用戶直觀了解指紋采集的某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，以及如何進(jìn)行修正的目的。

　　1指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1.1嵌入式指紋采集系統(tǒng)組成

　　具有提示信息的指紋識(shí)別裝置包括處理器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)試接口、復(fù)位電路、外部SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(píng)估的結(jié)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(diào)試接口用來與上位機(jī)連接進(jìn)行調(diào)試;復(fù)位電路用來初始化指紋識(shí)別裝置;FLASH程序存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)指紋識(shí)別裝置運(yùn)行的程序;外部SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)指紋識(shí)別裝置運(yùn)行過程中產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù);串口和USB接口用于與上位機(jī)的連接通信;安全控制器是指紋識(shí)別裝置的核心，控制指紋識(shí)別裝置的運(yùn)行。

　　圖1指紋采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　指紋專用芯片，是指內(nèi)嵌指紋識(shí)別技術(shù)的芯片產(chǎn)品，能夠片上實(shí)現(xiàn)指紋的圖像采集、特征提取、特征比對(duì)的芯片，使開發(fā)過程變得簡(jiǎn)單，開發(fā)者可以方便的實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別的功能，同時(shí)芯片價(jià)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(shù)有限公司生產(chǎn)的AS602芯片，采用哈佛結(jié)構(gòu)32位RISC處理器內(nèi)核，內(nèi)置專用DSP指令集和加速器。其主要特點(diǎn)是具有SEA/RSA加速引擎、內(nèi)置存儲(chǔ)器(Flash/OTP)、指紋處理加速器和專用算法軟件。AS602芯片主頻高達(dá)128 MHz，內(nèi)置128 KB高速靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(duì)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(shí)時(shí)鐘、對(duì)稱算法引擎(SEA)加速器、RSA加解密引擎、真隨機(jī)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(gè)傳感器陣列組成，每一個(gè)陣列是一個(gè)金屬電極。放在傳感面上的手指的對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(gè)傳感器(或其中的一部分)是通過讀取感應(yīng)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(shí)鐘輸出，60腳作為數(shù)據(jù)主輸出，連接FPC1011F的6號(hào)腳;59腳作為數(shù)據(jù)主輸入，連接FPC1011F的1號(hào)腳。FPC1011F 4號(hào)引腳SPI_CK與AS602的61腳連接得到系統(tǒng)時(shí)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(shí)FPC1011F為從設(shè)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(dāng)SPI_STATUS的DA狀態(tài)為1時(shí)，用rd_spidata指令來讀取FPC1011F的FIFO中的數(shù)據(jù)。

　　1.4指紋圖像評(píng)估狀態(tài)顯示模塊

　　HS1602A LCD是16×2行，5×7字符點(diǎn)陣液晶模塊，其內(nèi)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(hào)的字符庫(kù)，雖然沒有漢字，但是利用HS1602A可以建立5×7點(diǎn)陣自定義字庫(kù)的特點(diǎn)，形成所需要的漢字點(diǎn)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(píng)估研究與分析

　　2.1指紋圖像評(píng)估流程

　　在指紋采集輸入過程中，由于手指的指紋質(zhì)量、安放位置及干濕狀態(tài)等原因，都可能無法正確識(shí)別指紋信息。為提高指紋識(shí)別效率，先對(duì)采集的指紋信息進(jìn)行評(píng)估。安全控制器對(duì)指紋圖像進(jìn)行指紋灰度圖像隔點(diǎn)采樣，指紋圖像點(diǎn)方向圖計(jì)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(zhì)量分析等圖像處理過程，并對(duì)評(píng)估的結(jié)果用漢字進(jìn)行顯示。若評(píng)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(píng)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(diǎn)采樣

　　用隔點(diǎn)的方式對(duì)指紋灰度圖像進(jìn)行采樣，隔點(diǎn)獲得原始指紋灰度圖像，在不改變指紋特征碼的基礎(chǔ)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(diǎn)方向圖表示所述隔點(diǎn)原始指紋灰度圖像中每一像素點(diǎn)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(gòu)成的一種方向模式。通過指紋圖像點(diǎn)方向圖計(jì)算，可將指紋圖像中的各個(gè)圖像塊劃分為前景塊或背景塊。采用7×7模板，基準(zhǔn)點(diǎn)位于模板中心，從水平位置開始每隔π/4確定一個(gè)方向，定義I=1，2，3，4，對(duì)應(yīng)0，π/4，2π/4，3π/4，π四個(gè)方向。按公式(1)計(jì)算各個(gè)方向的灰度變化DI，比較DI，找到最小值，就代表該點(diǎn)的方向，見公式(1)：

　　式中，是沿I方向上點(diǎn)的灰度均值，f1(ik ， jk)是I方向上點(diǎn)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(shè)置為1，背景塊設(shè)置為0，實(shí)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(jìn)行計(jì)算：

　　其中，f(i， j)為(i， j)點(diǎn)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(dāng)前點(diǎn)為前景點(diǎn);否則為背景點(diǎn)。

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