嵌入式指紋檢索系統(tǒng)設(shè)計

　　3.嵌入式應(yīng)用平臺設(shè)計

　　為了使所設(shè)計的指紋檢索算法得到實現(xiàn)和驗證，根據(jù)嵌入式指紋檢索系統(tǒng)的要求，還需要設(shè)計嵌入式應(yīng)用平臺。該平臺的設(shè)計主要分為硬件系統(tǒng)和軟件環(huán)境兩部分。

　　3.1嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　本文所設(shè)計的用于指紋檢索算法實現(xiàn)與驗證的嵌入式硬件平臺以東南大學(xué)自主研發(fā)的高性能微處理器SEP6200為核心控制單元。SEP6200是一顆32位的高性能應(yīng)用處理器，主頻達到800Mhz，有著高效的運算和控制能力，能夠較好的執(zhí)行指紋檢索程序。主控制器配合DDR、Nand Flash、LCD、USB指紋采集器等外圍設(shè)備，搭建成了完整的嵌入式指紋檢索硬件平臺，圖6是所設(shè)計的嵌入式指紋檢索系統(tǒng)的硬件框架結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)中主控制器SEP6200用于控制指紋采樣和進行任務(wù)調(diào)度;DDR模塊用來臨時存儲指紋圖像數(shù)據(jù)和執(zhí)行軟件程序;Nand Flash用以存放算法軟件代碼和指紋數(shù)據(jù)庫;LCD顯示屏在執(zhí)行算法時用于提供良好的GUI用戶界面;USB指紋采集器則是用來采集原始指紋圖像，并將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口傳送至核心控制單元。

　　圖6嵌入式指紋檢索系統(tǒng)硬件平臺架構(gòu)圖

　　3.2嵌入式軟件系統(tǒng)配置

　　嵌入式軟件系統(tǒng)主要涉及到操作系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動配置兩個方面。

　　3.2.1.嵌入式Linux操作系統(tǒng)

　　本設(shè)計采用Linux2.6內(nèi)核操作系統(tǒng)作為嵌入式底層軟件基礎(chǔ)平臺。Linux操作系統(tǒng)作為一個開源軟件系統(tǒng)，有著良好的可配置、可裁剪特性，同時其開發(fā)周期短、成本低、安全性高，非常適用于嵌入式系統(tǒng)下指紋檢索應(yīng)用軟件的開發(fā)和測試。

　　3.2.2.驅(qū)動程序配置

　　為了使操作系統(tǒng)能夠控制USB指紋采集器和LCD等外設(shè)工作，必須為Linux內(nèi)核配置相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序。對于USB指紋采集器，本設(shè)計采用V4L2驅(qū)動框架對圖像數(shù)據(jù)進行控制管理，V4L2是Linux下開發(fā)視頻設(shè)備驅(qū)動的一套新框架，該框架為驅(qū)動程序定義了一系列對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，同時為應(yīng)用程序定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的API調(diào)用，便于用戶在應(yīng)用層通過URB獲得指紋圖像數(shù)據(jù)。此外，對于LCD液晶顯示屏也需要提供相應(yīng)的驅(qū)動支持，LCD通常由微處理器的LCDC(LCD Controller，LCD控制器)進行控制。

　　4.系統(tǒng)測試與分析

　　在系統(tǒng)設(shè)計完成之后，筆者對系統(tǒng)的性能和效率等指標(biāo)做了相應(yīng)的測試。實驗中采用了兩個指紋數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)驗證，分別是國際標(biāo)準(zhǔn)指紋測試庫FVC2000-DB3和本系統(tǒng)采集自建的指紋數(shù)據(jù)庫庫OWN-DB.FVC2000-DB3包含800張指紋圖像，OWN-DB包了含500張指紋圖像，兩庫中的圖像都以8位灰度的BMP格式保存，圖7和圖8分別為兩個指紋數(shù)據(jù)庫的示例圖像。

　　圖7&8 FVC2000-DB3指紋圖 OWN-DB指紋圖

　　指紋檢索算法的性能采用檢索穿透率(Penetration Rate， PR)和檢索錯誤率(Error Rate， ER)衡量。檢索穿透率(PR)定義為檢索得出的待匹配指紋數(shù)量占整個數(shù)據(jù)庫的比重，該比重可以由算法程序員自行設(shè)定;檢索錯誤率(ER)則定義為在某一穿透率的限制下，在待匹配指紋中未檢測到目標(biāo)指紋的概率，即檢索失敗率。在實驗中利用所述的兩個指紋數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)進行測試，得到一系列的實驗數(shù)據(jù)，將這些實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，繪制出如圖9所示的曲線圖。

　　圖9指紋檢索系統(tǒng)的性能試驗數(shù)據(jù)

　　從實驗數(shù)據(jù)圖可知，在FVC2000-DB3數(shù)據(jù)庫上，當(dāng)檢索穿透率為10%時，系統(tǒng)檢索錯誤率在6%左右。而在OWN-DB數(shù)據(jù)庫上，當(dāng)穿透率為10%時，系統(tǒng)錯誤率則可降低至4.6%以內(nèi)，充分驗證了本設(shè)計的可靠性。此外作為嵌入式系統(tǒng)，軟件程序的執(zhí)行效率也是一項重要指標(biāo)。在實驗中，當(dāng)系統(tǒng)進行1：800檢索時總耗時1.63秒;當(dāng)進行1：500檢索時總耗時0.99秒?？傮w來看，系統(tǒng)的實時性也達到了比較良好的指標(biāo)。

　　結(jié)語

　　指紋檢索算法是一種應(yīng)用于大容量指紋數(shù)據(jù)庫的快速指紋搜索方案。本文在對傳統(tǒng)自動指紋識別系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于多維向量指紋索引因子的快速指紋檢索算法，同時利用國產(chǎn)SOC芯片SEP6200，搭建了嵌入式應(yīng)用平臺，并最終將所設(shè)計的算法以應(yīng)用程序的形式在嵌入式目標(biāo)平臺上進行映射與實現(xiàn)。系統(tǒng)經(jīng)過實驗測試與分析，得到了良好的性能指標(biāo)，進一步論證了本設(shè)計的可行性。