（信号与信息处理专业论文）基于dsp和fpga的自动指纹识别系统硬件设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着计算机与信息技术的发展，生物特征识别技术受到了广泛的关注。指纹 识别是生物特征识别中的一项重要内容，一直以来是国内外的研究热点。 嵌入式自动指纹识别是指指纹识别技术在嵌入式系统上的应用。传统的嵌入 式自动指纹识别系统多采用单片d s p 或m i p s 处理器来完成算法，由于d s p 或 m i p s 处理器只能根据程序顺序执行，在指纹匹配过程中只能和整个库中的指纹进 行一一匹配，因此这类系统在处理较大指纹库时下匹配时间相当长。为了克服这 个缺点，本文构建了浮点d s p 和f p g a 协同处理构架的硬件平台，充分利用d s p 在计算上的精确度和f p g a 并行处理的特点，由d s p 和f p g a 共同处理匹配算法。 本文的主要工作如下： 1 设计了一个硬件系统，包括d s p 处理器、f p g a 、指纹传感器、人机交互接 口和u s b l 1 接口。同时，还设计了各硬件模块的驱动程序，为应用程序提供控制 接口。由于系统中d s pt 作频率为3 0 0 m h z ，其中某些器件的工作频率达到了 1 0 0 m h z ，因此本文还给出了一些信号完整性分析和p c b 设计经验。 2 编写了v e f i l o g 程序，在f p g a 中实现了9 路指纹的并行匹配。由于f p g a 本身的局限性，实现原有匹配算法有很大困难。在简化原有匹配算法的基础上本 文提出了便于f p g a 实现“粗匹配”算法。此外，还设计了用于和d s p 通信的接 口模块设计。 3 完成了系统应用程序设计。在使用u c o s i i 实时操作系统的基础上设计了 各系统任务，通过调用驱动程序控制和协调各硬件模块，实现了自动指纹识别功 能。为了便于存放指纹特征信息，设计了指纹库数据结构，实现了指纹库添加、 删除、编辑的功能。 最终，本系统实现了高效、快速的进行指纹识别，各模块工作稳定。同时， 模块化的软硬件设计使本系统便于进行二次开发，快速应用于各种场合。 关键词：自动指纹识别系统，c y c l o n ef p g a ，t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b ，u c o s i i 实时操作 系统 a b s l a a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y h a sd r a w nm o r e a t t e n t i o n s f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y 鲴ap a r to fb i o m e t r i ct e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gv e r yf a s ta n d u s e di nm a n yf i e l d s e m b e d d e df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e m i st h eo n eo ft h e f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o na p p l i c a t i o n s i nt r a n d i t i o n a le m b e d d e df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m s ， as i n g l ed s po rm i p sp r o c e s s o ri sm o s t l yu s e dt od ot h ea r i t h m e t i c b e c a u s et h o s e p r o c e s s o r sw o r ks e q u e n t l y , t h e yc o u l do n l ym a t c hf i n g e r so n eb yo n e w h e nc o m i n g a c r o s sal a r g ef i n g e rl i b ，t h i sp r o c e s s i n gw o u l ds p e n dal o to ft i m e t os o l v et h i s p r o b l e m ，af p g a i sa d d e dt oa s s o c i a t ed s pt od ot h em a t c h i n ga r i t h m e t i c a st h ef p g a nd o m a t c h i n gp r o c e s s i n gi np a r a l l e l a n dd s ph a sm o r ea c c u r a c y , t h i sn e w c o n s t r u c t i o nh a sh i g he f f i c i e n c y ， t h ew o r ka b o u tt h i st h e s i si sd e s c r i b e db e l o w ： w ed e s i g n e dah a r d w a r es y s t e mi n c l u d i n gd s p s ，f p g a ，f i n g e r p r i n ts e n s o r , h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n du s b l 1p o r t a n dw ea l s ow r o t et h er e l a t e dd r i v e r st o s u p p o r ta p p l i c a t i o n s b e c a u s et h ed s p w o r ka t3 0 0 m h z a n ds o m eo t h e rc h i p sw o r ka l 1 0 0 m h z ，i nt h i st h e s i sw ed i s c u s s e ds o m es i g n a li n t e g r i t yt h e o r i e sa n dg l v e ds o m e e x p e r i e n c e sa b o u tp c bd e s i g n w en l a d eaf p g ad e s i g nt h a t9l i n e so ff i n g e rm a t c hp r o c e s s i n gc a nb e d o n ea tt h e s a l l l et i m e t oa v o i df p g a sd i s a d v a u t a g e s ，w es i m p l i z e df i n g e rm a t c ht h e o r y a n dw e a l s od e s i g n e da ni om o d u l et oc o m m u n i c a t ew i md s e w ed e s i g n e da na p p l i c a t i o np r o g r a mt oi d e n t i f yf i n g e r p r i n ta u t o m a t i c l y a n dw e a l s od e s i g n e das t r u c t u r et om a n a g ef i n g e r p r i n td a t a b a s e f i i l a l l y ，t h i ss y s t e mi sr e l i a b l e ，a n di t ni d e n t i f yf i n g e r p r i n t 谢mb i g he f f i c i e n c y a n dt h em o d u l a r i z e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea l ef i t a b l ei nm a n yd i f f e r e n ts i t u a t i o n s k e y w o r d s ：a u t o m a t i c f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o n s y s t e m , c y c l o n ef p o a , t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b u c o s - r e a l - t i m ek e r n e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特i i i i 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：型i i i i ：如，7 年f 月午日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：药均毳签名：们瑚幻导师签 日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代社会的数字化、信息化和网络化进程不断加快，人们之间的信息交 流愈加方便快捷，身份的数字化和隐性化趋势日趋明显。但是，随之而来的利用 身份欺骗而造成公司、个人的机密数据泄漏和利益受损的问题也日益严重，这对 个人身份鉴别技术提出了重大的挑战。如何自动、快速、准确地鉴别个人身份， 保护信息安全是当今信息化时代必须解决的关键性社会问题。现代身份鉴别技术 不但要求具有极高的安全性( 准确性) ，鉴别过程自动化、易于管理和以人为本也 是它应该具备的关键性特征。 传统的自动身份鉴别技术可以分成两大类：基于标识的鉴别技术和基于知识 的鉴别技术。基于标识的方法是指用于特定的标志来获得个人认证，例如护照、 身份证、驾驶证和钥匙等。而基于知识的方法使用“所知”鉴别个人身份，即待 鉴别者通过私有的知识和信息来证明自己的身份，如密码、个人识别码( p i n ) 、 口令等。基于标识和基于知识的鉴别技术已经被人们使用了千百年，其主要优点 是：简单和成本较低。然而，这些传统的个人识别方法并不是根据待鉴别者的“内 在”特征进行身份识别，实际使用时常常会遇到许多不利因素：如护照、身份证 等可能会被盗取、替换、丢失、或者忘记携带，密码或p i n 则容易遗忘或被熟悉 的人猜中，而这些传统的身份鉴别方法是无法区分授权人和冒名顶替者的。特别 是在计算机技术飞速发展的今天，利用高速计算机对密码和p i n 进行自动攻击也 正变得越来越容易。综上所述，传统的身份鉴别技术在当今高度数字信息化的社 会中已经日渐显得力不从心，人们迫切需要新的个人身份鉴定技术来保护自身的 利益不受侵犯。 事实上，由于人体本身的生物特征具有唯一性和不可复制等特点，因而理所 当然的成为了传统身份识别技术的替代品。 1 2 生物识别技术 生物识别技术( b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ) ，是指通过计算机利用人 电子科技大学硕士学位论文 体所固有的生理特征( 指纹、虹膜、面相、d n a 等) 或行为特征( 步态、击键习惯等) 来进行个人身份鉴定的技术。由于它所识别的对象具有稳定性( 长期不变) 、唯一 性( 不同的个体互不相同) ，普遍性( 人人都有) 和与识别的个体有本质的联系等 特征，不易伪造和假冒，因此成为目前最为安全的识别技术。 从核心算法来说，随着新的数学工具( 比如小波理论) 的发展与应用，生物识别 技术的核心理论与算法在原有基础上进一步提升。与此同时，与生物识别技术大 规模实际应用密切相关的其他技术的发展与普及，使得生物识别技术具备了在实 际社会活动中大规模应用的可能性。i c 卡技术的成熟，使得大信息量的人体生物 特征与传统的认证卡认证方式找到了较好的结合点，生物识别技术可以从改进、 增强传统身份确认方式的功能作为切入点，在海量数据库上使用。另外与之相匹 配的外围硬件、应用系统的不断发展，高性能计算的成熟与成本下降使得生物特 征识别技术在1 ：n 技术领域得以大规模实现。 目前，用于生物识别的生理特征有手型、指纹、脸型、虹膜、视网膜、脉搏 和耳廓等，行为特征有签字和声音等。基于这些特征，人们已经发展了多种生物 识别技术。在生物识别技术民用化过程中首选指纹识别技术。指纹作为授权手段 拥有安全授权手段的三大特性： 安全性：指纹纹路在人出生时即已定型，并终生不变。活体指纹采集技术保 证了“随身携带”指纹的安全性。 便捷性：无论是联机还是嵌入式的指纹处理系统，目前其处理速度均已达到 理想水平。 可靠性：指纹识别技术是典型的“认人不认物”的授权手段。在授权当时就 可以确保使用者是“合法“授权者。 图1 2 早期的指纹应用 2 第一章绪论 1 3 指纹识别技术 指纹是手指皮肤表面隆起的脊和凹下的谷构成的特定纹路，其纹理在婴儿胚 胎时期就己经确定。相对于人体其它的生物特征而言，指纹在唯一性、永久性方 面有着明显得优势；科学研究发现，两枚指纹完全相同的概率极小，可以认为世 界上没有两个人会有完全相同的指纹；而且每个人的指纹会保持终生不变，指纹 由皮肤表面死亡的角质细胞堆积而成，即使磨损，只要不伤及真皮，也能重新长 出。另外，指纹的应用是非常方便、可靠的，并且不会对人体构成侵犯，用户接 受程度也比较高。基于以上特点，指纹识别技术在社会安全、信息安全、金融安 全、个人安全以及防伪领域得到了广泛的应用，几乎成为生物特征识别的代名词。， 指纹作为身份鉴别的方法早在古代就己经在中国和古叙利亚有所应用，如留有陶 艺匠人指纹的粘土陶器，印有起草者拇指指纹的文件等。早期对指纹的应用如图 1 - 2 所示 传统的指纹识别运用局限在法律用途，而且是以人工肉眼比对，十分费时。 从八十年代开始，各国政府己将指纹卡输入大型电脑代替人工比对，且全球已累 积到一亿张以上的数量。然而这些资料是先以油墨沾印到指纹卡，再扫描进电脑。 指纹品质多半不够好，有时甚至在犯罪现场上采到清晰的指纹，也会因建档的指 纹资料模糊，而无法找出嫌犯。目前的技术发展，已有足够能力取得高品质的活 体指纹影像，且在建档及传输上完全电脑化，足以解决上述的窘境。 1 4 指纹识别技术的现状与前景 目前在世界上许多公司和研究机构都在指纹识别技术的研究中取得一些突破 性发展，从而推出了许多新产品，这些产品已经开始在许多领域得以运用。t r e k 2 0 0 0i n t e r n a t i o n a l 的子公司t r e k s t o r 提供了一种指纹识别技术的存储解决方案， t r e kt h u m b d r i v et o u c h 是移动储存设备业界的革命性的创新。它是世界上第一 款指纹识别u s b 闪盘，提出了一种新的产品范畴定义。t h u m b d r i v e t o u c h 用生物 指纹识别技术代替了传统的用户密码识别。它用自带的u s b 端1 2 1 插入u s b 接口后。 用户可通过硅传感器鉴别自己的指纹。在国内，指纹识别技术主要应用于考勤系 统和门禁系统中，例如用于准考证管理系统中，可以保证报名者与考生身份完全 一致，能够从根本上杜绝替考现象的发生。2 0 0 3 年1 月，澳门特别行政区的居民 已开始拥有指纹等生物特征的智能身份证卡。北京也在2 0 0 4 年开始换发第二代身 电子科技大学硕+ 学位论文 份证，其中的i c 芯片记录了指纹信息和虹膜特征等生物特征信息。随着指纹识别 技术的不断发展，其应用几乎囊括了所有需要进行安全性防范的场合，在金融证 券、i t 、安防、公安、医疗和福利等行业的许多应用系统中具有广阔的发展前景。 1 5 课题来源、目标及意义 本项目来源于国家信息产业部的专项课题指纹识别系统的研制。课题立项主 要基于以下几点： 首先，据i b g ( 国际生物集团) 的统计表明：全球生物特征技术市场每年将以超 过8 0 的速度增长。生物特征识别正成为一个令许多大公司和投资者们朝思暮想 的庞大市场。目前，生物特征认证技术在国外经过3 0 多年的发展，软硬件已经相 对比较成熟，产生了一批比较有规模、技术成熟、有实力的厂商，生物识别技术 的产品开始进入大规模的应用。反观国内，虽然北京大学、中科院自动化所等单 位也掌握了一些核心算法，但应用上总体还处于发展初期，主要集中在比较分散、 自发性的企业级应用上大多数企业的硬件设备源于国外厂商；缺乏技术标准和 行业规范，缺少专业性的独立评测机构：技术和产业环境与国外存在差距，资源、 信息缺乏共享，公用数据库偏少。这些都将使中国在这个即将到来的大市场中处 于不利位置。 其次，人类进入新世纪以来，世界安全形势并没有如乐观人士预想的那样变 得更好，“9 ，1 1 ”事件再次向人们敲响了警钟。今年初，美国开始对入境外国人提 取指纹，反映了美当局对安全问题的忧虑。中国的安全问题虽不至于像美国那样 严重，但依然很严峻。特别是2 0 0 8 年奥运会、2 0 1 0 年世博会对中国来说都是很大 的考验。有报道称，日本一家著名公司来到北京，全力推销其生物特征识别技术。 希望能用于北京奥运会。 随着生物科学的发展，指纹作为个人身份识别标志已得到公认。它与生俱来， 不易丢失，不易受损，易于识别，是高安全级别应用中进行身份认证的理想手段。 指纹识别系统在网络、银行、证券、医疗和保险等行业得到了广泛应用。它充分 利用了指纹这种具有唯一性的生物特征取代了传统的密码识别方式，不仅将在一 定程度上保证国家经济信息的安全，还将真正给消费者的网上购物，商家和企业 的网上销售等活动营造一个安全、便捷的有利环境，同时带来不可估量的经济效 益和社会效益。因此，大力推进我们自己的生物特征识别技术、尤其是指纹识别 技术的研究水平并促其产业化，不仅可以提高我们的安全防范水平，也可以产生 4 第一章绪论 很大的经济效益、社会效益。同时可以带动计算机、电子、光学、图像处理、模 式识别等相关学科的发展，具有很大的理论与现实意义。 本课题目标是开发出快速高效的自动指纹识别系统。主要分为两个部分，指 纹识别算法设计和实现、嵌入式硬件系统及相关软件系统。本文所描述的属于后 一部分的研究。 1 6 论文工作简介及章节安排 全文共分为六章，后面每章的主要内容如下： 第二章嵌入式自动指纹识别系统 简要介绍了指纹处理预处理算法，由于需要在f p g a 中实现指纹匹配，详细 介绍了匹配算法的实现过程。另外还详细介绍了本系统的硬件构架和数据处理流 程。 第三章系统硬件及驱动设计 主要介绍系统各个组成模块的硬件设计，从芯片选型到具体的硬件连接。由 于驱动和硬件设计息息相关，因此在介绍硬件的同时也给出了驱动的设计。在本 章最后给出了本系统硬件设计相关的一些信号完整性分析和p c b 设计心得体会。 第四章f p g a 设计 作为实现本课题目标的一个关键部分，本章详细介绍了f p g a 作为指纹匹配 协处理器的特点和优势，在简化原有算法的基础上提出了一个便于在f p g a 上实 现的粗匹配算法，并介绍了算法在f p g a 上的实现过程。另外还介绍了f p g a 中 的的外部接口设计。 第五章系统应用程序设计 应用程序将所有的硬件协调起来，在硬件平台实现了自动指纹识别功能。本 章首先简单介绍u c o s i i 实时操作系统及其在t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 上的移植的一些注意 事项，然后详细介绍了作为整个系统控制和管理的应用程序各个功能模块设计。 最后介绍了系统引导设计和一个新的自动程序更新方案。 第六章总结 通过测试表明本系统可以进行快速、高效的指纹匹配。同时本章也指出了且 前工作的不足之处，指出了未来工作的方向。 电子科技大学硕士学位论文 第二章嵌入式自动指纹识别系统 本文所描述的嵌入式自动指纹识别系统是指脱机的自动识别系统，整个采集 识别过程都在嵌入式系统上完成。本章主要讲述指纹识别技术的基本原理、硬件 系统的构架和指纹数据处理流程。 2 1 指纹识别的基本原理 指纹识别技术是指使用取像设备读取指纹图像，通过识别软件提取出指纹图 象中的特征数据，然后根据匹配算法得出的结果鉴别指纹所有人身份的生物识别 技术。 指纹识别系统主要有两种方法，连接到p c 的桌面应用系统和嵌入式系统实 现。连接p c 桌面应用系统具有灵活的系统结构，多个系统可以共享指纹识别设备， 实现建立大型的数据库应用。但由于需要连接计算机才能完成指纹识别的功能， 因此限制了这种系统在许多方面的应用。嵌入式系统是一个相对独立的完整系统， 它不需要连接其他设备或计算机就可以独立完成其设计的功能。例如指纹门禁系 统和指纹考勤机就是嵌入式系统。这种系统具有速度快、体积小、接口多、价格 低、保密性强等优点被应用在各种领域。 指纹处理识别主要涉及指纹图像采集、指纹图像处理【”、特征提取、特征匹配 口噜过程。首先，通过指纹取像设备读取得到指纹的数字图像，并对原始图像进行 初步处理，使之更清晰。然后，指纹识别算法将建立指纹图像的特征数据，这些 数据的集合通常称为模版。进行指纹识别时，由计算机对预存的模版与当前获得 的特征数据进行比较，计算出它们的相似程度，从而得到两幅指纹图像的匹配结 果。可见，指纹识别过程实质上是一个图像识别过程。 2 1 1 指纹处理算法 在本系统中所采用的指纹处理流程主要有以下几个步骤： 1 ) 原始指纹图像数据来源于m b f 2 0 0 指纹传感器，采集象素尺寸为3 0 0 x 2 5 6 。 2 1 滤波：由于指纹头采集到的数据受到传输线路和物理器件的干扰，不可避 6 第二章嵌入式自动指纹识别系统 免的存在噪声。比较明显的是椒盐噪声，所以对采集到数据( 象素值小于 1 7 ) 进行了中值滤波。( 实践表明该滤波器能有效除掉椒盐噪声) 3 ) 图像分割：区分指纹和背景区域。在3 0 0 x 2 5 6 模式下，指纹区域只是占 整个采集图像的一部分，并且在指纹区域，有些地方的纹线比较模糊( 比 如污迹) ，必须将其视作背景，以免产生伪特征。 4 ) 在指纹的局部区域，纹线保持相同的方向。求出指纹在每个区域的方向信 息，此信息对后面的求纹线宽度和增强有着重要的作用。算法中将指纹分 割成7 7 的块，然后求得每一块的方向信息。对所得方向信息进行量化， 得到8 个方向值。在某些位置，由于噪声的干扰或图像质量本身的问题， 初次求得的方向信息不准确，需要根据周围的方向信息对其进行修正。 5 ) 脊线宽度：沿着指纹脊线垂直的方向，根据灰度变化特性，求出每一块的 指纹脊线宽度。 国根据指纹的方向信息和纹线宽度信息，将象素值为0 2 5 5 的灰度图像变 换成象素值为0 和2 5 5 的二值图像。其中，象素值为0 的地方表示指纹的 脊线，象素值为2 5 5 的地方表示指纹的谷线。 n 细化：二值图像中，指纹的脊线宽度( 每条脊线上，垂直与脊线方向的象 素个数) 不为l ，因此，将宽度变为一个象素的过程就是细化。 8 1 后处理：由于细化算法的不完备或者二值化图像不是很精确，所得到的细 化图像不可避免的存在一些毛刺和空洞。后处理就是消除毛刺和空洞。 9 ) 特征提取：指纹的主要信息是端点和分叉点。 l o ) 指纹分类：指纹的特征分为全局特征和局部特征，全局特征指描述指纹总 体结构的一些特征，如纹线的整体走向，奇异点相对位置等。这些特征最 终表现为不同的分类，包括：拱、尖拱、左旋、右旋、螺旋五类。 1 1 ) 匹配：将提取的信息与指纹库中的指纹特征信息进行比对，检查是否存在 相同的指纹。 2 1 2 指纹匹配算法 由于系统中的f p g a 主要用于实现指纹匹配算法，下面详细介绍指纹匹配算 法的原理。 同一指纹传感器在不同时刻采集同一个手指的指纹，所得到图像不可避免的 存在平移和旋转，为了匹配算法的简单化和精确度，本系统的匹配算法以极坐标 电子科技大学硕十学位论文 为参考坐标系( 极坐标系的原点选取将在下文说明) 。 在下面的阐述中，将指纹库中的指纹信息称为模板图像p ，输入待匹配的图 像称为输入图像q 。 以p 和m ( p ) 分别表示一幅模板指纹和该指纹的特征点信息，q 和m ( q ) 分别 表示输入指纹和该指纹的特征点信息。 为了将直角坐标中的指纹信息转换到极坐标，需要在p 和q 中分别找出一个 特征点m ( p ) ( f ) 和m ( q ) ( _ ，) 作为参考点，并以m ( ( _ ) 的特征点的位置为坐标系的 极点，q 中的o x 轴作为极坐标系的极轴( 方向：从特征点到最后采样点) 。确定 极坐标系后，在后续的特征点的匹配过程中，需要将m ( q ) ( ，) 变换到极坐标系中。 由于一开始对m ( p ) 和m ( q ) 中点的对应关系一无所知，所以从 m ( p ) ( m ) ( 1 m s m ( p ) ) 和m ( q ) ( m ) ( 1 m m ( a ) ) 找出一对参考点。 2 1 2 1 寻找参考点 分别选取m ( p ) 和m ( q ) 的任一相同类型，并且追踪步长相等的特征点 盯( p ) ( f ) 和吖( q ) o ) ，求取两者的差异d i f f d i s t ( i ，) 和d i f f a n g ( i ，j ) ： f d i f f d i s t ( i ，_ ，) = 陬p ) * 一d ( q ) j k ) l ( 0 f 5 ) ( 2 - 1 ) 彤一a n g ( i ，d ：t - i 陋p ) 。口( q ) 止) l 【l l gs ) ( 2 - 2 ) 如果d f f d i s t ( i ，力 豫并且够一a n g ( i ，) t a ，那么可以“暂时”的认为这 两个点是同一指纹的同一特征点。m ( p ) ( 1 ) 和肘( q ) ( 歹) 就是选取的一对参考点。上 面的砌和财是算法定义的两个阀值。 同时，根据，叫和x ：，j ，：与o 轴夹角的差异来得出两幅指纹图像相对旋转的 角度r o t a t e ( 0 。 r o t a t e 3 6 0 。) 。 2 1 2 2 比较并寻找匹配点 这里算法定义一全局变量嬲阳= 0 ，并在找到参考点后赋值川s c o 陀= l 找到参考点凹( 即( f ) 和肘( q ) ( ，) 后，需要将j p 的特征信息肘( 户) 转换到极坐标 系中。在寻找匹配点的过程中，主要用到3 个特征信息( ，i f ( p ) 。，瓦) 7 。 = 瓜j 孑i 丽( 2 - 3 ) 8 第二章嵌入式自动指纹识别系统 口( p ) 。= 曰( p ) 。一r o t a t e 凡；t a n 一1 ( 姓) 一r o t a t e x t x _ ( 2 4 ) ( 2 5 ) 瓦表示特征点 ，( 蹦神到特征点肘( j p ) o ) 的距离，吼户) 。表示特征点与第一个 追踪点的连线与极轴的夹角，瓦表示特征点肘( p ) ( m ) 在极坐标系中的极角。( 同 理，材( 9 ( 功也要做部分转换，只是此时的r o t a t e 为0 而已) 判断m ( p ) ( 删) ( 肌f ) 和m ( q x n ) 0 j ) 是否是匹配点时，算法定义三个自适 应阀值、皖和尼。当且仅当满足下列条件时，认为m ( p ) ( m ) ( m i ) 和 m ( q x n ) o d 是匹配点： 际一矗l r b ( 2 - 6 ) p ( p ) 。一口( q ) 。l 见 ( 2 7 ) 并且m s e o r e = m s c o r e + 1 。 阪一瓦i 属 x ( 2 8 ) 图2 - 1m ( p x m ) ( 肌f ) 和m ( q ) ( 行) ( 以- ，) 匹配图 2 1 2 3 指纹匹配算法步骤 ( 1 ) 对于肘( p ) 中的每个特征点肘( p ) ( f ) ( 1 f 2 m ( 户) ) 和m ( q ) 中的每个 特征点m ( q ) ( ，) ( 1 _ ，审埘( q ) ) ，判断他们是否是一对参考点。如果不是，继续 寻找( 改变f 或j 的值) ，直到找到一对参考点，并转入( 2 ) ；若所有的点被判断过 9 电子科技大学硕士学位论文 但仍然没有找到参考点，则认为两个指纹不匹配，跳出。( 软件实现中，以，为外 循环，f 为内循环，一个一个点的对比查找) ( 2 ) 以m ( 尸) ( f ) 和m ( q ) ( _ ，) 为参考点，判断其它所有点( 肘( p ) ( 脚) ( 肼f ) 和 ( q ) ( 功 ，) ) 是否为匹配点。若为匹配点，则使标记符表明这两个特征点已 经匹配，无需再将这两个特征点与其它特征点对比。( 程序中，使j z b 2 【m 儿2 j 2 m ， j z b l 【n 儿纠21 ，程序初始化时这两个值都为一1 ) ( 3 ) 检查全局变量i 岱c o p e 的值，看是否满足两幅指纹匹配的条件，若满足， 则认为两幅指纹匹配，否则转入( 1 ) 。 2 2 嵌入式自动指纹识别系统 嵌入式自动指纹识别系统主要包括嵌入式硬件、指纹算法的实现、应用管理 程序。本文所描述的系统是在原有系统基础上的改进和增强，原有系统在匹配速 度方面不够理想。分析后发现，由于原系统是单d s p 处理系统，整个算法流程都 是顺序执行。特别是匹配处理时，待匹配的指纹要和指纹库的指纹进行一一比对， 匹配时间近似于线性增加，当指纹库很大时，匹配时间就相当长。为了克服这个 椒盐女 波 图像分割 求方向场 图像= 值化 图像细化 特征提取 粗匹配 型! ! 掣指纹传感器 数据发送 获取结果 精确匹配 结果输出 d s p 处理器 f p o a 协处理 图2 2 指纹数据处理流程 缺点，新的系统中增加了f p g a 来做指纹匹配算法。f p g a 的资源可以根据程序配 置，可以在单片f p g a 实现几个完全相同的匹配算法，即同时完成几对指纹的匹 配。最终f p g a 中设计了9 路匹配算法，可以同时对9 对指纹同时进行匹配运算， 这样就大大提高了系统的匹配速度。 由于图像预处理过程的包含大量的浮点运算，在f p g a 实现上比较困难，因 l o 第二章嵌入式自动指纹识别系统 此将所有的预处理操作放到d s p 中执行而指纹匹配算法中也有浮点运算，为了 便于f p g a 实现，本文将匹配算法的浮点运算简化，用定点运算代替，同时去掉 一些不易实现的阀值判断。由于计算的粗略性，简化的匹配算法并不能实现指纹 的精确匹配，因此将其称为粗匹配。在f p g a 粗匹配成功的指纹再在d s p 中进行 精确匹配，得到最后的结果。整个数据处理流程如图2 2 所示 2 3 本章小节 本章简要介绍了指纹算法处理流程，详细描述了匹配算法，为了克服原有系 统匹配速度慢的不足而提出了一个新的处理指纹匹配算法的系统构架，最后给出 了算法在本系统中的处理流程。 电子科技大学硕士学位论文 第三章系统硬件及其驱动设计 本章将分别描述系统的各个主要模块的芯片选型、在硬件上的实现和驱动程 序设计。最后一节还介绍了信号完整性分析和硬件设计的一些心得体会。整个系 统硬件框图如图3 1 所示。从图中可以看到整个系统包括：电源模块、d s p 处理器、 f p g a 、存储器、人机界面、u a r t 接口、u s b l 1 接口。 3 1 系统电源设计 图3 - 1 自动指纹识别系统硬件框图 由于市电为2 2 0 v 交流电源，而嵌入式系统通常为直流供电，因此需要一个电 源转换电路将交流变为所需要的直流。本系统中首先采用一个外置的开关交流电 源适配器将2 2 0 v 的交流电转化成固定5 v 输出的直流电源。由于各芯片工作电压 不完全相同，除了+ 5 v 直流电源，本系统中还有需要多种电源，如： + 3 3 v + 1 4 、+ 1 5 v 。因此，电路上还需要一组稳压器将直流+ 5 v 电压转换成所需的 三种电压。 市面上常用的电源转换芯片一般有两种：l d o ( l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ) 和 d c d c 开关式降压器。 l d o 为低压差线性稳压芯片，是传统的线性稳压器的改进型产品。l d o 的特 点有：外围电路简单、使用方便、成本低、输出纹波小、无电磁干扰、效率低。 d c - d c 是实现电源转换的另一种方法，效率比线性稳压器高，但设计比线性 第三章系统硬件及其驱动设计 稳压器复杂很多，外围电路也比线性稳压器复杂，而且还带有一定的电磁干扰。 考虑到设计的简单实用性，本系统采用了两款l d o 芯片分别对d s p 芯片和 f p g a 芯片供电。1 1 公司的t p s 7 0 3 0 2l d o 3 电压调节器同时为d s p 提供两路 1 2 2 v - 5 ，5 v 可调电源输出。该芯片的电压输入范围为2 7 v - 6 v ，两个通道额定电路 分别为l a 和2 a 。另一款l d o 芯片t p s 7 6 7 d 3 0 1 t 4 对f p g a 提供电源，该芯片有 两路电压输出：固定3 3 v 和1 5 v - 5 5 v 可调输出。两路输出的额定电流为l a 。 3 2d s p 处理器 3 2 1 数字信号处理芯片 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 芯片【5 】，即数字信号处理芯片，是一种进行数 字信号处理运算的微处理器，其特有的稳定性、可重复性、可大规模集成，特别 是可编程性高和易于实现自适应处理等特点，给数字信号处理的发展带来了巨大 机遇，并使信号处理手段更灵活，功能更复杂，其应用领域也拓展到国民经济生 活的各个方面。d s p 芯片一般具有如下主要特点： 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 片内具有快速，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 快速的中断处理和硬件i o 支持； 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； 可以并行执行多个操作； 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以并行执行。 3 2 2d s p 芯片的分类 d s p 芯片可以按照下列三种方式进行分类： ( 1 ) 按基础特性分 这是根据d s p 芯片的工作周期和指令类型来分类，如果有两种或两种以上的 电子科技大学硕士学位论文 d s p 芯片，它们的指令集和相应的及其代码机管脚结构相互兼容，则这类d s p 芯 片称为一致性d s p 芯片。 ( 2 ) 按数据格式分 这是根据d s p 芯片工作的数据格式来分类。数据以定点格式工作的d s p 芯片 称为定点d s p 芯片。而浮点d s p 芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的d s p 芯片采用白定义的浮点格式，有的d s p 芯片则采用i e e e 的标准浮点格式。 ( 3 ) 按用途分 按照d s p 的用途来分，可分为通用型d s p 芯片和专用型d s p 芯片。通用型 d s p 芯片适合普遍的d s p 应用。专用d s p 芯片是为特定的d s p 运算设计的，更 适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和f f l 3 2 3 耶v i $ 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 美国德克萨斯仪器公司( t i ) 是全世界领先德高性能信号处理集成电路制造 图3 - 2t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系统框图 1 4 第三章系统硬件及其驱动设计 商，是全球主要的可编程d s p 芯片供应商之一。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 6 1 系列具有非常强 的高速处理能力，广泛用于通信、图象、医疗仪器等领域。该系列包括定点系列 1 m s 3 2 0 c 6 2 】【】【、t m s 3 2 0 c 6 4 x x 和浮点系列t m s 3 2 0 c 6 7 x x 。 图3 2 所示为t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的内部系统框图，主要包括以下几个部分： 程序读入及指令译码、分配机构。包括指令取指单元、指令分配单元和指 令译码单元。程序取指单元由程序总线与片内程序存储器相连； 程序执行机构。包括2 个对称数据通路( a 和b ) 、2 个对称的通用寄存器 组、2 组对称的功能单元( 每组4 个) 、控制寄存器和控制逻辑以及中断 逻辑等。每组数据通路有读入及存储( 写入) 数据总下及片内数据存储器 连接； 芯片测试和仿真端口及其控制逻辑。 3 2 3 1t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b3 2 位浮点d s p 由于指纹处理算法大多数为浮点运算，为了方便实现本系统选用了1 1 公司 c 6 0 0 0 系列中的高性能3 2 位浮点d s p - t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 作为整个系统的核心处理器。 该芯片的主要特征如下： 3 0 0 、2 2 5 、2 0 0 m h z ( g d p ) 系统时钟频率； 最高可达2 4 0 0 1 8 0 0m i p s m f l o p s ； 增强型甚长指令字结构； 内部含有4 k - b y t el 1 p 第一级程序缓存( p r o g r a mc a c h e ) 、4 k - b y t el i d 第 一级两路数据缓存( 2 w a yd a t ac a c h e ) 、6 4 k - b y t el 2 第二级缓存、 1 9 2 k - b y t el 2 映射存储器； 3 2 位外部存储器接! e i ( e m i f ) ，可以和s r a m 、e p r o m 、f l a s h 、s b s r a m 、 s d r a m 无缝连接； 1 6 个独立的增强型直接存储访问控制( e d m a ) ； 1 6 位主机接口( h p i ) ： 两个多通道缓冲串口。 电子科技大学硕士学位论文 3 3f p g a 模块 f p g a ( 现场可编程门阵列) 主要作协处理和简单的地址译码。协处理器是指 f p g a 用于完成指纹的粗匹配过程，地址译码是由于t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的外部空间的 c e 控制脚个数有限，所有外设无法通过和d s p 直接连接来映射到d s p 的外部寻 址空间，因此需要一个地址译码器将外设映射到d s p 合适的外部地址空间上。而 其他诸如r d 和w r 等控制逻辑则可以由d s p 直接给出不需要再做逻辑转换。由 于地址译码涉及到各外设的驱动设计，这里仅说明地址译码的功能，其他内容在 第四章中详细说明。根据软件仿真结果和实际需要，本系统选用了a l t e r a 公司 的c y c l o n e 系列f p g ae p l c l 2 q 2 4 0 c 8 【j 。 作为地址译码器，f p g a 外部提供了两个片选引脚：e x tc e 0 、e x tc e l 。 此外，f p g a 内部还有四个匹配寄存器，对于f p g a 内部的每个指纹特征数据存储 器块都有两个存储器地址和数据寄存器。f p g a 由d s p 的c e 3 来寻址，两个扩展 的片选和所有寄存器都映射到d s p 的外部c e 3 空间。f p g a 低三位地址线 f p g a 与的地址线连接，高5 位1_addr2：0dsp d s pa d d r 4 ：2 f p g aa d d r 7 ：3 与d s p 的g p i o 连接。当所有的f p g a位都为零时寻址匹配寄a d d r 7 ：3 f p g a 存器，任意一个不为零时寻址f p g a 内部存储器块寄存器。匹配寄存器用于对预 匹配过程进行控制和获取匹配结果，存储器块寄存器用于控制存储块读写。 表3 - 1f p g a 寄存器地址映射表 c e 3 a d d r 7 ：0 】 对应f p g a 的操作映射到d s p 的地址 o 0 0 0 0 ，0 0 0 0 e x tc e 0 = 0 ，e x t _ c e l = 1 0 x b 0 0 0 ，0 0 0 0 o 0 0 0 0 。0 0 0 1 e x tc e 0 = i ，e x t c e i = 0 0 x b 0 0 0 ，0 0 0 4 o 0 0 0 0 ，0 0 11寻址预匹配结束标志寄存器0 x b 0 0 0 ，0 0 0 c o 0 0 0 0 ，0 1 0 0寻址预匹配结果标志寄存器 一 0 x b 0 0 0 ，0 0 1 0 0 0 0 0 0 。0 1 0 1寻址预匹配开始控制寄存器0 x b 0 0 0 ，0 0 1 4 o0 0 0 0 0 1 1 0寻址f p g a g p i o 寄存器 0 x b 0 0 0 ，0 0 1 8 o r e i n n ，n 0 0 0f p g a 内部存储器块控制寄存器 0 x b 0 0 0 ，0 0 0 0 o n n n n ，n 0 0 1f p g a 存储块数据寄存器 0 x b 0 0 0 ，0