（通信与信息系统专业论文）基于niosⅡ软核处理器的嵌入式指纹数据识别系统研究.pdf

堑壅衄歪本堂鲤生僮监塞 摘要 指纹识别作为生物特征识别的一种，在身份识别上有着其他手段不可比拟的 优越性，是生物识别技术研究中的一个热点。 传统的嵌入式指纹识别解决方案大多采用单片机或者“单片机+ d s p ”实现。 随着半导体技术的发展，一种基于s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 的 设计思想崭露头角：以下载到f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的软核 c p u 为系统控制模块，并运用f p g a 逻辑单元实现指纹处理与识别，从而达到高 速指纹识别。此方案具有灵活的设计方式，设计更小巧、成本更低，由于具备软、 硬件在系统可编程的功能，因此更便于系统升级。 本文研究了基于a l t e r a 公司的n i o si i 软核处理器的嵌入式指纹数据识别 系统的设计方案。通过对a l t e r a 公司s o p c 的集成开发环境o u a r t u si i 设计软 件的分析，研究了系统级设计工具s o p cb u i l d e r 和d s pb u i l d e r 的设计流程， 以及将系统级设计和实现与d s p 算法开发相结合以提高系统设计的效率；通过对 指纹识别系统算法流程的分析，在研究了n i o si i 软核处理器的结构、性能和总 线规范的基础上，针对嵌入式指纹识别系统设计需求，提出基于n i o si i 软核处 理器的嵌入式系统设计思想。 本文的主要研究工作和创新点： 一、研究实现了指纹图象的预处理、特征提取和分类以及特征匹配等算法， 提出了基于细节和基于相关系数的双重指纹匹配算法，通过对指纹总体 特征的分类，再结合指纹的细节特征最终实现指纹数据的精确匹配。 二、分析了实验系统功能和组成，给出了实验系统整体设计方案，把在p c 机上经过编译、调试、验证通过的指纹数据识别c 语言程序源代码成功 移植到n i o si ic y c l o n e 嵌入式开发板( d e 2e p 2 c 3 5 ) 上，研究实现系 统级设计和功能验证。 三、研究通过模块复用和自定制指令完成系统的优化设计，以及将核心c 语 言算法代码转换为f p g a 代码的设计方法，进一步研究实现了细化算法 代码的优化，在m a t l a b s i m u l i n k 中成功实现系统级仿真。 关键词： n i o si i ，s o p c ，指纹识别，q u a r t u si i ，d e 2 一e p 2 c 3 5 i i i a b s t r a c t f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi s f i l li m p o r t a n ta n da s c e n d a n tb i o m e t r i c i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n di ti sa l s oar e s e a r c hh o t s p o t c o n v e n t i o n a ls o l u t i o ns c h e m e sf o rt h ee r n 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 i sa r e u s u a l l ys u g g e s t e db yu s i n gs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r s ( s c m ) o r “s c m + d s p ”w i t h t h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , an e ws c h e m ei sp r o p o s e d ，b yw h i c h f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nb a s e do n1 0 9 i c a lf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) u n i t s a n ds o f t - c o r ec p ud o w n l o a d e dt of p g ah a sb e e ns u c c e s s f u l l yr e a l i z e d ，1 1 1 e s c h e m ei ss i m p l e ，f l e x i b l e ，l o w c o s t , p r o g r a m m a b l e , a n da p tt ou p g r a d e s y s t e m n es c h e m ef o rt h ee 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 mb a s e do n s o f t - c o r en i o si i p r o c e s s o r i sd i s c u s s e d t h es 饥l c t u i 乜 c a p a b i l i t y a n db u s s p e c i f i c a t i o no f n i o si ia sw e l la ss y s t e md e m a n d sa l ei n v e s t i g a t e d q u a r t u si i ，a n i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ( i d e ) i si n t r o d u c e d e f f i c i e n c yi si m p r o v e db y l i n k i n gt h es y s t e ml e v e ld e s i g na n dd s pa r i t h m e t i c ，a sw e l la ss t u d y i n go ns o p c b u i l d e ra n dd s pb u i l d e r m a i ni n n o v a t i o na sf o l l o w s ： 1 皿ef u l lf l o w so ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na r e a n a l y z e d i n c l u d i n g t h e p r e p r o e e s s i n gm e t h o d so fi m a g e s ，c l a s s i f i c a t i o no fc h a r a c t e r s a n df e a t u r e m a t c h i n g an e w m e t h o di sg i v e do u t ，t h a tc a n c o m p l e t ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n a c c u r a t e l y , t h ep r o c e s so fi d e n t i f i c a t i o ni st h a tg e n e r a lc h a r a c t e r sa r ec l a s s i f i e d f i r s t l ya n dt h e nm i n u t i a ea r em a t c h e dl a t e r 2 f u n c t i o na n ds t n l e t a r eo ft h es y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dt h e 彻ld e s i g ns c h e m ei s p r o p o s e d f i n a l l y , t h ew h o l ef l o w so ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ni sc a r r i e do u to n t h eb o a r do fd e 2e p 2 e 3 5 ，e r e n o w , t h es o l u e 圮c o d e sh a v eb e e nc o m p i l e d ， d e b u g e da n dv e r i f i e di nap c 3 s y s t e md e s i g ni so p t i m i z e db yu s i n gc o n s u m e ri n s t r u c t i o n , r e u s i n gm o d u l ea n d s w i t c h i n gcc o d e st of p g ac o d e s ，f i n a l l y , m i n u t i aa r i t h m e t i ci so p t i m i z e da n d s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o ni sp a s s e dt h r o u g h i nm a t l a b s i m u li n k k e yw o r d ： n i o si i ，s o p c ，f i n g e r p r i n t ，q u a r t u si i ，d e 2 _ e p 2 e 3 5 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作箍钮懈瞧骅 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位敝储魏蚺拇 臁碑蚶 翩徽；炀 日期：边：五：里 垡菱蛭整右望鲤堂焦业塞蕴= 童呈i 宣 第一章引言 1 1 选题的背景及重要意义 指纹识别作为生物特征识别的一种，在身份识别上有着其他手段不可比拟 的优越性。指纹具有以下几个个方面的特性使其成为身份认证技术的首选“1 ： 1 普遍性，即每个人都具有； 2 唯一性，即不同的人甚至同一个人的不同的指头，指纹都不相同； 3 可采集性，即可以通过一定的设备和手段采集到； 4 可行性，即在对资源、环境、操作等条件要求不苛刻的条件下可以达到 合理的准确率、速度和鲁棒性； 5 可接受性，即人们愿意接受这一方式； 6 防伪性能好。与帐号十密码、i c 卡等传统的身份识别手段相比，自动指 纹识别技术具有不会丢失、不会遗忘、唯一性、不变性、防伪性能好和使用方便 等突出优点采用这种技术，可以将人的身份和其指纹严格对应起来。 由于指纹识别的诸多优点，指纹识别技术已经逐渐走入民用市场，并应用 到许多嵌入式设备中。目前，已经有很多自动指纹识别的产品面市，并开始逐步在 管理、门禁、金融、公安和网络安全等领域得到应用。以指纹为代表的生物识别 技术的发展和应用，不仅可以开发相关的系列产品，获得巨大的经济效益，还可 以带动图像处理、模式识别、光学、电子、生理和计算机应用等相关学科的发展， 具有很高的学术价值，产生巨大的社会效益以指纹为代表的生物识别技术的发 展和应用已被公认将会给身份识别领域带来一场革命，并已经成为各国学术界和 工业界研究的热点之一”。 目前嵌入式指纹识别常用的系统方案有两种： 第一种方案是以嵌入式处理器为核心，独立完成指纹处理、指纹识别、指 纹存储等功能。此方案结构简单，但是所有的指纹识别算法使用软件实现，所以 速度相对比较慢； 第二种方案是以嵌入式处理器为系统控制模块，以通用d s p 为协处理器进 行指纹处理与识别。此方案以d s p 进行指纹图像预处理，并传回指纹特征数据， 从而提高了系统速度。但是其结构复杂，功能可扩展性差。 随着可编程逻辑器件技术的发展，第三种方案崭露头角：以下载到f p g a 的 软核c p u 为系统控制模块，并运用f p g a 逻辑单元实现指纹处理与识别，从而达 到高速指纹识别。此方案采用可编程逻辑器件实现，具有灵活的设计方式，可裁 减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能，指纹图像处理的大多 数算法采用自行设计的专用指纹图像处理模块实现，在很大程度上提高了系统速 度。 可编程逻辑逻辑器件( p l d ) 是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连 接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。“。目前使用较多的可编 程逻辑器件是现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 市场上c p l d 和f p g a 品种很多，使用较多的是a l t e r a 、x i l i n x 和l a t t i c e 这三个公司的产品，各公司c p l d 和f p g a 产品型号、结构以及使用的开发软件各 不相同，但是共同特点是：都可以在系统进行编辑加载程序，不需要使用专用编 程器，它们都是直接将试验系统和计算机的并行口连接，通过运行软件对芯片进 行下载，在实验室就可以将大量数字电路设计集成到一个大芯片中。 可编程的片上系统即所谓s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) ，或者说 是基于大规模f p g a 的单片系统。s o p c 设计技术是现代计算机辅助设计技术、e d a 技术和大规模集成电路技术高度发展的产物。s o p c 技术的目标就是试图将尽可 能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加 速系统、d s p 系统、数字通信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一f p g a 中实现，使得所设计的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指 标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。s o p c 在电子设计技术上给出了一种以人的基本能力为依据的软硬件综合解决优化方 案。 s o p c 技术由于同时涉及底层的硬件系统设计和相应的软件设计，在系统优 化方面有了前所未有的自由度；尤其在软、硬件系统综合与构建两个方面，开发 者能动地有了充分发挥自己创造性和想象力的巨大空间，从而使得从多角度、多 因素和多结构层面上大幅度优化自己的设计成为可能。 嵌入式指纹识别系统的研究和应用经历了多年的发展，正在逐步深化和完 善，只是其实现的手段大多采用“单片机+ d s p ”模式；另一方面，在s o c 领域 中，由于n i o s 适应了“硬件技术软件化”这一工业技术发展的潮流，加上在f p g a 领域颇具实力的a l t e r a 公司作为其开发和推广的强有力后盾，使用n i o si i 软 核处理器取代“单片机+ d s p ”方案具有一定的的研究和应用价值。 本文采用a l t e r a 公司的n i o si i 软核处理器和c y c l o n ee p 2 c 3 5 嵌入式系 统开发板，以及v e r i d i c o m 公司的f p s 2 0 0 指纹传感器芯片，研究实现嵌入式自 动指纹识别系统。 2 1 2 国内外研究的动态 a l t e r a 公司是世界上可编程芯片系统( s o p c ) 解决方案领先者之一。a l t e r a 公司的n i o si i 处理器是用于可编程逻辑器件的可配置的软核处理器，与a l t e r a 的低成本的c y c l o n ef p g a 组合，具有很高的性能价格比。n i o si i 开发包中含有 一套通用外设和接口库，用户可以方便的进行系统集成。用户可以把拥有自主知 识产权的口集成到n i o si i 处理器系统，通过s o p cb u i l d e r 软件的用户逻辑接口 向导可以方便的将口集成到n i o si i 处理器系统中。 由于n i o si i 处理器的易用性和灵活性，它已经逐步成为世界上最为流行的 嵌入式处理器之一f l l l l 2 1 。它采用a v a l o n 总线结构通信接口，带有增强的内存、 调试和软件功能。基于q u a r t o si i 平台的用户可编辑的n i o s 核含有许多可配置的 接口模块核。在植入( 配置进) f p g a 前，用户可根据设计要求，利用o u a r t u si i 和s o p cb u i l d e r ，对n i o si i 及其外围系统进行构建，使该嵌入式系统在硬件结 构、功能特点、资源占有等方面全面满足用户系统设计的要求。n i o s 核在同 f p g a 中被植入的数量没有限制，只要f p g a 的资源允许，n i o si i 可植入的a l t e r a f p g a 的系列几乎没有限n t 9 1 t 1 0 】。 当前无论在国际上还是在国内，在s o c 设计领域已经展开了激烈竞争的态 势。s o c 发展趋势是基于s o c 开发平台，分享i p 核开发和系统集成成果，不断 重整价值链，在关注面积、延迟、功耗的基础上，向成品率、可靠性、e m i 噪声、 成本、易用性等转移，使系统级集成能力加快发展： s o c 在中低端方面主要面向嵌入式应用，将不断满足日趋增长的功能密度、 灵活的网络连接、轻便的移动应用和多媒体信息处理等需求；s o c 在中高端方面 将取代传统意义上的c p u ，向系统性能更好、功耗更小、成本更低、可靠性更高、 开发更容易方向发展。 近些年，我国在嵌入式设计和应用方面的研究异常火爆。s o c 的研究应用已 经逐步渗入到人们日常生活的各个方面，如手写文字输入、语音拨号上网、收发 电子邮件、传送彩色图形图象以及语音同声翻译等。 从各国指纹识别的研究应用情况来看，这方面的深入研究是从2 0 世纪6 0 年代后随着计算机技术的引入和发展而开展起来的旧“1 。早期的研究都是在高性 能计算机上完成的，主要针对脱机的指纹图像进行研究。随着科学技术的发展， 2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代初开始进行联机的活体指纹识别算法的研究。这个时 期的研究都是针对光学传感器所做的，由于当时a f i s 只在特殊的行业部门使用， 所以往往使用了价格比较昂贵的d s p 等硬件附加设备来解决指纹识别的实时性 问题。从2 0 世纪9 0 年代末到现在，由于半导体指纹传感器的出现，使得指纹识 别的应用领域迅速扩大，在个人电脑、个人数据处理、掌上电脑、手机等很多领 域都开始使用a f i s 技术。指纹算法的研究重点从光学指纹传感器转移到了半导 体指纹传感器，对算法的性能也提出了更高的要求。指纹虽然稳定性很好，但是 仍然存在脱皮等问题，往往对算法性能产生极大的挑战，这是a f i s 研究者需要 努力克服的问题。 我国的生物识别技术( 主要是指纹识别) 与美国和日本相比研发起步较晚。 在我国，最早在9 0 年代初期开始有指纹识别产品的出现，2 0 0 0 年以后，我国的 生物识别技术开始步入产业化阶段，形成了一定的产业供求关系，有核心算法提 供商、指纹模块提供商、指纹传感器提供商，也有指纹产品经销商，但这些产品 主要以门禁和考勤为主，指纹识别应用面比较单一。近两年来，随着移动存储设 备等数码类产品的大量使用，指纹技术与数码类产品的结合应用开始展开，指纹 识别产业开始步入由点到面的全面发展阶段嘲嘲。 从中华人民共和国知识产权局有关统计情况来看m 嘲，我国生物识别领域申 请专利数量较少，而且申请专利的技术多为应用性技术。目前，在我国申请的与 指纹技术相关的专利有1 3 0 0 多条，与指纹识别相关的有2 0 0 多条，但其中有相 当一部分来自美国、欧洲、臼本、中国台湾等。就全球而言，美国、日本等国的 指纹专利数量是我国的很多倍。而且国内公司或个人申请的专利大多为应用性技 术，国外公司或个人申请的专利则多为基础性的核心技术。 随着国内许多高校相继开展了s 0 p c 芯片的研究和应用，国内许多院校和科 研机构也已经立项开展了基于s o p c 技术的嵌入式指纹识别芯片和指纹识别算法 的研究。从公开的文献资料看，中国台湾的g w o - c h e n gc h a o ，北京航空航天大 学的胡国安等已经开展了指纹识别应用于s o c 系统的研究，并成功将指纹识别算 法移植到n i o si i 软核处理器”“”。 1 3 研究的主要内容及目标 本文研究的主要内容： 第一章，分析了嵌入式指纹识别的研究背景和研究现状，提出了本文的研 究意义和研究基础； 第二章，研究了嵌入式指纹识别系统的架构。包括指纹识别技术的工作原 理，实现方案、流程以及关键的算法实现方案；硬件层次上，研究了n i o si i 软 核处理器的结构，a v a l o n 总线的协议规则以及q u a r t u si i 系统级设计工具d s p b u i l d e r 的设计规则和流程； 第三章，研究了整个系统的设计、实现。包括图象预处理、图象增强算法、 4 分类和匹配等关键算法的实现方案：研究了算法移植于n i o si i 开发板上的实现 方案、步骤，研究了q u a r t u s 开发环境和开发工具s o p cb u i l d e r 的使用，完成 了n i o si ii d e 中的算法移植。 第四章，研究、分析了模块复用和自定制指令等系统优化策略，通过分析 系统中相关的关键算法，找出算法模块的相似点作为公用模块；同时使用n i o si i 中的指令定制功能实现细化算法的设计优化，达到降低系统硬件成本、提高系统 效率的目的。 第五章，实验结果的分析和评估。 第六章，本文的研究结论和展望。 5 华东师范大学硕士学位论文第二章嵌入式指纹识别系统的体系结构 第二章嵌入式指纹识别系统的体系结构 2 1 指纹识别系统 指纹是手指末端正面皮肤上凹凸不平产生的纹路，这些纹路就是通常所说 的脊和谷。尽管指纹只是人体皮肤的一小部分。但是，它蕴涵大量的信息。这些 近乎平行的曲线，形成了指纹的模式，成为指纹的全局纹路结构：同样，指纹还 有许多局部特征，称为细节点( m i n u t i a ) 。正是这些全局特征和局部特征形成了 指纹的独特性，使它成为身份认证的可靠工具。 指纹的全局特征指那些人眼可以直接观察到的特征，根据其基本纹路图案 分为拱形、尖拱形、右旋、左旋、旋涡”1 。如图图2 1 所示。 也拱彩( 积c h )b 。尖拱形( t t 耐a r c h ) c 右旋( r i g h tl o o p ) 也左旒( 1 e f tl o o p ) e 。旋涡( 谢n a r l ) 图2 一l 五种基本的指纹图案 f i g 2 1f i v eb a s i cf i n g e r p r i n ti m a g e s 利用指纹的全局特征可以先对指纹进行分类，预先把大型的数据库分成几 个组。包括了总体特征的区域称为模式区( p a t t e r na r e a ) ；匹配时，根据指纹 的不同图案加上模式区的中心点( c o r e ) 、三角点( d e l t a ) 和纹数不同首先进行模 式匹配( 称作“粗匹配”，这样可以减少数据库搜索时间，也有助于提高识别率。 指纹的局部特征即细节点，如图图2 2 所示，包括： 6 华东师范大学硕士学位论文 第二章嵌入式指纹识别系统的体系结构 ”人 终结点 分支点、孟遴点难枣( 登。 ( e n d i n g ) ( b i f u r c a t i o n ) d i v e r g e n c e ) ( d d t ) r i d g e ) 图2 2 指纹的细节特征 f i g 2 - 2m i n u t i a ef e a t u r eo ff i n g e r p r i n t 终结点( e n d i n g ) ：一条纹路在此终结。 分支点( b i f u r c a t i o n ) ：一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。 分歧点( r i d g ed i v e r g e n c e ) ：两条平行的纹路在此分开。 孤立点( d o t ) ：特别短的纹路，以至于成为一点。 短纹( s h o r tr i d g e ) ：两端较短但不至于成为一点的纹路。 环点( e n c l o s u r e ) ：一条纹路分开成为两条之后，立即有合并成为一条。 根据指纹的总体特征加上指纹细节点的细分类以及细节点的方向、曲率和位 置( 相对位置和绝对位置) ，实现指纹的精确识别。 指纹识别基本流程如图图2 3 所示： 图2 3指纹识别的基本流程 f i g 2 - 3t h eb a s i cf l o wo ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n 即先通过指纹传感器获取指纹图像建立指纹数据库，再由指纹预处理模块 进行预处理、特征提取等操作，然后粗分类保存到存储器中；在指纹比对时，指 纹图像也是通过指纹传感器获取，再由同样的指纹处理模块进行预处理、特征提 取等操作，同样把提取的指纹特征量粗分类，最后与指纹库中同类别库中的指纹 进行指纹特征的细节匹配，最后显示匹配结果。 指纹的采集由指纹传感器完成。指纹传感器把指纹转换成几万像素、具有 一定灰度级的数字图像，由系统控制模块来控制指纹图像数据输入系统。 指纹采集进来后，在指纹图像中往往含有大量噪声，为了提高特征提取的 效率，必须对图像进行预处理。指纹图象预处理包括指纹图象分割、滤波去噪、 7 ，聪幽胁 华东师范大学硕士学位论文第二章嵌入式指纹识别系统的体系结构 二值化、细化。如图图2 4 所示。 图2 4 指纹预处理基本流程 f i g 2 - 4t h eb a s i cf l o wo ff i n g e r p r i n ti m a g e sp r e p r o c e s s i n g 图像分割 图像分割是把指纹图像从背景区域中分离出来，以使图像增强集中在指纹 区域中进行，提高处理的效率；一般的分割算法是基于方差阈值的，相对于其他 区域，有效的指纹区域具有一个较高的方差值，因此，可选取方差阈值作为特征 量进行分割。b a z e n 和g e r e z 提出了一种基于像素特征的分割算法“”，采用 r o s e n b l a t t 感知边缘方法分类各像素。 另类指纹图像分割算法是基于方向场信息的。它的性能依赖于方向场的 可靠性，对灰度对比度不敏感。但实际上在脊线不连续的区域或中心点和奇异点 附近的区域中，精确的提取方向场几乎是不可能的。 基于频域的方法“”，假定前景及噪声区域内不能保持指纹表面的纹线模式， f o u r i e r 频谱中几乎没有对应的能量分布。但是对指纹弹性形变导致脊线间隔不 匀的区域，这种算法尚不能很好地处理。 融合多种特征来实现适当的分割显然是可行的。由于采用了不同的特征， 分割处理存在很多不确定的因素。人们提出了一系列的算法来改进这种情况，如 基于d - s 证据理论的分割、用u r n 模型实现图像分割，m a r k o 模型的分割等等。 滤波去噪 滤波去噪用以滤除指纹图像中的噪声，在视觉上体现为得到一幅纹路清晰 的指纹图，在整个指纹指纹处理过程中起着非常重要的作用。通常包括以下几个 步骤： 1 归一化 指纹图像的采集过程是非理想的，很多因素都可能导致沿脊线和谷线的灰 度值出现不同程度的扭曲。譬如墨印的密度不同、与采集仪的不均匀接触等。对 图像进行归一化可以减少亮度分布的差异，有利于后面的增强处理步骤。规一化 处理中的参数根据图象的均值和方差计算得到。 2 方向场的计算 任一指纹图像的方向场都可用一个描绘脊线方向的矢量矩阵表示，其中每 个元素值都是指纹图像对应像素的局部脊线的方向矢量，它反映了指纹图像的基 本信息，是衡量指纹质量的重要因素。在诸多方法中，应用最广泛的方向场计算 方法是基于梯度的，利用方向场矢量垂直于梯度矢量的性质计算指纹图像的方向 8 华东师范大学硕士学位论文第二章嵌入式指纹识别系统的体系结构 场。它将图像分割成小块，通过计算与块内各像素梯度值垂直的矢量均值估计各 小块对应的方向场矢量。而基于模板对比的方法将方向场量化到有限个方向，利 用特定的模板来估算块内脊线的方向。与上一种方法相比，它的特点是计算速度 较快但计算结果精度不高。由于指纹图像中存在噪声及被污染的区域，因此有必 要对已有的方向场进行后处理。由于局部邻域内脊线方向变化缓慢，用一个低通 滤波器进行方向场图像平滑可以有效减少外界的影响。 一 3 脊线提取 由于指纹状况及采集环境是非理想的，指纹图像常常含有随机噪声和粗糙 的脊线。为了精确地绘制指纹，有必要去除噪声干扰并用滤波器平滑脊线。依据 滤波的实现方法不同，可以将现有的滤波算法大致分为两类：基于空域的及基于 f o u r i e r 频域的。前者利用指纹的局部特征包括脊线频率和方向，而后者主要是 基于脊线整体特征。 基于空域的算法通过直接对滤波算子和数字指纹图像求卷积实现带通滤 波。a n i l 等提出的一种兼有频率选择性和方向选择性的g a o b o r 滤波算法“”， g r e e n b e r g 等提出了改进的g a o b o r 滤波算法以加快处理过程。 基于频域的算法通过直接改善原始指纹的频谱来实现滤波处理。由于脊线 和谷线间隔几乎等距，指纹图像的能量集中在某个频率附近。t i c o 等提出的方 向滤波方法是基于频域的啷1 ，首先用若干个方向滤波器分别对原有图像进行处 理，每一含都在提取某个方向频谱的同时削弱其余方向的频谱值，然后将经方向 滤波后的多幅图像融合得到增强后的图像。 二值化和细化 二值化处理将一幅灰度图像转化为二值图像，它提高了指纹图像中脊线和 谷线间的对比度，使细节点的提取变得更方便。二值化的关键问题是选取一个合 适的闽值。近年来，普遍采用基于局部适应的阈值的算法来生成二值化图像，它 依据每个像素周围的局部图像窗口选择适当的阈值并将该像素判定到前景类或 背景类。b e r g e r o n 等利用方向场可以快速而直接的实现图像二值化。4 。 细化是为了便于提取特征点和得到精确的特征点信息，细化是一种基于形 态学的处理方法，它持续腐蚀原有的脊线到一个像素宽为止。细化算法通常是通 过重复执行两次子细化实现的。 特征提取和匹配 特征提取就是指在经过预处理后的指纹图中提取出指纹的特征点信息( 总 体特征和局部特征) ，包括特征点位置、特征点类型和特征点的方向。 如图2 5 所示表明细节特征的方向、位置信息。其中( x ，y ) 表示特征点 的坐标，e 就是特征点的方向，它是脊线方向和水平线的夹角，取值范围为 o ，2 9 华东师范大学硕士学位论文第二章嵌入式指纹识别系统的体系结构 图2 5 细节点的方向和位置 f i g 2 - 5t h ed i r e c t i o na n dl o c a t i o no ff i n g e r p r i n tm i n u t i a e 指纹细节特征提取步骤中，算法从细化图像中提取局部细节特征点得到指 纹的生物特征模式。大部分算法是基于细化后的指纹骨架的，但此类算法占用资 源较多，且提取结果中存在很多伪特征。此外，细节提取过程可能存在错误，导 致丢失真实细节点或错误生成伪细节点，因此选择适当的后处理以提高细节点的 可信度是很有必要的。 指纹的特征匹配就是比较两幅指纹图像的特征点信息，从而得出两幅指纹是 否来自同一个人的识别结果。很多指纹识别算法是基于细节点匹配的，因为普遍 认为细节点是最独特、最可信的特征。 2 2n i o si i 系统级设计 a l t e r a 公司提供的q u a r t u si i 设计软件提供完整的多平台设计环境，是 s o p c 设计的综合性环境，拥有f p g a 和c p l d 设计的所有阶段的解决方案， q u a r t u si i 软件可以满足各种特定设计的需要。此外，q u a r t u si i 软件支持 s o p cb u i l d e r 和d s pb u i l d e r 的系统级设计流程。系统级设计流程使工程师能 够以更高水平的抽象概念快速地设计和评估单芯片可编程系统( s o p c ) 体系结 构1 ”1 ”。 s o p c b u i l d e r 是自动化系统开发工具，可以有效简化建立高性能s o p c 设计的任务。此工具能够完全在q u a r t u si i 软件中使系统定义和s o p c 开发的 集成阶段实现自动化。s o p cb u i l d e r 允许选择系统组件，定义和自定义系统， 并在集成之前生成和验证系统。图2 6 显示了s o p cb u i i d e r 设计流程。 i o 华东师范大学硕士学位论文第二章嵌入式指纹识别系统的体系结丰句 静曰 图2 - 6s o p cb u i l d e r 设计流程 f i g 2 - 6d e s i g nf l o wo fs o p cb u i l d e r s o p cb u i l d e r 是进行s o p c 设计的环境，它集成在a l t e r a 公司的e d a 工 具q u a r t o si i 中。它有一个友好的图形用户界面，通过这个界面，用户可以从 a l t e r a 提供的i p 库中选取一些组件，如处理器、s d r a m ，f l a s h 、各种i o 口等， 并可通过选择配置相应的参数。如果用户有特殊功能要求，但i p 库中没有，则 用户可以加入自定义的逻辑来实现。 在进行s o p c 设计时，用户需要先通过s o p cb u i l d e r 选择i p 组件，然后用 s o p cb u i l d e r 产生所选择的系统组件的v h d l 或者v e r i l o g 源文件。之后，用 q u a r t o si i 编译整个系统，编译成功后，把编译文件下载到开发板上进行验证。 在s o p cb u i l d e r 中构建系统时，可以选择用户自定义模块或模块集组件 库中提供的模块。s o p cb u i l d e r 可以导入或提供到达用户自定义逻辑块的接口。 s o p cb u i i d e r 系统与用户定义逻辑配合使用时具有以下四种机制： 简单的p i o 连接 系统模块内实例化 - k 到达外部逻辑的总线接口 发布局域s o p cb u i i d e r 组件 s o p cb u i l d e r 提供用于下载的库组件( 模块) ，包括e x c a l i b u r 嵌入式 处理器带区和n i o s 处理器等处理器、u a r t 、定时器、p i o 、a v a l o n 三态桥 接器、多个简单的存储器接口和0 s r t o s 内核。此外，还可以从一系列的 m e g a c o r e 、o p e n c o r e 和o r e n c o r ep l u s 宏功能模块中进行选择。可以使用s o p c b u i l d e r 的s y s t e mc o n t e n t s 页定义系统。可以在模块集中选择库组件，并在 模块表中显示添加的组件。 完成系统设计之后，可以使用s o p cb u i l d e r 的s y s t e mg e n e r a t i o n 页或 使用命令行生成系统。 s o p c b u i l d e r 软件自动生成所有必要逻辑，用以将处理器、外围设备、内 存、总线、仲裁器、i p 内核及到达系统外逻辑和存储器的接口集成在一起，建 立将组件捆绑在一起的h d l 源代码。 为了仿真，s o p cb u i l d e r 建立了m o d e lt e c h n o l o g ym o d e l s i m 仿真且 华东师范大学硕士学位论文第二章嵌入式指纹识剐系统的体系结构 录，它包含m o d e l s i m7 - 程文件、所有存储器组件的仿真数据文件、提供设置信 息的宏文件、别名和最初的一组总线接口波形。它还建立仿真测试台，可以实例 化系统模块、驱动时钟和复位输入，并可以实例化和连接仿真模型。 还生成t c l 脚本，用于在q u a r t u si i 软件中设置系统编译所需的所有文 件。 2 2 1n i o si i 软核处理器系统结构 以n i o si i 软核处理器为核心的嵌入式系统结构包括片外设备和片内逻辑 两部分。片内逻辑是指凄现在f p g a 内部的电路设计，包括系统模块( s y s t e m m o d u l e ) 和用户逻辑区域( u s e rl o g i ca r e a ) 。如图2 7 所示： 图2 7n i o sc p u 的系统框图 f i g 2 - 7s y s t e mf r a m ef i g u r eo fn i o sc p u 系统模块指的是由s o p cb u i l d e r 自动生成的设计。s o p cb u i l d e r 会根 据用户选择的i p 生成相应的h d l 描述文件( 系统模块文件) ，这些文件与用 户逻辑区域内的设计描述文件一起由q u a r t u s 软件综合，然后下载到f p g a 内， 这样就构成了系统的硬件基础。 系统模块包含至少一个a v a l o n 主外设和整个a v a l o n 总线模块。系统模 块通常还包含一些a v a l o n 从外设，例如u a r t 、p i o 和定时器等。s o p cb u i i d e r 可以帮助设计者从i p 库寻找合适的i p 并很快地集成一个系统，它采用图形用 户界面( g u i ) 显示和组织i p 模块，能够自动生成i p 模块互连逻辑以及生成 用于综合和模拟的文件，使得设计者可以轻松完成系统设计。 用户逻辑区内包含用户自定义的a v a l o n 外设，以及同系统模块无关的其 他的用户自定义逻辑。n i o si i 设备体系采用了硬件抽象库( h a r d w a r e a b s t r a c t i o nl a y e rs y s t e mli b r a r y ，h a l ) ，通过调用h a la p i 去驱动应用程序。 1 2 华东师范大学硕士学位论文第二章嵌入式指纹识别系统的体系缩构 h a l a p i 包含了a n s i c 标准库，应用开发人员可以用熟悉的c 库函数存取( 控制) 设备和文件，图2 - 8 是基于h a l 系统逻辑层次图： u s e rp r o g r a m cs l a n 蝴r du b 嘛r y a 薹i a 戳 d e v l c e d e v i o e 旧d e v i c e d r i v e r d r i v e r m o si ip r o c 蝴s y s t e mh a r d w a r e 图2 8 基于h a l 系统逻辑层次图 f i g 2 - 8h i e r a r c h i c a ll o g i cf r a m ef i g u r eb a s e do nh a ls y s t e m n i o s 处理器是一种软核c p u ，并针对a l t e r a 的可编程逻辑器件和片上可 编程系统的设计思想做了相应优化。作为一种可配置的通用r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ) 处理器，它可以与用户自定义逻辑( u s e rl o g i c ) 结合构成s o c 系统，并下载到a l t e r a 的可编程器件中去。3 2 位n i o s 软核结 合外部闪存以及大容量存储器，可构成一个功能强大的3 2 位嵌入式处理器系 统。 n i o sc p u 是一种采用流水线技术、单指令流的r i s c 处理器，其大部分 指令可以在一个时钟周期内完成。n i o s 软核处理器家族包括3 2 位和1 6 位两种 体系结构的版本。n i o sc p u 采用1 6 位指令系统，其指令集有以下特点： 拥有较大的窗口化的寄存器文件； * n i o sc p u 包含5 1 2 个内部通用寄存器，编译器使用这些寄存器来加速子 程序调用和本地变量的访问； 简单完整的指令集3 2 位和1 6 位的n i o sc p u 都使用1 6 位宽的指令，减 小了代码文件的大小和指令存储器的带宽； 强大的寻址模式n i o s 指令集包含加载( l o a d ) 和存储( s t o r e ) 指令， 可使用编译器来加速对结构和本地变量( 栈) 的访问； 可扩展性 用户可以直接将自己的逻辑单元( 作为用户定制指令) 加入n i o s 算术逻辑 华东师范大学硕士学位论文第二章嵌入式指纹识别系统的体系结构 单元( a l u ) 中。在软件开发包( s d k ) 中，系统会相应生成访问该定制指令的宏 ( 用c 或汇编编写) 。 n i o s3 0c p u 采用五级流水线结构，并具有独立的指令和数据存储器端 口( h a r v a r d 存储器结构) 。指令和数据存储器的控制端口都作为a v a l o n 总 线的主端口。通过s o p cb u i l d e