（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的指纹识别认证算法硬件实现.pdf

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：人的指纹具有唯一性和稳定性：随着指纹传感器性能的提高和价格的降 低指纹的采集相对容易；指纹识别算法已经比较成熟“1 。目前消费类产品越来越 小型化，人们对移动设备的安全性的要求不断提高，指纹识别系统则开始应用在 这些小型的消费类产品中( 如手机、p d a 、手提电脑等) 。所以设计一套体积更 小、速度更快的嵌入式指纹识别系统有重要的实际意义。 本文进行了基于f p g a 的指纹识别算法的硬件结构设计，以最终a s i c 实现 为目标，取得以下成果： 首先，提出了一套基于f p g a 的指纹识别算法硬件电路结构。本文将研究的 用c 语言实现的指纹识别认证算法移植到f p 6 a 上。使用专用硬件电路实现指纹 识别认证算法，明显提高指纹识别速度；而且使用f p g a 能使该算法有很强的移 植性，可方便地以硬件模块的形式应用到各个系统中。 其次，用v e r i l o g 语言设计了基于f p g a 的指纹识别算法的硬件电路。将指 纹识别认证算法中指纹图像检测、指纹图像增强、指纹特征点提取以及指纹特征 点比对等模块设计成专用硬件电路，硬件实现了指纹识别认证算法，提高了指纹 识别认证算法的速度。最终可得到指纹识别认证的硬i pc o r e ，方便的应用到各 种嵌入式系统设计中。 另外，本文构架了m a t l a b 和m o d e l s i m 的联合仿真平台，可完全验证指纹识 别算法的功能。该平台使用m a t l a b 模拟指纹采集、s r a m 、f l a s h 以及测试变量， 同m o d e l s i m 中的算法一起进行仿真，测试硬件算法的正确性。 关键字：指纹，识别，算法，系统，f p g a 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 ni so n eo f t h e s eb i o - t e c h n o l o g i e s ，a n dt h e r ea r es o m eb i g a d v a n t a g e si ni tt h a ni i lo t h e rb i o - t e c h n o l o g i e s ：t h ef i n g e r p r i n ti se x c l u s i v ea n ds t a b l e ； t h ec a p t u r eo ff i n g e r p r i n ti se a s i e ro p p o s i t e l y , a c c o r d i n gt ot h ei m p r o v e m e n to f s e n s o r s p e r f o r m a n c e a n dt h e r e d u c t i v i t y o fs e n s o r s p r i c e ；t h e 丘l l g e r p d m i d e n t i f i c a t i o na r i t h m e t i ci sm o r em a t u r e n o w , t h ec o n s u m p t i v ep r o d u c t sa 托s m a l l e r a n ds m a l l e r , a n dp e o p l e sr e q u i r e m e n tt ot h es e c u r i t yo fp o r t a b l ed e v i c e si sm o r ea n d m o r ei m p r o v e d t h e r e f o r e i ti sv e r ym e a n i n g f u lt od e s i g nas m i l e ra n df a s t e r 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 ns y s t e m i nt h i st h e s i s 。g o i n gt o w a r dt h eg o a lo fa s i cr e a l i z a t i o n ，ak i n do fh a r d w a r e a r c h i t e c t u r ea b o u tf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nf p g aa n d s e v e r a l j o b sa r ed o n e 舔f o l l o w s ： f i r s t , ak i n do fh a r d w 缸ec i r e m ta r c h i t e c t u r ea b o u tf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n a r i t h m e t i cb a s e do nf p g ah a sb e e nr i s e d u p i nt h i s t h e s i s ，t h ef i n g e r p r i n t i d e n t i f i e a t i n na r i t h m e t i cr e a l i z e di ncl a n g u a g eh a sb e e nt r a n s f o r m e di n t of p g a n 蛇 h a r d w a r ea r i t h m e t i ci sr e a l i z e di 1 1s p e c i f i ch a r d w a r ec k e m t t h es p e e do ff i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nw i l lb eo b v i o u s l yi m p r o v e d b e s i d e s ，t h ea r i t h m e t i cc a l lb et r a n s p l a n t e d e a s i i y ，a n dc a nb eu s e d nm a n yk i n d so f s y s t e m s i i lf o r mo f h a r d w a r em o d u l e s e c o n d ，t h eh a r d w a r ec i r c u i to 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 i t h m e t i cb a s e do n f p g ah a sb e e nd e s i g n e du s i n gv e r i l o gl a n g u a g e m a n ym o d u l e si nt h ea r i t h m e t i c ， s u c h 嬲f i n g e r p r i n ti m a g ec h e c k , f i n g e r p r i n ti m a g ee n h a n c e m e n t , f i n g e r p r i n tm i n u t i a e x t r a c t i o na n df i n g e r p r i n tm i n u t i am a t c h , a r ed e s i g n e di n t os p e c i f i cc i r c u i t t h e a r i t t l i l l e t i ci sr e a l i z e di n t oh a r d w a r e b e s i d e s ak i n do fp l a t f o r mc o m p o s e do fm a t l a ba n dm o d e l s i mw a sb u i l tu p , w h i c hc a nv a l i d a t ef i n g e r p r i mi d e n t i f i c a t i o na r i t h m e t i cc o m p l e t e l y t h ec o r r e c t i o no f h a r d w a r ea r i t h m e t i cc a l lb ev a l i d a t e db yt h i sp l a t f o r m , w i t hm a t l a bs i m u l a t i n g f i n g e r p r i n t 靶咀r ，s r a m ，f l a s ha n dt e s tv e c t o r s , w i t h m o d e l s i ms i m u l a t i n g h a r d w a r ea r i t h m e t i c k c y w o r d 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 n , a r i t h m e t i c ，s y s t e m , f p g a 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。 作者签名：扭日期： 学位论文授权使用声明 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。 学位敝作者签名训巳 日期： 导师签名赖害声 日期：塾盈：垒：z 2007 屉华东师范大学硕士学位论文 第l 章前言 第1 章前言 1 1 指纹识别技术发展概况及研究背景 现行的很多系统，包括非常机密的系统都遭遇到安全性的困扰，传统的。用 户i d + 密码的身份验证存在着安全隐患。人体的特征具有唯一性与稳定性，即 每个人的特征具有唯一性与稳定性，也即每个人的特征都与众不同且终生不变。 基于此，人们发展了指纹识别、人脸识别、虹膜识别、语音识别等多种生物特征 识别技术。其中，以指纹识别研究最早、应用最广，是迄今为止比较适合的生物 特征识别技术 表1 1 各种生物识别技术的比较 据考古发现，公元前7 0 0 0 6 0 0 0 年，古代的亚述人和中国人就意识到了指纹 的特点，并使用指纹作为身份的象征，1 9 世纪中叶开始了对指纹在科学意义上 的研究，并得出两个重要结论：一是没有任何两个手指指纹的纹线形态一致；二 是指纹纹线的形态终生不变。以地球上的人口为6 0 亿，每人1 0 根手指计算，则 需要3 0 0 年才可能出现重复的指纹，因而出现两根手指的指纹完全相同的概率几 乎是零。由于以上特性，在身份识别领域中一直是最为可靠的手段，并为各国法 律所广泛承认。在指纹识别时，软件会选取指纹中的几个特征点，进行核对，目 前国际上通用的标准是7 3 2 ，即识别系统只采集3 2 个特征点，需要其中的7 个 点和存储的特征点对应，这在理论上误认率约为1 1 0 0 0 0 0 0 。从而这些研究使一 些政府开始使用指纹进行罪犯鉴别，如阿根廷在1 8 9 6 年，苏格兰在1 9 0 1 年，其 他一些国家在2 0 世纪初期也纷纷引入指纹技术鉴定罪犯。2 0 世纪6 0 年代起用 计算机自动识别指纹，同时刑侦用的指纹自动识别系统( a f i s ) 逐渐在全球开 始了广泛应用。而这时的指纹采集一般都采用油墨捺印的方式。 1 9 8 0 年后，随着个人计算机和光学指纹采集器的发明，指纹识别技术开始进 入了一些非司法领域，如居民身份证等。1 9 9 0 年以后，廉价指纹采集器和计算 设备的出现，解决了快速准确的匹配算法问题，使指纹识别技术走向了基于个人 的应用。当时的指纹识别设备多采用光学传感技术。 2007 届华东师范大学硕士学位论文 第l 章前言 光学扫描技术发展成熟、成本低廉，耐用性也相当不错，因而成为早期指纹 识别技术的主流。但是它也存在较多的缺陷：如手指表面的灰尘和油脂对扫描质 量影响很大，而精心复制的指模也可以将该系统轻松欺骗；此外，对应的光学扫 描设备体积庞大、耗电量较高、图像获取的时间也比较长，无法用于笔记本电脑、 掌上电脑、移动电话等便携电子产品中。我们今天不少电子设备都集成了指纹识 别，这在当时完全是不可想象的。只所以指纹识别能够真正普及开来，进入每一 个电子设备，完全是因为第二代指纹识别技术：电容式指纹识别技术的诞生。 1 9 9 8 年，硅晶体电容传感器诞生，得益于这一设备的出现，电容式指纹识别 技术随之和我们见面。与传统的光学扫描技术不同，电容式指纹识别设备体积极 小、成本很低，可被方便地整合于各类指纹识别设备中。由于我们的真皮会发出 微弱的电波，同时在皮肤表现存在凹凸部分，这样当用户将手指按压在传感器表 面时，传感器便能够产生一个由不同电容值构成的信号阵列，这些信号阵列经过 专用的算法转换之后便能够生成指纹图像。由于这一技术采用的是活体识别技 术，必须通过人体的微电流，因而即使割下别人的指纹来进行确认也没有用，其 它例如指模等更是无计可施，因而具有更高的安全性；同时由于不会受灰尘、油 脂等影响，准确率也更高。但是电容式指纹识别技术也有一定的不足，首先是稳 定性不如光学传感技术：其次成本较高，因而目前硅晶体电容传感器相比都要袖 珍很多，指纹取样区域往往都小于l 平方英寸；最后，硅晶体电容传感器很容易 受到静电的影响，轻则影响图像取样，重则直接损坏传感器。 图1 1 硅晶体电容传感器示意图 目前比较热门的要属超声波传感技术。超声波传感技术采用声波感应技术， 传感器发射声波，通过接收手指反射的信号来测量手指上凹处的深度，得到指纹 的图像。相比之下，超声波传感技术可以排除手指表面的污垢、油脂等的干扰， 因而精确度是目前所知的技术中最高的。但是目前超声波传感技术很容易受温度 和光线的干扰，耐久性也还有待改进，加个也还相当昂贵，因而没有进入市场， 2 2007 届华东师范大学硕士学位论文 第l 章前言 还是处在实验室的阶段。 表1 2 三种指纹采集的比较 光学扫描技术半导体传摩技术超声波扫描技术 千乎指袭，汗多和耩胀的 予手指好，潮湿、租 成豫毙力 手揖成像模糊。易受皮肤 麓手指也可成像易 受皮肤上的油辫和莸 转常好 上的油滕和脏物彤嫡 钫影壤 威像鹾域大小中 分辨率 抵于5 0 0 d p !可商这鲫p l w 蔼达l 的叫埘 设鲁体欷 大小 中 耐用性嚣常耐用 较耐用疑 功耗较大小较大 成本较蠢 瞳 缀高 在应用方面，指纹识别技术主要用于个人身份鉴定，可广泛用于考勤、门禁 控制、p c 登录认证、私人数据安全、电子商务安全、网络数据安全、身份证件、 信用卡、机场安全检查，刑事侦破与罪犯缉捕等脚，它的推广将具有很大社会效 益和经济效益，具有广阔的市场应用前景。 图1 2 指纹识别在笔记本电脑上的应用 1 2 指纹识别系统的设计趋势 指纹识别系统最初用在犯罪侦察，由于算法计算的庞大以及计算机性能的不 高，在进行指纹识别认证的过程中一般都是使用高性能计算机，并且需要很长的 时间；随着对算法研究的发展以及微电子技术的进步，p c 机的性能有很大的提 2 0 07 届华东师范大学硕士学位论文第1 章前言 高，在一些小型系统使用中出现了p c 机的使用；之后，嵌入式系统的出现，使 得指纹识别系统又有了另外的实现方式采用高性能的d s p ( 如t i 公司的 1 m s 3 2 0 v c 6 0 0 0 ) 、a i u “( 如基于a r m 体系结构的i n t e lp x a 2 5 5 ) 以及基于f p g a 的n i o si i 的核，这些都使得指纹识别系统可以在较小的尺寸下得以实现。在这 些系统中，指纹识别算法都使以开发包的形式存在，通过高性能的c p u 计算出结 果，这种方式使得算法的移植性较强。但是，缺点是其体积仍然比较大，还不够 小到用于手机、p d 等小型设备上；并且，在相同时钟频率下，通过c p u 运行的 算法计算速度比较慢。 为了实现指纹识别系统应用于小型设备上以及提高指纹识别的速度，有两种 途径： 1 对算法进行优化，以期达到更高的速度： 由于移动设备的体积越来越小，要求在其表面的指纹录入设备的面积很 小。这样小面积的指纹芯片录入的指纹图像势必比以往的小，而且由于 指纹的多次按压位置不同，导致同一手指的重叠区域有时会很小，也就 是用于比对的指纹有效面积就更小了。这就需要要求算法能识别小面积 指纹并提高算法执行速度。a n i lk j a i n 和c h i h j e nl e e 做了很多探 索性的工作，利用g a b o r 滤波函数，充分利用了指纹图像纹理结构，既 能抓住图像全局特征，又能体现细微特点。j a i n 用了圆形网络，有利于 匹配时保持旋转不变，避免了旋转定位问题。 2 。通过硬件实现算法来提高速度。 若能够实现硬件算法，同等的时钟频率下硬件的处理速度比用软件要好 很多。迄今为止，只有沈阳上方电子从这个角度入手，研发了一款指纹 识别a s i c 芯片f c h i p 2 ，不过这个也只是处于开发阶段，还未投放市场。 该芯片使用z s p 4 0 0 的i pc o r e ，该内核处理速度为2 0 0 m i p s ，基本满足 实用标准。据试用客户反应，该芯片质量好、安全性能好，但价格昂贵。 这是因为该芯片使用了较多地i pc o r e ，增加了成本。该芯片设计的基 本架构还是以“c p u + 算法”的形式，以a s i c 的方式来提高系统性能。 因此，如果完全用硬件实现指纹识别算法，则能更明显的提高指纹识别 的速度，而且能尽量少的使用i pc o r e ，减少成本。 1 3 本论文结构及其主要内容 为了实现指纹产品的小型化、高性能化，本文对指纹识别算法通过硬件实现， 提高了系统的性能，得到了更少的匹配时间。 4 2007 届华东师范大学硕士学位论文第1 章前言 文章的主要特点包括： 本论文根据研究的用c 语言实现的指纹识别认证算法，用v e r i l o g 语言移植 到f p g a 上，算法处理的各个步骤、各个模块均采用完全的专用硬件电路，硬件 实现指纹识别认证算法，提高指纹识别认证算法的速度。最终可得到指纹识别认 证的硬i pc o r e ，方便的应用到各种嵌入式系统中。 对每一个模块尽可能的采用流水线结构，对硬件电路进行优化，极大的提升 模块的性能。 在逻辑仿真时用m a t l a b 和m o d e l s i m 架构了仿真平台，可完全验证系统功能。 本文的结构安排如下： 第二章介绍了指纹识别系统的工作流程，以及对不同的指纹识别系统结构进 行分析。通过比较以及分析各个系统的优缺点，本文提出用硬件电路来实现指纹 识别算法，以及整个系统的构成。 第三章介绍了本文的指纹识别系统的硬件设计，所有硬件模块之间的连接， 以及f p g a 中设计模块的划分。 第四章介绍了指纹识别算法的设计，将算法分为图像检测、图像增强、特征 点提取、数据库、h o u g h 变换的特征点匹配、极坐标下的特征点匹配等6 个模块， 并简要的介绍各个模块的数学模型。 第五章阐述了本指纹识别系统的逻辑仿真和f p g a 验证。详细的讲述系统逻 辑仿真平台的构建以及仿真结果，并阐述了各模块的硬件设计思想以及最后各模 块的f p g a 实现。 第六章是对本文工作的总结以及对下一步研究的展望。 2 0 0 7 届华东师范大学硬士学位论文第2 章指绞识袅系统介绍 第2 章指纹识别系统介绍 2 1 指纹识别系统介绍 掰2 1 指纹淑射聚缝工律藏翘 自动指纹识别系统a f i s f a u t o m a t i cf 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 ) - - 般包括：指 纹的采集，指纹图像预处理 和特征提取，指纹图像的特 征匹配。图2 1 是自动指纹 识别系统( a f i s ) 的简单流 程。 在指纹登陆过程中，每一 枚指纹从指纹传感器录入若 干次( 默认为3 次) ，算法模 块对每次录入的图像进行处 理，再对处理后的图像进行 特征提取，之后对该若干次 特征数据进行处理，得到最 能体现该特征的一组数据， 作为该枚指纹的模板( 即指 纹匹配的依据) 。最终将该模 板存储于f l a s h 中。 在指纹比对时，指纹图像 从指纹传感器录入，然后提 取该图像的特征数据，用这 些特征数据与指纹登录时生 成的模板进行比较，计算它 们的相似度，产生p a s s 或者 f a i l 两种结果并输出显示。 指纹识别系统最重要的 一个衡量指标就是匹配时 间。匹配时间可以由公式表 示为t = p + f + c + u ( t 为匹配时间，p 为图像处理时间，f 为提取时间，c 为比较 时间，u 为总用户个数) 。 6 2 0 0 7 届华东师范大学硬士学位论文 第2 章指纹识别系统介绍 2 2 基于d s p 的指纹识别系统 基于d s p 的指纹识别系统硬件平台大致可以分为5 个部分：指纹图像采集、 核心部分、r a m 、e e p r o m 以及外部存储等 4 1 。其中指纹图像采集部分为指纹传 感器，用于采集指纹；核心部分为d s p 芯片，用于指纹识剔算法的计算、数据的 读取以及外部接口的控制；r a m 存放指纹识别算法计算过程中的临时数据； e e p r o m 存放指纹识别系统的软件代码：外部存储用来保存指纹识别得到的指纹 特征点，构成指纹数据库。 本系统的硬件组成如图2 2 所示。 图2 2 基于d s p 的指纹识别系统 系统中包括有数据通道和调试通道1 5 】。其工作原理如下：固化的程序存储在 e e p r o m 中，这些指令控制了整个指纹识别系统的工作流程。指纹经传感器采集 后，由传感器直接转换成r g b 格式，并且数据传输到d s p 。d s p 需要执行大量的 模式识别和图像处理相关计算。指纹匹配信息、数据更新信息和其它大量数据被 保存到外部存储器中。r a m 为内存存储临时数据。这构成了数据通道。 调试通道指的是，传感器和d s p 分别通过u s b 和并口与p c 机相连，传感器可 经p c 机调试，r g b 格式的图像也可以先经调试通道由p c 机取得并分析传感器工 作状态：d s p 通过并口与p c 机连接，并可通过调试软件调试指纹算法程序，监控 d s p i 作状态州。由此可以看出，数据通道在硬件上证明此系统能够实现指纹识 别的功能要求，而调试通道的设计着眼于程序和系统的调试工作，为进一步的软 件设计与优化提供了方便的接口。 7 2 0 0 7 届华东师范大学颈士学位论文第2 章指纹识别系统介绍 2 3 基于a r m 的指纹识别系统 基于a r m 的指纹识别系统，a r m 是唯一的中央处理器单元，主要实现指纹 识别算法，同时通过r s 2 3 2 串口与外部设备进行信息通讯，并且外扩了一个 f l a s h ，用来弥补舢蝴内部没有r o m 的不足r 7 l 。系统一般通过r s 2 3 2 协议来实 现和外界的通讯。 由于把通讯和识别算法都集中在a r m 芯片上实现，程序代码和数据都将比较 庞大，因此内存的分配很大程度上会影响匹配的速度 7 1 。将指纹识别算法中比较 复杂或者比较影响时间的部分采用汇编代码来实现，也能提高匹配速度，缩短匹 配时间。基于a r m 的指纹识别系统框图如图2 3 所示： 图2 3 基于a r m 的指纹识别系统 2 4 基于n i o s i i 的指纹识别系统 基于n i o s i i 的指纹识别系统，工作原理是：从指纹传感器采集到的指纹图像 数据，以d m a 方式存入片内r a m t s l 。n i o s l l 对指纹图像数据进行处理后，生成指 纹特征模板，在指纹登记模式下，存入片外f l a s h 中；在指纹比对模式下，与 存储在f l a s h 中的特征模板进行匹配，处理结果通过l c d 和七段l e d 显示器输出 显示。该系统的硬件平台主要是在a l t e r a 的n i o s l i 嵌入式开发板上实现，其附带的 n i o s i i 开发套件，包括n i o s l i 处理器、标准外围设备库、集成了s o p cb u i l d e r 系统 设计工具的q u a r t u s l l 开发软件等。系统的主要组件n i o s i i 的标准内核、片内存锗 器、s p i 、u a r t 、d m a 控制器、并行i o 接口、a v a l o n 总线、定时器等都集成在 f p g a 芯片上，使用s o p cb u i l d e r 来配置生成片上系统 9 1 。 使用a l t e r a 的f p g a 实现，具有开发周期短的特点；同时，采用n i o s l i 的定 3 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 第2 章指纹识别系统介绍 制指令来提高系统性能，利用硬件实现算法可以使系统的速度得到提高。 日日 t 一 图2 4 基于n i o s i i 的指纹识别系统 2 5 基于f p g a 的指纹识别系统 以上系统构成，其算法部分均由软件代码通过通用或专用c p u 实现，其速度 较慢。本文总结 了他们在接口 以及控制方面 的经验，再将指 纹识别算法用 硬件实现，提高 了系统的性能。 整个电路 系统由指纹传 感器、s r a m ， f l a s h 、p r o m 和 f p g a 构成，如图 2 5 所示。其中， s r a m 的地址线 与f l a s h 的地址 线共用；s r a m 的数据线也与 f l a s h 的数据线共用。 圈2 5 电略图i ；及f p g a 横块划分 9 嚣 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文第3 章指纹识别系统硬件设计 第3 章指纹识别系统硬件设计 基于f p g a 硬件实现的指纹识别认证系统硬件设计部分通过其核心部分 f p g a 实现指纹识别算法模块的功能，并在f p g a 内部设计系统的核心控制模块以 及与外围模块的接口控制电路。整个硬件系统由指纹采集器系统、s r a m 、f l a s h 、 p r o m 和核心模块f p g a 构成。其中，指纹采集系统通过控制电路采样登陆的指纹数 据通过数据总线存于s r a m 中，等待系统的下一步处理“；s r a m 存放录入的指纹数 据，以及系统工作过程中产生的中间变量，s r a m 模块与系统的其他各个模块均有 通信，是系统工作的重要组成部分；f l a s h 模块主要存放算法模块中要用到的 t a b l e 表数据，以及存放指纹库数据；p r o m 模块存放f p g a 实现电路部分的查找表 文件，在系统初始化时将查找表文件写入f p g a 中；核心模块f p g a 部分完成指纹识 别系统的控制，数据的存储，模块的通信，以及指纹识别算法模块电路功能的实 现。以下具体介绍各个硬件模块的工作原理以及接口控制模块的设计工作原理。 3 1 指纹传感器与f p g a 的连接 本文研究的指纹采集器系统由核心部件指纹采集传感器以及外围的控制电 路芯片以及电路元件搭建而成。其中指纹采集传感器选用的是台湾l t t 公司的 l t tc s 0 0 a ，l t t _ c s 0 0 a 是电容式指纹传感器，抗静电能力高，抗压抗磨能力极 强，为目前市场上性价比相对较高的一款指纹传感器。其工作指标如表3 1 所示。 指纹采集系统由四个主要模块组成：指纹采集传感器、控制模块、采集数据 质量控制模块、模数转换芯片模块。通电后指纹传感器采集图像通过两个同步信 号帧同步信号f _ s v n 以及行同步信号rs y n 表示一副指纹图像采集的开始。 一副图像有一个帧同步信号，和2 3 6 个行同步信号。模数转换模块( a d c ) 采用 一个8 位a d c ：占片实现采集的指纹图像灰度值的模数转换，每一个像素均由8 位数字信号来表示其灰度值，8 位信号传输给f p g a ，由f p g a 控制模块控制写 入s r a m 中待算法模块处理。采集数据控制模块通过对一个三位参数g a i n 的 数值设置达到对图像灰度值对比度调节的作用，这里选用g a i n 值为1 0 1 ，模块 框图如下图3 1 所示。 图3 2 为指纹数据采集的时序图，f p g a 中接口模块采样指纹数据要满足其 对时序的要求。 1 0 2 0 0 7 届华东师范大学碗士学位论文第3 章指纹识别系统硬件设计 封装尺寸2 2 m m * 2 0 m m 芯片大小 1 2 8 m m * l o m m 传感器砸积 1 1 s m m * 9 6 m m 图像分辨率 5 0 8 d p i 输出像素 2 3 6 * 1 9 2 工作方式电骞式 工作电压4 。5 v , - - 5 5 v 输出数据格式8 位数据格式 工作电流3 舢d 2 m a i l f 受静电电嚣 2 0 k v 耐受袭面压力 1 2 g p a 工作温度 - 4 0 一8 0 。 表3 1指纹传感器的性能参数图3 1指纹传感器原理框图 一嗍黧您掰嘲嗍嗍嘲= 到嗍咖骶 一聊删糊嘲l 删i = 刊l 嘲嬲 图3 2 指纹数据采集时序图 为了便于指纹采集器系统与f p g a 的连接，以及达到即插即用的效果，这里 我们为指纹采集器系统定制了一块p c b 板。鉴于接口部分选用并行接口。选择 2 0 0 7 届华东师范大学硬士学位论文第3 章指纹识别系统硬件设计 f p g a 的i 0 口，分别与指纹传感器相连，接口电路如图3 3 所示，p c b 板图如 图3 4 所示。 图3 3 指纹传感器与f p g a 的 连接原理图 3 2 s r a m 与f p g a 的连接 图3 4 指纹传感器与f p g a 的 连接p c b 板图 在指纹识别系统中，随着指纹识别算法的发展改进和对指纹识别的精确度要 求的不断提高，识别系统要处理的数据也相应增加，其对存储器的容量和存储速 度也提出更高要求。s d r a m 虽然有容量大的优点，但在随机存取时因为有很多 影响速度的附加操作，因而实际时钟利用率较低。常用的同步s r a m 要在读写 存储器之间频繁地切换，需要空闲周期以满足其数据保持时间，所以效率较低。 在本文中，s r a m 的作用是存储算法程序运行时的临时数据，包括图像数据、向 量、特征值等，因此系统会对s r a m 进行频繁的读写。z b ts r a m 通过高效利 用系统总线，进行随机读写，避免了读写状态之问的转换周期，消除了读写延迟， 实际数据传输率得到显著提高。基于以上原因在本文的设计中采用c y p r e s s 公 司的型号为c y 7 c 1 3 5 4 b 型号s r a m ，该s r a m 大小为9 m b i t ，最大工作频率为 2 2 5 m h z ，满足了整个系统对其容量和速度的要求。 2 0 0 7 届华东师范大学硬士学位论文 第3 章指纹识别系统硬件设计 d 咤几几几几几n 几 蛐磁耐! j 臣二压! 珏三蕊匾 幽嘶谲豳叵互艇亘更雯x 三丑蕊赃 柚j 岷f 。 由1 匡互珏三涎三 三丑 图3 5 数据写时序图 gn 嗽拍 l g as r a m 一f n l 鼍对n n h i t - ! w e p 1 9 9 ! o e 眄 ! c e盯 1 8 h e p 辱甜a 1 7 ! b l e p 4 瓤a 1 6 图3 6s r a m 与f p g a 的连接 3 3 f l a s h 与f p g a 的连接 f l a s h 存储具有存储容量大，数据保存时间长，断电不丢失，存取速度快 等特点。在本系统中，f l a s h 用作存放指纹识别认证系统用户指纹数据库，存 储指纹特征点数据。它的容量决定了指纹识别系统能够储存的指纹数据的数量， 决定了指纹识别系统能够使用的场合。本设计中采用m i c r o n 公司型号为； m t 2 8 f 3 2 0 j 3 r g - 1 l e tf l a s h 芯片。该芯片容量为8m b i t 。每条用户信息大小 为l kb y t e s 。故该芯片最多可存放1 0 0 0 条用户信息，大大满足了本系统中指纹 数据库的需求容量。 2 0 0 7 扁华东师范大学硕士学位论文第3 章指纹识别系统硬件设计 臼 _ n t 图3 7f l a s h 芯片功能模块图 嬲滋鼢糕溪黪蠹愿蘩蠹羹麓缫燃攀翼鋈瞒燃 t k 潮潞渤翳露淄鬣缓缆戮戮鬻鬣瓣徽黼 ￥ b 。l i 姒 i 铀lj l t o ， 卜 田静 一。一随 l t m 愀葚轰二 ph i _ - 遵一 弋雾 l l t 口 p 卜一撕咖 ) l 图3 gf l a s h 芯片读时序 1 4 圜u h 附雌d 懈 懈 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文 第3 章指纹识别系统硬件设计 h 呻h _ sh 翻 图3 9 f l a s h 芯片写时序 豳u n d e f i n e d 盎l 蜒宠囊 l 瓯a s 珏f p g a nn q f m q n y ! w e p 薹6 ! o e p 1 5 ! c e p 1 3 ! 舅i y t e p 重2 ! r e s i r r p n l t y ，! b y p 重9 图3 1 0f l a s h 与f p g a 的连接 1 5 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文第3 章指纹识别系统硬件设计 3 4 f p g a 的上电配置连接 3 4 lf p g a 的介绍 v i r t e xi v 器件整合了高达2 0 0 ，0 0 0 个的逻辑单元，高达5 0 0 m h z 的性能。 v i r t c xi v 系列提供了3 个平台，专为满足不同应用领域的需求而量身定制： l x 系列一高性能逻辑，拥有最高的逻辑性能比，最高的f o 性能比。 s x 系列一超高性能信号处理，拥有最高的d s p 性能比，最高的存储器性能 比。 f x 系列一嵌入式处理和高速串行连接功能，拥有嵌入式i b mp o w e r p c 处理 器和以太网m a c ，r o c k e t i o 千兆位级串行收发器。 v j t r t e xi vl x 、s x 、f x 系列各自优化了普通逻辑，信号处理，嵌入式处理和 高速串行连接功能。 创新的a s m b l ( 高级硅片组合模块) 架构，突破了传统的设计障碍一无需几 何尺寸输出版图约束，比如对i o 数目和结构阵列的尺寸的依赖；增强了片上电 源和接地分布，允许电源和接地放置在片上的任何位置；允许全异的硬i p 块独 立于任何其他和围绕的资源而升级使x i l i n x 可以将f p g a 平台与不同的特性组 合在一起，满足不同应用领域的需要。 在本文中，采用v i r t e xi vl x l 6 0 ，其逻辑单元相当于1 6 0 0 万门，大大满足 本系统的逻辑资源占用，保证了系统的功能和性能。 3 4 2 f p g a 的上电配置介绍 f p g a 支持的上电配置类型有：j t a g 或边界扫描模式、s e l e c t m a p 从并模式、 主串模式和从串模式。其中，主串和边界扫描( j 1 a g ) 模式是v m e x 系列最常 采用的两种配置模式。其优点有： ( 1 ) 主串模式和边界扫描模式( j t a g ) 的组合给了用户一个灵活的、易于调 试的并可以有多种配置方法的装置。 ( 2 ) 主串模式为生产提供了简单而稳健的配置方法，而边界扫描模式( j t a g ) 提供了在系统编程支持，使得在原型验证阶段配置一个链时有灵活性。 本文使用的就是主串和边界扫描模式，其电路结构图如下： 1 6 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文第3 章指纹识别系统硬件设计 图3 1 1f p g a 的上电配置连接 3 5 f p g a 模块划分 在f p g a 中，共分了5 个模块：f l a s h 控制器、s r a m 控制器、指纹传感 器控制器、u a r t 接口& 指令控制器、指纹识别算法模块。 f l a s h 控制器：控制对f l a s h 的读取与写入，是算法模块和f l a s h 之间的 桥梁。 s r a m 控制器：控制对s r a m 的读取与写入，但是同时有u a r t 模块、指纹传感 器控制器、算法模块都与之通信。 表3 is r u 空间映射 表3 2u a r t 指令与格式 竺竺= 竺 2 m x 2 靳的图像数据 弘0 l0 l 3 算法迳行，啪嘲和髑 f r f m t m m ，i 一 s p a m 空闻( ! b h l 海l ：b l e 盘o )3 a 雌 0 2a 3 算接运行。如目娟f o r 蹙最 瞅嗍m ” 僚留 日o 怕啦*| 0 3a 3 葬法运行r e n - s 帅比对 。# 嘲一 ”寄存嚣：r u a - s t e nf o r 登录 ( i i i q 0 1 0 0i l l l 寄存器：r u n - s t e pf o r 比j c 寸 3 am财 算法运行，r u n - a l lf o r 比对 哦”峨一1 2寄稃罂；r u n a 儿f o r 置录 忡- 帕吼 j 劓寄存器：r u n - a l if o r 比对 3 a 峙 峙a 3 将s r a m 中数据蟹入p c 中 保密弘疆f e 3 指令读取壤功 ”呻- ”! - ” 算法模块巾所需韵巾弼变量m阡 卵 3 擂令读取失致 忭# 拌片阼辟搏 1 7 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文第3 章指纹识别系统硬件设计 指纹传感器控制器：控制指纹传感器，对指纹传感器发送指令和从传感器读 取图像数据，然后将数据送入s p , a m 中。由于传感器的控制信号由1 2 c 总线提供， 故而在指纹传感器控制 模块中包括一个1 2 c 总线 模块。 u a r t 接口& 指令控 制器：p c 机对整个系统 的调试接口，其作用有 二：将s r a m 中的数据读 到p c 机中，观察其数据 是否与期望数据一致；将 特定的值从p c 送入s r a m 的某些特定地址，作为系 统寄存器，控制算法模块 的运行r u n s t e p 或者r u n a l l ，便于对 算法模块的调试。 u a r t 指令格式：起始 位( 1 b y t e ) + 命令位 ( 1 b y t e ) + 校验位 ( 1 b y t e ) + 结束位 ( 1 b y t e ) 指纹识别算法模块： 指纹识别算法模块包含 了算法的所有步骤一图 像检测、图像增强、特征 点提取、数据库读写、 图3 1 2 系统中的指纹识别算法模块 h o u g h 变换的特征点匹配以及极坐标下的特征点匹配。模块受系统控制模块控 制，并在执行过程中会频繁对s r a m 进行读写，故而其接口包括与系统控制模 块的接口信号：r u n 4 s t e p _ l o g i n , r u n 4 s t e p _ m a t c h , r u n 4 一a l l _ l o g 氓r u n 4 a l l _ m a t c h ； 与s r a m 控制器的接口信号：a d d r e s s ，d a t a i n , d a t a o u t ，d a t a _ v a l i d ，r e a d ， w r i t e 。 3 6 本章小结 指纹识别系统硬件模块设计直接关系到系统是否正确工作，关系到系统设计 是否合理，工作性能是否满足要求。该部分内容的核心部分是指纹识别系统算法 的硬件实现，该部分的性能与正确与否直接关系到整个系统的性能正确性。该模 块涉及到系统模块与其他模块的接口通信及控制。其中s r a m 控制模块是重点， 这里采用一个总线仲裁器模块让系统总线得到最大的利用，而性能也得到提高。 整个系统的设计在x i l i n x 公司的f p g a n e x 4 l x l 6 0 中验证通过，证明了系统 硬件模块设计的合理性。 2 0 0 7 届华东师范大学硕士学位论文第4 章指纹识别认证算法设计 第4 章指纹识别认证算法设计 本论文所用指纹识别算法，既支持l ：1 比对模式，也支持l ：n 比对模式。 本文的创新点有二：一是用硬件电路实现指纹识别算法。该硬件电路用硬件描述 语言v e r i l o g 描述，便于下载到f p g a 芯片中，实现指纹识别算法的硬化，极大 的提高算法的运行速度。二是在此硬件电路的基础上对电路继续进行优化，更大 的提高系统运行速度。此算法流程图如图4 1 所示。 图4 1 算法流程图 i m a g e c h e c k ( 图像检测) ：首先将指纹区与背景区分离。将图像分块，计算每 一块的标准差，若该值大于某一阈值( 本文中为8 ) ，则该块的所有点都为指 纹数据，否则为背景数据；然后判断指纹区面积占整个图像区域面积的比例。 如果这个比例超过我们给定的阈值，则判定i m a g e c h e c k 通过，否则该