（检测技术与自动化装置专业论文）dsp指纹识别装置算法实现研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 指纹识别在生物特征识别领域中占据很重要的位置。由于指纹具有唯一性和不变 性，也为指纹识别能成为人的身份识别提供了依据。自动指纹识别系统是基于计算机或 高性能微处理器来进行指纹识别的技术，具有方便、高效、安全、可靠等优点。自动指 纹识别技术c a h s ) 已经被应用到金融安全、数据加密、电子商务以及信息保密等领域， 就发展前景而言，它具有很大的发展潜力。 基于上述背景和上届同学的工作基础上，本文进行了自动指纹系统的进一步研究 与优化。整个改进和优化包括以下环节：( 1 ) 内存分配空间的优化。( 2 ) 图像预处理算 法的改进。( 3 ) 匹配算法的改进。t i 的5 4 系列d s p 属于低端产品，主频低且内存小， 但有着极大的价格优势。本文针对5 4 0 2 的特点，在解决内存容量不足的问题上，对指 纹进行分块处理，并通过分时复用的方法使外扩空间由原来的2 5 6 k w 减少到1 2 8 k w 。在 预处理算法的优化方面，加入了图象质量评估算法，自适应分块和方向块平滑算法，改 进了锐化滤波器布局，提高了强噪声指纹的处理效果。在算法速度提高方面，采取了3 点办法：( 1 ) 对耗时多的算法使用了线性汇编和c 混合编程改写。( 2 ) 使用指针自加的 方法寻址像素点。( 3 ) 用相对简单的除法运算来代替求反正切函数。最后比较了几种匹 配算法的优劣，改进了基于角度的特征点距离匹配算法，增加了自动阈值设计，使匹配 算法更精确，适应性更强。 本文首先描述了系统设计的整体思路，然后分章节讲解了各部分优化设计中的技术 细节，最后列举了一些在系统调试过程中遇到的问题和相应的解决方法，为系统进一步 优化提出了建议，并对采用d s p 为核心来构建嵌入式处理系统的方案提供了一些有价值 的参考。 关键词：指纹识别，图像处理，优化 d s p 指纹识别装置算法实现研究 s c h e m er e a l i z a t i o nr e s e a r c ho nd s p f 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 a b s t r a c t f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o np l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ni d e n t i f i c a t i o no fo r g a n i s mc h a r a c t e r s ， t h ei n v a r i a b i l i t ya n ds o l i t a r yo fo n ef i n g e r p r i n tp r o d u c ew a r r a n t yo ff i n g e r p r i ma sam e a n s f o ri d e n t i f i c a t i o na n di ti sp o s s i b l ef o ri tb e c o m eaf a c ta c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to f i m a g e p r o c e s s i n ga n dr e c o g n i t i o nt e c h n i q u ea 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 ( a f i s ) i sa t e c h n o l o g yb a s e do nc o m p u t e ro rm i c r o p r o c e s s o rw i t ha d v a n t a g e so fc o n v e n i e n c ea n d h i g h e f f i c i e n c y ，w i t hg r e a tp o t e n t i a l t h i sp a p e ri sa b o u tf u r t h e rs t u d ya n do p t i m i z a t i o no fa f i sb a s e do nt h er e s e a r c ho fl a s t y e a rt h eo p t i m i z a t i o nh a st h r e ep a r t s ：( i ) d a t as p a c eo p t i m i z a t i o n ；( 2 ) f i n g e r p r i n ti m a g e p r e - p r o c e s s i n gi m p r o v e m e n t ；( 3 ) m a t c h i n gp r o g r a mi m p r o v e m e n tt h er a i v io fd s p 5 4 0 2i s n o tl a r g ee n o u g h ，s ot h ei m a g ei sd i v i d e di n t o4p a a s ，a n dt h ed a t as p a c ei sd e c r e a s e dt o 1 2 8 k wf r o m2 5 6 k ww i t ht h em e t h o do fm u l t i p l eu s i n gi nd i f f e r e n tt i m et h ep r e p r o c e s s i n g p r o g r a mi m p r o v e m e n tc o n t a i n s 3 p a r t s ，a u t o b l o c ks i z ea n dd i r e c t i o ns m o o t hp r o g r a m ， i m p r o v e m e n to f s h a r pf i l t e rw i t ht h e s ei m p r o v e m e n t s ，t h ep r o c e s s i n ge f f e c to f t h ef i n g e r p r i n t h a sb e e nl a r g e l ye n h a n c e dt oi m p r o v et h es p e e do f p r o g r a m ，t h eo p t i m i z a t i o nh a st h r e ep a r t s ： ( i ) u s em i x e dp r o g r a mo fca n da s s e m b l el a n g u a g e ；( 2 ) s e a r c ht h ep i x e lw i t hp o i n t e r ；( 3 ) n s e d i v i d et or e p l a c et h ea r ct a go p e r a t i o n t oi m p r o v et h em a t c h i n gp r o g r a m ，t h ep a p e rf i r s t l y g i v e sac o n t r a s to fs e v e r a lu s u a lm a t c h i n gm e t h o d s ，a n dt h e ni m p r o v e st h ef e a t u r ed i s t a n c e m a t c hb a s e do i la n g l et om a k et h em a t c h i n gc o n d i t i o na u t o m a t i ct h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h i sm a t c h i n gm e t h o di sm o r ep r e c i s e t h ew h o l et h o u g h to ft h es y s t e mi sd e p i c t e di nt h i sp a p e r ，a n dt h e r e a f t e r ，t h et e c h n i q u e d e t a i l so fe a c hp a r t sa r ea l s od e s c r i b e di nt u r n 。a tl a s t ，t h ep a p e rg i v e ss o m es o l v em e t h o d s a n da d v i c ei nt h es y s t e md e b u ga sar e f e r e n c et ot h ea f i sb a s e do nd s p k e yw o r d s ：f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，i m a g ep r o c e s s i o n ，o p t i m i z a t i o n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 日期：幽：! ：苎 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：弛聋鹚日期：五理：! ：壁 沈阳i ：业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 本课题为自选课题，课题题目为：d s p 指纹识别装黄算法实现研究。 1 2 课题研究目的 设计一个指纹识别模块，并能在此指纹识别模块中高效率的实现指纹算法。我们可 以借助所设计的模块应用到很多的需要身份验证的场合，对人物对像进行身份验证。 1 3 指纹识别的现实意义 对身份的认证基本上在所有的场合都是必不可少的，而且在很多的情况下人们都必 须要借助自己的身份信息才能完成一些工作。当今的社会已经被广泛地定义为信息社 会，各种事物都被定义成信息，而我们的身份证明也是一种信息。在大多数情况下，我 们要利用我们的身份信息与外界交流；而外界则利用这种信息来对我们进行身份核实， 例如我们办理身份证( 用自己的照片) ，在网上申请电子邮箱，去银行存款或取款( 用 帐号和密码) 等。 外界之所以能利用我们的身份信息来确定我们的身份，主要是因为这些信息在很大 程度上具有唯一性。当然如果一种信息失去了这种唯一性，它就不再可能被用作为身份 的验证信息。 随着信息的发展及科技的普及，一些原有的技术逐渐被个人所掌握，所以建立在原 有技术之上的传统的身份验证方法受到证件伪造和密码被盗等的严重威胁，而使其原有 的身份信息的唯一性得不到保障。 启发于人的身体特征具有不可复制，具有绝对唯一性的特点，人们开始把目光转向 了生物识别技术。人类的身体上有很多特征可用以区别自身与其他人，如：人脸，虹膜， 指纹，掌纹等等。其中，人脸识别是我门人类用以识别出其他人身份的最常见的手段。 但是，对于自动系统的应用来说，由于人脸的相似性和可化妆，因而最常见的计算机识 别方式是指纹识别。 生物识别技术【卜4 1 是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术，生物特征是唯一 的、可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式。生物识别系统对生物特征进 d s p 指纹识别装置算法实现研究 行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并将这些代码组成特征模板。人们用 识别系统进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据库中的特征模板进行比对，以 确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。 用于生物识别的生理特征有虹膜、面容、指纹等，行为特征有签字、声音等。基于 这些特征，人们开发了虹膜识别、面部识别、指纹识别、签名识别、发音识别等多种生 物识别技术。 指纹识别技术己经有很长的历史了，通过分析指纹的局部特征如脊、谷、终点、分 叉点等，可以从中抽取详尽的特征点，从而可靠地确认个人身份。指纹识别的优点是指 纹为人体独一无二的特征，它们的复杂度可以提供用于鉴别的足够特征。进行指纹识别 时，用户只需将手指与采集仪接触即可，使用非常的方便。指纹识别的缺点是某些人的 指纹特征很少难以识别。 相对于其它生物识别认证技术而言，自动指纹识别是一种更为理想的身份确认技 术，因为指纹相对于其它几种生物特征具有以下一些独特的性质： ( 1 ) 互异性；世界上两个指纹完全相同的概率小于1 0 一9 ，几乎为零。 ( 2 ) 不变性；人的指纹特征不随年龄的增长和胖瘦或其他情况的改变而改变。 ( 3 ) 具有和主体永不分离性；这样对主体身份的识别更具真实性。 ( 4 ) 指纹的使用比起其它证卡来说更快捷、安全准确、无干扰，可实现快速登录注 册。 ( 5 ) 一个人的十指指纹皆不相同，这样可以方便地利用多个指纹构成多重口令，提 高系统的安全性。 ( 6 ) 指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图，而是由指纹图中提取的关键特征， 这样使系统对模板库的存储量较小。另外，对输入的指纹图提取关键特征后，可以大大 减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。 1 4 指纹识别的发展历程及研究现状 利用指纹进行身份认证已有很长一段历史了。考古证实，公元前7 0 0 0 年到公元前 6 0 0 0 年，指纹作为身份鉴别已在古中国和古叙利亚使用。从那时出土的粘土陶器上留有 的陶艺匠人的指纹，纸稿上印有的起草者的大拇指指纹，古城市的房屋留下的砖匠一对 沈阳i ：业大学硕十学位论文 大拇指指纹的印记中可以看出，指纹认证已被应用于当时社会的许多领域里。早在1 8 8 0 年英国人亨利福兹就提出了用指纹识别系统识别罪犯。1 9 世纪末到2 0 世纪初，阿根廷、 苏格兰等国相继将指纹识别技术应用于罪犯鉴别。到2 0 世纪7 0 年代，由于计算机的广 泛应用以及模式识别理论和微电子技术的快速发展会社推出出入口指纹识别器；在英国 政府的重要部门，指纹识别仪已被广泛采用；在澳大利亚，指纹识别仪已被广泛用在a t m 机上；在美国，除军事设施外五角大楼、政府实验室、银行、监狱和商业部门也广泛使 用了自动指纹识别系统；1 9 9 6 年在美国亚特兰大举办的第2 6 届奥运会上已广泛采用了 指纹自动识别系统。进入9 0 年代，我国指纹识别系统开始迅速发展，深圳攀登电子有 限公司研制了活体指纹身份识别系统；深圳红光奥康光电有限公司推出自动指纹识别监 控器；西安交大、清华大学、北京大学等也推出了各自的指纹自动识别系统；北京大学 与上海、珠海公安局合作建立了大容量指纹自动识别系统。国内有上百家从事指纹识别 技术应用的企业多以代理国外产品为主，但拥有自主知识产权的核心技术并不多。 近年来，有关指纹自动识别技术的研究已成为模式识别、图像处理以及在计算机视 觉等领域中广泛关注的热点。目前，世界各国都在研究和开发各种指纹自动识别系统。 与此同时，随着指纹自动识别技术的不断发展和成熟，以其高度的精确性应用到有关个 人身份认证的各个领域。不仅用它可以开发出带有身份识别和防伪的很多产品，如指纹 身份证、毕业证、准考证、献血证、社会保障卡、银行储值卡等，另外还可以用于需要 身份识别和加密的设备，如手机、硬盘、门禁系统和登录较保密的网络系统等。 目前的指纹自动识别系统是采用先进的光电识别办法采集一个指纹信息，并把它变 成可以和己由计算机处理过的暗码相比对的代码。这些代码都经过加密处理，然后经独 特的相关算法进行识别判断，在算法上有的采用是一个指纹的全部图案，而有的是指纹 的特殊细节。 随着i c 产业的发展，指纹自动识别系统逐渐脱离计算机朝灵活性、方便性、实时 性等方向发展。特别值得提出的是，d s p 在作为指纹识别的核心方面得到了广泛的应用。 可以这么说，基本上所有的脱机指纹识别系统的c p u 都是用d s p 来做的。而其中在d s p 的选择上，美国的德州仪器公司( t i ) 所产的d s p 在世界范围内得到最为广泛的应用。 随着越来越多的指纹识别产品的开发与生产，指纹识别技术的应用已不在局限于公安、 d s p 指纹识别装置算法实现研究 金融、证券、保险等领域。它已经开始进入民用市场并且发展迅猛，这一技术的普及已 经指日可待，人们开始研究使用计算机进行指纹的自动识别。目前世界各国都在争先研 究和开发实用指纹识别系统。到2 0 世纪7 0 年代末，一些实用系统己经出现。据报到： 7 0 年代末加拿大警方首次应用激光进行指纹检验；日本立石电机公司8 0 年代研制出了 指纹核对机；美国人福勒8 0 年代设计出了电子指纹检验系统；日本n e c 在1 9 8 2 年首次 向警方提供自动指纹识别系统( a f i s ) ；比利时刑事鉴定局在1 9 9 0 年开始使用a f i s ； 瑞士一公司研制成功指纹码智能卡。 1 5 目前存在的问题 上届同学的研究存在的问题主要有以下几点： ( 1 ) 外扩空间分配不合理，造成了空间的浪费。 ( 2 ) 缺少图象质量评估算法，当指纹图象较差时，无法拒绝注册和给予提示。 ( 3 ) 预处理效果欠佳，给后续的特征点提取带来干扰。 ( 4 ) 预处理时间太长，超过了5 s 。 ( 5 ) 匹配算法时间复杂度高，不适合低端微处理器系统。 1 6 课题研究设想和预期目标 在上届同学的基础上，要完成以下几个方面工作： ( 1 ) 通过合理分配来减少外扩空间。 ( 2 ) 加入图象质量评估算法。 ( 3 ) 改进欲处理算法，改善预处理效果，使特征点能够准确提取。 ( 4 ) 优化算法，缩短预处理时间。 ( 5 ) 改进匹配算法，提高识别率。 沈阳【：业大学硕十学位论文 2 系统整体设计方案 从工作方式角度而言，自动指纹识别系统可以分成两类：一类是用专门的硬件设备 来采集指纹图像，然后将采集到的图像传送给上位机，通过上位机强大的运算能力和海 量的指纹特征库，来实现指纹的识别。典型的应用是在银行储蓄系统和公安机关案例分 析中。另一类是将指纹的采集与识别在一个脱机系统中完成，通常这类系统是用d s p 这 类具有高速运算能力的器件来构建的。这类系统大多应用在民用系统中如：考勤系统， 指纹门禁等。本系统使用d s p 作为核心器件，一方面是因为d s p 的工作频率、稳定性和 功耗性能等方面要比单片机好的多，由它所搭建的硬件系统更能满足应用的要求；另一 方面当将指纹识别算法嵌x nd s p 中后，就可以实现脱机系统从而应用在更为广阔的民 用系统中。 2 1 工作流程 本系统的工作流程如图2 1 所示。指纹按在取指仪上后，取指仪开始对指纹图像进 行采集；同时通知d s p ，让d s p 通过其低八位数据线将取指仪采集进来的指纹图像读入 其数据r a m 中；然后在d s p 中调用f l a s hr o l d 中已经编制且被固化好的指纹识别程序对 采入的指纹的特征点信息与原有的源指纹信息进行比对，如果采集进来的指纹图像特征 与原有的源指纹特征完全相同或非常相似，就判断为采集进来的指纹与原有的源指纹属 于同一指纹，即两个指纹匹配；反之，则判断为两个指纹不匹配( 可以在指纹识别装置 上设置报警装置，在两指纹不匹配时启动报警) 。另外，为了在对系统调试时能同时通 过计算机屏幕监测d s p 运行程序的每一阶段对数据处理的情况，需要在装置上设计出与 计算机通信的接口。出于对简化系统设计难度的考虑，本人利用串口芯片将d s p 的八位 并行口改造成能与p c 机通信的串口。经过最后的系统的软硬件调试证明，在硬件上： 指纹芯片工作良好，能采集到清晰且脊谷分明的指纹图像；d s p 能正常与外围通信；d s p 与p c 机串口能正常通信。在软件上：经过对程序的改编以及对算法的改进，能实现图 像采集、图像预处理、指纹特征提取、指纹特征匹配。系统的硬件结构f 5 4 1 框图如图2 2 所示。 5 d s p 指纹识别装置算法实现研究 图2 1 系统的工作流程图 f i g 2 1s y s t e mw o r k i n gf l o wc h a r t 6 沈阳：【业大学硕十学位论文 图2 2 硬件系统框图 f i g 2 2s y s t e mh a r d w a r ed i a g r a m 2 2 指纹识别算法流程 由于指纹采集设备本身会给指纹图像带来一些噪声，指纹本身有可能被污染，太干 或太湿，也会给指纹图像带来噪声。为了保证后续处理特征提取的可靠性，必须对获取 的指纹图像进行预处理，以减少噪声或其他干扰，图像预处理的质量决定了后续处理的 鲁棒性。图像预处理有以下几个步骤：图像的分割，图像的增强，图像的二值化， 图 像细化以及细化后处理。各部分处理效果如图2 3 。 ( 1 ) 去毛孔噪声：由于传感器的精度很高，在采集指纹时也会采集到纹线上的毛孔。 如果不先将毛孔噪声去除，细化之后会出现大量的小圈，影响特征点提取。所以第一步 就是要去除毛孔噪声。本文使用的是用4 方向的5 * 5 大小的模板对图像平滑来去除毛孔 噪声。 ( 2 ) 指纹增强：细节特征提取算法的性能在很大程度上要依赖于指纹图像的质量。 在理想的指纹图像中，从细化图像中可以比较容易地检测到纹线，特征点可以精确的定 位。然而，在实际应用中，由于采集条件和采集设备的因素，采集到的指纹图像有不少 是质量比较差的。所以，为了确保细节特征提取算法的性能对指纹图像的质量具有足够 的鲁棒性，研究指纹增强算法是十分必要的。指纹增强技术的实质是提高图像纹线结构 的清晰程度。本文所使用的是基于方向图的空域增强算法。 d s p 指纹识别装置算法实现研究 ( 3 ) 图像二值化：二值化的目的是把灰度指纹图像变成o 1 取值的二值图像。对一 幅图像进行二值化，传统的方法是采用阂值法。阈值法又分为固定阂值法和浮动阈值法。 很明显，由于不同图像的灰度差异变化很大，甚至同一指纹图像的不同区域深浅不一， 如果对整幅图像使用同一个阈值去分割，会造成大量有用信息的丢失，在实际应用中是 行不通的。因此，要将整幅指纹图像分块，结合各块图像的自身特点，为每块图像选取 不同的阈值，分别进行分割处理。这就是局部阂值选取的概念。典型的算法有区域中值、 区域均值和自适应局部阂值二值化算法，其中自适应局部阈值二值化算法被广泛接受。 该算法的核心思想是：对每块图像，选取的阈值应尽量使该块图像内大于该阈值的像素 点数和小于该阈值的像素点数相等，而这一思想和指纹图像脊线、谷线间隔均匀出现的 特征正好吻合。 ( 4 ) 图像的细化：图像细化在自动指纹识别技术中是图像预处理的一个基本环节。 图像细化操作应该在经过阀值分割后的二值图像上进行。一幅二值图像的细化结果往往 被称为“骨架”。对图像进行细化处理的主要目的是为后继的后处理算法和细节特征提 取算法做准备。在自动指纹识别技术中，一般要求细化后的图像必须是单像素宽的，而 且细化总体效果一定要好，否则将无法使用常规的特征提取算法提取细节特征信息。所 以，深入研究指纹图像的细化算法对自动指纹识别技术是很有意义的。 尽管细化的概念没有精确的数学定义，人们通常认为细化处理是在不影响纹线连通 性的基础上删除纹线上的冗余信息直到纹线为单像素宽为止。理想状态时，细化后的纹 线“骨架”应该是保留的原始纹线的中间位置。对于图像细化问题，一般来讲并没有严 格的规则和统一的标准，细化结果的评价只是根据具体的需要而定。只要细化结果能够 满足应用需要，就认为细化操作是成功的。但图像细化操作也有一些基本的准则，好的 细化算法应该保持原有图像的拓扑结构、形状和连通性。具体地讲，好的细化算法应该 具有以下特性：1 ) 细化结果应保持原图像的基本结构特性；2 ) 细化后的骨架应该尽量 是原目标的中心线；3 ) 要保持目标与背景的连通性，细化操作不能破坏目标与背景各 自的连通性；4 ) 细化后的结果图像最好是单像素宽的：5 ) 对边缘上小的毛刺或锯齿状 的噪声不敏感；6 ) 对像素点的删除，最好是对称进行，以避免在某方向上引起偏差。 8 沈阳i ：业大学硕士学位论文 ( 5 ) 细化后处理：细化后的指纹图像总会存在一些不应有的毛刺、小孔，相邻的两 条纹线间产生的粘连，这些情况都会造成伪特征点的出现，严重影响自动指纹识别结果 的可靠性。所以，在进行指纹细节特征提取之前，必须对细化指纹图像进行修复处理， 称为细化图像后处理。本文主要采用纹线跟踪法来去除毛刺和小孔。 图2 3 指纹处理流程图 f i g 2 3f i n g e r p f i mp r o c e s sf l o wc h a r t a ) 原图像”去毛孔噪声c ) 平滑 a ) f i n g e r p f i mi m a g e b ) c l e a np o r en o i mc ) s m o o t h d ) 锐化二值化e ) 细化f ) 特征点提取和去伪 ms h a r pa n db i n a r yc o l o re 1t l l i nf ) e ) ( t r a e tf e a t u r ea n de l i m i n a t ef a l s e 2 3 系统设计和优化要点 在本系统设计中的主要设计要点为： ( 1 ) 指纹图像采集设备( 即取指仪) 的选取。正如前面所叙述的那样这是一个很关键 的步骤，以后所有的硬件和软件都要为所采集到的指纹图像所服务。如果采集设备不理 想，因而采集到的指纹图像也不理想，则将给后续的设计( 包括硬件和软件) 带来很大 的不便，从而增加系统的设计难度。因此对目前市场上所存在的取指设备进行充分的了 9 d s p 指纹识别装置算法实现研究 解和对不同的设备之间进行优劣比较是相当必要的。在通过对目前存在的取指仪充分分 析后，本人采用富士通公司生产的性能优异的压敏式指纹芯片m b f 2 0 0 。 ( 2 ) c p u 的选择上，应当选取运算速度快、存储空间较大且价格适度( 考虑到成本问 题) 的芯片。因为通常要求采集的指纹图像应达到2 5 6 2 5 6 ：6 4 k 字节大小，所以要求处 理器应具有较大空间的寻址能力；同时因为本系统要求具有实时处理的能力，则这又要 求处理器要具有很快的运算速度。d s p ( 数字信号处理器) 正是能很好地满足所系统所 提出要求。正是因为其具有其它处理器所达不到的快速运算的能力，d s p 逐渐被广泛地 应用到各种要求实时处理的场合当中9 - 1 4 。其中美国的t i 公司是研制生产d s p 芯片公司的 权威之一。它生产的d s p 品质优越、性能稳定，受到广大消费者的好评，得到的应用也 最广泛；丝毫不夸张地说，t i 公司生产的d s p 已经成为了d s p 的代名词。故本人在系统硬 件设计中选择了t i 公司的型号为t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的d s p 处理器。 ( 3 ) f l a s hr o m 的程序烧写及d s p 的b o o tl o a d e r 。众所周知，通用单片机的程序是通 过把单片机放入专用的烧写器中将程序烧入其中的e e p r o m 中，然后将单片机装入功能版 上工作。d s p 增加了软件下载的灵活性，将e e p r o m 放到片外。d s p 内部的r o m 中固化了一 个称为b o o t 的程序，在d s p 上电硬复位后( m p m c = o ) ，d s p 自动执行这个b o o t 程序，将 外部f l a s h 的程序读入d s p 内部的高速r a m 程序区中。所以，所谓的b o o tl o a d e r 就是d s p 上电后自动将固化在f l a s h 中程序读入至u d s p 的片上r a m 或片外r a m 影射成的存储区问的 一个过程。对f l a s hr o m ( 本系统中拟用s s t 公司的s s t 3 9 v f 4 0 0 芯片) 的擦除和烧写都要 遵循严格的控制字来进行的，同时还要满足f l a s h 芯片的时序要求，只有这样才能完成 对f l a s h 芯片的操作。 ( 4 ) 系统存储空间的分配。指纹图像的采集以及在后续的算法处理过程中( 例如对 预处理的结果的保留及特征提取) 需要开辟几倍于指纹原图像的存储空间。任何脱机系 统的存储空间还是相当有限的，特别是相对于图像数据采集处理( 算法不一定会占很大 的空间，主要是数据的保留需要相当大的存储空间) 。由于d s p 所能寻址的空间相对( 例 如相对于p c 机) 有限，所以在设计及调试过程中，对于d s p 所能寻址的数据空| 、日j 进行有 效分配是很必要且重要的一步。 沈阳丁业大学硕士学位论文 ( 5 ) 程序的移植及优化。由于原始程序是在p c 机上基于v c + + 环境编制的，当在p c 机 上调试通过且达到期望的识别效果后再将其移植到d s p 中。应用于d s p 的编译环境c c s 具 有一些特殊应用规则且具有特殊的库函数。另外由于指纹识别算法对于时间的严格要 求，这又要求设计者必须将算法进行优化，尽量减少算法中的沉冗环节，提高算法的执 行效率，达到系统所要求的实时性。 2 3 本章小结 本章小结：本章阐述了系统的构成、设计要点、系统工作流程，后面的工作主要是 围绕这几个问题来进行详细论述的。 d s p 指纹识别装置算法实现研究 3 数据空间优化设计与实现 v c 5 4 0 2 系列d s p 的数据空问6 4 k w f l 5 - 2 0 l ，对于处理2 5 6 * 2 5 6 ，6 4 k 大小指纹远远不够， 要用6 4 k w 的寻址能力来实现对2 5 6 k w 空间的寻址，这就需要采取有效可行的方法。上 届同学提出了一种用h p i 口做地址线的数据空间分页寻址的方法。 将s r a m 的1 6 根数据线与d s p 对应的1 6 根数据线直接相连；s r a m 的低1 6 位地址 a o a 1 5 与d s p 对应的地址线连接，而将d s p 的h p i 口通过将h p i e n a 接地设置成为通用 i o 口，将h d 0 一h d l 通过寄存器g p i o c r 编程设置成输出从而作为s r a m 的a 1 6 - a 1 7 的地 址发生信号。这样在算法程序运行当中，实时根据需要改变h d 0 - h d l 的状态来满足数据 寻址的要求。d s p 和s r a m 的连接方法如图5 1 所示。 很显然按照这样对数据空间的扩展方法，因为在实际寻址过程当中对于高1 9 2 k ( 0 x f f f f 一0 x f f f f f ) 范围的地址的寻址是不能直接找到的，需要人为地控制h d 0 一h d l 来 参与寻址 2 1 - 2 s 】。 h d h d l 、 潍m 卜 a m l 5 m 础 脚 y 2 5 毹 w r s r 枷 ，l _ d o q ) 1 5 d o - - d 1 5 图3 1d s p 与s r a m 连接简图 f i g 3 1d s p a n ds r a mc o n n e c t i o nd i a g r a m 在实际对外扩空间操作时，还遇到了以下问题：如何定义一个全局变量并将其分配 在外部空间；如何合理编写空间配置文件即c m d 文件等。下面便对这些问题做详细的补 充说明。 沈阳j ：业大学硕十学位论文 3 1 对扩展空间的寻址实现 除了以上所提的之外，地址可以根据算法的要求灵活调整。例如在本文中，若要寻 址0 x 1 8 0 0 0 单元，可设置h d l 一h d o 为：0 1 ，地址为：o x 8 0 0 0 ；但是为了更好理解，也可 以这样做：设置h d i - h d o 为：0 1 ，地址为：0 x 1 8 0 0 0 ( 最前面的1 不起作用，这样做的 目的是为了更直观) 。 在对d s p 程序进行调试中，设计者一般都是通过调试环境c c s 来查看寄存器或数据 r a m 中的数据的。对于数据空间来说，因为t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 只有6 4 k w 的寻址能力，所以 在c c s 中只能看到6 4 k w 的范围。但只要清楚c c s 提取数据r a m ( 包括内部和外扩的) 的 原理，设计者就能通过其查看远远超过6 4 k w 的范围。c c s 对r a m 的数据的提取同样是通 过d s p 对r a m 的寻址来实现的，然后再通过d s p 将数据通过仿真口上传给p c 机的。 在本系统中，编制以下程序： 木( v o l a t i l eu 1 6 ) g p l o c r = 0 x 0 7 ：将h d l 一h d o 设置成输出口 半( v o l a t i l eu 1 6 术) g p i o s r = o x o i ：将h d i - h d o ( 高位地址线) 的输出值设置 成：0 x 0 1 i n ti ： f o r ( i = o ：i p r o g p a g e0 d s p 指纹识别装置算法实现研究 p l n l t v e c t o r s s t a c k c o n s t b s s b l o c k l d i r e c t i o n _ a r r a y t e m p t e m p 2 b i fd i s t a n to l d b i fd i s t a n t p r o gp a g e0 v e c sp a g e0 d a t ap a g el d a t ap a g e1 d a t ap a g e1 d a t ap a g e1 d a t ap a g e1 d a t ap a g e1 d a t ap a g e1 d a t ap a g el d a t ap a g e1 存放方向块数据 存放每个小块的方向值 7 伸阃结果 中间结果 以下为特征信息 b i f _ a n g l e o l d ) d a t a p a g e1 b i f _ a n g l e d a t ap a g e1 e n dd i s t a n to l d ) d a t ap a g e1 e n d d i s t a n t ) d a t a p a g e1 e n d a n g l e o l d ) d a t a p a g e1 e n d _ a n g l e d a t a p a g e1 i m a g e ：o x s 0 0 0p a g e1 存放采集图像 t e m p i ：o x c o o op a g e1 存放中间结果 对于5 4 系列d s p ，m c b s p 口也可被设置成g p i o 口( c 5 4 1 0 除外) 。所以无论对程序 寻址空间还对数据空间的扩展都可以借用h p i 和m c b s p 口，这将大大满足设计中对数据 以及程序寻址空间的需求。同时还可以不必因为c p u 的寻址能力问题而选择寻址能力强 但成本高的d s p ，这样又节省了系统的成本。在配置c m d 文件时应该注意尽量将常用数 组放在片上1 6 k 空间，因为片上数据r a m 为双存取r a m ，速度较外扩r a m 要快一倍1 3 l _ 3 3 1 。 关于程序和常量的具体分配位置可查看空问映射表，即m a p 文件。 1 6 一 n n n n n n n n 沈阡l1 ：业人学硕十学位论文 3 2 指纹图像的分块存储与处理 如上一节所论述的，经过数据空间扩展之后，v c 5 4 0 2 的数据空间每一页的寻址能力 实际为4 8 k w 。而在本系统上要求采集6 4 k w 的图像，本文对于这个问题的解决方法是对 指纹图像进行分块存储和分块处理。 在本系统中扩展的2 5 6 k w 的s r a m 被分成了四页，从指纹芯片m b f 2 0 0 采集进来的指 纹数据存储在了第2 页和第3 页，每页3 2 k w 。其中上半指纹存放在第2 页，下半部分指 纹存放在第3 页。如图3 2 所示。 p a g f a ) p a g e lp a g e 2p a g e 3 o x 0 0 0 0 o x 3 0 0 0 n x 8 0 0 0 o x c 0 0 0 程序 s t a c k b s s 处理存放存放 指纹采集采集 中间特征点指纹指纹 结果 标志 3 2 k3 2 k 图3 2 指纹空间分配示意图 f i g 3 2d a t as p a c e a s s i g n m e n td i a g r a m 在进行图像分块处理的过程，每次搬运出1 4 块，即1 6 k 大小的指纹放到第0 页处 理。由于图像在增强过程中会损失边界，所以在搬运每块图像的时候要把边界部分预留 出来，本文预留了l o 个象素宽，如图3 3 所示。黑框部分为实际处理的第一块指纹， 可见已经预留了边界，而且同时也自动的去除了部分背景。实现这个过程较为烦琐，因 为要分两次从第三页和第四页搬运所需位置的图像。 d s p 指纹识别装置算法实现研究 页 图3 3 指纹分块示意图 f i g 3 3f i n g e r p r i n tb l o c k e dd i a g r a m 处理第一个块指纹的两次搬运数据程序如下： ( v o l a t i l eu 1 6 丰) g p i o s r = o x 0 2 ；指向数据空间第2 页，即将上半个指纹存在第2 f o r ( r = o ：r i m a g e h e i g h t ；r + + ) f d e l a y ( 2 0 ) ：每行采集间隔时间，参见数据手册p 1 8 。2 0 f o r ( c = o ：c 2 半i m a g e w i d t h ：c + + ) d e l a y ( 1 ) ：每个像素点采集延时 ( v o l a t i l eu 1 6 ) g p i o s r = o x 0 2 ： p i x e l = p o r t o 0 0 1 ：将传感器输出数据存放在变量p i x e l 中 * ( u 1 6 幸) ( 0 x 8 0 0 0 + r 爿：2 术i m a g e w i d t h + c ) = p i x e l ： ( u 1 6 ) ( 0 x 8 0 0 0 + r 4 2 $ i m a g e w i d t h + c ) & = 0 x 0 0 f f ；格式化 ) ) 沈刚t 业大学硕士学位论文 在第3 页 纹 * ( v o l a t i l eu 1 6 ) g p i o s r = o x 0 3 ：指向数据空间第3 页，即将下半个指纹存 f o r ( r = o ：r i m a g e h e i g h t ：r + + ) d e l a y ( 2 0 ) ；行间隔延时 f o r ( c = o ：c 2 * i m a g e w i d t h ；c + + ) d e l a y ( 1 ) ：像素点间隔延时 半( v o l a t i l eu 1 6 木) g p i o s r = o x 0 3 ； p i x e l = p o r t 0 0 0 1 ： 堆( u 1 6 ) ( o x 8 0 0 0 + r * 2 * i m a g e w i d t h + c ) = p i x e l ： 半( u 1 6 $ ) ( o x 8 0 0 0 + r * 2 * i m a g e w i d t h + c ) & = o x o o f f ；格式化 p o r t 0 0 0 0 = o x 0 0 0 a ： p o r t 0 0 0 1 = 0 x o 0 0 3 ：l e o 点亮表示手指可以离开。 p o r t 0 0 0 0 = 0 x o 0 0 9 ： p o r t 0 0 0 1 = o x 0 0 0 0 ：关闭传感器 f o r ( r = o ：r l o ：r + + ) d e l a y ( 1 0 0 0 0 ) ；设置灯闪烁延时 p o r t o o o o = 0 x 0 0 0 a ： p o r t 0 0 0 1 = o x o o o o ： * ( v o l a t i l eu 1 6 ) g p i o s r = o x 0 2 ；指向第2 页，开始从第2 页取出第一块指 p = i m a g e ：设置图像指针，以便用指针自加的方式传递数据 d s p 指纹识别装置算法实现研究 f o r ( r = l o ：r 1 2 8 ：r + + ) f o r ( c = 2 0 ：c 1 4 8 ：c + + ) * ( v o l a t i l eu 1 6 ) g p i o s r = o x 0 2 ： p i x e l = * ( u 1 6 术) ( o x 8 0 0 0 + r * 2 5 6 + c ) ： 术( v o l a t i l eu 1 6 神g p i o s r = o