（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的指纹采集系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 出于对国家安全和经济安全的需要，基于生物特征的身份鉴别是国家重点 鼓励和发展的关键技术之一。指纹识别技术以其独有的优越性从生物特征识别 技术中脱颖而出，指纹识别系统越来越广泛的应用在电信、邮政、汽车、网络 安全、医疗、保险、身份证、电子政务、银行金融和门禁门锁等各个领域。指 纹采集作为指纹识别系统中的一个重要环节也越来越受到人们的重视，高质量 的指纹采集技术己成为一个重要的研究课题。 本文在结合当今先进的d s p 、c p l d 技术的基础上采用美国v e r d i c o m 公司最 新开发的f p s 2 0 0 固态指纹传感器，设计并实现了一种高效低功耗的嵌入式高质 量指纹采集系统，该系统采用u s b 技术实现了采集系统与计算机的通讯，大大 提高了系统的数据传输速度和方便性。 本系统的设计采用了d s p + c p l d 的架构。d s p 采用的是t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，c p l d 采用m a x 7 0 0 0 s 系列的e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 ，这种设计大大简化了系统的硬件构成，提 高了可靠性。论文的主要工作有：深入分析了指纹采集领域的国内外现状及发 展状况，并给出了系统的总体设计、器件选型；深入研究了d s p c p l d f p s 2 0 0 芯片及其外围器件结构特性，设计出了系统的硬件原理圈并制作硬件电路板； 完成了基于v h i ) l 语言的c p l d 软件设计；开发了c c s 2 0 开发环境下的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 的软件( 包括系统初始化程序、指纹采集程序、数据传输程序) ： 设计了系统的u s b 通讯程序和上位机人机交互软件；最后进行了联机调试，得 到了预期的实验结果。 本系统将d s p 、凹l d 、u s b 技术引入指纹采集领域，这些器件比传统的单片 机、分立元件不仅在可靠性、处理速度、稳定性上大大提高，而且使得设计的 板卡体积大大减小，功耗大大降低，为指纹技术进入民用领域创造了有利条件。 本系统的指纹采集效率高、处理速度快且准确可靠，具有很强的实用价值。 关键词：指纹采集，d s p ，c p l d ，f p s 2 0 0 ，u s b 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e m a n di ns e c u r i t yf i e l do ft h ec o u n t r ya n de c o n o m y ，t h et e c h n o l o g yo f i d e n t i t yi d e n t i f i c a t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c ho u rc o u n t r i e se n c o u r a g e d a n dd e v e l o p e da sa ne m p h a s e s a m o n ga i lb i o m e t r i c si d e n t i f i c a t i o n , f i n g e r p r i n t - b a s e d i d e n t i t yi d e n t i f i c a f i o ni sa d o p t e dw i d e l yi n i d e n t i f i c a t i o ns v s t e mf o ri t su n i q u e s u p e r i o d t y a n di ti sa p p l i e di n c r e a s i n gi nt h ec i v i l i a nf i e l d ss u c ha st e l e c o m m u n i c a t i o n s , m a l l s 。c a r s ，w e b - a c c e s , m e d i c a l s , i n s u r a n c e , i d e n t i t y , e l e c t r o ng o v e r n m e n t ，b a n k s ， d o o rl o c k f i n g o r p f i ma c q u i s i t i o na sa ni m p o r t a n tp r o c e s so ff 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 mh a sb e e nf o c u s e dm o r ea n dm o r e ，h i # q u a l i t yf i n g e r p r i n ti m a g ea c q u i s i t i o n h a db e c a m ea ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n ti s s u e t h i sp a d e rd e s i g na n da c h i e v eah i g he f f e c t i v ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n e m b e d d e df i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e dp r o f o u n da n a l y s i so ft h ea d v a n c e d t e c h n o l o g yo fd s p 蚰dc p l d t h ed e s i g na d o p t e dt h ef p s 2 0 0f i n g e r p r i n ts e n s o r w h i c hw a sr e s e a r c hb yt h ea m e r i c ac o m p a n yn s j l l e dv e r d i c o m , f u r t h e r m o r et h i s s y s t e m a d o p t e dt h ea d v a n c e dt e c h n i co f u s ba c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e s y s t e ma n dt h ec o m p u t e r , t h i sd e s i g ni m p r o v e dt h et r a n s m i ts p e e da n dc o n v e n i e n c e g r e a t l y t h es y s t e m d e s i g n e d w i t ht h e d s p a n d c p l d f l a m e t h ed s pa d o p t e d t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，c p l da d o p t e de p m 7 1 2 8 ；s l c 8 4 ，t h i sd e s i g np r e d i g e s tt h eh a r d w a r e c o m p o s eg r e a t l ya n da d v a n c e dt h ed e p e n d a b i l i t y t h em a i nj o bo ft h i sp a p e ra s f o l l o w ：g nd e e pi n t os t u d yt h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n ti n t h i sf i e l da l l o v e rt h e c o u n t r ya n da b r o a da n dd e s i g n e dt h ew h o l ef r a m ea n ds e l e c tt h ec h i p ：g od e e pi n t o s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec h i ps u c h 舔d s p ，c p l d 庄p $ 2 0 0e r e , t h e nd e s i g nt h e c i r c u i t r yo f t h es y s t e ma n dm a k et h ep c bo f t h es y s t e mb a s e do nt h et o o lo f p r o t e l w h i c hi sas o f t w a r ei nc i r c u i t yd e s i g nf i e l d ；a c h i e v et h e 刃班cl a n g u a g ep r o g r a m d e s i g ni nt h ec p l d ) eq u a r t u si ia r e , d e e pi n t os t u d yt h ec p l dd e s i g n d e s i g nt h e s o f t w a r e ( i n c l u d e t h ei n i t i a l i z e p r o g r a m , f i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o np r o g r a m , d a t a t r a n s m i s s i o np r o g r a m ) o ft h et m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s pi nt h e 观c c s 2 0 ；d e s i g nt h e u s bp r o g r a ma n dt h ew i n d o w ss o f t w a r e ；a tl a s ta c h i e v e do n l i n ed e b u ga n dg a i n e d t h ee x p e c t a n te x p e r i m e n td a t a t h i ss y s t e mi m p o r tt h et e c h n i cs u c h 船d s p c p l d , u s bt of i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o n f i e l d a d o p t e dt h e s ec h i p 、耐l la d v a n c ed e p e n d a b i l i t y 、s p e e d 、s t a b i l i t yg r e a t l yt h a nt h e t r a d i t i o n a ls i n g l ec h i pm i c y o c oa n ds c h i s me l e m e n t ，f u r t h e r m o r et h ee u b a g eo ft h e b o a r dr e d u c e dg r e a t l ya n dp o w e rc o n s u m p t i o nd e p r e s s e dh i g h l y t h i sc r e a t ea n a d v a n t a g ef o rt h ef i n g e r p r i n tt e c h n i cc o l n ei n t ot h ec i v i l i a nf i e l d t h ee f f i c i e n c yo f f i n g e r p r i n ta c q u i s h i o ni sh i g h , t h es p e e do ft h ep r o c e s si sf a s ta n dr e l i a b l e ，a n dh a da q u i t es t r o n gw o r t ha n dp r a c t i c a l i t y k 呵w o r d s ：f i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o n , d s p , c p l d ，f p s 2 0 0 ，u s b 此页若属实请申请人及导炳喇叁名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师捂导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包舍其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书面使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：煺日期笙! ：坐! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 印：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文盼垒部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：盘巡导师签名：缘圭童日期兰竺! ：丝 注：请将此声明装订在论文的目录前。 y 8 6 1 15 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 现代科技为人类社会各种政治、经济、科技、商务活动信息的传递和交流 提供了更为快捷与便利的手段，它既大大地推动了现代社会的进步和发展，但也 给各个国家和社会管理者带来一个全新的重要课题：如何及时、准确和有效地 验证每个社会成员的身份，以保障人们的合法权益和各种社会活动的合法性和 有效性，及时打击与遏制各种违法犯罪活动，维护国家安全和社会稳定。由此 产生了个体生物识别技术。 在各种生物识别技术中，指纹技术是一种比较理想的安全认证技术，由于 具有广阔的市场前景，也受到了越来越广泛的重视。国外很多著名的i t 厂商、 电子厂商都在积极推进自动指纹识剐系统( a f i s ) 技术的研究工作。数字指纹 技术与产品正全面应用于银行、证券、电信、邮政、住宅、汽车、网络安全、 医疗、保险、身份证、办公楼宇、电子政务、银行金融和门禁门锁等各个领域。 在美国“9 ”恐怖袭击事件后，世界各国把对指纹技术的重视提到了一个 空前的高度。“9 1 1 ”后美国率先批准实行签证指纹识别制度。并于2 0 0 2 年通过 了联邦信息安全管理法案( f i s 姒) 决定在联邦政府信息系统安全中采用指纹 技术。指定美国国家技术与标准局( n i s t ) 负责为实现这些目标制定技术方案。 同时美国政府庙动了“全球预警信息系统”( 6 e w i s ) 国家计划，运用网络收集 违法犯罪情报，对网上非法行为进行追踪、定位和取证，建立了套基于互联 网络的安全防范系统，犯罪嫌疑人的指纹采集是该系统的一个重要环节。 2 0 0 2 年中国的国家信息安全报告把基于指纹的身份鉴别作为国家重点 鼓励和发展的关键技术之一。2 0 0 4 年1 月9 日，中国国家副总理黄菊在关于“全 面加强信息安全保障工作，促进信息化健康发展”的讲话中，对我国的信息安 全工作做了要求，再次强调了大力研究、发展、推广基于指纹技术等的生物特 征技术在安全领域应用的重要性和迫切性。2 0 0 4 年7 月，以中国工程院院士范 维唐为组长国务院参事、国家安全生产监管局副局长闪淳昌以及公安部科技 委主任、研究员李润森等为副组长组成的专题研究小组向国务院提交了份公 共安全报告一国家中长期科技发展规划战略研究专题9 公共安全科技问题 武汉理工大学硕士学位论文 研究专题汇报。以灾害事故和人体特征信息获取与识别为主体的公共安全信 息技术理论研究被确定为优先主题之一，在报告中尤其指出了高性能、低价格 的指纹采集芯片的开发及应用是推广指纹技术的前提m 嘲。 1 2 指纹与其他生物特征的比较 在生物识别技术中，人的指纹、掌纹、面孔、发音、虹膜、视网膜、d n a 、 骨架等都具备作为特征提取对象的特点，但是从理论走向实际应用，必须考虑 许多实际问题，它们的参数比较如表1 1 。 表1 1 常用生物特征提取对象的参数比照表 类型鉴别可 可否运用1可否运用1采集设备价格特征数据 靠度对1 比照对多比照 量 指纹 很好是是 低 非常小 虹膜很好 是是高大 视网膜 很好是是 高大 眼睛很好是 是高大 d n a很好是 否 极高 小 手掌纹 较好是 否低 中等 面部很好 是否低小 声音 一般是 否低 非常小 签名一般是 否 低小 笔迹 一般是否低小 从表1 1 的比较，可以总结出选择指纹作为特征提取对象比较理想。指纹 的特点具体体现在以下几个方面啪翻： 1 唯一性( 人各不同、指指相异) 指纹具有很明显的特定性。据指纹学理论，两 枚指纹匹配上1 2 个特征的几率为1 0 。，至今尚找不出两个指纹完全相同的人， 即使是相貌酷似的孪生兄弟姐妹，他们的指纹也各不相同。不仅人与入之间， 就是同一个人的十指之间，指纹也有明显的区别。指纹的这一特点，为指纹用 武汉理工大学硕士学位论文 于身份签定提供客观根据。 2 终身不变性。指纹具有很强的相对稳定性，从胎儿在6 个月时指纹完全形成 到人体死亡尸体腐烂之前，指纹的纹线类型、结构、统计特征的总体分布等始 终没有明显变化，每个人的指纹是相当固定的，不会随着人的年龄的增长或身 体健康程度的变化而变化，但是人的声音、面孔等却存在较大变化的可能。 3 易采集性。指纹样本便于获取，易于开发识别系统，实用性强。目前已有标 准的指纹样本库，方便了识别系统的软件开发。另外，识别系统中完成指纹采 样功能的硬件部分也比d n a 、视网膜等的采集方便。 4 易组合性。一个入的十指指纹皆不相同，从而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。由于皮肤表皮上的纹路是在胎儿6 个月时形成 的，因此，同卵双胞胎的指纹也是不相同的。不仅人与人之间不同，就是同一 个人的十指指纹也有明显的区别。 5 易传输性。指纹识别中使用的模扳并菲最初的指纹图，而是由指纹图中提取 的关键特征，这样使系统对模板库存储量的要求较小。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。 基于以上分析，本系统采用指纹这一生物特征来作为研究对象，其优越性 巨大。 1 3 课题的目的及意义 在各种生物识别技术中，指纹识别技术是最成熟、准确和晟易使用的。而指 纹采集作为指纹识别系统中的一个重要环节也越来越受到人们的重视，离质量 的指纹采集技术已成为一个重要的研究课题。 指纹图像的采集是自动指纹识别系统( a f i s - - a u t o m a t i o nf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 的重要组成部分。采集到的指纹图像的质最好坏，直 接影响到后续的指纹图像处理过程。高质量的指纹图像可以大大简化指纹图像 处理的算法，提高识别率，减小拒识率。 由于指纹采集的应用场合不同，所需要的指纹识别系统的性能也不尽相同， 针对不同的应用环境，应该选择合适的指纹传感器，以达到好的识别效果。目 前市场上指纹传感器根据不同的成像原理，大致有光学式、压感式、热感式和 武汉理工大学硕士学位论文 超声式几种类型。而其中已经被广泛应用的是光学式和压感式指纹传感器。经 过本人调研发现光学指纹采集设备存在诸多不足之处。主要表现在缺乏对假指 纹的识别、设备尺寸、成本以及潜在指印四个方面。首先，用塑胶制成的假手 指，能够在光学传感器上得到与真手指非常相近的指纹图像，因此就必须开发 新的技术，来增强传统光学传感器分辨真伪的能力。其次，光学传感器一般体 积都比较大，而且成本较高，这样就对应用的范围提出了限制，不适用于便携 设备上的应用。最后，潜在指印是手指在台板上按完后留下的，这种潜在指印 降低了指纹图像的质量，严重的潜在指印会导致两个指印的熏叠。另外台板上 的涂层( 膜) 和c c d 阵列随着时间的推穆会有损耗，精确度会降低。虽然近年 来光学指纹采集家族中新出现的红外线指纹传感器采用对指纹的真皮层反射， 对于塑胶手指则不发生反射，能够较好地区分手指的真假。但是其设备尺寸大， 成本高，不适合应用于嵌入式的便携式产品 3 1 。 随着集成技术的发展。高性能、高速率的数字处理器的价格和体积也开始 大幅度下降，相关技术日趋成熟，这为嵌入式应用研究带来了极大的方便。9 0 年代中期开始出现了半导体指纹采集传感器。最初的这类传感器采集的图像质 量和光学传感器有较大的差距，但是随着半导体技术的进步，它采集的图像质 量也越来越高，并且采集的图像特征在诸多方面优越于光学指纹传感器。半导 体传感器具有价格低、体积小的优点，特别适合集成在普通的消费电子产品中， 大有后来居上取代光学传感器的趋势。现在这两类指纹传感器在市场上基本是 平分天下【3 l 4 1 。 传统的光学传感器，国内的长春光机所等也有自己的产品，但是无论是价 格还是性能都和国外差距很大，现在己经被逐步淘汰了。半导体传感器芯片技 术被国外所垄断，现在完全依赖进口，国内主要是做代理、二次开发和系统集 成等，因此指纹采集技术也相对落后。早期的研究都是在高性能计算机上完成 的，针对脱机的指纹图像采集技术进行的研究相对较少，本课题则主要是针对 后者进行的研究。 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，在个人电脑上、个人数字助理、掌上电脑、手机等很多领域都开 始使用a f i s 技术，所以指纹采集的研究重点从光学传感器转移到了半导体传感 器，对算法的性能也提出了更高的要求。作为生物特征的指纹虽然稳定性很好， 但是仍然存在脱皮、外伤等闯题，这个时候往往对高质量的指纹采集技术产生 4 武汉理工大学硕士学位论文 极大的挑战，也是a f i s 研究者需要努力克服的问题。国内对于a f i s 主要侧重 于研究角度，很长一段时间没有在实际应用中实践，所以这些技术和实际的市 场需求问还有不少差距。而实际从事指纹应用的公司没有自己的技术，绝大多 数都是使用国外的指纹识别算法1 2 】【3 i n 对f 6 】。 综上所述，随着新型半导体指纹采集传感器件的发展和d s p 、c p l d 技术的 发展，自动指纹识别技术正向着小型化和嵌入式的方向发展。而对于应用前景 广泛的嵌入式自动指纹识别系统a f i s 来说，指纹的原始图像数据采集显得尤为 重要。半导体型采集器是指纹产品进入民用市场的趋势，基于此，本文展开了 基于半导体指纹芯片的指纹采集研究，从指纹技术的最前端环节一指纹传感器 一开发出自己特有的图像采集系统是本课题研究的目标。其目的明确，意义深 远口1 。 1 4 国内外的研究现状和水平 指纹技术的研究，几十年来直为各国的科学家和政府所关注，美国、日 本以及欧洲诸国相继投入大量的资金和科研人员加快此项技术的研究与应用。 在亚洲，我们的铺国日本在指纹技术领域处于领先地位。1 9 9 8 年年底，时任中 国国家主席的江泽民同志对日本国进行国事访问期间，专程参观了日本国研制 的指纹识别以及其他生物识别技术成果【”。 荑凰贝尔实验室是世界上最具规模与实力的科学研究机构，拥有众多优秀 的科学家和发明创造，被称为出产黄金的象牙塔，自t 9 2 7 年以来，已有1 1 位 研究人员因为在贝尔实验室所做的工作雨获得诺贝尔物理学奖，贝尔代表着最 新科技与创新思想。贝尔实验室投资几十亿美金，历经数十载，终于在生物识 别技术方面获得了突破性的进展，研制成功了半导体指纹传感芯片，并联合 i n t e l 等大机构，共同注资成立v e r i d i c o m 公司，专业开发及生产半导体指纹采 集系列产品，该公司已被选为美国二十一世纪最具前景的1 0 0 家公司之一。本 系统采用的指纹芯片就是该公司的产品嘲，详见下文。 在生物识别技术领域中。指纹识别技术是各国科学家和科研机构研究的重 点，因为，每个人都具有十个会“说话”的指头，而且每个人的指纹都是唯一 的识别代码，终生享有，使用成本为零，安全系数极高，并且突破传统束缚， 无需携带磁卡、i c 卡、t m 卡、射频卡等识别载体，更无需记忆密码。传统的指 武汉理工大学硕士学位论文 纹识别技术都是以光学识别系统为主，它不仅具有体积庞大、成本高、使用环 境要求苛刻等缺点，而且还可能被光复制，“往返行程”打印及其他面向图像的 复制方法所欺骗。因此基于光学的指纹技术主要应用于法律领域。而在安全性 要求极高的机构，基于光学的指纹技术未能获得广泛的普及和应用。而 v e r i d i c o m 公司的半导体指纹传感器f p $ 2 0 0 是一个2 5 6 x 3 0 0 的阵列，分辨率为 5 0 0 d p i ，在3 3 v 是功耗为l o o m w ，并集成有温度传感器和电阻传感器以防止电 子欺骗。半导体指纹传感芯片，具有“体积小、成本低、耗电小、安全性高” 等无可比拟的优点，使指纹识别技术突破了原有的局限性，可广泛应用于任何 需要安全性方面的领域，如；税务、银行、证券、计算机系统、核电站、身份 证、公安、汽车、电话、会员制场所身份确认系统( 俱乐部、机场) 、指纹门禁、 指纹考勤( 办公室等安全、机要部门) 、血液中心身份确认系统、指纹进入智能 管理系统( 智能大楼、高级住宅门蔡) 、护照、警网现场指纹认证、股民身份认 证等许多方面，这无疑将取代原有的识别技术而成为二十一世纪识别技术应用 的最新发展趋势，具有在各个领域的广泛应用前景和无比巨大的市场潜力。 运用指纹进行身份识别及认定，其安全等级被人类社会所肯定已有上百年 历史。但要将指纹技术商品化主要面i 摘两大难题：首先是活体指纹的保真采集 及储存，其次是指纹图象特征处理及鉴别。多年来，人类一直运用所掌握的最 新技术手段为指纹技术的商品化作着不懈的努力，自七十年代以来，随着计算 机技术的发展及c c d 图象采集技术的成熟，商品化的指纹鉴别仪开始出现。但 由于采用c c d 器件进行指纹图象采集的指纹鉴别仪在价格、体积、功耗、结构 等关键指标上无法达到较高水准。因此，基于c c d 传感器的指纹鉴别仪目前仅 仅运用在公安、金融等部门，而无法进入市场空间巨大的民用产品市场。而固 态半导体指纹传感器是运用最新半导体科技开发出来的产品。该传感器半导体 硅片表面由1 0 0 ，0 0 0 半导体电容传感器组成。当用户将手指按压在该半导体表 面上，由于指纹纹路及深浅的存在，导致硅表面电容阵列的各个电容电压不同。 通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图象。 目前民用市场常见的指纹采集器有： 1 光学附膜型采集器：一般采用附膜取景器的指纹产品是和其算法有关的，如 果“附膜”掉了，则要换掉整个指纹仪及指纹门禁机。 2 普通光学型采集器：只有薄薄的一层光学玻璃，容易被划伤，不耐磨。 3 光纤纤维型采集器：是将很多的光纤纤维束集合在一起，截取其横断面而制 6 武汉理工大学硕士学位论文 成。光纤纤维采集器耐磨、耐腐蚀、抗划伤。制作工艺要求高，制作难度大， 价格昂贵。 4 加强性光学采集器：居于普通性光学采集器与光纤纤维型采集器之间，它是 在普通的光学层面上又附着了一层较薄的光纤纤维片，具有光纤纤维采集器 耐磨、耐腐蚀、抗划伤的功能。 5 超声波指纹采集器：价格昂贵，目前较难进入民用市场。 6 半导体型采集器：新世纪指纹产品的发展趋势，价格相对低廉，而且半导体 传感器具有敏感性好、封装尺寸小、功耗低等特点。 表1 2 几种指纹采集技术的比较 光学指纹采集超声波指纹采集半导体指纹采集 成像能力干手指差，汗多非常好 干手指好潮湿、 的成像模糊。粗糙也成像 成像区域 大中 小 分辨率 低于5 0 0 d p i 可达1 0 0 0 d p i 可达6 0 0 d p i 设备体积大中 小 耐用性耐用一般耐用 功耗较大较大小 成本 较高很高 低 同光学c c d 传感器相比，半导体固态传感器在如下方面取得突破性的进步： 活体检测。由于半导体指纹传感器对人体生物感应电敏感，从而可以判断所 鉴别手指是否是真人活体。价格低，而且其未来价格可低于$ l o 。极小的 封装尺寸。内置的数字化仪( 而c c d 传感器输出为模拟信号，需要外接的处 理板或芯片将模拟信号转换为数字信号) 。功耗小。抗震。 表l - 3 新型半导体指纹传感器主要技术指标 取指窗尺寸( s e n s o ra r r a ya r e a )1 5 c m i 5 c m 图象分辩率( i m a g er e s o l u t i o n )5 0 0 d p i 灰度级( g r a yl e v e l ) 2 5 6l e v e l s ( s b i t s p i x e l ) 传感器阵列( a r r a y )3 0 0 3 0 0 传感器点尺寸( s e n s o rp i t c h ) 5 0 u m 工作电压( o p e r a t i o np o w e r ) 3 3 v 功耗( p o w e r ) l o m wt y p i c a l 7 武汉理工大学硕士学位论文 正是由于以上突破性的进展，为指纹技术进入广阔民用商品市场奠定了坚 实的基础。新型半导体指纹传感器主要技术指标如表1 3 。 目前，我们国家从事指纹技术的开发、应用的科研企事业单位中，情况如 下：部分国内各大高校的相关专业的研究生在做学术研究开发，走向产品化的 较少。国内从事指纹技术的公司中，比较有名气的有自主开发实力的公司也有 一些，本人经过深入调研，发现有以下单位：北京北大高科指纹技术有限公司， 北京中控科技股份有限公司，北京海鑫科金信息技术有限公司，北京艾迪沃德 科技发展有限公司，北京安立文高额技术有限公司，上海安威士生物科技有限 公司，上海安安指纹识别系统有限公司，上海翎科电子系统工程有限公司，上 海众义电子科技有限公司，深圳市泰迪科技发展有限公司，深圳市深安科技发 展有限公司，深圳市派思数码科技有限公司，南昌安必信信息工程有限公司， 中科院长春光机所，长春鸿达光电子与生物识别统计技术有限公司，杭州中正 生物认证技术有限公司( m i a x i sb i o m e t r i c sc o ，l t d ) ，南京凹凸软件，西安 青松科技有限公司。然而令人遗憾的是这些公司目前还没有哪家公司可以生产 出性能可以和美国v e r d i c o m 公司的固态半导体指纹传感芯片相抗衡的指纹芯 片。前文已经阐述了这种小体积低功耗的固态指纹芯片技术是指纹技术走向空 间巨大的民用市场的关键所在，所以目前我国在民用指纹领域的公司大多是完 全依赖进口，国内主要是做代理、二次开发和系统集成等【6 jf ” 9 1 。 国外在指纹采集芯片领域的龙头老大地位酋推由美国贝尔实验室成立的美 国v e r d i c o m 公司，他们从1 9 9 7 年开始致力于固态指纹采集芯片的开发。先后 推出了f p s ll o 、f p s 2 0 0 等固态指纹采集传感器。经过本人深入调研，目前在全 球著名的搜索引擎g o o g l e 上可以搜索到的比较有名气的其他从事指纹采集芯片 研发的公司还有：美国d i g i t a l p e r s o n 公司，a u t h e n t e c 公司，美国b i i 公司， 美国i b m 公司，r i t r o n i c s b a c 公司，美国g a t e w a y 公司，法国s t 公司，日本富士 通公司，日本电气株式会社( n e cc o r p o r a t i o n ) ，日本电气公司，韩国p a n t e c h 公司，韩国h u n n o 公司，韩国h p 公司【i 】。 在特征应用领域，国际上已经成立了几个组织：国际模式识别协会i a p r ( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no fp a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 和国际生物特征工 业协会i b i a ( i n t e r n a t i o n a lb i o m e t r i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 是比较有名 气的两个国际组织。在他们的积极运作下，掌握固态指纹芯片研发和制造技术 的美国v e r d i c o m 公司开始推广该技术，日本富士通公司和美国f u j i s t u 武汉理工大学硕士学位论文 m i c r o e l e t r o n i c sl n c 在2 0 0 1 年5 月取得这一授权及专利许可。随后，富士通， a t m e l ，韩国h y n i x 等公司相继推出了半导体指纹设计设备。富士通在得到 v e r d i c o m 公司授权后已经生产出m b f 2 0 0 固态指纹采集芯片，性能和v e r d i c o m 的f p s 2 0 0 相当，近期又有报道，他们开始推出性能更高的m b f 3 0 0 、m b f 3 1 0 固 态指纹采集芯片【9 i i i o f 1 ”。 综上所述，高质量的指纹采集不仅是降低指纹识别算法难度的关键，也是 提高指纹识别准确率的关键。更是保证指纹技术褥以大力推广应用的基石，基 于前文所述的课题研究目的、意义和国内外研究现状水平，我认为本人的硕士 课题工作十分得当。 1 5 本文的主要工作及章节安排 本系统的设计分为：指纹图像采集部分和指纹数据传输部分。在设计工作 中，确定了以t i 公司的数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和m t e r a 公司的复杂可 编程逻辑器件e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 为核心的系统组成方案。在此基础上展开的主要工 作有： 1 深入调研该领域国内外现状及发展状况，并给出系统总体设计、器件选型； 2 基于p r o t e l 电路制作工具的系统电路设计、绘制及p c b 制版： 3 使用美国v e r d i c o m 公司的指纹芯片f p s 2 0 0 完成指纹图像的采集： 4 在深入研究c p l d 设计的基础上，完成了基于c p l d 开发环境k a x + p l u s i i 下的 v h d l 语言程序设计，大大提高了系统电路豹集成化和可靠性： 5 在深入研究d s p 技术及其应用的基础上，完成基于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 的开发 环境c c s 2 0 下的汇编语言、c 语言系统初始化程序、指纹采集程序、数据传 输程序的编写，并面向系统进行了软件调试； 6 使用t 1 公司的异步串行收发芯片t l l 6 c 5 5 0 实现系统的串口通讯； 7 使用南京沁恒电子公司的u s b 通讯芯片c h 3 7 5 实现系统的u s b 通讯； 8 开发系统的人机交互软件，通过上位机可以随时修改指纹传感器参数，从而 获取不同要求的指纹。 本论文内容包括七个部分：第l 章绪论，第2 章系统概述。第3 章指纹 图像的获取，第4 章系统的硬件设计，第5 章系统的软件设计，第6 章系统 调试与试验结果，第7 章总结和展望。首先描述了系统设计的整体思路，然后 9 武汉理工大学硕士学位论文 分章节讲解了各个模块设计中的技术细节。详细介绍了系统电路结构设计、功 能设计、图像采集电路的实现，以及系统的下位机和上位机软件开发。 1 6 本章小节 本章是论文的绪论部分，着重介绍了本文的课题目的和意义、本课题所研 究的技术在国内外的发展现状和水平，然后阐述了本文的主要工作以及本文的 章节安排。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 系统概述 第2 章系统概述 指纹采集技术是指纹识别技术的关键技术之一，它是由控制器控制指纹传 感器进行指纹数据采集来实现的。通过半导体指纹传感器采集到指纹数据后， 传入微处理器进行数据的预处理、存储。本系统的设计是在结合当今先进的d s p 、 c p l d 技术基础上采用f p s 2 0 0 周态指纹传感器设计实现了一种高效低功耗的嵌入 式指纹采集系统。 系统分为指纹图像采集控制部分、指纹数据传输部分。在设计工作中，根 据系统的实现要求及目前最薪的技术发展情况，并综合考虑成本与性能等因素， 确定了以v e r d i c o m 公司的半导体固态指纹芯片f p s 2 0 0 为指纹采集传感器，以 t i 公司的数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 和h l t e r a 公司的复杂可编程逻辑 器件e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 为核心的系统组成方案。 本设计采用运算密集型的d s p 作为主处理器，一方面，这是由于系统中用 于进行流程控制的开关量较少：另一方面，是因为现今的d s p 芯片大多都整合 了通用i o 口，大幅度的提升了系统的接口性能。n s p 的种类有很多，采用 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片作为主控制器主要是考虑到除了d s p 所具有的般特点 外，还有以下几个方面的原因： l _ 数字信号处理器的广泛应用； 2 方便的接口设置，易于控制； 3 高速度的运算能力； 4 体积小，易于嵌入j 5 价格低廉； 6 功耗低。 系统的电路设计分为7 个部分。d s p 部分，电源部分，r a m 部分，c p l d 部 分，f p s 2 0 0 及其外围电路部分，串口通讯电路部分，1 j s b 通讯电路部分。电路设 计工具采用p r o t e l 9 9 s e 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统总体方案设计 本系统的指纹采集是在d s p 控制下完成的，基于d s p 的系统设计过程涉及 到硬件设计、软件设计两大块，总体设计大致分为以下流程，如图2 1 ；系统的 硬件设计框架如图2 2 ；系统的软件开发流程如图2 3 。 图2 1 系统总体设计流程图 图2 2 系统硬件设计框架 本系统的设计采用t d s p + c p l d 的架构，通常的信号处理的设计结构是一个 通用的微处理器加一个或者几个d s p 组成，上述的工作由通用的微处理器完成。 在我们的系统中，上述的通信、控制以及外设的协同工作相对来说较为简单， 武汉理工大学硕士学位论文 因此决定采用一片大规模可编程逻辑器件实现通用微处理器的功能。 图2 3 系统软件开发流程 本系统的设计中，d s p 采用的是t i 公司的 i m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片；c p l d 模块采用a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 s 系列的e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 芯片，在姒x + p l u s i i 开 发环境下采用v h d l 语言对c p l d 进行编程，使其完成对系统外设的控制；r a m 采 用c y 7 c 1 0 4 1 芯片，该款芯片是容量为2 5 6 k * 1 6 b i t 的静态r a m ；电源的设计采用 t i 公司的t p s 7 3 h d 3 1 8 芯片，该款芯片可以提供1 8 v 3 3 v 的高质量电源，保证 v c 5 4 0 2d s p 的双电源需求；串口电路的设计采用t i 公司的异步串行通讯芯片 武汉理工大学硕士学位论文 t l l 6 c 5 5 0 c 1 。为满足图像数据的高速传输要求和便携式系统的方便考虑，本系 统还设计了u s b 通讯方式，u s b 电路采用南京沁恒电子公司的u s b 芯片c h 3 7 5 芯 片，u s b 通讯不仅在数据采集通信速度上得到了大大提高，而且它支持热拔插功 能，使用起来极为便捷。同时由于u s b 通讯模式是近年来兴起的一门技术，本 人也是第一次接触u s b 开发，所以为了保证项目调试的顺利本系统同时设计了 r s 2 3 2 串口通讯电路，用以防止u s b 通信调试失败的保险设计。因为串口通讯技 术的历史比u s b 久远，此技术应用十分成熟，调试起来也不容易出问题。 2 3 本章小结 本章是系统的概述部分。首先简介了系统的组成方案，其次介绍了系统的电 路结构，然后给出了本系统的总体设计思路、总体设计流程，最后给出了本系 统的硬件设计框架和软件开发流程。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章指纹图像的获取 指纹图像的采集历史悠久，早在公元前7 0 0 0 年指纹己被作为身份鉴定的 一种手段。公元6 5 0 年，我国唐代作家贾公秀在其作品中就提到了指纹是确认个 人身份的方法。现代指纹识别起源予1 6 世纪后期苏格兰医生h e n r y f a u l d 于1 8 8 0 年l o 月2 8 日首次在英国n a t u r e 上发表论文，指出指纹人各不同，恒久不变，并 利用现场指纹来鉴定罪犯。从此揭开了现代指纹采集及其应用于识别领域的序 幕【8 】【1 4 】【1 6 】。 对于不同类别的指纹，要用不同的采集方法去获取其指纹图像。 1 活体指纹图像的采集。 活体指纹图像的采集即直接从人体手指上获取指纹图像。早期的活体指纹 图像采集主要运用油墨捺印等物理方式。随着科技的进步，目前在活体指纹图 像的采集领域，主要有光学全反射技术，硅晶体电容传感技术，超声波扫描技 术。 2 非活体指纹图像的采集。 ( t ) 明显纹，就是且视即可见的纹路。如手沾油漆、血液、墨水等物品转印而成。 采集方法一般为光学采集法、超声波扫描技术采集法。 ( 2 ) 成型纹，这是指在柔软物质，如手接触压印在蜡烛、黏土上发现的指纹；采 集方法一般为光学采集法、超声波扫描技术采集法。 ( 3 ) 潜伏指纹，这类指纹是经身体自然分泌物如汗液，转移形成的指纹纹路，目 视不易发现，是公安人员破案现场中展常见的指纹。通常采用方法为碘熏法、 硝酸银法、萤光试剂法、三秒胶法。原理是烟熏、液体或者粉末对指纹上的成 分( 如蛋白质、胺基酸、脂肪酸、核黄素等) 进行处理，加强其与背景颜色的差 异，使其从背景中显现出来。另据指纹技术研究动态杂志最新报道美国 洛斯阿拉莫斯国