（信息与通信工程专业论文）基于dsp的指纹识别系统.pdf

电子科技大学硕士论文 中文摘要 自动指纹识别系统有着广泛的应用背景。指纹识别是使用在个人自 动识别上很热门的生物特征科技。目前，在通用p c 机上基于w i n d o w s 操作系统的指纹识别软件和通过u s b 接口与p c 机相连的指纹采集器在 技术已经很成熟，并且已经开始大规模推广。另一方面，基于嵌入式系 统特别是d s p 系统的指纹识别技术，无论是在硬件设计还是算法软件方 面都才刚刚起步，在p c 机上性能优秀的算法并不一定就能简单的移植 到d s p 系统中。然而，随着移动通信蓬勃发展和便携式设备的推陈出新， 指纹识别技术在今后将被更多的应用于嵌入式设备。因此，基于d s p 平 台实现指纹识别，对于拓展d s p 的应用领域，让指纹识别从依赖于p c 机向脱机使用以及提高系统灵活性、实时性、性价比都具有重大意义。 结合上述背景，本文阐述了生物特征识别的发展历史、应用背景， 介绍了指纹识别的发展、应用及研究现状。在收集整理指纹识别技术的 文献资料基础上，重点研究了新的指纹识别方法的基本原理和关键技术， 验证了算法的性能，并将该算法应用于d s p 指纹识别系统中。通过对算 法在手机的指纹识别系统中的应用，对其算法进行适当的优化和简化， 设计了一种可实现的以d s p 为核心的指纹识别终端，完成了指纹识别系 统算法的应用软件编写。本文详细介绍了该终端的设计与开发过程，包 括其硬件组成、软件实现的指纹图像的预处理、二值化、细化、中心点 搜索、特征点提取、去伪、建模、比对等各个模块。测试结果表明，该 指纹识别终端达到了指纹识别的基本要求。在该终端的开发中，笔者参 与整个系统的开发，负责系统预处理、二值化、细化等主要部分的软件 设计，整机的调试与测试等。 关键词：指纹识别技术，d s p ，预处理，特征提取 电子科技大学硕士论文 a b st r a c t a u t o m a t 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 mh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d i n m a n yf i e l 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 ni st h eh o ti d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yu s i n gb i o l o g yc h a r a c t e r i s t i c n o wd a y s ，t h es o f t w a r eo np ca n d s e n s o r sc o n n e c t e dt op cw i t hu s bh a v eb e e nw e l l d e v e l o p e d h o w e v e r r e s e a r c ho fe m b e d e db a s e d ，e s p e c i a l l yd s p b a s e d ，i sj u s to ns c h e d u l e t h e a l g o r i t h mo fp cm a y n o tv a l i di ne m b e d d e ds y s t e m s ot h ei m p l e m e n t a t i o n o f f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o no nd s pp l a t f o r m ，w h i c hi s m o r ef l e x i b l e t h a np c b a s e d ，i so fg r e a ts i g n i f i c a n t i nt h i s p a p e r ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n da p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do f b i o l o g yc h a r a c t e r i s t i c si d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e d a n dt h e d e v e l o p m e n t s ，a p p l i c a t i o n sa n dr e s e a r c hs t a t u s a r ea l s oi n t r o d u c e d a f t e r g a t h e r i n ga n dc l a s s i f y i n gi n f o r m a t i o n ，t h ek e ym e t h o do fn e wf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e sa r er e s e a r c h e d p e r f o r m a n c eo ft h e a l g o r i t h ma n di t sa p p l i c a t i o no nm o b i l eh a n d s e ta r ep r o v e d t h ea l g o r i t h m i s p r o p e r l yo p t i m i z e d ，a n daf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nt e r m i n a lb a s e do n d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) i sd e s i g n e d t h ed e s i g np r o c e s so ft h i s t e r m i n a li s p r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h ef i n g e r p r i n t s p r e p r o c e s s i n g ，b i n a r i z a t i o n ，t h i n n i n g ，c e n t e rh u n t i n g ，a n ds oo n t e s tr e s u l t s h o w st h a tt h et e r m i n a l m a y m e e tt h e r e q u i r e m e n t o f i d e n t i f y i n g f i n g e r p r i n t s a u t h o rp a r t i c i p a t e s i nt h ew h o l ep r o j e c t d e s i g n ，m a i n l yd o s o m ew o r ki nt h es o f t w a r e d e s i g n i n g a n dt h e s y s t e m sd e b u g g i n ga n d t e s t i n g k e yw o r d s ：a u t o m a t e di d e n t i f i c a t i o nb a s e do nf i n g e r p r i n t s ，d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) ，p r e p r o c e s s i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i o n 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。 关于论文使用授权的说明 年月日 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：照亟导师签名： 崔 日期：年月日 电子科技大学硕士论文 1 1 课题背景 第一章绪论 指纹是指人类手指上出现的条状纹路，它们的形成依赖于胚胎发育时的环 境。“没有两个完全相同的指纹”这一观点已经得到公认。由于指纹具有稳定性、 唯一性以及易于采集的特性，一直被认为是最可靠的利用生物特征进行身份鉴定 的依据之一。 随着计算机技术的进步和图像处理与模式识别方法的发展，指纹处理技术日 臻成熟，经历了人工处理，半自动化处理和自动化处理等三个发展阶段。美国于 1 9 6 3 年首先开展关于指纹识别软件的研究，随后日本( 1 9 7 5 ) 也开始这方面的 工作，我国开展得较陧( 约于1 9 8 1 年开始) 。1 9 7 5 年美国推出第一个商用系统 p r i n t r a k 2 5 0 ，而日本的n e c a f i s 于1 9 8 2 年才投入使用。近年来，国内也相继推 出了自己的指纹识别系统。 指纹的取像设备技术日益成熟，这使采集到的指纹数据更真实，图像更清晰， 处理结果越加可靠，鉴定结果的可信度也越强。目前有利用光学全反射技术、硅 晶体电容传感技术、超声波扫描技术等获得指纹图像的方法。通过指纹进行用户 身份鉴定的方法成为可行，而且在众多领域得到了认可。 随着现代社会的发展，安全性成为许多系统首要考虑的问题，而指纹因其不 可复制、不可替代的特性成为鉴定身份的可靠手段。近年来，有关指纹自动识别 及认证研究已成为模式识别、图像处理及计算机视觉领域的热点，指纹识别已广 泛地应用于银行、保险、公安、门禁、考勤等方面，有着良好的应用前景。“ 1 2 本课题的意义 本指纹鉴定系统是2 0 0 3 年t i 全国d s p 大赛决赛入围作品。目前，基于通 用p c 机进行指纹识别的技术已经成熟，并开始大规模推广。许多大公司有专门 的机构从事该项技术的研究、开发、应用，包括i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、 d i g i t a l p e r s o n a 、i d e n t i x 、m o t o r o l a 、韩国现代、法国t h o m s o n - - - c s f 、台湾a e t e x 公司、v e r i d i c o m 、b a c 等，基于w i n d o w s 操作系统的指纹识别软件和通过u s b 接口与p c 机相连的指纹采集器已经普遍使用。 另一方面，基于嵌入式系统，特别是d s p 系统的指纹识别技术，无论是在硬 件设计还是算法软件方面都才刚刚起步，在p c 机上性能优秀的算法并不一定就 能简单地移植到d s p 系统中。然而，随着移动通信蓬勃发展和便携式设备的推陈 电子科技大学硕士论文 出新，指纹识别技术今后将更多地应用于嵌入式设备。因此，基于d s p 平台实现 指纹识别，对于拓展d s p 的应用领域，让指纹识别从依赖于p c 机向脱机使用转 变，以及提高系统灵活性、实时性、性价比都具有重大意义。 我们通过研究发现，t id s p 由于具有以下多个方面的特性”。，特别适合作 为嵌入式指纹识别系统的主处理器： 拥有c 3 x 、c 5 0 0 0 、c 6 0 0 0 、o m a p 等多个系列，能满足不同的指纹识别场 合的需要。由于指纹识别系统应用领域非常广泛，在不同的领域，甚至是同一领 域中的不同设备中，都需要采用不同系列的d s p 。比如：用于个人通信的手机、 p d a 等，采用c 5 0 0 0c o r e 或者o m a p 就是最佳选择；在大型的指纹管理中心或网 络核心设备中，当然首选c 6 0 0 0d s p ；在一般性的应用领域，用c 3 x 或c 5 0 0 0d s p 是最好的性价比方案。 高效的指令集。t id s p 的指令集对算术运算、逻辑操作、控制操作都 有强大的支持，而且还专门针对数字信号处理提供了丰富的实用指令，这对于既 需要大量的数字信号处理，又需要众多逻辑判断的指纹识别软件的开发，提供了 很大的便利。 丰富的片上外设，便于连接多种类型的指纹系统外设。嵌入式的指纹识 别系统除了d s p 以外，还需要外接指纹传感器、l c d 显示屏、键盘、指示灯、扩 展r a m 等多种外设，t id s p 可以方便地和这些外设无缝连接，这对简化系统设 计，方便系统调试，缩短开发周期提供了很大的便利。 完善的软件开发环境。嵌入式的指纹识别系统功能的实现与完善，很大 程度上依赖于软件的开发。t ic c s 在开发d s p 软件方面的强大功能和其全方位 的技术支持，有利于软件的编写与调试。 1 3 本文的主要内容 本文的主要内容安排如下： 第一章：介绍本课题的背景和意义。 第二章：介绍指纹识别，分析了手机集成指纹识别系统的优越性和可行性，提出 了系统设计的原则。 第三章：讨论如何以美国德州仪器公司( t i ) d s p - - t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 为核心，构 建一个自动指纹识别系统的硬件平台。 第四章：该指纹识别系统的软件设计。 第五章：系统的调试及测试结果。 第六章：总结。 电子科技大学硕士论文 2 1 指纹识别简介 第二章指纹识别的介绍 2 1 1 生物特征识别技术与指纹识别技术 随着网络与通信技术的飞速发展和人类物理与虚拟活动空间不断扩大，现代 社会对于人类自身身份识别的准确性、安全性与实用性提出更高要求。传统的身 份识别方法已经远远不能满足这种要求，人类必须寻求更为安全可靠、使用方便 的身份识别新途径。于是，生物特征识别悄然兴起，并成为一类新的身份识别技 术。 生物特征识别技术( 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( 与他人不同) ，可以测 量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。生物 特征识别系统对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并转化成数字代码，并进 一步将这些代码组成特征模板。人们同识别系统交互，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比对，以确定是否匹配，从而决定接受或 拒绝。 人类利用生物特征识别的历史，可追溯到古埃及人通过测量人体各部位的尺 寸来进行身份鉴别。现代生物识别技术始于7 0 年代中期，由于早期的识别设备 比较昂贵，因而仅限于安全级别要求较高的原子能试验、生产基地等。现在，由 于微处理器( 特别是d s p ) 及各种电子元件成本不断下降，精度逐渐提高，生物 识别系统逐渐应用于商业上的授权控制，如门禁、企业考勤管理系统等安全认证 领域。 生物识别技术是目前最为方便与安全的技术，它不需要记住复杂的密码，也 不需要随身携带钥匙、智能卡之类的东西。生物识别技术认定的是人本身，没有 什么能比这种认证方式更安全、更方便了。由于每个人的生物特征具有与其他人 不同的唯一性和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识 别技术进行身份认定，安全、可靠、准确。此外，生物识别技术产品均借助于现 代计算机技术实现，很容易与电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管 理。 人的生物特征分为身体特征和行为特点两类。身体特征包括：指纹、掌型、 眼睛( 视网膜和虹膜) 、人体气味、脸型、皮肤毛孔、手腕手的血管纹理和d n a 等；行为特点包括：签名、语音、行走的步态、击打键盘的力度等。根据生物识 电子科技大学硕士论文 别技术采用的生物特征的不同，广泛应用的生物特征识别技术可以分成三类：高 级生物识别技术( h i g hb i o m e t r i c s ) ，如视网膜、虹膜和指纹；次级生物识别技 术( l e s s e rb i o m e t r i c s ) ，如掌型识别、脸型识别、语音识别、签名识别，第三 类是“深奥的”生物识别技术( e s o t e r i cb i o m e t r i c s ) ，如血管纹理识别、人体 气味识别等。在这些众多的特征识别中，指纹识别是晟为成熟、应用最广泛的生 物识别技术。 相对于其它身份鉴别技术，指纹以下7 个方面的特性使其成为身份识别技术 的首选： 1 ) 普遍性：所有个人都具有的生物特征： 2 ) 唯一性：世界上两个指纹完全相同的概率小于1 0 一； 3 ) 永久性：终生不变性； 4 ) 可采集性：可以通过一定的设各和手段采集到； 5 ) 可行性：在对资源、环境、操作等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； 6 ) 可接受性：人们愿意接受这种方式； 7 ) 防伪性好：与帐号+ 密码、i c 卡等传统的身份识别手段相比而言。 2 1 2 自动指纹识别系统 r lc 1 自动指纹识别系统“( a u t o m a t 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 ， 简称a f i s ) 有着广泛的应用前景。指纹识别是个人自动识别方面很热门的生物 特征技术。除了传统的在法律案件中的应用外，目前也在具有高安全性的系统上 应用，如作为嵌入式系统用于银行a t m 卡和信用卡使用的确认，以及用于员工上 下班监督、海关身份鉴定、家用门禁系统等许多方面。其主要根据是，生物统计 学的研究表明，不同的人具有相同指纹的概率，低到几乎是不可能的。同时，指 纹不会因年龄的增加而改变。因此在个人识别上，指纹一直有其重要的地位。 目前，指纹识别方法分为两大类：一是以手指毛细孔的位置，二是以手指表 皮上的凸纹和凹纹所形成的纹路为识别的基准。利用毛细孔来做识别，最主要的 困难是必须以激光来扫描毛细孔的位置，设备不易取得。然而毛细孔的位置是永 远固定不变的，且毛细孔的位置不容易受外力而破坏，判断的成功率较高。凸凹 纹线所形成的纹络，可经由油墨按压在纸上，或经由扫描器扫描进电脑后保存为 影像档案，藉此来做判断，所以取得非常容易。可是，此种方法取得的指纹，因 为经过多次失真，使比对的错误率提高。 电子科技大学硕士论文 指纹纹络的系统匹配工作，主要基于指纹的两个特征：纹形和特征点。 根据指纹纹线对中心点的总体流向，指纹可以分为五大类型：拱类、左环类、 右环类、尖拱类、漩涡类。指纹分类的主要目的，是方便大容量的指纹库的管理， 加速指纹的搜索匹配。尽管许多研究者对指纹分类问题已作了大量的工作，但到 目前为止，指纹分类的误识率仍居高不下。至今如何减少纹形分类的误识率，在 指纹识别系统的研究中仍是一个难点。 正是因为指纹分类的这些问题，使得指纹匹配一般从指纹的细节特征入手， 用以判断两个指纹是否属于同一个人。指纹鉴定算法最终都归结为在指纹图像上 找到并比对指纹的特征点。所以，特征点的提取是指纹鉴定算法的核心。f b i ( f e d e r a lb u r e a uo fi n v e s t i g a t i o n ) 提出的指纹的细节特征分为：端点、分 叉、口形、双叉和桥形等等，各种特征的形状与其在指纹图中所占的比率如表2 一l 所示2 “。 特蓝謦捩冒舟此( 霸 喘点6 b 垡 骨黑躺8 撩形下斯 。工_ 一 蕊置 ) & 2 日形ol 1 表2 - - i 目前最常见的用于匹配的细节特征是端点( r i d g ee n d i n g ) 和叉点( r i d g e b i f u r c a t i o n ) ，如图2 1 所示。这两种特征占了指纹特征点的8 0 以上。 阿 q ) 端盎2 ) 叉点 圈2 一i 两种细节特征点 可以认为：隆起线上的端点和叉点，在所有细节特征中占有主要地位。所以， 可以认为端点和叉点这两种特征点，是表征指纹特征的有效特征，而且只需要这 电子科技大学硕士论文 两种特征点，就足以获得指纹图像的主要信息。 在用传统的抽取特征点的方法时，空洞、毛刺和短线等一些伪特征都被抽取 为特征点，而这些并不是指纹的有效特征点，应在进入最后的匹配之前将这些伪 特征点除去。 确定中心点 在指纹自动识别中，一个重要处理过程是指纹模式的匹配。在这个过程中， 要将待识别指纹的有关数据与已有的指纹数据进行对比，比较各指纹图像中存在 的纹络细节特征，寻找最相似的指纹模型，作为被识指纹的匹配模式。其中，纹 络细节特征的位置参数，具有十分重要的意义。因此，在指纹识别中，如何确定 各个不同细节特征的位置，是识别过程的关键。为了给各个细节特征定位，一般 的做法是选择一个公共的特征点作为参考点。为了适应不同的识别条件，选择指 纹的中心点作为参考点，以次参考点为辅助参考点。 指纹的中心点，通常定义为最内层弧状隆起线的上顶点，如图2 2 ( a ) 所示： 当最内层隆起线的上凸部分出现分叉点时，将分叉点定义为中心点，如图2 2 ( b ) 所示：当最内层隆起线不是弧状，而是一条直线时，就将隆起线的上端点定义为 中心点，如图2 2 ( c ) 所示。当这种隆起线不是条，而是多条线时，定义最左 边的一条隆起线的上端点为中心点，如图2 2 ( d ) 所示。“” ( b )( e ) 图2 2中心点的定义 中心点的接索，可以通过对指纹图像逐点扫描、比较以及其它相应运算完成。 不过，这种方法需要大量计算时间，算法也非常繁杂，而且易出错。 本文采用一种新的搜索方案。首先，对经过预处理、图像增强、二值化及细 化后的原始指纹图像进行近似处理，形成一个粗纹络的指纹图像模型，在此模型 上进行粗搜索；其次，根据第一步处理得到的粗中心点坐标，确定一个原图像的 1 8 或1 i 6 的区域，在此区域内对原指纹图像进行搜索，从而得到中心点的精 确坐标。 指纹识别系统的工作流程 指纹识别系统的工作流程是，手指经活体指纹录入仪输入计算机内，形成灰 电子科技大学硕士论文 度指纹图像；然后进入图像处理过程，通过提取方向图、图像分割、图像增强、 细化，再经过抽取特征、伪特征去除后，进入比对过程：与库存指纹匹配后，给 出最后结果。如图2 3 所示，其中的算法处理并保存模板和模板比对在第四章 详细说明。 开机 图2 3 系统主要程序框图 2 2 手机集成指纹识别系统的优越性和可行性 目前，指纹识别的应用领域很广，最常见的有指纹门禁、指纹鼠标、指纹硬 电子科技大学硕士论文 盘、指纹认证的笔记本电脑、带指纹识别的网络安全系统和金融系统等。但是， 这些应用均局限在某一个比较狭窄的应用范围内，其市场需求相对有限，增长也 比较缓慢。要拓展其市场面和影响力，就必须考虑将指纹识别技术应用到与人们 日常生活密切相关且普通人能够负担得起的领域。 无线与移动通信是i t 行业发展的热点，尤其是现在，随着移动通信系统从 2 g 向3 g 过渡，人们普遍提高了对通信系统服务质量、效率和安全可靠性的要求。 因此，在手机和其他移动通信的终端设备中集成指纹识别系统，具有如下优越性： 极大的增强手机的安全性。未来的手机将不单是通话和传送短消息的设 备。作为一体化的个人数字助理，手机将集成现在的信用卡、身份证、掌上电脑 等于一身。现有的手机所采用的密码认证无法满足未来的手机应用，必须采用更 有效、更方便管理认证的安全体系。指纹识别作为一项相对成熟的生物特征识别 技术，是未来手机的首选。 在不大幅度增加系统成本的情况下，可以明显提升手机的档次。即便是 现有的手机，在硬件上只需要增加指纹传感器即可。由于手机销售数量十分可观， 分摊到每部手机上的软件成本将非常低。 为d s p 的应用开拓了新的亮点。d s p 高速发展的原动力在于其应用领域 的不断拓宽和市场的扩大。在移动通信系统设备中集成指纹识别，无异为d s p 的应用创新开拓了新的领域。 尽管具有上述的优越性，在技术实现上，手机中集成指纹识别并没有太大的 难度，也不会迫使原有的手机系统做出太大的改动。其技术上的可行性主要反映 在如下几个方面： 硬件设计上，只需要增加与处理器连接的指纹传感器即可，指纹识别的 处理过程和与用户的接口可以完全利用手机中已有的d s p 硬件资源。 由于手机上只保存合法用户即本人的指纹模板，而通常手指上平均具有 7 0 卜节点( 即特征点) ，根据我们后面提到的特征提取算法，这些节点生成的模 板大小为1 k 左右，因此不会太多增加手机的存储负担。 能够与系统的常规通信功能融合而不相互影响。虽然指纹的识别比对过 程会占用大量的d s p 资源，但是作为身份确认步骤，手机必须要在指纹认证通过 后才可能进行通话或其他的数据交换处理，而在通信数据的交换进程中，不需要 同时处理指纹数据。因此，两者以时分的方式占用d s p 资源，不会影响手机的正 常功能。 由以上分析可知，在手机中集成指纹识别系统，是以较低的代价可靠有效地 提升手机性能的实用可行方案，具有很强的创新性和实用性。 电子科技大学硕士论文 2 3 系统设计的原则 本系统的设计遵循如下原则： 小型化。由于该系统要集成到手机中，因此必须考虑便携性和低功耗。 智能化。目前的很多指纹传感器，需要用户进行按键操作才能启动数据 的采集，这对于手机用户很不方便。我们选用的指纹传感器，可以自动地对放置 在其上的指纹进行采集处理，既方便系统开发，又方便用户使用。 灵活性。根据手机用户的不同需求，本系统可以存放合法用户的一个或 多个指纹。系统不需要建立大容量的指纹库，因为手机大多数时候都是个人使用。 可以按照用户要求随时修改用于身份验证的指纹，甚至还可以存放其他经过合法 用户授权的用户的指纹。 识别鉴别恰当分工。识别一般在终端完成，鉴别根据不同的需要可以灵 活地选择在终端或通过网络在专门的指纹鉴别中心完成。 适当的牺牲拒判概率( f r r ) 来降低误判概率( f a r ) 。所谓拒判概率是指合 法用户进行身份验证时系统拒绝其通过的概率，误判概率是指非法用户进行身份 验证时系统将其判为合法用户的概率。根据调查统计，用户可以容忍系统要求其 重新输入指纹的次数在3 次以内，所以，我们设计的系统并不追求很低的拒判概 率。但是出现误判是不能容忍的严重错误，所以系统设计应该首先致力于降低误 判概率。 实时性。系统必须在短时间内完成自动指纹识别，若耗时过多，用户是 无法忍受的。所以系统采用的算法应该根据实际情况进行适当的优化和折中。 电子科技大学硕士论文 第三章指纹识别系统的硬件设计与实现 3 1 系统功能描述 指纹身份鉴定系统是指确认用户声称的身份是否与其真实身份一致，即回答 “我是某人吗? ”的问题，只有两种可能的答案“是”或“不是”。系统包含两 个主要的功能模块：学习模块和鉴定模块。学习模块负责采集用户指纹数据，提 取代表这些数据的特征，作为以后的比对模板存入数据库。鉴定模块则采集待鉴 定用户的指纹数据，提取特征后与数据库中的模板进行比对，决定两者是否匹配， 然后做出“是”或“不是”的判断。根据上一章拟订的设计原则，整个系统的功 能框图如图3 1 所示。 图3 1指纹鉴定系统功能框图 为了完成上述功能，我们设计的系统硬件结构如图3 2 所示。系统核心处 理器采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9d s p 芯片，指纹图像采集设备是v e f i d i c o m 公 司的硅晶体电容传感器f p s 2 0 0 指纹传感器。d s p 从指纹传感器读取指纹图像数 据后，进行相应的算法处理，然后将感兴趣的结果交由液晶显示模块显示。为满 足系统要求，为d s p 配置了s r a m 和e e p r o m ，并选用了c p l d 来完成整个系统的逻 辑设计。此硬件平台的主要程序流程见图2 3 ，经过调试运行证明，完全可以 满足系统的性能要求。下面对各模块在系统中的功能做进一步的说明。 电子科技大学硕士论文 图3 - - 2指纹鉴定系统硬件结构框图 主要功能模块具体描述 3 2 d s p 芯片 3 2 1d s p 的介绍 d s p 是英文d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 的缩写，即数字信号处理器。d s p 芯片专门用于完成各种实时数字信息的处理，它是在数字信号处理的各种理论和 算法的基础上发展起来的。2 0 世纪6 0 7 0 年代是数字信号处理技术的理论研究 阶段。2 0 世纪8 0 年代，随着微电子技术的发展而出现了d s p 器件。这些器件的 出现，使得各种数字信号处理的算法得以实现。d s p 器件不仅使数字信号处理从 仅限于理论研究推广到实际应用，而且拓宽到系统控制领域，从而产生一大批新 型的电子产品。 面对d s p 的巨大市场和广阔发展前景，世界上最大的几个半导体公司都在展 开竞争。如美t i 、a d i 、l u c e n tt e c h n o l o g i e sm i c r o e l e c t r o n i c s 、m o t o r o l a 、 s i e m e n ss e m i c o n d u c c t o r 等公司都在全力开发和生产d s p 器件。 数字信号处理的基础是数字计算机和算法。由于早期的计算机速度较慢，信 号处理很繁琐，只能作非在线处理。随着计算机速度的提高，特别是d s p 器件的 发展，其性能可以满足数字信号实时在线的处理要求，从而获得了广泛的应用。 数字信号处理只有5 0 年的历史，2 0 世纪5 0 6 0 年代，在通用计算机上进 行算法的研究和处理系统的模拟与仿真。受速度、成本和体积的限制，信号处理 基本上都是模拟的方法。7 0 年代，经典的数字滤波和频谱分析等都是在通用计 算机上进行。8 0 年代，现代的d s p 器件采用哈佛结构，即将程序指令与数据的 存储空间分开，各自有自己的地址与数据总线，以及采用硬件乘法器、流水线、 电子科技大学硕士论文 并行指令等。自从美国i n t e l 公司在2 0 世纪7 0 年代推出世界上第一块d s p 芯片 以来，d s p 已经过几代开发并发展了许多系列的产品。 随着微电子技术的迅速发展，d s p 的性能已经比第一代产品有很大的提高。 最新的d s p 具有如下的特点： i ) 在单个指令周期内完成多个乘加运算； 2 ) 速度达到9 0 0 0 m i p s 的定点和浮点运算： 3 ) 指令中有循环寻址、位倒序等指令； 4 1 每秒数百兆字节的数据吞吐速率： 5 1 并行性； 6 1 多处理器结构； 7 ) 片上设置仿真模块或者仿真调试接口； 8 1 低功耗： 9 ) 可集成； l o ) 开发环境及支持软件迅速发展和不断完善。 美国t i 公司( 德州仪器公司) 的d s p 产量最大，占全世界d s p 器件总产量 的5 0 ，品种也最多。1 9 8 2 年t i 公司推出t m 8 3 2 0 系列中的第一个定点型的d s p 。 现在t m s 3 2 0 系列由定点型、浮点型和多处理器型组成。产品包括：c l x 、c 2 x 、 c 2 x x 、c s x 、c 6 x 定点型d s p ic 3 x 和c 6 x 浮点型；c 8 x 多处理器型d s p 、t m s 3 2 0 的结构是为了实现信号的实时处理而专门设计的。 3 2 2t i 公司的开发工具 可编程d s p 芯片的开发需要一整套完整的软、硬件开发工具。通常d s p 芯片 的开发工具可分为代码生成工具和代码调试工具两大类。 代码生成工具的作用是将用c 语言、汇编语言或者两者的混和语言编写的 d s p 程序编译、汇编并连接成为可执行的d s p 程序，主要包括：c 编译器、汇编 器和连接器。此外，还有一些辅助工具程序，如文件格式转换程序、库生成和文 档管理程序等。 代码调试工具的作用则是对d s p 程序及系统进行调试，使之能够达到设计目 的。t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的系统集成和调试工具主要有：c 汇编语言源码调试 器、初学者工具d s k 、软件模拟器( s i m u l a t o r ) 、评价模块e v m 、软件开发系统 s w d s 和仿真器x d s 等。 电子科技大学硕士论文 1 9 9 9 年，t i 推出了c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 集成开发环境。c c s 的出 现是t id s p 开发软件的一次革命性的变化。c c s 集成的源代码编译环境，使程 序的调试与修改更为方便；c c s 集成的代码生成工县，使开发设计人员不必在d o s 窗口键入大量的命令及参数；c c s 集成的调试工具，使调试程序一目了然，大量 的观察窗口和图形显示使程序调试与修改得心应手。 更为重要的是，c c s 加速和增强了实时、嵌入信号处理的开发过程，提供了 配置、构造、调试、跟踪和分析程序的工具，在基本代码生成工具的基础上，增 加了提示和实时分析的功能。设计人员可在不中断程序运行的情况下，查看算法 的对错，实现对硬件的实时跟踪调试，从而大大缩短了程序的开发时间。 所以，我们利用c c s 对算法进行仿真研究。 3 2 3t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 9 的介绍1 2 j d s p 处理器是专门设计用来进行高速数字信号处理的微处理器。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 是1 6 位定点d s p ，主要特点如下“。： 运算速度快，达i o o m i p s 优化的c p u 结构。内部有1 个4 0 位的算术逻辑单元，2 个4 0 位的累加 器，2 个4 0 位加法器，1 个1 7 x 1 7 的乘法器和i 个4 0 位的桶形移位器。 采用改进的哈佛结构，有一组程序总线和三组数据总线，两个地址产生 器，高度并行的算术逻辑单元a l u ，专用硬件逻辑。 智能外设，扩展方便。两个软件控制通用i o 引脚：b i o 和x f 。b i o 是 分支转移控制输入端口，主要用于监控外围设备的运行状态。x f 是外 部标志输出端口，主要用于程序向外设传输标志信息。片内有3 2 k 双访 问r a m ，支持6 4 k x1 6 位的数据空间，8 m x1 6 位的程序空间和6 4 k x1 6 位的i o 空间。i o 操作是通过外部数据地址总线与i o 读写控制引脚 i s 、i o s t r b 、r w 配合实现的。除了标准的串行口和时分多通道带缓冲 器串口( t d m ) 外，还提供了带缓冲器单通道同步串口b s p ( a u t o - b u f f e r e d s e r i a lp o r t ) ，并行带缓冲器多通道同步串口m c b s p ( m u l t i c h a n n e l b u f f e r e ds e r i a lp o r t ) 和与外部处理器通信的h p i ( h o s tp o r t i n t e r f a c e ) 接口。 低功耗方式。端口工作电压3 3 v ，内核工作电压1 8 v 。有三种低功耗 方式i d l e l ，i d l e 2 和i d l e 3 。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9d s p 有着良好的性价比，其工作性能可以满足本指纹鉴定 系统的要求，它的结构框图如图3 3 所示h 。 电子科技大学硕士论文 a d p r o g r a md a t ar o mp r o g r a md a t ar a m p r o g r a m d a t ab u s e s a d d r e s s i n gu n i t 图3 - 3 t i “s 3 2 0 v c 5 4 0 9d s p 结构框图 勺 巾 一 卜一 口 ， o 一 一 口 匕 s t a n t a r d s e r i a lp o r t h p i i 脚 p l lc l o c k g e n e r a t o r w a i t s t a t e g e n e r a t o r 实际系统中，我们为d s p 扩展了6 4 k 的s r a mc y 7 c 1 0 2 1 ，但因d s p 最多支持 外部扩展3 2 k 数据空间( 存储器分配见图3 4 ) ，因此由d s p 通过c p l d 中的逻 辑电路来控制s r a m 的a 1 5 地址线的电平，从而决定在同一时间是选择s r a m 的高 地址段3 2 k 存储空间还是低地址段3 2 k 存储空间，这样就在符合d s p 的外扩数据 空间要求的基础上又增加了宝贵的数据存储空间。 配置e e p r o ms s t 2 9 e e o i o 以满足d s pb o o t l o a d e r 的需要。系统调试期间， 程序通过d s p 的j t a g 下载到d s p 的片内r a m ，调试成功后，将程序和有关数据 信息烧入e e p r o m 。系统上电后，d s p 首先执行b o o t l o a d e r 程序，将d s p 片外e e p r o m 中的程序装载到d s p 片内的r a m 中高速执行。这样，系统就完全脱机工作了，不 仅可以降低应用系统的硬件成本( 一般r o m 的价格随存取速度的增加呈指数增 加) ，而且可以提高系统的整体抗干扰性能。d s p 的低八位数据线和传感器的八 根数据线直接接口，地址线与c y 7 c 1 0 2 1 和s s t 2 9 e e o l o 的地址线接口，各按键通 过i n t x 引脚向d s p 发送中断请求，并由d s p 通过c p l d 中的逻辑电路控制各芯 片的读写以及控制引脚，使整个系统协调一致地工作。 一一一一眦 电子科技大学硕士论文 蛊黼 e d l i l 丫= ” e x t e i t i o i 【0 轧节= 口】 i n 恼口啬 c 既咖n i q d 肝f 酗 r e s e r v e d f 0 v l y = 1 1 e x t e m a f 0 v l y = 0 1 器瓣 科r 吖：1 i e x 陋m 训 p ￥吖= 哪 e 利睡m 刚 q i i - c i i i pr o m 纠g k y 鼬嘣畸 r e s e r v e d i n l e r 川哇s 0 n - c 障 啪莉艮1 m p 自睡0 e 喇忙哺p 阿a 辑a r a d 畸哗虹r a c 矾p u t 吖哺口a 吣 图3 - 4t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 存储器分配图【2 3 3f p s 2 0 0 工作原理及其性能特点 3 3 1 指纹取像设备的介绍 指纹取像设备可分成：光学传感器、硅晶体传感器和其它传感器。光学取像 设备有悠久的历史，可以追溯到2 0 世纪7 0 年代。依据的是光的全反射原理 ( f t i r ) 。晶体传感器是近几年在市场上出现的，电容传感器通过电子度量设计来 捕捉指纹。而超声波扫描被认为是指纹取像技术中非常好的类，超声波扫描指 纹的表面，接收设备获取其反射信号，测量它的范围就得到脊的深度。各种技术 既有各自的优势，也有各自的缺点，表3 1 给出三种主要技术的比较。 露一 蕊 懿 器黼 肼 电子科技大学硕士论文 比较项目光学全反射技术硅晶体电容传感技术超声波扫描 体积 大小中 耐用性非常耐用易受静电影响一般 干手指差，汗多的干手指好，汗多的和稍 成像能力和稍脏的手指成像脏的手指成像易失真非常好 模糊 耗电较多较少较多 成本低高很高 表3 - - 1 指纹取像设备技术比较 综合上述指纹取像方法的比较，结合本系统小型化、低功耗、智能化的实际 需要，我们选择了v e r i d i c o m 公司的硅晶体电容传感器f p s 2 0 0 ，它体积小，成像 质量好，且能够承受比较恶劣的工作环境。 该指纹传感器的开发是本系统的重要设计任务之一，指纹采集成功与否，质 量如何，将直接影响整个系统的工作性能。 3 3 2f p s 2 0 0 主要特性一j 标准的c m o s 工艺技术，基于电容的触摸式指纹传感器，5 0 0 一d p i 的 高分辨率，可兼容绝大多数指纹应用标准 1 2 8 c m 1 5 0 c m 传感区域 极小的封装尺寸：2 4 m i n x 2 4 m i n x 2 5 m m 1 2 8 c m 1 5 0 c m 传感区域 2 5 6 3 0 0 传感阵列 专利性的表面处理工艺可防止芯片划伤，抗腐蚀、抗磨损 内置8 位a d 可直接输出数字化图像信号 三种总线接口：8 位微处理器总线接口、集成u s b 高速接口、 集成串行外围接口，可方便集成到各种应用中去 低功耗，工作电压5 v 下小于7 0 m w 带有自动手指检测功能 3 3 3f p s 2 0 0 工作原理”。 f p s 2 0 0 是直接触摸式的电容性指纹获取设备。传感阵列由许多金属电极组 成，每个金属电极相当于电容的个极，而接触的手指作为电容的另外一个极， 两者之间的传感面形成电容两极之间的介电层。指纹的脊和谷导致传感阵列各电 容值不同，读取这些电容放电前后的电压差值就获取了指纹信息。 电子科技大学硕士论文 传感器的传感阵列有2 5 6 列3 0 0 行，每列传感器阵列有两个采样保持( s h ) 电路。每次传感器只能捕获一行指纹信息，这包括两个阶段。第一个阶段，选定 一行后，对此行所有的电容充电至v d d ，充电结束时，第一组采样保持电路保存 其电压值；第二阶段，该行电容被电流源放电，放电率与放电电流是成比例的， 经过一定的放电时间，另一组采样保持电路保存剩余电压值。显然，两组s h 电路电压值之差正