（信号与信息处理专业论文）基于dsp的指纹识别系统的研究.pdf

摘要 基于d s p 的指纹识别系统的研究 学科名称：信号与信息处理 硕士生：黄铝文 指导导师：胡涛 导师职称：教授 答辩日期：；细6 4 摘要 签名： 签名： 指纹识别是模式识别领域中使用最早，也是应用最广的生物鉴定技术。本文主 要研究基于d s k 6 7 1 3 开发板的指纹采集系统，以及指纹识别算法。 本文首先介绍了指纹识别系统的发展现状，以及指纹识别技术面临的难点和发 展方向，分析了三种指纹采集技术的优劣，完成了指纹芯片的选型 接下来介绍了半导体指纹传感器m b f 2 0 0 的基本功能，在d s k 6 7 1 3 开发环境下， 依据指纹传感器的基本内部结构，设计出了指纹采集予板，实现了指纹采集 最后分析了传统的基于细节点的指纹识别算法的不足，介绍了基于结构的指纹 识别算法的基本原理，及其各个组成部分：指纹中心点的计算、扇形化、归一化、 g a b o r 滤波、特征提取以及比对，并在m a t l a b 6 5 环境下实现了这一系统识别算法 本文完成了基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的指纹识别系统的初步探索： 利用基于d s k 6 7 1 3 仿真开发板和集成开发环境c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ，搭建了 一个指纹采集系统，在m a t l a b 6 5 环境下实现了基于结构的指纹识别算法，建立了 一定数量指纹的指纹库，分析了比对结果，从而验证了系统的可行性。 关键词：指纹识别g a b o r 滤波特征提取指纹比对d s p a b s t r a c t s u b j e c t ：b 皇曼曼兰曼b 鱼旦主蔓金盘坚主q 蛰些旦堕i 娶g 皇兰卫三i 坠! m a j o r ： a u t h o r ： t u t o r ： d a t e ： ! 旦壁旦主i i 垒主i q 堡墨z 璺主垒婴娶垦苎堡q 旦坠曼 墨i g 望垦! 垒旦垂! 卫i q ! 堡垒圭i q 旦! q 壁旦兰璺i 卫g 旦堡垦卫g 垦! 二塑曼旦 p r o f 。i l ut a o 一直立二一 s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a b s t r a c t t h et e c h n 0 1 0 9 yo ff 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 e c o m e sp e r f e c t w i t he a c h p a s s i n gd a y i nt h ef i e l do fi m a g ep r o c e s s i n ga n dp a t t e r n r e e o g n i t i o n t h ep u r p o s eo ft h es u b j e c ti st oe x p l o r ea n dt or e s e a r c ha f i n g e r p r i n tc a p t u r i n gs y s t e m a n df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m b a s e do nd s pc h i pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n ga c t u a l i t y ，d i f f i c u l t i e sa n d d i r e c t i o no nf 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 】o g y ，a n da n a l y s e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et e c h n o l o g yo ff i n g e r p r i n te a p t a r i n g ；a n d a tl a s ts e l e c t st h ef i n g e r p r i n ts e n s o r 哪f 2 0 0 s ot h e n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cf u n c t i o n so fs e m i c o n d u c t o rs e n s o r m b f 2 0 0 ，a n dd e s i g n st h ec h i l d b o a r do ff i n g e r p r i n tc a p t u r i n ga c c o r d i n ga st h e h a s i ci n t e r i o rc o n f i g u r a t i o nu n d e rt h ee m u l a t o ro fd s k 6 7 1 3a n da tl a s tc a p t u r e s f i n g e r p r i n t s t h i sp a p e ra tl a s ta n a l y s e st h ed i s a d v a n t a g e so f t h ef i n g e r p r i n t r e c o g n i t i o na l g o r i t h mb a s e do l lm i n u t i aa n di n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i 抛lo f t h ea l g o r it h mb a s e do ns t r u c t u r eo ff i n g e r p r i n t ，a n dd e s i g n sas y s t e m a t i c a l m e t h o do fc a l c u l a t i n gf i n g e r p r i n tc e n t e rp o i n t ，n o r m a l i z i n g , g a b o rf i l t e r i n g ， s e c t o r i n g ，e x t r a c t i n gf e a t u r e sa n dc h e c k i n gb a s e do l ls t r u c t u r eo ff i n g e r p r i n t ， a n di m p l e m e n tt h ea l g o r i t h mu s i n go fe m u l a t o ro fm a t l a b a n ds e t su pa f i n g e r p r i n td a t a b a s eo fs o m ef i n g e r p r i n t s m a t c h e st h ed a t a b a s ew i t ha n u m b e r o ff i n g e r p r i n t s a n da n a l y s e st h em a t c h i n gr e s u l t k e yw o r d ：f i n g e r p r i n tr e e o g n i t i o n g a b o rf i i t e r i n gf e a t u r e se x t r a c t i o n m a t c h i n g d s p 独创性申明 秉承租围优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 忙论文是我个人在导师指导下进, i f 自9 研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工怍的同志对本文所论述的工作的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并已致谢。 奉论文及相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。 论文作者签名：，查垂丛浒、7 月f 日 | 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 奉人保证：发袁或使用与本论文帽关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复目 件，允许论文被查闭 或倍阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名趣叁；导师签名：塑妇銎幽筘， 月f 日 第l 章绪论 第l 章绪论 本章首先从指纹识别系统的发展现状入手，介绍了自动指纹识别 系统的构成，以及指纹识别技术面临的难点和发展方向，分析了当前 三种指纹采集技术的优劣，最后阐述了本文的研究目的与主要内容， 完成了指纹芯片的选型。 1 1 国内外指纹识别系统的发展现状 在生物识别系统中，指纹识别系统占了生物识别系统市场的绝大 部分。这是因为指纹识别系统具有独特的防伪性、灵活性、可接受性 和安全性。它广泛运用于银行指纹储蓄，公安、保安、机要军事、商 业等领域重要场所的出入监视与控制，指纹考勤与门卫管理系统，计 算机网络系统及终端的授权使用，血液中心及医疗卫生系统身份确认 以及其它领域，指纹识别系统的广泛应用，已经获得巨大的经济效益， 还带动了图像处理、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，产生了巨大的衽会效益。指纹 识别技术的发展和应用已被公认，并已成为各国学术界和工业界研究 的热点之一。 在指纹识别技术方面，很多国家都有公司或专门机构在从事自动 指纹识别技术的研究，欧美国家凭借其强大的科技力量和经济实力， 在该领域的研究和开发中处于领先位置。美国的i d e n t i c a t o r 公司、 v e r i d i c o m 公司、i b m 公司和法国的s e g a m 都有成型产品面市，较早涉 足该领域的i d e n t i c a t o r 公司的i d s a f e 生物识别产品己经得到了较为 广泛的应用，已有5 0 0 0 多万人登记使用i d s a f e 系统。亚湘在这一领 域研究水平最高的国家是朝鲜，1 9 8 9 年在中国成立p e f i s 公司，其指 西安理工大学硕士学位论文 纹产品在国际上享有一定的声誉。我国台湾的s t a r t e k 公司的指纹识 别技术产品的性能也达到国际领先水平。中国科学院自动化所、清华 大学、北京大学、吉林大学等高校和科研机构很早就开始了这方面的 研究工作，现已取得一定的成果。自九十年代初= ；i = 始，我国的北大高 科集团、长春鸿达集团、西安青松集团等机构分别以所在地高校为技 术依托，陆续开始进行这方面的研究工作，分别推出了自己的产品。 中国科学院长春光机所对指纹采集技术进行了较为深入的研究，已可 以批量生产光电式活体指纹采集仪“1 。 1 2 指纹识别技术面临的难点以及发展方向 早期，指纹识别是人工方式进行的。由于指纹结构的复杂性以及 对指纹识别要求的严格性，导致人工识别指纹难度大，速度慢和识别 准确性受到专家经验的制约，远不能适应实际工作的需要，计算机技 术的诞生与发展，为复杂的科学计算和自动识别提供了可能。大约在 2 0 世纪7 0 年代，美、日等发达国家开始先后研究自动指纹识别技术， 这时自动指纹识别系统是在中、小型机上或专用计算机上的，成本较 高且缺乏良好的用户界面。随着集成电路、传感器技术、图像处理技 术的发展，现已完全能实现一个自动识别系统。 一般况来，自动指纹识别系统a f i s ( a u t o m a t i o f ff i n g e r p r i n t i d e n t i f l o a t i o ns y s t e m ) 系统处理流程如图1 一l 所示。自动指纹识别 系统的算法体系研究由指纹图像预处理、特征提取和指纹比对部分组 成。在指纹算法体系部分，提出了许许多多的新的有效算法。像结合 遗传算法、神经网络、模式识别、图像融合等”“。”1 。对于工 作在验证模式( 即一对一比对，o n et oo n em a t c h i n g ) 下的自动指纹识 别系统，不需要进行指纹分类。特征提取和指纹比对则是自动指纹识 别系统不可或缺的组成部分，是核心内容“”。 别系统不可或缺的组成部分，是核心内容“”1 。 第1 章绪论 比对结果 图卜1a f i s 系统处理流程 迄今为止。自动指纹识别技术的研究取得了很大的成绩，但也面 临些严重的困难： ( 1 ) 指纹采集技术有待提高。主要表现在：( a ) 对被采指纹的适应 性差。虽然可以通过指纹增强等技术提高指纹的质量，但这不可能从 根本上解决问题。毕竟清颊的指纹图像是正确实现自动指纹识别的前 提和保障。( b ) 指纹采集时的变形问题至今没有得到很好的解决。指头 在每次采集用力大小、用力方向和采集位鼍都会有所不同，造成指纹 的各种变形使指纹特征的相对位置发生较大偏移，从而很难对各特 征点做到精确定位。另外，指头表面是一个三维曲面，而获取的指纹 图像却是一个二维平面，这种从立体向平面的转化也会造成指纹的变 形。更为主要的是，以上因素造成的指纹变形往往是不确定的、随机 的，很难用确定的数学模型去描述，这给后继的指纹比对造成了严重 的干扰。 ( 2 ) 指纹分类技术有待突破。对于工作在验证模式下的自动指纹 识别系统，指纹分类技术并不是一个问题。但对于工作在辫识模式下 的系统，指纹分类技术的研究水平则至关重要。指纹分类技术越完善， 能够划分的类型越细，指纹数据库每个类别中所包含的样本数量就会 - 3 西安理工大学硕士学位论文 越少，对一次识别任务来讲，需要比对的次数和时间开销就会越少。 按照现行的分类标准，将指纹分成四类、五类或六类还是远远不够的。 现在，较好的指纹分类算法，将指纹分为五类和四类的准确率分别也 只有8 7 5 和9 2 3 “= ”“订，而这样的分类结果还远不能满足实际应 用的需要。 ( 3 ) 缺乏自动指纹识别系统的性能评价体系。国内外还没有这样 一个自动指纹识别系统性能评价机构，各个自动指纹识别系统的性能 往往是由开发者自己来建立或者选择数据库、设计测试方案、进行性 能测试。这样，由于各个自动指纹系统在测试时使用的数据库在容量、 指纹质量方面各不相同，测试方案差别也比较大，不可避免地造成现 在自动指纹识别系统性能评价的混乱和无序，而且各系统间也不存在 可比性”。 今后指纹识别技术研究发展的方向：( a ) 非接触式真皮层指纹采 集。生理学的研究结果表明，指纹的结构在真皮层有着完整和稳定的 表现。通过非接触方式采集指纹，则可以有效解决指纹录入时的变形 问题。( b ) 多种生物识别技术的融合。生物识别技术是一个综合的体系， 指纹识别仅仅是其中的一种。各种生物识别技术都具有自身的特点和 优势。充分利用其他生物识别技术的优势，将其他生物识别技术与指 纹结合使用，实现优势互补，是自动指纹识别技术的发展方向之一。 自动指纹识别技术是项综合性的高新技术，是一个学科交叉性很 强的研究领域。目前该技术的研究已经取得了巨大的成就，也面临着一些 困难，需要各个学科的共同参与和努力，才有可能尽快将这技术完善并 实现产业化。 1 3 指纹采集技术比较 目前有三种指纹采集技术：光学扫描、半导体传感器、超声波扫 第1 章绪论 描技术“。半导体指纹传感器，其价格与硅品片的面积褶关，品片面 积越大，芯片价格越离。为了降低成本，晶片面积一般都比较小。小 的接触面积使每次捕捉的指纹图像重叠区域变小，这样导致输入指纹 与模板指纹间缺乏足够的对应细节点，传统的基于细节点的算法的性 能就会下降。而且由于提取的细节点数日不同，很难实现快速匹配。 光学传感器采集指纹时，虽然每次捕捉的图像面积较大，但是还 存在一些光学系统上的问题无法解决，如连续接触手指上的油脂会使 压面上的光学器件腐蚀；实时扫描装置，由于光学特性的要求尺寸使 得很难把它集成到很小系统中；塑料假指纹有可能骗过光学传感器； 光学器件超过定时间精度会降低；光学中心对准等。 最近也出现了超声波传感器采集图像，超声波扫描被认为是指纹取 像技术中非常好的类。它是利用超声波反射测距来采榘的，对受污损的 手指采集指纹图像时抗干扰较强，能够获取比较清晰的指纹图像。超声波 传感器体积大，设各昂贵。 j 。4 本文研究的目的和内容 本文主要研究基于d s k 6 7 1 3 开发板上实现指纹采集以及指纹识别 算法，探讨用于实现脱机运行的指纹门禁系统：对比三种指纹采集技 术，在耍求集成度高、低功耗、体积小，指纹采集质量较高的情况下， 本文选用半导体指纹传感器m b f 2 0 0 ；为了提高指纹识别系统的运行效 率，能存储更多指纹特征，降低比对对同，实现脱机运行，本文选用 t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ，德州仪器) 公司的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 g d p 2 2 5 芯片， 与其配套的目标歼发板是t i 公司的d s k 6 7 1 3 ，它是基于t i 公司的d s p 葛片t m s 3 2 0 c 6 7 1 x 芯片设计的评估开发板，可通过接口进行二次丌发， 运行速度快，存储容量大，开发方便。 本文完成的内容： 5 一 西安理工大学硕士学位论文 a 指纹采集在t i 的d s k 6 7 1 3 开发板上利用m b f 2 0 0 指纹传感器 设计指纹采集子板，利用c c s 集成开发环境实现指纹采集： b 算法设计完成基于结构的指纹识别算法的设计：主要有指纹 图像的中心点计算、扇形化、归一化及g a b o r 滤波、特征提取以及比 对算法的设计： c 算法仿真对指纹识别算法用m a t l a b 6 5 仿真实现，并建立一 定数量的指纹库，对比对结果进行分析。 第2 章。指纹采集设计 第2 章指纹采集 本章首先介绍了半导体指纹传感器m b f 2 0 0 的基本特点、基本功能， 接下来介绍了d s p 开发板的一些特点以及与指纹传感器的连接电路，利用 d s k 6 7 1 3 的集成开发环境实现了指纹采集。 2 1m b f 2 0 0 介绍 m b f 2 0 0 是富士通公司推出的一款半导体指纹传感器芯片，该芯片是 一种触摸式c t , t o s 传感器件，具有自动指纹检测功能，其传感区域为 】，2 8 c m x l 5 0 c m ，2 5 6 3 0 0 传感阵列，5 0 0 d p i 分辨率，内置有8 位模数转 换器，可直接输出数字化图像信号，用8 位表征一个像素点，且有微处理 器总线( m c u ) 、s p i 总线和u s b 总线三种接口模式可供选择，并可以方便的 定义所需传感阵列的区域，工作电压为3 3 v 5 v 。m b f 2 0 0 基于电容充放 电原理，传感阵列的每一点是个金属屯极，相当于息容器的一个极， 与传感区接触的手指充当电容器的另个极，而两者之间的传感面形成 电容两极之阔的介电层，由于指纹的脊_ 和谷导致了传感阵列各电容值的 不同，传感器将电容值数字化之后输出“。 m b f 2 0 0 的内部结构中的2 5 6 x 3 0 0 点传感阵剜用于产生感应电压：功 能寄存器用于对芯片进行操作控制：控制电路用于传感器与外部接1 ：3 电 路的控制，主要负责数据的读出与写入；地址索引寄存器与数据寄存器 分别用于对功能寄存器的地址选择及数据的读写；采样保持及a d 转换电 路用于对传感阵列所产生的电压进行采样及量化。另外，多频振荡宅路 用于为芯片提供时钟信号。 m b f 2 0 0 是可编程的传感器芯片，它所具有的强大功能是通过内部寄 存器设置完成的。其地址选通线a 。，为低时选通地址索引寄存器，为高时 7 西安理工走学硕士学位论文 选通数据缓冲器。表2 1 所列是这些功能寄存器的地址和功能。在对这些 寄存器进行操作时，先向地址寄存器内写入所要访问寄存器的地址，然 后读写数据寄存器即可。比如读取控制寄存器a ( c t r l a ) 的数值，首先是 将地址选通线a 。簧低，在数据线上写入为o x 0 8 ，即选通t c t r l a ，接着将 置高，读取数据线上的值，这时读取到的数据为c t r l a 的数值。 表2 - 1m b f 2 0 0 的功能寄存器的地址和功能 地址标识功能地址标识功能 o x 0 9r a h行她址离位o x o ac t r l c控制寄存器c ， o x 0 1r a l行地址低位 o x o bs r a状态寄存器 o x 0 2c a l列地址低位o x o cp g c可编程增益控制寄存器 0 x 0 3r e h行末地址高位o x o di c r中断控制寄存器 o x 0 4r e l行末地址低位o x o ei s r中断状态寄存器 o x 0 5晓l列末地址低位o x o ft h r门限寄存器 o x 0 6d t r放电时间寄存器o x l oc i d h芯片标识高 o x 0 7d c r放电电流寄存器 o x l lc i d l芯片标识低 0 x 0 8 c t r i a控制寄存器a o x l 2t s t泓试模式寄存器 o x 0 9c 玎u b控制寄存器b 2 2 d s k 6 7 1 3 开发板介绍 本文选用的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 g b p 2 2 5 是t i 公司发布的c 6 0 0 0 系列的d s p 高 性能产品之，下面是它的一些重要的性能指标( 其他性能指标可参见 参考文献 7 8 ) ： 时钟周期4 4 n s ，即时钟频率可达2 2 5 m h z ( 常用) ： 运算速度高达1 3 5 0 m f l o p s ( m i l l i o nf 1 0 a ti n s t r u c t i o r o p e r a t i o i l s p e rs e c o n d ，每秒百力1 次浮点操作) ： 第2 章指纹采集设计 利用其配套的目标开发板d s k 6 7 1 3 的优点在于：开发板带有h p i 扩展接 口( h o s tp o r ti n t e r f a c e ，称为j 1 ) ，外设予板扩展接口( p e r i p h e r a l e x p a n s i o n ，称为j 3 ) 和外存扩展接口( m e m o r ye x p a n s i o n ，称为j 4 ) ，如 图2 - 1 所示，能够快速设计子板和进行验证；带有集成化硬件模块，便于 丌发：有大量可供参考使用的库。 图2 - 1d s k 6 7 1 3 开发板 本软件开发平台是基于t i 公司的一个完整的集成性d s p 软件开发工 具c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ，它提供对软件编程、编译、调试、代 码性能、代码优化和项目管理，还提供了实时分析调试和数据可视化功 能。 2 3 指纹采集子板设计与调试 由于在d s k 6 7 1 3 开发板上只有外存扩展接口j 4 有数据线，j 1 和j 3 没有 数掂线，所以本文设计指纹采集子板的思想是利用d s p 6 7 1 3 在e m i f i 作方 式下对外存空间的读写数据操作来实现指纹图像的采集。 o 西安理工大学硕士学住论文 依据m b f 2 0 0 传感器的基本内部结构，旦d s p 6 7 1 3 在e m i f ( e x t e r n a l m e m o r yi n t e r f a c e ) 工作方式下，m b f 2 0 0 传感器工作在m c u 模式下的指纹 采集子板电路原理图如图2 2 所示，根据此原理图设计指纹采集子板如图 2 3 所示。 图2 - 2m b f 2 0 0 与d s p 在聃i f 工作方式下的指纹采集子板电路原理圈 由于d s p 6 7 1 3 有3 2 位的数据线，而j l l b f 2 0 0 只有8 位数据线，本文用 m b f 2 0 0 的8 位数据线与b s p 低8 位的数据线进行并行传输，就要设置 d s p 6 7 1 3 3 2 作在l i t t l ee n d i a n 模式。i ) s p 6 7 1 3 工作在l i t t l ee n d i a n 的设 置过程如下：通过c c s 软件打开菜单p r o j e c t l b u i i do p t i o n s ，在弹出的 对话框中选择c o m p i l e 选项，就会出现如图2 - 4 所示的参数输入界面，在 魁2 - 3 指纹采集子板图2 - 4 l i t t 】ee n dj a n 设置 第2 章指纹采集设计 图的左边，选择c a t e g o r y 的a d v a n c e d 选项，就会出现在图的右边所示的 a d v a n c e d 详细选项，选择e n d i a n e s s 的l i t t l ee n d i a f t 选项，其它设置为 默认，这样就使得d s p 6 7 1 3 z e 作在l i t t ee n d i a n 。 j 4 端口共有8 0 个管脚，其管脚描述如表2 - 2 所示，在指纹采集子板的 设计时用到了其中的i7 个管脚信号，分别是p i n 7 0 p i n 6 5 ( a e d o a e d 7 ) ， p i n 7 7 ( a c e 3 # ) ，p i n 4 i ( 十3 3 v ) ，p i n 7 9 ( g n o ) ，p i n s 0 ( g n o ) ，p i n 7 6 ( a a r d y ) ， p i n 7 5 ( a a o e # ) ，p i n 7 4 ( w r ) ，p i n 7 3 ( r e ) ，p i n 2 6 ( a e a 2 ) 。 指纹传感器的电源端和接地端由d s k 6 7 1 3 的j 4 端口的p i n 4 1 ( + 3 3 v ) 和p i n 7 9 ( g n d ) 、p i n 8 0 ( 刚d ) 提供：通r 立d s k 6 7 1 3 的j 4 端口的p i n 7 7 ( a c e 3 # ) 芯片选通线与m b f 2 0 0 的p i n 3 2 ( c s 。c s c ) 连接，将m b f 2 0 0 的p i n 3 1 ( c s ，s c l k ) 通过l k 的电阻直接与j 4 的p i n 4 2 ( + 3 3 v ) 电源誊接嚣高；用j 4 端口 p i n 2 6 ( a e a 2 ) 与m b f 2 0 0 的地址选通线p i n 2 1 ( a ，) 相连：用j 4 端口的读写信号 p i n 7 4 ( w r ) 和p i n 7 3 ( r e ) ( 低电平有效) 分别和指纹传感器的p i n 2 2 婶r ) 和 p i n 2 3 ( r e ) 的读写信号的直接相连；用j 4 端口的p i n 7 6 ( a a r d y ) 与m b f 2 0 0 的 p i n 2 9 ( w a i t ) 信号相连；用j 4 端口的p i n 7 5 ( a a o e # ) 与m b f 2 0 0 的p i n 2 8 ( i n t r ) 信号连接。 表2 - 2 外存扩展接e l j 4 的管脚描述 p i n s i g n a ld e s c r i p t i o n p i n s i g n a ld e s c r i p t i o n l + 5 v5 vv o l t a g es u p p l yp i n 2 + 5 v5 vv o l t a g es u p p l yp i n 3a e a 2 1e m i fa d d r e s sp i n2 14 a e a 2 0e m i fa d d r e s sp i n2 0 5a e a l 9e m i fa d d r e s sp i n1 96a e a t 8e m fa d d r e s sp i n1 8 7 a e a l 7e m i fa d d r e s sp i n1 7 8 a e a l 6e m i fa d d r e s s p i n1 6 9a e a l 5e m i fa d d r e s sp i n1 5 1 0a e a l 4e m i fa d d r e s sp i n1 4 1 lg n d s y s t e mg r o u n d 1 2g n d s y s t e mg r o u n d 1 3 a e a l 3e m i fa d d r e s sp i n1 3】4a e a l 2e m i fa d d r e s sp i n1 2 1 5a e a j le m i fa d d r e s s p i n1 1 1 6a e a l oe m i fa d d r e s sp i n1 0 1 7a e a 9e m i fa d d r e s sp i n9 1 8a e a 8e m i fa d d r e s sp i n8 1 9a e a 7e m i fa d d r e s sp i n7 2 0a e a 6e m i fa d d r e s sp i n6 2 】+ 5 v5 vv o l t a g e s u p p l yp i n2 2+ 5 v5 vv o l t a g es u p p l yp i n 2 3a e a 5e m i fa d d r e s sp i n52 4a e a 4e m i fa d d r e s sp i n4 2 5 a e a 3e m i fa d d r e s sp i n3 2 6a e a 2e m i fa a d r e s sp i n2 西安理工大学硕士学位论文 表2 2 外存扩展接r - i j 4 的管脚描述( 续) 2 7a b a 3 抖e m i fb y t ee n a b l e32 8a b a 2 抖e m i fb y t ee n a b l e2 2 9a b a l 拌e m i fb y t ee n a b l e13 0a b a o 抖e m i fb y t ee n a b l e0 3 lg n d s y s t e mg r o u n d 3 2g n d s y s t e mg r o u n d 3 3a e d 3 l e m i f d a t a p i n3 1 3 4a e d 0 0e m i fd a t a p i n3 0 3 5a e d 2 9e m i fd a t ap i n2 93 6a e d 2 8 e m i f d a t a p i n2 8 3 7a e d 2 7e m i fd a t ap i n2 73 8a e d 2 6e m i fd a t ap i n 2 6 3 9a e d 2 5e m i fd a t ap i n2 54 0a e d 2 4 e m i f d a t a p i n2 4 4 1十3 3 v 3 3 vv o l t a g es u p p l yp i n 4 2 + 3 3 v 3 3 vv o l t a g es u p p l yp i n 4 3a e d 2 3 e m i f d a t a p i n 2 3 4 4a e d 2 2 e m i f d a t a p i n2 2 4 5a e d 2 le m i fd a t a p i n2 1 4 6a e d 2 0e m i f d a t ap i n2 0 4 7a e d l 9 e m i f d a t a p i n1 9 4 8a e d l 8 e m i f d a t a p i n1 8 , 4 9a e d l 7e m i f d a t ap i n1 7 5 0a e d l 6 e m i f d a t a p i n1 6 5 1g n d s y s t e mg r o u n d 5 2g n d s y s t e mg r o u n d 5 3a e d l 5 e m i f d a t a p i n1 5 5 4a e d l 4 e m i f d a t a p i n1 4 5 5a e d l 3e m i fd a t ap i n1 35 6a e d l 2e m i fd a t a p i n1 2 5 7a e d l le m i fd a t a p i n1 15 8a e d l oe m i fd a t a p i n1 0 5 9a e d 9e m i fd a t a p i n 9 6 0a e d 8 e m i f d a t a p i n8 6 lg n d s y s t e mg r o u n d 6 2g n d s y s t e mg r o u n d 6 3 a d 7e m i fd a t a p i n76 4a e d 6e m i fd a t ap i n6 6 5a e d 5e m i fd a t a p i n56 6a e d 4e m i fd a t a p i n4 6 7a e d 3e m i fd a t a p i n36 8a e d 2e m i fd a t a p i n2 6 9a e d l e m i f d a t a p i n1 7 0a e d oe m i fd a t a p i n0 7 1g n d s y s t e mg r o u n d 7 2g n d s y s t e mg r o u n d 7 3i 砸e m fa s y n cr e a de n a b l e 7 4w re m i fa s y n cw r i t ee n a b l e 7 5a a o 酣e m i fa s y n co u t p u te n a b l e7 6a a r d ye m i fa s y n c h r o n o u sr e a d y 7 7a c e 3 # c h i pe n a b l e3 7 8a c e 2 # c h i pe n a b l e2 7 9g n d s y s t e mg r o u n d 8 0g n d s y s t e mg r o u n d 调试前，需要检查指纹采集子板的所有接地端是否都已共地，子板 接地端和d s k 6 7 13 的接地端是否共地，这两个条件必须具备，否则指纹传 感器的初始化无法完成，导致指纹图像无法获取。还有调试前必须将 d s k 6 7 1 3 的外设予板扩展接口j 3 的p i n 7 5 ，o j o ed e t # 信号置低，这样e m i f 工作方式的三大总线接口才能打开。 在指纹子板制作完成并检查各线连接无误后。就可以编程调试子板。 第2 章指纹采集设计 本文m b f 2 0 0 的m c u t 作方式下的初始化流程图、参数调整流程图、获取2 5 6 2 5 6 大小的指纹图像的流程图如图2 5 所示，依据此流程图调试指纹子 板。有关流程图中涉及到的各个功能寄存器的详细使用说明可参阅参考 文献 6 。 调试时，可以首先通过编程读取芯片标识( i d 号码) ，这样可判断读 写信号、片迸信号、时序匹配、地址、数据信号是否正确；本文m b f 2 0 0 的指纹芯片标识为0 x 2 0 2 a ，也就是读取该m b f 2 0 0 的功能寄存器c i d h 、c i d l 的值是否分别为0 x 2 0 和0 x 2 a ，如果读取寄存器c i d t 的值不正确，则表明 读写信号、片选信号、时序匹配、地址、数据信号是不正确的，需要检 查硬件电路。读取指纹图像，晶振是否起振很关键，但是晶振是否起振 与读取芯片标识的值无关；如果在芯片标识读取正确还是不出来指纹图 像时，则要检查晶振是否起振。在读取指纹图像的流程图( 如图2 5 ( d ) ) 中，等待a d 转换时间，一般为1 0ps ，并且在每次读取完整行的图像数 据之后，就必须执行等待，否则读取到的图像则为黑白相间的随机数据； l 孚一 写c t r l b 为0 x 0 7 i ， 等待3 毗s 事 初始化结束 ( a ) 初始化m b f 2 0 0( b ) m b f 2 0 0 参数设置( c ) 2 5 6 2 5 6 子图犀域设置 1 3 一 西安理工大学硕士学位论文 ( d ) 读取指纹豳像流挂图 图2 5 流程图 读取船f 2 0 0 的c t r l a 的数据也就是读取指纹图像数据，每读取一次数据必 须首先要选通c t r l a 的地址，然后再读取c t r l a 的数据，这就是索引寄存 器的使用方式。 d s k 6 7 1 3 的开发过程中，对外设、数据、程序的操作只篚是采用指针 寻址的方式，如本文中使用e m i f 工作方式用到的c e 3 空问的控制寄存器 e m i fc e 3 c t r l ，就必须使用其对应的地址0 x 0 1 8 0 0 0 1 4 ，然后再对其赋值 第2 章指纹采集设计 ( 如下面的指令示例) ，对寄存器操作是成对出现的，对内存、外设的操 作也是如此。 示例：# d e f i n ee m i fc e 3 c t r l0 x 0 1 8 0 0 0 1 4 ( u n s i g n e di n t ) e m i fc e 3 c t r l ：o x f f f f f f 2 3 在e ! f i i f 工作方式下，d s p 6 7 1 3 共有4 个外存扩展空间，c e 0 c e 3 空间； 每个扩展空阃的起始地址、空间的大小都是固定的。在t i 的d s k 6 7 1 3 开发 板上，只扩展了c e o 空间，其余3 个空间供用户扩展。c e o 空间的范围是 弧8 0 0 0 0 0 0 0 o x 8 f f f f f f f ，本文图像数据存放的起始地址为c e o 空间的起 始地址。 本文是用d s k 6 7 1 3 对c e 3 空闯的读写操作实现对指纹的采集，由于 d s p 6 7 1 3 是3 2 位的寻址空间，j 4 端口p i n 2 6 ( a e a 2 ) 与m b f 2 0 0 的地址选通线 p i n 2 1 ( a 。) 相连，当a e a 2 为低时，本文选用c e 3 空间的地址o x b 0 0 0 0 0 0 0 选通 m b f 2 0 0 的地址索引寄存器；a e a 2 置高时，本文选用c e 3 空间的地址 o x b 0 0 0 0 0 0 c 选通m b f 2 0 0 的数据缓冲器。本文通过对c e 3 空间的这两个培址 的读写操作实现对指纹芯片的初始化、参数调整和指纹采集。 2 4 指纹采集 在c c s 环境下，在依据流程图初始化m b f 2 0 0 ，设置好d t r 、d c r 、p g c 三个寄存器的参数之后，就丌始采集指纹图像了。如图2 - = 6 所示程序调试 界面的右上部分指纹图像的显示，可通过下面的操作来实现：打开c c s 菜 单v i e w f g r a p h | i m a g e ，弹出的输入参数界面如图2 7 所示，输入图示参数 即可看到所采集的指纹图像。如图2 6 所示右下部分指纹图像数据在内存 中的显示，可通过下面的操作来实现：打开c c s 菜单v i e wm e m o r y ，弹出 的输入参数界面如图2 8 所示，输入图示参数，即可看到指纹图像在内存 中存放的数据。 ，1 5 西安理工大学硕士学位论文 图2 6c c s 调试界面图2 7 图像显示的参数输入界面 指纹图像的采集质量与三个寄存器( d t r 、d c r 和p g c ) 的参数值有关， 通过反复实验，当参数值为d t r = 0 x 2 3 、d c r = 0 x 0 1 、p g c = 0 x 0 0 时，现场采 集到的指纹图像脊线清晰，抗噪性好，如图2 - 9 所示，图像大d , 2 5 6 x 2 5 6 ， 位深为8 。 阔2 8 内存数据显示的参数输入界面图2 - 9j f i b f 2 0 0 获取的指纹酗像 第3 章算法设计 第3 章算法设计 本章首先介绍了传统的基于细节点的指纹识别算法的不足，以及 基于结构的指纹识别算法的基本原理，接下来分别介绍了基于结构的 指纹识别算法各个组成部分：指纹图像的中心点计算，扇形化，归一 化，g a b o r 滤波、特征提取以及比对。 3 1 基于结构的指纹识别算法 与人工处理不同，自动指纹识别系统不直接存储指纹图像，而是 存储指纹图像的特征，所以指纹算法最终归结在指纹图像上寻找并比 对指纹的特征”1 。 传统的基于细节点的指纹识别算法的不足之处在于：只利用了指纹 图像中一小部分信息( 细节点) ，丢失了丰富的结构信息，对于小面积的指 纹图像就有可能因为缺乏足够的信息而影响识别率：在细节点的提取过程 中，很容易产生虚假细节点和丢失真正的细节点，在指纹的受损区域，这 种现象更为突出；由于每个指纹的细节点数都不相同，产生的特征矢量长 度不同，不利于快速比对( 搜索指纹库) ；特征比对时，细节点的相对位置 随指纹的弹性变性而改变，影响比对的准确性“”“”。基于结构的指纹 识别算法，能充分利用指纹图像的纹理结构信息，弥补基于细节点的 识别算法的不足。 a n i lj