（信息与通信工程专业论文）自动指纹识别系统的预处理技术.pdf

电子科技大学硕士学位论文 中文摘要 随着计算机与信息技术的不断发展，生物特征识别技术的研究受到了广 泛的关注和探讨。由于每个人的指纹具有唯一性，终身不变，因此指纹识别 是代替传统身份识别手段的最安全、最可靠、最方便的方法之一。尽管在此 技术上已有多种成型产品，但是因为指纹图的噪声、皮肤弹性的非线性等因 素，以及许多文献都因商业利益而未经公开，理想的指纹自动识别系统依然 是一个很艰难的研究任务。 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，并着 重介绍指纹识别的发展、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中的基本原理和关键技术一图 像的预处理，验证了算法的性能，并将该算法应用与手机指纹识别系统中。 通过对算法在手机中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。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识别指纹的基本要求。在该终端的开 发中，笔者负责系统的预处理的软件设计、p c 机上的软终端的实现以及整机 的调试与测试等。 关键词：生物特征识别技术指纹识别技术预处理d s p 里主型垫盔堂堡圭兰垡笙壅 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y u s i n gb i o m e t r i ch a v ed r a w nm o r ea t t e n t i o n d u et o t h e u n i q u e n e s s a n d i n v a r i a b i l i t y o ff i n g e r p r i n t s ，t h ea u t o m a t e di d e n t i f i c a t i o n b a s e do n f i n g e r p r i n t s i s b e c o m i n g a na t t r a c t i v ea l t e r n a t i v et o t h et r a d i t i o n a l m e t h o d so fi d e n t i f i c a t i o n h o w e v e r ，t h e r ei sm u c hs p e c i a ln o i s ei n f i n g e r p r i n t i m a g e s ，a n dm a n ym e t h o d sw o u l d n 。tb e p u b l i c i z e d ，s o a ni d e a la u t o m a t e d 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 f l s ) i ss t i l lad i f f i c u l tr e s e a r c hs u b j e c t u n d e rt h e b a c k g r o u n d ，w e i n t r o d u c et h e d e v e l o p m e n t h i s t o r y a n d a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d o fi 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 m e t r i c ，a n d i n t r o d u c et 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 s a n dr e s e a r c hs t a t u so fa f i s 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 ，w er e s e a r c h e dt h ek e ym e t h o do fn e w f 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 b e k e yt e c h n o l o g y ，w h i c h i s i m a g e p r e p r o c e s s i n g ，a n dp r o v e dp e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h m ，a n da p p l y i n g i to n m o b i l ef 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 ，w eo p t i m i z e dt h ea l g o r i t h m p r o p e r l y ， a n dd e s i g n e 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 nd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) i n t h i s p a p e r ，w ep r e s e n t e dt h ed e s i g np r o c e s so ft h i st e r m i n a l ， 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 sp 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 ts h o w st h a to u rd e s i g n e dt e n n i n a l m a ym e e tt h er e q u i r e m e n to fi d e n t i f y i n gf i n g e r p r i n t s i nt h ew o r ko fd e s i g n i n g t h i st e r m i n a li m a i n l yd os o m ew o r ki n t h es o f t w a r e d e s i g n i n go fs y s t e m s p r e p r o c e s s i n g ，t h es o f tt e r m i n a l sr e a l i z a t i o ni np c ，a n dt h es y s t e m sd e b u g g i n g a n dt e s t i n g k e yw o r d s ：t h e i 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 m e t r i c ，a u t o m a t e d i d e n t i f i c a t i o nb a s e do n f i n g e r p r i n t s ，p r e p r o c e s s i n g ，d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 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。 签名：日期：v ，甲年。y 月日 关于论文使用授权的说明 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：望篮一导师签名 日期：o 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 生物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”的途径。于是，生物识别悄然兴起，并应运 而生成为一利，新的身份识别技术。 生物识别技术( 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。 生物识别系统对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码， 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进行比对，以确定是否匹配， 从而决定接受或拒绝该人。 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( 特别时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。 生物识别技术时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，很容易配合电脑和安全、监控、管理 系统整合，实现自动化管理。 电子科技大学硕士学位论文 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m 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 术可以被分成三类：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 r b 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 c b 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，指纹识别是最为成熟、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：即所有个人人都具有的生物特征； 2 ) 唯一性：即世界上两个指纹完全相同的概率小于1 0 一； 3 ) 永久性：即终生不变性； 4 ) 可采集性：即可以通过一定的设备和手段采集到； 5 ) 可行性：即在对资源、环境、操作等条件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：即人们愿意接受这一方式； 7 ) 防伪性好：于帐号+ 密码、i c 卡等传统的身份识别手段相比。 自动指纹识别技术具有不会丢失、不会遗忘、唯一性、不变性、防伪性 好以及使用方便等突出优点，采用这种技术，可以将人的身份和其指纹 严格的对应起来。 近年来，国内外学者对自动指纹识别技术进行了深入和广泛的研究， 取得了较大的进展，研究的重点主要集中在如何提高识别的准确率和速 度。目前，已经有很多自动指纹识别的产品面市，并开始逐步在管理、 门禁、金融、公安和网络安全等领域得到应用。以指纹为代表的生物识 别技术的发展和应用，不仅可以开发相关的系列产品，获得巨大的经济 效益，还可以带动图像处理、模式识别、光学、电子、生理学和计算机 电子科技大学硕士学位论文 应用等相关学科的发展，具有很高的学术价值，会产生巨大的社会效益。 以指纹为代表的生物识别技术的发展和应用己被公认将会给身份识别领 域带来一场革命，并已经成为各国学术界和工业界研究的热点之一。 1 2 自动指纹识别的发展现状 目前，基于通用p c 机进行指纹识别的技术已经很成熟，并且已经开始 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、 朝鲜培富士、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。 在技术上，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已经非常普遍。 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。 我们通过深入地研究发现，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： 一一拥有c 3 0 0 0 、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 ；在般性 的应用领域，用c 3 0 0 0 或c 5 0 0 0d s p 是最好的性价比方案。 一一高效的指令集。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 对于据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。 电子科技大学硕士学位论文 一一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 等多个外设，t id s p 可以方便的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。 一一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 大程度上依赖与其软件的开发。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调试。 1 3 本文研究的具体内容和课题来源 本文研究的内容来源于t i 杯竞赛的横向项目。该项目要求设计并实现一 个独立的手机中的指纹识别系统，包括指纹图像的采集、指纹图像的预处理、 细化、二值化、特征点提取、比对以及显示终端等。笔者负责该指纹识别系 统的特征点提取及比对的设计与实现，通过在p c 机上的软终端的实现以及 整机的调试与测试等。通过对样机的实际测试表明，本次设计达到了课题的 预期要求。 本文由两大部分组成，第一部分( 第一章到第二章) 探讨了指纹识别的 基本原理及关键技术等；第二部分( 第三章到第五章) 介绍指纹识别终端的 软、硬件的开发过程，及算法的实现，包括该系统的分析、设计、实现和测 试等：第六章对全文进行总结，得出结论。 电子科技大学硕士学位论文 第二章自动指纹识别系统简介 2 ，1 什么是自动指纹识别? 我们手掌及其手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形 成各种各样的图案。人们注意到，包括指纹在内的这些皮肤的纹路在图案、 断点和交叉点上各不相同，也就是说，具有唯一性。依靠这种唯一性，我们 就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过对他的指纹和预先保存的指纹进 行比较，可以验证他的真实身份。指纹识别就是我们前面所述的生物识别技 术的一种。自动指纹识别系统( 即a u t o m a t e df i n g e r p o i n t i 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。除了传统的在法律案件中的应用外，目前它也被在具有高 安全性的系统上，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， 以及指纹考勤、海关身份鉴定、家用门禁系统等许多方面。其主要根据是1 、艮 据生物统计学的研究，认为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有所改变；而且指纹是我们的身体的一 部分，我们天天“携带”着它。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雷射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，而且毛细孔的位置不容易受外力而破坏，判断 成功率较高。凸凹纹线所形成的纹络，可经由油墨的按压在纸上，或经由扫 描器扫描进电脑后取得影像档案，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。 在指纹的自动识别过程中，由于受各种各样的因素的影响，输入的指纹 图像是一幅含有噪音较多的灰度图像。指纹图像的预处理的目的就是要去除 图像中的噪音，把它变成一幅清晰的点线图，以便于提取正确的指纹特征。 现在我们来讨论指纹图像预处理的一般流程，如图2 一l 所示。 电子科技大学硕士学位论文 由图2 1 我们可以看出，预处理是由五步进行的：灰度滤波，二值化 二值化图像去噪，细化，细化后的去噪。 匿吲霹h 豫 图2 1 预处理全过程 现在我们来讨论每一个部分的功能。 一、 灰度图滤波去噪：灰度滤波的目的是对输入的噪音较多的灰度 图像进行滤波处理，去除图像中的叉连、断点及模糊不清的部 分，得到一幅较清晰的灰度图像； 二、 二值化：二值化是把灰度图像变成一幅二值指纹图像； 三、二值化图像去噪：由于灰度去噪的不完全性及二值化时又可能 引入噪音，所以对二值化后的指纹图像还需要进行一次去噪操 作，得到清晰的二值指纹图像； 四、细化：把这副清晰的二值指纹图像通过细化变为点线图，即指 纹图中的脊线都以点线( 宽度为1 的线) 的方式表示； 五、细化后的去噪：由于前面滤波去噪的不完全性及细化算法本身 可能引入的噪音，因此，细化后的指纹图还需进行一次滤波操 作，以得到一幅清晰的点线图。 这样我们就可以得到清晰的点线图供以后的特征提取使用。 由上面的介绍我们可以看到，在预处理的全过程中我们采用了三次滤波 操作：灰度图像滤波、二值图像滤波、细化后图像的滤波。这主要是为了彻 底去除图像中的噪音，减少人工干扰，同时也提高了系统对模糊不清、残缺 不全的指纹图像的处理能力。通过这种渐进的滤波形式，输出的点线图基本 上不含任伺噪音( 对比较清晰的指纹图像而言) ，因此为以后的特征提取、 匹配等操作打下了良好的基础。 指纹纹络的系统匹配工作主要基于两个指纹的两个特征：纹形和特征点。 电子科技大学硕士学位论文 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。f b i ( f e d e r a lb u r e a u o f i n v e s t i g a t i o n ) 提出的指纹的细节特征有下列几种：端点、叉点、毛刺、短线 和小环等。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 ) 和又 点( r i d g eb i f u r c a t i o n ) ，图2 - - 2 所示。这两种特征占指纹特征点的8 0 以 图2 2 两种细节特征点 上。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，我们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 且只需要这两种特征点，就足够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，我们应在进入最后的匹配 之前将这些伪特征点除去。 2 2 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，与库存各指 蛾 阿一 口 电子科技大学硕士学位论文 纹匹配后，给出最后结果。以下是我们设计的自动指纹识别系统的工作流程 图2 3 。 开机 图2 3 2 3 指纹识别系统的“新”的应用 目前，指纹识别的应用领域覆盖很广，最常见的有指纹门禁、指纹鼠标、 指纹硬盘、指纹认证的笔记本电脑、带指纹识别的网络安全系统和社保系统 电子科技大学硕士学位论文 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 别技术和与人们日常生活密切相关且普通人能够负担的起的领域相结合。 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： 一一极大的增强手机的安全性。未来的手机将不简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，现有的手机采用的密码认证无法满足未来手机应用，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，是未来手机中的首选。 一一在不大幅度增加系统成本的情况下可以明显的提升手机的档次。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。 一一为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于 为d s p 的应用创新提供了新的范例。 尽管能够带来上述的优越性，在技术实现上，手机中集成指纹识别并没 有太多的难度，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： 一一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 的处理过程和对用户的接口可以完全利用手机中已有的d s p 的硬件资源。 一一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 个节点( 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，因此不会增加手机的存储负担。 一一能够与系统的常规通信功能融合而不相互影响。虽然在指纹的识别 比对过程中会占用大量的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，而在通信的数据交 电子科技大学硕士学位论文 换进程中是不需要同时处理指纹数据的。因此，两者以时分的方式占用d s p 资源，不会影响手机正常功能的运作。 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 的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。 24 手机指纹识别系统的设计原则 本系统的设计遵循如下若干原则： 一一小型化。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。 一一智能化。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的对 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。 一一灵活化。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，并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。 一一识别鉴别恰当分工。识别一般在终端完成，鉴别根据不同的需要可 以灵活的选择在终端或通过网络在专f q 的指纹鉴别中心完成。 一一适当的牺牲拒判概率来降低误判概率。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，所以系统设计因该首先致 力于降低误判概率。 电子科技大学硕士学位论文 第三章基于t m s 3 2 0 0 5 4 x 的硬件设计与实现 用指纹进行身份验证已经有很长的历史了。随着计算机技术的发展，它 的应用正渗透到更多的领域。确定两个指纹是否相同是一个非常精细的过程， 需要对指纹的特征点进行仔细的辨别匹配。使用计算机指纹自动识别系统， 可以节省大量的人力和时间，而且可以更加准确的验证人的指纹。由于处理 指纹图像需要大量的内存和时间，以往都是由高性能的工作站或者小型机来 完成这一工作，因此造成指纹识别相同造价很高，系统复杂，体积非常庞大， 显然不适合在一些场合如保安、网络、门禁等系统中应用。由于d s p 芯片具 有很高的数学计算能力，某些方面可以和高性能的工作站相比，处理指纹图 像的速度可以满足实际需要。另外，某些d s p 芯片有灵活的外部接口，由它 组成的微机系统可以集图像采集、端口驱动等电路模块于一体，体积小，价 格也相对便宜。因此利用d s p 技术可以将指纹识别系统与宿主机脱离，形成 独立指纹处理器，以满足小场合或者一些前端设备的使用。 3 1 d s p 概述 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 i 占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 理论研究阶段在此阶段最具代表性的著作是美国a v o p p e n h e i m 和 r w s c h a f e r 写的d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ，是数字信号处理的经典著作。 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。d s p 技术的迅速普及，为今天的信息高速公路建设奠定 了基础。 电子科技大学硕士学位论文 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r l 、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 e s 、s i e m e n s s e m i c o n d u c c t o r 等公司都在全力开发和生d s p 器件。 数字信号处理的基础使数字计算机和算法。由于早期的计算机速度较慢， 信号处理很繁琐，是非在线的处理。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d s p 、数字滤波、频谱分析 都是采用通用计算机。8 0 年代，现代的d s p 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。到9 0 年代，先进的 d s p 、流水线、并行指令、v l s i 的实现。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几个系 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提高几个数 量级。最新的d s p 具有如下的特点： 1 ) 在单个指令周期内完成乘a n 运算； 2 ) 速度达到l o l 1 0 3 m i p s 的定点运算； 3 ) 指令中有循环寻址、位倒序等指令； 4 1 数据交换达到每秒数百兆字节的传输速率； 5 ) 并行性： 6 ) 多处理器结构； 7 1 片上设置仿真模块或者仿真调试接口； 8 ) 低功耗； 9 1 可集成； l o ) 开发环境及支持软件迅速发展和不断完善。 电子利技大学硕士学位论文 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6 0 ，品种也最多。1 9 8 2 年t i 公司推出t m 8 3 1 0 t m s 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 1 x 、c 2 x 、c 2 x x 、c 5 x 、c 6 x 定点型d s p ；c 3 x 和c 4 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 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、代数语言、汇编语言或者两者的混 和语言编写的d s p 程序编译、汇编并链接成为可执行的d s p 程序，其主要包 括：c 编译器、汇编器和链接器。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。 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d 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， 使程序的调试于修改更为方便；c c s 集成的代码生成工具，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，在基本代码产生工具的基 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 的软件模拟功能，对算法进行软件仿真的研究。 3 3 自动指纹识别终端方案设计 电子科技大学硕士学位论文 根据前一章设定的设计原则，我们的系统硬件构成框图3 1 所示 图3 1 系统硬件框图 3 4 主要功能模块具体描述 3 4 1 指纹传感器模块 我们选用v e r i d i c o m 公司的f p s 2 0 0 指纹传感器，该传感器是v e r i d i c o m 公司的最新产品，它具有如下特点： 一一传感器阵列为2 5 6 * 3 0 0 ； 一一分辨率可达5 0 0 d p i ； 一一内部集成8 b i ta d c ； 一一支持以多种方式和主处理器无缝连接； 电子科技大学硕士学位论文 一一自动指纹检测； 一一功耗不超过2 0 0 m w 。 由于该芯片具有以上特点，它非常适合作为手机系统中的指纹采集设备。 我们在硬件电路设计时，将利用其8 - b i t 微处理器总线接口与d s p 相连，为 了保证其输出数据的时序与d s p 协调一致，将利用c p l d 对其实需进行必要 的调整。 3 4 2d s p 模块 本系统采用t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 ，这款d s p 基本上能够模拟当前的手机中的 d s p 系统，如果在该d s p 上能够顺利实现系统功能，那么，在未来的3 g 手 机中指纹识别的实现将不成其为问题。 在d s p 使用上，我们计划主要利用d s p 的并行存储器接口、多通道缓 冲串1 2 1 作为与指纹传感器、l c d 显示屏和按键等的接i ：1 。 3 4 3l c d 显示模块 在本系统中采用f m l 2 8 6 4 i 作为指纹图形显示和处理结果现实的用户界 面。f m l 2 8 6 4 i 是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器列驱动器及 1 2 8 6 4 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示8 4 个( 1 6 1 6 点阵) 汉字。 它具有如下特点： 1 、电源：v d d ：+ 5 v ；模块内自带一l o v 负压，用于l c d 的驱动电压。 2 、显示内容：1 2 8 ( 歹i l ) 6 4 ( 行) 点 3 、全屏幕点阵 4 、七种指令 5 、与c p u 接口采用8 位数据总线并行输入输出和8 条控制线 由此可见，该l c d 显示器可以方便的跟处理器连接。我们在电路设计上 为了便于调试，将d s p 输出与l c d 连接的控制性引脚先连入c p l d ，便于灵活 的调整时序。 电子科技大学硕士学位论文 344 o p l d 控制模块 本系统中，c p l d 主要是完成对指纹传感器采集到的数据进行时序调整 以适应d s p 数据口的时序，同时还完成对指纹传感器、按键、l e d 和l c d 显示屏的控制。 3 5 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 的介绍 可编程d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速数字信 号处理的目的，d s p 芯片一般具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作 功能、单周期完成乘法的硬件乘法器、一套适合数字信号处理的高效率指令 集。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 一b i t 定点d s p ，主要特点如下： 运算速度快，达1 0 0 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 1 7 的乘法器和1 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 0 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 1 6 - b i t 的数据空间，8 m 1 6 一b i t 的程 序空间和6 4 k 1 6 一b i t 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 ds 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 lb 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 ti 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 。 电子科技大学硕士学位论文 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。实际系统中我们为b 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 2 2 ) ，因此由d s p 通 过c p l d 中的逻辑电路( 后文介绍c p l d 时有对该电路的描述) 来控制s r a m 的a 15 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 存储空问，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 0 1 0 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 0 1 0 的地址线接口，各按键通过i n t 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的工作。 随着半导体技术的发展，更先进的d s p 芯片已经逐渐投入商用， t m s 3 2 0 c 6 4 x 系列就是其中之一。t m s 3 2 0 c 6 4 x 系列也是定点芯片，采用 r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集) ，因此指令周期更短、 运算能力更强，甚至已经达到4 8 0 0 6 4 0 0 m i p s ；同时该系列芯片的c 编译能 力更加完善，汇编出的目标代码效率更高；比较t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列而言，c 6 4 x 系列达到了8 级流水线。有理由相信，d s p 技术的发展必将为数字指纹识别 处理的实现提供更加便利的条件。 电子科技大学硕士学位论文 第四章指纹识别的软件设计 4 1 指纹识别流程概述 经过指纹传感器采集到的指纹信息是8 b i t 的数字信息，因此d s p 程序可 以直接对该信息进行处理。我们设计的指纹识别处理的总体流程如下： 图4 1 软件总体流程图 目前已经有学者提出将上图中的灰度图滤波去噪、二值化、二值化去噪、 细化、细化去噪这几个步骤进行组合处理，即是采用组合算法一次性完成这 几个步骤。但是经过我们研究发现，这样做不利于各个软件模块的独立调试 和性能分析，而且，这类的组合算法中的很多重要的参数的选定经验性极强 且只能针对某种分辨率的指纹数据，其通用性也不够好。所以，我们的软件 设计最后仍然采用将这几个步骤分别用不同的算法独立完成的办法。以下具 体描述每个功能模块拟采用的算法。 4 2 灰度图滤波去噪一一预处理 预处理的目的是去除指纹图中的叉点、断点及模糊不清的部分，使得指 纹图像得到有力地增强。传统的灰度图滤波有各种方法，如均值滤波、中值 滤