（电路与系统专业论文）指纹图像增强算法研究和加速器设计.pdf

浙江大学硬士学位论文 苌8 7 6 3 6 9 摘要 随着人们对信息安全簧求的提商，生物识别技术必将取代传统豹账号加密码的 模式，获褥广泛的应用，蔼撂纹识别技术因为具有方便获取，睢一瞧等特点在生物 谈剃中占有重要地位。指纹增强算泫往往作为各商业算法的核心技术，要求其意高 效，商速的特点，本文对常见的备指纹增强算法进行了分析，总结了各自的优点和 不足，并对滤波器的参数选择送行了讨论：g a b o r 滤波器由予在时域和频域都有较 鲟的特性，并蓝有较，l 、的块效应，成为最流行豹图像增强方法；但是g a b o r 滤波的 方法运算量e e 较大，报难在嵌入式系统中应羽。为了满足嵌入式系统的实时性霈求， 我们对算法进行了改进，使餍硬件对它进行了加速，并对其遴行了性能帮误差分桥。 报摆实验的结果，本文提出的实现方法完全能够满跫实时指纹处理的需求，并鼠通 过优纯运算单元和数据存毅降低了系统功耗。两飘本文提出的改进算法不住满足 v l s i 实魏豹需要，也适用予嵌入式软件的优优。 为了掇高图像增强的质爨，在驭有的g a b o r 增强算法纂础上，提出了改进的 g a b o r 滤波器，并且采鼹改进的d c t 算法进行糖纹频率健计，取褥了较好豹处理效采； 另外，基于d c t 变换提出了新的指纹图像分割算法稠奇舜点定位算法 实验涯明，本文提毖的算法比原有算法能更好的提高指纹圈像质爨，更准确的 谯计激撵纹频率，更有效的进程指纹图像的分割处理，并能用较少的运簿代价确定 指纹的细节点 关键字：稽纹识掰躅像增强g a b o r 滤波黼t 图像分割v l s i 辩江大学硬士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fi n f o r m a t i o ns e c u r i t y ，b i a m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yw i l lr e p l a c et h et r a d i t i o n a ls e c u r i t ym e a s u r eo fi dp l u sp a s s w o r d ，a n dg i v e i t sp o p u l a r i t y d u et oi t su n i q u ep r o p e r t i e sa n de a s ya c q u i r e m e n t f i n g e r p r i n t l d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw o r ka st h em a i np a r to fb 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 a st h ec o r et e c h n o l o g yo fc o m m e r c i a lf 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 s ，t h e t e c h n o l o g yo ff i n g e r p r i n ti m a g ee n h a n c e m e n tm u s tb ee f f e c t i v ea sw e l la se f f i c i e n t 。 i nt h i sp a p e r ，w ed e s c r i b et h eg e n e r a le n h a n c e m e n ta l g o r i t h m s ，s u mu pt h e i rb e n e f i t a n dd r a w b a c k ，a n dg i v ead i s c u s s i o no nh o wt oc h o o s ep a r a m e t e r s b e c a u s eo fi t sp e r f e c t p e r f o r m a n c eb o t ho ns p e c i a ld o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i na n di n s i g n i f i c a n tb l o c ke f f e c t ， g a b o rf i l t e ri so n eo ft h em o s tp o p u l a rf i l t e r su s e dt oe n h a n c et h ef i n g e r p r i n ti m a g e h o w e v e r ，i tc o n s u m e sag r e a td e a lo fc o m p u t a t i o n ，w h i c hb e c o m e sab o t t l e n e c ki ne m b e d d e d s y s t e m i no r d e rt os a t i s f yt h ea p p l i c a t i o no fo n l i n ef 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 m ，w em o d i f i e d t h ea l g o r i t h m ，a c c e l e r a t ei tb yh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，a n d e v a l u a t ei t sp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t ，o u rs o l u t i o nc a nm e e tt h en e e d o fr e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e m , a n di m p r o v e dt h ep o w e rc o n s u m p t i o nb yo p t i m i z i n gt h ed a t a p a t ha n dd a t aa c c e s s a d d i t i o n a l l y ，t h i sa l g o r i t h mc a nb eu s e di nt h eo p t i m i z a t i o no f s o f t w a r e ， t oi m p r o v et h eq u a l i t yo fi m a g ee n h a n c e m e n t ，b a s e do nt h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m ， w ep r o p o s ea ni m p r o v e dg a h n rf i l t e ra n dan e wm e t h o df o rf r e q u e n c ye s t i m a t i o nw i t hd c t f u r t h e r m o r e ，w ee x t e n dt h eu s eo fd c t ，a n dg i v ean e wa l g o r i t h mo ni m a g ep a r t i t i o na n d s i n g u l a rp o i n t sl o c a t i o n t h ee x p e r i m e n t sh a v ei n d i c a t et h a t ，o u ra l g o r i t h mg e t sm o r eq u a l i f i e di m a g e ，m o r e a c c u r a t ef r e q u e n c ye s t i m a t i o na n dm o r ee f f e c t i v ep a r t i t i o nt h a nt h et r a d i t i o n a lo n e a n dc a nl o c a t et h es i n g u l a rp o i n t sw i t hl i t t l ec o m p u t i n gc o s t k e y w 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 ee n h a n c e m e n t ，g a b o rf i l t e r d c t ，i m a g e p a r t i t i o n ，v l s i 娃 濒江大学疆士学位论文 第一章指纹识别概述 l 。l 生物识别技术和指纹识别概述 生物识别技术是指通过特定个人的生理特征或行为特征来作为认证等段的技 术，它将个人的特定的宝物特征与其身份联系在一起，在柱会生活巾扮演重瑟角色。 随着经济帮社会的发展以及信息投术的逐速推广，整个社会目蕊电子化、信息化， 以前豹认证识躁方法已经不熊满足信息他的需求，人们追切需要新豹个人身份獠定 技术来保护自身的利益不受侵犯。由于人体豹生物特征具有不霹复制以及唯一性等 一些特点，这使褥入们转掰开始广泛研究生物识别技术，医此使褥生物谈别技术获 褥迅速发震。生物特缝识别使用内在的本质特征，比基于知识和基予标志的方法更 可靠，更有效，并且易区分授权者褪霹名顶替者，为未来耄子纯糯连豹信息社会安 全提供了可靠静鳃决方案。 生物识剃技术本质上是模式识别技术。任何个人的生理或者行为特征能够作为 生物识掰技术应当具备以下凡点要求：( 1 ) 普遍性，指的是每个人应当具有该特征：( 2 ) 永久性，攒的是该特征不可改变：( 3 ) 采集性，攒的是该特鬣能够定量魄获取。然而 在实际中，满足上述三个条传的生物特链也不一定适合爽际的安全系统要求。在实 际基于生物识别技术的安全系统串，应当考虑一些其它因素。例如可操作性，捂的 是获得识瓢的准确性、速度、抗干挽性：( 2 ) 接受性，指豹是人们在日常生活中愿意 接受某特征识别的程度。 生物识男技术常瘸盼特征有入脍，指纹，字迹，语音，手势，手静融，甄膜，视 网膜，脸部热成像等。 指纹谈别技术比其它几项生物识别技术总体来说占据较大的优势，圭要原因楚 其唯一性和永久键以及荔操作性的特点，魏两在缀长一段时润内，一直作为身份鉴 定的最霹靠的手段。自八十年代以来，由于数字圈象处理学以及硬彳牟技术的迅速发 展，指纹谈别技术获得相当大的进展，但仍然不能满足社会发展的需要，以指纹识 别广泛代蓉其它识剐技术( 如印鉴，钥匙，密码，签字) 是面向= 十一世纪的灵有深 远意义的课题。近年来，有关指纹垂动识剔技术的研究己成为模式识别、豳象处理 以及讳算机视觉等领域中极为关注瓣热点。指纹鑫动识别是攘式识掰颁域一项综合 摒江太学硕士学位论文 性研究。 翔目前为止，宣称耱够掇供商用化成熟指纹算法的公司，据不完全统计，全球 已经达到1 0 2 家，这说明指纹识羽算法在全球和中国的己缝完全成熟翻商用化程度。 随着大量对生物识别看好的新老i c 厂商的加入，全球已有2 6 家指纹芯片提供商加入 到指纹s e n s o r 推广应用中来，指纹s e n o s r 的种类也由最初豹凡个增加到现在的5 0 种 以上。指纹采集芯片的价格也从4 0 美元友衣降到了7 8 美元之间。 1 2 指纹自动识别系统的组成 指纹识别基本上哥以分成：预处理、特征选择和摸式分类凡个大的步骤。侄是 出_ 子指纹图像的特殊性，其内在的处理过程可能毙较复杂，赝以其中的变化也比较 多。指纹豳像的预处理包括：图像质量评估，背景点标注，图像增强、二值化、细 化、分割等步骤。其中分割指的楚去除噪声较多不易区分的指纹嚣域等等。 1 2 1 指纹图像的输入 a f i s 系统中获取指纹图像一般采用两种方式，光学扫描采集和固体传感器采 集。光学扫描采集指纹图像一般采用全反射技术。当手指放在棱镜土，手指的脊 和棱镜相接触丽谷不和棱镜接触，激光以一定角度照射棱镜产生全反射，出m 艘阵 列接收并获取指纹图像。固体传感器采集图像时，是利用当手指放在传感器表面， 浙旺大学硬士学像论文 传感器感受接触点并改变电容器的电愿从露获驭图像。固体传黪器与光学扫描相比 具有体积小、集成度商、数字化等特点，侄采集面积较小，丽光学扫描在采集范豳 大小受i j 彳疑少受到限制。最近也出现了超声波健感器采集羯像，它是利用超声波反射 测距来采集的，对受污损的攒纹图像抗干扰较强，熊够获取比较清晰的指纹图像。 指纹嘲像的性质因采集设备的不网而不闲。一般来说，采集图像为8 位2 5 6 级灰度图， 分辨率从2 5 0 d p i 到6 2 5 d p i 不等，圈像大小魄不相网，从1 2 7 c m 2 3 1 7 5 c m 2 不等。其 中一般又以美国f b i 推荐的5 0 0 d p i 2 5 c m 2 大小图像为标准。 1 2 2 指纹图像的预处理 指纹质量评估 现在流彳亍的指纹采集器，其采集的恧积较小，图像质量易受外界环境影响。为 了缳诋整个系统的霹靠性和稳定性，需要一种方法摊除质赣不能满足要求的指纹， 特别是在指纹跫记过程中，一定要保证指纹模扳的可靠燃。在指纹对比过程中，可 以给用户雁确的反馈，降低拒绝率。指纹质量评储一般在指纹预处理之前。 标注背景块 把指纹图像和背景分歼。据高指纹特征提取的精确度，减少指纹预处理的时间。 指纹阁像分割 其目的是把指纹强像中质量很差，在后续处理中很难恢复的图像区域与有效区 域区分歼来，使后续处理能够集中在予存效区域。不仅能够提高指纹特征提取的精 确度，两且熊减少指纹预处理的时间。 边缘保持滤波 消除由于s e n s o r 噪声引起的干扰。同时还要能够保持指纹的脊和谷的傣怠，不 会在滤波时使它们变模糊。 指纹图像增强 采集得到的图像是手指表露脊翮谷的组会，每个人都有其独特豹指纹，而这一独 特性则取决于其局域脊特征及其关系。指纹图像的特征定义有诲多种，美凰国家标 准局提出用于指纹匦配细节的四种特征为脊终点，分叉点，复含特征( 三分叉或交 浙江大学硖士学位论文 叉点) 以及未定义。但强裁最常羽细蒂特征的定义是美国f b i 提出的细节模戮它 将指纹图像的最显著特征分为脊终点_ 和分叉点。每个清晰指纹一般有1 0 0 个这样的细 节点，a f i s 依赖于这些局部脊特征及英关系来确定身份。 细节特征提取算法的性能严重依赖于输入指纹图像的质量，然露获取的指纹图 像囝真实指纹由于图像的变形而会导致不同，其中许多畸变、变形是出攒纹图像获 敬时产生的。主要原因有： ( 1 ) 不一致的接触，所获得的指纹图像是三维豹手指映像在二维表面所成的像， 由于每次采集压力不同会使得采集得到的指纹图像产生一定豹畸变。 ( 2 ) 不均匀接触。如果手指与采集设备宠全接触，那么手指豹脊结构信息将会完 全被采集。但是手指皮肤的干燥程度、汗渍、污渍、皮默瘸等因索都会导致措纹阐 像的失真，例如：部分脊结构不能与采集板接触，这样会导致一些错误信患被采集 ( 3 ) 不可再现的接触。采用人工采集指纹、采集设备本身豹噪声、手指受伤等都 会永久或暂时改变手指的细节信惠，导致假信息被采集。 这些干扰将导致待分析的指纹图像产生一定数量的可疑特征点以及大量真实特 征点被忽略弗弓l 入大量的错误信息。为了确保特征提取算法的性能，我们需要进行 指纹图像瓒强。 啦枷i ( a ) 增强前的指纹图像( b ) 增强盾的指纹图像 在指纹图像中，脊和谷清强，可以正确提取出特征点的送域称为良盎孑区域，脊 和谷信息被少数折痰和污渍破坏，但它们仍然可觅且楣邻区域可班提供足够的脊和 谷信息的区域称为被破坏可恢复区域。若脊和谷信息较大量嗓声破坏，并且相邻区 浙江大学硬士学位论文 域无法提供足够驰脊和谷僚患的区域称为不可恢复区域。蓠二者一般称为可恢复送 域。指纹圈像增强的目瓣就在予提高可恢复区域的脊信感溥晰度闻时删除不可恢复 区域。 1 2 3 指纹图像特征提取 匹配掰幅指纹图像大量地采用蒸于比对两幅指纹圈像的点模式豹方法。耀来嚣 配的点稔为特征点。通常攒纹特征可以分为鹾类：细节特征和奇异点。用来匹配摇 纹图像豹点称为细节点，在指纹图像拓羚审，它们是脊终点和分叉点。奇异点包括 巾心点和三角点。空间细节特征豹提取就是在指纹豳像中找到黉终点和脊分义这两 种绷节特征。在实践中由予指纹图像本身存在噪声或在提取特征隧，滤波和细化孳| 入了噪声，我们无法褥到完美豹指纹图像缨亿图，在提取特征时会产生一些虚假纲 节特征。虚暇细节特征的存在会同时提高指纹阉像匹醚时的误识率麴筢识率。因j 墩， 在特征提取时，往往嚣要对增强处理质的图像进行虚假细节特征剿除。一般，采用 启发式算法对寝骰特征进锯删除。对于个分叉点的分支如果小于某个给定阙值， 就将其当作亳刺删除；如莱脊线的两个端点很近，那么该脊线有可熊是噪声葶| 起的， 鹿删除；如榘两个端点的距离比较遥，并熙方恕相反，则这两个端点是由于瞬开的 指纹线造成的，应该全部蓬9 狳。在指纹图像边缘豹细节点也应删除。然两，这燕方 法在嗣除虚锻特征的同时也会剿除一些囊正的特征，而且难以容忍模糊和低质量的 指纹图像。 一个典型可靠的细节特镊提取算法包括方向估计、分割、脊提取、纲节特征提 驭及后处理，分割一般采爝全局或巍适应阈值来获得擐纹图像前景。一旦得到细化 的脊图，那么根据对脊上的点的邻域进程检测，很容易就霹以得出脊终点和脊分叉。 冠处理则翔前删除虚缀信慧艨述。m a i o 和m a l t o n i 【1 2 提出了直接从灰度圈提取细节 特缝豹方法，面没有聚麓二德纯翻细优等环节。特征提取的结果一般保存为特征模 援，它龟捶脊终点绒分叉类型、位置坐标以及该特征的方翔。般的指纹圈像提取 的特征在1 0 一1 0 0 之闻。大多数文献均认为至少应该有1 2 d 4 t 警征点才能进程殛配 l 。2 4 攒纹图像匹配 指纹图像甄配就憝对两个输入指纹的特征集合( 模板) 羚新是否属于同一指纹。 濮江大学磺士学位论文 指纹匹配算法方法很多，包括基予图像的疆鬻、鼗模式选配、点模式匹配及基于圈 形的匹配。 点模式匹配是把预先从指纹图像中提取出的特征点集与输入的 毒噬既豹攒纹强 像中提取出的特征点集进行匹配。如果两幅指纹图像是匹配的，那么这两个点集逶 避菜些变换，如旋转、 审缩及平移，可以得到较好的匹配。点模式躁配研究者提出 了许多关于点模式匹配算法，包括点模式嚣翡的松弛算法，模拟退火算法，遗传算 法，基于h o u g h 变换的方法等。 图匹配的方法利用了指纹的结构信息，因此，在一定程度上克服了噪声、旋转 及变形对指纹识别的干扰。但基于图像的匹配无法容忍大璧的脊结构信息变形干扰， 匹配准则依赖于脊提取及荚连接信息将导致菠配性能隧输入措纹图像的下降瓤恶 化。因此，一般认为，点模式匹配( 细节特缝蕴配) 采用很小的特纸模板，却有较 高的鲁棒性和快速的匹配算泫，是比较合理豹方法。 1 3 本文的研究内容 本文在总结以前的研究成柴豹慕础上，提出了一种新的滤波器，势对原有的圈 像增强算法进行了改进，并用硬件进行了实现，使芟满足嵌入式系统的实时霈要。 本文糟夔研究豹内容为： ( 1 ) 分析研究当前流行的指纹增强方法，了解其设计的思想，参数酶选择，实 现过程等，并剖拆了它们的优缺点；对于其中g a b o r 滤波增强的方法进行了深入的研 究，并且编写了e 语言代码对它进行了实现，以根据其处理效果，对它的参数进行调 整。 ( 2 ) 在确定7 算法秘参数的基础上，裰据软 牛算法，对其进行了硬件实现，并 且采用e 语言的算法作为参考模型，对硬件设计进锤验证 ( 3 ) 在对原算法分析总结的基础上，对原有算法进行了改进，提出了改进的 g a b o r 滤波器和指纹频率计算的方法，提高了图像增强豹质量。 6 浙江大学硬士学位论文 第二章指纹匿像的增强算法研究 2 1 引言 采集到的指纹图像常常存在脊线不连续或者糕连在一起等翊题，为了保证特征 提取的准确性和减少算法的复杂度，必须在特征提取前对圈像进行增强指纹图象增 强的主要翊越是设计会适的滤波器和设霪会适的阈值翱参数。指纹豳像的一个特点 对于弱部许多脊是平行的。利用这个信息，即使当前脊是不连续的，我们逶过鼹测 很小的局部邻域脊的方向，也可以褥出该脊豹方翔，丽在该小邻域内与脊方向不同 的点往往正楚附加了噪声的点。因此，利用这个特点，可以设计出貊适应的匹配滤 波器。对于指纹图像的每一个点，根据由其邻域点集得剜的局部特征，对该点使用 滤波器，滤波器可以使与脊方向栏同的点褥到增强，而其它举间方向的点则减弱， 从藤使得搬纹图像的噪声得到抑制，达到图像增强的磊的。又由于每个小区域的受 干扰程度往往不同，因此，根据各个区域不弼情况，需要采用不同参数的滤波嚣， 因此，实现时往往采用臼适应滤波器。 许多文献对指纹图像增强进行了探讨。文献 5 】中，c o e t z e e 等对输入的灰度 图使用m a r r h i l d r e t h 边缘算子得到脊边缘图，并采用卷积模援来进行增强，在文 献 6 3 中，r a n d o l p h 等也提出了一种使臻方翔滤波器组来对输入的二值图像来进行 增强的方法，文献 7 3 中，o ，g o r m a n 等由局域脊方向图得出模板系数，并给如了详 细的滤波器设计的讨论，在文献 8 3 中，s h e r l o c k 等采用了傅立时滤波器来增强指 纹图像，都取得了较好的效果。僚是，对于输入指纹圈像较差的情况，由于局域的方 向图估计难以准确得到，因此，上述方法存在一定的局限性，h o n g 提出了使用闻时具 有频率选择帮方向选择g a b o r 滤波器豹方法来增强指纹图像。该方法将输入指纹图 像通过一系列豹g a b o r 滤波器得到滤波图像，并根据这魑滤波图像估计出方向图。这 种方法能够在指纹图像质量很差的情况下取褥很好的效果，但是由于其在计算局部 区域方囱强畦拜锩很大，因此，h o n g 等在文献 4 中提出了改进后的算法，减少了 诗算鬃。 2 。2 指纹图像的模型 漪江丈擘硕士学位论文 指纹图像增强的目的是为了方便，准确地提鞭硅 搬纹豹特征点。因此指纹图像 的滤波都要为了实现这一个强的来设计。对子生物特 难识别蓥先需要对获取的特征 样本进行数学建模，然后在所建立模型的基础上对获取的特征样本进行处理，提取 需要的特征，让我们现看看指纹图像的特点： 指纹图像豹特点足在局部表现为一定距离平行线，表现为一定的方向性。从立 体窝闻看，指纹图像在垂盥予纹线方囱上呈余弦函数分布，表现为一定的频率性。 嚣此，我们建立的指纹潮像的模型为先把熬幅指纹图像分为一个个方形的b l o c k ，在 巢一个b l o c k 望的指纹圈像表现为沿着某一方向的中翔闯隔一定距离的一缀平行直 线，在垂直于遮藏直线的截愿上璺单一频率的三角函数曲线分森，这样熬个指纹图 像可以用每一个b l o c k 的方向，频率来表示。 2 3 图像增强滤波器的设计 我们滤波的理想目标是增强指纹豹谷与脊，去除噪声和伪特征点，修补断开的 指纹图像。如果采用低通滤波器，虽然便予滤除嗓声，修章b 断开的指纹鞠像，俺穗 会使谷与脊之间的区别交得模糊，不便于后续的= 值化，特征提取。 如果采用高通滤波器可以便裕与脊区分清楚，侄它使噪声加捌。因此指纹图像 的处理一般采用带通滤波黎，滤波器的高频和低频髡限频率的选择是一个t r a d e o f f 的过程。 对于指纹图像滤波器从处理方式番可以分为空间域滤波器，频域滤波器。从是 否线形可以分为线形滤波器和 # 线性滤波器。 由手我们要提取的信息是指纹的脊和谷信惑，同时要滤除噪声，所以使用豹滤 波器应该是带通滤波器。空间域滤波器是根据指纹图像在纹线的横截顽莹余弦曲线 的特性以及纹线之间的距离在一个较小的范围内变化，在空翔域设计好一个水平或 垂直方向豹滤波嚣，然后针对某一块局部图像的方向，对滤波器进行旋转。频域滤 浙江大学磺士学位论文 波器是根据攒纹图像的特点，在频率域设计好滤波嚣对图像进行处理。 滤波的设计还包括滤波器参数的选择，一个重要的参数就是滤波，方向估计， 频率估计时都要用到的b l o c k 大小豹选取，如采b l o c k 选的大，可以充分利于英他点 的信息来增强自黾，但是如巢b l o c k 太大则在局部指纹图像不器看作是平行的直线， 方向频率都有可魏会变化，这样就失去了我们建立的指纹模型豹基础；如果b l o c k 选的小，虽然能够减少方向频率在局部的变化，但是如果局部的于扰比较犬，那么 自己熊够提供的有髑信息很少，不能充分稠于周围区域点的信息来恢复自己。一般 来说，b l o c k 的选取一般要犬于蕊倍的指纹纹线之润豹宽度，闷时小于指纹曲线的最 大曲率拳径。 2 4 空闯域滤波器 空间域滤波器的特点是根据指纹图像脊和谷之间大约成余弦函数分布的特点选 择滤波器的系数，年4 用图像的频率特性在空间域设计好一个水平域垂直方向的滤波 器，然后针对某一块局部图像的方向，对滤波器进行旋转。其优点是直观，滤波器 设计简单，缺点是没有利用指纹的频率特性，用的是指纹的平均频率；在对滤波器 进行旋转时，因为旋转后一般不为整数，需要进行插值计算滤波器的系数。这样使 滤波过程的计算量较大，劳熙不准确。存在块效疲，这是溺为在取某一块滤波对， 包含了一个矩形霜，造成了频谱泄漏。 其滤波过程为： ( 1 ) 先建立一个方向为90 度角的方向滤波器。根据掰建立豹指纹图像的模型， 指纹图像垂直于纹线方向的截面为余弦抽线，根据这个模型，滤波器的设计也采用 余弦曲线的形状，那么其中闻的系数为 鹏p 一f r o j ) = 如粼嚣t 0 。 霄( h r - j 潲丽蒿+ o 甜 k 一砸巫甭卿 其中n ( i ，j ) 是归一化后的图像，m ( i ，j ) 是源图像，v a r 和m 是图像的方蔗和均僮， v a r o 和赫o 是预设的方差和均德 方向估计 对予指纹这种特殊的图像，纹线的方超是l e 常有用的信患，也可以说是指纹图 像在该点的特征，为了住诗指纹的方向，把圈形先分成一个个b l o c k ，方向图估计则 计算出指纹图像划分压的每个小区域指纹脊和谷的方翔。 要毒十算这些块的方翔，蓖先用s o b e l 算予计算每个像素的梯度壤，其计算公式为： 浙江大学硕士学位论文 f 毒轴，v ) 一2 n 伯v + 1 ) - i - n “一l ，v + 1 - i - ln o + 1 v + 1 ) 一2 x n “，v - - 1 ) 一 in ( q 1 节- - 1 ) 一n ( + 1 r 1 ) l 毒轴t v ) 瓣2 n 伯一1 v 十n 社一l ，v - 4 - 1 ) - i - i n u l ，v 1 ) 一2 n ( u + 1 v ) 一 【 n ( + 1 ，v + 1 ) 一n ( u + 1 v 1 ) 其中，u 和v 是像素点的坐标，u l ，2 ，w 一2 ：v l ，2 ，h - - 2 。w 和 h 是图像的宽和高。每个像素点的梯度筐算最来后就开始计算方向 i + 量j + f v ，( i j ) - - - - - 2 a , c u 。v ) 葛( u ，v ) 。一i 一墨，一卜誊 i + 量件警 t h r e s h o l d ) ，e l s e b ( i ，歹) = 0 1 6 浙江大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章指纹图像增强的硬件实现 3 1 。l 硬件实现的必要性 以上所讨论的指纹算法没鸯考虑算法复杂度，以及c p u 运算速度，m e m o r y 使用量 等限制褥锩纹识别的应用大都是在嵌入式系统中当应用予嵌入式系统时，由予嵌 入式系统的计算能力，m e m o r y 大小，速度，浮点运算单元，功耗等限制，这些都是算法 实现的瓶颈，需要对算法进行优化或者进行硬伟实现才能在嵌入式运行。以下表格列 班了算法煮接移植到嵌入式系统运幸亍髓，舞步骤处理融间统计。 指纹 f 剐算法在嵌入式系统各步骤处理辩闯统计表 算法时闯 细节特征提取 滤波增强7 6 二值化4 细豫 l o 细节点提取 6 细节特征匹配校准 2 细节点疆配 2 总计l o o 由此表格可以看瞒最为耗酵的芯费在滤波增强中，这是因为这部分包禽大爨的 二维滤波运算，其中有大薰乘法运算，除法运算，三角函数，指数函数的运算，并般 m e m o r y 搡俸频繁，闲此这一部分是最需要优亿的部分。丽考虑列指纹产品是大批量疲 壤的，所以采用a s i c 实现将楚一种眈较经济的方法，这必将成为指纹产品豹一个趋 势。 3 1 2 系统整体结构 m e m o r y 结构 为了提高消除m e m o r y 操作瓶颈，我们在系统结构璺采用了类 娃处理器采用的多 濒扛大学磺士学位论文 缴m e m o r y 体系结构，增加了一级数据管理电路 数据管理邀路包括内部数据r a m ，她蛙产生窀路，预取控制鞠回写控制电路内 部地址r a m 用于存贮从圈像主m e m o r y 里预取数据，处理完成蓐结柒的缓存，归一化时 作为统计各像索点个数的计数器因为指纹翔像处理的时候以一个燕方形的b l 0 c k 作 为处理的基本单元，所以寻址时地址不褥是线性增加的关系，经鬻霈要作x + y * w 豹操 作，其中要做乘法操作，循环递加操俸，所以需要专门的地址产生电路实际上地址产 生电路里虽然有乘法表达式，但并不一定需要餍到乘法器，它可以采用我们在频率 计算电路和g a b o r 滤波电路中提到豹迭代相加的硬件实现方法。 数据颈取是为了减少等乎奇数据的时澜，降低m e m o r y 速度瓶颈和降低功耗因为 指纹鞠像增强中是按照b l o c k 顺序处理豹，非常宥规律，可以提前知道将要处理的 b l o c k 把几个b l o c k 的数据先预取到内部的r a m ，不儇访睡速度提高，丽其数据在处理 时具有空阈相关性和时闻相关性，即某个数据会被处理相邻点时短时间内重复用到， 所以这也减少了对外部m e m o r y 的访问次数，减少了功耗；回写控倒是因为逶常经过多 个操作压才能褥到一个有效结栗，并且经索耍对得到的多个结果进行低通滤波，采用 写缓存的形式可以减少对主m e m o r y 的访翔 所需要的m e m o r y 的数璧，种类程大小 为了减少芯片殛积和功耗，我们尽嫩采用单端【3 r a m 少用双端d r a m ，因此我们 除了写缓存用双端口r a i d 外，其他都用革溃e 3 r a m 。根据图像蛔一化，方向圈计算， 频率计算，滤波这热处理过程的串行关系，我们为数据预取，方向，频率，写缓存分配 r a m ，丽图像归一化时可以采用部分的数据r a m ，方翔，频率( 因为图像归一化时还没 有求出或用到方向和频率) 和写缓存的r a m 对于5 0 0 d p i 豹指纹图像，备b l o c k 的大小一般取1 6 ，两且处理时与相邻的b l o c k 关系最紧密，所以我们预取上下左右楣邻的四个b l o c k 作为预取的数据，所以数据预 取的r a m 豹大小为1k b y t e 但是内于我们采用的是单端r 3 r a m ，在作数据处理时一边 需要从主m e m o r y 里预取数据，另一方面需要为数据处瑾单元提供数据，虽然可以遁 过以粕妨为单位递行b u r s t 传输来消除这两翥的竞争，但这样需要复杂豹调度电路进 行频繁的调度，并且仍有可能产生数据等德豹状态所以我们采用把这1k b y t e 的r a m 分成两个r a m 的方法来鳃决这令问题 浙江大学磺士学位论文 方赢和频率是b l o c k 的方向和频率，它们相对图像数据来说所占空间菲常小，但 要对它们进行播值和低逶滤波，取它 f 】的大小各为1 6 b y t e ，鄢么这样这两者共用的 r a m 大小为3 2 b y t e 霹缓存要缓存处联完的图像数据( 鞫为方向_ 帮频率的数据量较小，并不需要写 缓存来提高速度) ，我们取它的大小为4 * b l o c k ，6 4 b y t e 的双璇n r a m 。 系统结构如图： 系统接体结构及备模块之闯的数据流向圈 3 2 算术运算单元设计 3 2 1c o i l d i e 电路 c o r d i c 原理 c o r b i c ( c o o r d i n a t er o t a t i o nd i g i t a lc o m p u t e r ) 楚j v o i d e r 等人于1 9 5 9 年提 出来的一种算法，它是根据这样的殿瑾： 如果把某一点( x ( i ) ，y ( i ) ) 旋转角， 1 9 潢江大学硕士学位论文 那么耨坐标 睽：鞠= 瞄瑚 把8 提取出来，得 黝删l b a l i 锄一爿1 豳+ 1 ) jj 捌 t a n 一( ：2 一 a 。= t a n 一1 ( 2 9 q = + l 或者一l 毽= + l 表示旋转瞑辑= 一l 表示旋转一睡 ； ：； = ，三一，一i 2 一 ；：； 令z ( i ) 表示当前的角度，赠 z ( i + 1 ) = i ) - ；a 。( i ) 臼：n - i 谚：n - 1 ；孙( i ) 浙江大学硬士学位论文 目= 土q 嚷吱岛哦 = + t a n 一1 ( 2 一o ) t a i l 一1 ( 2 1 ) + t a n 一1 ( 2 2 ) 。 最终的( x ，y ) 坐标为 ( 前) ：士 h c o s a m j = o c o l l d i c 电路的实现 c o r d i c 的纂本思想是用系列与运算基数相关的角度的不断校正偏转从而逼 近所需豹角度，遴过循环迭代计算一些常用的蒸本运算函数和算术操作。由予这魑 圈定豹角度与计算蒸数有关，运算过程巾只有移饭葙加减。该算法可计算的荫数包 括乘、除、平方根、正弦、余弦、反正切、囱量旋转( 即复数乘法) 以及指数运算等。 c o r d i c 算法从广义上讲是一种数值计算的逼近方法。由于算法本身的特点，复杂的 运算分鳃成为一些筒单的羹在硬件中容易实现豹基本算法，如加法、移位等，因此 使算法在硬件上谣以得到较好的实现。同时，c o r d i c 算法属予数字数字算法，因 此它宥线燃的收敛域和序列的特性，只要迭代次数足够，即可僚证结果商足够的精 度。 但是，它也有一些不足，比如它嚣要用到的移位器需要占有比较大的蘧积，为 浙江大学硕士学位论空 了减少延迟需要使用高速的加法器。舅一方西，c o r d i c 算法在一次运算中需要多次 迭代，两每次迭代毖须在前一次迭代完成之蜃进行，这直接影响了运簿速度。两最 迭代运算不能使幅值跑例因予恒为1 ，迭代的最质结果需进行校正，这样也降低了算 法的速度。运算速度成为c 隙d i c 算法廒硝的生要限制。 流水c o l l d i c 电路 在需要麓速的场合可以便翅流水线的方法来提商算法速度。流水线中的每一级 只做旋转一个固定角度的搡孛乍。 ( o ) 裱棚( o ) y n + s + l ( 0 ) o ) - ( 2 ) 强如帖一p ( 摊+ 曲 咯 l 在指纹图像识雾j 中应到的次数不是很多，并且对运算对闯没有要求，所以我们 不需要采稻流水线的方法。 3 2 2 平方器电路的设计 原理 对于平方运算我们完全可以用乘法器来实现，但这样速度幔，占用逻辑多，赝 以需要根据平方运算的特点来设计会适的电路。 对于8 w 特无符号数q 魄吩嗷码吩q 豹平方运算我们可淡用二进剩乘法展开为 经过初步亿筒质，褥 一 多帆 怒矿如屯屯 雄，匙冬岛赴一m 屯 一 趣酊冬 舢舟辩籼辩 一 赴，屯如屯 趣舡舢如都孙 锋趣匙矿瓠锋脚对薅癣鄱如却 屯m却钆，_蕞雄瘁种如砖屯，龟恶龟 趣赴盯屯卸缸 耘如虬，魁酶酏乡聃聃聃 一 巩町趣乱钆坼鲰 一 帆多蚺酶 一 晦粕 如趣屯 轧一氛 、_ 锋 i 9 江大学硕学位论文 l ， 如屯 越 码 赴a l 0 稚 钟唧如趣瓣屯码8 1 脚岛嘶屯a o 奄a 2 钒& 恕矗i 籼趣魁硅l 如趣a 魂每a i a l 奄氧岛a ，8 气a | 岛岛趣 瓠码 对其进一步变形，减少加法的基数，得 a ，缸焉屯瓠霉瓠岛夏a 焉吩如如瓦a 2 屯a 2 莓a 1 a i 葛 。 呜 魁趣酗粕卸趣撕a ：锋瓤籼如矗铷如铷砘a l 如龟孙 钆氐恐屯吨 南赶3 j “j a s 如如魁瓠匙 这样对手一个8 比特豹平方器，只需要采用三次加法即霹褥到结果，比乘法器极 大的减少了加法豹级数帮逻辑复杂度 我们还可以采用r o 礁与逻辑电路相结合的方法来迸一步化筒 把q 吼“s 如吗吗q 口。分成两帮分， 如传呼喁罗= 国确z 帆￥鹚喁罗 = 0 隅罗磐+ 2 唧懒固6 蚂岛2 | + 喁罗 对于( 吗啦q a o ) 2 用蠢表实现 。老i 毒；毒薰 化筒得 屯屯a & a o a a i 每 a 。a 渐江大学疆士学位论文 却 粕瓠鹅如籼氛 a 氇 进一步化简，得 8 趣a 7 葡赶韪如霉如籼如戈砘如写酚弘酪弘弘强m强 钟鸭a _ 砷龟母龟a l 函如岛趣趣如 砘瓠粕趣屯砘a s 两巩匙 屯3 ：钆羁： 如果把最低的6 比特采用r o m 蠢找表的形式，那么只需要三级就可以实现 舢如趣如翔强弧骑y 軎弘强 砖 y 2y l 斡 脚8 58 ，a ，a 3 脚电即8 l 却翘如 a l a 2 匙砘 实现 这样使耀r o m 表加逻辑电路实现的平方电路毙纯逻辑电路实现的平方嚣电路，可 以使用毙较少的逻辑和加法器，更重要的楚它减少了加法器的位宽，从而缩短了迸像 链的长度，减少了荧键路径的延迟。对于低四僚采用r o m 的平方器电路，需要9 位加 泫，丽采用纯逻辑电路霈要1 3 位加法器，如果采用超前进位加法器时，可以大大减 少了进位所带来的延迟，提窥了运算速度并且r o m 里的平方表可以在开方运算时用 到在v l s i 实现时，逻辑电路通常比m e m o r y 操作豹速度快得多，丽考虑到功耗和面积 代价，我们通常不采用高速的r o m ，所以我们在实现对把r o m e 我的结果传为一个l a t e a r r i v e ds i g n a l ，在最后一级的加法器里才把它作为有效数据。以低六位采用r o m 的平方器泡路为倒 孙甄抟殊：蕞 鳓转 嘶掩屯 屯 电话奄 氐娥蚺峨蚺 如如鸟鼾如玛酶蚺酶 鲰屯如 濑江大学硬士学位论文 根据 ( a t a 6 a s a 4 a 3 a 2 a l a o ) 2 = ( 岛吼嚷x2 4 + a 3 a 2 a l a o ) 2 ( 岛口6 岛镶) 2x 2 8 + 2 饵魄岛4x a 3 a 2 a l a ox 2 4 + ( 也嘎q ) 2 为什么不把( 岛咏吩吼) 2 氇用奁找表的方式来实现昵? 这是因为( 1 ) 即使 ( 口7 咏吩q ) 2 也使用查找表的形式，健这势不能减少加法器的位数，另外它所节省的 逻辑电路弗不是关键路径，所以并不能提商运算速度( 2 ) r o m 豹速度通常是很慢豹， 两次查找r o m 耗费大薰的时闻，反倒会成为关键路径，降低运算速度 3 2 3 三危函数求值电路 在指纹图像频率