嵌入式指纹识别应用系统设计

1、嵌入式指纹识别应用系统设计 1、功能慨述, 产品特色的考虑功能慨述： 本指嵌入式纹识别系统是参考门禁、门锁、考勤、保险箱（柜）行业需求而设计的指纹识别产品。由高性能DSP处理器、大容量FLASH和彩色CMOS等芯片构成，具有指纹录入、图象处理、模板存储、指纹比对和指纹搜索等功能智能型模块。产品特色: 抗静电保护功能 集指纹采集、处理、存储、比对于一体 数据的存储和传输采用加密技术处理 提供丰富的设备协议接口，方便接入用户系统 适应于不同应用场合，用户可自行设定不同安全等级2、 CPU、存储器、显示器的选择一、CPU模块 基于DSP的指纹识别系统,硬件上利用DSP的高速处理能力,构建高速的数据处

2、理平台,软件上参考DSP和硬件逻辑的处理特点,对传统的指纹算法进行改进,满足实时性和可靠性要求。二、存储器模块 由于考虑到Flash 的性能、容量、成本及耐用可靠性,选用K9F1208UOM 作为NAND存储器, 其主要特点是:1. 编程电压:2.7V3.6V;2. 存储空间组织:(64M+2M) 8bit;数据空间:4planes1kblocks32pages512Byte;3. 命令/ 地址/ 数据/ 复用I/O 端口;4. 硬件数据保护: 当电源波动时, 擦除或编程操作停止;5. 可靠性:可经受100K 次的擦写操作,数据可保存十年。与Flash 存储器相比较,SDRAM 虽没有掉电保持

3、数据的特性, 但由于其集成度高, 单片存储容量大, 且读/写速度快,因此,在设计嵌入式系统时,经常用作主存储器。本系统采用HY57VBT-H 作为SDRAM 芯片,工作电压为3.3V,存储容量为4Banks 4Mbits 16bits,16 位数据宽度,由于S3C2440A 数据宽度是32位, 所以需要两片SDRAM。3、 LCD显示模块 S3C2440 的内置LCD 控制器支持单色、每像素2 位(4 级灰度)、每像素4 位(16 级灰度)、也支持每像素8 位(256 色)和每像素12 为(4096 色)的彩色LCD,并且也支持每像素16 位和每像素24 位的真彩显示。LCD 控制器可以通过编

4、程选择支持不同的LCD 屏的要求,例如行和列像素、数据总线宽度、刷新频率等。本系统采用3.5寸真彩TFT 液晶屏WXCAT-35TG3#001。3、 外围部件的考虑（IP）CAN总线接口通信模块CAN协议是建立在ISO的开放系统互联模型的基础上的，取其中的3层：物理层、数据链路层和应用层。物理层和数据链路层的功能可由CAN接口器件实现，而应用层的功能则要靠应用程序来完成。CAN总线接口通信模块的功能是接收和发送CAN总线数据。主要操作包括CAN控制器初始化和CAN总线上接收和发送数据的操作。信息由CAN控制器发送接收到CAN总线，都由CAN控制器自动完成。以太网通信模块以太网是通信网采用的最通

5、用的通信协议标准，该标准定义了在通信网中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网采用带冲突检测的载波帧听多路访问(CSMA/CD)机制，是一种广播网络。数据的发送和接收就必须按以太网IEEE802.3协议来进行。软件的实现主要有模块的初始化、数据的发送和接收3部分。片上移植的Clinux系统包含了TCP-IP协议栈，以太网控制器集成在AT91SAM7X256内部。因此，实际上只要网关系统置开启状态，模块的初始化也随之完成。4、 输入、输出设备的配置 先通过指纹传感器获取指纹图像信息，再由指纹处理模块进行图像的预处理、特征提取等相关操作，最后保存到存取单元中建立指纹库。识别时，同样通过指纹传感器录入

6、待识别的指纹，再经过指纹处理模块完成图像处理以及特征提取，然后将提取出的指纹信息与指纹库中信息进行匹配，显示匹配结果。指纹采集模块图像传感器是数字摄像头的重要组成部分,根据组件的不同,可分为CCD和CMOS两种类型：CCD是主要应用数字摄像的高端产品,效果好,但成本高；CMOS效果不如CCD,但成本要低一些。鉴于指纹识别器中对质量和成本的考虑,设计采用现代公司的指纹传感器HB7121B,它是使用015mCMOS工艺开发的高度集成的单片CMOS黑白图像传感器。该传感器的有效像素为400300个。传感器上有三个8位的ADC和414个比较器来数字化像素的输出。三个片上独立的增益控制,只需要很少的几个

7、控制信号就可从片内得到数据,因此很方便设计成指纹识别器。HB7121B传感器的特点有:400300像素分辨率；像素的大小为8m8m；集成8位的ADC用于直接数字量的输出；时钟速率可达15MHz；传感器的接口为I2C总线；内置自动增益控制器AGC。输出模块 作为独立的指纹识别系统,经过系统识别的数据可以通过LCD直接显示出来。系统在设计时,也可以将系统作为终端使用,即通过FPGA扩展出以太网接口,作为需要通过网络传送指纹库数据的大型指纹识别系统终端。 5、 操作系统的选择 选用Linux嵌入式操作系统,它具有操作系统的完善功能和强大的TCP/IP网络功能。近年来,由于ARM公司的支持,基于lin

8、ux的研发更是发展迅速。在市场上,基于linux的方案,产品更是层出不穷,linux系统的稳定性和可开发性受到了考验。嵌入式Linux系统从软件的角度看通常可以分为4个层次: (1)引导加载程序。包括固化在固件中的启动代码(可选)和Bootloader两大部分。 (2)内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及控制内核引导系统的参数。 (3)文件系统。包括根文件系统和建立于Flash内存设备之上的文件系统。它是提供管理系统的各种配置文件以及系统执行用户应用程序良好运行环境的载体。 (4)用户应用程序和驱动。特定于用户的应用程序和驱动程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界

9、面。 6、 开发环境（硬件、软件）的考虑。 系统硬件设计硬件平台大致可以分为5个部分:电源部分、核心部件(CPU). JTAG调式接口以及外部串行接口单元(SPI）。 系统硬件接口框图Power电源部分负责给系统供电。该系统是一个多电平系统，包括5V电源，3.3V电源以及1.8V电源。电源部分采用常见的LDO电压转换芯片实现5V输入电压到3.3V, 1.8V的转换。JTAG调试接口用于程序的跟踪和调试。SPI接口用于和RS232互联。核心部件是系统中最主要的部分，它包括中央处理单元DSP芯片、外接SRAM以及外接FLASH。 核心处理单元系统软件设计 对图像处理系统而言，任何一个应用都不能避免

10、需要比较大的存储体，因为图像本身数据量大，包含信息多。对该系统而言，一幅指纹图像的大小为300x300像素，每一像素采用8bits编码，256级灰度，则一幅图像的数据量为：300x300x8bits=90K bytes然而，该系统DSP处理器的数据寻址空间总共才64K words。即使我们把两个像素的数据合成1个word进行存储，一幅指纹图像也需要45K words的存储空间。因此，该系统整个数据空间只能存储一幅指纹图像。任何一个指纹识别算法也不可能在一幅指纹图像的空间里完成所有的运算。因此，我们必须把指纹图像存放在代码空间里。DSP处理芯片有8M的代码寻址空间，但是我们的算法代码量不超过16

11、K words，所以剩余的空间都可以根据需要用来存放指纹图像数据。每处理完一个步骤，就把需要保存的数据写入代码空间。7、 项目的可行性及主要困难解决的算法项目的可行性指纹识别技术通过分析指纹的局部特征,从中抽取详尽的特征点,从而可靠地确认个人身份。指纹识别的优点是指纹作为人体独一无二的特征,它的复杂度可以提供用于鉴别的足够特征,具有极高的安全性。相对于其他身份认证技术,指纹识别是一种更为理想的身份认证技术,指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点,更重要的是具有很高的实用性、可行性,已经广泛应用于金融、电子商务以及安全性能要求教高的行业中。 主要困难解决的算法指纹识别算法 指纹识别算法是指纹识别

12、的核心,本系统中采用的指纹识别算法流程如图所示。 图像增强是指纹图像预处理需要解决的核心问题,指纹图像增强的主要目的是为了消除噪声,改善图像质量,便于特征提取。 由于指纹纹理由相间的脊线和谷线组成。这些纹理蕴涵了大量的信息,如纹理方向、纹理密度等等。在指纹图像的不同区域,这样的信息是不同的。指纹图像增强算法就是利用图像信息的区域性差异来实现的。 传统的指纹图像增强就是利用图像的纹理方向信息,构造方向滤波器模板来实现滤波的。滤波器构造的简单性和指纹图像复杂性的矛盾限制了其作用的有效性。本系统中采用的是参考了指纹图像纹理频率信息,并且以GABOR变换这个能够同时对图像局部结构的方向和空域频率进行解

13、析的最优滤波器作为滤波器的模板,因而极大的改善了增强算法的效果。 1、脊线方向除奇异区外,指纹图像在一个足够小的区域内,纹理近似于相互平行的直线,这就是指纹图像的方向性特征。方向性特征是指纹图像中最为明显的特征之一,它以简化的形式直观的反映指纹图像的基本形态特征,因而被广泛应用于指纹图像的分类、增强、特征提取等方面。提取脊线方向方法为： 将指纹图像分割成足够小的子块,以满足块中纹理近似平行的条件。 2、脊线频率指纹纹理除了具有稳定的方向性特征外,还具有稳定的频率性特点。在指纹图像的一个局部区域内,脊线和谷线的纹理走向平行,同时沿脊谷方向的灰度分布近似于正弦包络。脊线频率被定义为两条脊线之间间距的倒数。通过定位该包络中极大、极小值点,就能得到相应的脊线间距和谷线间距,进而计算出脊线频率。 3、GABOR滤波器GABOR变换由于具有最佳时域和频域连接分辨率的特点,能够同时对图像局部结构的方向和空域频率进行解析,可以很好地兼顾指纹图像的脊线方向和脊线频率信息。本系统中采用GABOR滤波器函数的实部作为模板,以与子块纹线方向垂直的方向作为滤波器方向,以脊线频率作为滤