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基于Cortex+DSP的指纹识别系统设计与实现

发布时间:2018-07-11 01:07:00 文章来源:未来智讯    
    关键词 DSP 指纹识别 Cortex 图像处理
    中图分类号:TP391.41 文献标识码:A
    0 引言
    人类的手掌及其手指、脚、脚趾内侧的表面皮肤凹凸不平产生的纹路称之为指纹,指纹有两个重要特性:一是唯一性,人人指纹不同,一个人十个手指的指纹也不相同。二是稳定性,指纹图案永远不会改变,它不会随着人的年龄而改变,也不会和主体分离。
    自动指纹识别技术主要有两种:一种是基于指纹图像统计信息的方法,一种是基于指纹本身所固有的特征点结构的方法。本论文采用的是基于特征点匹配识别的指纹识别系统,主要是通过比较两幅指纹图的结构特征信息来达到识别的目的。①
    本论文设计的主要工作是设计一个嵌入式指纹识别系统,具体内容包括:基于Cortex与DSP芯片构建指纹识别系统的硬件电路,包括键盘输入接口电路和LCD输出显示电路;TMS320VC5416控制FPS200芯片进行指纹图像采集,并用C语言实现指纹图像的边缘算法,背景分割算法,锐化算法,二值化算法,提取特征值,完成对指纹的比对、识别,其中Cortex系列STM32单片机控制整个系统的工作过程。
    1 系统硬件电路的设计②
    系统总体硬件电路主要包括六部分:STM32单片机控制电路设计、DSP最小系统板设计,稳压电路设计,指纹采集模块,独立键盘,TFT彩屏电路。其中,键盘电路采用独立按键构成。串口电平转换电路利用MAX3232完成COM口TTL电平的转换。TFT显示接口电路,采用2.4寸TFT320X240LCD,控制器为ILI9325,利用CPU的FSMC 功能,LCD 片选CS采用FSMC_NE1(P88),FSMC_A16(P58)作为LCD的RS选择,FSMC_nWE(P86)作为 LCD写信号, FSMC_nOE(P85)作为LCD读信号。
    1.1 稳压电路
    稳压电路中采用的LM1117是一个低压差三端可调稳压集成电路,其压差在1.2V输出负载电流为800mA。稳压电路中LM1117的输入端接5V输入电压,经过一个10 F滤波电容后接入LM1117,ADJ端和out输出端接两个外部电阻R1,R2,利用R2 /R1关系得到3.3V输出电压。LM1117稳压电路输出端接入一个10uF钽电容来改善瞬态响应和稳定性。
    1.2 指纹采集电路设计
    指纹采集模块采用FPS200指纹传感器,FPS200传感器基于电容充放电原理,传感阵列的每一点是一个金属电极,相当于电容的一个极,接触传感区的手指充当电容的另一个极,则两者之间的传感面形成电容两极之间的介电层,由于指纹中的脊线和谷线,会导致传感阵列呈现的电容值不同,FPS200将电容值经模数转换后输出,从而得到指纹信息。本系统指纹采集模块采用传感器的微处理器总线模式,传感器的8位数据线直接与DSP的数据线相连。指纹图像数据的接收和发送电路通过芯片16C550芯片进行并口到串口的转换完成的,电路如图1所示。
    2 指纹图像的预处理③
    指纹图像采集模块位于指纹识别系统的前端,利用指纹传感器FPS200得到的指纹信息中含有大量噪声,为了提高指纹图像特征提取的效率,必须对指纹图像进行预处理。④本文对于指纹图像的预处理主要进行平滑滤波、归一化、二值化、细化处理四个步骤。
    本文首先采取直方图均衡化来实现指纹图像增强,⑤然后对指纹图像进行平滑处理,得到指纹图像的平均灰度的分布规律。为了消除指纹图像中出现有些区域颜色太浅,而有些区域颜色太深的现象,需对指纹图像进行归一化处理,使得具有统一的背景色调,而又不会改变指纹的脊线纹理信息。再采用计算较为简单的八方向场法,求出八个方向灰度变化的梯度值,取值最小的,即为像素点的方向;采取局部平均阈值法对指纹图像进行二值化处理。为了提取指纹图像特定区域的特征,本设计利用一个3�?的细化模板和一个包含256个元素的细化查找表完成对指纹图像的细化。⑥
    3 指纹图像的特征提取和特征匹配⑦⑧
    系统采用从细化后的二值图像中提取特征,⑨该方法相对比较简单,根据细化后的二值图上每一点的交叉数,确定出指纹的端点和分叉点,作为指纹的两种特征点,提取出特征点的坐标、方向信息。根据特征点信息确定平均纹线距离,对所提取出的特征点进行有效性检验,去除伪特征点。然后以特征点的坐标、方向、邻域内的特征点数、特征点之间的相对位置、脊线上特征点所处位置的纹曲率、特征点邻域内的脊线纹密度,通过这六个变量构建出该指纹细节特征点的特征向量。将所有特征向量进行筛选,留下50个特征向量,构成指纹特征模板。指纹匹配主要是细节特征的匹配,本系统利用八方向图实现指纹自动定位的快速算法进行指纹的特征匹配。
    4 系统调试及结果
    系统进行调试时,首先要对硬件进行静态调试,静态调试的目的是排除明显的硬件故障。
    软件调试时,对于DSP5416调试工作主要在算法仿真和指纹图像读取,在确保硬件连接无误的情况下,对指纹图像采集,并提取指纹图像数据,在软件仿真的环境下调试各个功能算法,在得到预期效果之后,再使用硬件调试,完成基于DSP5416数据处理的实现。
    对于STM32控制板,选用Keil软件进行调试,同样在确保硬件连接无误的情况下,同时算法达到预期效果,直接采取硬件调试的方法,控制部分主要完成不同按键输入信号下,系统功能选择,TFT协调显示功能等,系统调试结果如图2。
    注释
    ① 苑玮琦.基于DSP的指纹识别平台设计.仪器仪表学报,2002.6.
    ② 周韦琴.基于FPS200传感器和DSP的指纹识别系统设计[J].电子元器件应用,2007.10:24-26.
    ③ 毕卫红,王娟.基于DSP的图像采集系统.现代电子技术,2008.2:10-12.
    ④ 刘文星,王雄沂,母国光.纹线跟踪及其在细化指纹后处理中的应用.光电子・激光,2002.13 (2):184-187.
    ⑤⑨简兵,庄镇泉等.基于脊线跟踪的指纹图细节提取算法.电路与系统学报,2001.
    ⑥ 廖昌俊,李玉柏.指纹识别的二值化和细化的DSP实现.电子产品世界www.eepw.com.cn, 2004.5.
    ⑦ 张堂辉,田捷,刘旭.基于DSP指纹识别核心算法的设计与实现.计算机工程与应用,2003.6.
    ⑧ 郑晓隆.指纹图像预处理和特征提取研究[D].电子科技大学硕士学位论文,2005.
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