基于ＦＰＧＡ實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別系統(tǒng)及指紋采集接口

摘要：本文以ASIC芯片為應(yīng)用背景，提出了一種基于FPGA的指紋識(shí)別系統(tǒng)，及其采集接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，采用滑動(dòng)式指紋傳感器完成高質(zhì)量的指紋采集工作。

關(guān)鍵詞：FPGA；指紋識(shí)別；滑動(dòng)式指紋傳感器

引言

早在十九世紀(jì)初科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了指紋的兩個(gè)重要特征：唯一性和穩(wěn)定性，這個(gè)研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應(yīng)用。20世紀(jì)60年代，隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和應(yīng)用的增加，人們開始使用計(jì)算機(jī)來處理指紋，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)(AFIS)在法律實(shí)施方面的研究與應(yīng)用由此展開。而近幾年，隨著電子商務(wù)的發(fā)展和消費(fèi)類電子的普及，越來越多的領(lǐng)域需要指紋識(shí)別系統(tǒng)。目前，基于DSP、ARM的獨(dú)立式指紋識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于考勤、門禁、安檢等領(lǐng)域。

本文選用具有高集成度、低功耗、短開發(fā)周期等優(yōu)點(diǎn)的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)，下文將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)以及指紋采集接口的設(shè)計(jì)方案。

指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的軟件算法采用BST FingerAPl 1．0版本，包括1：1比對(duì)(即驗(yàn)證)模式和l：N比對(duì)(即識(shí)別)模式，主要實(shí)現(xiàn)指紋的檢測(cè)與采集、指紋圖像的增強(qiáng)、特征點(diǎn)的提取與匹配幾大功能，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

·指紋檢測(cè)與采集

首先將指紋區(qū)與背景區(qū)分離。為了方便判別，在判別之前需要對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理和邊緣提取。將圖像分為8×8的塊，并計(jì)算每塊內(nèi)各點(diǎn)灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差，若該值大于某一閾值(本算法中設(shè)置為8，共為256)，則該塊的所有點(diǎn)都為指紋數(shù)據(jù)，否則為背景數(shù)據(jù)。接著判斷指紋數(shù)據(jù)塊中指紋區(qū)面積占整個(gè)圖像區(qū)域面積的比例，若該值大于給定的閾值，則進(jìn)行指紋圖像采集，否則重新檢測(cè)并采樣。

·指紋圖像增強(qiáng)

首先計(jì)算直角坐標(biāo)系下8×8塊指紋圖像的方向，然后根據(jù)相鄰圖像塊的方向，過濾掉脊線方向發(fā)生變化過大的圖像塊，并按脊線平滑變化的規(guī)律恢復(fù)脊線原有方向，再對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行Gabor濾波。

·指紋特征點(diǎn)提取

本算法的特征點(diǎn)選擇脊線的端點(diǎn)和交叉點(diǎn)。首先記錄每個(gè)特征點(diǎn)的信息，包括類型、位置(直角坐標(biāo)系)、方向以及在特征點(diǎn)集中的序號(hào)，然后去除掉由于噪聲引起的大量偽特征點(diǎn)。此方法采用了一種基于脊線跟蹤的直接從灰度級(jí)指紋圖像提取細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的新穎算法，這種算法不必經(jīng)過二值化和細(xì)化過程，減少了程序運(yùn)行時(shí)間。

·指紋特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)

將成功提取到的指紋圖像特征點(diǎn)信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供指紋識(shí)別認(rèn)證時(shí)把這些數(shù)據(jù)庫(kù)里的指紋信息與認(rèn)證的指紋特征點(diǎn)信息進(jìn)行對(duì)比，查找是否有與之匹配的指紋信息。

·Hough變換特征點(diǎn)匹配

在指紋比對(duì)時(shí)，在直角坐標(biāo)系中，通過基于特征點(diǎn)的Hough變換匹配算法識(shí)別出指紋的幾何形狀，使圖像匹配可以不受指紋擺放的角度和位置平移的影響。接著計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)指紋與數(shù)據(jù)庫(kù)中指紋的相似度。若匹配的特征點(diǎn)占模板中所有特征點(diǎn)的30％，則判定兩枚指紋匹配，否則進(jìn)入極坐標(biāo)的比較。

·極坐標(biāo)變換，特征點(diǎn)匹配

極坐標(biāo)變化用以減小直角坐標(biāo)系中的匹配誤差。若在兩個(gè)坐標(biāo)系中所有匹配的特征點(diǎn)占模板中所有特征點(diǎn)的30％，則仍判定兩枚指紋匹配，否則判為不匹配。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)電路系統(tǒng)由指紋傳感器、FPGA、PROM、SRAM和Flash構(gòu)成，如圖2所示。其中，SRAM的地址線和數(shù)據(jù)線分別與Flash的地址線和數(shù)據(jù)線共用。

·指紋傳感器

主要負(fù)責(zé)指紋檢測(cè)與采集，是整個(gè)系統(tǒng)的首要任務(wù)。本系統(tǒng)選用富士通公司的MBF300滑動(dòng)式電容指紋采集傳感器。這款指紋傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，含有8位A／D變換器，在2．8V-5V的寬電壓范圍內(nèi)工作，能自動(dòng)檢測(cè)到是否有指紋到達(dá)傳感器，并實(shí)現(xiàn)在線采集。與以往采用的面積式指紋傳感器相比，它的最大優(yōu)點(diǎn)是在保證指紋圖像高分辨率(500dpi)的同時(shí)大大減小了傳感器的尺寸(13．3×3．6mm2)。

·FPGA

它是系統(tǒng)的核心控制器件。按照其功能，F(xiàn)PGA內(nèi)部可分為指令控制模塊、指紋傳感器控制模塊、Flash控制模塊、SRAM控制模塊和算法模塊，見圖3。本系統(tǒng)選用Xilinx公司SpartanIlI系列的XC3S400型FPGA芯片，封裝形式為PQ208。這款芯片采用90nm工藝，最大容量40萬(wàn)門，工作頻率高達(dá)200MHz，足以完成系統(tǒng)需要。

·PROM

PROM主要負(fù)責(zé)向FPGA加載程序，因?yàn)镕PGA內(nèi)部的SRAM掉電時(shí)不能保存自身配置。本系統(tǒng)選用Xilinx公司用于SpartanlII系列的專用PROM芯片XCF02S。

·SRAM

SRAM用于存儲(chǔ)部分算法程序運(yùn)行時(shí)的臨時(shí)數(shù)據(jù)，包括圖像數(shù)據(jù)、向量、特征值等，這是由于FPGA內(nèi)部RAM容量不能滿足程序運(yùn)行需要而擴(kuò)展的。本系統(tǒng)選用Cypress公司的芯片CY7C1021V33—12，其大小為64k×16bits。

·Flash

Flash是一個(gè)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，用來存儲(chǔ)指紋特征點(diǎn)數(shù)據(jù)。它的容量決定了該指紋識(shí)別系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存的指紋數(shù)據(jù)的數(shù)量。本系統(tǒng)選用A M D公司的芯片AM29LVl60，其大小為1M×16bits，能存儲(chǔ)約256K枚指紋。

指紋采集接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

指紋傳感器MBF300

MBF300為富士通公司新推出的滑動(dòng)式指紋傳感器，它支持3種通信接口：8位微處理器總線接口、集成的USB全速接口和集成SPI接口。

本文選用SPI接口，在選擇了SPI模式后，MBF30O的其它兩種模式將自動(dòng)禁止。XC3$400通過讀寫MBF300內(nèi)部的寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制，以完成指紋檢測(cè)與采集、自動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。

指紋采集接口硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中SPI接口主設(shè)備為FPGA芯片XC3S400，從設(shè)備為指紋傳感器MBF200。由于FPGA沒有特定管腳的要求，本文任意選用XC3S400的4個(gè)I／O口137—140，分別與指紋傳感器MBF300的相應(yīng)管腳連接，見圖4所示。

指紋采集接口軟件設(shè)計(jì)

接口時(shí)鐘采用傳感器內(nèi)部的12MHz時(shí)鐘，整個(gè)采集指紋圖像流程依次為初始化XC3S400和MBF300、調(diào)整MBF300寄存器參數(shù)、讀取指紋數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)指紋數(shù)據(jù)。

·初始化XC3S400和MBF300

系統(tǒng)上電后首先對(duì)FPGA器件XC3S400進(jìn)行初始化，即從PROM中讀取配置數(shù)據(jù)(指紋識(shí)別算法和控制指令等)到內(nèi)部的SRAM中，接著初始化指紋傳感器MBF300，其中部分VHDL源程序如下：

ENTITY ini_mbf300 IS

PORT(……

PGC：INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)：

DTR：INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNT00)；

DCR：INOUT STD_LOGIC_VECTOR (7DOWNTO 0)；

THR：INOUT STD_LOGIC VECTORf7DOWNTO 0)；

CTRLB：INOUT STD_LOGIC VECTOR (7DOWNTO 0)：

ISR：INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO 0)：

ICR：INOUT STD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO 0)：

……)；--定義需要初始化的MBF300寄存器；

END ini_mbf300；

ARCHITECTURE ini mbf300 OFini_mbf300 IS

BEGIN

PGC<=“00000110”；--初始設(shè)置圖像增益為1．5；

DTR<=“00111111”：

DCR<=“00000001”：

THR<=“00101100”；

CTRLB<=“00000001”；--使能陣列，AD及時(shí)鐘；

ISR<=“00000011”； --清空中斷；

ICR<=“01011001”；--使能自動(dòng)檢測(cè)；…

END lm_mbt300；……

·調(diào)整MBF300寄存器參數(shù)

調(diào)整MBF300參數(shù)，也就是調(diào)整PGC、DTR、DCR三個(gè)寄存器的值來調(diào)整放電時(shí)間、放電電流速率和圖像的放大增益，直到獲得最佳質(zhì)量的圖像。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)DTR=0x15，DCR--0x20，PC~=0x01時(shí)，指紋圖像最為清晰。

·采集指紋圖像數(shù)據(jù)

XC3S400按照MBF300的SPI時(shí)序(見圖5)要求，在MOSI信號(hào)線上發(fā)送一系列讀寫MBF300寄存器的指令，并由MBF300在MISO信號(hào)線上發(fā)送A／D轉(zhuǎn)換后的指紋數(shù)據(jù)，直到一幅完整的256×32的指紋圖像傳輸完畢。詳細(xì)的工作流程見圖5。

·存儲(chǔ)指紋圖像數(shù)據(jù)

采集到的原始指紋圖像保存到片外SRAM中，地址空間為0000 0000 0000 0000～FFFFFFFFFFFF FFFF。

實(shí)驗(yàn)調(diào)試與結(jié)果

所有模塊在ISE7．1軟件平臺(tái)上用VHDL編程，并且盡量地應(yīng)用軟件工具提供的IP資源Synplify和XST進(jìn)行邏輯綜合和實(shí)現(xiàn)，并比較兩種工具綜合的結(jié)果，可以看出哪種綜合實(shí)現(xiàn)，占用FPGA資源較少。綜合實(shí)現(xiàn)之后，用Modelsim工具進(jìn)行寄存器級(jí)和門級(jí)仿真。仿真完成之后，把功能代碼通過JTAG數(shù)據(jù)口下載到對(duì)FPGA芯片配置的PROM，最后編寫測(cè)試向量在FPGA芯片內(nèi)測(cè)試，通過邏輯分析儀對(duì)中間數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和測(cè)試。圖6為MBF3OO寄存器設(shè)置為DTR=0x15，DCR=0x20，PGC=Ox01時(shí)采集到的指紋數(shù)據(jù)通過Matlab工具數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到的指紋圖像，它足以滿足后續(xù)的指紋特征點(diǎn)提取、比對(duì)等要求。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)完整的、獨(dú)立運(yùn)行的基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)及其指紋采集接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速的指紋登錄以及指紋比對(duì)，指紋比對(duì)所需的時(shí)間在0．5s以內(nèi)，完全能滿足用戶的要求。

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