基于達芬奇技術的指紋圖像采集系統設計實現*

楊 迪 ，朱 明 ，呂柯巖

(1.中國科學院航空光學成像與測量重點實驗室，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033;2.中國科學院研究生院，北京 100039;3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033)

在如今互聯網飛速發展的時代中，人們的交流和信息獲取主要通過網絡實現。在網絡中進行各種操作的前提就是要先進行用戶的認證。目前網絡中常用的認證方式是“用戶ID+密碼的方式”，然而這種方式存在著不小的安全隱患。網絡中木馬，病毒橫行，一不小心就會將個人信息泄露出去，輕則被各種垃圾信息騷擾，重則造成財產損失。為提高安全級別，應采用體現用戶唯一性特征的認證方式。而指紋作為人體的身體特征，具有不可復制的特點，并且具有唯一性和穩定性，不易盜用。采用指紋作為身份驗證的方式不僅降低了用戶信息泄露的風險，同時也為用戶省卻記住密碼的麻煩，因此指紋識別擁有很好的實用性。

實現通過指紋進行身份認證的方式利用自動指紋識別系統［1－2］(AFIS)來完成，而指紋采集與預處理作為指紋識別最重要的環節是必不可少的。為能夠實現指紋識別的普遍與通用性，我們因此設計了一款通過USB 進行通信的指紋采集系統，該系統具有小巧，便攜的特點，即插即用。

達芬奇技術［3］是一種基于DSP 的系統解決方案組建的集合，包括基于達芬奇技術的處理器、優化的應用軟件、開發工具和支持。本系統在具有小巧，便攜特點的同時，為保證圖像處理的高效性，選擇TI 公司具有達芬奇架構的DM6446 處理器對采集的圖像進行處理，使用開發工具實現自己的指紋處理算法。

1 指紋采集系統硬件開發

1.1 指紋采集芯片選擇

指紋芯片的好壞直接影響到指紋圖像的質量。芯片按照工作原理可分為:光電式、電容式、壓敏式和超聲波式。不同原理的傳感器各有其優缺，表1中對各種傳感器的性能進行了比較［4］。隨著半導體技術的進步，90年代中期開始出現的半導體電容式傳感器具有價格低，體積小的特點，而采集的圖像質量也越來越好，得到了廣泛的應用。

表1 傳感器性能比較

考慮到指紋采集芯片的性價比，我們選擇了Verdicom 公司生產的電容式指紋采集芯片FPS200［5］，它具有高性能、低電壓、低功耗等優點，采用標準CMOS 工藝制作，在1.28 cm×1.50 cm 的指紋檢測區域，像素矩陣為256×300，產生的圖像分辨率為500 dpi，分辨精度為50μm。該芯片所需的供電電壓為3.3 V～5 V，芯片內置8-bit 的數模轉換器并根據所提供的接口分為3種工作模式，MCU、SPI和USB模式，其中USB模式根據其功能又分為內部ROM和外部ROM兩種。芯片的模式選擇由引腳MODE0和MODE1 的電壓決定，在同一時間芯片只能選擇一種工作模式，模式與MODE［1:0］的關系如表2所示。

表2 FPS200 接口工作模式

由于USB 總線只是設備和主控制器之間的通信通道，對它所發送的數據沒有任何特殊的內容和結構上的要求，同時具有熱插拔(Hotplug)的能力，使得USB 有很好的便攜性并且成本低廉，同時只要具備驅動和上層應用程序，即可在各種操作系統中實現采集功能，移植方便。而FPS200 內部ROM模式能夠很好地實現采集要求，且設計簡單，故本文選擇USB 的內部ROM模式［6－8］。

1.2 系統的結構設計

達芬奇技術包含完整的開發系統、參考設計和全面的ARM/DSP 系統級集成開發環境以加速所有數字圖像和視頻應用的設計和開發，并且達芬奇技術支持實時操作系統Linux 與Window CE，可移植性較好，同時用戶可以通過文件系統接口訪問CF－、SD/MMC、ATA 等存儲器，保存采集的數據。因此文中選取支持達芬奇技術的TMS320DM6446［9］作為圖像處理器以保證處理的實時性。該處理器是基于ARM+DSP 的系統級芯片(SoC)，其中ARM 處理器采用ARM926EJ-S，工作主頻為297 MHZ，DSP 處理器采用TI 的高端DSP 核C64x+，工作主頻為594 MHz，并集成了用于加速處理的協處理器引擎。其中ARM 負責Linux 下的用戶界面，OSD 屏幕菜單顯示和設備驅動，DPS 負責圖像的處理。圖1 是本文所設計的指紋采集系統的結構框圖。

圖1 指紋采集系統結構框圖

FPS200 指紋采集芯片將采集到的模擬指紋圖像進行A/D 轉換，得到數字圖像后通過USB 接口傳送給TMS320DM6446 處理器，一方面將采集的圖像通過顯示器進行顯示，另一方面對圖像進行去噪增強，并存儲到SD 卡中，便于指紋庫的建立。

1.3 采集系統的輸入和輸出

采集系統的指紋圖像數據輸入是通過USB 接口完成的。在FPS200 芯片工作在USB 內部ROM模式時，DP 引腳用做USB 接口的D+數據線，DM 引腳用做D－數據線。USB 接口的供電電壓為標準的5 V 電壓，而FPS200 芯片的工作電壓為3.3 V～3.6 V，因此選用AMS1117 將5 V 電壓降為3.3 V再接入電路中。ISET 引腳與模擬地之間連接一個200 kΩ 電阻設置內部參考電流，FSET 引腳與數字地之間接56 kΩ，用于設置多諧振蕩器和自動指紋檢測的頻率。采集電路僅用到兩根數據線與少量電源線，設計簡單、體積小，極具靈活性，方便攜帶。

TMSDM6446 處理器通過與USB Host 相連的引腳向FPS200 寫寄存器信息，接收指紋芯片發來的中斷與指紋圖像數據。

TMS320DM6446 的MMC/SD 卡控制器提供了一個外部MMC/SD 卡接口，用于實現MMC/SD 卡控制器和MMC/SD 卡協議。指紋圖像經處理后通過此接口保存在SD 卡中。使得采集的指紋數據可以構建一個移動的指紋庫。其中MMC/SD 控制器的配置圖［10］如圖4所示。

圖2 FPS200 硬件電路圖

其中CMD 管腳用于所連接的卡與控制器之間的雙向通訊;DAT0－3為數據傳輸時SD 卡使用的數據線，SD 卡可以使用1 根或4 根數據線;CLK 用于控制器向存儲卡提供時鐘。

圖3 DM6446 與USB host 連接圖

圖4 MMC/SD 配置圖(4-bit模式)

2 指紋采集系統軟件開發

當指紋圖像采集模塊與USB 接口相連時，可以采集指紋圖像到TMS320DM6446 中進行處理。為實現指紋圖像的處理，軟件部分我們需要完成兩方面的內容:①FPS200 芯片的USB 驅動開發;②指紋采集處理程序的開發。

達芬奇技術體系中引入了Codec Engine［3］，并創建了一整套的應用開發平臺。Codec Engine 是一系列用于表示和運行數字多媒體標準化DSP 算法接口(XDAIS)及算法的API，它定義了4 類編解碼器算法接口標準，分別是視頻、圖像、語音、音頻，簡稱VISA。Codec Engine 的特點是:①容易使用，應用程序的開發者制定所要使用的算法，而不是如何運行或在什么地方運行;②可擴展可配置，新的算法可以由任何人使用標準的工具和技術來添加;③可以轉移，API 獨立于目標、平臺、甚至是Codec。使用Codec Engine 完成軟件開發，采用標準的API 接口，使軟件更易讀，更易更新和添加新功能。同時，Codec Engine 會協調ARM 與DSP 的使用，使處理性能得到最優化。本文在Codec Engine 的基礎上實現指紋采集的軟件功能，結構如圖5所示。其中ARM 端完成FPS200 芯片的驅動程序，并通過USB 接口與芯片進行通信。同時，ARM 通過TI 的Codec Engine 機制調用DSP 側的Codec，在DSP 端對采集的指紋圖像進行處理。

圖5 軟件工作結構圖

2.1 FPS200 芯片的USB 驅動開發

TMS320DM6446 提供Linux 操作系統，因此USB 驅動的設計是基于Linux 操作系統完成的。FPS200 的USB 驅動程序的工作［11－14］主要分為4 部分:識別驅動程序支持的設備，注冊和注銷驅動程序，探測和斷開，傳輸數據。

系統根據設備的廠商和ID 調用相應的探測函數，在驅動程序中需要將FPS200 芯片的VENDOR_ID和PRODUCT_ID 以模塊形式加入系統的設備表中以便查找:

USB 驅動程序首先要向Linux 內核注冊自己，并告訴系統它所支持的設備類型以及它所支持的操作。這些信息通過一個usb_driver 結構來傳遞。當系統找到設備后，會調用FPS200 指紋芯片的probe函數，為其數據輸入端點和中斷端點分配地址，并通過struct_class_driver 從USB 核心得到次設備號并將設備注冊到devfs和驅動程序核心中，系統在/dev下創建名為fps200usb 的設備文件。驅動程序與上層應用程序通過file_operations 結構相連。

應用程序以文件的方式調用open 函數打開設備，read 函數從FPS200 芯片采集指紋圖像數據傳輸到處理器中。當完成采集模塊的使用與系統斷開時調用disconnect 函數完成設備的斷開，注銷USB 設備。

2.2 指紋采集處理程序開發

系統在指紋采集處理程序中主要完成指紋采集芯片FPS200 的打開和數據讀取與存儲。

在指紋采集處理程序中我們的設計需要符合xDM(xDAIS(eXpress DSP Algorithm Interface Standard)for Digital Media)標準。算法執行的流程如圖6所示。

圖6 指紋采集處理算法

代碼示意如下:

FPS200 指紋芯片所采集指紋圖像的質量與DTR，DCR，PGC 寄存器有關［5］。DTR 作為電容放電時間控制寄存器，對圖片背景有很大的影響，過小則會使得背景區域過暗;DCR 作為控制電容放電電流寄存器，對圖片背景區和前景區有很大影響;PGC是可編程增益寄存器，對圖片的前景有很大影響。另外THR 門限值寄存器收到溫度、濕度的影響，若設置不當，當沒有手指按下是也會產生中斷。經實驗證明，當DTR=0x40，DCR=0x01，PGC=0x0b，THR=0x2a 時圖像質量較好。

由FPS200 芯片采集得到的指紋圖像因手指的干濕程序，按下的輕重，使得圖像存在斷裂和粘連的問題。傳統的濾波算法如中值濾波［15－16］可以較好地去除噪聲影響，但是卻會使邊緣模糊。指紋圖像具有明顯的紋理特征，邊緣模糊直接影響到指紋識別中特征點的獲得，本文采用偏微分進行圖像的去噪增強［17－18］。利用偏微分方程進行圖像處理有以下優點:

①具有堅實的數學理論基礎，如偏微分方程的數值解法等

②能夠很好地結合尺度分析的理論，利用偏微分方程進行圖像處理一般滿足歐式變換不變性等;

③可以很容易的將各種圖像特征引入到模型中去，如方向信息。

利用散度形式的相關擴散方程增強指紋圖像最早由德國科學家Joachim Weickert 提出，主要思想是將擴散限制在沿紋路變化的方向上進行，可表示成如下方程:

式中:u為圖像，div為散度算子，D為2×2 的正定二維舉證，稱為擴散向量，它反映了圖像局部的方向信息。可以表示為:

根據上述方法對采集的指紋圖像進行處理(圖7)。

圖7 指紋圖像處理對比

以上3 圖均由FPS200 芯片采集得到，因手指按壓的力度不同，手指表面的清潔度不同而有所區別。在圖像采集的過程中，并未出現指紋圖像中存在明顯信息丟失等問題，說明系統工作穩定。

從指紋芯片FPS200 采集得到的圖像存在斷裂和對比度低的問題，利用中值濾波的方法可以在一定程度上修補斷裂，但同時造成了邊緣模糊，而使用偏微分的方法可以較好地修補圖像中的斷裂，同時保證指紋邊緣的清晰度，而且圖像更加平滑，可以更好地為指紋識別提供方便。

作為一套指紋采集系統，實時性尤為重要，需要保證采集與處理同步進行，而不會因處理速度過慢增加采集的時間間隔。FPS00 指紋芯片在USB模式下的傳輸速度為13 幀/s，平均采集一幅圖像的時間小于0.3 s，可以保證傳輸速度的高效性。在圖像處理方面DM6446 中DSP 算法的執行時間是7 000 次/s，即應用程序可以使用Codec Engine 來運行或控制算法7 000 次/s。在實際的圖像處理過程中，本文算法處理256×300 的指紋圖像時，運行時間在0.7 s 左右，采集和處理的總體時間少于1 s，足以保證系統工作的實時性。

3 總結與展望

文中所設計的指紋采集系統首次在采用達芬奇技術的硬件平臺上實現，同時完成了Linux 下的設備驅動程序開發。TMS320DM6446 處理器由ARM+DSP雙核架構組成并配備協處理器，在圖像處理方面性能強勁。本文所設計的系統具有很快的采集處理速度，同時采集和存儲分別選擇USB 方式和SD 卡，具有很好的便攜性。達芬奇技術的Codec Engine 提供了一個算法規范化的標準，使得程序的閱讀、后續人員對程序的完善改進變得更加方便。目前本系統只是完成了采集系統的開發，在后續的工作中，系統可以繼續在程序中添加指紋圖像的識別功能。

［1］黃鴻，李見為，王瑋.基于FPS200 自動指紋識別系統［J］.SensorWorld，2005:33－36.

［2］田捷，楊鑫.生物特征識別技術理論與應用［M］.北京:電子工業出版社，2005:2－3.

［3］彭啟琮.達芬奇技術［M］.北京:電子工業出版社，2008:5－7.

［4］陳娟利.嵌入式指紋采集系統的設計及其預處理算法研究［D］.西安:西安理工大學，2008:7－11.

［5］Veridicom.FPS200 Solid-State Fingerprint Sensor［DB/OL］.http://www.verdicom.com，2000－5－27.

［6］耿國慶.基于USB 接口的指紋圖像采集與處理的研究［D］.北京:首都師范大學，2004:20－23.

［7］項希.基于ARM 的指紋采集系統研究［D］.武漢:武漢理工大學，2007:14－16.

［8］彭壽星.基于USB 接口的指紋采集與識別系統的設計［D］.南京:南京理工大學，2006:10－15.

［9］合眾達電子.SEED－DVS6446 實驗手冊［DB/OL］.http://www.seeddsp.com.2008.

［10］合眾達電子.SEED－DVS6446 用戶指南［DB/OL］.http://www.seeddsp.com.2008.

［11］Jonathan C，Alessandro R，Greg Kroah H.LINUX 設備驅動程序［M］.北京:中國電力出版社，2006:324－342.

［12］張平，何向陽.基于嵌入式指紋采集器USB 驅動程序研究［J］.通信技術，2009，42(5):210－212.

［13］金鑫，孫松林，景曉軍.Linux 下有中斷端點的USB 設備驅動的實現［J］.計算機工程與設計，2010，31(7):1576－1579.

［14］Sreekrishnan Venkateswaran.精 通Linux 設 備 驅 動 程 序 開 發［M］.人民郵電出版社，2010:225－233.

［15］肖蕾，何坤，周激流，等.改進自適應中值濾波的圖像去噪［J］.激光雜志，2009，30(2):44－46.

［16］隋雪莉，梅園.基于中值濾波的指紋增強算法［J］.現代電子技術，2009，32(10):107－109，115.

［17］蘇永利，張博，張書玲.基于各向同性逆擴散方程的指紋圖像增強方法［J］.西北大學學報(自然科學版)，2009，39(1):9－12.

［18］徐葉雷，黃青華，方勇.一種基于偏微分方程的車輛加速度信號自適應降噪方法［J］.傳感技術學報，2009，22(11):1606－1611.