基于雙目視角的嵌入式3D指紋識別系統(tǒng)設計

葛明濤+關景新+董素鴿

摘 要： 采用指紋信息作為身份識別手段的應用已經(jīng)很廣泛，但傳統(tǒng)的指紋信息識別身份時存在容易被仿造的缺點。3D指紋信息不但可以進一步提高指紋識別率而且可以很好地克服該缺點。在此主要介紹利用雙目視角技術采集3D指紋信息，提出了一種3D指紋信息采集的解決方案。詳細介紹了以MTK平臺作為控制平臺，DSP芯片做算法處理的硬件設計。該設計的硬件成本低且安全性高。在C/S結構的系統(tǒng)設計中，通過測試該硬件方案可以直接在客戶端上采集信息，便攜性好。

關鍵詞： 雙目視角； 嵌入式系統(tǒng)； 3D指紋識別； 3D指紋信息采集

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）18?0155?04

Design of embedded 3?D fingerprint identification system based on binocular vision

GE Ming?tao1， GUAN Jing?xin2， DONG Su?ge1

（1. Sias International University， Zhengzhou 451150， China； 2. School of Zhuhai Polytechnic， Zhuhai 519000， China）

Abstract： To take the fingerprint information as a means of identity recognition is very popular now， but the traditional means has a fault being easy to be copied. 3?D fingerprint information can further improve the recognition rate and overcome this fault. The 3?D fingerprint information acquisition realized by the aid of the binocular vision technology is introduced. A solution scheme to correct 3?D fingerprint information is proposed. The hardware design of using MTK as a control platform and DSP chip for algorithm processing is described. The testing results show that the system can directly correct information on the client?side. The system has low cost， high securety， high accuracy and good portability.

Keyword： binocular vision； embedded system； 3?D fingerprint identification； 3?D fingerprint information acquisition

0 引 言

近代指紋識別系統(tǒng)就指紋的采集方式而言總體可分為接觸式和非接觸式。接觸式的識別方式，如指紋鎖，手續(xù)簡化識別率較高，但由于模仿手指蘸墨壓印的方式，得到的指紋圖像容易被模仿，反偵查能力差，同時容易受手指的環(huán)境條件干擾；非接觸式的指紋識別系統(tǒng)[1]，可以排除手指環(huán)境及壓印等外部因素，進一步提高了識別率，卻有脊紋不明顯而失配率高的缺點。新近提出的基于雙目視角的非接觸式3D指紋識別系統(tǒng)[2]，解決了二維指紋圖像脊紋不明顯而失配率高的問題，但以計算機為處理中心，系統(tǒng)體積大，便攜性差，硬件成本高。

為了完成指紋信息庫的建立及信息的網(wǎng)絡化要求，一個完善的指紋采集系統(tǒng)按功能把系統(tǒng)劃分為客戶端和服務器兩部分。以往的采集系統(tǒng)客戶端大多僅僅完成信息采集任務，把采集的信息通過網(wǎng)絡上傳至服務器，由服務器完成對比算法任務后，再將信息識別的結果通過網(wǎng)絡傳遞給客戶端，這樣的系統(tǒng)實時性不高，且便攜性不好，客戶端離開服務器后無法單獨完成信息識別任務，獨立性較差。

本文提出了一種雙目視角的非接觸式3D指紋識別系統(tǒng)的方案，應用該方案能夠很好地解決以下問題。

（1） 指紋信息采集采用雙目視角光學采集模塊，具有識別率高，不易被模仿，反偵察能力強的特點。

（2） 客戶端采用聯(lián)合MTK和DSP作為嵌入控制雙核心，將傳感器采集的指紋信息通過DSP器件做識別算法，并由MTK集成平臺完成與服務器無線方式的信息傳遞。

1 3D指紋信息采集原理

1.1 3D指紋

3D指紋[2]是一種新興的技術手段，能深刻地呈現(xiàn)手指上的山脊和山谷般的紋線。通常，采用非接觸的工作方式采集而成，具有以下優(yōu)點：

（1） 真實性高，排除了擠壓帶來的皮膚扭曲，獲得的指紋自然舒展；

（2） 環(huán)境容限率好，各種條件的手指皮膚條件，如干濕、骯臟等，都不影響正常采樣；

（3） 舒適程度高，非接觸式模式下采樣，可以實現(xiàn)隱秘采集指紋，抵抗反偵查的各種虛假手段成功率高；

（4） 兼容性好，3D指紋展平后可以兼容現(xiàn)有二維指紋數(shù)據(jù)庫。

1.2 雙目視角

雙目視角（Binocular Vision）成像技術[2]可以用于非接觸3D指紋圖像采集，結合現(xiàn)有的兩種3D成像技術——多目視角（N?Views）和結構光（Structured?Light，SI）掃描，而形成的一種3D成像技術，其原理是：采用光投影的方式，在事物上投影出一定式樣的結構光，形成一定角度的兩臺高清攝像頭采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過后臺處理該兩組數(shù)據(jù)，還原出某一視覺范圍內(nèi)的3D圖像。該技術采集設備數(shù)量少、結構簡單、采集速度快。

1.3 雙目視角3D指紋采集系統(tǒng)結構圖

如圖1所示的雙目視角3D指紋采集結構圖，即為本系統(tǒng)的采集傳感部分。為了獲得高清圖像，本系統(tǒng)中選擇了OmniVision公司生產(chǎn)的800萬像素手機攝像頭模組OV8820和三星公司生產(chǎn)的、具有1 920×1 080高清分辨率的A600B投影儀。由于OV8820具有移動產(chǎn)業(yè)處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）以及A600B具有高清晰度多媒體接口（HDMI），方便了系統(tǒng)的集成。

圖1 雙目視覺的3D指紋采集原理

2 系統(tǒng)總體設計

3D指紋識別系統(tǒng)采用了客戶端/服務器（C/S）模式，如圖2所示。服務器作為數(shù)據(jù)庫管理中心，主要接收客戶端的傳輸請求，解析指紋數(shù)據(jù)包的命令和建立數(shù)據(jù)庫反饋識別結果。

客戶端主要包括控制單元、指紋算法實現(xiàn)單元和信息采集單元三部分?？刂茊卧瓿扇蠊δ埽号c服務器交互進行結果反饋、控制光學采集系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)、與指紋算法核心有效溝通處理數(shù)據(jù)；指紋算法單元則進行復雜的圖像處理；信息采集單元接收控制核心的控制命令，瞬間實現(xiàn)指紋采集并傳輸數(shù)據(jù)。本設計以雙核MTK和DSP為雙控制核心取代以往的單一內(nèi)核，功能分離、權責分明，系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性以及開放性得到大大的提高。如圖2所示，MTK6577芯片內(nèi)部的雙核CPU可以完美地實現(xiàn)控制與傳輸功能分離，TMS320C5515型DSP分擔復雜的圖像處理事務。

圖2 實時3D指紋識別系統(tǒng)的結構圖

2.1 MTK平臺

聯(lián)發(fā)科技（Media Tek，MTK）平臺[3]，是一款通用的嵌入式手機開發(fā)平臺；系統(tǒng)方案內(nèi)部采用開放式的軟硬件接口，具有強大的技術支持，用戶可以快速地定制無線通信的應用。在本系統(tǒng)中，MTK平臺作為控制核心，其功能從硬件底層來看是實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的輸入/輸出；從3D指紋識別系統(tǒng)上層來看是實現(xiàn)雙目視角的照相機驅動、結構光的產(chǎn)生和控制、圖像數(shù)據(jù)的采集、與服務器無線傳輸通信等。MTK芯片的選擇主要考慮了以下三個因素：

（1） 控制投影儀產(chǎn)生結構光投影，需要支持高清晰度多（HDMI）；

（2） 控制雙攝像頭采集，需要高性能高速度的MTK芯片；

（3） 為保證數(shù)據(jù)與服務器的實時無線傳輸，需快速的移動網(wǎng)絡。

在MTK公司的眾多基帶芯片中，MTK6577是一款高性能的雙核處理器。其主頻只高達1.2 GHz，不僅芯片內(nèi)核強大：采用Cortex A9構架，二級緩存高達1 MB，集成3G移動寬帶連接，支持單模HSPA+網(wǎng)絡，上傳下載速度不低于5.6 Mb/s，集成了圖像信號處理器、JPEG硬件編碼和解碼器，最高可以以15 f/s的速度進行800萬像素圖像采集等；而且外圍接口豐富，具有一個高清晰度多媒體接口（HDMI）和雙攝像頭接口。

2.2 DSP功能

數(shù)字信號處理器（DSP）在本系統(tǒng)中作為控制核心的附屬機構，主要實現(xiàn)與MTK芯片之間指紋數(shù)據(jù)的輸入和輸出、指紋算法運行處理這兩大功能。前一個功能主要是依賴于硬件外部接口間實現(xiàn)，而后一個功能偏向于DSP芯片內(nèi)部資源。因此，在選型方面主要考慮以下因素：

（1） 與MTK芯片之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，需要專用的外部存儲器接口（External Memory Interface， EMIF）；

（2） 為了保證實時性，專用的快速傅立葉（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）運算硬件器更有利于指紋圖像算法的執(zhí)行。

TI公司的TMS320C5515[4]是一款高性價比的DSP芯片，專為生物模式識別應用而開發(fā)的。芯片采用定點數(shù)的TMS320C55xDSP處理器核，內(nèi)部有一個緊耦合式的FFT硬件加速器，主頻可高達120 MHz，320 KB片上RAM，外加一個EMIF接口，利于指紋識別系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 雙目視角的硬件接口

MTK6577采用標準的移動應用處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）協(xié)議，方便了用戶開發(fā)影像方面的應用。本文所設計的系統(tǒng)運用了MTK6577芯片自帶的高速照相機串行接口（Camera serial interface，CSI）與相機模塊OV8820進行數(shù)據(jù)通信，并采用了串行相機控制總線（Serial Camera Control Bus，SCCB）控制相機進行采集事務，如圖3所示。

圖3 雙目視角的硬件接口

3.2 雙控制核心協(xié)同接口設計

雙目視角的3D指紋識別系統(tǒng)采用了雙核心的模式[5]?？紤]到指紋識別系統(tǒng)需要完成圖像采集、處理、存儲并與服務器進行傳輸?shù)仁聞眨鞠到y(tǒng)中采用了兩片由Micron公司生產(chǎn)的SDRAM存儲器MT48LC16M16A2，通過Altera公司的CPLD芯片，形成大容量雙動態(tài)的數(shù)據(jù)存取方式，協(xié)同雙控制核心的工作事務[6]，如圖4所示。MT48LC16M16A2存儲器片是一款具有256 MB的大容量，位寬為16 b，4個大小為4 MB大小的存儲Bank，不但片內(nèi)Bank間可以實現(xiàn)乒乓式數(shù)據(jù)存取，而且片間的乒乓式數(shù)據(jù)存取，極大方便指紋采集與處理、暫存與傳輸?shù)仁聞战惶孢\行。

圖4 雙控制核心協(xié)同接口

4 系統(tǒng)軟件設計

整個基于雙目視角的3D指紋采集系統(tǒng)軟件的設計主要包括客戶端模塊、服務器端模塊和C/S結構下的協(xié)同開發(fā)三部分，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件框架

4.1 客戶端模塊設計

客戶端模塊基于Android平臺進行開發(fā)的。在Android平臺的應用層、應用框架層、組件庫層和虛擬機等應用框架的基礎上，開發(fā)了3D指紋采集系統(tǒng)的指紋算法[7]、圖像采集等應用層的程序；在Android平臺的Linux內(nèi)核層經(jīng)過可裁剪處理，改進雙攝像頭、增加結構光協(xié)同事務等硬件驅動。

客戶端模塊工作時，會請求與服務器連接，然后開啟多任務多線程，監(jiān)測采集事務，進行存儲，指紋數(shù)據(jù)處理后，啟動通信線程，發(fā)送至服務器，等待服務器匹配響應命令。

4.2 服務器端模塊設計

服務器端模塊設計基于Java語言進行開發(fā)的，功能的實現(xiàn)采用報文偵聽方式。如圖5所示，當服務器啟動時，首先加入到一個組播地址中，然后初始化Socket，并對規(guī)定的端口進行偵聽。在客戶端與服務器端連接請求并雙方握手成功后，即進入等待請求解析命令等狀態(tài)，可以接收客戶端面的指紋數(shù)據(jù)，響應客戶端的指紋匹配任務，根據(jù)匹配結果反饋給客戶端。

5 結 語

本文基于雙目視角的3D成像原理，采用MTK和DSP相結合的方法構建了一套指紋識別系統(tǒng)。該方案采用的3D指紋識別技術使得指紋識別度高且反偵察能力強；采用C/S結構的同時，在客戶端就可以實現(xiàn)指紋信息的識別功能，具有很好的實時性和便攜性。同時該方案與能達到相似性能的方案相比硬件成本低，非常適合即要求安全性高又要求便攜性好的場所，如出入境關口等環(huán)境的信息檢測。硬件系統(tǒng)經(jīng)過反復測試，實現(xiàn)了客戶端的指紋采集、數(shù)據(jù)的存儲及3D指紋算法運算。

參考文獻

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整個基于雙目視角的3D指紋采集系統(tǒng)軟件的設計主要包括客戶端模塊、服務器端模塊和C/S結構下的協(xié)同開發(fā)三部分，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件框架

4.1 客戶端模塊設計

客戶端模塊基于Android平臺進行開發(fā)的。在Android平臺的應用層、應用框架層、組件庫層和虛擬機等應用框架的基礎上，開發(fā)了3D指紋采集系統(tǒng)的指紋算法[7]、圖像采集等應用層的程序；在Android平臺的Linux內(nèi)核層經(jīng)過可裁剪處理，改進雙攝像頭、增加結構光協(xié)同事務等硬件驅動。

客戶端模塊工作時，會請求與服務器連接，然后開啟多任務多線程，監(jiān)測采集事務，進行存儲，指紋數(shù)據(jù)處理后，啟動通信線程，發(fā)送至服務器，等待服務器匹配響應命令。

4.2 服務器端模塊設計

服務器端模塊設計基于Java語言進行開發(fā)的，功能的實現(xiàn)采用報文偵聽方式。如圖5所示，當服務器啟動時，首先加入到一個組播地址中，然后初始化Socket，并對規(guī)定的端口進行偵聽。在客戶端與服務器端連接請求并雙方握手成功后，即進入等待請求解析命令等狀態(tài)，可以接收客戶端面的指紋數(shù)據(jù)，響應客戶端的指紋匹配任務，根據(jù)匹配結果反饋給客戶端。

5 結 語

本文基于雙目視角的3D成像原理，采用MTK和DSP相結合的方法構建了一套指紋識別系統(tǒng)。該方案采用的3D指紋識別技術使得指紋識別度高且反偵察能力強；采用C/S結構的同時，在客戶端就可以實現(xiàn)指紋信息的識別功能，具有很好的實時性和便攜性。同時該方案與能達到相似性能的方案相比硬件成本低，非常適合即要求安全性高又要求便攜性好的場所，如出入境關口等環(huán)境的信息檢測。硬件系統(tǒng)經(jīng)過反復測試，實現(xiàn)了客戶端的指紋采集、數(shù)據(jù)的存儲及3D指紋算法運算。

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整個基于雙目視角的3D指紋采集系統(tǒng)軟件的設計主要包括客戶端模塊、服務器端模塊和C/S結構下的協(xié)同開發(fā)三部分，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件框架

4.1 客戶端模塊設計

客戶端模塊基于Android平臺進行開發(fā)的。在Android平臺的應用層、應用框架層、組件庫層和虛擬機等應用框架的基礎上，開發(fā)了3D指紋采集系統(tǒng)的指紋算法[7]、圖像采集等應用層的程序；在Android平臺的Linux內(nèi)核層經(jīng)過可裁剪處理，改進雙攝像頭、增加結構光協(xié)同事務等硬件驅動。

客戶端模塊工作時，會請求與服務器連接，然后開啟多任務多線程，監(jiān)測采集事務，進行存儲，指紋數(shù)據(jù)處理后，啟動通信線程，發(fā)送至服務器，等待服務器匹配響應命令。

4.2 服務器端模塊設計

服務器端模塊設計基于Java語言進行開發(fā)的，功能的實現(xiàn)采用報文偵聽方式。如圖5所示，當服務器啟動時，首先加入到一個組播地址中，然后初始化Socket，并對規(guī)定的端口進行偵聽。在客戶端與服務器端連接請求并雙方握手成功后，即進入等待請求解析命令等狀態(tài)，可以接收客戶端面的指紋數(shù)據(jù)，響應客戶端的指紋匹配任務，根據(jù)匹配結果反饋給客戶端。

5 結 語

本文基于雙目視角的3D成像原理，采用MTK和DSP相結合的方法構建了一套指紋識別系統(tǒng)。該方案采用的3D指紋識別技術使得指紋識別度高且反偵察能力強；采用C/S結構的同時，在客戶端就可以實現(xiàn)指紋信息的識別功能，具有很好的實時性和便攜性。同時該方案與能達到相似性能的方案相比硬件成本低，非常適合即要求安全性高又要求便攜性好的場所，如出入境關口等環(huán)境的信息檢測。硬件系統(tǒng)經(jīng)過反復測試，實現(xiàn)了客戶端的指紋采集、數(shù)據(jù)的存儲及3D指紋算法運算。

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