嵌入式系統(tǒng)在指紋識別中的應用研究

劉帥

摘 要：隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，指紋識別系統(tǒng)越來越多的被運用到門禁以及眾多支付系統(tǒng)中。眾所周知，指紋識別系統(tǒng)是基于人體的不同手指紋路來進行設計的，正如世界上沒有兩片完全相同的樹葉一樣，每個人的指紋的細節(jié)特征也不盡相同。目前，指紋識別技術(shù)可以說是適用范圍最為廣泛的一種生物監(jiān)測方式，但是伴隨著人們對于安全系統(tǒng)的需求逐漸增多，對指紋識別技術(shù)的要求也越來越高，再加上可能存在指紋會受到破壞，此時，就迫切需要設計出一款安全性能更高的嵌入式指紋識別系統(tǒng)。本文設計的就是一款更為安全便捷的基于嵌入式系統(tǒng)的指紋識別系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);指紋識別;硬件設計

一、引言

在信心技術(shù)高速發(fā)展的當下，指紋識別技術(shù)并不是非常高端的識別技術(shù)，但是它還是在眾多生物識別技術(shù)中脫穎而出，原因并不在于它的技術(shù)含量有多高，而是在于個體的指紋具有永恒性的特征，在沒有受到外力的強行改變的情況下，基本上不會伴隨著個體的成長和發(fā)育發(fā)生一定的變化。而人臉識別和氣味識別等方式并沒有指紋識別實用，他們更容易受到外界的影響。但是并不意味著指紋識別系統(tǒng)就沒有任何的缺點，現(xiàn)在還是有很多高校和居民樓使用的是單片機指紋識別系統(tǒng)，相對來說，單片機指紋識別系統(tǒng)并沒有嵌入式指紋識別系統(tǒng)高效、便捷。因此，本文設計了一款基于嵌入式系統(tǒng)的指紋識別系統(tǒng)，并在此基礎上對嵌入式指紋系統(tǒng)的硬件條件進行分析，以及其相關(guān)的軟件系統(tǒng)的設計。

二、指紋識別技術(shù)的主要原理

就目前來說，指紋識別系統(tǒng)是首先通過互聯(lián)網(wǎng)計算機生物識別鑒定的，屬于當下使用范圍最廣的一種生物識別技術(shù)之一，指紋識別技術(shù)主要涉及到的技術(shù)主要有：圖像獲取、圖像增強、指紋特征獲取、指紋信息分類以及全局指紋的匹配。在指紋識別過程中主要分為四個部分，主要包括指紋信息收集、指紋預處理、指紋核查以及模板采集，在這四個主要的過程中還穿插著次要的步驟，其中較為重要的一環(huán)就是指紋的比對過程，而主要部分的前兩個部分也包含在指紋對比的環(huán)節(jié)中，另外還包括指紋總體特征的比對和匹配。

首先，指紋識別系統(tǒng)通過系統(tǒng)中的指紋攝像裝置對正在進行識別的指紋數(shù)字圖像進行讀取，并利用一定的技術(shù)對于所獲取到的圖像進行清晰化處理。其次，指紋識別算法在指紋識別系統(tǒng)初步處理的基礎上進行指紋圖像的建立，之后將使用數(shù)據(jù)表示的指紋的數(shù)字輸出。簡單來說，指紋識別系統(tǒng)的識別原理就是簡單的個體指紋圖像的采集、甄別、對比以及匹配的過程，它在實質(zhì)上還是屬于對于指紋圖像的識別。

三、指紋識別系統(tǒng)硬件設計

在整個指紋識別系統(tǒng)中，主要有三個層次結(jié)構(gòu)，其中指紋識別系統(tǒng)的硬件平臺使整個系統(tǒng)運行的物理基礎，通常情況下，系統(tǒng)的硬件平臺是基于DSP的微處理結(jié)構(gòu)，微系統(tǒng)提供相應的操作系統(tǒng)和通信接口。而操作系統(tǒng)作為指紋識別系統(tǒng)的第二層，能夠為系統(tǒng)的運行提供接口驅(qū)動程序，一旦硬件中斷，操作系統(tǒng)就能夠?qū)崟r響應指紋識別系統(tǒng)的通信要求，不至于耽誤整個系統(tǒng)的運行速率。第三層就是整個系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)—指紋識別算法，實現(xiàn)系統(tǒng)的指紋采集、對比和匹配。嵌入式指紋識別系統(tǒng)的系統(tǒng)的硬件設計與普通的指紋識別系統(tǒng)還存在一定的差異，它的硬件系統(tǒng)主要包含了指紋傳感器、DSP圖像處理器以及FLASH接口等。

（一）指紋系統(tǒng)的硬件組成

1.指紋傳感器

在系統(tǒng)中，指紋傳感器的主要任務是采集指紋。在嵌入式指紋識別系統(tǒng)中，主要是與指紋傳感器MBF200中的硅半導體直接觸碰。之后指紋圖像采集的指紋圖像由DSP進行控制，并利用256進行灰度數(shù)字量化，在通過傳感器傳遞到存儲器存儲。

2、DSP圖像處理器

DSP作為整個系統(tǒng)的核心，主要任務是對其周圍的儀器進行準確的控制，并在此基礎上進行數(shù)字模擬和通信功能。簡單來說，DSP首先需要做的是對所采集的圖像進行簡單的處理，其次就是進行指紋的識別，并控制其外圍的相關(guān)儀器設備，最后完成與以太網(wǎng)的連接，實現(xiàn)指紋的匹配。

3、FLASH、SDRAM接口

FLASH接口屬于一種能夠進行電擦寫，并且在斷電后不會出現(xiàn)信息丟失的存儲器，能耗低、容量大，并且能通過內(nèi)部嵌入的算法獨自完成對于芯片的一系列操作，正是因為FLASH的操作性強、存儲方便等特點使得它在嵌入式系統(tǒng)中得到很大程度的使用。SDRAM接口主要作用在于運行系統(tǒng)中的操作程序、文件系統(tǒng)以及其他的數(shù)據(jù)，相對來說，SDRAM的存取速度以及存儲量優(yōu)于FLASH。

4、以太網(wǎng)接口

以太網(wǎng)接口是與DSP相連的，主要設計的是沒有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)環(huán)境下的指紋識別系統(tǒng)，以實現(xiàn)未來的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。

5、人機界面

系統(tǒng)的顯示結(jié)果主要是由鍵盤輸入和界面顯示的人機界面來實現(xiàn)的，在鍵盤輸入之后再進行個體指紋的輸入和識別，界面顯示器對于所收集的指紋圖像進行展示，識別結(jié)果就出現(xiàn)了。

（二）個體指紋采集模塊

本設計中的指紋傳感器為MBF200，該傳感器具有三種靈活的接口，其中采用的高速圖像傳輸技術(shù)能夠使得其快速在眾多圖像中選擇最為清晰的一張，并且對于環(huán)境的要求沒那么高，就算是在高溫、高濕的環(huán)境中也不會對其成像造成太大的影響。MBF200擁有微控制、USB以及SPI三種接口，其中SPI接口的存在目的是為了方便MBF能夠輕松與任意帶有同樣接口的微處理器匹配，從而提高圖像的傳輸速度。USB接口的作用在于在該指紋識別系統(tǒng)中形成USB內(nèi)核，當該系統(tǒng)不需要USB時，使得傳感器本身成為一個USB設備，此時的圖像傳送速度會更高，能達到每秒13幀的速度。而該傳感器的微控制接口屬于8位的接口，在此模式下的傳送速度是最快的，速度高達每秒30幀。因此，這種不易磨損，對于環(huán)境沒有太大要求，并且圖像傳遞速度快的傳感器更適合嵌入式系統(tǒng)。MBF傳感器采集指紋的過程主要分為兩個階段，第一階段是數(shù)據(jù)采樣，第二階段是放電電壓的存儲，而最終指紋圖像的采集就是通過測量充電電壓與放電電壓之間的差值，并利用模擬信號進行轉(zhuǎn)換得到的。

（三）指紋采集設備裝置

本設計的指紋采集設備還是MBF型指紋采集設備，該設備的工作原理是當將要進行數(shù)據(jù)采集的手指與該設備發(fā)生接觸時，手指的指紋會與傳感器中的電極電容產(chǎn)生交換，從而使得二維陣列上的電壓值產(chǎn)生變化，此時就形成了指紋的圖像信息。

四、總結(jié)

本文的設計是基于當前的人臉識別以及單機片的識別無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的識別需求，再利用個體指紋的個性特點，對于原有的指紋識別系統(tǒng)進行再次的升級，不僅充分利用了指紋的獨特性，還加強了指紋識別系統(tǒng)在經(jīng)濟社會發(fā)展中的關(guān)鍵性地位。但是礙于筆者本身的能力有限，無法設計出更為準確的是紋識別系統(tǒng)，因此，更為方便快捷的指紋識別系統(tǒng)依舊是當前技術(shù)研究需要攻克的一大難題。

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（湖南工業(yè)大學? 湖南? 株洲? 412007）