基于DSP 的指紋圖像特征點(diǎn)連續(xù)提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊密凱

（深圳市諾賽特系統(tǒng)有限公司，廣東深圳 518000）

指紋傳感器技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了指紋提取系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)有的指紋提取設(shè)備主要有3 種類型：光學(xué)型、半導(dǎo)體型和超聲波型。光學(xué)型是最早采用全反射光原理的指紋采集設(shè)備，對(duì)反射光的曝光依賴于玻璃表面指紋紋線的深度[1]。光束穿過玻璃進(jìn)入指紋谷，在玻璃與空氣的界面上產(chǎn)生全反射，使CCD發(fā)光。指紋脊光并非完全反射，而是被脊與玻璃之間接觸面吸收或漫反射，從而在CCD 上形成指紋圖像[2]。盡管溫度變化較小，但系統(tǒng)光學(xué)失真較大，導(dǎo)致指紋提取精度下降。半導(dǎo)體型提取系統(tǒng)具有精度高、體積小、功耗低、易于集成等特點(diǎn)，是光學(xué)采集設(shè)備所不具備的；但其缺點(diǎn)是易受靜電影響，手部汗液或其他污垢會(huì)使半導(dǎo)體傳感器很難捕捉到它。超聲波型指紋提取系統(tǒng)主要將超聲能量反射回接收端，獲得指紋灰度圖，能真實(shí)地反映指紋，但成本較高[3]。針對(duì)這些問題，文中提出了基于DSP 的指紋圖像特征點(diǎn)連續(xù)提取系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在Matlab 環(huán)境下對(duì)以上系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用TMS320C5000 提取指紋圖像特征點(diǎn)處理器芯片，使用LCD12864 作為液晶顯示屏，以此顯示整個(gè)系統(tǒng)[4]，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

依據(jù)該結(jié)構(gòu)框圖，對(duì)DSP 處理器、指紋傳感器MBF200 和電源開關(guān)控制電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)[5]。

1.1 DSP處理器

以TMS320C5000 為DSP 芯片，CPU 集成在一個(gè)芯片上，組成單片機(jī)計(jì)算系統(tǒng)，使整個(gè)DSP 應(yīng)用系統(tǒng)體積和成本大大降低，可靠性得到提高[6]，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 TMS320C5000型號(hào)DSP處理器

芯片TMS320VC5501 性能優(yōu)越，采用3.3 V 電壓供電，功耗低，它的主頻高達(dá)300 MHz，芯片有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)映射，映射中的16 M 字節(jié)程序空間被24 位地址訪問，8 M 字節(jié)的數(shù)據(jù)空間被23 位地址訪問，并且可以在一個(gè)指令周期中執(zhí)行乘加運(yùn)算[7-9]。64 K的I/O空間是用來與外設(shè)通信的，通過棧操作，用戶可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，芯片利用這些堆疊自動(dòng)保護(hù)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)[10-11]。

多個(gè)硬件地址生成器位于一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)中，命令緩沖和獲取機(jī)制獨(dú)立于其他CPU 操作，并且芯片支持流水操作，使數(shù)值、解碼和執(zhí)行操作芯片重疊，縮短處理時(shí)間[12]。

1.2 指紋傳感器MBF200

MBF200 是一種電容性電容傳感器，與電容充放電原理相同，傳感器陣列的每個(gè)點(diǎn)都是金屬電極，與電容極點(diǎn)相同，接觸敏感區(qū)域的手指起到了電容器另一電極的作用[13]。脊和谷高差造成了傳感器陣列各電壓值不同，感應(yīng)器將電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)形式，最終輸出指紋圖像。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

利用MBF200 的256×300 點(diǎn)傳感器陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。功能性注冊(cè)是用來控制芯片各種工作模式的，使用地址索引寄存器和數(shù)據(jù)寄存器來選擇地址，利用函數(shù)寄存器讀寫數(shù)據(jù)[14]。取樣-保持電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路用來提取傳感器陣列產(chǎn)生的電壓[15]。

MBF200 有“多諧振振蕩”和“晶體電路”兩種時(shí)鐘電源，第一位(XTALSEL)是CTRLB 中的一個(gè)，用來在兩者之間選擇。XTALSEL=0 表示MBF200 的時(shí)鐘選擇內(nèi)部的“多諧振振蕩”；XTALSEL=1 表示時(shí)鐘源來自芯片的XTAL1 引腳[16]。此時(shí)，芯片可以連接到晶體上，或者輸入時(shí)鐘信號(hào)。MBF200 是一款可編程傳感器芯片，通過內(nèi)部寄存器設(shè)置實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的功能。由于最大列地址是256，因此，MBF200 只有一個(gè)列開始寄存器CAL 和一個(gè)列結(jié)束寄存器CEL。

1.3 電源開關(guān)控制電路

設(shè)計(jì)采用DSP 芯片的電源設(shè)計(jì)輸出為傳感器供電，傳感器工作電壓是2.4～3.6 V，雖然具有簡化電路線路優(yōu)勢(shì)，但是存在無法與傳感器直接供電的缺點(diǎn)。為此，接入AAT4610A 智能開關(guān)，如圖4 所示。

圖4 AAT4610A智能開關(guān)控制電路

選擇AAT4610A 型號(hào)開關(guān)，使用過流保護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)P 通道功率開關(guān)設(shè)計(jì)，用于高端負(fù)載開關(guān)應(yīng)用。

AAT4610A 的內(nèi)部電路主要有負(fù)壓鎖定電路、比較放大器、P 通道參考電源等。在欠壓閾值電壓為1.8 V 的情況下，關(guān)閉P 通道MOSFET；在電壓恢復(fù)正常后，自動(dòng)開啟P 通道MOSFET。集成過流保護(hù)電路能夠防止輸入電流超過最大電流，并且AAT4610A 還具有過熱保護(hù)功能，可防止電源過度損耗和結(jié)溫。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 指紋圖像特性分析

指紋是指分布在手指表面的不均勻線，指面光滑的紋理由“脊”和“溝”交替構(gòu)成，指紋形成取決于胚胎時(shí)期手指表皮的初始環(huán)境。指紋特征如圖5所示。

圖5 指紋圖像

圖5 中指紋圖像的特征是被用來區(qū)分不同指紋的依據(jù)，其中端點(diǎn)是線條結(jié)尾處；分叉點(diǎn)是一條紋線被分成兩半的位置，也是指紋最大曲率處；三角點(diǎn)是三條不同方向直線相交處；交叉是兩條線相交的地方；小島是非常短的線；汗腺孔是脊線的小孔，是汗腺。

端點(diǎn)和分叉點(diǎn)是最常見的特征，它們的位置和方向是最具有代表性的。中心點(diǎn)和三角點(diǎn)在刑事偵查系統(tǒng)中經(jīng)常使用，而在民事偵查系統(tǒng)中則較少使用。因?yàn)樵谶@些應(yīng)用程序中使用的收集器面積往往很小，所以要收集全部特征是困難的。指紋紋路在圖式，斷點(diǎn)和交點(diǎn)上是不同的，都具有代表性，依據(jù)該屬性，系統(tǒng)可以匹配指紋。

2.2 圖像預(yù)處理

2.2.1 指紋有效區(qū)域提取

在指紋特征提取過程中，為了提高識(shí)別率和處理速度，需要去除指紋圖像中的背景和模糊區(qū)域。因此，提取好指紋圖像后，使用基于灰度方差指紋有效提取算法，可以縮短后續(xù)處理時(shí)間，有效提高了指紋特征提取準(zhǔn)確度。

該算法是以圖像塊為單位進(jìn)行的，假設(shè)子塊A(x,y) 的平均灰度為GA(x,y)，方差為SA(x,y)，所有子塊灰度值都為Gall，對(duì)應(yīng)的灰度方差為Sall，由此可得到背景區(qū)域灰度均值和背景區(qū)域灰度方差特征量：

1）背景區(qū)域灰度均值

式（1）中，MGBK表示所有大于Gall的灰度值之和，MNGBK表示所有大于Gall的塊數(shù)之和。

2）背景區(qū)域灰度方差

式（2）中，SVBK表示所有小于Sall的灰度值之和，SNVBK表示所有小于Sall的塊數(shù)之和。

依據(jù)背景區(qū)域灰度均值和背景區(qū)域灰度方差特征量，可提取指紋有效區(qū)域。

2.2.2 二值化處理

二值化處理步驟為：先獲取指紋方向信息，再進(jìn)行圖像平滑處理。依據(jù)指紋紋理特征，沿著指紋脊線方向分析，如果某點(diǎn)P為脊線上的點(diǎn)，則沿著該方向上與該點(diǎn)相鄰的點(diǎn)也為這條紋路上的點(diǎn)。反之，如果為噪聲點(diǎn)，則需根據(jù)相鄰點(diǎn)集合平滑處理該點(diǎn)，消除局部強(qiáng)噪聲。通過分析相鄰區(qū)域像素點(diǎn)，可判斷干燥指紋斷線程度，有效提高二值化精度。

2.3 提取流程設(shè)計(jì)

經(jīng)過圖像預(yù)處理后，先對(duì)相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，具體提取流程如下所示：

Step1：時(shí)鐘復(fù)位，查看集成開發(fā)環(huán)境；

Step2：設(shè)置特征提取模式，判斷是否提取到指紋特征；

Step3：如果是，則需直接提取，否則轉(zhuǎn)到Step2；

Step4：評(píng)估圖像質(zhì)量，更新參數(shù)；

Step5：如果圖像質(zhì)量合格，則查看提取的特征是否為冗余特征；

Step6：如果是，則保存該特征，否則轉(zhuǎn)到Step3；

Step7：判斷幀數(shù)是否超出最大幀數(shù)，如果是，則結(jié)束特征提取，否則，轉(zhuǎn)到Step3。

3 調(diào)試與驗(yàn)證

雖然硬件和軟件設(shè)計(jì)已完成，但系統(tǒng)集成過程仍比較復(fù)雜。在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，不能簡單地將各部分串聯(lián)起來，而應(yīng)逐步將各部分有機(jī)地結(jié)合起來，形成一個(gè)有機(jī)整體，從而保證各部分之間的協(xié)調(diào)，完成指紋特征提取任務(wù)。因此，有必要對(duì)基于DSP 的指紋圖像特征點(diǎn)連續(xù)提取系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與驗(yàn)證。

3.1 系統(tǒng)調(diào)試

在調(diào)試系統(tǒng)硬件和軟件時(shí)，可使用開發(fā)板，以節(jié)省工作量，縮短工作周期。

在電路板的構(gòu)造過程中使用了開發(fā)板，因?yàn)樵撻_發(fā)板電路設(shè)計(jì)是一個(gè)完整的電路，它可以更好地完成所需功能程序，但是當(dāng)電路板開發(fā)不是很理想時(shí)，有些問題就會(huì)出現(xiàn)。比如，在操作過程中，發(fā)現(xiàn)鍵盤并沒有很好地實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能。在按壓鍵盤時(shí)會(huì)有響應(yīng)，但是當(dāng)鍵盤彈出時(shí)，程序鍵盤未正確操作，說明鍵盤彈出來時(shí)沒有脫扣，程序需要進(jìn)一步完善。

全電路板完成了開板、焊接、安裝等多種元件組成的子電路，基本上形成了一個(gè)完整系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用220VAC-12VDC 作為電源輸入，工作后由12VDC-SVDC 電路供電，接通電源后用萬用表測(cè)量電路板上的插腳，以保證其正常工作。上位機(jī)與LCD 液晶顯示器、指紋二次開發(fā)模塊相連，整個(gè)系統(tǒng)通電，使各部分在工作電壓下啟動(dòng)并正常工作，由此完成系統(tǒng)調(diào)試。

3.2 驗(yàn) 證

以一個(gè)人手上的3 根手指為例，隨機(jī)選取3 種指紋作為樣本，如圖6 所示。

圖6 3種指紋

分別使用光學(xué)型、半導(dǎo)體型和超聲波型設(shè)備與基于DSP 系統(tǒng)的指紋圖像特征點(diǎn)提取情況進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同設(shè)備或系統(tǒng)特征提取情況

通過上述對(duì)比結(jié)果可知，使用傳統(tǒng)3 種設(shè)備特征提取結(jié)果與選中區(qū)域不一致，而使用基于DSP 系統(tǒng)的特征提取結(jié)果與選中區(qū)域一致，說明該系統(tǒng)的特征提取精準(zhǔn)度可達(dá)到99.9%。

4 結(jié)束語

DSP 存儲(chǔ)器是提取指紋的硬件結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了詳細(xì)描述。該系統(tǒng)建立了硬件結(jié)構(gòu)，指紋特征提取速度快，采集圖像質(zhì)量好，降低了后續(xù)處理壓力。在此基礎(chǔ)上，對(duì)提取過程進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，消除背景噪聲對(duì)指紋提取的影響，改善了后續(xù)處理效率。但還存在一些不足，有待于進(jìn)一步完善，如何有效減小或克服指紋彈性變形對(duì)系統(tǒng)性能的影響，將是今后研究的重點(diǎn)。