通過指紋傳感器和Blackfin處理器增強設(shè)備識別與數(shù)據(jù)的安全性

生物識別與安全

在當(dāng)今世界，對高效實施的有效安全性的需求顯而易見。必須識別個人以允許或禁止訪問安全區(qū)域 - 或使他們能夠使用計算機，個人數(shù)字助理（PDA）或移動電話。生物特征簽名或生物特征識別用于通過測量某些獨特的物理和行為特征來識別個體。實際上，所有生物識別技術(shù)都是使用傳感器實現(xiàn)的，以從個人獲取原始生物識別數(shù)據(jù); 特征提取，用于處理獲取的數(shù)據(jù)以開發(fā)代表生物特征的特征集; 模式匹配，將提取的特征集與駐留在數(shù)據(jù)庫中的存儲模板進行比較;

指紋傳感器

指紋，長期以來被廣泛接受的生物識別標(biāo)識符之一，是獨一無二的。它們的圖像由多個曲線段組成，包括稱為脊的高區(qū)域和稱為 valleys 的低區(qū)域。 Minutiae ，脊流模式中的局部不連續(xù)性被用作區(qū)別特征。指紋傳感器“讀取”手指表面并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬讀數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。指紋傳感器可大致分為光學(xué)，超聲波或固態(tài) - 包括電容，射頻，熱和壓電器件。

因為手指的最外層干燥，死皮細胞電導(dǎo)率低， em> RF傳感器從皮膚的潮濕和導(dǎo)電邊界區(qū)域獲取指紋數(shù)據(jù)，活細胞開始變成角質(zhì)化皮膚。這個活的地下層是指紋圖案的來源，它很少受到手指表面損傷或磨損的影響。

AuthenTec ? TruePrint ?傳感器在埋在硅芯片內(nèi)部的導(dǎo)電層和皮膚表面正下方的導(dǎo)電層之間使用小的RF信號。 RF場測量手指下面的活表皮層的脊和谷的電勢輪廓。通過從受損或受污染的部分皮膚獲取數(shù)據(jù)，傳感器產(chǎn)生比僅讀取皮膚表面的替代光學(xué)或電容技術(shù)更準(zhǔn)確和可重復(fù)的指紋樣本。

熱電材料基于溫差產(chǎn)生電壓。當(dāng)手指與溫暖的傳感器表面接觸時，更靠近傳感器表面的指紋脊保持比離傳感器表面更遠的谷更高的溫度。 Atmel ? AT77C104B FingerChip ?傳感器使用此類熱成像捕獲指紋。它是一種線性傳感器，它將檢測和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路集成在一個CMOS IC中。通過將手指掃過感測區(qū)域來捕獲指紋圖像。當(dāng)接觸首次出現(xiàn)時會產(chǎn)生圖像，但由于它會在達到熱平衡時很快消失，因此需要采用掃描方法來獲取穩(wěn)定的指紋圖像。

傳感器（如圖1所示）捕獲圖像如圖2所示，當(dāng)手指垂直掃過傳感器窗口時，指紋就會被指紋掃描。手指掃描技術(shù)可確保傳感器表面保持清潔。與基于觸摸的傳感器不同，一旦手指被移除，潛在的指紋就不會保留。傳感器不需要外部熱量，光線或無線電源。片上溫度穩(wěn)定可識別手指和傳感器之間的溫差，并增加差異以獲得更高的圖像對比度。這里的討論將集中在基于這種類型的熱傳感器的指紋識別系統(tǒng)上。

表征指紋傳感器的主要參數(shù)包括分辨率，區(qū)域，動態(tài)范圍和像素數(shù)。 分辨率以每英寸點（或像素）（dpi）為單位進行測量。較高的分辨率允許在脊和谷之間更好地定義，以及更精細地隔離細節(jié)點 - 這在指紋匹配中起主要作用，因為大多數(shù)算法依賴于細節(jié)的重合來確定兩個指紋印象是否是相同的手指。較大的感應(yīng)區(qū)域通常提供更獨特的指紋，但是將手指掃過較小的傳感器，并快速獲取和處理數(shù)據(jù)，允許小型，低成本的傳感器實現(xiàn)可比較的定義，更大，更多昂貴的傳感器動態(tài)范圍或深度表示用于編碼每個像素強度的位數(shù)。特定幀中指紋圖像中的像素數(shù)可以從分辨率和面積中導(dǎo)出。

AT77C104B傳感器在0.4 mm×11.6 mm范圍內(nèi)具有500 dpi分辨率區(qū)域，提供總共8像素×232像素，或每幀1856像素。每個像素用四位編碼，識別16個灰度級。圖3顯示了傳感器的框圖，其中包括陣列，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片上振蕩器，控制和狀態(tài)寄存器，導(dǎo)航和單擊單元，以及 slow 和的單獨接口快速操作模式。慢速模式可以高達200 kHz運行，用于編程，控制和配置傳感器?？焖倌Ｊ娇梢栽诟哌_16 MHz的頻率下運行，用于數(shù)據(jù)采集。片上加熱器會增加手指和傳感器之間的溫差。為了限制電流消耗，看門狗定時器在指定的時間長度后停止加熱模塊。

操作模式

傳感器實現(xiàn)六種操作模式：

睡眠模式：一種功耗極低的模式，禁止內(nèi)部時鐘并初始化寄存器。

待機< / em> mode：低功耗模式，等待來自主機的操作。慢速串行端口接口（SSPI）和控制塊被激活;振蕩器保持活動狀態(tài)。

單擊模式：在傳感器上等待手指。 SSPI和控制塊保持活動狀態(tài);

導(dǎo)航模式：當(dāng)手指穿過傳感器時計算x和y運動。 SSPI和控制塊仍然被激活;本地振蕩器，導(dǎo)航陣列和導(dǎo)航塊也被激活。

采集模式：將切片發(fā)送到主機進行指紋重建和識別。 SSPI和控制塊仍然被激活;快速串行端口接口塊（FSPI）和采集陣列被激活。當(dāng)需要看門狗定時器時，本地振蕩器被激活。

測試模式：此模式保留用于工廠測試。

接口Blackfin ?處理器串行外設(shè)接口的指紋傳感器

Blackfin ADSP-BF533低成本，高性能處理器被選用于此應(yīng)用，因為它結(jié)合了快速的功能信號處理器和強大的微控制器。其4線全雙工同步串行外設(shè)接口（SPI）具有兩個數(shù)據(jù)引腳（MOSI和MISO），一個器件選擇引腳（/ SPISS）和一個門控時鐘引腳（SCK）。請參見圖4. SPI支持主模式，從模式和多主機環(huán)境。 SPI兼容的外設(shè)實現(xiàn)還支持可編程波特率和時鐘相位/極性。

該接口本質(zhì)上是一個移位寄存器，可以一次一位地串行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)位， SCK速率與其他SPI設(shè)備之間的速率。移位寄存器可以同時發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。 SCK同步兩個串行數(shù)據(jù)引腳上數(shù)據(jù)的移位和采樣。

SPI端口可配置為主機（生成SCK和/ SPISS信號）或 slave （從外部接收SCK和從機選擇信號）。當(dāng)SPI端口配置為主機時，它會驅(qū)動MOSI引腳上的數(shù)據(jù)并接收MISO引腳上的數(shù)據(jù)。它驅(qū)動SPI從器件的從器件選擇信號，并提供串行位時鐘（SCK）。 Blackfin處理器的SPI通過使用時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）位提供的組合支持四種功能模式。有關(guān)Blackfin SPI端口的詳細信息，請參閱“ADSP-BF533 Blackfin處理器硬件參考手冊”。

硬件接口

ADSP-BF533處理器的SPI端口和AT77C104B之間的無縫硬件接口（如圖5所示）不需要任何外部膠合邏輯。傳感器/ SSS和/ FSS的從機選擇信號通過可編程標(biāo)志引腳PF1和PF2驅(qū)動。在將另一個標(biāo)志配置為輸出之前，應(yīng)將一個標(biāo)志配置為輸出并驅(qū)動為高電平（這些標(biāo)志不應(yīng)同時配置為輸出，因為Blackfin處理器默認(rèn)將它們驅(qū)動為低電平，會將傳感器芯片切換為掃描測試模式）。通過/ IRQ引腳產(chǎn)生的傳感器中斷由輸入PF4讀取。復(fù)位RST由PF3驅(qū)動。復(fù)位是高電平有效信號，因此在該線路上使用下拉電阻。

應(yīng)用軟件

應(yīng)用程序代碼執(zhí)行控制傳感器等任務(wù)，使用VisualDSP ++ ?開發(fā)工具的Image Viewer插件獲取指紋數(shù)據(jù)并重新排列數(shù)據(jù)以顯示接收的指紋圖像。

當(dāng)傳感器檢測到點擊時（即指示手指存在的信號），它會產(chǎn)生中斷。 Blackfin處理器接收此中斷，并在下降沿產(chǎn)生中斷。 STATUS寄存器指示導(dǎo)致中斷的事件。此過程用于導(dǎo)航，讀取錯誤和其他中斷。完整應(yīng)用程序的簡化流程圖如圖6所示。

數(shù)據(jù)采集

在采集模式下啟用傳感器加熱?？撮T狗定時器也啟用，確保加熱保持受控。因此，當(dāng)要求加熱時，傳感器被加熱“ n ”秒。

然后設(shè)置DMA參數(shù)用于數(shù)據(jù)采集?？勺兇笮〉腄MA flex描述符被加載到DMA參數(shù)寄存器中。寄存器序列基本上是固定的，但描述符的長度是完全可編程的。 2D陣列用于配置DMA參數(shù)。 1D數(shù)組是各個描述符。第一個描述符，一個偽，用于接收前五個字節(jié)，因為傳感器必須在第一個數(shù)據(jù)到達之前發(fā)送40個虛擬時鐘周期，以便初始化芯片流水線。因此，第一同步序列出現(xiàn)在40個時鐘周期之后。然后，數(shù)據(jù)隨后到達所有后續(xù)陣列讀數(shù)的每個時鐘周期。

傳感器以幀的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。每個幀的開始由虛擬列標(biāo)記，其中包含同步字。像素陣列從左上角到右下角逐列從上到下讀取。

數(shù)據(jù)重新排列

必須重新排列數(shù)據(jù)以顯示獲取的指紋圖像。存儲重新排列的數(shù)據(jù)，可以使用VisualDSP ++ Image Viewer實用程序查看。獲取的圖像和設(shè)置如圖7所示。執(zhí)行以下功能：

Nibble-swapping ：傳感器以半字節(jié)交換格式發(fā)送數(shù)據(jù)。例程將整個幀的奇偶像素交換。

4位到8位轉(zhuǎn)換：每個傳感器像素為4位寬，但圖像查看器顯示圖像最小寬度為8像素。四位零填充將每個像素轉(zhuǎn)換為8位。

電平調(diào)整：接收數(shù)據(jù)中的每個像素的強度為0到15，但顯示范圍為0每個像素的電平轉(zhuǎn)換產(chǎn)生良好的顯示效果。

數(shù)組轉(zhuǎn)置：來自傳感器的數(shù)據(jù)按列發(fā)送，但二維DMA接收數(shù)據(jù)行因此必須進行轉(zhuǎn)置以便連續(xù)顯示幀。三維數(shù)組用于連續(xù)顯示幀。

指紋重建和識別

如果指尖掃過傳感器窗口以合理的速率，連續(xù)幀之間的重疊使得能夠使用由Atmel提供的軟件重建整個指紋的圖像。由于分辨率增強，重建圖像通常為25mm×14mm或500像素×280像素，具有8位分辨率。因此，每個圖像需要140 kB的存儲空間。使用標(biāo)準(zhǔn)圖像處理技術(shù)可以從中導(dǎo)出更大或更小的圖像。一旦幀被連接以獲得完整的指紋圖像，識別算法就可以將樣本與模板匹配。

信任但驗證

指紋處理有三個主要功能： 注冊，搜索，驗證。 注冊從傳感器獲取指紋圖像并將其保存在SRAM中。處理，增強和壓縮圖像以創(chuàng)建指紋模板。各種過濾器清理圖像并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表示，從而無法竊取模板并直接重新創(chuàng)建指紋圖像。

搜索將原始候選圖像與先前注冊的模板列表進行比較。通過一系列篩選過程，該算法將模板列表縮小到可管理的大小。將篩選后存活的模板與候選模板進行比較，并提供驗證分?jǐn)?shù)。分?jǐn)?shù)超過預(yù)設(shè)閾值表示肯定識別。

驗證通過實時閉環(huán)模式比較原始候選圖像與先前登記的模板來驗證用戶的身份匹配算法。返回分?jǐn)?shù)，指示候選者和模板的相似性，以生成是/否匹配決策。

結(jié)論

Blackfin處理器和AT77C104B FingerChip傳感器相結(jié)合，提供簡單而強大的功能，指紋識別，通過允許或禁止訪問建筑物中的敏感區(qū)域或筆記本電腦中的敏感數(shù)據(jù)來增強安全性。