基于Nios II的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要： 介紹基于Nios II處理器的嵌入式自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法；具體說明自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、用戶自定義指令的設(shè)計(jì)，以及指紋識(shí)別算法的處理流程和實(shí)現(xiàn)方法。


關(guān)鍵詞： 嵌入式 指紋識(shí)別 Nios II 定制指令

引 言

　　 指紋識(shí)別作為生物特征識(shí)別的一種，在身份識(shí)別上有著其他手段不可比擬的優(yōu)越性：人的指紋具有唯一性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)；隨著指紋傳感器性能的提高和價(jià)格的降低，指紋的采集相對容易；指紋的識(shí)別算法已經(jīng)較為成熟。由于指紋識(shí)別的諸多優(yōu)點(diǎn)，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐漸走入民用市場，并應(yīng)用到許多嵌入式設(shè)備中。

　　 目前的嵌入式處理器種類繁多。Altera公司的Nios II處理器是用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器，與Altera的低成本的Cyclone FPGA組合，具有很高的性能價(jià)格比。本系統(tǒng)采用Nios II和Cyclone EP1C20嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板，以及Veridicom公司的FPS200指紋傳感器芯片，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)架構(gòu)

　　 本系統(tǒng)有兩大功能：指紋登記和指紋比對。指紋登記主要包括指紋采集、指紋圖像預(yù)處理、特征點(diǎn)提取、特征模板存儲(chǔ)和輸出顯示；指紋比對的前三步與指紋登記相同，但在特征點(diǎn)提取后，是將生成的特征模板與存儲(chǔ)在指紋特征模板庫中的特征模板進(jìn)行特征匹配，最后輸出顯示匹配結(jié)果。自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的基本原理框圖如圖1所示。

　　 本系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為三層：系統(tǒng)硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和指紋識(shí)別算法。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1自動(dòng)指紋識(shí)別的基本原理框圖

　圖2系統(tǒng)層次

　　 最底層——系統(tǒng)硬件平臺(tái)，是系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，提供軟件的運(yùn)行平臺(tái)和通信接口。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)在Altera的Nios II Cyclone嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，指紋傳感器采用美國Veridicom公司的FPS200。FPS200可輸出大小為256×300像素、分辨率為500 dpi的灰度圖像。

　　 第二層是操作系統(tǒng)，采用μC/OSII。μC/OSII是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，可固化、可剪裁、具有高穩(wěn)定性和可靠性。這一層提供任務(wù)調(diào)度以及接口驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，通過硬件中斷來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對外界的通信請求的實(shí)時(shí)響應(yīng)，如對指紋采集的控制、對串口通信的控制等。這種方式可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

　　 最上層是指紋識(shí)別核心算法的實(shí)現(xiàn)。該算法高效地對采集到的指紋進(jìn)行處理和匹配。采用C語言在Nios II的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）中實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 Nios II嵌入式軟核處理器簡介
　　 Nios II嵌入式處理器是Altera公司于2004年6月推出的第二代用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器，性能超過200 DMIPS。Nios II是基于哈佛結(jié)構(gòu)的RISC通用嵌入式處理器軟核，能與用戶邏輯相結(jié)合，編程至Altera的FPGA中。處理器具有32位指令集，32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令以及數(shù)據(jù)緩沖。它特別為可編程邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，也為可編程單芯片系統(tǒng)（SoPC）設(shè)計(jì)了一套綜合解決方案。Nios II處理器系列包括三種內(nèi)核：一種是高性能的內(nèi)核（Nios II/f）；一種是低成本內(nèi)核（Nios II/e）；一種是性能/成本折中的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核（Nios II/s），是前兩種的平衡。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核。

　　 Nios II 處理器支持256 個(gè)具有固定或可變時(shí)鐘周期操作的定制指令；允許Nios II設(shè)計(jì)人員利用擴(kuò)展CPU指令集，通過提升那些對時(shí)間敏感的應(yīng)用軟件的運(yùn)行速度，來提高系統(tǒng)性能。

2.2 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

　　 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

　　 本系統(tǒng)使用FPS200指紋傳感器獲取指紋圖像。FPS200是電容式固態(tài)指紋傳感器，采用CMOS技術(shù)，獲取的圖像為256×300像素，分辨率為500 dpi。該傳感器提供三種接口方式：8位微機(jī)總線接口、集成USB全速接口和集成SPI接口。本系統(tǒng)采用集成SPI接口。指紋采集的程序流程是：首先初始化FPS200的各個(gè)寄存器，主要是放電電流寄存器（DCR）、放電時(shí)間寄存器（DTR）和增益控制寄存器(PGC)的設(shè)置；然后查詢等待，指紋被FPS200采集進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器后，通過DMA存入內(nèi)存。

　　 由于從指紋傳感器采集到的指紋圖像數(shù)據(jù)在80 KB左右，以DMA方式存入片內(nèi)RAM。Nios II對指紋圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，生成指紋特征模板，在指紋登記模式下，存入片外Flash中；在指紋比對模式下，與存儲(chǔ)在Flash中的特征模板進(jìn)行匹配，處理結(jié)果通過LCD和七段LED顯示器輸出顯示。

　　 本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要是在Altera的Nios II Cyclone嵌入式開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，選用Altera的Cyclone版本的Nios II開發(fā)套件，包括Nios II處理器、標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備庫、集成了SoPC Builder系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具的QuartusII開發(fā)軟件等。系統(tǒng)的主要組件Nios II的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核、片內(nèi)存儲(chǔ)器、SPI、UART、DMA控制器、并行I/O接口、Avalon總線、定時(shí)器等都集成在一塊Altera的Cyclone FPGA芯片上，使用SoPC Builder來配置生成片上系統(tǒng)。

　　 SoPC Builder是功能強(qiáng)大的基于圖形界面的片上系統(tǒng)定義和定制工具。SoPC Builder庫中包括處理器和大量的IP核及外設(shè)。根據(jù)應(yīng)用的需要，本系統(tǒng)選用Nios II Processor、On?Chip?Memory、Flash Memory(Common Flash Interface)、SPI、JTAG UART、DMA、Interval timer、LCD PIO、Seven Segment PIO、Avalon Tri?State Bridge等模塊。對這些模塊配置完成后，使用SoPC Builder進(jìn)行系統(tǒng)生成。SOPC Builder自動(dòng)產(chǎn)生每個(gè)模塊的HDL文件，同時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生一些必要的仲裁邏輯來協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部件的工作。

2.3 使用Nios II的定制指令提高系統(tǒng)性能

　　 使用Nios II的定制指令，可以將一個(gè)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)指令序列簡化為一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的單一指令，從而簡化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)并加快系統(tǒng)運(yùn)行速度。Nios II的定制指令是與CPU的數(shù)據(jù)通路中的ALU相連的用戶邏輯塊。其基本操作是，接收從dataa和/或datab端口輸入的數(shù)據(jù)，經(jīng)過定制指令邏輯的處理，將結(jié)果輸出到result端口。

　　 在指紋識(shí)別算法中，對指紋圖像的處理數(shù)據(jù)運(yùn)算量大，循環(huán)數(shù)目多；而Nios II的定制指令個(gè)數(shù)已增加到256個(gè)，可以使用定制指令完成許多循環(huán)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理，從而加速數(shù)據(jù)處理的速度。

　　 在對指紋圖像的處理中，頻繁地用到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將圖像的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一維的存儲(chǔ)地址；通過定制指令來完成坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，用一組易于用硬件實(shí)現(xiàn)的位移和加法運(yùn)算替代乘加運(yùn)算，可將轉(zhuǎn)換時(shí)間縮短1/3。在方向圖計(jì)算中，要進(jìn)行離散反正切變換，使用優(yōu)化過的用硬件實(shí)現(xiàn)的定制指令來替代C語言中的atan函數(shù)，更可以將變換時(shí)間縮短到原來的1/1000。

　　 定制指令邏輯和Nios II的連接在SoPC Builder中完成。Nios II CPU配置向?qū)峁┝艘粋€(gè)可添加256條定制指令的圖形用戶界面，在該界面中導(dǎo)入設(shè)計(jì)文件，設(shè)置定制指令名，并分配定制指令所需的CPU時(shí)鐘周期數(shù)目。系統(tǒng)生成時(shí)，Nios II IDE為每條用戶指令產(chǎn)生一個(gè)在系統(tǒng)頭文件中定義的宏，可以在C或C++應(yīng)用程序代碼中直接調(diào)用這個(gè)宏。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　 本系統(tǒng)的指紋圖像處理及識(shí)別算法采用C語言在Nios II IDE中實(shí)現(xiàn)。指紋識(shí)別算法的流程如圖4所示。

圖4指紋識(shí)別算法流程

　　 背景分離是將指紋區(qū)與背景分離，從而避免在沒有有效信息的區(qū)域進(jìn)行特征提取，加速后續(xù)處理的速度，提高指紋特征提取和匹配的精度。采用標(biāo)準(zhǔn)差閾值跟蹤法，圖像指紋部分由黑白相間的紋理組成，灰度變化大，因而標(biāo)準(zhǔn)差較大；而背景部分灰度分布較為平坦，標(biāo)準(zhǔn)差較小。將指紋圖像分塊，計(jì)算每個(gè)小塊的標(biāo)準(zhǔn)差。若大于某一閾值（本文取20），則該小塊中的所有像素點(diǎn)為前景；否則，為背景。

　　 方向圖是用紋線的方向來表示原來的紋線。本文采用塊方向圖，將源指紋圖像分成小塊，使用基于梯度值的方向場計(jì)算方法，計(jì)算出每個(gè)小塊的脊線方向。

　　 圖像增強(qiáng)的目的是改善圖像質(zhì)量，恢復(fù)脊線原來的結(jié)構(gòu)；采用方向?yàn)V波，設(shè)計(jì)一個(gè)水平模板，根據(jù)計(jì)算出的方向圖，在每個(gè)小塊中將水平模板旋轉(zhuǎn)到所需要的方向進(jìn)行濾波。

　　 圖像的二值化是將脊線與背景分離，將指紋圖像從灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像。

　　 二值化后的圖像經(jīng)過細(xì)化，得到紋線的骨架圖像。細(xì)化采用迭代的方法，使用Zhang?Suen并行細(xì)化算法，可對二值圖像并行處理。

　　 特征提取階段，選擇脊線端點(diǎn)和分叉點(diǎn)作為特征點(diǎn)，記錄每一個(gè)特征點(diǎn)的類型、位置和方向信息，從而得到指紋的特征點(diǎn)集。但由于在指紋掃描和預(yù)處理階段會(huì)引入噪聲，產(chǎn)生大量偽特征點(diǎn)，因此需要進(jìn)行偽特征點(diǎn)的去除。去除偽特征點(diǎn)后的特征點(diǎn)集作為特征模板保存。

　　 特征匹配階段采用基于特征點(diǎn)的匹配算法，通過平移和旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的大致對齊重合，計(jì)算坐標(biāo)變換后兩個(gè)模板中的特征點(diǎn)的距離和角度。如果小于某一閾值（本文的距離和角度閾值分別取5個(gè)像素和10°）,則認(rèn)為是一對匹配的特征點(diǎn)。計(jì)算得出所有匹配的特征點(diǎn)對后，計(jì)算匹配的特征點(diǎn)占模板中所有特征點(diǎn)的百分比S。根據(jù)系統(tǒng)的拒識(shí)率（FRR）和誤識(shí)率（FAR）要求設(shè)置閾值TS。如果S大于或等于閾值TS，則認(rèn)為是同一指紋；否則，匹配失敗。

結(jié)語

　　 本文提出了一種基于Nios II嵌入式處理器軟核的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。使用Altera的Cyclone FPGA實(shí)現(xiàn)，且具有開發(fā)周期短、成本低等特點(diǎn)；同時(shí)，采用Nios II的定制指令來提高系統(tǒng)性能，利用硬件實(shí)現(xiàn)算法速度快的優(yōu)點(diǎn)，使以Nios II處理器為核心的系統(tǒng)能夠快速地完成大量數(shù)據(jù)處理。

參考文獻(xiàn)

1 Frank Vahid，等. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì).駱麗等譯. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2004
2 任愛鋒，等.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì).西安：西安電子工業(yè)大學(xué)出版社, 2004
3 Nios II Custom Instruction User Guide. www.altera.com
4 Vizcaya P， Gerhardt L. A nonlinear orientation model for global description of fingerprints. Pattern Recognition, v. 29, no. 7
5 柴曉光，等.民用指紋識(shí)別技術(shù).北京：人民郵電出版社，2004