嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)圖像采集

由于具有其持久性和唯一性，指紋被廣泛應(yīng)用在個(gè)人身份識(shí)別系統(tǒng)。指紋識(shí)別在全世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，不僅為防范犯罪，同時(shí)也作為處理個(gè)人事務(wù)和信息安全的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
　　在指紋識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，歐美國家在研究和開發(fā)中處于領(lǐng)先地位。美國ZK Software在1992年就發(fā)布了ZKFinger 1.0版，2008年發(fā)布了ZKTime7.0、ADMS解決方案、指紋鎖、集成具有美國聯(lián)邦政府推出的FIPS201認(rèn)證的Lumidign和Secugen指紋儀；法國Segam公司，是安全解決方案的市場領(lǐng)導(dǎo)者之一，有遍布5大洲超過85個(gè)分公司和分支機(jī)構(gòu)，其生產(chǎn)的集成系統(tǒng)部署在100多個(gè)國家和地區(qū)。亞洲在指紋識(shí)別技術(shù)上較為先進(jìn)的公司有：韓國現(xiàn)代、朝鮮的培富士、日本的NEC等。
　　中國雖然在指紋識(shí)別技術(shù)方面發(fā)展較晚，但目前也已有具備指紋識(shí)別專用芯片研發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用能力的企業(yè)，如杭州晟元芯片技術(shù)有限公司、國民技術(shù)股份有限公司等。
　　在指紋圖像評(píng)估算法研究領(lǐng)域，Tabassi等人通過提取指紋圖像各子塊的對(duì)比度和曲率特征評(píng)估指紋圖像質(zhì)量，但這種方法只是從指紋圖像局部紋理進(jìn)行分析，不足以反映指紋圖像全局信息；Hong等人通過計(jì)算指紋圖像每一圖塊指紋紋線垂直方向上的灰度方差評(píng)估指紋圖像質(zhì)量，它在圖像噪聲較大時(shí)并不能很好獲得指紋圖像的方向圖，從而影響最后的評(píng)估效果。
　　文中采用一種指紋圖像綜合評(píng)估算法，設(shè)計(jì)具有信息提示功能的指紋識(shí)別系統(tǒng)，并將評(píng)估結(jié)果輸出到顯示屏，實(shí)現(xiàn)了提高指紋識(shí)別成功率，讓用戶直觀了解指紋采集的某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，以及如何進(jìn)行修正的目的。
　　1指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　1.1嵌入式指紋采集系統(tǒng)組成
　　具有提示信息的指紋識(shí)別裝置包括處理器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。處理器以不同的接口分別連接LCD漢字顯示屏、指紋傳感器、JTAG調(diào)試接口、復(fù)位電路、外部SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、串口及USB接口；電源管理模塊為上述各部分中的芯片和電路提供電源管理。其中，漢字顯示屏用來顯示指紋圖像初始評(píng)估的結(jié)果，提示用戶手指的放置是否正確、若不正確如何修正；指紋傳感器用來獲取手指的指紋圖像信息；JTAG調(diào)試接口用來與上位機(jī)連接進(jìn)行調(diào)試；復(fù)位電路用來初始化指紋識(shí)別裝置；FLASH程序存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)指紋識(shí)別裝置運(yùn)行的程序；外部SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)指紋識(shí)別裝置運(yùn)行過程中產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)；串口和USB接口用于與上位機(jī)的連接通信；安全控制器是指紋識(shí)別裝置的核心，控制指紋識(shí)別裝置的運(yùn)行。
　　
　　圖1指紋采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　指紋專用芯片，是指內(nèi)嵌指紋識(shí)別技術(shù)的芯片產(chǎn)品，能夠片上實(shí)現(xiàn)指紋的圖像采集、特征提取、特征比對(duì)的芯片，使開發(fā)過程變得簡單，開發(fā)者可以方便的實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別的功能，同時(shí)芯片價(jià)格適中，利于普及使用。
　　指紋專用芯片采用杭州晟元芯片技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AS602芯片，采用哈佛結(jié)構(gòu)32位RISC處理器內(nèi)核，內(nèi)置專用DSP指令集和加速器。其主要特點(diǎn)是具有SEA/RSA加速引擎、內(nèi)置存儲(chǔ)器（Flash/OTP）、指紋處理加速器和專用算法軟件。AS602芯片主頻高達(dá)128 MHz，內(nèi)置128 KB高速靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM），嵌入了1 MB大容量FLASH，64 kB ROM和4 kB OTP ROM，并具備豐富的對(duì)外接口：除了USB2.0全速接口外，還具備3組USART接口、4通道PWM接口、ISO7816智能卡接口、APC主接口、片上實(shí)時(shí)鐘、對(duì)稱算法引擎（SEA）加速器、RSA加解密引擎、真隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器（TRNG），以及51路GPIO.
　　1.3指紋采集傳感器
　　FPC1011F指紋傳感器由152×200個(gè)傳感器陣列組成，每一個(gè)陣列是一個(gè)金屬電極。放在傳感面上的手指的對(duì)應(yīng)點(diǎn)則作為另外一極，其工作原理是改變極板間距的電容式傳感器，整個(gè)傳感器（或其中的一部分）是通過讀取感應(yīng)器的指令來讀取的，采集區(qū)域的大小是由寄存器XSHIFT和YSHIFT值的決定的。
　　FPC1011F與處理器芯片的接口原理圖如圖2所示。將AS602的USART0配置為SPI模式。AS602的61腳作為時(shí)鐘輸出，60腳作為數(shù)據(jù)主輸出，連接FPC1011F的6號(hào)腳；59腳作為數(shù)據(jù)主輸入，連接FPC1011F的1號(hào)腳。FPC1011F 4號(hào)引腳SPI_CK與AS602的61腳連接得到系統(tǒng)時(shí)鐘。
　　
　　圖2 AS602與FPC1011F的接口原理圖
　　將FPC1011F的CPHA和CPOL分別置為0，此時(shí)FPC1011F為從設(shè)備。指紋圖像數(shù)據(jù)通過傳感器輸入FIFO.指紋采集通過查詢方式，用rd_spidtat指令不停地查詢SPI_STATUS寄存器的DA狀態(tài)是否為1.當(dāng)SPI_STATUS的DA狀態(tài)為1時(shí)，用rd_spidata指令來讀取FPC1011F的FIFO中的數(shù)據(jù)。