指纹识别系统设计方法研究

郑州广播电视大学 王民川

指纹识别系统设计方法研究

郑州广播电视大学 王民川

生物识别技术是利用人的生物特征进行身份认证的技术，人的指纹就是生物特征之一。随着光学技术和光学仪器加工工艺的进步，各种采集指纹图案进行身份认证的系统和设备中需要配备的高清晰、无畸变光学采集仪也达到了很高的水平，确保可以生成高质量的指纹图像。

该项目利用嵌入式软件来实现系统的管理，利用硬件来实现识别算法，保证了系统功能的完整性和识别的正确性。而识别算法我们采用美国FBI推荐的特征点匹配算法来实现指纹的识别，保证了系统的实现。

一、系统总体设计

系统采用xilinx公司Spartan－3E系列FPGA作为核心的控制和运算芯片，数据采集模块由富士通公司的MBF200电容式指纹传感器来完成，MBF200指纹传感器可以完成指纹图像的采集并用其自带的A/D转换器将指纹图像转换成数字信号，利用SPI接口传送至FPGA进行存储。

系统操作时首先利用键盘选择指纹存储模式，将获得的指纹图像信息存储到FLASH中作为指纹数据库，然后切换到指纹识别模式，再利用上述方法获得指纹图像信息。图像预处理的主要步骤包括：灰度值归一化、图像分割、滤波、图像增强、二值化和细化等。本设计结合细化图像的特点，提出了一种基于非彻底细化图像的指纹细节提取算法。在不对纹线做任何修复处理的情况下，直接提取原始细节特征点集。然后分析图像中存在的各类噪声及其特点，利用伪特征点在数学形态学上的分布规律，将各类噪声引起的伪特征点分别予以删除，将最终保留的特征点集合作为真正特征点的集合。

二、开发工具及器件简介

传感器MBF200具有高性能、低功耗和低成本等优点，属于电容性传感器。其电容性传感器阵列由二维金属电极组成，所有金属电极充当一个电容板，接触的手指充当第二个电容板，器件表面的钝化层作为两板的绝缘层。当手指触摸传感器表面时，指纹的高低不平就会在传感器阵列上产生变化的电容，从而引起二维阵列上电压的变化，并形成指纹传感图像。

在设计中我们用EDK在FPGA内部嵌入一个32位处理器，然后将此处理器作为一个子模块，在ISE中引用此子模块，来完成整个设计。在这里简要介绍ISE和EDK开发环境。其中，原理图输入可使用第3方软件ECS来完成，测试台输入可使用图形化的HDL Bencher来完成，状态图输入可使用StateCAD来完成，前、后仿真则可使用Modesim XE来完成。一般在Synplify中建立工程、输入文件和综合，在Modelsim中新建工程并作仿真，用ISE的Design Manager来完成，再运行JTAG编程器下载。

三、硬件设计

本设计中采用的是富士通的MBF200指纹传感器，采用SPI模式，/S/C/S为MBF200的使能端，SCLK为MBF200的系统时钟，当需要采集指纹信号时，FPGA向/S/C/S发送低电平，则MBF200开始工作。FPGA通过MOSI向MBF200发送控制命令，控制MBF200的数据输出方式和传输模式。

本系统在Spartan－3E开发板上嵌入一个Microblaze软核来进行数据处理，首先将SPI口传输进来的数据送入SDRAM进行存储，开发板上带有32M的SDRAM，完全可以存储很多张指纹数据。RS232通信和键盘操作模块的操作均可从EDK 9.1i开发软件中获得MicroBlaze控制器的IP核，然后直接将PC与Spartan-3E通过串口链接，键盘可以连接至Spartan-3E的PS2口。

四、软件设计

MBF200具有19个控制寄存器，MBF200的初始化主要是对控制寄存器赋初值，CTRLB必须在程序的最开始对它的位0和位2置“1”，使能MBF200的CTRLB位也应置为“1”，使能MBF200内部震荡时钟也应做出相应的设置。

指纹数据采集通过软件来实现，工作流程如下：上电，初始化MBF200，拉低/S/C/S使能，FPGA由MISO发送0x02信号，使能MBF200进入写状态。在本设计中，写入0x03至CTRLA，拉高/S/C/S使能，等待传感器获取图像并进行图像转换。可以通过判断接收到数据的数量来判断一行数据是否接受完毕。

MBF200的读、写2个状态分为WRITE和READ。其中又分写命令、写地址、读数据等几种状态。所以定义了write_data、write_cmd、write_adr、read_data等4个状态机。在指纹数据存储软件实现设计中，数据采集至FPGA后，临时存储至开发板自带的512Mb DDR SDRAM中。一般在上电过程中需设置MR，主要将突发长度、突发类型、CAS延迟等信息存储在MR中，CAS代表的时间当列地址给出后，SDRAM需要多少个时钟周期才能在数据线上给出数据。在指纹图像预处理软件实现设计中，Spartan-3E系列FPGA内部能嵌入一个32位的RISC处理器，此处理器完全可以实现这些运算，提高系统的执行效率并降低系统的开发难度。

五、结论

本文以FPGA作为核心控制器件，简单介绍了实现指纹图像的采集、存储、处理和比对的方法和过程，完成了对指纹图像的有效识别，随着网络和现代化办公的发展，该识别系统将具有更加广泛的应用前景。