基于DSP的指纹采集处理系统的设计

李翠敏 孙文汇

（青岛工学院，山东 青岛266300）

0 前言

指纹识别也是模式识别领域中使用最早的，也是最为成熟的生物鉴定技术，而随着科技的进步和人们文化素质的提高，指纹认证系统己广泛应用于人们的日常生活中。随着电子商务的发展和消费类电子的普及，开发高性能且实用的指纹识别系统也就具有了很强的现实意义。

指纹采集以及数据传输作为一个识别管理系统的的重要环节，也得到了人们的重视。 尤其是随着网络技术的发展，以太网技术以其易于理解、实现、管理和维护等优点，成为了搭建数据交互的重要平台。笔者就是以校园的综合管理为基础设计了一款高效、低功耗且能应用于网络数据传输的指纹采集处理系统。

1 指纹图像的处理过程

在实际应用当中，指纹采集器所采集的指纹图像是一幅含有较多噪声的灰度图像， 较强的噪声势必降低处理结果的准确性与可靠性。从而影响系统的应用，而预处理的目的，就是改善输入指纹图像的质量，增强脊和谷的对比度，将它变成一幅清晰的点线图，以便于进行特征提取。 在本系统中主要原理过程：

指纹图像的分割：指纹图像分割通常位于预处理的前端，其目的是把指纹图像中质量很差、在后续处理中很难恢复的图像区域与有效区域分开来，使后续处理能够集中于有效区域。 分割处理不仅能提高特征提取的精确度，而且还能大大减小指纹预处理的时间，因此是指纹图像处理中的重要组成部分。 它不仅要求尽可能地去除无效区域，还要尽可能完整地保留有效区域，这就需要有较精确的分割算法。

指纹图像的增强：指纹图像的滤波增强是一个关键部分。 在整个指纹算法处理的过程中，指纹图像增强约占65%的时间，因此图像增强效果将直接影响指纹特征提取分类及后续的识别率。同时指纹图像的增强算法也将直接影响系统的实时性。

指纹图像的二值化及去噪：对指纹图像进行二值化处理以及去噪的目的是把灰度图像分成0、1 两个灰度级的图像，也就是前景点(指纹脊线)取1，背景点取0，从而将指纹脊线提取，因此对指纹图像进行二值化处理：一要进行压缩，即要留纹线的重要信息，又要节约存储空间，便于后续存储和处理；二要去除大量的粘连，以备指纹特征的提取和匹配。

细化：细化就是要删除指纹纹线的边缘像素，使之变成只有一个象素宽度，在细化过程要保证纹线的连接性、方向性、特征点不变，同时要保持纹线的中心基本不变，因此细化的好坏直接影响指纹识别的识别率。

指纹特征提取：指纹特征提取阶段，提取指纹的细节点如：端点，分叉点，孤立点，及其特征点的X 坐标与Y 坐标，存放于三维数组D的数据集中。 完成特征提取后，将提取的指纹特征数据与模版进行一对一的匹配，从而输出结果，它是我们验证系统的核心。

2 指纹采集处理系统的硬件电路设计

指纹采集处理技术是指纹识别中的关键术之一，同时也是本文的一个重点。 本设计主要采用了目前相对成熟的FPGA、DSP、 网络技术和指纹识别技术， 系统主要可以实现对学校所有人员的信息采集、处理和信息查询以及数据传送，是实现校园综合的智能化管理的重要一步。 （见图1）

2.1 DSP 在系统中的应用

系统通过指纹传感器获得指纹图像以及数字化的输出，然后将图像数据传送给中央处理器芯片DSP，DSP 对图像进行实时处理：分割、滤波增强、二值化及去噪、细化、特征提取等，同事将处理的数据结果通过USB 或者网络接口输出传送的上位机或者服务器。

图1

DSP 作为一种特殊的嵌入式微处理器系统，具有嵌入的协处理器和用于快速数据处理的并行数据通道。本文中采用T I 公司C5000 系列低功耗高性能的定点芯片TMS320VC5416， 它有128K*16bit 片内RAM，速度160MIPS，有3 个多通道缓冲串行口，主要应用与通信服务器。 ，在嵌入式网络设备中引入DSP 技术，通过DSP 来完成指纹图像的采集和指纹数据处理的算法的同时完成数据的传送， 在本系统中DSP 主要起到：对系统进行上电自检配置的各项参数进行设置；对指纹图像进行数字化处理；按照相关规范，提供设备的识别（包括USB、网络）。

2.2 系统的控制系统

FPGA 芯片完成整机的接口与逻辑控制，进行地址的译码以及其他外围电路的控制， 在本文中采用Altera 公司的ACEX1K 系列EP1K50 芯片，系统的互连、各个接口以及数据通道都是通过FPGA 完成的。 EP1K50 芯片是一款适合复杂逻辑以及有存储、 缓冲功能的FPGA 芯片，最高工作频率可达250MHz。 其特点是将LUT(查找表)和EAB(嵌入式阵列)相结合。 基于LUT 的逻辑对数据路径管理、寄存器强度、数学计算或数字信号处理的设计提供优化的性能和效率。 它是整个采集、处理、显示与实时控制的逻辑控制核心，实现的功能包括：开放式的图像数据采集总线，DSP 图像处理实时数据总线，100 MB 以太网接口，实时显示模块，I2C 存储器接口和PS／2 接口等。

2.3 指纹的数据采集

MBF200 是富士通公司生产的电容式半导体指纹传感芯片，它具有高性能、低功耗和低成本等特点,其图像传输速度最大可达30frame/s，能够满足连续指纹图像的采集。 在系统完成初始化后, 若手指按在指纹传感器上, 则进行一枚指纹图像数据的采集, 否则进入省电模式,等待手指检测中断唤醒CPU 进行一次指纹数据的操作。

指纹的采集工作由MBF200 检测到手指中断开始, DSP 首先向MBF200 的CTR-LA 寄存器写入一条指令0x04, 它的作用是启动MBF200 内部A /D 转换器, 然后等待行捕获时间结束后, 通过读取CTRLA 寄存器, 即可获取当前像素点的一个8 位数字量数值。因其地址递增，所以每次读取当前像素点的数值后自动进行下一像素点的A/D 转换, 循环读取CTRLA 的值到指定内存空间就可以获得一枚指纹图像的数据。

2.4 网络传输

RTL8019AS 以太网控制器具有高度集成的特点， 它可以简单的解答即插即用NE2000 兼容适配器， 该适配器具有二重和功率下降的特点。RTL8019AS 以太网控制器具有高度集成的特点，它可以简单的解答即插即用NE2000 兼容适配器，该适配器具有二重和功率下降的特点。

系统中的指纹传感器芯片FPS200 被映射到DSP 的I/O 空间中，给FPS200 共分配了两个I/O 地址空间，它的索引寄存器端口地址为0x8000，而数据寄存器端口地址为0x8001。 DSP 外 部 数 据 空 间 的0x4000 ～0xFFFF 部 分 是 由 系 统 中FLASH 和SRAM 分时占据的。

3 总结

基于DSP 惊人的发展速度以及FPGA 的运用， 结合先进的数字图像处理算法，采用MBF200 指纹传感器构成的指纹采集终端，使得指纹识别系统抗噪能力更强，尺寸更小、成本降低。使得指纹识别技术将会在校园中得到广泛的使用， 为大学生的生活和学习带来方便，同时也可以更好地保护个人的财产。

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