摘  要： 本文采用FPS200指紋傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于TMS320VC5409 DSP芯片的指紋鑒定系統(tǒng)，文中詳細(xì)的介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)方案和算法思路。

引言
指紋鑒定技術(shù)利用人類指紋穩(wěn)定性和獨(dú)特性的生理特征，將其作為人們的一種“活的身份證”，更因指紋具有的不可替代性，使通過(guò)指紋進(jìn)行身份鑒定的安全性大大提高，且隨著圖像處理_模式識(shí)別方法的發(fā)展和指紋傳感器技術(shù)的日臻成熟，指紋鑒定方法在金融、公安、門禁、戶籍管理等領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景。
本文利用TI公司的TMS320VC5409 DSP芯片為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于DSP芯片的指紋鑒定系統(tǒng)。
                       
系統(tǒng)功能描述
指紋身份鑒定系統(tǒng)是指確認(rèn)用戶聲稱的身份是否與其真實(shí)身份一致，只有兩種可能的答案“是或否”。系統(tǒng)包含兩個(gè)主要的功能模塊：學(xué)習(xí)模塊和鑒定模塊。學(xué)習(xí)模塊負(fù)責(zé)采集用戶指紋數(shù)據(jù)，提取代表這些數(shù)據(jù)的特征，作為以后的比對(duì)模板存入數(shù)據(jù)庫(kù)。鑒定模塊則采集待鑒定用戶指紋數(shù)據(jù)，提取特征后與數(shù)據(jù)庫(kù)中的模板進(jìn)行比對(duì)，決定兩者是否匹配，然后做出“是或否”的判斷。整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。
                 
FPS200指紋傳感器工作原理和性能特點(diǎn)
Veridicom公司的FPS200指紋傳感器是一種觸摸式CMOS傳感器件，其傳感區(qū)域?yàn)?.28cm×1.50cm，256×300傳感陣列，500dpi分辨率，內(nèi)置有8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可直接輸出數(shù)字化圖像信號(hào)，用8位表征一個(gè)像素點(diǎn)，且有微處理器總線、SPI總線和USB總線三種接口模式可供選擇，并可以方便的定義所需傳感陣列的區(qū)域，工作電壓為3.3V~5V。FPS200基于電容充放電原理，傳感陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極，相當(dāng)于電容器的一個(gè)極，與傳感區(qū)接觸的手指充當(dāng)電容器的另一個(gè)極，而兩者之間的傳感面形成電容兩極之間的介電層，由于指紋的脊和谷導(dǎo)致了傳感陣列各電容值的不同，傳感器將電容值數(shù)字化之后輸出。本指紋鑒定系統(tǒng)采用了傳感器的微處理器總線模式，傳感器的8位數(shù)據(jù)線直接與DSP的數(shù)據(jù)線接口，傳感器部分的硬件電路示意圖如圖2所示。

圖2  FPS200與DSP連接電路示意圖

圖3  指紋鑒定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖4  特征點(diǎn)的八鄰域圖

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)核心處理器為TMS320VC5409 DSP，該款芯片具有良好的性能價(jià)格比，運(yùn)算速度達(dá)100MIPS，片內(nèi)有32K字節(jié)雙向訪問(wèn)RAM，支持64K字節(jié)的數(shù)據(jù)空間，64K字節(jié)的IO空間和8M字節(jié)的程序空間，能夠滿足指紋鑒定系統(tǒng)的要求。選用了Xilinx公司的CPLD XC9572來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯電路設(shè)計(jì)。實(shí)際系統(tǒng)中我們擴(kuò)展了64k的SRAM,但因DSP最多支持外部擴(kuò)展32K數(shù)據(jù)空間，因此SRAM的A15地址線由DSP通過(guò)CPLD中的邏輯電路來(lái)控制，從而決定選擇SRAM的高地址段32K存儲(chǔ)空間還是低地址段32K存儲(chǔ)空間，這樣就在符合DSP的外擴(kuò)數(shù)據(jù)空間要求的基礎(chǔ)上又增加了寶貴的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源。配置EEPROM以滿足DSP引導(dǎo)裝入程序的需要，系統(tǒng)程序聯(lián)機(jī)調(diào)試成功后，將程序和有關(guān)數(shù)據(jù)信息存入EEPROM，系統(tǒng)上電后首先DSP執(zhí)行引導(dǎo)裝入程序?qū)EPROM里的程序搬移到DSP片內(nèi)的RAM中高速執(zhí)行，這樣系統(tǒng)就完全脫機(jī)工作了。終端選用了液晶顯示模塊LCM，對(duì)感興趣的圖像或數(shù)據(jù)結(jié)果提供直觀的顯示，DSP將要顯示的數(shù)據(jù)存入緩沖器，再由LCM讀取，這樣就解決了LCM和DSP讀寫速度相差懸殊的問(wèn)題。完整的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，該硬件平臺(tái)已經(jīng)調(diào)試運(yùn)行成功。

算法介紹
指紋是比較復(fù)雜的，指紋鑒定算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上找到并比對(duì)指紋的特征點(diǎn)。指紋學(xué)指出，出現(xiàn)頻率較高的指紋特征有八種，其中端點(diǎn)和分叉點(diǎn)占指紋特征的80％以上。本系統(tǒng)選用了這兩種特征作為算法提取和比對(duì)的對(duì)象。對(duì)獲得的指紋圖像我們先進(jìn)行預(yù)處理再進(jìn)行二值化和細(xì)化，然后提取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，并去除偽特征點(diǎn)，將處理結(jié)果與數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的模板數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配判斷。當(dāng)然，模板是系統(tǒng)在學(xué)習(xí)功能階段將用戶的指紋數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上述相同的處理后保存下來(lái)的。預(yù)處理的目的是使指紋圖像清晰，邊緣明顯，以便于提取特征進(jìn)行識(shí)別，它包括平滑和銳化等。平滑處理的任務(wù)就是去除噪聲，而不使圖像失真；銳化處理是為了加強(qiáng)紋線的邊界效果，突出邊緣信息，以利于其后的二值化。二值化過(guò)程則需要采用一個(gè)“局部自適應(yīng)的閥值”。提取特征值之前的最后一道工序是細(xì)化，是將指紋脊線的寬度降為單個(gè)像素的寬度，并保持原有的連續(xù)性。
指紋特征點(diǎn)的提取方法是算法中的核心。我們采用8鄰域法對(duì)二值化后的指紋圖像抽取特征點(diǎn)，這種方法將脊線上的點(diǎn)用“1”表示，背景用“0”表示，將待測(cè)點(diǎn)（i,j）的八鄰域點(diǎn)(如圖4所示)進(jìn)行循環(huán)比較，若“0”，“1”變化有六次，則此待測(cè)點(diǎn)為分叉點(diǎn)，若變化兩次，則為端點(diǎn)。實(shí)際上，因?yàn)橹讣y圖像質(zhì)量的影響和預(yù)處理產(chǎn)生的噪聲使得上述提取的特征點(diǎn)中包含大量的偽特征點(diǎn)，這將使鑒定誤識(shí)率上升，所以在匹配前要去除這些偽特征點(diǎn) 。指紋圖像邊緣的偽特征點(diǎn)較多，這部分特征點(diǎn)去除不要；若相同方向的兩個(gè)特征點(diǎn)距離小于一定的閥值，就去除該兩點(diǎn)；若一個(gè)端點(diǎn)與一個(gè)分叉點(diǎn)相連且間距小于一定的閥值，也去除這兩點(diǎn)。然后對(duì)初步確定的端點(diǎn)和分叉點(diǎn)進(jìn)行紋線跟蹤以進(jìn)一步驗(yàn)證特征點(diǎn)的可信度，對(duì)達(dá)不到可信度要求的特征點(diǎn)也予以去除。
指紋圖像中心點(diǎn)的提取也是算法中的重要內(nèi)容，我們以指紋最內(nèi)層弧的頂點(diǎn)作為中心點(diǎn)，就是紋線上曲率最大處，若最內(nèi)層弧頂點(diǎn)處有分叉線存在，且此分叉線走向與兩旁紋線走向一致，則定義分叉點(diǎn)為中心點(diǎn)。指紋中心點(diǎn)確認(rèn)后，也就可以容易的確定各特征點(diǎn)相對(duì)于中心點(diǎn)的方向，若為分叉點(diǎn)則取分叉點(diǎn)的三條紋線與中心點(diǎn)夾角的平均值作為此特征點(diǎn)方向；若為端點(diǎn)，則用端點(diǎn)兩側(cè)的兩根紋線與中心點(diǎn)夾角的均值作為此特征點(diǎn)的方向。這樣系統(tǒng)中我們就用特征點(diǎn)的類型，特征點(diǎn)與中心點(diǎn)的方向，特征點(diǎn)與中心點(diǎn)的紋線數(shù)這三個(gè)參量來(lái)表征一個(gè)特征點(diǎn)的特征信息。
兩個(gè)指紋圖像的匹配實(shí)際就是兩幅圖像特征點(diǎn)信息（三個(gè)參量）的比對(duì)，獲取的指紋圖像靠近中心點(diǎn)的是圖像質(zhì)量較好的，離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，特征信息準(zhǔn)確度越差，所以比對(duì)時(shí)盡可能取中心點(diǎn)附近的特征點(diǎn)，若兩幅指紋有10個(gè)以上的特征點(diǎn)匹配即可基本判定兩幅指紋屬同一個(gè)指紋。
系統(tǒng)的主要程序流程如圖5所示，系統(tǒng)首先與主機(jī)聯(lián)機(jī)工作，將學(xué)習(xí)模塊得到的用戶指紋信息保存下來(lái)作為模板，然后系統(tǒng)脫機(jī)獨(dú)立工作，對(duì)以后采集到的指紋做身份鑒定。

結(jié)語(yǔ)
本指紋鑒定系統(tǒng)外觀小巧，工作性能穩(wěn)定。算法開(kāi)發(fā)前期使用C語(yǔ)言對(duì)算法進(jìn)行功能性驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后，使用面向TMS320VC5409 DSP的匯編語(yǔ)言在CCS環(huán)境中進(jìn)行算法開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，并取得了良好的工作實(shí)時(shí)性。