基于TMS320VC5409型DSP的指紋識(shí)別系統(tǒng)

摘  要：TMS320VC5409是Ⅱ公司的推出一款數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，具有良好的性能價(jià)格比。介紹一種基于該DSP的指紋識(shí)別系統(tǒng)。給出其設(shè)計(jì)方案、指紋識(shí)別算法設(shè)計(jì)思路度硬件結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)討論對(duì)指紋預(yù)處理算法的改進(jìn)，TMS320VC5409和F37S200的特性及CPLD邏輯設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵字：指紋識(shí)別系統(tǒng)；識(shí)別算法；數(shù)字信號(hào)處理器；復(fù)雜可編程邏輯器件

1 引言
    隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，生物特征識(shí)別技術(shù)研究受到了廣泛的關(guān)注。生物特征識(shí)別是用生物體本身的生物特征來區(qū)分生物個(gè)體的計(jì)算機(jī)技術(shù)，它所研究的生物特征包括臉形、指紋、手掌紋、虹膜、視網(wǎng)膜、聲音、體形、個(gè)人習(xí)慣等，相應(yīng)的識(shí)別技術(shù)包括人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、掌紋識(shí)別、虹膜識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、語音識(shí)別、體形識(shí)別、鍵盤敲擊識(shí)別、簽字識(shí)別等。本文介紹的指紋識(shí)別便是生物識(shí)別技術(shù)的一種，它相對(duì)其他識(shí)別系統(tǒng)(如虹膜、臉形)有很多優(yōu)越性。首先指紋具有獨(dú)特性和穩(wěn)定性，并且信號(hào)容易采集，識(shí)別算法已經(jīng)很成熟。目前，基于通用PC機(jī)進(jìn)行指紋識(shí)別的技術(shù)已經(jīng)開始大規(guī)模推廣．但它造價(jià)高，系統(tǒng)復(fù)雜，體積龐大．只能用于固定場(chǎng)所，顯然不適合在保安、網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)、門禁等系統(tǒng)中應(yīng)用。隨著DSP性能的不斷提高和價(jià)格的大幅度下降，它的應(yīng)用范圍亦不斷擴(kuò)大。其中，重要的應(yīng)用領(lǐng)域是實(shí)時(shí)信號(hào)處理。指紋識(shí)別系統(tǒng)對(duì)速度的要求高，計(jì)算量大，處理過程中的很多運(yùn)算都是乘法和加法運(yùn)算，這正是DSP的強(qiáng)項(xiàng)。

2  指紋識(shí)別系統(tǒng)的原理及組成
    指紋識(shí)別技術(shù)使用取像設(shè)備讀取指紋圖像，通過識(shí)別軟件提取指紋圖像中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得到的結(jié)果鑒別指紋所有人身份。

    指紋識(shí)別系統(tǒng)由離線和在線兩個(gè)部分組成，主要涉及指紋圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取、特征匹配等過程。在系統(tǒng)的離線部分，用指紋采集儀采集指紋．提取出特征點(diǎn)，然后將特征點(diǎn)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中．形成指紋模板庫(kù)。在系統(tǒng)的在線部分，用指紋采集儀采集指紋．提取出特征點(diǎn)，然后將這些細(xì)節(jié)點(diǎn)與保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的模板特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，判斷輸入特征點(diǎn)與模板特征點(diǎn)是否來自同一個(gè)手指的指紋。自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 圖像預(yù)處理
    由于受到各種因素的影響，采集到的指紋圖像是一幅含噪音較多的灰度圖像．需要先對(duì)此圖像進(jìn)行預(yù)處理。指紋圖像預(yù)處理是指對(duì)采集到的低質(zhì)量指紋圖像依據(jù)一定的算法和處理過程使其紋線結(jié)構(gòu)清晰化．盡量突出和保留固有的特征信息而避免產(chǎn)生偽特征信息。指紋圖像預(yù)處理是指紋自動(dòng)識(shí)別過程中的第一步，它的好壞直接影響著指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的效果。圖像預(yù)處理包括濾波、二值化、細(xì)化和去噪。

    由于在局部范圍內(nèi)指紋圖中紋線具有方向性一致，寬度基本相等，間距基本相同等特性，所以基于指紋的這些特性對(duì)傳統(tǒng)算法加以改進(jìn)。采用方向圖濾波來對(duì)指紋圖像進(jìn)行處理。首先將指紋紋線的方向在O~π之間平均劃分為K個(gè)基本方向，每個(gè)方向?yàn)棣?K，這里取K=8．以每個(gè)像素點(diǎn)的方向來表示指紋圖像，如圖2所示。

    然后按式(1)及式(2)分別求出8個(gè)方向的Sd的值。

   
    其中f(i,j)是點(diǎn)(i,j)的灰度值，(ik,jk)是方向d上的第k點(diǎn),N是所取的方向數(shù)，n是所取的鄰點(diǎn)數(shù)，這里取n=4，d’代表與d垂直的方向。點(diǎn)(i,j)的方向是S4取值最小的方向d,即灰度變化最小的方向。然后，設(shè)N(d)是某一像素8鄰域中方向?yàn)閐的像素的個(gè)數(shù)，定義N(d)的最大值為N(D1)，次大值為N(D2)，其對(duì)應(yīng)方向分別是D1和D2，C(i, j)是點(diǎn)(i，i)校正后的方向代碼，按式(3)進(jìn)行平滑，從而得到好的濾波效果。

    然后進(jìn)行二值化處理，二值化處理是指將整幅圖像處理成僅存黑（灰度值為0）和白（灰度值為1）二值。本文采用動(dòng)態(tài)閥值法，把指紋圖像分成若干子塊計(jì)算每一個(gè)子塊的灰度均值，若該塊內(nèi)某一象素點(diǎn)的灰度值大于這個(gè)灰度值，那么這個(gè)點(diǎn)就取1，反之取0，依此法對(duì)每一個(gè)子塊進(jìn)行處理。二值化過程中難免引入噪音，所以，處理之后要進(jìn)行取噪處理，其作用是填補(bǔ)二值化后紋線上的孔洞或者刪除紋線上的毛刺和鼓勵(lì)的值為1的象素。

    然后對(duì)生成的二值圖像進(jìn)行細(xì)化處理，即在不影響圖像連通性的基礎(chǔ)上刪除紋線的邊緣象素，直到紋理線為單象素為止。筆者選取 逐層迭代算法，并把一次迭代分作兩此掃描，由周邊向中間逐層細(xì)化，使細(xì)化結(jié)果位于原圖的中軸，然后依然要進(jìn)行去噪處理。

    圖3示出指紋采集到的指紋圖像經(jīng)過預(yù)處理后的效果。

3.2 提取特征點(diǎn)

    指紋識(shí)別算法最終歸結(jié)為在指紋圖像中找到并對(duì)比指紋的特正點(diǎn)。從預(yù)處理后的指紋圖像中找出所有連通數(shù)為3的點(diǎn)，可以得到分叉點(diǎn)；而求取端點(diǎn)要用一種變通的方法將指紋分割圖反相，再細(xì)化,然后提取分叉點(diǎn)，得到的分叉點(diǎn)就是實(shí)際的端點(diǎn)。這樣得到的特征點(diǎn)大部分都是真的，但也包含因噪聲影響而產(chǎn)生的偽特征點(diǎn)，這將使鑒定誤識(shí)率上升,所以必須去除這些偽特征點(diǎn)。將邊緣處的一些特征點(diǎn)及一些空洞和毛刺去除：計(jì)算已經(jīng)選定的可能特征點(diǎn)與邊緣的距離，當(dāng)小于門限值的時(shí)候，認(rèn)為該點(diǎn)不可靠，將其去除。用特征點(diǎn)與指紋中心點(diǎn)之間的紋線數(shù)以及特征點(diǎn)到中心點(diǎn)連線與指紋圖像坐標(biāo)的夾角來表征位置信息，將這些位置信息存入指紋庫(kù)。

3．3  指紋的匹配
    定位輸入特征點(diǎn)集和已有的模版特征點(diǎn)集之間的匹配原點(diǎn)對(duì),計(jì)算二個(gè)特征點(diǎn)集的旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)．并根據(jù)這些旋轉(zhuǎn)和平移參數(shù)校準(zhǔn)輸入點(diǎn)集，將校準(zhǔn)后的特征點(diǎn)集轉(zhuǎn)化到極坐標(biāo)系中，然后比較特征點(diǎn)之間相互關(guān)系集合，得出指紋圖像和模板之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4  硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)核心選用．I'I公司的TMS320VC5409型DSP芯片，它是16 bit定點(diǎn)DSP,有著良好的性價(jià)比，其性能可以滿足本指紋鑒定系統(tǒng)要求。它的主要特點(diǎn)如下：
    ●運(yùn)算速度快，達(dá)100 MI／s；
    ●優(yōu)化的CPU結(jié)構(gòu)；
    ●智能外設(shè)，擴(kuò)展方便；
    ●低功耗。

    DSP從指紋傳感器讀取指紋圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的算法處理,然后將處理結(jié)果送至液晶顯示模塊顯示．利用DSP的并行存儲(chǔ)器接口、多通道緩沖串口作為與指紋傳感器、LCD顯示屏和按鍵等的接口。為滿足系統(tǒng)要求，給DSP配置了SRAM和EEPROM,并選用CPLD完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)。

    筆者為DSP擴(kuò)展了64 KB的CY7C1021型SRAM，但DSP最多支持外部擴(kuò)展32 KB數(shù)據(jù)空間，需要通過CPLD中的邏輯電路來控制SRAM的A15地址線的電平，從而決定在同一時(shí)間是選擇SRAM的高地址段32 KB存儲(chǔ)空間還是低地址段32 KB存儲(chǔ)空間。配置SST29EEOlO型EEPROM以滿足DSP BOOTLOADER的需要，系統(tǒng)上電后DSP首先執(zhí)行BOOTLOADER程序。將DSP外EEPROM中的程序裝載到DSP片內(nèi)的RAM中高速執(zhí)行，這樣，系統(tǒng)就可完全脫機(jī)工作，不僅可降低應(yīng)用系統(tǒng)的硬件成本，還可以提高系統(tǒng)的整體抗干擾性能。

    本系統(tǒng)選用美國(guó)ALTERA公司的MAX7000型CPLD，這是目前速度最快的高集成度可編程邏輯器件系列。筆者利用CPLD設(shè)計(jì)了很多系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作所需要的邏輯，其中利用了很多DSP狀態(tài)表征信號(hào)參與邏輯設(shè)計(jì)，而且可以把簡(jiǎn)單處理部分由協(xié)處理器來完成。

    指紋采集裝置采用美國(guó)VERIDICOM公司生產(chǎn)的FPS200型電路，它是一個(gè)接觸式的高性能、低功耗、低價(jià)格電容式指紋傳感器，主要特性如下：
    ●采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造，500 d／i高分辨率。
    ●封裝尺寸：24 mm*24 mmx2．5 mm；
    ●傳感區(qū)域：1.28 cm*1．50 cm；
    ●傳感陣列：256x300;
    ●表面有超硬涂層保護(hù);
    ●內(nèi)置8位A／D轉(zhuǎn)換器．可直接輸出數(shù)字化圖像信號(hào)．功耗不超過200 mW；
    ●具有自動(dòng)指紋檢測(cè)功能。

    LCD模塊采用FMl28641作為指紋圖形和處理結(jié)果顯示的用戶界面。FMl28641是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器．它主要由行驅(qū)動(dòng)器／列驅(qū)動(dòng)器及128x64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示8x4個(gè)(16x16點(diǎn)陣)漢字。為了便于調(diào)試，在電路設(shè)計(jì)上將DSP輸出與LCD連接的控制性引腳先連入CPLD，以便于靈活地調(diào)整時(shí)序。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和調(diào)試
    本指紋識(shí)別系統(tǒng)的外觀小巧，工作性能穩(wěn)定。算法開發(fā)前期使用C語言對(duì)算法進(jìn)行功能性驗(yàn)證．驗(yàn)證成功后．使用面向TMS320VC5409 DSP的匯編語言在CCS環(huán)境中進(jìn)行算法開發(fā)。

    指紋圖像的預(yù)處理和匹配程序先用軟件仿真，仿真環(huán)境是SIMULATOR。在算法正確的情況下，再進(jìn)行硬件仿真，直接采集指紋圖像進(jìn)行調(diào)試。硬件的各個(gè)模塊單獨(dú)編程調(diào)試，環(huán)境也是SIMULATOR．取得了良好的實(shí)時(shí)性。