基于DSP 的指纹采集系统研究与实现.doc

基于DSP的指纹采集系统研究与实现
摘要:本系统将DSP、CPLD、USB技术引入指纹采集领域,分析了指纹采集领域的国内外现状及发展状况,并给出了系统的总体设计、器件选型;深入研究了DSP、CPLD、FPS200芯片及其外围器件结构特性,设计出了系统的硬件原理图并制作硬件电路板;完成了基于VHDL语言的CPLD软件设计;设计了系统的USB通讯程序和上位机人机交互软件;最后进行了联机调试,得到了预期的实验结果。
1 引言
生物识别技术根据人体自身的生理特征来识别个人的身份,这种技术是目前最为方便与安全的识别系统。使用生物识别技术,我们无须携带身份证或智能卡,也不需要记住烦琐的密码,就可以进行个人身份识别。生物识别技术已成为一种公认的最为方便和安全的身份认证技术。而指纹采集作为指纹识别系统中的一个重要环节也越来越受到人们的重视, 高质量的指纹采集技术已成为一个重要的研究课题。
90年代中期开始出现半导体的指纹传感器。最初的这类传感器采集的图像质量和光学传感器有较大的差距,但是随着半导体技术的进步,它采集的图像质量也越来越高,现在这两种传感器采集的图像质量差距已经很小了。半导体传感器具有价格低、体积小的优点,特别适合集成在普通的消费电子产品中,大有后来居上、取代光学传感器的趋势。
半导体型采集器是指纹产品进入民用市场的趋势,基于此,本文展开了基于半导体指纹芯片的指纹采集研究,从指纹技术的最前端环节——指纹传感器——开发出自己特有的图像采集系统是本课题研究的目标。其目的明确,意义深远。
高质量的指纹采集不仅是降低指纹识别算法难度的关键,也是提高指纹识别准确率的关键,更是保证指纹技术得以大力推广应用的基石。国内嵌入式指纹识别技术之所以得不到快速的发展,原因就在指纹采集技术的落后。获取高质量的指纹数据是降低指纹识别算法复杂性一个最主要途径。因此,在我国研究和开发拥有自主产权的指纹采集终端是紧迫的也是必须的。
本文研究从指纹图像的可采集性和指纹数据传输方式出发研究指纹采集系统的软硬件实现。基于数字信号处理器TMS320VC5402的嵌入式指纹采集系统是以指纹传感器FPS200为采集头,以数字信号处理器DSP为控制和计算核心的,通过CPLD器件EPM7128为其外围逻辑设计,最终以USB的接口方式传给上位机。
2 系统总体设计理论
指纹采集系统概述
指纹采集技术是指纹识别技术的关键技术之一,它是由控制器控制指纹传感器进行指纹数据采集来实现的。通过半导体指纹传感器采集到指纹数据后,传入微处理器进行数据的预处理,将处理好的指纹数据上传给上位机进行最终的识别。指纹采集系统的基本原理框图如图2-1所示。
CPLD
串口
DSP5402
USB
PC
FPS200
SRAM
FLASH
图2-1 指纹采集系统原理框图
本系统主要由以下部分构成:指纹图像采集部分、指纹图像预处理部分、程序和数据存储部分、全局逻辑控制部分以及数据上传部分。
结合硬件和系统的要求,采集系统设计到的软件部分可以概括成两部分,一是系统控制实现部分,二是指纹数据预处理部分。系统软件框图如图2-2所示。
系统的硬件结构和处理算法基本确定之后,就该选定TMS320VC5402和CPLD EPM7128的应用软件调试开发环境。,CPLD使用的是Altera公司提供的Quartus II 。
指纹采集系统
预处理部分
控制部分
图像滤波
图像增强
图像去噪
图像细化
指纹采集
LED显示
数据上传
图2-2 系统软件框图
指纹采集理论基础
相对于其它身份认证技术,指纹识别技术具有许多独到的信息安全优点,具体体现在以下几个方面:
(1)个人的指纹是相当固定的,不会随着人的年龄的增长或身体健康程度的变化而变化,但是人的声音、面相等却存在较大变化的可能。
(2)指纹样本便于获取,易于开发识别系统,实用性强。目前已有标准的指纹样本库,方便了识别系统的软件开发;另外,识别系统中完成指纹采样功能的硬件部分也比较容易实现。
(3)个人的十指指纹皆不相同,这样可以方便地利用多个指纹构成多重口令,提高系统的安全性。
(4)纹识别中使用的模板并非最初的指纹图,而是由指纹图中提取的关键特征,这样既使系统对模板库的存储量要求较小也保护了使用者的个人隐私。
另外,对输入的指纹图提取关键特征后,可以大大减少网络传输的负担,便于实现异地确认,支持计算机的网络功能。
上述客观理论是指纹识别的基础,也是进行指纹采集、预处理、特征值提取以及对比的理论基础。
指纹数据预处理
优异的指纹识别系统不仅与硬件息息相关,而且与软件也是紧密相连。指纹图像预处理的目的在于使指纹图像画面清晰,边缘明