基于dsp的指紋識別系統(tǒng)

1、基于dsp的指紋識別系統(tǒng),課題演示,組長： 小組成員： 2014,目錄 contents,一、概述 二、硬件電路設計 1、需求分析 2、硬件整體結構 3、硬件選擇 4、電路原理圖 三、軟件設計 1、指紋識別算法流程 2、指紋識別程序框圖 3、指紋識別算法實現(xiàn) 4、指紋識別調試 四、總結,一、概述 （,科學技術的發(fā)展日新月異，但信息安全問題卻一直沒有改善，甚至于愈演愈烈。 總所周知，每個人的指紋具有唯一性，不可復制性，并且更重要的是可以隨身攜帶，所以指紋識別技術的發(fā)展可以有效的保護個人隱私。 但是，由于一些技術難題、使得指紋識別技術并不能走向尋常百姓家，所以在這里來和大家討論一下該技術就顯得尤為

2、必要,1.課題背景,當今社會，電子設備和保密機構對更安全、更方便的身份認證和訪問控制的需求變得越來越緊迫。 傳統(tǒng)的機械鑰匙、“口令密碼”以及智能卡等的保護措施存在著丟失、遺忘、復制及被盜用的隱患 以電子商務、電子銀行的安全認證為例，他人假冒當事人上網(wǎng)采購所造成的欺詐案越來越多，并有孩子冒充家長上網(wǎng)采購的案例,2.方案優(yōu)勢,方便,唯一,可靠,指紋特征是“隨身攜帶”的，可以不必攜帶大串的鑰匙,具有惟一性和不可復制性，不用擔心會丟失，也不用費心去記或更換密碼,以全球60億人口計算，300年內都不會有兩個相同的指紋出現(xiàn)。指紋被稱為“物證之首”，安全可靠,3.基本流程,讀取指紋,提取特征,保存數(shù)據(jù),進行

3、對比,通過指紋讀取設備讀取到人體指紋的圖像，對原始圖像進行預處理，使之更清晰,驗證端采集指紋，提取指紋特征，建立指紋的數(shù)字表示特征數(shù)據(jù),通過加密算法進行安全傳輸，將采集到的指紋特征保存至數(shù)據(jù)庫中,通過云計算將采集指紋與數(shù)據(jù)庫指紋匹配，計算相似度，給出匹配結果,二、系統(tǒng)硬件設計,1、需求分析(） 2、系統(tǒng)整體結構（） 3、硬件選擇（） 4、電路原理圖（,需求分析 (,一個優(yōu)秀的指紋識別系統(tǒng)： (1)應具有快速便捷的實時圖像輸入設備 為了滿足該條件，硬件電路中應該具有處理指紋采集與識別的部分，設計時可以考慮按壓式和滑動式這兩種常見的實現(xiàn)方式。 (2)因識別算法復雜度大, 應具有處理復雜運算的能力;

4、 同時，因識別過程運算量大, 應具有快速運算的能力以滿足實時性的要求。 為了滿足該條件，硬件電路設計時主芯片應該選擇專用的數(shù)字信號處理芯片，結合所學，ti公司的一系列數(shù)字信號處理器（dsp）芯片可供考慮,硬件電路設計分析,3)因指紋圖像數(shù)據(jù)量大,應具有處理大數(shù)據(jù)量的能力且具有較大的數(shù)據(jù)存儲空間。 (4)系統(tǒng)的功耗、穩(wěn)定性、價格都有嚴格的要求。 為滿足該需求，應加入復位電路、時鐘電路、調試與接口電路以及相應驅動電路。在滿足高效、快速的前提下，應優(yōu)先選擇低功耗的cmos的dsp芯片,為滿足該需求，硬件電路中必然要存在內存擴展電路，例如數(shù)據(jù)存儲器的擴展。同時還應該考慮內存的讀寫性能,硬件整體結構 （

5、,主硬件選擇及方案 （,1、mcu 2、指紋采集傳感器 3、電源 4、復位電路 5、存儲器擴展 6、lcd顯示模塊,mcu的選擇,由于考慮到以下因素： 1、指紋識別算法復雜度大，系統(tǒng)必須具備復雜運算的能力。 2、識別過程運算量大，系統(tǒng)需具備快速運算能力，以滿足實時性的要求。 3、系統(tǒng)必須低功耗、穩(wěn)定性高、性價比高等因素。 4、 芯片量產(chǎn)情況以及相關技術的成熟度。 綜合考慮，選擇該芯片：tms320vc5402芯片,tms320vc5402芯片簡介,tms320vc5402芯片是一款超低功耗、高性能的16位定點dsp芯片。能夠完全滿足指紋識別運算量大、運算復雜、快速的要求。 芯片特性： 1、具有

6、三條16位獨立的數(shù)據(jù)總線和一條程序總線 的增強型 多總線結構。 2、4k*16片上rom，可配置成程序/數(shù)據(jù)空間 3、16k*16片上雙存取的ram 4、具有符合ieee1149.1標準的在片仿真接口jtag 5、在3.3v電源(1.8v的核)下，單周期定點指令執(zhí)行時間為10ns,相應的cpu運行速度100mips,指紋識別傳感器的選擇,指紋識別包括滑動式指紋識別以及按壓式指紋識別。滑動式指紋識別是指滑動過程中手指移動的速度和力度會影響圖像采集?；瑒右淮?，圖像僅被采集一次，而按壓式指紋識別只需輕輕放置手指，按壓（置放）一次手指，傳感器就會采集多次圖像，可見理論上按壓式指紋識別率會更高，同時考慮

7、到人的使用習慣和指紋識別系統(tǒng)的正確識別率，滑動式指紋識別無疑是最好的選擇，當然其所需要的成本也會高些。 富士通公司推出的新一代mbf200固態(tài)指紋傳感器是一個理想的接觸式指紋認證的設備。它是一款專為嵌入式系統(tǒng)設計的高性能、低功耗、低價格指紋傳感器，自帶簡單的微處理器接口，可方便集成到各種應用中去專利性的表面處理工藝可防止芯片化傷、抗腐蝕、抗磨損500dpi的高分辨率可兼容決大多數(shù)指紋應用標準可輸出低噪聲的清晰圖象滿足精確識別的需要提供開發(fā)包幫助用戶迅速完成應用系統(tǒng)設計內置8位a/d，可直接輸出數(shù)字化圖象信號,高分辨率 硬度大 256300陣列 堅固耐用的表面工藝1.28cm1.50cm傳感面積

8、 異常堅固的表面涂層500dpi分辨率 方便集成 低功耗 電容感應固態(tài)傳感器 工作模式：35ma 標準cmos工藝 待命模式：20uausb、mcu、spi三個總線,mbf200固態(tài)傳感器特點,cpld可編程邏輯控制器,該芯片在dsp的控制下直接從指紋傳感器中讀取指紋數(shù)據(jù)并存放到sram中。該芯片的作用：解決了dsp與各種低速外設速度不協(xié)調的問題。 cpld特點： 編程靈活、集成度高、設計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經(jīng)驗要求低、標準產(chǎn)品無需測試、保密性強、價格大眾化。 可通過vhdl語言對其進行初始化編程,電源模塊,我們已經(jīng)得知：c54x采用雙電源供電方

9、式。 內核電壓:采用1.8v。 主要為芯片的內部邏輯提供電壓。 包括cpu、時鐘電路和所有的外設邏輯。 i/o電源：采用3.3v。 主要供i/o接口使用。 可直接與外部低壓器件接口，而無需額外的電平變換電路,產(chǎn)生電源的芯片選擇： 可以采用ti公司出品的tps73hd318芯片。 tps73hd318芯片介紹： 該tps73hd3xx系列雙電壓調節(jié)器提供了非常低的壓差電壓和雙輸出的緊湊的封裝，可同時輸出1.8v、3.3v主，完全滿足為dsp芯片供電需求。要設計用于dsp應用,這些設備可以在任何混合輸出可用于每個穩(wěn)壓器支持高達750 ma電壓的應用.輸出電流可被分配為理想兩個監(jiān)管機構之間以及用于電

10、力許多今天的dsp.低靜態(tài)電流和極低漏失電壓保證在電池供電應用的最大用電量.,tps73hd318芯片特性： 1、雙輸出電壓為分體式電源應用。 2、3.3-v/adjustable輸出，3.3v/1.8v和3.3v/2.5v. 3、漏失電壓80mv（最大值）。 4、低靜態(tài)電流，獨立負載340ua。 5、超低電流睡眠狀態(tài)。 6、用200ms雙低電平有效復位信號脈沖狀態(tài)。 7、輸出為0ma電流范圍為750ma每穩(wěn)壓器。 8、28引腳將power pad tssop封裝包裝,復位電路芯片選擇,由于微控制器在上電時狀態(tài)并不確定（某些寄器可能是上次關機是的狀態(tài)），因此必須設計一個上電復位電路，上電復位電

11、路一般有兩種方式：rc延時電路和專用的復位芯片，對于高速的tmsvc5402dsp芯片來說使用rc電路可能不太穩(wěn)定，因此我們選用了具有看門狗輸入和手動復位功能的能夠監(jiān)控電源電壓、電池故障和微處理器或微控制器的工作狀態(tài)的芯片max706。 該芯片將常用的多項功能集成到一片8腳封裝的小芯片內，與采用分立元件或單一功能芯片組合的電路相比，大大減小了系統(tǒng)電路的復雜性和元器件的數(shù)量，顯著提高了系統(tǒng)可靠性和精確度,存儲器擴展,因為dsp芯片中的存儲空間很小，該程序要求有較大的存儲空間，所以有必要擴展sram和flash. 一、sram的擴展 芯片選擇：is61lv6416-10t 芯片介紹： is61lv

12、6416具有以下性能： 1、內存大?。?4k*16 2、高速存取訪問，存取時間為8ns。 3、cmos低電工作方式。 4、兼容ttl電平接口,二、flash擴展 芯片選擇：at29lv1024 芯片特性： 1、內存大?。?4k*16 2、3v只讀取和寫入操作 3、軟件保護程序 4、快速讀寫訪問時間-150ns 5、低功耗,lcd液晶顯示模塊,為了能夠顯示采集到的指紋信息，所以有必要加入顯示模塊 芯片選擇：tcm a0902 芯片介紹：由epson公司出品的單色、320*200lcd顯示模塊?？梢酝ㄟ^編程控制相應的寄存器組，來控制其顯示,電路原理圖（,電路原理圖,tms320vc5402電源模塊

13、電路,tps73hd318 雙路輸出低壓降 (ldo) 穩(wěn)壓器,tms320vc5402的復位電路,tms320vc5402的時鐘電路,jtag仿真電路,指紋采集電路,bmf200 容式固體指紋采集器,存儲器擴展、lcd液晶顯示模塊電路及附加電路,sram，flash,主體電路圖,系統(tǒng)軟件設計（,1、指紋識別算法流程圖 2、指紋識別程序框圖 3、指紋識別算法具體實現(xiàn) 4、指紋識別調試,系統(tǒng)處理流程 （,整個系統(tǒng)的處理的過程分為四個步驟: (1)從圖像傳感器輸出的指紋圖像首先cpld在dsp的控制下完成指紋采集，同時運用設計好的預處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理、得到各像素點的梯度值以及子塊中極大值點的坐

14、標，所有這些數(shù)據(jù)連同原始數(shù)以突發(fā)模式存入sram中。 (2) dsp通過cpld從 sram中讀取所有相關數(shù)據(jù)，計算出脊線方向和脊線頻率，然后利用dsp中的濾波算法對原始數(shù)據(jù)進行濾波處理，處理后的圖像數(shù)據(jù)再通過cpld存入sram中，因此在sram的輸入輸出端都需要進行緩沖 (3)根據(jù)dsp處理的指令要求，從sram中讀出濾波后的數(shù)據(jù).由cpld內部的比較邏輯提取出指紋圖像中每行每列)中的極大值點，送到dsp進行進一步處理，完成指紋圖像脊線提取。 (4)由dsp完成匹配識別算法，并輸出處理結果,指紋識別程序框圖,開始,指紋錄入,特征提取,質量檢測,注冊模塊,存入指紋 數(shù)據(jù),儲存成功,指紋提取,

15、指紋處理,指紋比對,結果輸出,結束,y,n,算法流程 （,二、指紋識別算法具體實現(xiàn) 1、指紋獲取 利用指紋取像設備mbf200來獲取目標指紋。 2、圖像預處理標準化 由于受采集設備工作環(huán)境及參數(shù)的影響，采集到的指紋圖像總體對比度較差，所以用圖像規(guī)格化將指紋圖像的灰度調整到一個統(tǒng)一的范圍，使不同的圖像具有相同的灰度均值和方差從而是后續(xù)處理具有相同的基準。令i表示原始指紋圖像，起大小為m8,i（i,j）表示圖像中像素點（i,j）的灰度值，令g表示灰度規(guī)格化的指紋圖像g(i,j)規(guī)格化后圖像中像素點（i,j）的灰度值。 mean和var是原始圖像的灰度均值和方差，而mean和var0是期望圖像的灰度

16、值和方差。根據(jù)實際經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)mean0=180和var0=3600時原始指紋圖像顯示較好,3、圖像濾波處理,根據(jù)gabor濾波良好的方向性和頻率選擇特性能較好的獲取局部或者全局的特征。例如非指定方向的噪聲，實現(xiàn)對圖像的增強處理其空間表達式如下： 其中 由公式可以看出garbo濾波實際上是有二維高斯函數(shù)和余弦的乘積構成。對于garbo濾波的算法實際上是確定上面四個參數(shù)，這四個參數(shù)的準確性直接關系到garbo的濾波效果,4、指紋圖像的二值法處理,二值化處理是將指紋的圖像轉化成有其僅有黑白兩色的圖像，這樣不僅可以大大減少儲存量，而且可使得后面的判斷過程少受干擾，大大簡化其后的處理方法。二值化的難點就是

17、對閾值的選擇，閾值選擇的好壞直接關系到二值化的好壞?；叶葓D像的二值化就是選定一個閾值t，如果大于這個閾值則灰度設為255，如果小于這個閾值則灰度值設置為0； 根據(jù)閾值的選取情況，可以分為全局閾值、局部閾值和動態(tài)閾值三種方法，全局閾值是最簡單的一種方法，它根據(jù)圖像的直方圖或者灰度空間分布可以確定一個閾值，以此實現(xiàn)灰度圖像到二值圖像的轉換,5、指紋圖像細化,1-特征提取 指紋圖像的質量較差為指紋特征的可靠提取帶來很大的難度，盡管經(jīng)過指紋圖像增強處理可以改善圖像的質量，但是指紋增強很難完全恢復指紋紋線的清晰度，另外指紋增強方法本身也可能產(chǎn)生新的誤差。 由指紋自動識別系統(tǒng)可知，提取精確、穩(wěn)定的特征點是

18、至關重要的，它是指紋識別的前提，為了匹配的快速、準確、指紋特征提取應具備以下特征： （1）、提取簡單、容易計算 （2）、穩(wěn)定隨噪聲干擾變化不大 （3）、保證指紋特征點的唯一性 （4）、適于實現(xiàn)自動匹配,2-常見幾種偽特征點類型,1）毛刺：毛刺的出現(xiàn)是由于隨機噪聲的影響形成的，其特點是一對端點與分叉點之間相連且兩點間距離較近。 （2）短線：當指紋比較臟時，采集到的指紋圖像容易出現(xiàn)比較多的短線，其特征是兩點間距離很小，且存在一條紋線相連。 （3）斷線：往往由于手指頭比較干，采集到的指紋圖像存在大量紋線間斷。其特征是兩點間距離很小，沿局部紋線方向之間的區(qū)域沒有紋線存在。 （4）小孔：主要是由于隨機噪

19、聲的影響造成的，其特征是兩點之間距離非常近，且兩點之間連線近似與局部紋線方向平行。 （5）小橋：當指頭比較濕的時候，采集到的指紋圖像往往會出現(xiàn)較多紋線交叉的現(xiàn)象。其特征是，兩點之間的距離恰好等于平均間距，且兩點間連線近似垂直于其局部領域的紋線方向,3-特征值的提取 1）找出所有特征點和脊線：這里特征點是指分叉點和端點。 2）驗證細節(jié)特征點：上述步驟中找到的端點和分叉點并不全是真實有效的，因此要分別根據(jù)分叉點和端點特征來驗證，去偽存真。 .驗證分叉點 .驗證端點,3）確定細節(jié)特征點的相對位置 目的：由于按壓指紋是的壓力不同，角度不同等諸多因素的影響，輸出的指紋圖會有不同程度的扭曲變形。如果用特征點的絕對位置來進行比對，會產(chǎn)生不小的誤差，因此一般都用奇異點作為參照點來確定細節(jié)特征點的相對位置作為比對的依據(jù)。 在以指紋指紋圖像中心點為極點，指紋圖像的方向為極軸的坐標系下，對每一個細節(jié)點記錄如下信息： .細節(jié)點的類型（端點或分叉點） .細節(jié)點與中心點之間的紋線數(shù) .細節(jié)點與中心點之間的連線與指紋圖像方向的夾角 4）指紋特征點匹配 通過對兩枚指紋的比較來確定它們是否同源的過程，即兩枚指紋是否來源于通