ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 摘 要：本文介紹了一種基于ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本方案采用ARM處理器作為控制，構(gòu)建指紋識(shí)別算法的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及過(guò)程。該系統(tǒng)采用光學(xué)指紋傳感器（內(nèi)建格科微電子公司的光學(xué)GC0307 CMOS圖像采集芯片）與ARM Cortex M3內(nèi)核的意法半導(dǎo)體公司32位高性能單片機(jī)STM32F205RE組成功能主體，采用Sobel邊緣檢測(cè)算子、Gabor濾波、圖像二值化等圖像采集與處理算法對(duì)指紋圖像開(kāi)展識(shí)別。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐證明，該方案適合嵌入式組件開(kāi)發(fā)中需要開(kāi)展生物指紋特征提取、識(shí)別，指紋身份、比對(duì)等場(chǎng)合。系統(tǒng)具有高性

2、價(jià)比且交互簡(jiǎn)易、識(shí)別率高、擴(kuò)展性強(qiáng)，便于嵌入式應(yīng)用。 0 引言 隨著電子信息技術(shù)應(yīng)用面日益拓展，不少場(chǎng)合需要對(duì)特定用戶群體開(kāi)展身份識(shí)別或身份記錄，如門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等，在各種系統(tǒng)中運(yùn)用的技術(shù)形式多樣，如視網(wǎng)膜識(shí)別、面相識(shí)別、指紋識(shí)別、RFID 射頻識(shí)別應(yīng)用等。其中，生物特征識(shí)別方式以其方便性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)得到了越來(lái)越多人的認(rèn)可和承受，特別是指紋識(shí)別技術(shù)方式，現(xiàn)已發(fā)展成為應(yīng)用廣泛的生物識(shí)別技術(shù)之一。因此，研究基于嵌入式架構(gòu)的指紋識(shí)別系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。 1 系統(tǒng)整體構(gòu)造 系統(tǒng)采用光學(xué)指紋傳感器（內(nèi)建格科微電子公司的光學(xué)GC0307 CMOS 圖像采集芯片）與ARM

3、Cortex M3 內(nèi)核意法半導(dǎo)體公司的32 位高性能單片機(jī)STM32F205RE 組成功能主體，采用Sobel 邊緣檢測(cè)算子、Gabor 濾波、圖像二值化等圖像采集與處理算法對(duì)指紋圖像開(kāi)展識(shí)別，構(gòu)建了小體積的嵌入式指紋識(shí)別模塊，具有積木式嵌入、微功耗、程序接口簡(jiǎn)單易用、便于二次開(kāi)發(fā)、識(shí)別準(zhǔn)確度高、高性價(jià)比等特點(diǎn)。 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成了一體化光學(xué)指紋識(shí)別模塊。模塊設(shè)計(jì)采用光學(xué)暗背景成像原理，參加特有活體檢測(cè)芯片，在解決干手指效應(yīng)的同時(shí)解決殘留指紋誤識(shí)別、橡膠假指紋等問(wèn)題。 圖1 所示為格科微電子公司的光學(xué)GC0307 CMOS 圖像采集芯片應(yīng)用電路原理圖。該款CMOS 圖像

4、采集芯片是高精度、低功耗、微體積的高性能相機(jī)的內(nèi)置式組件，它把實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)VGA 影像的CMOS 影像傳感器與高度集成的影像處理器、嵌入式電源和高質(zhì)量的透鏡組結(jié)合在一起，輸出JPEG 圖像或圖像視頻流，支持8/10 位數(shù)字傳輸JPEG 圖像和YCbCr 接口，提供了完整的影像解決方案。 CMOS 圖像采集芯功能輸出串行數(shù)據(jù)引腳、時(shí)鐘信號(hào)引腳、復(fù)位引腳、串行總線引腳等都接入到STM32F205RE的GPIO 口， 通過(guò)GPIO 口模擬時(shí)序讀取CMOS 芯片采集到的圖像信息。由于STM32F205RE 的GPIO 口工作頻率可達(dá)120 MHz,因而可以非常準(zhǔn)確高效地模擬時(shí)序，實(shí)測(cè)640480 的原始圖

5、像能以10 幀/s 的速度采集到主處理器STM32F205RE 中開(kāi)展圖像處理。 3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的指紋圖像采集過(guò)程如圖2 所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分則針對(duì)畸變糾正采用了四點(diǎn)轉(zhuǎn)正算法。 通過(guò)公式（1）和公式（2）可以得到從（x,y） 到（u,v） 的變換，其中，A H 由光路決定，可以由具體測(cè)定數(shù)據(jù)終確定，通過(guò)實(shí)測(cè)可以獲得原始數(shù)據(jù)。圖3 所示展示了原始圖像和畸變糾正前后圖像的效果差異。通過(guò)變換可見(jiàn)，畸變糾正后的圖像通過(guò)變換可達(dá)500 DPI分辨率，為后續(xù)獲得高質(zhì)量圖像處理數(shù)據(jù)奠定了根底條件。 然后送入算法處理。由于嵌入式系統(tǒng)的圖像處理算法必須運(yùn)算量小、占用RAM 存儲(chǔ)器空間小，才能在運(yùn)

6、算性能有限的單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行，故而本系統(tǒng)通過(guò)小塊方向替代點(diǎn)方向，減小RAM占用。 在圖像增強(qiáng)方面，可以將圖像以L 為長(zhǎng)寬劃分為小塊，再按如下公式求取每一塊的均方差 : 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定和分析，當(dāng)Aver36 時(shí)，可認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)有圖像，否則認(rèn)為是背景。利用均方差區(qū)分出了前后景，還可以據(jù)此判斷圖像的比照度。根據(jù)比照度的差異分別來(lái)增強(qiáng)圖像，可以使得不同曝光亮度的圖像得到一致增強(qiáng)。對(duì)原始圖像開(kāi)展了算法處理，提取處理前后效果開(kāi)展比對(duì)，具體效果如圖4 所示。 軟件算法中對(duì)于指紋處理中的求取圖像方向場(chǎng)問(wèn)題，采用了基于原Sobel 算子改良后的Sobel 算子。 原Sobel 算子如下： 改良后的Sobel

7、算子為： 改良的Sobel 算子能增加方向場(chǎng)的準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)通過(guò)率從采用標(biāo)準(zhǔn)Sobel 算子的93.3% 提高到95.8%.圖5 所示為其變化情況。 如圖5 可見(jiàn)，改良的Sobel 算子在原Sobel 算子的根底上，能顯著地分割出正確圖像的面積，幾乎能在整個(gè)畫(huà)面區(qū)域提取出正確的方向來(lái)。系統(tǒng)對(duì)圖像開(kāi)展了Gabor 濾波和圖像數(shù)據(jù)二值化。指紋圖像屬于紋理圖像，紋理圖像采用Gabor 濾波器，利用每一點(diǎn)的點(diǎn)方向沿方向指向增強(qiáng)，沿方向的法線方向減弱。Gabor 濾波器能很好地拼接斷紋，濾除環(huán)境噪聲，將Gabor 濾波后的圖像做雙窗口均值門限二值化： 門限1 :均值化算子矩陣： 77 的單位矩陣。 門限2

8、 :均值化算子矩陣： 33 的單位矩陣。 具體運(yùn)算表達(dá)式如下： 當(dāng)每一點(diǎn)的值g（x,y）p（x,y） 時(shí)，則賦值g（x,y）=1,否則賦值為0,以此得到二值化終的結(jié)果，提取圖像開(kāi)展實(shí)測(cè)效果的比對(duì)如圖6 所示。 圖7 是根據(jù)圖像紋理的粗細(xì)二值化圖像，并根據(jù)端點(diǎn)和交叉點(diǎn)提取特征點(diǎn)。 經(jīng)過(guò)上面的步驟，即可從原始圖像里面提取出有效的特征信息。特征信息描述了特征點(diǎn)的位置、方向等信息，終形成一個(gè)大小不超過(guò)512 字節(jié)的特征模板。指紋的比對(duì)就是在特征模板的根底上，構(gòu)建兩個(gè)點(diǎn)形成的桿對(duì)集，而桿對(duì)所包含的桿長(zhǎng)度、端點(diǎn)方向與桿的夾角等信息已經(jīng)是相對(duì)量，與位置無(wú)關(guān)。理想狀況下，同一枚指紋，采集的兩幅圖像能找到的桿對(duì)的每一個(gè)量（長(zhǎng)度、夾角）在數(shù)學(xué)上是完全相等的。以此為基本數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建整個(gè)比對(duì)算法。 4 結(jié)語(yǔ) 本文的基于ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)實(shí)物測(cè)試， 模塊錄入用戶指紋圖像時(shí)間為500 800 ms,拒真率小于等于1%,平均4.2 ms 即可比對(duì)一枚指紋，支持11 指紋驗(yàn)證和1N 指紋搜索。在硬件設(shè)計(jì)中引出了通信端子，系統(tǒng)支持3.3V TTL 串口通信，可以通過(guò)串口對(duì)模塊開(kāi)展用戶