USB在指紋采集與識別技術(shù)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

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近年來隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展、算法理論的研究以及計算機(jī)硬件的高集成和低成本，指紋識別的可靠性不斷提高，實(shí)用范圍不斷擴(kuò)大。由于識別系統(tǒng)數(shù)據(jù)量較大且要求盡快傳入上位機(jī)進(jìn)行處理，所以合理設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸通道成為設(shè)計的一個重點(diǎn)。通用串行總線USB（UniversalSerialBus）是一種新型接口技術(shù)。它是由Intel、Microsoft等公司為解決日益增加的外設(shè)與有限的主板插槽與端口之間的矛盾而制定的一種串行通信標(biāo)準(zhǔn)。USB具有以下特點(diǎn)：（1）有較高的傳輸速率。USBl.1支持全速和低速兩種方式，全速速率為12Mbps,低速速率為1.5Mbps;USB2.0除支持USBl.1的兩種速度方式外，還增加了速率可達(dá)480Mbps的高速方式。（2）使用方便靈活。USB支持即插即用和熱插拔，允許在任何時候連接和斷開外設(shè)。當(dāng)外設(shè)被連接時，系統(tǒng)會自動檢測到外設(shè)并準(zhǔn)備使用。（3）易于擴(kuò)展。通過根集線器可攜帶127個設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)多個外設(shè)共用一個接口。此外，USB還有可靠性高、成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，倍受歡迎。1整體方案選擇由于指紋圖像處理技術(shù)對實(shí)時性要求高、運(yùn)算量要求大，所以采用通用的數(shù)字處理芯片。DSP的高速運(yùn)算性能使其在數(shù)字信號的處理上有著的優(yōu)勢。但數(shù)字信號的數(shù)據(jù)量非常龐大，需要一種方便、高速的接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的接插。

1基于USB的指紋采集系統(tǒng)

1.1指紋傳感器

指紋傳感器（又稱指紋Sensor）是實(shí)現(xiàn)指紋自動采集的關(guān)鍵器件。指紋傳感器按傳感原理，即指紋成像原理和技術(shù)，分為光學(xué)指紋傳感器、半導(dǎo)體電容傳感器、半導(dǎo)體熱敏傳感器、半導(dǎo)體壓感傳感器、超聲波傳感器和射頻RF傳感器等。指紋傳感器的制造技術(shù)是一項(xiàng)綜合性強(qiáng)、技術(shù)復(fù)雜度高、制造工藝難的高新技術(shù)。

Fujitsu公司的電容式半導(dǎo)體指紋傳感器MBF200是一款高性能、低功耗、低成本的接觸式指紋獲取器件。MBF200采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，80引腳VSPA封裝（其中40個腳為NC）；片內(nèi)集成有8位A/D轉(zhuǎn)換器，提供了8位？滋P、USB1.1和SPI三種總線接口（它們所允許的采樣率分別為30fps、13fps、10fps）；工作電壓3.3~5V,功耗低于70mW,待機(jī)電流僅20?滋A;片內(nèi)有手指自動檢測電路（AFD），在手指接觸傳感面時，AFD電路將自動喚醒主機(jī)進(jìn)行處理，從而大大降低了系統(tǒng)功耗；芯片集成了一個面積為1.50cm×1.28cm的300×256傳感陣列（每個傳感單元間距50?滋m），具有500dpi的分辨率，傳感面具有超硬、耐磨和抗腐蝕的保護(hù)外殼，并能承受高達(dá)8kV的靜電放電。MBF200傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

MBF200的工作原理：芯片背部的傳感部件由按行列排布的金屬電極陣列組成，工作時，每個金屬電極充當(dāng)電容的一個極，而觸到傳感器的手指作為電容的另一個電極，器件表面的一層鈍化物質(zhì)充當(dāng)電容的電介質(zhì)。手指皮膚紋路（溝/脊）對整個傳感陣列呈現(xiàn)出不同的電容值，讀出每個傳感單元（電容）充放電值的變化就形成了指紋的圖像。傳感陣列由排成300行×256列的電極組成，片內(nèi)2組采樣-保持電路連到每1行傳感電極上。指紋圖像按行采集，1次1行。每1行采集分2相完成，第1相期間所選行的電極被預(yù)充電至Vdd電平，此時，內(nèi)部控制電路使能第1組采樣-保持電路保存該行電極預(yù)充電的電壓值；第2相期間1個片內(nèi)電流源對該行電極進(jìn)行放電（反向充電），每1個傳感單元的放電速率正比于其放電電流，經(jīng)歷一小段固定時長的放電后，內(nèi)部控制電路又使能第2組采樣-保持電路并存儲下電極電壓的終值。各個傳感單元充/放電前后的電壓差值反映了相應(yīng)位置的指紋信息，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后即得指紋的8位數(shù)字值。

1.2USB接口設(shè)計

USB,是英文UniversalSerialBUS（通用串行總線）的縮寫，而其中文簡稱為"通串線，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的

本設(shè)計方案中采用芯片自帶的USB1.1接口與PC機(jī)通信，并從外部E2PROM器件對MBF200進(jìn)行配置。MBF200與外圍電路的連接如圖2所示。圖中，AT25640是具有SPI接口的8KB串行Flash存儲器。

MBF200的USB接口有3個端點(diǎn)：端點(diǎn)0為控制傳輸端點(diǎn)，用于系統(tǒng)枚舉和設(shè)置；端點(diǎn)1用于批量傳輸讀入指紋數(shù)據(jù)；端點(diǎn)2用于中斷傳輸。當(dāng)產(chǎn)生中斷事件時，中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容就會傳到端點(diǎn)0.

系統(tǒng)軟件由設(shè)備驅(qū)動程序、固件程序和應(yīng)用程序組成。設(shè)備驅(qū)動程序采用WDM模式；固件程序主要完成對指紋采集的控制，其流程圖如圖3所示；應(yīng)用程序通過設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對指紋采集器的控制、數(shù)據(jù)的傳輸以及指紋識別的實(shí)現(xiàn)（用VC++編寫）。

2指紋識別處理系統(tǒng)

指紋識別的基本原理是：采用細(xì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型來做細(xì)節(jié)匹配。它利用指紋脊末梢與脊線分支點(diǎn)這2種關(guān)鍵點(diǎn)來鑒定指紋，終決定二幅指紋圖像是否來自同一個手指。

本識別系統(tǒng)主要由指紋采集、圖像增強(qiáng)、特征值提取、匹配識別四部分組成。指紋識別系統(tǒng)框圖如圖4所示。由于采用1:N的模式，所以加入了指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，由離線和在線二部分構(gòu)成。離線部分將采集指紋進(jìn)行圖像增強(qiáng)，特征值提取后將細(xì)節(jié)點(diǎn)保存到數(shù)據(jù)庫中。在線部分將得到的細(xì)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫中的細(xì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匹配，判斷采集到的指紋是否與數(shù)據(jù)庫中的某一指紋相同，輸出結(jié)果。

2.1圖像增強(qiáng)

輸入指紋圖像的質(zhì)量將影響到下一步指紋細(xì)節(jié)特征提取算法的性能。然而通過指紋傳感器直接得到的指紋圖像往往質(zhì)量不高，主要是由于采集過程中一些人為的不一致接觸和不均勻接觸以及設(shè)備本身的噪聲干擾等因素造成。這就需要在細(xì)節(jié)特征提取之前對采集到的指紋圖像進(jìn)行處理。其目的是使指紋圖像清晰，輪廓更加明顯。指紋圖像處理分為3步：平滑、二值化和細(xì)化。平滑處理主要是去除干擾噪聲，而又不使圖像失真。二值化處理是使圖像畫面為黑白二值的圖像，不呈現(xiàn)灰度的變化。二值化處理前后的圖像如圖5所示。細(xì)化是把紋線粗細(xì)不均勻的指紋圖像轉(zhuǎn)化成線寬僅為1個象素的條紋中心線圖像。圖像通過以上3步處理就可以得到清晰的指紋點(diǎn)線圖，便于下一步的指紋細(xì)節(jié)匹配。

2.2特征值提取及細(xì)節(jié)匹配

其中L是記錄的脊線中的點(diǎn)個數(shù)，R（di）和r（di）分別表示從脊線R與r上的點(diǎn)i到對應(yīng)的細(xì)節(jié)點(diǎn)的距離，R（αi）和r（αi）分別表示連接脊線R與r上的點(diǎn)i與對應(yīng)的細(xì)節(jié)點(diǎn)的直線同對應(yīng)細(xì)節(jié)點(diǎn)方向的夾角。輸入脊線與模板脊線的校準(zhǔn)如圖6所示。如果2條脊線的差異distance和angle小于預(yù)先設(shè)定的某個閾值，則認(rèn)為是2個指紋設(shè)定的某個閾值，且認(rèn)為2個指紋的這條脊線相似。當(dāng)所采集的脊線都相似時就認(rèn)為是同一個指紋。

2.3指紋數(shù)據(jù)庫的建立、查詢、讀寫

本系統(tǒng)應(yīng)用Access數(shù)據(jù)庫來建立指紋特征值庫。特征值庫中除了指紋特征值以外還包括與之相關(guān)的信息：num、姓名、性別、登錄時間等，如圖7所示。

（1）數(shù)據(jù)庫的建立。數(shù)據(jù)庫建立并打開：

hr=m_pConnection.CreateInstance（″ADODB.Connection″）；

//創(chuàng)建conenction連接

hr=m_pConnection-Open（″Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;\

DataSource=TestDB.mdb″，″″，″″，adModeUnknown）；

//創(chuàng)建打開數(shù)據(jù)庫

（2）數(shù)據(jù)庫查詢。向數(shù)據(jù)庫中插入新信息：當(dāng)系統(tǒng)工作在離線狀態(tài)時，需要向數(shù)據(jù)庫中添加新的指紋信息及相關(guān)信息。

voidCDBDlgDlg∷Insert（）；//插入函數(shù)

m_pRecordset-AddNew（）；m_pRecordset-GetFields（）-

GetItem（″Data″）-AppendChunk（varBLOB）；//添加記錄

（3）數(shù)據(jù)庫讀寫。從指紋數(shù)據(jù)庫中讀取特征值：

voidCDBDlgDlg∷GetData（）；//從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)

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