基于DSP的指纹识别系统.docx
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基于DSP的指纹识别系统.docx
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基于DSP的指纹识别系统
摘要:
指纹识别技术以方便易用、高准确率和低成本等诸多优势备受关注,已经成为使用最广泛的身份认证的有效手段。
指纹图像的预处理与特征提取的优化能够很大程度上提高整个系统的性能,在总结该领域现有研究成果的基础上,通过深入研究当前流行的指纹识别算法,本课题组提出指纹识别算法要经过指纹图像分割算法,滤波增强算法、图像二值化算法和细化算法、细节特征点提取算法和特征匹配算法过程,并用MATLAB对本系统部分环节所使用的主流及优化算法进行仿真,并反复实验比较。
在综合考虑日前技术的发展、性能与成本等因素的基础上,本文设计了一个以TI公司的TMS320C5402处理器为核心的指纹识别系统该系统的硬件由FPS200指纹采集传感器、主控电路、输入通路、输出通路等部分组成.并对指纹识别算法采用DSP专用汇编指令集与C语言混合编程的方法,以此实现了一个高效低功耗的嵌入式系统。
文中介绍了其组成原理、硬件结构设计、系统功能设计、图像采集电路的实现,以及指纹识别算法的处理流程和实现方法。
通过试验,该模块的采集效率高、识别速度快且性能良好。
关键词:
指纹识别TMS320C5402DSP识别算法
Abstract:
Fingerprintrecognitiontechnologyispayedagreatdealofconcernforitsmanyadvantages,suchasconvenience,highaccuracyandlowcost,andhasbecomethemostwidelyusedandeffectivemeansofidentityanthentication.Optimizationoffingerprintimagepreprocessingcourseandfeatureextractioncoursecangreatlyimprovetheperformanceoftheentiresystem.Indeepviewofthemainstreamfingerprintrecognitionalgorithm,basedontheconclusionoftheexistingresearchresults,ourresearchgroupproposethatfingerprintrecognitionalgorithmshouldincludefingerprintimagesegmentationalgorithm,filteringenhancementalgorithm,binarizationalgorithm,thinningalgorithm,featureextractionalgorithmandfeaturematchingalgorithm.Weactualizethemainstreamandoptimizationalgorithmsomeaspectsofthesystemusedwithmatlab,andrepeatedlymakethemcontrasted.
OnthebasisofcomprehensivebalancingofthecurrentadvancernentoftechnologysystemperformanceandthecostanovelfingerprintidentificationsystemisdesignedwithTMS320C5402chipmadebyTICorporationasitscentralprocessor.ThehardwareofsystemconsistsofFPS200fingerprintcollectingsensormaincontrolcircuit,inputchannels,outputchannelsTheprogramoffingerprintidentificationalgorithmmixestheassemblelanguageandC,whichimplementsahigheffectiveandlowcostembeddedsystem.Thesoftwareandhardwaredesignandimplementationofthissystemareintroducedlater.Inexperiments,themoduleisfastspeedandaccurate,andtakesaverygoodperformance.
Keywords:
fingerprintidentification;DSP;TMSC5402;identificationalgorithm
0引言
随着计算机与信息技术的不断发展,生物识别技术的应用越来越加广泛。
在各种生物识别技术中,指纹识别是日前生物检测学中研究最深入、应用最广泛、发展最成熟的最有前景的一种识别技术,它通过分析指纹的局部特征,从中抽取详尽的特征点,从而可靠地确认个人身份。
指纹识别的优点是指纹作为人体独一无二的特征,它的复杂度可以提供用于鉴别的足够特性,具有极高的安全性、实用性、可行性,是一种比较理想的身份认证技术。
在实际应用中,采集到的输入指纹图像往往是一幅含有大量噪声的灰度图像。
由于采样环境的不同,各种影响都会导致采集的指纹质量下降。
目前针对每一步的算法研究都比较多,而根据实际的需要,很多算法事实上存在着一定的缺陷。
比如指纹图像分割的算法如何合理选取阈值以适应各类指纹图像还需研究;再如细节特征点提取后,通常会产生大量伪特征点,如何有效的减少这些伪特征点一直是算法的焦点问题。
指纹识别系统有着广泛的应用背景,目前,在通用PC机上基于WINDOWS操作系统的指纹识别软件和通过USB接口与PC机相连的指纹采集器在技术上已经很成熟。
但是,基于嵌入式系统特别是DSP系统的指纹识别技术,无论是在硬件设计还是算法软件方面都才刚刚起步,而在PC机上性能优秀的算法并不一定能简单地移植到DSP系统。
因此,研究基于DSP平台的指纹识别系统,对于拓展DSP的应用领域,让指纹识别向脱机使用发展以及提高系统灵活性、实时性都具有重大的意义,具有良好的市场前景。
1指纹识别系统的工作原理
指纹识别技术使用取像设备读取指纹图像,通过识别软件提取指纹图像中的特征数据,然后根据匹配算法得到的结果鉴别指纹所有人身份。
指纹识别系统由离线和在线两个部分组成,主要涉及指纹图像采集、图像预处理、特征提取、特征匹配等过程。
在系统的离线部分,用指纹采集仪采集指纹,提取出特征点,然后将特征点保存到数据库中,形成指纹模板库。
在系统的在线部分,用指纹采集仪采集指纹,提取出特征点,然后将这些细节点与保存在数据库中的模板特征点进行匹配,判断输入特征点与模板特征点是否来自同一个手指的指纹。
自动指纹识别系统框图如图1所示。
指纹采集
指纹采集
特征匹配
图像预处理
特征提取
数据库
特征提取
图像预处理
离线部分
在线部分
匹配结果
图1指纹识别流程
2总体硬件设计
指纹系统总体设计方案如图2所示。
该系统是由指纹采集仪、CPLD、SDRAM和Flash等硬件组成。
RS232用于数据传输,PC机可以通过该接口得到指纹特征数据;Flash存储指纹信息库、LCD用的字符和DSP程序;CPLD在DSP的控制下从取指器中取出图放入SDRAM中。
指纹图像采集部分:
系统利用软件查询方式来判断是否进行指纹的采集,当进行指纹采集时,指纹传感芯片按照设定的参数采集指纹并将模拟图像转换成数字图像,然后在DSP的控制下将数据存储在外部数据空间中,等待进行下一步的处理。
指纹图像识别部分:
该部分以DSP和数据存储器为核心,对采集到的指纹图像进行相应的处理,并控制LCD来显示指纹识别的结果。
程序与数据存储部分:
此部分由Falsh、SDRAM、DSP片内存储器构成。
Flash中存放的是系统的应用程序和指纹模板,系统上电后通过运行“BootLoader”功能将程序加载到DSP片内以加快程序运行的速度,SDRAM用于存放指纹图像并提供程序运行时所需要的临时数据空间。
全局逻辑控制部分:
此部分由CLPD来完成,实现以下3方面的功能:
1、对DSP的数据空间进行分时寻址;
2、产生系统中各个芯片的片选信号;
3、产生系统中各个芯片的读写信号。
DSP5402
FLASH
SDRAM
CPLD
USB接口
JTAG接口
复位及时钟
指纹采集系统
LCD接口
UART接口
电源管理系统
键盘接口
图2基于TMSC5402指纹识别系统硬件框图
2.1存储空间的软硬件设计
本系统要访问的存储器有三个:
DSP内部DARAM(16K字,用于存放常量和变量的数据空间)、SDRAM和Flash。
因为5402有20根地址线可以用来对程序空间寻址,所以有1M字节的寻址空间,利用高地址线A19来区分Flash和SDRAM。
其中SRAM是BootLoader后程序运行的空间,这样就把Flash放在高地址上去了。
5402的数据寻址空间仅为64K,所以要进行分页扩展。
为了避免和DARAM的访问冲突,不能使用64K一页。
因为64K中低地址的16K实际上不能访问,所以定为32K一页。
分配一个I/O地址,而后通过I/O地址的译码对74LS273进行使能控制,最后锁存I/O的数据作数据页。
当对数据空间进行访问时,应分为以下几步:
①解析该地址,进行分割。
前(低)15位为页内地址,后(高)6位为页地址。
②判断页地址是否为0。
如果为0,则说明访问DARAM,直接使用访问数据的指令;需要的16位地址就是前15位的地址、高位补零,并结束。
③把页地址用PORTW命令送到寄存器(所分配的I/O空间地址)里,页地址也就在SDRAM的高地址线上了。
④再使用访问数据的指令,需要的16位地址就是前15位的地址、高位补零。
对存储器的管理,需要编写一定量的程序。
可以设置一个全局变量存储页地址。
由于扩展页仅为32K,大于32K的数组是开辟不出来的,所以使用链表。
需要注意的是释放空间时,把相邻的未使用的空间尽量连接成一大块,同时需要一个接一个地把用过的堆栈拷贝到堆空间的尾部,使自己空间聚合成一个大块。
图3、图4分别为外部程序扩展和数据空间扩展示意图。
页
0
64K
页
1
64K
页
127
64K
…………
XCP=0
XCP=1
XCP=127
图3外部程序扩展图
16K内部
16K无效
32K外部
0000H
4000H
8000H
32K外部
32K外部
………
图4数据空间扩展图
2.2RS232通信接口软硬件设计
该系统使用MAX3232连接DSP与PC机,通过软件控制分频比可获得通用的300baud~230kbaud的波特率。
MAX3110E内部UART与RS232收发器能够独立工作。
McBSP的时钟停止模式可以兼容SPI主-从协议。
所谓McBSP的时钟停止模式是指其时钟会在每次数据传输结束时停止,并在下次数据传输开始时立即启动或延半个周期再启动。
其接收器和发送器是同步的,即CLKX和FSX分别与CLKR和FSR相连;在传输过程中,CLKX和FSX又分别用做SPI的移位时钟SCK和从方使能SS,可以是输出(主方),也可以输入(从方)。
其McBSP初始化编程应遵守以下几个步骤:
①将SP
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