一种基于TMS320VC5402的指纹识别系统的设计

山西师范大学学报(自然科学版)JournalofShanxiNormalUniversity

NaturalScienceEdition

Vol.22　No.3Sept.2008

文章编号:100924490(2008)0320046204

一种基于TMS320VC5402的指纹识别系统的设计

刘新妹

1,2

,赵鹏飞

2

(11电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;21中北大学信息与通信工程学院山西太原030051)

摘　要:在综合考虑目前技术的发展、性能与成本等因素的基础上,本文设计了一个以TI公司

TMS320VC5402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、人机交互设备等部分组成.在DSP的集成开发环境下完成了指纹识别算法应用软件的编写,软件实现了指纹图像的预处理、二值化、细化、特征点提取、比对等各项功能,并重点对指纹的图像预处理指纹特征点提取和匹配等算法进行的研究.实验结果表明该系统识别速度快,误识率和拒识率低,因此具有较强的实用价值与广阔的应用前景.关键词:指纹识别;TMS320VC5402;DSP;算法中图分类号:TH71;TN06　　　文献标识码:A

　　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,指纹识别是目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征,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

[1]

.

1　指纹识别系统的工作原理

指纹识别系统从整体上可分为指纹图像采集、图像处理和识别三大部分组成.工作原理框图如图1所示.

系统学习模块负责采集用户指纹数据,对指纹图像进行预处理,提取这些指纹特征,作为将来的对比模板存入数据库;指纹识别模块则负责采集和处理指纹图像,在提取特征后与数据库中的指纹模板进行对比,然后判断是否匹配,得出结论

[2]

.整个系统核心就是图像处理、特征提取以及指纹比对.

2　系统硬件平台的实现

基TMS320VC5402型的DSP指纹识别系统的硬件电路主要包括:TMS320VC5402DSP、FPS200指纹传感器、FLASH接口及显示和键盘电路.硬件结构框图如图2所示.

FPS200指纹采集传感器基于电容器充放电原理,传感阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的

一极,接触在传感面上的手指的对应点则作为另一极,两者之间的传感面形成电容两极之间的介电层.指纹的脊和谷导致传感阵列各电容值不同,读取这些电容放电前后的电压差值就获取了指纹信息.内置各种

功能寄存器,集成了内部晶振和A/D转换器,并支持三种总线接口.TMS320VC5402DSP具有运算速度快、优化的CPU结构、低功耗方式、智能外设等优点.它是系统的核心,负责实现指纹图像的采集、处理和

收稿日期:2008204220

作者简介:刘新妹(1965—),女,山西太原人,中北大学讲师,博士研究生,主要从事测试计量技术及仪器方面的研究。

　第3期　　　　　　　　　刘新妹　赵鹏飞:一种基于TMS320VC5402的指纹识别系统的设计・47・

识别,其性能决定了整个系统的性能;TMS320VC5402的数据空间寻址范围是K字,而其自身只带了16K的Daram,因此需外接存储器才能使用全部数据空间,设计上选择CYPRESS公司的CY7C1021CV33212,该SRAM采用3.3V供电的CMOS芯片,这样在和DSP连接时不需要总线隔离器件,可以在DSP全速

工作在100MHz的条件下正常读写数据而无需插入总线延时周期,从而降低了功耗、加快了运行速度.VC5402的外围借口的电压为3.3V,工作频率最高可达100MHz,并且指纹图像识别的结果需要保存,因此需要选择一个工作电压为3.3V,读写速度较快,空间尽可能大的FlashROM.Flash用于存储数据和固化程序.为此,系统中选用SST公司的SST39VF400A.其工作电压为3.3V,读取速度为70ns,写速度为14ns,存储空间大小为256K字.系统选用了XILINX公司的CPLDXC9572完成逻辑设计,它为通用逻辑集成提供先进的系统编程和测试功能,它为DSP芯片、显示器、FPS指纹传感器提供逻辑控制,协调工作.

图1　指纹识别系统工作原理框图

Fig.1　Principleblockdiagramoffingerprintidentificationsystem图2指纹识别系统硬件结构框图

Fig.2.Blockdiagramofthehardware

3　系统应用程序的设计本系统软件设计是基于DSP的集成开发环境CCS2.0下设计的.软件实现包括两大部分:一是完成指纹数据采集系统的初始化.二是完成指纹识别程序.系统初始化程序包括:VC5402内部寄存器初始化程序、接口程序设计、判断是否进行指纹采集的程序.我们将在下节重点讨论识别程序算法及实现.调用TMS320VC5402编辑器将系统初始化及指纹识别程序编译生成HEX文件后烧写到系统的FLASH中,以

便保证系统上电后能够正常自举加载.3.1　识别算法的实现

指纹识别算法是指纹识别的核心技术,本系统的指纹识别算法流程图,如图3所示先经过图像分割、滤波增强(包括规格化、计算方向图和方向滤波)、二值化、细化这几个指纹图像预处理后,再进行特征提取和特征匹配最后输出结果.

图3　指纹识别算法流程

Fig.3　Thealgorithmflowofthefingerprintidentification

图像分割主要是将指纹图像的前景区域和背景区域分割开来.前景区域包括了指纹图像的脊和谷,为提高特征点提取的可靠性,要进行图像分割,去除背景区域.规格化即是把指纹图像的对比度和灰度都调整到一个固定的级别上,为后续处理提供统一的规格.方向信息是指纹图像的重要信息.本文采用基于邻

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域灰度统计特征法获取指纹的点方向图,进而设计出了系统的滤波器模板,使指纹在切向平滑、在法向锐化,以消除指纹的误断和叉连.二值化是将灰度指纹图像根据所选阈值将像素点转换为0,1的二值图像,从而增强了脊、谷的对比度.之后对纹路又进行细化,细化的目地是删除纹线的边缘像素,使之只有一个像素宽度.细化以后的指纹图像中的每条纹线都变为单像素宽的“点线”再经去噪,就可以见到清晰的点线图,为以后的特征提取作好了准备.

指纹特征提取算法可以简单的分为直接从灰度指纹图像提取特征和从细化二值指纹图像提取特[3]

征.本系统采用了细化二值图像提取特征的方法,该方法在得到可靠的细化二值图像后,提取出特征点相应的坐标位置、种类、方向等有用的信息.我们采用了较典型的方法(邻域判定法),该方法用一个3×3的模板便可将端点和分叉点提取出来,对于细化后的二值图像,对每个点值计算其交叉数(Cn).点R的交叉数Cn定义在一个3×3的模板上.模板如图4所示.

R(4)R(5)R(6)

R(3)RR(7)

图4　特征提取模板Fig.4　FeatureextractiontemplatesR(2)R(1)R(8)R是待检验点,如果R是端点,则它的8领域满足CN=k=168

|R(k+1)-R(k)|=1,R(9)=R(1)

如果M点是分叉点,则它的8领域点满足　CN=

k=1

6

8

|R(k+1)-R(k)|=3　R(9)=R(1)

这样就可以找到特征点,并记录他们的类型和位置.求出特征点后,再根据平均纹线距离等信息对所得特征点进行有效性检验,去除伪特征点,保留真特征点.然后一特征点的坐标(x,y),及特征点的方向d,结合其邻域情况(邻域内的特征点数、相对位置、脊线上特征点所处位置的纹曲率、特征点邻域内的脊线纹密度等等),可以构成该指纹细节特征点的特征向量.将所有的特征向量进行筛选后留下50到80个特征向量,构成指纹特征模板.

特征匹配主要是细节特征的匹配,依靠指纹本身决定的可靠参考坐标系,可以提高指纹的匹配的效率.指纹中心处具有较高的不可定向性程度,其附近的纹线方向多变.利用方向图和不可定性图设计和实现了指纹自动定位的快速算法.该算法能够确定指纹中心点的位置和方向,自动定位率在98%以上.对于用活体指纹采集输入的指纹,自动定位率更高.用同样的方法,我们还可以准确提取指纹的下、中心及左、右三角点等形态特征与辅助定位信息.对点模式匹配算法很多,我们使用的算法是通过在一定范围搜索参数空间,计算其匹配支持数,也就是在该参数空间里,有多少指纹对匹配.当匹配支持数最大时,也就得到了所需要的结果.算法步骤:

(1)分别读取两个细节点集合;

(2)分别计算他们的细节节点的模值r,细节节点的方向e,细节节点的弧度值radian

r=e=

x+yyx

2

2

radian=angle

x,y为细节点的x,y轴坐标,angle为细节点的角度.

180π

(3)依据radian的大小按升序排列两个细节点集合;

(4)根据r,e,radian的值计算两细节点集合的匹配支持参数值supportvalue[m][n];

(5)循环比较supportvalue[m][n]与阈T值的大小(本程序T=10),大于T则匹配度参数加1;

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(6)匹配度=匹配度参数乘100再除以细节点数,如果大于70,则超过70%的细节点匹配,认为两细

节点匹配.

4　系统处理流程

系统上电时,TMS320VC5402通过总线操作对FPS2000进行设置,然后进入指纹图像采集阶段,在该阶段TMS320VC5402处于空闲状态,CPLD占用数据总线,将数据直接存储到图像SRAM中,采集完一帧指纹图像后由CPLD通知DSP进入数据处理阶段.在该阶段TMS320VC5402将图像SRAM中的数据分块送,然后对图像进行预处理,特征点提取等运算.DSP将处理结果与Flash中预先采集提取的特征指纹进行比对、匹配,最后在LCD上显出匹配结果.

5　结语

本文针对TMS320VC5402型DSP的快速,高效的特点,采取了DSP集成开发环境下CCS2.0对指纹图

[4]

像进行处理.在实际应用环境中对系统进行了测试.实验结果显示,系统录入指纹时间小于0.5s,误识率小于0.1%,拒识率小于2%,总体结果令人满意,在保证可靠性和可行性的前提下,可采用性能更好的DSP,相信指纹识别效果会更好.

参考文献:

[1]杨强,谭礼俊.生物识别技术对比浅析[J].大众科技,2005,2:50～51.[2]勒中鑫.数字图像信息处理[M].北京:国防工业出版社,2003.63～65.

[3]陈宏,田捷.检验配准模式的指纹匹配算法[J].软件学报,2005,16(6):11～18.[4]赵鹏飞.基于TMS320VC5402DSP的指纹识别系统研究[D].山西:中北大学,2006.

AFingerprintIdentificationSystemBasedonDSPofTMS320VC5402

LIUXin2mei,ZHAOPeng2fei

1,2

2

(11NationalKeyLabforElectronicMeasurementTechnology,Taiyuan030051,Shanxi,China;

21SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China)

　　Abstract:Onthebasisofcomprehensivebalancingofthecurrentadvancementoftechnology,systemperformanceandthe

cost,anovelfingerprintidentificationsystemisdesignedwithTMS320VC5402chipmadebyTICorporationasitscentralprocessor.ThehardwareofthesystemconsistsofFPS200fingerprintcollectingsensor,maincontrolcircuit,inputchannels,outputchannels,human2computerinteractiveequipmentetc.UndertheintegrateddevelopmentenvironmentofDSP,thesoftwareisprogrammedforaccomplishingthefingerprintidentificationalgorithm,includingthefunctionsoffingerprintimagepre2processing,binarization,thinningprocess,featureextraction,andfeaturecomparison.Especiallythefeatureextractionofthefingerprintimagepre2processingandthefeaturematchingalgorithmarestudiedindetail.Theexperimentalresultsshowthatthesystemfeatureshighidentificationspeed,lowerrorrateandlowrejectrate.Sotherewillbearemarkablepracticalvalueandbroadmarketprospectofthissystem.

　　Keywords:fingerprintidentification;TMS320VC5402;DSP;algorithm