一種新型指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)核心處理器
TMS320VC5501是美國(guó)德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的16 bit定點(diǎn)DSP芯片[1]。該芯片時(shí)鐘頻率最高可達(dá)300 MHz，配以雙乘加結(jié)構(gòu)，每秒最高可以完成600萬(wàn)次乘加運(yùn)算。采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部有1組程序總線、3組數(shù)據(jù)讀總線和2組數(shù)據(jù)寫(xiě)總線，使得系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能完成3次讀和2次寫(xiě)的操作，并且提供了專(zhuān)用的匯編指令，極大地提高了數(shù)據(jù)處理能力。
2.2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展
TMS320VC5501的內(nèi)部存儲(chǔ)空間僅有32 KB，無(wú)法滿足系統(tǒng)程序的需要，因此需要通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間[2]。本系統(tǒng)同時(shí)擴(kuò)展了SDRAM和FLASH。其中，SDRAM采用了Hynix公司的HY57V161610D，用于運(yùn)行程序與指紋圖像處理數(shù)據(jù)的暫存。針對(duì)圖像的算法在片內(nèi)DARAM上實(shí)現(xiàn)的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外擴(kuò)存儲(chǔ)器的情況，將指紋采集器輸出的圖像大小設(shè)置為280×280，并經(jīng)過(guò)圖像壓縮成大小140×140，再采用高低位分開(kāi)放置圖像數(shù)據(jù)，整個(gè)圖像數(shù)據(jù)就不到20 KB。同時(shí)，指紋圖像處理算法的程序也不超過(guò)8 KB。這樣，圖像識(shí)別過(guò)程中的程序和數(shù)據(jù)都在片內(nèi)DARAM上完成，可以緩解EMIF總線接口的壓力并提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。
本系統(tǒng)中FLASH主要有2個(gè)作用：(1)用于存放程序代碼，上電以后，F(xiàn)LASH中的各段程序代碼被裝入SDRAM或DSP內(nèi)部DARAM中，系統(tǒng)開(kāi)始正常工作；(2)存放指紋處理程序處理完指紋后所獲得的指紋特征以及一些相關(guān)的信息數(shù)據(jù)等。本系統(tǒng)采用FLASH芯片為SST39VF3201，存儲(chǔ)容量為2M字。但是，DSP片上僅有20根地址線，最多可以擴(kuò)展到1M字。設(shè)計(jì)中將GPIO7直接連接到SST39VF3201的A22管腳，使用GPIO7模擬地址線訪問(wèn)FLASH空間。高地址位存儲(chǔ)指紋模板，低地址位存儲(chǔ)引導(dǎo)程序，可以有效地利用FLASH空間資源。
2.3 圖像采集電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用MagnaChip Semiconductor公司的HV7131R彩色CMOS圖像傳感器作為指紋采集頭的核心器件[3]。該芯片有很強(qiáng)的實(shí)用性，可在復(fù)雜環(huán)境中工作。其支持VGA模式，有效像素640×480，帶有可編程自動(dòng)曝光、增益控制及白平衡控制功能，可通過(guò)編程設(shè)定成像窗口和幀傳輸速率。芯片集成I2C總線接口，10 bit A/D輸出。但是，一般只用高8 bit傳輸像素點(diǎn)灰度值。最大幀速度30幀/s，最高工作頻率25 MHz。
芯片采用Bayer濾光陣列把輸入光信號(hào)分解成RGB三原色，每一像素點(diǎn)僅保留一種原色。由于綠色像素對(duì)亮度影響最大，所以保留最多，占1/2；紅色像素和藍(lán)色像素各占1/4。在實(shí)際處理時(shí)，每個(gè)像素的R、G、B信號(hào)由像素本身輸出的某種顏色信號(hào)和相鄰像素輸出的其他顏色信號(hào)構(gòu)成，這種采樣方式，在基本上不降低圖像質(zhì)量的同時(shí)，可以將采樣頻率降低60%左右。本系統(tǒng)中，DSP的8 bit主機(jī)接口HPI.HD[7：0]配置為GPIO，通過(guò)讀寫(xiě)HGPIODAT1寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。如圖3所示，HV7131R外接25MHz時(shí)鐘，A/D轉(zhuǎn)換輸出的高8 bit DATA[9：2]接HPI.HD[7：0]作為數(shù)據(jù)輸入；幀同步信號(hào)（VSYNC）和行同步信號(hào)（HSYNC）作為外部中斷源分別接到TIM0和TIM1引腳；SDA和SCL與DSP片上集成的I2C引腳連接，用以訪問(wèn)或者修改傳感器的寄存器值。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，DSP只需讀取指紋采集頭的數(shù)據(jù)，但是，LCD作為輸出顯示，僅寫(xiě)入數(shù)據(jù)即可。LCD采用并口連接方式設(shè)計(jì)，通過(guò)6 800時(shí)序接收DSP數(shù)據(jù)，與指紋采集模塊復(fù)用HPI.HD[7：0]管腳。實(shí)驗(yàn)證明，這種連接方式不僅可以節(jié)約核心處理器片上管腳資源，而且編程緊湊，易于移植。

3 指紋識(shí)別算法
指紋處理和識(shí)別算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心，且都在DSP上實(shí)現(xiàn)。整個(gè)流程如圖4所示，主要包括圖像預(yù)處理、特征提取和指紋匹配3部分。預(yù)處理又可分為圖像分割、歸一化、圖像增強(qiáng)、二值化以及圖像細(xì)化等。