图像采集综合评估的嵌入式指纹识别系统

指纹传感器用来获取手指的指纹图像信息;JTAG 调试接口用来与上位机连接进行调试;复位电路用来初始化指纹识别装置;FLASH 程序存储器用来存储指纹识别装置运行的程序;外部SRAM 数据存储器用来存储指纹识别装置运行过程中产生的临时数据;串口和USB 接口用于与上位机的连接通信;安全控制器是指纹识别装置的核心，控制指纹识别装置的运行。

　　图1 指纹采集系统结构图

　　指纹专用芯片，是指内嵌指纹识别技术的芯片产品，能够片上实现指纹的图像采集、特征提取、特征比对的芯片，使开发过程变得简单，开发者可以方便的实现指纹识别的功能，同时芯片价格适中，利于普及使用。

　　指纹专用芯片采用杭州晟元芯片技术有限公司生产的AS602 芯片，采用哈佛结构32 位RISC 处理器内核，内置专用DSP 指令集和加速器。其主要特点是具有SEA/RSA 加速引擎、内置存储器(Flash/OTP)、指纹处理加速器和专用算法软件。AS602 芯片主频高达128 MHz，内置128 KB 高速静态随机存储器(SRAM)，嵌入了1 MB 大容量FLASH，64 kB ROM 和4 kB OTP ROM，并具备丰富的对外接口：除了USB2.0 全速接口外，还具备3 组USART 接口、4 通道PWM接口、ISO7816 智能卡接口、APC 主接口、片上实时钟、对称算法引擎(SEA)加速器、RSA 加解密引擎、真随机数产生器(TRNG)，以及51 路GPIO。

　　1.3 指纹采集传感器

　　FPC1011F 指纹传感器由152×200 个传感器阵列组成，每一个阵列是一个金属电极。放在传感面上的手指的对应点则作为另外一极，其工作原理是改变极板间距的电容式传感器，整个传感器(或其中的一部分)是通过读取感应器的指令来读取的，采集区域的大小是由寄存器XSHIFT 和YSHIFT值的决定的。

　　FPC1011F 与处理器芯片的接口原理图如图2 所示。将AS602 的USART0 配置为SPI 模式。AS602 的61 脚作为时钟输出，60 脚作为数据主输出，连接FPC1011F 的6 号脚;59脚作为数据主输入，连接FPC1011F 的1 号脚。FPC1011F 4号引脚SPI_CK 与AS602 的61 脚连接得到系统时钟。

　　图2 AS602 与FPC1011F 的接口原理图

　　将FPC1011F 的CPHA 和CPOL 分别置为0， 此时FPC1011F 为从设备。指纹图像数据通过传感器输入FIFO.指纹采集通过查询方式，用rd_spidtat 指令不停地查询SPI_STATUS 寄存器的DA 状态是否为1。当SPI_STATUS 的DA状态为1 时，用rd_spidata 指令来读取FPC1011F 的FIFO 中的数据。

　　1.4 指纹图像评估状态显示模块

　　HS1602A LCD 是16×2 行，5×7 字符点阵液晶模块，其内部的字符发生器ROM 中自带数字和英文字母及一些特殊符号的字符库，虽然没有汉字，但是利用HS1602A 可以建立5×7 点阵自定义字库的特点，形成所需要的汉字点阵。HS1602A 与传感器芯片的接口原理图如图3 所示。

　　图3 AS602 与HS1602A LCD 显示屏模块接口原理图

　　2 指纹图像评估研究与分析

　　2.1 指纹图像评估流程

　　在指纹采集输入过程中，由于手指的指纹质量、安放位置及干湿状态等原因，都可能无法正确识别指纹信息。为提高指纹识别效率，先对采集的指纹信息进行评估。安全控制器对指纹图像进行指纹灰度图像隔点采样，指纹图像点方向图计算，指纹灰度图像的前、背景图分离，指纹前景图面积分析，指纹图像质量分析等图像处理过程，并对评估的结果用汉字进行显示。若评估不合格，根据显示信息，重新采集指纹图像信息，直到通过评估。系统工作流程图如图4 所示。

　　图4 系统工作流程图

　　2.2 指纹图像隔点采样

　　用隔点的方式对指纹灰度图像进行采样，隔点获得原始指纹灰度图像，在不改变指纹特征码的基础上减少数据采集量。

　　2.3 指纹灰度图像的前、背景分离

　　用点方向图表示所述隔点原始指纹灰度图像中每一像素点处的局部纹理走向，具体如下：

　　指纹图像是由局部平行的脊线和谷线构成的一种方向模式。通过指纹图像点方向图计算，可将指纹图像中的各个图像块划分为前景块或背景块。采用7×7 模板，基准点位于模板中心，从水平位置开始每隔π/4 确定一个方向，定义I=1,2,3,4,对应0,π/4,2π/4,3π/4,π 四个方向。按公式(1)计算各个方向的灰度变化DI,比较DI,找到最小值，就代表该点的方向，见公式(1)：

　　式中，是沿I方向上点的灰度均值，f1(ik , jk) 是I方向上点的灰度值。

　　图像的前景块是分布有指纹脊线的图像块，其余部分为背景块。将前景块设置为1,背景块设置为0,实现指纹灰度图像的前、背景图分离。具体如下：

　　1)使用公式(2)进行计算：

　　其中，f(i, j)为(i, j)点的灰度值;

为I方向上灰度值的累加和;Smax 为累加和值的上限值;Smin 为累和值的下限值。如果满足公式(2) 的条件，则当前点为前景点;否则为背景点。

　　2)依据小块内背景点的比例，判断各图像块是前景块或背景块。如果小块内背景点的数量超过阈值Tb,则认为该图像块属于背景块，否则为前景块。