基于 FPGA 的指纹识别算法的研究和实现.doc
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1、精品论文基于 FPGA 的指纹识别算法的研究和实现高保红 武汉理工大学信息工程学院,湖北武汉(430070) E-mail: 摘要:本文以指纹识别认证系统的ASIC化为应用背景,提出了一种基于FPGA的指纹识别系统。重点研究了指纹识别系统的硬件组成和指纹图像预处理的软件实现。经验证本系统的 设计完全能满足系统的需要。关键词:FPGA;指纹识别;指纹传感器;指纹图像预处理中图法分类号:1引言生物识别技术是利用人的生物特征进行身份认证的技术, 人的指纹就是生物特征之一。 此外, 生物特征还包括虹膜、视网膜、声音和脸部热谱图等。指纹识别是生物识别技术中最 为成熟的, 其唯一性、稳定性, 一直都被视为
2、身份鉴别的可靠手段之一。随着计算机性能的 提高和应用的增加,人们开始使用计算机来处理指纹,自动指纹识别系统(AFIS)在法律实施 方面的研究与应用由此展开。而近几年随着电子商务的发展和消费类电子的普及,越来越多 的领域需要指纹识别系统。指纹识别系统已经成功应用于考勤、门禁、安检等领域1。同时人们对消费类产品的要求越来越趋向于小型化,并且对可携带设备的安全性要求也 与日俱增。传统的PC、MCU、或者DSP的处理平台移动性比较差,体积比较大,无法满足 人们日益增长的需求。所以,设计一套体积比较小、速度更快的嵌入式指纹识别系统是非常 有意义的。而本设计正是为了这一目的,选用具有高集成度、低功耗、短开
3、发周期的FPGA 来完成此项设计,以实现系统的ASIC为研究背景,具有很强的现实意义和广阔的市场空间。2基本原理自动指纹识别系统AFIS(Autornatic Fingerprint Identification System)一般包括指纹的采 集、指纹图像预处理和特征提取、指纹图像的特征匹配。图1是自动指纹识别系统(AFIS)的 简单流程。- 7 -登陆指纹指纹数据图像 采集处理指纹识别图像数据图像 采集处理特征特征点存 提取 入Flash输出 结果特征特征点提取对比图1 自动指纹识别系统的简单流程在指纹登陆过程中,每一枚指纹从指纹传感器录人若干次(默认为3次),算法模块对每 次录人的图像进
4、行处理,再对处理后的图像进行特征提取,之后对该若十次特征数据进行处 理,得到最能体现该特征的一组数据,作为该枚指纹的模板(即指纹匹配的依据) 2。最终将 该模板存储于Flash中并输出显示是否保存成功。在指纹比对时,指纹图像从指纹传感器录人,然后提取该图像的特征数据,用这些特征 数据与指纹登录时生成的模板进行比较,计算它们的相似度,产生pass或者fail两种结果并 输出显示。3硬件设计系统采用xilinx公司Spartan-3E系列FPGA作为核心的控制和运算芯片,数据采集模块由 富士通公司的MBF200电容式指纹传感器来完成3,MBF200指纹传感器可以完成指纹图像的 采集并用其自带的A/
5、D转换器将指纹图像转换成数字信号,利用SPI接口传送至FPGA进行存 储。由FPGA处理采集来的数据,由于FPGA内部存储空间太小,无法存储一张完整的指纹 图像,所以将指纹数据暂时存储在SDRAM中。当处理图像数据时,FPGA通过读取SDRAM 的指纹数据,并在其逻辑单元中进行滤波、灰度归一化、二值化、细化和特征值提取等操作, 从而获得重要的指纹图像信息。系统操作时首先利用键盘选择指纹存储模式,将获得的指纹图像信息存储到FLASH中 作为指纹数据库,然后切换到指纹识别模式,再利用上述方法获得指纹图像信息。通过FPGA 调用指纹数据库中的数据,寻找与之匹配的指纹信息,最后将比对结果在LCD中显示
6、。本系 统还可利用RS232与计算机进行通讯,可以方便扩展,使得系统可以应用到更多的领域。系统硬件框图如下图2。图 2 系统硬件框图3.1 指纹采集模块本设计中采用的是富士通的MBF200指纹传感器,MBF200硬件框图如图3所示,采用SPI模式,所以MBF200与FPGA只通过MISO,MOSI,/S/C/S,SCLK四个端口相连接4。图3 MBF200硬件连接电路图3.2 指纹数据处理模块由于指纹数据处理涉及很多算法,运算量大,所以本系统在Spartan3E开发板上嵌入 一个Microblaze软核来进行数据处理,首先将SPI口传输进来的数据送人SDRAM进行存储, 开发板上带有32M的S
7、DRAM,完全可以存储很多张指纹数据。在创建指纹数据库时,系统 从SDRAM中取出数据,放入Microblaze进行处理,再将处理后的指纹数据信息存入FLASH 组建指纹数据库。在比对模式时,利用Microblaze进行数据处理后的数据扔存入SDRAM, 然后从FLASH和SDRAM分别提取指纹图像特征数据进行比对,得出比对结果。3.3 指纹数据存储模块FLASH存储器具有存储容量大,数据保存时间长、断电不丢失、存取速度快等特点。 在本系统中,FLASH用作存放指纹识别认证系统用户指纹数据库,存储指纹特征点数据。 Spartan-3E开发板采用的是16M Byte大小的并行NOR Flash
8、(Intel Strata Flash) 5。Intel Strata Flash与FPGA管脚连接图如图4所示。CE2:0为strataFlash使能信号输入端口 当只用一个片子时,CE2:1接地只用CE0控制。图 4 FLASH 存储模块硬件连接图3.4 RS232 通信和键盘操作模块RS232通信和键盘操作均可从EDK 9.1i 开发软件同样可以获得MicroBlaze控制器的IP核,然后直接将PC与Spartan-3E通过串口连接,键盘可以连接至Spartan-3E PS2口。4软件设计指纹识别系统的软件设计可分为以下几个部分。4.1 指纹采集整个采集指纹图像的流程如图 5 所示,主要
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