单芯片微小型指纹识别系统设计与实现

1、2010, 46(25 1引言生物识别技术是通过将计算机与光学、 声学、 生物传感器和生物统计学等高科技手段密切结合, 利用人体固有的生理 特性 (如指纹、 人脸、 虹膜等 和行为特性 (如笔迹、 声音、 步态 等 来进行个人身份的鉴定 1。能用于作为身份鉴别的人体生 物特征应具有普遍性 (人人具有 、 独特性 (任意两个人或同一 个人的不同手指的特征都不相同 、 稳定性 (在一定时间内相 对某种匹配准则下特征不变 和可采集性 (特征可以被传感并 定量测量 , 常见的人体生物特征主要有指纹、 人脸、 虹膜、 声 音等。利用人体的指纹特征进行身份识别的指纹识别技术, 是 目前最为成熟, 应用最广

2、的生物识别技术。据统计, 2006年中 国生物识别市场的销售收入约 8亿 6千万元, 其中超过 97%为 指纹识别产品 2, 主要应用于海关通关、 金融系统、 笔记本电脑、 手机、 门锁、 保险箱等方面。嵌入式应用作为指纹识别应用的一个重要分支, 近几年 也得到快速的发展, 如:指纹门锁、 指纹保险箱、 指纹遥控器 等。但是, 目前的嵌入式指纹识别产品, 其指纹识别算法软件 运行的系统资源要求较高, 广泛采用以 DSP 、 ARM 等平台为 基础, 外扩展存储器等方式组成指纹识别应用系统 3-6, 通常内 存 (RAM 都要求在 1MB 以上, 存储器 (Flash 也都在 1MB 以 上;

3、尤其是组成嵌入式应用产品的体积较大, 功耗亦较大 (200mA 以上 , 成本也较高, 严重制约了指纹识别技术的推 广应用, 特别是在体积和功耗要求都极为严格的应用场合, 如 手持式指纹遥控器等的应用。提出一种基于 ARM7处理器芯片 LPC2106为核心的嵌 入 式自动指纹识别系统设计。该芯片内嵌 64KB SRAM , 128KB Flash , 在系统资源 (内存、 体积 非常有限的微片上系单芯片微小型指纹识别系统设计与实现陈伟元, 苏 涛CHEN Wei-yuan , SU Tao苏州市职业大学 电子信息工程系, 江苏 苏州 215104Department of Electronic

4、 Information Engineering , Suzhou Vocational University , Suzhou , Jiangsu 215104, China E-mail :wychenCHEN Wei-yuan , SU Tao.Design and implementation of single-chip small size fingerprint identification system.Comput-er Engineering and Applications , 2010, 46(25 :61-63.Abstract :The popularization

5、 and application of the embedded fingerprint identification products have been constrained by cost and size all the time.The idea of designing a fingerprint identification system based on the System On Chip (SOC ARM7LPC2106is presented.The composition of the system structure , highly efficient embed

6、ded fingerprint recognition algo-rithm for image stitching technology , and the mechanical design to improve the performance of the new fingerprint identifica-tion guide groove are given.The results show that the system can complete fingerprint identification for 20different users within two seconds

7、.When the False Accept Rate (FAR is one hundred thousandths , the False Rejection Rate (FRR will be no more than 3percent.It s in line with national standards.In addition , this system also has a small size.The price is only about one third of similar products in market.It can be widely used in fing

8、erprint lock , fingerprint safe , fingerprint remote control and other fields in the future.Key words :fingerprint identification ; swipe fingerprint sensor ; system on chip ; embedded system ; image mosaic 摘要:嵌入式指纹识别产品的推广应用一直受到成本和体积因素的制约。提出一种基于 ARM7处理器芯片 LPC2106为核心的单芯片嵌入式自动指纹识别系统设计方案, 给出了系统组成的电路结构,

9、 运用了一种高效率的嵌入式指纹图像拼接及识别算法 软件, 并设计出用于改善指纹识别性能的指纹引导槽方案。结果表明, 2秒内能完成 20个指纹用户的识别, 在认假率为十万分之 一时, 拒真率不超过百分之三, 达到国家有关标准的要求。该产品体积小, 价格只有同类产品的约三分之一, 可应用于指纹门锁、 指纹保险箱、 指纹遥控器等领域。关键词:指纹识别; 刮擦式传感器; 片上系统; 嵌入式系统; 图像拼接 DOI :10.3778/j.issn.1002-8331.2010.25.018文章编号:1002-8331(2010 25-0061-03文献标识码:A中图分类号:TP391.4基金项目:苏州市

10、工业支撑项目 (No.SG0401 。作者简介:陈伟元 (1964- , 男, 博士, 副教授, 主要研究方向:嵌入式电路系统的设计研究。 收稿日期:2010-01-15修回日期:2010-03-31Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用 61Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用2010, 46(25 统 (SOC 上实现从指纹图像传感到识别处理、 存储、 控制的嵌 入式指纹识别产品, 整个应用产品只有一元硬币的一半大小, 可广泛应用于对产品价格和体积有严格要求的场合, 如车库 门、

11、汽车门指纹遥控器等。设计已在市场上得到广泛推广应用。2单芯片式指纹识别系统的电路设计指纹识别系统由 ARM7内核的 LPC2106处理器 7和划擦式半导体指纹传感器 ATW2128组成。其中, ATW212完成指 纹的传感和采集, LPC2106处理器主要完成指纹图像的处理 (图像拼接、 特征提取和比对 、 存储和控制等功能。 ARM7处 理器和指纹传感器间采用 SPI 方式连接, 通过减少它们之间的 连接线, 以此来提高产品的可靠性。连接关系如图 1所示。 其中, I/O部分包括 4×4键盘接口及 LED 指示等输入输出控制。 2.1LPC2106处理器 LPC2106的内核为 A

12、RM7TDMI-S 处理器, 具有 64KB 静 态 RAM 和 128KB 片内 Flash 存储器, 整片擦除只需 400ms 。 两个 UART 口, 一个 I 2C 串行接口, 一个 SPI 串行接口和多个通 用 I/O口。 CPU 时钟频率可达 60MHz 。体积很小, 其封装为 TQFP48(7mm×7mm 。可见, 在高效率的指纹识别算法支持 下, LPC2106的系统资源完全能满足指纹存储用户要求不太 多 (20个用户以内 的嵌入式指纹识别系统的要求。用其组成 小用户容量下的嵌入式指纹识别系统有优越的综合性价比。2.2ATW212指纹传感器ATW212是美国 Atru

13、a 公司 (现已被美国 AuthenTnc 公司 收购 推出的划擦式指纹传感器, 采用电容式指纹传感。具有 指纹导航和指纹识别两种功能。采用低功耗设计技术, 工作 电流只有 2.5mA , 体积微小, 只有 5.0mm×19mm×0.65mm , 采 用 28pin 的 LGA 封 装 。 可 识 别 的 手 指 最 大 划 擦 速 度 为 48cm/s, 每帧像素为 192*8。数据接口可为 8位并口或高速串 行 SPI 口, 防静电能力可达 15kV 。采用 SPI 方式。由于数据传输速率较高 (2.8MB/s , 要精 心进行 PCB 布线, 指纹传感器和 ARM 处

14、理器间的连接电缆不 宜过长, 否则因信号干扰, 造成采集指纹的图像质量下降。2.3电源管理低功耗设计是嵌入式应用产品, 特别是以电池供电产品所面临的关键问题。 LPC2106处理器的内核电压为 1.8V , 且 是主要的电量消耗单元, 故这部分采用效率更高的 DC/DC电 路实现电压变换 (降压 ; 系统工作时还需另一组 3.3V 电压, 主要用于 I/O端口驱动。这部分消耗功率并不大, 出于成本考 虑, 采用价格更低的 LDO 电路来实现。3手指引导槽结构设计为达到较好的指纹识别效果, 划擦式指纹传感要求用户有较高的使用技巧, 手指要紧贴指纹传感器表面匀速移动, 移 动方向垂直于传感器表面,

15、 不要左右摆动。手指对指纹传感 器表面的压力大小恰当。划动手指时, 从靠近指尖的第一节 点开始, 至指尖结束, 这样使用才能有较好的识别效果。因 此, 手指引导槽的结构设计极为关键。设计的手指引导槽示意图见图 2所示。在手指划擦起始 和结束的地方, 均有明显的凹槽, 使用者仅凭手指感觉就能准 确定位。其结构设计示意图见图 3所示。其中, 前、 后引导区 长度要求分别大于 25mm 和 12mm , 这是根据大部分使用人 群的指节长度的统计数据, 经反复实验后得到的优化数据。 为防止指纹传感器被机械划伤, 要求指纹传感器的安装高度 略低于引导平面。另外, 为保证在手指滑动过程中能明显感 觉到指纹

16、传感器的位置, 引导槽斜面与传感器相交处应有约 0.1mm 的台阶, 斜面俯角应不大于 4°。4单芯片式指纹识别系统的软件设计LPC2106内核为 ARM7的处理器, 采用 IAR C/C+编译调试开发工具进行开发。涉及的软件功能模块主要包括:指纹的图像采集驱动、 指 纹图像拼接算法、 指纹特征提取算法和指纹匹配算法, 以及端 口驱动及控制等。其中, 指纹图像拼接和指纹识别算法软件 模块是整个软件系统的核心。由于 LPC2106能用于算法运行 的内存空间不到 48KB , 程序存储空间不能超过 80KB , 且 CPU 的时钟速度不超过 60MHz , 运行速度较低, 因此必须开 发

17、高效的指纹识别算法, 才能满足识别速度的要求。现有的用于划擦式指纹图像帧序列的拼接算法, 主要有 基于相位相关的算法 9、 基于像素点灰度方差的方法 10或者是 基于运动估计的方法 11, 运算量都比较大并且需求系统资源 较多。本文的指纹图像帧序列拼接算法采用基于文献 12的 方法, 适用于资源有限的微小型嵌入式指纹识别系统。采用基于指纹方向图的特征提取方法。指纹特征的鉴别 主要以指纹流向 (脊线 为基准, 正确估计指纹流向 (即方向图是关键。先估计出指纹流向方向及对应的脊谷波形周期,图 1单芯片式指纹识别系统组成框图图 2手指引导槽示意图ATW212minimum 0.1mm>25mm

18、>12mm4degrees max图 3手指引导槽结构主要参数622010, 46(25 然后设计出与该局部指纹频域特征相适应的带通滤波器, 滤 除如采集仪噪声、 手指皮肤干湿反差、 指纹纹路的残缺及局部 指纹灰度分布的剧烈变化等引起的干扰, 从而提高脊谷差异, 增加脊线走向的连续性。经指纹脊线增强、 二值分割及细化 后, 就可进行指纹特征点的提取, 并经伪特征点剔除后即可按 规定的存储顺序生成相应的特征模板。传统的指纹匹配多采用全局结构核心点方法, 但在指纹 小面积采样时, 往往不存在这样的核心点; 若采用转盘方式逐 点寻找核心点, 则计算效率低, 不能满足实时性要求。采用以 局部特征

19、点对的相似性为基础作匹配时的动态核心点, 再进 行全局指纹空间结构相似性的比对。5实验结果设计的单芯片式指纹识别电路模块, 只有 25mm×15mm大小, 实现了指纹采集、 识别、 控制及电源管理等的功能, 在 6V 电源供电下, 工作电流小于 50mA , 在存满 20个指纹用户 下, 平均识别时间小于 2s 。经按 GA701-2007指纹防盗锁通 用技术条件 的方法进行测试, 在认假率小于十万分之一时, 拒真率不超过百分之三, 能满足指纹小用户容量下的要求。 与目前类似产品相比, 此设计体积最小, 综合性能基本相当, 但设计成本只有同类产品的约三分之一, 目前已批量生产。6结语

20、嵌入式指纹识别产品的推广应用一直受到成本和体积因素的制约。设计实现了基于 LPC2106的低成本单芯片 ARM7内核的嵌入式指纹识别硬件平台, 优化了嵌入式指纹识别算 法软件, 使其适用于 48KB SRAM 的系统资源环境。实验结 果表明, 设计开发的嵌入式指纹识别系统, 方案合理可行, 指 纹识别性能指标达到国家有关标准的要求, 能满足指纹用户 量要求不是太多 (少于 20个 情况下的使用, 体积小、 价格低 廉, 可广泛应用于指纹门锁及指纹保险箱、 指纹遥控器等 领域。参考文献:1Glossary of biometrics termsR.Associationfor Biometric

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24、隆算法不足, 提高了算法性能, 具有较 高的收敛速度和精度, 从而进一步扩展了克隆选择算法的应 用范围。参考文献:1胡江强, 郭晨, 尹建川 . 分级变异的动态克隆选择算法 J.控制与决策, 2007, 22(6 :608-612.2Yang Xiao-hui , Jiao Li-cheng , Li Deng-feng.Directional filter forSAR images based on nonsubsampled contourlet transform and immune clonal selectionJ.InternationalJournal of Automati

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