引言

指紋識(shí)別是根據(jù)每個(gè)人指紋的不變性和唯一性進(jìn)行身份識(shí)別的一門(mén)技術(shù)。隨著社會(huì)的發(fā)展，嵌入式的指紋識(shí)別技術(shù)越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞，成為近年研發(fā)的重點(diǎn)，但目前的嵌入式指紋算法大多在實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度上還存在不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化算法，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的指紋識(shí)別。

本研究設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)一種基于STM32芯片的指紋識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)指紋傳感器采集指紋數(shù)據(jù)，指紋算法處理指紋數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別，同時(shí)結(jié)合VC++平臺(tái)建立人機(jī)交互界面對(duì)指紋圖像數(shù)據(jù)顯示。

1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1、結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

本研究采用ARMcortex-M3內(nèi)核的32位處理器STM32F-103ZET6作為主控制器，該芯片內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)、其中集成有64KB的RAM和512KB的FLASH，運(yùn)算速度快，并且具有體積小和低功耗的特點(diǎn)，在嵌入式圖像處理方面具有較高的應(yīng)用前景。指紋識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)硬件主要包括：指紋采集模塊、SPI接口模塊、指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(SRAM)、指紋程序存儲(chǔ)模塊(FLASH)、UART模塊、指紋圖像算法處理模塊、處理結(jié)果顯示模塊等。

具體工作流程如下：系統(tǒng)通過(guò)USB供給5V穩(wěn)壓電源，通過(guò)內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換成3.3V穩(wěn)壓電源，系統(tǒng)上電后，通過(guò)STM32給傳感器的各個(gè)寄存器初始化，指紋傳感器FPS200采集指紋圖像，通過(guò)SPI接口和STM32最小系統(tǒng)進(jìn)行通信，將采集到的指紋數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32，進(jìn)而保存指紋圖像到SRAM，通過(guò)各種算法實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋圖像信號(hào)的預(yù)處理、提取特征點(diǎn)和圖像匹配，最后實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別功能。另外STM32和主機(jī)之間通過(guò)異步串口通信把指紋圖像數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)，顯示圖像，由于一幅圖像的數(shù)據(jù)量就是76.8KB，主控芯片內(nèi)部RAM容量不能滿足存儲(chǔ)和處理圖像數(shù)據(jù)的要求，所以本設(shè)計(jì)外擴(kuò)SRAM來(lái)存儲(chǔ)指紋數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序放在FLASH中，指紋特征數(shù)據(jù)模板也放在FLASH中，以便在使用過(guò)程中刪除和添加，并顯示指紋識(shí)別結(jié)果，主控制器采用JTAG接口，通過(guò)J-link進(jìn)行仿真調(diào)試，通過(guò)IAR-forARM實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)。

1.2、指紋采集電路設(shè)計(jì)

指紋圖像的采集對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其識(shí)別功能至關(guān)重要，一幅采集質(zhì)量較好的指紋圖像有利于后續(xù)對(duì)指紋圖像的算法處理，減少算法的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)指紋識(shí)別的功能。

指紋傳感器FPS200是Veridicom公司的一款新型指紋傳感器，具有500dpi的分辨率，片內(nèi)集成300&mes;256的傳感器陣列，256級(jí)的灰度圖像和8位的像素?cái)?shù)據(jù)，并且支持MCU、SPI和USB3種接口模式，這里采用比較簡(jiǎn)單的SPI接口模式，供給3.3V穩(wěn)壓電源，系統(tǒng)指紋采集硬件電路如圖2所示。

STM32的MODE1接VCC、MODE0接GND，使其工作在SPI模式且為主模式，指紋傳感器FPS200工作在SPI從模式。這樣STM32通過(guò)PB12~15管腳與FPS200的SPI接口的4個(gè)管腳相連。FPS200根據(jù)STM32由SPI接口發(fā)送過(guò)來(lái)的寫(xiě)寄存器的命令、地址和指令數(shù)據(jù)執(zhí)行相關(guān)操作，并將采集到的指紋數(shù)據(jù)經(jīng)由該SPI接口傳回STM32作進(jìn)一步處理。

圖2 指紋采集系統(tǒng)原理圖

1.3、數(shù)據(jù)處理以及與上位機(jī)的通信

本研究接收到的指紋數(shù)據(jù)通過(guò)異步串口管腳PA9和PA10與3.3V轉(zhuǎn)換芯片MAX3232相連外接串口線同PC機(jī)進(jìn)行通信，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，STM32作為下位機(jī)通過(guò)SPI接口方式采集指紋數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在外擴(kuò)的SRAM中，當(dāng)采集完一幅指紋圖像后，把該指紋數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，PC機(jī)接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)VC編程把接收的指紋數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成256級(jí)灰度圖像并顯示和保存該指紋圖像。

2、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1、指紋采集程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)關(guān)鍵是編程實(shí)現(xiàn)SPI通信模式下STM32和指紋傳感器FPS200的通信操作，其采集程序流程圖如圖3所示。

圖3 指紋采集程序設(shè)計(jì)流程

FPS200有19個(gè)寄存器，用來(lái)控制指紋數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的狀態(tài)和行為，這里介紹幾個(gè)比較重要的寄存器的初始化：

(1)初始化CTRLB，使能芯片的ENABLE位使其處于工作狀態(tài)，XTALSE位選擇內(nèi)部12M晶振，同時(shí)使能指紋自動(dòng)檢測(cè)，通過(guò)判斷RDY位的狀態(tài)決定指紋圖像數(shù)據(jù)的讀取。

(2)初始CTRLA，這里可以選擇GETROW、GETIMG和GETSUB這3種存取模式的1種作為存取模式，本研究給CTRLA寫(xiě)入0x02，即選擇GETIMG模式來(lái)獲取整幅圖像。

(3)初始化DTR、DCR和PGC，它們影響采集圖片的質(zhì)量，DTR是放電時(shí)間寄存器，影響著圖像背景亮暗程度;DCR是電容放電寄存器，對(duì)圖像的前景區(qū)和背景區(qū)的亮暗程度有一定影響;PGC是可編程增益寄存器，對(duì)圖片的前景和背景的影響較大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)選擇DTR=0x38，DCR=0x01，PGC=0x0C時(shí)圖像效果最佳。

2.2、指紋算法設(shè)計(jì)

指紋識(shí)別算法是指紋識(shí)別過(guò)程中重要的部分，算法的好壞直接決定指紋識(shí)別的精確性和可靠性。

該算法的3個(gè)重要部分是指紋圖像預(yù)處理、特征點(diǎn)提取和特征匹配。指紋預(yù)處理又包括圖像場(chǎng)的計(jì)算、分割、均衡化、平滑、增強(qiáng)、二值化、細(xì)化等部分。本研究的指紋識(shí)別算法流程如圖4所示，下面對(duì)算法各部分作簡(jiǎn)要介紹。

圖4 指紋識(shí)別算法流程

2.2.1、圖像場(chǎng)的計(jì)算

圖像場(chǎng)計(jì)算包括圖像的強(qiáng)度場(chǎng)、梯度場(chǎng)、方向場(chǎng)以及頻率場(chǎng)計(jì)算。

首先本研究采用Sobel算子求指紋圖像灰度函數(shù)，再分別沿x和y方向偏導(dǎo)A(xx，y)和A(yx，y)，計(jì)算該指紋圖像的梯度場(chǎng)，因?yàn)樘荻葓?chǎng)可以較好地分割指紋圖像。

Sobel算子表示方式如下：

2.2.2、指紋圖像的分割

圖像分割的目的是將指紋前景區(qū)域和背景區(qū)域分割開(kāi)來(lái)。因前景區(qū)域和背景區(qū)域在灰度和梯度上存在差異，故均采用閾值分割方法處理。

2.2.3、指紋圖像均衡化

指紋圖像均衡化的目的是使圖像在各種灰度場(chǎng)強(qiáng)上均勻分布相等的點(diǎn)數(shù)，通過(guò)均衡化使得圖像對(duì)比度得到增強(qiáng)。

指紋圖像為F(x，y)，由均衡化離散的轉(zhuǎn)換公式為：

2.2.4、指紋圖像的平滑

指紋圖像的平滑的目的是消除圖像噪聲點(diǎn)。本研究通過(guò)指紋圖像和模板算子的卷積實(shí)現(xiàn)指紋圖像的平滑濾波。卷積運(yùn)算公式為：

指紋圖像平滑算法相當(dāng)于低通濾波，只是讓指紋信號(hào)的低頻部分通過(guò)，而阻止指紋信號(hào)的高頻部分，實(shí)現(xiàn)濾去指紋圖像中噪聲的目的。

2.2.5、指紋圖像增強(qiáng)

指紋圖像增強(qiáng)是指紋識(shí)別系統(tǒng)的重要組成部分，在通過(guò)算法使指紋不清晰的地方得到改善的同時(shí)盡量保留指紋原有的特征信息，確保后續(xù)圖像處理的準(zhǔn)確性和可靠性。

對(duì)于指紋圖像的增強(qiáng)，本研究前面通過(guò)計(jì)算獲得指紋的方向場(chǎng)和頻率場(chǎng)信息，這里采用較成熟可靠的Gabor小波濾波器實(shí)現(xiàn)圖像的智能增強(qiáng)，Gabor濾波器公式如下：

2.2.6、指紋圖像二值化

指紋圖像二值化是將連續(xù)灰度圖像轉(zhuǎn)化成只有兩種顏色值的圖像，讓黑的紋線區(qū)域更黑，白的谷線區(qū)域更白。即：使白色的圖像區(qū)域的灰度值為255，黑色的灰度值為0，成為黑白兩色圖像。二值化公式為：

2.2.7、指紋圖像的細(xì)化

指紋圖像的細(xì)化是為了減少要處理的信息量，把指紋的脊線部分對(duì)稱(chēng)減薄，使指紋紋線由原來(lái)的多個(gè)像素寬度變?yōu)閱蝹€(gè)像素的線形圖。

本研究采用查表法對(duì)指紋進(jìn)行細(xì)化處理。因指紋圖像已進(jìn)行二值化處理，其像素要么是0，要么是255，故把指紋圖像中某個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(要處理的黑色點(diǎn))的8個(gè)鄰域的所有要?jiǎng)h除的所有可能情況排列后列入一張表中，再根據(jù)圖像中某點(diǎn)的8個(gè)相鄰的點(diǎn)的情況查表，如果滿足表中的情況則刪除該點(diǎn)，否則保留。

2.2.8、特征點(diǎn)提取

特征點(diǎn)提取分兩種情況，即：對(duì)端點(diǎn)和交叉點(diǎn)的提取;對(duì)指紋特征奇異點(diǎn)的提取。

本研究采用基于交叉數(shù)的特征性提取算法[7(即]通過(guò)掃描某點(diǎn)[黑點(diǎn)]，根據(jù)該點(diǎn)周?chē)?點(diǎn)(順時(shí)針相鄰兩點(diǎn)灰度的差值情況)來(lái)判斷該點(diǎn)是端點(diǎn)還是叉點(diǎn)，并記錄該特征點(diǎn)的位置、類(lèi)型和方向信息。

指紋特征奇異點(diǎn)提取是利用Poincare公式：

2.2.9、特征點(diǎn)匹配

本研究采用基于指紋特殊點(diǎn)的匹配方法，匹配過(guò)程中為減少拒判時(shí)間，把匹配分成“初匹配”和“全局匹配”兩個(gè)方面，在提高了指紋識(shí)別的效率的同時(shí)，也大大提高了識(shí)別成功率。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在調(diào)試好的樣機(jī)上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)VC界面顯示的匹配結(jié)果如圖6所示。

圖6 VC界面的圖像匹配結(jié)果

4、結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于STM32的指紋識(shí)別系統(tǒng)，指紋采集方面，本研究通過(guò)主控制器和傳感器的SPI通信采集指紋圖像，串口發(fā)送數(shù)據(jù)給PC機(jī)，VC界面顯示指紋圖像;算法方面，本研究通過(guò)提取方向場(chǎng)對(duì)指紋圖像實(shí)現(xiàn)Gabor濾波增強(qiáng)，細(xì)化圖像時(shí)采用查表法對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化處理，對(duì)細(xì)化結(jié)果去噪，為提取特征點(diǎn)提供了良好的指紋數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)識(shí)別的準(zhǔn)確性，并通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)匹配算法來(lái)提高識(shí)別效率，使該系統(tǒng)能準(zhǔn)確、高效地完成指紋識(shí)別，總體性能達(dá)到要求。