SoPC自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于SoPC的新型結(jié)構(gòu)的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)。指紋識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)典型的模式識(shí)別系統(tǒng)，包括指紋圖像獲取、處理、特征提取和比對(duì)等模塊。通過(guò)專門的指紋采集儀可以采集活體指紋圖像。目前，指紋采集儀主要有活體光學(xué)式、電容式和壓感式。對(duì)于分辨率和采集面積等技術(shù)指標(biāo)，公安行業(yè)已經(jīng)形成了國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，但其他還缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)采集指紋面積大體可以分為滾動(dòng)捺印指紋和平面捺印指紋，公安行業(yè)普遍采用滾動(dòng)捺印指紋。另外，也可以通過(guò)掃描儀、數(shù)字相機(jī)等獲取指紋圖像。

　　目前，基于FPGA的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)主要有純硬件方式實(shí)現(xiàn)和在以Nios II為CPU的軟核中實(shí)現(xiàn)[2-4]兩種方式。以純硬件方式實(shí)現(xiàn)雖然速度較快，但由于指紋處理算法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，同時(shí)算法精度差，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)；而以下載到FPGA的軟核Nios II為控制模塊，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能，較大程度上提高了系統(tǒng)速度，但是該方案中軟硬件處理交替進(jìn)行，涉及到軟硬件之間頻繁的指紋數(shù)據(jù)傳輸，限制了系統(tǒng)的速度，同時(shí)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

　　本文提出了一種基于SoPC的新型結(jié)構(gòu)的自動(dòng)指紋識(shí)別設(shè)計(jì)方案。具有以下特點(diǎn)：

　?。?）根據(jù)對(duì)指紋識(shí)別算法的分析和優(yōu)化，在軟、硬件結(jié)合的基礎(chǔ)上將軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)分開(kāi)，把指紋識(shí)別系統(tǒng)中耗時(shí)較大的圖像預(yù)處理部分用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而耗時(shí)較少的特征提取、匹配和操作控制等部分則在NiosⅡ軟核中實(shí)現(xiàn)。從而使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明晰，處理性能得到提升。

　　（2）用一塊SRAM作指紋處理中間數(shù)據(jù)的緩存。指紋圖像前期處理以硬件實(shí)現(xiàn)，中間數(shù)據(jù)緩存于SRAM中；指紋圖像后期處理軟件從SRAM中將所有數(shù)據(jù)讀入NiosⅡ的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這樣的存儲(chǔ)設(shè)計(jì)使得軟件處理和硬件處理之間不涉及大量的數(shù)據(jù)流傳輸，使軟硬件數(shù)據(jù)接口簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)流的控制更加簡(jiǎn)單易行，同時(shí)避免了頻繁的軟硬件數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的時(shí)間消耗。

　?。?）在軟硬件處理結(jié)合的基礎(chǔ)上使指紋處理時(shí)間大大降低，1.5 s內(nèi)可以完成一幅指紋圖像的預(yù)處理，3 s內(nèi)可以完成一幅指紋圖像的比對(duì)。

　　1 設(shè)計(jì)思路

　　1.1 指紋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在的計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，包括許多非常機(jī)密的文件保護(hù)，大都使用用戶ID+密碼的方法來(lái)進(jìn)行用戶的身份認(rèn)證和訪問(wèn)控制。但是，如果一旦密碼忘記，或被別人竊取，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及文件的安全問(wèn)題就受到了威脅。

　　從整個(gè)指紋處理系統(tǒng)的角度來(lái)考慮，根據(jù)各算法處理特性仔細(xì)地劃分系統(tǒng)子模塊。通過(guò)對(duì)指紋處理算法的分析發(fā)現(xiàn)，指紋的預(yù)處理部分使用到多次數(shù)據(jù)循環(huán)運(yùn)算，運(yùn)算量較大而且單一，使用硬件實(shí)現(xiàn)明顯降低時(shí)間消耗，所以選擇對(duì)指紋的預(yù)處理部分實(shí)行整體硬件化；對(duì)于指紋匹配部分，運(yùn)算量相對(duì)較少但算法復(fù)雜多樣，使用軟件算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單而且可以達(dá)到很高的精度，所以使用Nios II軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。選擇預(yù)處理部分整體硬件化，匹配部分整體軟件化的另外一個(gè)好處是軟硬件處理不需要進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)交換傳輸，節(jié)省時(shí)間的同時(shí)降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。