基于MTK和DSP的雙目視角非接觸3D指紋識別系統(tǒng)

　　采用指紋信息作為身份識別手段的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛，但傳統(tǒng)的指紋信息識別身份時存在容易被仿造的缺點(diǎn)。3D指紋信息不但可以進(jìn)一步提高指紋識別率而且可以很好地克服該缺點(diǎn)。在此主要介紹利用雙目視角技術(shù)采集3D指紋信息，提出了一種3D指紋信息采集的解決方案。詳細(xì)介紹了以MTK平臺作為控制平臺，DSP芯片做算法處理的硬件設(shè)計。該設(shè)計的硬件成本低且安全性高。在C/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計中，通過測試該硬件方案可以直接在客戶端上采集信息，便攜性好。

　　近代指紋識別系統(tǒng)就指紋的采集方式而言總體可分為接觸式和非接觸式。接觸式的識別方式，如指紋鎖，手續(xù)簡化識別率較高，但由于模仿手指蘸墨壓印的方式，得到的指紋圖像容易被模仿，反偵查能力差，同時容易受手指的環(huán)境條件干擾；非接觸式的指紋識別系統(tǒng)，可以排除手指環(huán)境及壓印等外部因素，進(jìn)一步提高了識別率，卻有脊紋不明顯而失配率高的缺點(diǎn)。新近提出的基于雙目視角的非接觸式3D指紋識別系統(tǒng)，解決了二維指紋圖像脊紋不明顯而失配率高的問題，但以計算機(jī)為處理中心，系統(tǒng)體積大，便攜性差，硬件成本高。

　　為了完成指紋信息庫的建立及信息的網(wǎng)絡(luò)化要求，一個完善的指紋采集系統(tǒng)按功能把系統(tǒng)劃分為客戶端和服務(wù)器兩部分。以往的采集系統(tǒng)客戶端大多僅僅完成信息采集任務(wù)，把采集的信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器完成對比算法任務(wù)后，再將信息識別的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給客戶端，這樣的系統(tǒng)實時性不高，且便攜性不好，客戶端離開服務(wù)器后無法單獨(dú)完成信息識別任務(wù)，獨(dú)立性較差。

　　本文提出了一種雙目視角的非接觸式3D指紋識別系統(tǒng)的方案，應(yīng)用該方案能夠很好地解決以下問題。

　?。?）指紋信息采集采用雙目視角光學(xué)采集模塊，具有識別率高，不易被模仿，反偵察能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

　?。?）客戶端采用聯(lián)合MTK 和DSP作為嵌入控制雙核心，將傳感器采集的指紋信息通過DSP器件做識別算法，并由MTK 集成平臺完成與服務(wù)器無線方式的信息傳遞。

　　1 3D指紋信息采集原理

　　1.1 3D指紋

　　3D指紋是一種新興的技術(shù)手段，能深刻地呈現(xiàn)手指上的山脊和山谷般的紋線。通常，采用非接觸的工作方式采集而成，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）真實性高，排除了擠壓帶來的皮膚扭曲，獲得的指紋自然舒展；

　　（2）環(huán)境容限率好，各種條件的手指皮膚條件，如干濕、骯臟等，都不影響正常采樣；

　　（3）舒適程度高，非接觸式模式下采樣，可以實現(xiàn)隱秘采集指紋，抵抗反偵查的各種虛假手段成功率高；

　?。?）兼容性好，3D 指紋展平后可以兼容現(xiàn)有二維指紋數(shù)據(jù)庫。

　　1.2 雙目視角

　　雙目視角（Binocular Vision）成像技術(shù)可以用于非接觸3D 指紋圖像采集，結(jié)合現(xiàn)有的兩種3D 成像技術(shù)——多目視角（N-Views）和結(jié)構(gòu)光（Structured-Light，SI）掃描，而形成的一種3D成像技術(shù)，其原理是：采用光投影的方式，在事物上投影出一定式樣的結(jié)構(gòu)光，形成一定角度的兩臺高清攝像頭采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過后臺處理該兩組數(shù)據(jù)，還原出某一視覺范圍內(nèi)的3D 圖像。該技術(shù)采集設(shè)備數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡單、采集速度快。

　　1.3 雙目視角3D指紋采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　如圖1 所示的雙目視角3D 指紋采集結(jié)構(gòu)圖，即為本系統(tǒng)的采集傳感部分。為了獲得高清圖像，本系統(tǒng)中選擇了OmniVision 公司生產(chǎn)的800 萬像素手機(jī)攝像頭模組OV8820和三星公司生產(chǎn)的、具有1 920×1 080高清分辨率的A600B 投影儀。由于OV8820 具有移動產(chǎn)業(yè)處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）以及A600B具有高清晰度多媒體接口（HDMI），方便了系統(tǒng)的集成。

　　圖1 雙目視覺的3D指紋采集原理

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　3D指紋識別系統(tǒng)采用了客戶端/服務(wù)器（C/S）模式，如圖2所示。服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫管理中心，主要接收客戶端的傳輸請求，解析指紋數(shù)據(jù)包的命令和建立數(shù)據(jù)庫反饋識別結(jié)果。

　　客戶端主要包括控制單元、指紋算法實現(xiàn)單元和信息采集單元三部分。控制單元完成三大功能：與服務(wù)器交互進(jìn)行結(jié)果反饋、控制光學(xué)采集系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)、與指紋算法核心有效溝通處理數(shù)據(jù)；指紋算法單元則進(jìn)行復(fù)雜的圖像處理；信息采集單元接收控制核心的控制命令，瞬間實現(xiàn)指紋采集并傳輸數(shù)據(jù)。本設(shè)計以雙核MTK 和DSP 為雙控制核心取代以往的單一內(nèi)核，功能分離、權(quán)責(zé)分明，系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性以及開放性得到大大的提高。如圖2 所示，MTK6577 芯片內(nèi)部的雙核CPU可以完美地實現(xiàn)控制與傳輸功能分離，TMS320C5515型DSP分擔(dān)復(fù)雜的圖像處理事務(wù)。

　　圖2 實時3D指紋識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 MTK平臺

　　聯(lián)發(fā)科技（Media Tek，MTK）平臺，是一款通用的嵌入式手機(jī)開發(fā)平臺；系統(tǒng)方案內(nèi)部采用開放式的軟硬件接口，具有強(qiáng)大的技術(shù)支持，用戶可以快速地定制無線通信的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，MTK平臺作為控制核心，其功能從硬件底層來看是實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的輸入/輸出；從3D指紋識別系統(tǒng)上層來看是實現(xiàn)雙目視角的照相機(jī)驅(qū)動、結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生和控制、圖像數(shù)據(jù)的采集、與服務(wù)器無線傳輸通信等。MTK芯片的選擇主要考慮了以下三個因素：

　　（1）控制投影儀產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光投影，需要支持高清晰度多（HDMI）；

　　（2）控制雙攝像頭采集，需要高性能高速度的MTK芯片；

　　（3）為保證數(shù)據(jù)與服務(wù)器的實時無線傳輸，需快速的移動網(wǎng)絡(luò)。

　　在MTK 公司的眾多基帶芯片中，MTK6577 是一款高性能的雙核處理器。其主頻只高達(dá)1.2 GHz，不僅芯片內(nèi)核強(qiáng)大：采用Cortex A9構(gòu)架，二級緩存高達(dá)1 MB，集成3G移動寬帶連接，支持單模HSPA+網(wǎng)絡(luò)，上傳下載速度不低于5.6 Mb/s，集成了圖像信號處理器、JPEG硬件編碼和解碼器，最高可以以15 f/s的速度進(jìn)行800 萬像素圖像采集等；而且外圍接口豐富，具有一個高清晰度多媒體接口（HDMI）和雙攝像頭接口。

　　2.2 DSP功能

　　數(shù)字信號處理器（DSP）在本系統(tǒng)中作為控制核心的附屬機(jī)構(gòu)，主要實現(xiàn)與MTK 芯片之間指紋數(shù)據(jù)的輸入和輸出、指紋算法運(yùn)行處理這兩大功能。前一個功能主要是依賴于硬件外部接口間實現(xiàn)，而后一個功能偏向于DSP芯片內(nèi)部資源。因此，在選型方面主要考慮以下因素：

　　（1）與MTK 芯片之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，需要專用的外部存儲器接口（External Memory Interface，EMIF）；

　?。?） 為了保證實時性，專用的快速傅立葉（FastFourier Transform，F(xiàn)FT）運(yùn)算硬件器更有利于指紋圖像算法的執(zhí)行。

　　TI 公司的TMS320C5515是一款高性價比的DSP芯片，專為生物模式識別應(yīng)用而開發(fā)的。芯片采用定點(diǎn)數(shù)的TMS320C55xDSP 處理器核，內(nèi)部有一個緊耦合式的FFT硬件加速器，主頻可高達(dá)120 MHz，320 KB片上RAM，外加一個EMIF 接口，利于指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1 雙目視角的硬件接口

　　MTK6577 采用標(biāo)準(zhǔn)的移動應(yīng)用處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）協(xié)議，方便了用戶開發(fā)影像方面的應(yīng)用。本文所設(shè)計的系統(tǒng)運(yùn)用了MTK6577芯片自帶的高速照相機(jī)串行接口（Camera serial interface，CSI）與相機(jī)模塊OV8820 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并采用了串行相機(jī)控制總線（Serial Camera ControlBus，SCCB）控制相機(jī)進(jìn)行采集事務(wù)，如圖3所示。

　　圖3 雙目視角的硬件接口

　　3.2 雙控制核心協(xié)同接口設(shè)計

　　雙目視角的3D 指紋識別系統(tǒng)采用了雙核心的模式。考慮到指紋識別系統(tǒng)需要完成圖像采集、處理、存儲并與服務(wù)器進(jìn)行傳輸?shù)仁聞?wù)，本系統(tǒng)中采用了兩片由Micron公司生產(chǎn)的SDRAM存儲器MT48LC16M16A2，通過Altera公司的CPLD 芯片，形成大容量雙動態(tài)的數(shù)據(jù)存取方式，協(xié)同雙控制核心的工作事務(wù)，如圖4所示。MT48LC16M16A2 存儲器片是一款具有256 MB 的大容量，位寬為16 b，4 個大小為4 MB 大小的存儲Bank，不但片內(nèi)Bank間可以實現(xiàn)乒乓式數(shù)據(jù)存取，而且片間的乒乓式數(shù)據(jù)存取，極大方便指紋采集與處理、暫存與傳輸?shù)仁聞?wù)交替運(yùn)行。

　　圖4 雙控制核心協(xié)同接口

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　整個基于雙目視角的3D指紋采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要包括客戶端模塊、服務(wù)器端模塊和C/S結(jié)構(gòu)下的協(xié)同開發(fā)三部分，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。

　　圖5 系統(tǒng)軟件框架

　　4.1 客戶端模塊設(shè)計

　　客戶端模塊基于Android平臺進(jìn)行開發(fā)的。在Android平臺的應(yīng)用層、應(yīng)用框架層、組件庫層和虛擬機(jī)等應(yīng)用框架的基礎(chǔ)上，開發(fā)了3D 指紋采集系統(tǒng)的指紋算法、圖像采集等應(yīng)用層的程序；在Android平臺的Linux內(nèi)核層經(jīng)過可裁剪處理，改進(jìn)雙攝像頭、增加結(jié)構(gòu)光協(xié)同事務(wù)等硬件驅(qū)動。

　　客戶端模塊工作時，會請求與服務(wù)器連接，然后開啟多任務(wù)多線程，監(jiān)測采集事務(wù)，進(jìn)行存儲，指紋數(shù)據(jù)處理后，啟動通信線程，發(fā)送至服務(wù)器，等待服務(wù)器匹配響應(yīng)命令。

　　4.2 服務(wù)器端模塊設(shè)計

　　服務(wù)器端模塊設(shè)計基于Java語言進(jìn)行開發(fā)的，功能的實現(xiàn)采用報文偵聽方式。如圖5所示，當(dāng)服務(wù)器啟動時，首先加入到一個組播地址中，然后初始化 Socket，并對規(guī)定的端口進(jìn)行偵聽。在客戶端與服務(wù)器端連接請求并雙方握手成功后，即進(jìn)入等待請求解析命令等狀態(tài)，可以接收客戶端面的指紋數(shù)據(jù)，響應(yīng)客戶端的指紋匹配任務(wù)，根據(jù)匹配結(jié)果反饋給客戶端。

　　5 結(jié)語

　　本文基于雙目視角的 3D 成像原理，采用MTK 和DSP相結(jié)合的方法構(gòu)建了一套指紋識別系統(tǒng)。該方案采用的3D指紋識別技術(shù)使得指紋識別度高且反偵察能力強(qiáng)；采用C/S 結(jié)構(gòu)的同時，在客戶端就可以實現(xiàn)指紋信息的識別功能，具有很好的實時性和便攜性。同時該方案與能達(dá)到相似性能的方案相比硬件成本低，非常適合即要求安全性高又要求便攜性好的場所，如出入境關(guān)口等環(huán)境的信息檢測。硬件系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測試，實現(xiàn)了客戶端的指紋采集、數(shù)據(jù)的存儲及3D指紋算法運(yùn)算。