基于FPC1 0 11 F的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1 指紋識別原理

1684年，植物形態(tài)學(xué)家Grew發(fā)表了第一篇研究指紋的科學(xué)論文。1809年Bewick把自己的指紋作為商標(biāo)。1823年解剖學(xué)家Purkije將指紋分為九類。1880年，F(xiàn)aulds在《自然》雜志提倡將指紋用于識別罪犯。1891年Galton提出著名的高爾頓分類系統(tǒng)。之后，英國、美國、德國等的警察部門先后采用指紋鑒別法作為身份鑒定的主要方法。目前的指紋圖像采集原理包括：光學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體硅技術(shù)、超聲波技術(shù)。其中光學(xué)的指紋采集設(shè)備有明顯的優(yōu)點(diǎn)。但是由于要求足夠長的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學(xué)指紋產(chǎn)品的效果變壞。在20世紀(jì)90年代后期發(fā)展起來的基于半導(dǎo)體硅電容效應(yīng)的技術(shù)趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的脊和谷相對于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成8 bit的灰度圖像。硅技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是可以在較小的表面上獲得比光學(xué)技術(shù)更好的圖像質(zhì)量，在1 cm×1．5 cm的表面上獲得200～300線的分辨率(較小的表面也導(dǎo)致成本的下降和能被集成到更小的設(shè)備中)。

2 FPC1011F指紋傳感器

FPC1011F指紋傳感器具有以下特點(diǎn)：(1)FPC1011F芯片產(chǎn)自瑞典，采用獨(dú)特的反射式測量法，抗靜電可達(dá)正負(fù)15 kV，耐磨100萬次，已被國內(nèi)金融界公認(rèn)為銀行指定零件。(2)采用專業(yè)的指紋識別芯片PS1802DSP和最優(yōu)化的指紋算法，指紋成像效果好。(3)處理速度快，峰值能達(dá)到480MIPS，在1：1 000模式下，時間小于1 s。(4)功耗較同類產(chǎn)品低，正常工作主頻120 MHz下，只有120 mW。(5)模塊體積為35 mm×26 mm×1 mm，便于各種指紋產(chǎn)品的開發(fā)。(6)對干濕手指有自動調(diào)節(jié)功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)如圖1所示。

3．1 指紋采集

FPC1011F指紋傳感器含有小電容板，傳感器使用高靈敏度像素放大器，讓每個像素即使是非常微弱的信號FPC1011F都能探測到，以此提高圖像質(zhì)量。用了交替命令的并排列和傳感器電板，交替板的形式是兩個電容板，以及指紋的山谷和山脊成為板之間的電介質(zhì)。兩者之間的恒量電介質(zhì)傳感器檢測變化生成指紋圖像。

3．2 MCU微處理器

由于指紋識別過程中需要的數(shù)學(xué)運(yùn)算量大，同時程序的存儲也需要空間，為了提高效率，把運(yùn)算任務(wù)交給MCU處理，而圖像采集部分則要盡可能少的占用MCU時間。另外，利用圖像采集的間隙，或是圖像采集的同時，由硬件完成一部分簡單而繁瑣的運(yùn)算可以分擔(dān)MCU的處理任務(wù)，提高處理的并行度，滿足對實時性的要求。本系統(tǒng)采用微芯(Mi-croehip)公司的PIC16C78X系列8位混合式MCU芯片，內(nèi)集成了運(yùn)放、AD、DA、比較器等模擬電路，很適合數(shù)據(jù)處理的全過程。通過采用極值濾波、平滑濾波、拉普拉斯變化、二值化等對指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理，取得了良好的試驗結(jié)果。系統(tǒng)中采集到的8 bits灰度指紋圖像，每個像素占用一個字節(jié)，圖像尺寸為512×512個像素大小，存儲一幀圖像需要256 k字節(jié)。因圖像本身的存儲量巨大，系統(tǒng)需外接存儲器，以保證有足夠的存儲空間，把圖像存儲在U盤上。同時系統(tǒng)也可通過數(shù)據(jù)線和網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。MCU是整個指紋處理系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對指紋進(jìn)行實時處理。

4 實驗仿真

用MATLAB7．0圖像處理箱進(jìn)行仿真，平均一幅圖像數(shù)據(jù)仿真耗時為0．73秒，識別率誤差小于1／310 000，完全符合實際工程需要。圖2為隨機(jī)的一幅拇指指紋圖像，圖3為指紋庫采集對應(yīng)的圖像。綠色代表的是識別特殊增強(qiáng)的區(qū)域。

5 結(jié)束語

本文提出了一種新的自動指紋識別系統(tǒng)，采用基于半導(dǎo)體傳感器FPC1011F和MCU芯片的指紋識別系統(tǒng)，具有擴(kuò)展的接口，可以進(jìn)行二次開發(fā)，有一定的實用價值。