基于ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本文介紹了一種基于ARM的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本方案采用ARM處理器作為控制核心，構(gòu)建指紋識(shí)別算法的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及過(guò)程。該系統(tǒng)采用光學(xué)指紋傳感器（內(nèi)建格科微電子有限公司的光學(xué)GC0307 CMOS圖像采集芯片）與ARM Cortex M3內(nèi)核的意法半導(dǎo)體公司32位高性能單片機(jī)STM32F205RE組成功能主體，采用Sobel邊緣檢測(cè)算子、Gabor濾波、圖像二值化等圖像采集與處理算法對(duì)指紋圖像進(jìn)行識(shí)別。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐證明，該方案適合嵌入式組件開(kāi)發(fā)中需要進(jìn)行生物指紋特征提取、識(shí)別，指紋身份認(rèn)證、比對(duì)等場(chǎng)合。系統(tǒng)具有高性價(jià)比且交互簡(jiǎn)易、識(shí)別率高、擴(kuò)展性強(qiáng)，便于嵌入式應(yīng)用。

0引言

隨著電子信息技術(shù)應(yīng)用面日益拓展，不少場(chǎng)合需要對(duì)特定用戶群體進(jìn)行身份識(shí)別或身份記錄，如門(mén)禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、安全認(rèn)證系統(tǒng)等，在各種系統(tǒng)中運(yùn)用的技術(shù)形式多樣，如視網(wǎng)膜識(shí)別、面相識(shí)別、指紋識(shí)別、RFID射頻識(shí)別應(yīng)用等。其中，生物特征識(shí)別方式以其方便性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)得到了越來(lái)越多人的認(rèn)可和接受，特別是指紋識(shí)別技術(shù)方式，現(xiàn)已發(fā)展成為應(yīng)用最廣泛的生物識(shí)別技術(shù)之一。因此，研究基于嵌入式架構(gòu)的指紋識(shí)別系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用光學(xué)指紋傳感器（內(nèi)建格科微電子有限公司的光學(xué)GC0307 CMOS圖像采集芯片）與ARM Cortex M3內(nèi)核意法半導(dǎo)體公司的32位高性能單片機(jī)STM32F205RE組成功能主體，采用Sobel邊緣檢測(cè)算子、Gabor濾波、圖像二值化等圖像采集與處理算法對(duì)指紋圖像進(jìn)行識(shí)別，構(gòu)建了小體積的嵌入式指紋識(shí)別模塊，具有積木式嵌入、微功耗、程序接口簡(jiǎn)單易用、便于二次開(kāi)發(fā)、識(shí)別準(zhǔn)確度高、高性價(jià)比等特點(diǎn)。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成了一體化光學(xué)指紋識(shí)別模塊。模塊設(shè)計(jì)采用光學(xué)暗背景成像原理，加入特有活體檢測(cè)芯片，在解決干手指效應(yīng)的同時(shí)解決殘留指紋誤識(shí)別、橡膠假指紋等問(wèn)題。

圖1所示為格科微電子有限公司的光學(xué)GC0307 CMOS圖像采集芯片應(yīng)用電路原理圖。該款CMOS圖像采集芯片是高精度、低功耗、微體積的高性能相機(jī)的內(nèi)置式組件，它把實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)VGA影像的CMOS影像傳感器與高度集成的影像處理器、嵌入式電源和高質(zhì)量的透鏡組結(jié)合在一起，輸出JPEG圖像或圖像視頻流，支持8/10位數(shù)字傳輸JPEG圖像和YCbCr接口，提供了完整的影像解決方案。

圖1 GC0307 CMOS圖像采集芯片電路原理圖

CMOS圖像采集芯功能輸出串行數(shù)據(jù)引腳、時(shí)鐘信號(hào)引腳、復(fù)位引腳、串行總線引腳等都接入到STM32F205RE的GPIO口，通過(guò)GPIO口模擬時(shí)序讀取CMOS芯片采集到的圖像信息。由于STM32F205RE的GPIO口工作頻率可達(dá)120 MHz，因而可以非常準(zhǔn)確高效地模擬時(shí)序，實(shí)測(cè)640×480的原始圖像能以10幀/s的速度采集到主處理器STM32F205RE中進(jìn)行圖像處理。

3系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的指紋圖像采集過(guò)程如圖2所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分則針對(duì)畸變糾正采用了四點(diǎn)轉(zhuǎn)正算法。

圖2 指紋圖像的采集過(guò)程

通過(guò)公式（1）和公式（2）可以得到從（x，y）到（u，v）的變換，其中，A ~ H由光路決定，可以由具體測(cè)定數(shù)據(jù)最終確定，通過(guò)實(shí)測(cè)可以獲得原始數(shù)據(jù)。圖3所示展示了原始圖像和畸變糾正前后圖像的效果差異。通過(guò)變換可見(jiàn)，畸變糾正后的圖像通過(guò)變換可達(dá)500 DPI分辨率，為后續(xù)獲得高質(zhì)量圖像處理數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)條件。

圖3 畸變糾正前后的圖像

然后送入算法處理。由于嵌入式系統(tǒng)的圖像處理算法必須運(yùn)算量小、占用RAM存儲(chǔ)器空間小，才能在運(yùn)算性能有限的單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行，故而本系統(tǒng)通過(guò)小塊方向替代點(diǎn)方向，減小RAM占用。

在圖像增強(qiáng)方面，可以將圖像以L為長(zhǎng)寬劃分為小塊，再按如下公式求取每一塊的均方差：



根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定和分析，當(dāng)Aver>36時(shí)，可認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)有圖像，否則認(rèn)為是背景。利用均方差區(qū)分出了前后景，還可以據(jù)此判斷圖像的對(duì)比度。根據(jù)對(duì)比度的差異分別來(lái)增強(qiáng)圖像，可以使得不同曝光亮度的圖像得到一致增強(qiáng)。對(duì)原始圖像進(jìn)行了算法處理，提取處理前后效果進(jìn)行比對(duì)，具體效果如圖4所示。

圖4 圖像增強(qiáng)前后的變化

軟件算法中對(duì)于指紋處理中的求取圖像方向場(chǎng)問(wèn)題，采用了基于原Sobel算子改進(jìn)后的Sobel算子。

原Sobel算子如下：

改進(jìn)后的Sobel算子為：

改進(jìn)的Sobel算子能增加方向場(chǎng)的準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)通過(guò)率從采用標(biāo)準(zhǔn)Sobel算子的93.3%提高到95.8%.圖5所示為其變化情況。

圖5 Sobel算子改進(jìn)前后的效果變化