趙生盛

[摘 要]論述基于ARM處理器指紋識別技術(shù)現(xiàn)狀研究，指紋識別系統(tǒng)的硬工作模式，基于ARM處理器指紋圖像采集模塊設(shè)計等。分析了指紋識別系統(tǒng)的組成、各模塊的功能，指出了指紋的處理、識別和匹配等功能的硬件實(shí)現(xiàn)的步驟和方法以及指紋處理的實(shí)現(xiàn)。

[關(guān)鍵詞]指紋識別、ARM處理器、圖像采集

中圖分類號：H53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）10-0257-01

引言

本文立足于ARM7TDMI內(nèi)核的32位處理器S3C44B0作為主控制器，半導(dǎo)體電容傳感器FPS200作為指紋數(shù)據(jù)采集設(shè)備，構(gòu)建了自動指紋識別系統(tǒng)。通過對其硬軟件設(shè)計、圖像采集、研究現(xiàn)狀等方面進(jìn)行研究。

一、指紋識別技術(shù)的歷史及研究現(xiàn)狀

1.研究價值

指紋識別技術(shù)是生物識別技術(shù)的一種，以指紋的紋路及特征為識別信息，作為互聯(lián)網(wǎng)信息安全的一道防護(hù)屏障，也成為時代高新技術(shù)設(shè)備的一項(xiàng)流行且必然的趨勢。如今，隨著指紋識別技術(shù)的日臻成熟，人們也對該技術(shù)系統(tǒng)的可靠性、靈活性、性價比等方面提出了更高的要求?；贏RM處理器的指紋識別技術(shù)將采集和處理兩種技術(shù)與功能融為一體，縮小了整體體積，對于功能性、可靠性都有整體的提高。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代指紋技術(shù)起源于1684年英國植物形態(tài)學(xué)家Grew發(fā)表的第一篇研究指紋的科學(xué)論文，也是最古老的一種防偽技術(shù)，自1788年德國解刨學(xué)家約翰？邁耶提出指紋對于人物個體的識別具有有效性后，指紋識別技術(shù)變逐漸廣泛運(yùn)用于確定罪犯、信息安全、掌上設(shè)備、指紋鎖等領(lǐng)域。1891年Galton提出著名的高爾頓分類系統(tǒng)。到了20世紀(jì)60年代，計算機(jī)技術(shù)在圖形處理方面的發(fā)展已然成形，利用計算機(jī)處理指紋的研究也開始逐步進(jìn)行。且由于指紋識別的技術(shù)及用途的實(shí)用性及存在價值，使其也成為很多產(chǎn)品生產(chǎn)廠家所關(guān)注的技術(shù)手段，如指紋打卡機(jī)、三星Galaxy系列及蘋果IPhone、IPad系列等。

關(guān)于指紋識別的研究國內(nèi)外學(xué)者已有頗多收獲，目前研究者對于這一課題的研究正在往縱深方向發(fā)展，研究的方向不斷細(xì)分化、研究的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大化、研究的方法不斷多樣化。以單片機(jī)為處理器的指紋識別已經(jīng)滿足不了日益擴(kuò)增的運(yùn)算數(shù)據(jù)庫。因此，基于ARM處理器的指紋識別技術(shù)現(xiàn)狀研究并探究出其指紋算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)的方法十分必要。

3.指紋識別技術(shù)優(yōu)勢

1997年，比爾蓋茨曾預(yù)言：“生物識別技術(shù)即利用人的生理特征，如指紋、虹膜等來識別個人身份，將成為IT產(chǎn)業(yè)未來幾年的重要革新?！敝讣y識別誕生的原因是基于安全，在原始的數(shù)字密碼容易被復(fù)制、監(jiān)聽、盜取等等的情況下，指紋識別以其生物特性安全級別更高?；贏RM處理器的指紋識別技術(shù)相對于之前的單片機(jī)處理有更快的識別速度以及更高的識別準(zhǔn)確率。因此有著廣泛的研究前景。

二、指紋識別的一般工作模式

指紋識別的原理包括指紋采集原理、指紋特征提取原理和指紋特征匹配原理三大部分。一般工作模式則包括：指紋特征錄入、指紋特征提取、樣本數(shù)據(jù)庫、指紋特征匹配、輸出匹配結(jié)果。指紋采集原理主要是根據(jù)指紋的幾何特性或生理特性，通過各種傳感技術(shù)把指紋表現(xiàn)出來，形成數(shù)字化表示的指紋圖像。指紋采集技術(shù)有兩種采集模式，一種是在被采集人知道的情況下實(shí)施的主動采集；另一種是在被采集人未知的情況下，如刑偵現(xiàn)場，通過各種化學(xué)的、物理的方式顯影指紋并采集的過程，一般稱為現(xiàn)場指紋采集。

三、基于ARM處理器的指紋圖像采集模塊設(shè)計

1.工作原理

當(dāng)指紋傳感器收到指紋信息，將通過串口給ARM處理器發(fā)送命令，處理器同意并接收相應(yīng)的信息，指紋傳感器采集的指紋轉(zhuǎn)換成RGB格式，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM處理器，處理器通過存儲在EEPROM中的固化程序執(zhí)行大量的模式識別和圖像處理相關(guān)計算，當(dāng)用戶的指紋被確認(rèn)，處理器將命令傳輸?shù)絇C端，則開關(guān)開。

2.硬件設(shè)計

研究使用基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位處理器STM32F205作為主控制器，半導(dǎo)體電容傳感器FT232模塊作為指紋數(shù)據(jù)采集設(shè)備，CP2102作為單芯片USB轉(zhuǎn)UART數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器從而構(gòu)建了自動指紋識別系統(tǒng)。首先串口模塊的VCC連接到3.3V，指紋模塊的VCC和GND分別連接到串口模塊的VCC和GND，此時相當(dāng)于給指紋模塊的VCC提供了3.3V的工作電壓。指紋模塊的TXD和RXD分別連接到串口模塊的RXD和TXD，這兩個串口要交叉相連。再將串口模塊連接到計算機(jī)的USB插口即可。數(shù)據(jù)的上傳都是由中斷過程完成的，所以，整個系統(tǒng)的主程序流程比較簡潔。

3.圖像采集模塊的選擇

圖像傳感器是數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分，根據(jù)組件的不同，可分為 CCD 和 CMOS 兩種類型：CCD是主要應(yīng)用數(shù)字?jǐn)z像的高端產(chǎn)品，效果好，但成本高；CMOS 效果不如CCD ，但成本要低一些。鑒于指紋識別器中對質(zhì)量和成本的考慮，設(shè)計采用現(xiàn)代公司的指紋傳感器HB7121B，它是使用0.15μmCMOS工藝開發(fā)的高度集成的單片CMOS黑白圖像傳感器。該傳感器的有效像素為400×300個。傳感器上有三個8位的ADC和414個比較器來數(shù)字化像素的輸出。三個片上獨(dú)立的增益控制，只需要很少的幾個控制信號就可從片內(nèi)得到數(shù)據(jù)，因此很方便設(shè)計成指紋識別器。

4.軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，對整個采集系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，包括ARM處理器系統(tǒng)的初始化以及目標(biāo)板上外設(shè)的初始化，以對它們的參數(shù)進(jìn)行配置。初始化完成后，就可以開始檢測傳感器上是否有手指，如果有，則進(jìn)行指紋圖像的采集，采集完成后，再對這枚指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理。若這枚指紋圖像采集的質(zhì)量比較好，則將數(shù)據(jù)上傳；如果采集的圖像質(zhì)量很差，則重新采集指紋數(shù)據(jù)。指紋圖像的采集是在中斷程序中開始的，當(dāng)指紋傳感器上沒有手指時，系統(tǒng)將進(jìn)入省電模式。通過指紋傳感器的手指自動檢測中斷可喚醒系統(tǒng)，并進(jìn)行一次指紋圖像的采集、預(yù)處理和數(shù)據(jù)上傳。完成后再將進(jìn)入省電模式，并等待下一次的手指中斷采集。ARM中的主程序很簡潔，因?yàn)橹饕牟僮鞫加芍袛嗤瓿伞?/p>

5.操作系統(tǒng)的嵌入

Linux作為操作系統(tǒng)嵌入，其內(nèi)核由內(nèi)存管理、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、虛擬文件系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)接口五大部分組成，嵌入系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用程序提供了一個強(qiáng)大的軟件平臺。構(gòu)建該平臺的主要步驟如：1.通過JTAG下載U boot；2.配置Linux Kernel并通過串口下載；3.開發(fā)FPS200驅(qū)動并進(jìn)行動態(tài)加載。

四、總結(jié)

本文采用基于ARM處理器的嵌入式開發(fā)平臺，根據(jù)指紋識別系統(tǒng)具體的設(shè)計規(guī)范，結(jié)合人們實(shí)際操作中提出的要求設(shè)計了一個完整的嵌入式指紋識別系統(tǒng)，參考ARM+Linux架構(gòu)，并且提出了包括指紋采集、生產(chǎn)指紋圖像、預(yù)處理、特征提取、特征匹配等過程。本設(shè)計是ARM處理器在指紋識別領(lǐng)域中的一次應(yīng)用，本系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)以ARM7TDMI內(nèi)核的32位處理器STM32F205作為主控制器為硬件平臺，非常容易地對外實(shí)施擴(kuò)展。系統(tǒng)操作簡單，攜帶方便，尤其適合不宜使用基于PC構(gòu)架的指紋采集儀器的場合，且成本低廉，易于推廣。