基于DSP的指纹采集和预处理软件设计.docx
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基于DSP的指纹采集和预处理软件设计
西南科技大学
毕业设计（论文）
题目名称：
基于DSP的指纹采集和预处理软件设计
年级：
2003级■本科□专科
学生学号：
20034953
学生姓名：
董丽萍指导教师：
武丽、朱玉玉
学生单位：
信息工程学院技术职称：
副教授、助教
学生专业：
电子信息工程教师单位：
信息工程学院
西南科技大学教务处制
基于DSP的指纹采集和预处理软件设计
摘要：
随着指纹传感器的飞速发展及其性能的不断提升，以及指纹识别技术的发展与应用，高质量的指纹图像采集技术和指纹图像预处理算法成为一个重要的研究课题。
本文设计了一套基于TI公司的DSP芯片TMS320VC5509A的指纹采集和预处理软件，通过标准C语言编程实现了指纹图像的实时采集与处理。
其中指纹采集利用了半导体指纹传感器MBF200，指纹图像的预处理涉及滤波、锐化、二值化和细化等算法。
论文给出了系统设计方案和硬件电路设计方法，重点介绍指纹传感器的特性，指纹采集软件的设计，以及指纹预处理算法的各个处理流程和实现方法。
经测试，该系统的采集效率高、处理速度快且准确可靠，采集一幅指纹图像需时仅0.3s，处理后的指纹图像十分有利于指纹特征的提取。
整个系统具有开发简易、性能稳定和应用灵活等优点。
关键词：
指纹采集；指纹图像预处理；指纹识别；MBF200；TMS320VC5509A
SoftwareDesignoftheSamplingandPretreatmentofFingerprintBasedonDSP
Abstract:
Alongwiththerapidlydevelopingandadvancingcapabilityoffingerprintsensor,theprogressandapplicationoffingerprintidentificationtechnique,highperformanceoffingerprintimagesamplingandpretreatmentisbecomingasignificantresearchsubject.Inthispaper,thesoftwareofthefingerprintcheckingmachineisdesignedbasedonTI’sDSPofTMS320VC5509A.WeusetheClanguageforprogrammingandimplementtherealtimesamplingandpretreatmentofthefingerprintimage.ThesamplingiscarriedoutbythesemiconductorsensorofMBF200,andthepretreatmentcontainsthefilter,thesharping,thebinarizationandthethinningalgorithm.Thepaperhasgiventheschemeofthesystemandthehardwarecircuit,andtookemphasesonthecharacteristicofthefingerprintsensor,thedesigningofthefingerprintsamplingsoftware,theprocessingflowandimplementmethodofthepretreatmentalgorithm.Bytesting,wecanseethatthesystemhashighsamplingefficiency,highspeedprocessing,withnicetyandreliability;ittakesonly0.3sforsamplinganimage.Itisveryfavorablefordistillingcharacteristicfromthefingerprintimage.Thewholesystemhastheadvantageofeasyforexploitation,steadyperformanceandagilityforapplication.
Keywords:
fingerprintsampling,pretreatmentoffingerprintimage,fingerprintidentification,MBF200,TMS320VC5509A
第1章绪论
1.1选题意义和背景
“执生命密匙，启身份之锁”。
在以计算机技术和生物技术为主流科技的知识经济崛起时代，身份的鉴定有了来自生物体自身的密匙，横跨这两大科技领域的生物特征识别技术正愈益显示出其旺盛的生命力和远大前景。
在生物特征识别技术中发展成熟的指纹识别技术在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。
指纹是人类手指末端指腹上由凹凸的皮肤所形成的纹路，它具有唯一性和不变性的特点，享有“证据之首”的盛誉，一直被作为人们身份验证的可靠证据。
指纹识别技术就是通过对指纹进行采集、分析和比对，迅速准确地鉴别一个人的身份。
指纹识别技术是集传感器技术、生物技术、数字图像处理技术、模式匹配技术和电子技术于一体的高新生物识别技术。
随着科技的进步，指纹识别技术已经开始慢慢进入普通人的视野中。
指纹识别技术的复杂度可以提供用于鉴别的足够特征，具有极高的安全性。
相对于其他身份认证技术，它是一种更为理想的身份认证技术。
指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是具有很高的实用性和可行性。
自动指纹识别系统AFIS（AutomaticFingerprintIdentificationSystem）正是基于指纹识别技术的嵌入式指纹识别系统。
随着指纹传感器技术的发展以及指纹识别系统的准确和安全性，其应用范围越来越广泛，目前已进入商业应用阶段。
只要针对不同的领域配以不同的应用软件就可应用在金融系统、社会福利保险系统、司法系统、教育系统、医疗系统管理、电子商务和网上信息系统等诸多领域中。
可以说，指纹识别实现了身份鉴定领域的世纪革命。
相信随着指纹识别技术的完善，还会广泛的应用在身份证、家居等更多领域。
指纹识别系统主要包括指纹图像采集、指纹预处理、特征提取和特征匹配等过程，其中指纹采集是其最前端的步骤，采集得到的图像好坏将直接影响到后面的处理。
指纹图像的预处理是为了保证正确地提取指纹特征而进行的一系列算法处理，它是指纹识别中最为关键的技术。
总之，指纹采集和指纹图像预处理在指纹识别系统中有重要意义。
随着数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）性能的不断提高和价格的大幅度下降，其应用范围不断扩大。
其重要是实时信号处理，指纹识别系统对速度的要求很高、计算量大，并且处理过程中如指纹图像的滤波和细化等很多是乘法和加法运算，而这正是DSP的强项。
由于DSP芯片具有很强的数学计算能力，合理利用它的处理特性，在某些方面可以和高性能的工作站相比。
利用DSP芯片构建嵌入式系统的硬件平台，可以很好的满足实际需要。
另外，DSP芯片具有灵活的外部接口，和各种外设的接口电路设计相当方便，并且成本也越来越低。
正因为如此，DSP芯片取得了广泛的应用。
传统的指纹传感器都是基于光学技术的传感器，这种传感器结构复杂，价格昂贵，体积庞大。
因此造成实际系统价格非常昂贵，这导致了过去指纹识别系统仅仅限于公安、银行等少数特殊部门内应用。
90年代中期开始出现半导体指纹传感器，最初的这类传感器采集的图像质量和光学传感器有较大的差距，随着半导体技术的进步，它采集的图像质量也越来越高，现在这两种传感器采集的图像质量差距已经很小了。
半导体传感器具有价格低、体积小的优点，特别适合集成在普通的消费电子产品中，大有后来居上、取代光学传感器的趋势。
由于半导体指纹传感器的出现，使得指纹识别的应用领域迅速扩大，在个人电脑上、个人数字助理、掌上电脑、手机等很多领域都开始使用AFIS技术，所以指纹采集的研究重点从光学传感器转移到了半导体传感器，对算法的性能也提出了更高的要求。
课题中正是应用了半导体指纹传感器完成指纹采集的，实践表明，它采集得到的指纹图像十分有利于后期算法处理。
综上所述，对于应用前景十分广泛的嵌入式自动指纹识别系统AFIS来说，为保证指纹识别的准确和安全性，指纹的原始图像数据采集显得尤为重要。
本课题研究利用指纹传感器MBF200和数字信号处理器TMS320VC5509A，实现指纹图像的实时采集和预处理，这种新型的基于DSP的指纹采集系统设计方法，硬件上利用DSP的高速处理能力，构建高速的数据处理平台，软件上参考DSP和硬件逻辑的处理特点，对传统的指纹算法进行改进，满足实时性和可靠性要求。
1.2课题国内外研究现状及存在问题
目前，国内外许多公司和研究机构都在指纹识别技术领域取得了突破性进展，推出许多指纹识别与传统方式完美结合的应用产品，这些产品已经被越来越多的用户所认可。
随着计算机技术，特别是图像处理技术和模式识别技术的飞速发以及大规模集成电路的出现及其性能的提高，使得用高速高效的自动指纹识别系统来替代人工识别成为可能。
自二十世纪六十年代开始，为了解决人工鉴别指纹工作量大而且效率低的难题，美国FBI（FederalBureauofInvestigation）、英国家庭办公室以及法国巴黎警察局开始研发自动指纹识别系统（AFIS），并取得了非常好的效果。
可见，指纹识别已被全球大部分国家接受与认可，并广泛地应用到政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务和安全防卫等领域。
在国外由于其开发指纹识别系统比较早，而且主要是利用计算机进行指纹识别，所以技术也比较成熟。
许多大公司如Intel，Microsoft，Digitalor，Veridicom等均成立了专门机构从事该项技术的研究、开发及应用。
其中最具有代表性的是AFIS系统，该系统是利用计算机技术实现的，其具有灵活的系统结构，可以构建大型的数据库，但是该系统价格昂贵，而且由于需要连接计算机，限制了系统在很多其他方面的应用。
当然，目前国外也有一些相对较小的指纹识别系统，比如数码人（Digitalor）公司的U-are-U系统,但他们的产品都存在价格昂贵、应用灵活性差、多使用光学传感器体积较大等问题。
自1998年以来，国内指纹识别技术也得到了长足发展。
目前，国内的生物识别技术市场正处于诸侯割据的萌芽阶段。
国内上百家从事指纹识别技术应用的企业除了北大高科、中科院自动化所和西安青松等几家科研机构拥有自主产权外，其他的多以代理国外产品为主，拥有自主知识产权核心技术不多。
在性能上无论从精度还是从效率上来看，均不如国际领先水平的同类产品。
所使用的方法复杂，使用环境要求高，而且硬件平台的实时性差，接口能力也比较弱。
大多数指纹识别系统是将指纹图像采集到计算机中，利用计算机进行识别。
存在不便携、应用场合范围小等缺点，国外一些公司生产的独立指纹识别系统，价格比较高昂。
这些都限制了指纹识别技术的普及。
好的指纹识别算法在性能较好的PC机上一幅指纹的识别时间不超过0.5秒钟。
但是由于嵌入式系统开发本身的难度，以及整个指纹识别市场的不成熟，目前的指纹识别设备从各方面来看并不成熟。
因此，如何将好的指纹识别算法移植到嵌入式硬件平台上，并且不损失算法的各项性能，成为该类设备系统设计的难点。
纵观国内外现有的指纹采集识别技术和设备，或多或少地存在以下几个问题:
（1）成熟采集识别算法均依赖于计算机平台，成本高，灵活性差；
（2）嵌入式应用不成熟，多受环境限制；
（3）指纹采集器件落后，体积较大等。
（4）指纹设备没有被公众广泛接受，指纹和犯罪总是联系在一起。
（5）没有国际标准和国家标准来检测各厂商的指纹产品，产品性能良莠不齐,
并且各厂商的指纹产品基本不兼容，阻碍了指纹的推广。
（6）由于刚刚开始大量应用，产品的价格还比较高。
（7）由于指纹在日常生活中可能有损伤，所以指纹应用时必须有其他备用手段。
目前，随着高度集成的指纹传感器的引入及其飞速发展，指纹数据的优质采集将达到一个更高的水平，研究指纹采集的通用方法及相应软件是一件十分有意义的工作。
利用新型传感器采集高质量的指纹图像，指纹识别技术的逐渐成熟，可靠的比对算法的发现都将为指纹识别技术提供更广阔的舞台。
国内嵌入式指纹识别技术之所以得不到快速的发展，原因就在指纹采集技术的落后。
获取高质量的指纹数据是降低指纹识别算法复杂性一个最主要途径。
因此，在我国研究和开发拥有自主产权的指纹采集终端是紧迫的也是必须的。
随着第二代居民身份证件中采用指纹技术，公众会逐步接受和使用指纹。
中国的国家标准已经开始编写，国际标准的编写也已经准备，标准公布后，相应的检测机构也会成立，通过检测的指纹产品也一定会互相兼容。
随着指纹产品的大量应用，价格会不断下降，性能会不断提高，我们相信在不久的将来，指纹自动识别技术会应用在很多领域。
进出校园、教室、图书馆、办公室、考场等场所只需手指轻轻一按，就可以表明身份，在校园内不需要使用现金和菜票等替代品，使用电子货币既方便又卫生，还可以杜绝假币、假票在校园内流通，指纹校园一卡通不怕被窃和丢失，便于理财。
数据保存和网络传输加密，只有指定的人才可能解开加密数据，指纹技术将广泛服务公众社会。
1.3课题研究的主要内容和方法
本课题主要研究指纹采集系统的实现以及对采集得到的指纹图像进行预处理。
课题对指纹采集技术和指纹图像预处理算法进行了分析，编程实现指纹的实时采集和各个预处理算法，并得到采集和处理后的指纹，为指纹特征提取和准确识别个人身份做好准备。
课题研究涉及到新型指纹传感器、数字信号处理器等硬件，还涉及指纹采集、指纹图像的预处理，如滤波、二值化和细化处理等。
研究发现实现数字信号处理器对指纹传感器MBF200的控制是一个技术难点。
因为MBF200是一个可编程控制传感器，实现对MBF200的控制涉及到对传感器参数的调整，特别是环境参数的调整。
如果参数选取不合适，将得不到正确数据。
另外一个问题是指纹图像的预处理，它包括多个算法。
如果这两步没有处理好，就难以做到对指纹图像的进一步处理。
本课题将重点对这两个问题进行研究。
对于指纹识别中的特征提取、特征匹配仅从理论上讨论。
在对指纹图像的采集和预处理上做详细讨论的基础上，编制标准C程序，并在CCS（CodeComposerStudio代码生成室）环境中运行。
为此，确定本次课题研究的主要内容如下:
（1）指纹采集技术和指纹传感器MBF200的研究使用；
（2）DSP芯片TMS320VC5509A和CCS开发工具的研究使用；
（3）编写指纹采集软件，选择合适的环境参数，获取正确的指纹数据；
（4）对指纹预处理算法进行多方面研究，选择合理预处理算法，给出算法的原
理、方法和步骤。
编写指纹图像的滤波、锐化、二值化和细化处理算法程序。
实现指纹图像的预处理，以求达到在指纹识别上直接应用的目的。
（5）优化算法，通过CCS编译和运行以确定算法在DSP上实现的可行性。
本课题研究的主要方法是以指纹传感器MBF200为采集头，以DSP为控制和计算核心。
首先，在理论上阐明指纹数据的获取方式和方法，以对MBF200的控制和实现指纹图像的预处理为重点，研究相关理论和软硬件的实现方法。
其次，除了在理论上讨论指纹图像的预处理外，利用标准C语言编写预处理算法的程序，验证本采集系统采集到的指纹数据的正确性。
最后，进行系统的综合软件调试，再次调整各个参数，调试系统并分析结果，给出课题研究的最终结论。
第2章系统概述
2.1自动指纹识别系统
自动指纹识别系统AFIS主要由采集、处理和显示三个模块组成。
其中采集模块是最为关键的部分，指纹采集是指纹识别系统最前端的步骤，采集效果的优劣直接影响到后期的处理以及指纹特征的提取。
指纹采集技术是指纹识别中的关键术之一，同时也是本课题研究的一个重点。
通过了解指纹识别系统组成原理[1]，可见指纹采集的重要性。
指纹识别系统由离线和在线两个部分组成，主要涉及指纹图像采集、图像预处理、特征提取、特征匹配和结果显示等过程。
指纹识别系统框图如图2-1所示。
图2-1自动指纹识别系统基本原理图
“离线”部分属于非实时模式，而“在线”式属于实时模式。
在系统的离线部分，用指纹采集设备采集得到指纹图像，然后进行指纹图像预处理并提取指纹的纹理特征点，将特征点保存到数据库中，形成指纹模板库。
在系统的在线部分，用指纹采集设备实时采集指纹，进行预处理和提取特征点，然后将这些特征点与保存在模板库中的特征点进行匹配，判断输入特征点与模板特征点是否来自同一个手指的指纹。
2.2系统方案设计
本系统总体上分为硬件和软件两大部分，重点设计部分为指纹采集软件和指纹图像预处理软件。
指纹采集是在DSP的控制下完成的，因此硬件部分主要是指纹采集模块与DSP的接口设计，软件部分指纹采集采用硬件仿真方式完成，指纹图像预处理软件采用软件仿真方式设计，最后是整个系统的调试和运行。
系统总体设计流程如下图2-2所示。
图2-2系统总体设计方案流程图
系统硬件设计以TI（TexasInstruments德州仪器）公司的数字信号处理器TMS320VC5509A为主处理芯片，以MBF200为指纹采集芯片，利用XILINX公司的XC9572XL作为逻辑控制芯片。
通常信号处理的设计结构是一个通用的微处理器加一个或者几个DSP组成，而在我们的系统中，采用DSP+CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice复杂可编程逻辑器件）的架构，使得整个系统的通信、控制以及外设的协同工作相对来说较为简单。
指纹采集系统是由DSP控制指纹传感器进行指纹数据采集来实现的。
由指纹传感器MBF200采集到指纹数据后，传入微处理器通过软件进行数据的预处理。
系统硬件设计方案如下图2-3所示。
图2-3硬件框图
系统软件设计包括了指纹的采集，指纹图像的预处理：
滤波、锐化、二值化以及细化等处理过程。
软件设计流程如下图2-4。
图2-4软件设计流程
其中指纹采集获得数据源，即一幅8灰度级的指纹图像；滤波即去噪，是预处理的关键步骤，是后期算法执行的保证；锐化是为了突出指纹的纹线结构；二值化得到黑白二值的指纹图像；细化是进一步将纹线特征表现出来，方便提取细节特征点以进行指纹识别。
指纹采集部分的关键是对指纹传感器的功能寄存器操作以及采集参数的调整，合理设置参数可得到效果很好的指纹图像。
预处理部分的关键是滤波和细化，这两个部分的算法也相对复杂，文中也重点介绍了这两个算法。
第3章指纹采集系统硬件设计
本章重点介绍指纹采集电路原理以及指纹传感器MBF200的特性。
设计中指纹采集系统硬件设计主要是指指纹采集模块及其与DSP的接口设计。
指纹采集模块由逻辑控制芯片XC9572XL和指纹传感器MBF200为核心部件构成。
接口方面可根据DSP的扩展总线各引脚定义连接。
3.1指纹采集系统硬件电路
指纹采集系统主要由指纹传感器MBF200、DSP芯片TMS320VC5509A、逻辑控制芯片XC9572XL以及电源等外围电路组成。
整个系统由指纹传感器采集得到指纹数据，即对MBF200编程得到，采集得到的图像由数据总线传送给DSP进行预处理，采集和处理后的结果通过软件设置CCS环境中的Image菜单显示出来。
指纹采集系统硬件结构如下图3-1所示。
图3-1指纹采集系统原理框图
其中指纹传感器MBF200内部集成了8位A/D转换器，它可完成对指纹传感阵列产生的电压进行A/D采集，形成8位的指纹灰度图像，可通过8位的数据总线供DSP顺序读取使用。
指纹扩展模块完成按照DSP的指令采集指纹图像数据并逐一发送给DSP。
DSP则通过总线可以多次连续读取指纹传感芯片中的图像数据。
3.2指纹扩展模块与DSP接口
指纹扩展模块与DSP的接口电路十分关键，只有正确的与DSP连接才能保证采集得到的指纹数据的准确性。
接口决定了DSP对指纹扩展模块的控制是否正确，也决定了采集得到的指纹数据是否能被DSP正确地读取。
指纹扩展模块与DSP的接口定义如图3-2所示。
图3-2指纹扩展模块接口定义
TMS320VC5509A拥有二次开发的扩展总线（P1，P2，P3，P4），作为外围控制接口使其功能更为强大。
设计中用到了P3和P4口，这两个总线接口各引脚的功能定
义分别见附录1和附录2。
3.3指纹传感器MBF200
MBF200是富士通公司生产的电容式半导体指纹传感芯片，它具有高性能、低功耗和低成本等特点。
其电容性传感器阵列由二维金属电极组成，所有金属电极充当一个电容板，接触的手指充当第二个电容板，器件表面的钝化层作为两板的绝缘层。
指纹表面和传感器表面接触的示意图[2]如图3-3所示。
当手指触摸传感器表面时，指纹的高低不平就会在传感器阵列上产生变化的电容，从而引起二维阵列上电压的变化，并形成指纹传感图像。
图3-3指纹与传感器的接触面示意图
3.3.1MBF200的主要特点
（1）采用标准COMS技术的电容性固态器件；
（2）具有500dpi（dotsperinch，点每英寸）的分辨率；
（3）传感器面积为1.28cm×1.50cm；
（4）传感器阵列为256×300点；
（5）具有自动指纹检测能力；
（6）内含8位A/D转换器；
（7）可提供三种总线接口形式；
（8）带8位微处理器总线接口；
（9）带有全速USB接口和SPI接口；
（10）可提供3.3V～5V的工作电压；
（11）5V工作电压下的功耗小于70mW。
3.3.2MBF200的内部结构
MBF200的内部结构如下图3-4所示。
其中256×300点传感阵列用于产生感应电压；功能寄存器用于对芯片进行操作控制；控制电路用于传感器与外部接口电路的控制，主要负责数据的读出与写入；地址索引寄存器与数据寄存器分别用于对功能寄存器的地址选择及数据的读写；采样保持及A/D转换电路用于对传感阵列所产生的电压进行采样。
另外，多频振荡电路用于为芯片提供时钟信号。
图3-4MBF200内部结构框图
3.3.3MBF200的功能寄存器
指纹传感器MBF200是可编程的，它所具有的强大功能是通过内部寄存器[3]设置完成的。
在对这些寄存器进行操作时，先向地址寄存器内写入所要访问寄存器的地址，然后读写数据寄存器即可。
表3-1所列是这些功能寄存器的地址和功能。
由于列地址的最大值为256，所以只有一个列开始寄存器CAL，和一个列结束寄存器CEL。
另外，THR用于在自动检测指纹时设置门限电压。
PGC则用于在A/D转换时设置放大器的增益。
表3-1MBF200功能寄存器
地址
标识
功能
0x00
RAH
行地址高位
0x01
RAL
行地址低位
0x02
CAL
列地址低位
0x03
REH
行末地址高位
0x04
REL
行末地址低位
0x05
CEL
列末地址低位
0x06
DTR
放电时间寄存器
0x07
DCR
放电电流寄存器
0x08
CTRLA
控制寄存器A
0x09
CTRLB
控制寄存器B
0x0A
CTRLC
控制寄存器C
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