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指纹识别技术以其独有的优越性从生物特征识别技术中脱颖而出，指纹识别系统越来越广泛的应用在电信、邮政、汽车、网络安全、医疗、保险、身份证、电子政务、银行金融和门禁门锁等各个领域。

指纹采集作为指纹识别系统中的一个重要环节也越来越受到人们的重视，高质量的指纹获取技术已成为一个重要的研究课题。

本文在结合当今先进的DSP、CPLD技术的基础上采用飞利浦公司最新推出的精英版CCD摄像头，设计并实现了一种高效低功耗的嵌入式高质量指纹获取系统，该系统采用USB技术实现了获取系统与计算机的通讯，大大的提高了系统的数据传输速度和方便性。

本系统的设计采用了DSP+CPLD的结构。

DSP采用的TI公司的TMS320VC5402，CPLD采用的是MAX7000S系列的EPM7128SLC84，这种设计大大的简化了系统的硬件结构，提高了可靠性。

论文的主要工作有：

深入分析了指纹获取领域的国内外现状及发展情况，并给出了系统的总体设计、器件选型；

深入研究了DSP/CPLD等芯片及其外围器件的结构特性，设计出了系统的硬件原理图并制作硬件电路板；

开发了CCS2.0开发环境下的TMS320VC5402DSP的软件，包括系统初始化程序、数据传输程序等；

设计了USB通讯程序。

本系统将DSP、CPLD、USB技术引入指纹获取领域，这些器件比传统的单片机、分立元件不仅在可靠性、处理速度、稳定性上大大提高，而且使得设计的板卡体积大大减小，功耗大大降低，为指纹技术进入民用领域创造了有力条件。

本系统的指纹获取效率高、处理速度快且准确率高，具有很强的实用价值。

关键词：

指纹获取，DSP，CPLD,CCD.

ABSTRACT

Withthedemandinsecurityfieldofthecountryandeconomythetechnologyofidentityidentificationisoneofthekeytechnologieswhichourcountriesencouragedanddevelopedasanemphases.Amongallbiometricsidentificationfingerprint-basedidentityidentificationisadoptedwidelyinidentificationsystemforitsuniquesuperiority.Anditisappliedincreasinginthecivilianfieldssuchastelecommunicati–onsmailscarsweb-accesmedicalsinsuranceidentityelectrongovernmentbanksdoorlock.Fingerprintacquisitionasanimportantprocessoffingerprintidentificationsystemhasbeenfocusedmoreandmorehighqualityfingerprintimageacquisitionhadbecameanimportantsignificantissue.

ThispaperdesignandachieveahigheffectiveandlowpowerconsumptionembeddedfingerprintacquisitionsystembasedprofoundanalysisoftheadvancedtechnologyofDSPandCPLDthedesignadoptedtheCCDfingerprintsensorwhichwasresearchbytheAmericacompanynamedVerdicomfurthermorethissystemadoptedtheadvancedtechnicofUSBachievethecommunicationbetweenthesystemandthecomputerthisdesignimprovedthetransmitspeedandconveniencegreatly.

TheDSPadoptedTMS320VC5402CPLDadoptedEPM7128SLC84,thisdesignpredigestthehardwarecomposegreatlyandadvancedthedependability.Themainjobofthispaperasfollowgodeepintostudytheactualityanddevelopmentinthisfieldalloverthecountryandabroadanddesignedthewholeframeandselectthechip;

godeepintostudythecharacteristicofthechipsuchasDSP/CPLD/CCDetc,designthesoftware（includetheinitializeprogramfingerprintacquisitionprogramdatatransmissionprogram）oftheTMS320VC5402DSPintheIDECCS2.0;

designtheUSBprogramandtheWindowssoftware.

Atlastachievedonlinedebugandgainedtheexpectantexperimentdata.ThissystemimportthetechnicsuchasdspcpldusbtoFingerprintAcquisitionfieldadoptedthesechipwilladvancedependability、speed、stabilitygreatlythanthetraditionalSingleChipMicyocoandschismelementfurthermorethecubageoftheboardreducedgreatlyandpowerconsumptiondepressedhighly.Thiscreateanadvantageforthefingerprinttechniccomeintothecivilianfieldtheefficiencyoffingerprintacquisitionishighthespeedoftheprocessisfastandreliableandhadaquitestrongworthandpracticality.

Keywords:

FingerprintAcquisition,DSP,CPLD,CCD.

目录

第一章绪论1

1.1DSP的概述：

1

1.2指纹获取国内外研究现状2

1.3指纹获取的应用与发展前景4

1.4小结5

第二章DSP系统硬件的设计6

2.2指纹图像获取理论基础7

2.3指纹图像获取系统硬件的设计8

2.3.1系统硬件结构实物图8

2.3.2CCD摄像头9

2.4数字信号处理器TMS320VC540210

2.4.1TMS320VC54052的特点11

2.4.2TMS320VC5402的存储器扩展11

2.4.3TMS320VC5402的BootLoader12

2.5全局逻辑控制单元CPLD13

2.5.1CPLD的选型13

2.5.3芯片读写信号模块设计15

2.6数据通讯单元USB15

2.6.1USB通讯特点15

2.6.2基于CH375的USB电路设计16

2.7系统硬件调试18

2.8小结19

第三章指纹图像预处理及算法20

3.1指纹图像的预处理20

3.1.1灰度图像的方向图提取21

3.1.2指纹图像二值化23

3.1.3指纹图像Gabor滤波增强24

3.1.4指纹图像细化26

3.1.5细化后去噪28

3.2指纹图像的特征点提取30

3.3特征点的保存31

3.4小结32

第四章系统优越性及实验结果32

4.1系统的优越性32

4.1.1CCD的优越性33

4.1.2TMS320VC5402DSP的优越性33

4.1.3存储电路的优越性34

4.1.4LED显示34

4.2实验结果35

4.3小结37

第五章总结与展望37

5.1本系统的总结37

5.2本系统的展望39

5.2.1基于本系统设计上的改进展望39

5.2.2基于本系统应用的展望39

5.3小结40

参考文献41

致谢42

第一章绪论

世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布S2811，,1979年美国Inetl公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。

这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。

1980年，日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片[1]。

在这之后，最成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司（TexasInstruments，简称TI）的一系列产品。

TI公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31//C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X,第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。

TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即：

TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS3620C5X/C54X/C55X）、TMS320C6000系列（包括TMS320C62X/C67X）。

如今，TI公司的一系列DSP产品已经成为当今世界上最有影响的DSP芯片。

TI公司也成为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额金50%。

第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。

1983年。

日本Fujitsu公司推出MB8764，其指令周期为120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大飞跃。

而与其他公司相比，Motorola公司在推出DSP芯片方面相对较晚。

1986年，该公司推出顶点处理器MC56001。

1990年，推出了与IEEE浮点格式兼容的浮点DSP芯片MC96002。

美国模拟器件公司（AnalogDevices,简称AD）在DSP芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了以系列具有自己特点的DSP芯片，其定点DSP芯片有ADSP2101/2103/2105、ASDP2111/2115、ADSP2161/216462/21以及ADSP2171/2181，浮点DSP芯片有ADSP21000/21020、ADSP21060/21062等。

自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。

从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从20世纪80年代初的400ns（如TMS32010）降低到10ns以下（如TMS320C54等），处理能力提高了几十倍。

DSP芯片内部关节乘法器部件从1980年的占模片区的40%左右下降到5%以下，片内RAM数量增加一个数量级以上。

从制作工艺来看，1980年采用4μM的N沟道MOS工艺，而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。

DSP芯片的引脚数量从1980奶奶的64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。

此外，DSP芯片的发展使DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。

1.2指纹获取国内外研究现状

中国是世界上最早使用指纹的国家之一。

在半坡遗址出土的6000年以前的新石器时代陶器上就印有清晰可见的指纹图案。

指纹学家确认，指纹曾是古人进行陶器纹样设计的模板。

在秦汉时代（公元前221年~公元25年）盛行的封泥制是中国古代第一个利用指纹的保密措施。

唐代藏文文书（借粟契）是中国古代第一个印有指纹的契约文书。

在宋代，指纹已作为正式刑事判案的物证。

可见我国古代的人们就发现了指纹有唯一性和稳定性的特点，并且开始应用这些特点。

虽然指纹最早应用在中国，但指纹识别技术的形成却是西方人对世界的贡献。

指纹图像预处理、特征提取、指纹匹配等几个方面对当前指纹识别技术发展现状进行了总结和梳理。

其中指纹图像预处理是首要环节。

采集得到的防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文指纹图像有很多噪声，比如手指会被弄脏或出现有刀伤、疤痕等，手指过于干燥或过度湿润等等。

预处理就是减弱这些噪声，增强脊和谷的对比度，在去除噪声的同时并不破坏图像的重要信息，处理后的图像不变形，而且应有较好的对比度和清晰度。

传统的图像增强算法，如均值滤波、中值滤波、维纳滤波、Gauss滤波、低通滤波、高通滤波、同态滤波、小波变换等等处理手段，对于常规噪声具有较好的效果，但是对于指纹图像中的噪声无能为力，因此应用在指纹图像的预处理过程中都未能得到较为理想的效果，其最主要的原因之一就在于它们未能利用指纹图像具有方向性这一重要特性。

指纹纹理由相间的脊线和谷线组成，这些纹理蕴含了大量的信息，如纹理方向、纹理密度等。

在指纹图像的不同区域，这样的信息是不同的，最新的指纹图像增强算法就是利用图像信息的区域性差异性并通过对常规的图像增强算法进一步改进来实现的。

在特征提取方面，由于指纹的特征中端点与分叉点占的比例最大，因此，多只需提取端点或分叉点即可达成特征提取目的。

特征提取的结果也一般保存为特征模板，其包括端点和分叉点的类型、位置坐标以及方向。

特征点去伪也有比较优良的方法，一种是利用方向和频率信息的去伪算法，另一种是融合了小框和脊线跟踪的去伪算法。

另外还有一个发展趋势是直接以增强后的指纹图像作为后续匹配的模板，这样就省略了特征提取过程，或者说以原有指纹图像的全部像素矢量点集作为特征，从而不会丢失任何图像中蕴含的有益信息。

在指纹匹配方面，作为自动指纹识别的最后关键一步，对应的较为成熟方法也比较多样。

这些方法的关键点在于有效克服扭曲、变形、缩放等几何失真问题。

由于对于同一手指的不同指纹图，其采集通常是在不同条件下进行的，或者观察点不同而指纹采集器异，或者指纹采集器相同但采集时间不同，因此所得两幅指纹图像难免有不同程度的平移、旋转和缩放等差异，这些差异在模式匹配过程中实际上是未知的。

也就是说，由于采集时噪声和条件的变化，不管特征点的描述方法和提取方法如何，特征点的相对位置都会发生变化。

因此这是匹配过程中必须重点考虑的问题。

目前，常规的指纹匹配分两步，第一步是利用指纹的粗略类别信息进行粗匹配，然后在此基础上利用指纹的细节点信息进行精匹配。

后者就是细节点匹配，这些细节点实际上就是指纹特征提取所得的结果。

细节点匹配是将待识别指纹所提的特征与指纹库中模板指纹的特征进行对比，计算相似度，得到两个指纹匹配的相似度，根据此相似度值即可判断两枚指纹是否来自同一手指。

基于图像的指纹匹配则直接将待识别指纹图像与指纹库中模板指纹图像进行对比，计算相似度来进行判断。

这两类方法各有其优点和缺点。

需根据具体的应用比较选择。

总的来说，尽管指纹识别技术的研究和开发己取得重要进展，也获得了不少国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文有益的成果，出现了不少商用的自动指纹识别系统，已开始在许多国家投入到日常应用。

但是，指纹识别系统还没有形成大的规模。

这主要是因为指纹识别在识别准确性和识别速度方面还远远不能满足很多实际应用的要求。

诸多指纹识别算法中仍旧存在着不少问题，指纹识别技术仍然需要完善，还有一些重要的问题要进一步进行研究，例如，对低质量和残缺的指纹识别仍然是个难题。

为解决这些问题，不少学者考虑将指纹信息与其它信息，如掌纹信息、人脸信息等的识别结果进行融合汇，以期提高整个识别系统的性能。

可见，信息融合技术也是提高指纹系统实用性的一个有益手段[2]。

目前，全球范围已建立了指纹数据库和鉴定机构，而且在国内外几十年的研究与应用中，其有关芯片模块的开发已达到了技术成熟、识别率高和价格低廉的要求。

国外方面，美国、日本早已研制和生产出多种指纹自动识别设备并投入使用，比如美国SECOM、日本嘉士通、松树株式会社等公司开发的指纹锁和指纹认证装置。

国内率先进入这一领域的高校是清华大学，在90年代中期开发出了指纹IC卡，其后又有广东粤安集团、浙江中正、北大高科等高科技集团纷纷进入该领域，其中浙江中正于2000年开发出的超小指纹识别系统，标志着我国在这一领域已经达到了世界领先水平。

很多商业指纹识别项目也已经得到应用，如一些带指纹识别系统的笔记本电脑、闪盘、考勤系统、指纹锁等。

08年，IBG（国际生物识别集团）发布了2009－2014年度全球生物识别市场报告。

报告显示，2009年全球指纹识别技术的市场份额（包括AFIS和非AFIS的指纹应用）将达到66.7%，较08年会有了更多增长，远远超过了其它生物识别技术。

该报告预测全球生物识别市场规模在2014年将会达到93亿美元。

这说明人们对指纹识别的接受和应用已经步入快车道。

生物识别的主要横向市场在：

军事、出入境、金融、医疗、警务、政府、游戏、高新技术和通信、工业控制和零售领域，社会越来越需要基于指纹识别的认证技术。

目前我国开发最有利的项目有指纹门禁系统、指纹保险箱、ATM指纹终端和Intranet安全等。

1.3指纹获取的应用与发展前景

常见的指纹识别系统有两种，即嵌入式系统和连接计算机的应用系统。

嵌入式指纹识别系统是一个相对独立的完整系统，它不需要与其他设备或计算机进行连接，可以独立完成其设计的功能，如指纹门禁、指纹考勤终端、指纹保险箱等都是嵌入式系统。

其功能较为单一，应用于完成特定的功能。

而连接计算机的应用系统具有灵活的系统结构，并且可以多个系统共享指纹识别设备，可以建立大型的数据库应用。

随着计算机与通信网络的蓬勃发展，电子商务的不断推广应用，安全方便的指纹识别系统现已广泛应用于桌面电脑、笔记本电脑、ATM提款机、蜂窝电话、考勤系统、门禁控制以及Intenet电子商务安全系统，遍及银行、保险、边防检查、医疗卫生及网络接人等各个领域。

作为自动指纹识别系统关键部分的指纹图像采集设备也随之得到了更大的发展。

随着手机、掌上电脑以及笔记本电脑等手持电子设备的不断发展和普及，同时人们对电子商务安全和个人信息安全也越来越重视，以功耗低、体积小为优势的半导体指纹传感器的市场需求量将会不断增加。

富士通和美国PujitsuMicroelectronics，Inc．于2001年5月份从美国Veridicom，Inc．取得了半导体指纹传感器设备技术以及指纹识别软件技术的专利许可。

随后富士通，ATMEL，韩国HYNIX等公司相继推出自己的半导体指纹采集设备。

美国Frost&

SulUvan于美国时间2003年11月26日公布了有关半导体指纹传感器市场的调查结果。

认为“目前在面向生物体认证（人体认证）的指纹传感器中，传统型光学传感器占有优势。

由于受到半导体指纹传感器技术进步和价格下降的影响，基于半导体的指纹传感器的势力将会增加。

2001年该市场的规模不过区区510万美元，但是该市场到2006年将以3位数的增长率扩大，猛增到4亿2460万美元的规模。

1.4小结

本章内容主要介绍了DSP的发展情况和指纹获取应用与发展，系统的分析了国内外研究指纹获取的现状。

本课题的第二章将着重说明DSP系统硬件设计。

第二章DSP系统硬件的设计

随着现代电子技术和多媒体技术的发展,图像获取和处理技术得到了广泛的应用。

DSP芯片具有体积小，处理速度快，使用灵活方便等特点。

基于DSP的图像获取处理系统能较好地满足处理的快速性和小型化便携式的要求。

本文设计了一套基于TI公司的TMS320VC5402DSP芯片的图像获取系统。

2.1指纹图像获取系统概述

指纹获取技术是指纹识别技术的关键技术之一，它是由控制器控制CCD摄像头进行指纹数据采集来实现的。

通过CCD摄像头获取到指纹图像后，传入微处理器进行图像的预处理，将处理好的指纹图像上传给上位机进行最终的识别。

指纹获取系统的基本原理框图如图2-1所示。

图2-1指纹获取系统原理框图

本系统主要由以下部分构成：

指纹图像获取部分、指纹图像预处理部分、程序和数据存储部分、全局逻辑控制部分以及数据上传部分。

结合硬件和系统的要求，指纹图像获取系统设计到的软件部分可以概括成两部分，一是系统控制实现部分，二是指纹图像预处理部分。

系统软件框图如图2-2所示。

系统的硬件结构和处理算法基本确定之后，就该选定TMS320VC5402和CPLDEPM7128的应用软件调试开发环境。

这里DSP使用的是TI公司提供的集成编译调试环境CCS2.20，CPLD使用的是Altera公司提供的QuartusII5.1开发环境。

图2-2系统软件框图

2.2指纹图像获取理论基础

相对于其它身份认证技术，指纹识别技术具有许多独到的信息安全优点，具体体现在以下几个方面：

（1）个人的指纹是相当固定的，不会随着人的年龄的增长或身体健康程度的变化而变化，但是人的声音、面相等却存在较大变化的可能。

（2）指纹样本便于获取，易于开发识别系统，实用性强。

目前已有标准的指纹样本库，方便了识别系统的软件开发；

另外，识别系统中完成指纹采样功能的硬件部分也比较容易实现。

（3）个人的十指指纹皆不相同，这样可以方便地利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性。

（4）指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图像，而是由指纹图像中提取的关键特征，这样既使系统对模板库的存储量要求较小也保护了使用者的个人隐私。

另外，对输入的指纹图想提取关键特征后，可以大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。

上述客观理论是指纹识别的基础，也是进行指纹图像获取、预处理、特征值提取以及对比的理论基础。

2.3指纹图像获取系统硬件的设计

2.3.1系统硬件结构实物图