优化指纹识别算法的移动存储器系统设计

王延年，屈桢

（西安工程大学电子信息学院，西安710048）

引 言

移动存储器由于使用灵活、携带方便得到了广泛的应用，但也增加了信息泄漏的可能性。现有保密手段大多是采用软件上的设计来确保移动存储器的安全性，像设置口令认证、加密等方法，软件易被攻破［1］。针对如中央国家机关、地方各级党政机构，以及国有企事业单位设立的保密委员会等对于数据传输保密性要求比较高的场合，传统的移动存储器已经不能满足其安全性要求。

本文综合考虑现有移动存储器保密手段，提出了软硬件同时改进的设计思想，硬件上以SDRAM 为存储介质，无线方式传输数据，利用指纹传感器进行用户身份验证并以DSP为控制核心；软件上编写适合移动存储器系统的指纹识别算法支持硬件［2］，设计一种新型移动存储器可有效解决现有移动存储器存在的安全隐患问题。

1 系统概述及结构框架

本系统分为移动存储器和无线数据接收器两部分。移动存储器部分由指纹采集传感器、电源管理、模式选择开关、蜂鸣器、外部存储器SDRAM、FLASH 和无线数据通信组成，如图1所示。

图1 移动存储器

无线数据接收器部分由上位机、USB 接口、ARM、无线收发模块组成，如图2所示。

1.1 移动存储器

移动存储器以TMS320DM642 为核心，负责整个电路系统的片选、中断、通用I／O 口的配置以及各种数据的处理，把处理好的数据及时传输出去［3］。MT9T001电路主要完成系统指纹数据的采集，并把所采集到的指纹数据由模拟形式转换成数字形式。自带电源，当出现突发状况时，可人为断电，存储器自动销毁存储数据。模式选择开关用于切换存储器的发送／接收模式。蜂鸣器在指纹匹配失败时发出报警。存储器部分包括SDRAM 和FLASH。其中SDRAM 存储空间不小于16G，用于存储重要文件信息，利用其不断充电保存数据的特性，处理断电后数据不可恢复的突发事件。FLASH 用于存储DSP 源程序。TMS320DM642通过无线数据通信模块实现数据的无线传输。

图2 无线数据接收器

1.2 无线数据接收器

无线数据接收器以ARM 微控制芯片LPC1766及其外围部件为基础，通过串口控制无线传输模块收发数据［4］。编写相应的程序与移动存储器进行唯一性配对，未配对的无线数据接收器无法实现与移动存储器数据的传输，有效地避免了存储器丢失造成数据泄密的可能性。

发送过程：首先LPC1766 通过SPI接口对无线模块各种配置寄存器进行设置，并将要发送的数据放入发送存储区中。然后设置选择发送状态，使无线模块向上位机传输数据。

接收过程：先通过设置选择接收状态。无线模块开始检测空气中的信号。当无线模块检测到接收频率上的载波，收到有效地址和数据包时，打开数据包，去掉包头包尾并将接收数据准备引脚置高。通过SPI接口将上位机数据取出。

2 软件系统设计

2.1 优化的指纹识别算法

指纹识别算法是整个移动存储器系统的核心，且在DSP上实现，用户通过指纹传感器进行快速与准确的身份验证。然而，使用指纹传感器采集图像的过程中，指纹纹线之间都会存在不同程度的粘连、模糊以及纹线断裂等现象，这是由于采集时按压用力不均匀和手指表面干湿度差异等因素造成的［5］。同时，从三维人体指纹到二维数字指纹图像的转换过程中，因为量化精度及扫描仪非线性特性影响，都会不可避免地产生噪声。因此，在进行特征提取和匹配之前，必须对指纹图像进行预处理，恢复指纹的纹线结构，以便可靠提取正确的指纹特征。结果将直接影响特征提取和匹配的复杂度，关系到整个算法的识别率。本文针对传统指纹识别算法复杂度较高、运算耗时的问题，综合考虑系统硬件平台特征，对现有算法进行优化。

优化的指纹识别算法流程如图3所示，主要包括指纹图像预处理和特征点提取与匹配。其中图像预处理是整个算法的关键。

图3 指纹识别算法流程图

传统的图像分割算法主要有2类：一类是基于指纹图像方向信息分割的方向法［6］，另一类是基于图像灰度特征分割的方差法。本系统采用一种基于特征融合的分割算法，对梯度、方向一致性进行2次分割。实验表明，该算法能够精确地对不同类型的指纹图像进行分割，分割效果比较理想。

本系统采用Gabor小波函数进行智能增强算法，Gabor小波函数由高斯函数与三角函数构成，形成周期震荡的函数［7］。Gabor小波函数的一维、二维表达式分别为

其中高斯分量为

坐标轴的旋转公式为

因Gabor小波函数运算非常耗时，用模板来拟合Gabor小波函数，将矩形模板变为两条相交的线段模板，这样作模板运算，使得优化后的运算复杂度和运算量就小得多。

经过上述图像增强之后，再对图像进行二值化。从原始的灰度图像上来确定图像每一点应属于脊线还是谷线，产生对应的二值图像。设f（x0，y0）为该点的灰度值，其方向场为O（x0，y0），δ为设定的阈值大小范围。设H 为切向像素值和，V 为法向像素值和，则有以下公式

根据上述两式可判断某一点，若V＞H，则该点属于脊线，反之，该点属于谷线。

指纹细化采用查表法，其基本思想是列举出像素点相邻的所有8个像素点中那些需要被删除的情况，将它们作为消除模板。像素点的8 个邻域黑白变化共有28＝256种情况，为了提高细化速度，将256种情况编成一个删除表，进行查表删除。

对经过指纹预处理后的指纹图像进行特征点提取，并与系统数据库中的指纹模板数据进行匹配，确定用户身份，判断是否进行移动存储器文件数据传输。实验结果表明，优化后的算法在降低运算复杂度和缩短运算时间的同时，提高了指纹图像匹配的准确性。

2.2 软件流程设计

移动存储器负责指纹的检测与识别，判定存储数据是发送还是销毁。无线数据接收器负责接收移动存储器的指令，并与上位机进行文件数据传输。流程图如图4～图6所示。

图4 移动存储器程序流程图

3 实验结果分析

图5 发送端程序流程图

图6 接收端程序流程图

本文以FVC2000、FVC2002和FVC2004训练以及用自己采集的指纹图像做实验。图7为测试示例，图中的左下按钮Open＿tfp打开的是模板指纹，右下按钮Open＿ifp打开的是待匹配指纹，点击match按钮直接弹出匹配结果。测试总共进行了39×40次匹配验证，其中拒识的次数为30次，误识的次数为0，测试结果与参考文献［8］的测试结果进行了比较，如表1、表2所列，显示该算法复杂度较低，识别速度快，准确率也比参考文献中的高。

表1 本算法测试结果

图7 测试示例

表2 参考文献［8］测试结果

结 语

本文所设计的基于优化指纹识别算法的移动存储器系统，首次将指纹传感器和无线接收器移植到传统的存储器中，对传统指纹识别算法进行优化，形成了适合本系统的算法。整个系统由于应用优化的指纹算法，对用户进行身份识别，在保证算法复杂度较低、识别速度快、准确率高的前提下实现了与资源的平衡，为保密性要求高的场合提供了理想的解决方案。

［1］顾桃峰，岳海燕，胡锦前.便携式存储器安全管理平台的研究与实现［J］.计算机应用与软件，2011，2（2）：114-117.

［2］熊玉朋，陈兴欣，庞俊锐.一种新型移动保密存储设备［J］.通信与信息技术，2010，316（5）：89-91.

［3］戴佳，戴卫恒.51单片机C 语言应用程序设计［M］.北京：电子工业出版社，2006：385-398.

［4］赵卉.基于USB接口的无线数据传输系统设计［D］.西安：空军工程大学，2008.

［5］朱树阔.基于DSP的指纹识别系统研究与设计［D］.重庆：重庆大学，2010.

［6］詹小四.基于纹理分析的指纹图像分割算法［J］.计算机工程与应用，2008，44（21）：162-165.

［7］李利，范九伦.一种有效的指纹图像方向滤波增强算法［J］.计算机应用研究，2008，25（10）：3072-3074.

［8］朱宁，施荣华，吴科桦.一种新的点模式指纹匹配方法［J］.计算机工程与应用，2006，18（4）：74-76.