一种嵌入式指纹识别系统设计与实现

邓江洪 赵领

摘 要： 为了克服基于PC平台的指纹识别系统体积较大、可移动性不佳、不便于携带等不足，对嵌入式技术实现的指纹识别系统进行研究。对指纹识别算法进行分析，从硬件与软件两个方面着手，使用S3C2410微处理器与MBF200指纹采集传感器为硬件核心，拓展必要的外部设备，设计完成指纹识别系统。经过实际测试，该指纹识别系统具有实时性好、识别准确率高的优点，体积轻便、便于移动，为同类产品的设计研究提供参考依据。

关键词： 指纹识别； 嵌入式系统； 指纹识别算法； MBF200

中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）06?0120?03

Design and implementation of an embedded fingerprint identification system

DENG Jianghong， ZHAO Ling

（Huanghuai University， Zhumadian 463000， China）

Abstract： In order to overcome the insufficiency （large volume， poor mobility） of the fingerprint identification system based on PC platform， the fingerprint recognition system based on the embedded technology is researched， the fingerprint identification algorithm is analyzed， and the realization of the system is studied in the two aspects of hardware and software. The microprocessor S3C2410 and fingerprint sensor MBF200 are adopted as the hardware core to expand the necessary external devices. The fingerprint identification system was designed and completed. The actual testing shows that the fingerprint identification system based on S3C2410 possesses the advantages of good real?time performance， high recognition accuracy， small volume and light weight， and is easy to move. The research provided a reference for design of similar products.

Keywords： fingerprint identification； embedded system； fingerprint recognition algorithm； MBF200

0 引 言

指纹识别技术是生物特征识别技术中的一个热点问题，当前基于PC系统的指纹图像识别已经较为成熟，并且在很多的身份确认领域中广泛应用，但是基于PC的指纹识别系统具有体积较大、可移动性不佳、不便于携带的明显不足，直接限制了指纹识别系统的进一步应用与普及。因此运用嵌入式技术，设计体积小、成本低、识别准确率高的指纹识别系统，对加快指纹识别技术的应用推广具有重要的现实意义。

1 指纹识别算法

指纹识别算法决定了整个指纹识别系统的可靠性与工作效率，是指纹识别系统中的核心。

1.1 指纹识别算法流程

指纹识别算法一般要包括指纹图像处理、提取特征值、相似特征匹配等部分。其中指纹图像处理部分最为重要，该部分又包括了指纹图像归一化、指纹图像分割、指纹图像增强、指纹图像二值化、指纹图像细化等操作。指纹算法执行过程如图1所示。

1.2 指纹图像处理方法

指纹图像处理包括了归一化、分割、增强、二值化、细化等部分，下面对其中的重要部分进行阐述。

1.2.1 图像归一化

指纹采集的过程中，诸多外界因素，如手指接触的均匀性、下压力度的均匀性、墨印密度的均匀性等均可能造成采集图像的脊线与谷线发生偏差，使得整个采集图像质量降低，从而造成图像后续使用的极大不便，甚至造成采集失败的严重后果，因此使用归一化是为了提高指纹图像采集质量而进行的必要处理。归一化计算公式如下：

式中：M0为处理后的灰度值；[VAR0]为期望方差；I（i，j）表示点的灰度值；Mean，VAR为原始图像的灰度值与方差。

1.2.2 图像细化

指纹识别的过程中，考察的核心因素是图像中纹脊的走向特点，纹脊的宽度如何不是指纹识别的关键。因此在图像处理过程的最后一步，应对图像进行细化处理，细化即是将纹脊的宽度降低到一个像素为佳，将纹脊边缘的像素均做连续擦除，经过细化后，可以提高特征提取的准确度。本设计中使用形态学细化算法，算法的实现方法将图像划分为若干个3×3的图像区域，如图2所示，一共9个像素点分别为P1～P9。

如果Z0表示特定点周围8个点像素从0跳变至1的次数，则按如下公式表示：

当如下3个式子同时成立时，则考察点P1为边界多余点，将其删除：

将图像中所有像素点全部执行上述操作，直至再无像素点可删，最终即得到细化后的指纹图像。图像经归一化与细化后效果图如图3所示。

2 系统硬件设计

2.1 硬件整体结构

本指纹识别系统选用Samsung公司的S3C2410处理器作为控制核心。S3C2410处理器基于以ARM920T处理器为内核，采用0.18 μm制造工艺的32位微控制器，ARM920T CPU的强大指令集可以满足系统的设计需要，指纹采集传感器采用了富士通公司电容式固体指纹采集传感器， MBF200能采集到500 DPI的指纹图像，可以完全满足系统实际采集需求。系统硬件结构如图4所示。

2.2 电源设计

电源是系统稳定可靠工作的基础，电源设计中有诸多因素需要充分考虑，具体包括电源的输入与输出电压、电流、功率状况、电源的体积限制、外界的干扰因素以及性价比等。

本设计中电源选用了电池2.4 V电压的输入方式，系统中使用的5 V电压通过DC/DC转换的形式实现，系统中的3.3 V与1.8 V电压的输出通过LDO调整输出即可完成，整个系统供电按此方式实现。

2.3 复位电路设计

复位电路在指纹识别系统中实现系统的上电复位与按键复位功能，该电路设计方法多种多样，RC电路与其他的方式均可实现，但无论实现方式如何，复位电路的稳定性对系统的工作状况起着不可替代的作用。本设计中使用RC复位电路的方式完成复位电路。其工作原理是在系统上电之后，由电阻对电容进行充电，电容在获得充电过程中，达到的效果为电容电压快速升高，至此REST与nREST分别输出高低电平，达到系统复位效果。一旦电容电源升高到高电平状态，REST与nREST将输出相反的低高电平，此时系统工作达到正常状态。设计中使用二极管加入RC复位电路中，以达到电源降低实现电容放电系统复位的功能。

2.4 指纹采集装置设计

指纹采集装置主要通过MBF200指纹采集传感器实现指纹的采集，该传感器的原理是通过器件表面属于绝缘层，当手指与其接触后，手指指纹与传感器阵列的金属电极产生了变化的电容值，引起了二维阵列上电压值的变化，最终可以采集到对应的指纹图像信息。MBF200与S3C2410的通信状态如图5所示。

图5中MBF200数据线D0～D7实现与S3C2410数据的通信，S3C2410的49引脚负责为MBF200供电，读/写两种信号由S3C2410的nWE，nOE与MBF200的WR，RD引脚连接完成。

3 系统软件设计

系统的软件设计包括两部分：控制系统软件与应用软件，前者主要是指使用的嵌入式操作系统，用以实现整个指纹识别系统的运行。后者主要是指实现指纹识别算法与指纹数据管理系统。

3.1 嵌入式操作系统的移植

基于ARM指纹识别系统软件实现基础是μC/OS?Ⅱ的移植，本设计中使用的硬件可以保证C编译器生成可重入的代码，设计中将与处理器和编译器相关的代码放置在系统的includes.h之中，同时运用C语言编写了与μC/OS?Ⅱ相关的多个函数，实现堆栈初始化、μC/OS?Ⅱ功能扩展、任务切换等功能。

3.2 指纹传感器驱动程序设计

μC/OS?Ⅱ操作系统环境下如要实现对指纹传感器MBF200的管理，需要设计相应的驱动程序。设计中对MBF200的驱动写在函数int ioctl（int f，int cmd，…）之中，通过多分支结构实现对多个操作命令的不同功能。驱动程序由S3C2410编译后得到目标文件，由目标机加载后即可使用。

3.3 系统主程序设计

系统主程序通过C语言编写，主要通过S3C2410实现对指纹采集传感器的控制，系统主程序流程图如图6所示。

4 结 语

系统经过对指纹识别算法和整体系统进行分别的测试，达到了预期的效果。指纹识别算法的测试通过PC机完成，主要通过AXD软件将指纹原始图片从内存中读出存储到特定位置完成比对。整体测试通过相应设备连接后，由指纹传感器采集指纹并由处理器按照指纹识别算法进行分析处理，最终识别结果通过LCD输出。结果显示，系统率可达到2.17%，认假率可达到0.73%，指标达到民用需要。

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