專利名稱：一種基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片的指紋識別方法及裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及指紋識別方法，特別涉及一種基于FPGA的指紋識別 方法及裝置。
背景技術(shù)：
生物特征識別技術(shù)，是隨著計算機科學技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是 計算機圖像處理和模式識別等學科的發(fā)展而逐步形成的新興技術(shù)。近 年來，生物特征識別技術(shù)，尤其是指紋識別技術(shù)越來越成熟，核心技 術(shù)已經(jīng)完全達到實用化的水平。指紋識別相對于其他的生物特征識別， 例如掌紋識別，虹膜特征識別等生物特征識別手段而言，在特征的獨 特性、特征的持久性、特征識別的可靠性、用戶的可接受性等方面具 有相當大的優(yōu)勢。隨著世界各國對各種安全問題的關注程度加大，目 前已經(jīng)有越來越多的指紋識別產(chǎn)品投放市場。目前已有的指紋識別產(chǎn)品從指紋識別處理平臺上分，基本上分為 兩大類 一類是以計算機為運算處理平臺；另一類是以嵌入式系統(tǒng)為 處理平臺。這兩種產(chǎn)品各有優(yōu)、缺點。第一類產(chǎn)品由于使用了計算機 作為處理平臺，因此在數(shù)據(jù)的處理速度、指紋識別的性能上比第二類 產(chǎn)品要強。而第二類產(chǎn)品由于以嵌入式系統(tǒng)作為處理平臺，因此在產(chǎn) 品的性價比和產(chǎn)品的適用性等方面要優(yōu)于第一類產(chǎn)品。而且第二類產(chǎn) 品的數(shù)量要遠遠多于第一類產(chǎn)品。由于不論高性能的計算機處理器還是低性能的嵌入式處理器，都 屬于通用處理器。因此上述兩類產(chǎn)品在指紋識別方法的實現(xiàn)上都有一 個共同的特點，即所有的產(chǎn)品都使用了通用處理器作為指紋識別方法 的運算平臺。其特點是都必須依賴事先編譯好的程序完成預定的操作。 在不同的指紋識別產(chǎn)品中，指紋識別方法使用各種編程語言實現(xiàn)，例如C語言和各種匯編語言。通過專用的程序編譯環(huán)境編譯成不同的機 器代碼存儲在產(chǎn)品的程序存儲芯片中。通過通用處理器的控制從程序 存儲芯片中讀取相應處理程序，完成指紋識別的操作。這種依賴于軟 件編程的指紋識別方法的實現(xiàn)方式完全依賴通用處理器的性能高低， 較低性能的通用處理器會影響指紋識別產(chǎn)品的性能。這種指紋識別方 法的實現(xiàn)方式極大的限制了使用低成本嵌入式處理器的指紋識別產(chǎn)品 的性能，進而影響了指紋識別產(chǎn)品的應用范圍。發(fā)明內(nèi)容現(xiàn)有指紋識別方法的實現(xiàn)方式完全依賴通用處理器的性能高低， 限制了指紋識別產(chǎn)品的性能，使指紋識別產(chǎn)品的應用受到限制，本發(fā) 明的目的是采用不依賴編程語言和通用處理器的技術(shù)方案，提供一種 基于硬件描述語言在現(xiàn)場可編程門陣列芯片上完成指紋識別的實現(xiàn)方 法及裝置。為了實現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的第一方面，提供一種基于現(xiàn)場可 編程門陣列芯片的指紋識別方法，步驟包括指紋注冊步驟由硬件描述語言實現(xiàn)，對由指紋傳感器接口功能 單元讀入的指紋圖像數(shù)據(jù)依次進行圖像分配、指紋圖像增強、細節(jié)點 提取操作，最終通過外部存儲器接口功能單元將包含指紋細節(jié)點信息 的指紋模板存儲在外部存儲器芯片中；指紋匹配步驟由硬件描述語言實現(xiàn)，是在細節(jié)點匹配功能單元 中對輸入指紋生成的細節(jié)點模板和已存儲的細節(jié)點模板進行細節(jié)點匹 配，識別指紋是否屬于同一個手指。優(yōu)選地，所述指紋注冊步驟還包括采用圖像交疊分塊技術(shù)，在 圖像分配功能單元中對輸入的指紋圖像以窗口為單位提取圖像塊，在 指紋增強功能單元、細節(jié)點提取功能單元中以圖像塊為對象進行指紋 圖像增強、局部細節(jié)點提取操作，在細節(jié)點提取功能單元中將由各圖 像塊提取的局部細節(jié)點信息進行重構(gòu)，完成輸入指紋細節(jié)點模板提取 操作。優(yōu)選地，所述基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片的指紋圖像增強還包括下述處理步驟步驟l:采用多方向梯度估計，計算輸入圖像塊中圖像像素點的 方向；步驟2:釆用基于幾何特性的圖像濾波，利用已設置的不同方向 的濾波模板對輸入圖像塊進行濾波；步驟3:采用形態(tài)學模板，對經(jīng)過濾波處理后的輸入圖像塊進行 細化操作。優(yōu)選地，所述細節(jié)點提取釆用細節(jié)點重構(gòu)方式，將由各圖像塊提 取的局部細節(jié)點信息依據(jù)圖像分配操作中圖像塊劃分方式重構(gòu)為完整 的指紋模板。優(yōu)選地，所述基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片的識別指紋運算具有如 下特征-Sl:在現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部構(gòu)建臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)，在指紋 識別運算過程中，存放待處理的圖像塊、局部細節(jié)點信息、待匹配指紋模板臨時數(shù)據(jù)；S2:在指紋識別運算過程中采用流水線運算模式，在指紋增強 功能單元、細節(jié)點提取功能單元中依次處理同一個指紋圖像塊，完成一次局部細節(jié)點信息提取操作。優(yōu)選地，所述細節(jié)點匹配采用點匹配方式，對兩個細節(jié)點模板的 相似度計算為-<formula>formula see original document page 7</formula>，其他為了實現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的第二方面，提供一種基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片的指紋識別裝置，包括指紋傳感器與現(xiàn)場可編程門陣列芯片連接，用于將指紋信息轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)流傳輸至現(xiàn)場可編程門陣列芯片；電源管理電路與現(xiàn)場可編程門陣列芯片連接，用于提供指紋識別 裝置所需的電源；指紋模板存儲電路與現(xiàn)場可編程門陣列芯片連接，用于存儲由現(xiàn)場可編程門陣列芯片產(chǎn)生的指紋模板數(shù)據(jù)；現(xiàn)場可編程門陣列芯片，分別與指紋傳感器、電源管理電路、指紋模板存儲電路、串行通訊電路連接，用于接收上述這些部件的信息完成指紋識別操作；串行通訊電路與現(xiàn)場可編程門陣列芯片連接，用于與計算機通訊，接收計算機的控制命令以及向計算機發(fā)送指紋識別結(jié)果。 優(yōu)選地，所述現(xiàn)場可編程門陣列芯片中包括 指紋傳感器接口功能單元，用于讀入指紋圖像數(shù)據(jù)； 圖像分配功能單元分別與指紋傳感器接口功能單元和臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元連接，將讀入指紋圖像數(shù)據(jù)生成指紋圖像塊；指紋圖像增強功能單元與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元連接，將臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的指紋圖像塊數(shù)據(jù)進行指紋細化操作，生成指紋細化信息；外部存儲器接口功能單元與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元連接，用于 將己存儲的細節(jié)點模板讀入臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，或者將指紋注冊生成的 用戶指紋模板寫入外部指紋存儲芯片中；臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元，用于存儲圖像分配功能單元、指紋圖 像增強功能單元、細節(jié)點提取功能單元、細節(jié)點匹配功能單元各功能 單元產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)；細節(jié)點提取功能單元與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元連接，將臨時數(shù) 據(jù)緩沖區(qū)輸入的指紋細化信息進行處理，獲取指紋細節(jié)點信息；細節(jié)點匹配功能單元與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元連接，用于對由 圖像分配功能單元讀入的指紋圖像生成的細節(jié)點模板和通過外部存儲 器接口功能單元讀入的已存儲的細節(jié)點模板進行細節(jié)點匹配。優(yōu)選地，指紋圖像增強功能單元包括指紋圖像方向場模塊與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)連接，用于提取指紋圖像 塊中指定象素點的方向；指紋圖像濾波模塊與指紋圖像方向場模塊連接，利用濾波模板對指紋圖像塊進行濾波操作；指紋圖像細化模塊與指紋圖像濾波模塊連接，對指紋圖像塊進行 細化操作，獲取指紋細化圖像并輸入給臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所述的指紋識別方法基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片(FPGA)的特點，使用基于硬件描述語言在FPGA芯片 中劃分了指紋傳感器接口、圖像分配、圖像增強、細節(jié)點提取、臨時 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、細節(jié)點匹配、外部存儲器接口等功能單元，實現(xiàn)了指紋 注冊和指紋匹配功能，同時在指紋識別運算過程中，采用流水線運算 模式，對同一指紋圖像塊依次進行指紋增強和細節(jié)點提取等操作，并 逐步完成指紋細節(jié)點的重構(gòu)操作，極大降低了處理完整指紋圖像所需 的臨時數(shù)據(jù)存儲空間。采用本發(fā)明的技術(shù)方案解決了現(xiàn)有指紋識別方法的實現(xiàn)方式完全 依賴通用處理器的性能高低，限制指紋識別產(chǎn)品的性能，使指紋識別 產(chǎn)品的應用受到限制的問題。本發(fā)明所述的指紋識別方法提高了嵌入 式系統(tǒng)環(huán)境下的指紋識別性能、降低了指紋識別處理過程中所需的臨 時數(shù)據(jù)存儲空間，降低了指紋識別系統(tǒng)的硬件成本。采用本發(fā)明的濾波模板對輸入圖像塊進行濾波的技術(shù)方案，減少 濾波處理所用時間，提高了指紋識別速度。


圖1是使用本發(fā)明所述方法實現(xiàn)的指紋識別裝置框圖；圖2是本發(fā)明所述的指紋識別功能框圖；圖3是圖像交疊分塊技術(shù)示意圖；圖4是指紋圖像分配功能單元輸出的圖像塊；圖5是指紋圖像增強功能單元的處理過程；圖6是指紋圖像增強處理結(jié)果；圖7是指紋細節(jié)點信息結(jié)構(gòu)；圖8是指紋細節(jié)點重構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明所述指紋識別方法的測試性能曲線圖；具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明加以詳細說明，應指出的是，所描述的 實施例僅旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。本發(fā)明所述的指紋識別方法工作流程分為以下兩個階段 一、指紋注冊階段由硬件描述語言實現(xiàn)的指紋識別方法在指紋注冊階段對由指紋傳 感器接口功能單元51輸入的指紋圖像依次進行圖像分配、圖像增強、 細節(jié)點提取等操作，最終通過外部存儲器接口功能單元54將包含指紋 細節(jié)點信息的指紋模板存儲在指紋模板存儲電路3中。在指紋注冊階段采用交疊圖像分塊技術(shù)和流水線運算模式，在圖像分配功能單元52中對輸入的指紋圖像以窗口為單位進行分塊提取， 在指紋增強和細節(jié)點提取功能單元56中以圖像塊為單位進行操作，依 次處理同一個圖像塊數(shù)據(jù)，完成一次細節(jié)點提取操作。在細節(jié)點提取 功能單元中將由各圖像塊提取的局部細節(jié)點信息進行重構(gòu)，完成輸入 指紋細節(jié)點模板提取操作。這種處理方式極大降低了處理完整指紋圖 像所需的臨時數(shù)據(jù)存儲空間。它依次含有以下步驟(1)對指紋圖像進行分塊處理本發(fā)明所述的指紋識別方法針對FPGA運算平臺的特點以及考慮 到成本方面的因素，不使用附加的系統(tǒng)存儲器存放臨時數(shù)據(jù)。在FPGA 芯片4內(nèi)部由邏輯單元搭建了一個20K字節(jié)的內(nèi)部臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)。 在指紋識別運算過程中，存放待處理的圖像塊、局部細節(jié)點信息、待 匹配指紋模板臨時數(shù)據(jù)；作為處理芯片的FPGA不與外部數(shù)據(jù)存儲器 交換數(shù)據(jù)。對于由傳感器接口功能單元51輸入的指紋圖像數(shù)據(jù)，在圖 像分配功能單元中完成指紋圖像的分塊操作。圖像分配功能單元52 將指紋圖像分割成大小為wXw的圖像數(shù)據(jù)塊，其中w二64象素。如 圖3所示，指紋圖像在處理過程中圖像塊數(shù)據(jù)獲取的順序是依照從左 向右，從上向下的順序。為了避免在后續(xù)計算過程中產(chǎn)生塊效應，圖像分配功能單元52 采用交疊窗口的方式劃分指紋圖像塊區(qū)域。圖像分塊窗口每次移動w/2象素距離，保證相鄰兩個指紋圖像塊數(shù)據(jù)有w/2象素寬度的數(shù)據(jù) 交疊。圖4顯示了使用交疊窗口按順序獲得的指紋圖像塊。 (2)對指紋圖像進行增強處理受FPGA芯片4成本的限制，在芯片內(nèi)部組合生成的臨時數(shù)據(jù)存 儲區(qū)不可能將所有指紋圖像塊的處理結(jié)果保存下來。利用本發(fā)明所述 的方法，指紋圖像增強功能單元53的處理對象為指紋圖像塊，在完成 指紋細化操作之后，將指紋圖像塊細化的結(jié)果輸出給細節(jié)點提取功能 單元56,同時刪除所有臨時數(shù)據(jù)，為處理下一個指紋圖像塊做準備。 指紋圖像增強功能單元53的處理過程如圖5所示，包括下述步驟 (2. 1)求指紋圖像方向場釆用多方向梯度估計的方法求圖像塊中象素點的方向。通過計算 象素點8鄰域內(nèi)的4個基本方向<formula>formula see original document page 11</formula>
得到象素點的基本方向因子，ol、 o2、 o3、 04分別對應0。 、 45 ° 、90° 、 135°四個基本方向的方向因子。通過下式求出該象素點的 主方向<formula>formula see original document page 11</formula>
0(x,y)，力表示該象素點的主方向，而[al，(x2，a3，a4]是基本方向因子
的權(quán)重參數(shù)，分別等于[l， 32， 96， 64]。 (2. 2)方向濾波 采用基于幾何特性的方向濾波方法，使用如下形式的濾波器方程<formula>formula see original document page 11</formula>其中X、 y表示象素位置；,、^分別表示局部指紋脊線頻率和方向， "丄6; ^、《分別表示高斯包標準偏差，都等于4。根據(jù)圖像塊的范圍，求出針對不同方向的濾波模板，選擇濾波模板的大小為kXk，其中k二16。濾波巻積方程如下 /(x,，》(;c,力也力其中D表示圖像塊區(qū)域。利用模板進行指紋圖像塊的濾波操作，可以加快指紋濾波過程的執(zhí)行速度。(2. 3)指紋圖像細化 采用形態(tài)學方法對增強后的指紋圖像塊進行細化操作，使用4個 形態(tài)學的模板對指紋圖像塊進行腐蝕處理。4個模板分別表示4個不 同的處理方向，分別是0。 、 90° 、 180° 、 270° 。其中0°方向的處 理模板T1如下，其它方向的處理模板T2、 T3、 T4可以對T1模板進 行旋轉(zhuǎn)獲得-11 ==012==013==014==0NA15==016>K17>K18>K其中NA表示待處理的中心象素，k表示操作閾值。當中心象素 的8鄰域象素滿足模板條件時，將其設為0，表示不是有效脊線。使 用該模板在圖像塊區(qū)域內(nèi)進行逐點反復操作，直至完成圖像塊的細化 操作。指紋圖像增強處理的最終結(jié)果見圖6。 (3)提取細節(jié)點指紋細節(jié)點信息包括細節(jié)點坐標信息、局部脊線方向、細節(jié)點類 型。由于使用交疊窗口技術(shù)處理指紋圖像，因而細節(jié)點信息只能限定在圖像塊內(nèi)才能被準確提取。同時受到臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)的限制，因此 在本發(fā)明中不使用全局細節(jié)點特征，如跨越脊線數(shù)等信息。完整的細 節(jié)點特征向量為"，^，"}，如圖7所示，其中x、 y表示細節(jié)點位置，S 表示細節(jié)點方向，t表示細節(jié)點類型。在完成對圖像塊內(nèi)的局部指紋細節(jié)點提取操作之后，由于完成了 本次指紋圖像塊的處理，本次操作所占用的臨時存儲區(qū)需要為下一個 圖像塊的處理做準備。因此每個圖像塊提取的局部指紋細節(jié)點被保存 并被重構(gòu)以保證細節(jié)點集的完整。細節(jié)點重構(gòu)過程的示意圖見圖8。增加提取的細節(jié)點的數(shù)量可以提高本發(fā)明所述方法的指紋識別性能，但是在細節(jié)點重構(gòu)過程中處理 過多的細節(jié)點會占用過多的臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)。因此在保證指紋識別性能的前提下，完整的細節(jié)點集所包含的細節(jié)點數(shù)量被限制在100個以內(nèi)。二、指紋匹配階段在指紋匹配階段，由硬件描述語言實現(xiàn)的指紋識別方法先通過上述(1) (3)步驟由指紋傳感器接口功能單元51讀入的指紋圖像獲 得細節(jié)點模板。在細節(jié)點匹配功能單元57中對輸入指紋生成的細節(jié)點 模板和通過外部存儲器接口功能單元54讀入的已存儲的細節(jié)點模板 進行細節(jié)點匹配，確認是否屬于同一個手指。指紋細節(jié)點集的匹配主要利用的是細節(jié)點結(jié)構(gòu)的特性，是點匹配。 這個結(jié)構(gòu)是基于細節(jié)點的局部結(jié)構(gòu)，它是由上述步驟(3)獲得的細節(jié) 點特征向量構(gòu)成。輸入指紋生成的細節(jié)點模板和已存儲的細節(jié)點模板 之間的匹配相似度由下式計算得出柳:<formula>formula see original document page 13</formula>其他其中^ '。'是輸入細節(jié)點模板中第i個點以及存儲細節(jié)點模板中第j個點；PWR是歸一化權(quán)值的系數(shù)，取值為100; THR是經(jīng)驗閾值， 取值為50; k表示兩個指紋模板間細節(jié)點對匹配的次數(shù)。對上述的細節(jié)點結(jié)構(gòu)在輸入細節(jié)點模板和存儲細節(jié)點模板上進行 逐個匹配，這時就獲得一個記錄累計匹配的點數(shù)N和匹配相似度總和 PS。最終的匹配分數(shù)由下式?jīng)Q定通過將Score與預先設置的指紋匹配閾值進行比較，最終決定輸 入指紋是否與存儲的指紋模板一致。根據(jù)經(jīng)驗指紋匹配閾值設為0.4， 當Score大于該閾值時認為是同一個手指的指紋，否則認為不是同一 個手指的指紋。通過調(diào)節(jié)指紋匹配閾值，可以調(diào)節(jié)使用上述指紋識別 方法的系統(tǒng)識別性能，如拒識率和誤識率，使得指紋識別系統(tǒng)適應不 同的應用領域。將本發(fā)明所述方法使用c語言在計算機上進行指紋識別性能測 試，使用電容式指紋傳感器采集的指紋圖像，圖像大小為256X256 象素，指紋數(shù)據(jù)庫大小為100人X8枚手指。經(jīng)測試，指紋識別性能 EER=2.55%，測試性能曲線見圖9。本發(fā)明裝置如圖l所示，包括指紋傳感器l、電源管理電路2、 指紋模板存儲電路3、 FPGA芯片4、串行通訊電路5。該裝置通過串 口通訊電路5接收PC機的命令，執(zhí)行指紋注冊和指紋匹配操作。本裝置所述的指紋傳感器1是基于CMOS技術(shù)的指紋采集芯片， 芯片的類型可以是平面型的，也可以條狀掃描型的。這些傳感器的特 點是體積小巧，適合使用在各種嵌入式系統(tǒng)中。指紋傳感器l將采集 到的圖像數(shù)據(jù)通過8位的并行數(shù)據(jù)線進入FPGA芯片4的指紋傳感器 接口功能單元51。本裝置所述的電源管理電路2由一片直流電壓變換芯片組成。該 電路將外部提供的直流電源轉(zhuǎn)換為裝置中其他部分電路所需的直流電 壓，為整個裝置供電。本裝置中指紋模板存儲電路3使用電可擦寫的閃存(FLASH)來 存放已注冊的用戶指紋模板。FPGA芯片4通過外部存儲區(qū)接口功能單元54讀、寫FLASH芯片。在FLASH芯片中，指紋模板是以一種數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)存儲的。表 中每一個記錄單元包含了用戶身份號碼信息和用戶的指紋模板信息。 數(shù)據(jù)表中每一個記錄單元按照存儲寫入的順序存儲。表中每一個記錄 單元的大小是固定的。在指紋注冊操作過程中，外部存儲區(qū)接口功能 單元54將生成的指紋模板和相應的用戶身份號碼一起寫入FLASH芯 片中。在指紋匹配操作過程中，根據(jù)FPGA芯片4的命令，外部存儲 區(qū)接口功能單元54根據(jù)記錄的存儲順序依次讀入每一個記錄單元，進 行模板匹配操作。本裝置所述的串行通訊電路5由串行通訊接口芯片組成。該電路 能夠使計算機和FPGA芯片4之間傳輸數(shù)據(jù)。由計算機發(fā)出的命令通 過串行通訊電路5傳輸?shù)紽PGA芯片4，使指紋識別裝置執(zhí)行相應的 指紋注冊或者指紋匹配操作。FPGA芯片4通過該電路將指紋注冊是 否成功的結(jié)果或者指紋匹配是否成功的結(jié)果發(fā)送到計算機。本裝置使用基于硬件描述語言在FPGA芯片中劃分了指紋傳感器 接口功能單元51、圖像分配功能單元52、指紋圖像增強功能單元53、 外部存儲器接口功能單元54、臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)55、細節(jié)點提取功能單 元56、細節(jié)點匹配功能單元57等，實現(xiàn)了指紋注冊和指紋匹配功能。 各功能單元的連接方式如圖2所示指紋傳感器接口功能單元51，用于讀入指紋圖像數(shù)據(jù)；圖像分配功能單元52分別與指紋傳感器接口功能單元51和臨時 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接，將讀入指紋圖像數(shù)據(jù)生成指紋圖像塊;指紋圖像增強功能單元53與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接， 將臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的指紋圖像塊數(shù)據(jù)進行指紋細化操作，生成指紋 細化信息；外部存儲器接口功能單元54與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接， 用于將已存儲的細節(jié)點模板讀入臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，或者將指紋注冊生 成的用戶指紋模板寫入外部指紋存儲芯片中；臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55，用于存儲圖像分配功能單元52、指 紋圖像增強功能單元53、細節(jié)點提取功能單元56、細節(jié)點匹配功能單 元57各功能單元產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)；細節(jié)點提取功能單元56與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接，將 臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)輸入的指紋細化信息進行處理，獲取指紋細節(jié)點信息；細節(jié)點匹配功能單元57與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接，用 于對由圖像分配功能單元讀入的指紋圖像生成的細節(jié)點模板和通過外 部存儲器接口功能單元讀入的已存儲的細節(jié)點模板進行細節(jié)點匹配。在指紋圖像增強功能單元53中又劃分了方向場估計模塊531、圖 像濾波模塊532、圖像細化模塊533,完成指紋圖像塊的圖像增強操作， 如圖5所示包括指紋圖像方向場模塊531與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)55連接，用于提取指 紋圖像塊中指定象素點的方向；指紋圖像濾波模塊532與指紋圖像方向場模塊531連接，利用濾 波模板對指紋圖像塊進行濾波操作；指紋圖像細化模塊533與指紋圖像濾波模塊532連接，對指紋圖 像塊進行細化操作，獲取指紋細化圖像并輸入給臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)55。本裝置的操作模式分為指紋注冊和指紋匹配。外部計算機將操作 命令通過串行通訊電路5發(fā)送至FPGA芯片4， FPGA芯片4控制本 裝置執(zhí)行相應操作。在指紋注冊操作過程中，用戶的指紋信息通過指紋傳感器1采集， 將指紋圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA芯片4。在FPGA芯片4內(nèi)部，指紋傳 感器接口功能單元51將完整的指紋圖像輸入至圖像分配功能單元52， 由圖像分配功能單元52釆用圖像交疊分塊技術(shù)將完整指紋圖像分割 成固定大小的圖像塊，作為圖像增強、細節(jié)點提取等后續(xù)處理過程的 操作對象。在后續(xù)處理過程中，采用流水線運算模式，指紋圖像增強 功能單元53、細節(jié)點提取功能單元56依次處理同一個指紋圖像塊， 完成一次細節(jié)點提取操作。在指紋圖像增強過程中，指紋圖像塊依次通過方向場提取、圖像 濾波、圖像細化操作，生成臨時指紋細化圖像。然后在細節(jié)點提取功 能單元56中生成局部指紋細節(jié)點信息，并保存在臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。 細節(jié)點提取功能單元56在完成一幅指紋圖像所有圖像塊的處理之后， 根據(jù)圖像分配功能單元52分割圖像的順序，對局部指紋細節(jié)點信息進行重構(gòu)操作，得到指紋細節(jié)點模板。由外部存儲器接口功能單元54 保存至外部指紋存儲芯片中。至此，完成一次指紋注冊操作，同時FPGA芯片4將注冊成功信息通過串行通訊電路5發(fā)送到計算機。在指紋匹配操作過程中，本裝置首先從用戶輸入的指紋圖像提取 出指紋模板。然后通過控制外部存儲器接口功能單元54從外部指紋存 儲芯片中依照保存的順序讀取一枚指紋模板數(shù)據(jù)。在細節(jié)點匹配功能 單元57中完成指紋匹配，求出兩枚指紋模板相似度數(shù)值，并且與預先 設置的閾值比較。如果匹配數(shù)值大于闞值，則表明輸入用戶是已注冊 用戶，F(xiàn)PGA芯片4將匹配成功信息通過串行通訊電路5發(fā)送到計算 機。如果匹配數(shù)值小于閾值，則表明輸入用戶指紋模板與本次讀取的 指紋模板不匹配。此時，外部存儲器接口功能單元54將按順序從外部 指紋存儲芯片中讀取下一枚指紋模板數(shù)據(jù)，傳送到細節(jié)點匹配功能單 元57中，進行再一次指紋匹配。如果外部存儲芯片中所有的指紋模板 與輸入用戶的指紋模板都不匹配，則表明當前用戶不是已注冊用戶， FPGA芯片4將匹配失敗信息通過串行通訊電路5發(fā)送到計算機。該裝置使用Verilog硬件描述語言在Xilinx公司的xc2v8000芯片 上測試，測試時FPGA外部時鐘為70MHz，使用的FPGA芯片4的資 源大約為34%。經(jīng)過測試注冊一枚指紋所需的平均時間為1秒，兩枚 指紋模板匹配所需的平均時間為1毫秒。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍 并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)， 可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此， 本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1. 一種基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片的指紋識別方法，其特征在于，步驟包括指紋注冊步驟由硬件描述語言實現(xiàn)，對由指紋傳感器接口功能單元讀入的指紋圖像數(shù)據(jù)依次進行圖像分配、指紋圖像增強、細節(jié)點提取操作，最終通過外部存儲器接口功能單元將包含指紋細節(jié)點信息的指紋模板存儲在外部存儲器芯片中；指紋匹配步驟由硬件描述語言實現(xiàn)，是在細節(jié)點匹配功能單元中對輸入指紋生成的細節(jié)點模板和已存儲的細節(jié)點模板進行細節(jié)點匹配，識別指紋是否屬于同一個手指。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋識別方法，其特征在于，所述指紋 注冊步驟還包括采用圖像交疊分塊技術(shù)，在圖像分配功能單元中對 輸入的指紋圖像以窗口為單位提取圖像塊，在指紋增強功能單元、細 節(jié)點提取功能單元中以圖像塊為對象進行指紋圖像增強、局部細節(jié)點 提取操作，在細節(jié)點提取功能單元中將由各圖像塊提取的局部細節(jié)點 信息進行重構(gòu)，完成輸入指紋細節(jié)點模板提取操作。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋識別方法，其特征在于，所述基于 現(xiàn)場可編程門陣列芯片的指紋圖像增強還包括下述處理步驟步驟l:采用多方向梯度估計，計算輸入圖像塊中圖像像素點的 方向；步驟2:采用基于幾何特性的圖像濾波，利用已設置的不同方向 的濾波模板對輸入圖像塊進行濾波；步驟3:采用形態(tài)學模板，對經(jīng)過濾波處理后的輸入圖像塊進行 細化操作。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋識別方法，其特征在于，所述細節(jié) 點提取釆用細節(jié)點重構(gòu)方式，將由各圖像塊提取的局部細節(jié)點信息依 據(jù)圖像分配操作中圖像塊劃分方式重構(gòu)為完整的指紋模板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋識別方法，其特征在于，所述基 于現(xiàn)場可編程門陣列芯片的識別指紋運算具有如下特征Sl:在現(xiàn)場可編程門陣列芯片內(nèi)部構(gòu)建臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)，在指紋 識別運算過程中，存放待處理的圖像塊、局部細節(jié)點信息、待匹配指 紋模板臨時數(shù)據(jù)；S2:在指紋識別運算過程中采用流水線運算模式，在指紋增強 功能單元、細節(jié)點提取功能單元中依次處理同一個指紋圖像塊，完成 一次局部細節(jié)點信息提取操作。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋識別方法，其特征在于，所述細 節(jié)點匹配采用點匹配方式，對兩個細節(jié)點模板的相似度計算為-柳=尸附_Pm —尸,'戶附,其他
7、 一種基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片的指紋識別裝置，其特征在于， 包括指紋傳感器(1)與現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)連接，用于將指紋信息轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)流傳輸至現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4);電源管理電路(2)與現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)連接，用于提 供指紋識別裝置所需的電源；指紋模板存儲電路(3)與現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)連接，用 于存儲由現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)產(chǎn)生的指紋模板數(shù)據(jù)；現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)，分別與指紋傳感器(1)、電源管理 電路(2)、指紋模板存儲電路(3)、串行通訊電路(5)連接，用于接 收上述這些部件的信息完成指紋識別操作；串行通訊電路(5)與現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)連接，用于與 計算機通訊，接收計算機的控制命令以及向計算機發(fā)送指紋識別結(jié)果。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的指紋識別裝置，其特征在于，在所述現(xiàn) 場可編程門陣列芯片(4)包括指紋傳感器接口功能單元(51)，用于讀入指紋圖像數(shù)據(jù)；圖像分配功能單元(52)分別與指紋傳感器接口功能單元(51) 和臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55)連接，將讀入指紋圖像數(shù)據(jù)生成指 紋圖像塊；指紋圖像增強功能單元(53)與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55) 連接，將臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的指紋圖像塊數(shù)據(jù)進行指紋細化操作，生 成指紋細化信息；外部存儲器接口功能單元(54)與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55) 連接，用于將已存儲的細節(jié)點模板讀入臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，或者將指紋 注冊生成的用戶指紋模板寫入外部指紋存儲芯片中；臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55)，用于存儲圖像分配功能單元(52)、 指紋圖像增強功能單元(53)、細節(jié)點提取功能單元(56)、細節(jié)點匹 配功能單元(57)各功能單元產(chǎn)生的臨時數(shù)據(jù)；細節(jié)點提取功能單元(56)與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55)連 接，將臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)輸入的指紋細化信息進行處理，獲取指紋細節(jié) 點信息；細節(jié)點匹配功能單元(57)與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55)連 接，用于對由圖像分配功能單元讀入的指紋圖像生成的細節(jié)點模板和 通過外部存儲器接口功能單元讀入的已存儲的細節(jié)點模板進行細節(jié)點 匹配。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述指紋識別裝置，其特征在于，指紋圖像增 強功能單元(53)包括指紋圖像方向場模塊(531)與臨時數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(55)連接，用于 提取指紋圖像塊中指定象素點的方向；指紋圖像濾波模塊(532)與指紋圖像方向場模塊(531)連接，利用濾波模板對指紋圖像塊進行濾波操作；指紋圖像細化模塊(533)與指紋圖像濾波模塊(532)連接，對 指紋圖像塊進行細化操作，獲取指紋細化圖像并輸入給臨時數(shù)據(jù)緩沖 區(qū)(55)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于現(xiàn)場可編程門陣列芯片的指紋識別方法及裝置，由硬件描述語言實現(xiàn)，對由指紋傳感器接口讀入的指紋圖像數(shù)據(jù)依次進行圖像分配、指紋圖像增強、細節(jié)點提取操作，通過外部存儲器接口將包含指紋細節(jié)點信息的指紋模板存儲在外部存儲器芯片中；在細節(jié)點匹配中對輸入指紋生成的細節(jié)點模板和已存儲的細節(jié)點模板進行細節(jié)點匹配，確認是否屬于同一個手指?，F(xiàn)場可編程門陣列芯片分別與指紋傳感器、指紋模板存儲電路、串行通訊電路、電源管理電路連接。本發(fā)明提高了嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下的指紋識別速度、降低了指紋識別處理過程中所需的臨時數(shù)據(jù)存儲空間，降低了指紋識別系統(tǒng)的硬件成本?？梢栽谳^低成本的嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)較高的指紋識別性能。
文檔編號G06K9/00GK101226588SQ20071006282
公開日2008年7月23日 申請日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月18日
發(fā)明者鑫 楊, 捷 田, 琪 蘇, 謝衛(wèi)華 申請人:中國科學院自動化研究所